Canales iónicos regulados por voltaje

Unidades funcionales

Los canales iónicos regulados por voltaje están compuestos por subunidades con dominios transmembrana, dispuestas y configuradas de tal manera que forman un poro central. Este poro actúa como una vía para la entrada o salida de iones seleccionados a través de la membrana. El poro se abre para el ion seleccionado porque los aminoácidos en la estructura del canal son sensibles a la carga. Todos los canales iónicos regulados por voltaje están formados por tres unidades funcionales principales:

1. El sensor de voltaje, que detecta los cambios en el potencial de membrana. Está compuesto por residuos de aminoácidos cargados y cambia su conformación, lo que lleva a la apertura o cierre del canal como consecuencia a las alteraciones del voltaje.
2. El poro, que actúa como la vía conductora donde pasan los iones. La selectividad iónica del canal se determina por la composición de aminoácidos del poro, junto con la carga y el tamaño del ion.
3. Las compuertas, que controlan la dinámica de apertura y cierre del canal basadas en el potencial de membrana. La compuerta de activación generalmente se abre en respuesta a la despolarización. En algunos canales, también está presente una compuerta de inactivación.

Canales de Na+ regulados por voltaje

La estructura central de los canales de Na+ regulados por voltaje está formada por una subunidad alfa (α), que contiene cuatro dominios homólogos (I-IV), cada uno con seis segmentos transmembrana (S1-S6). El segmento S4, actúa como el dominio sensor de voltaje, mientras que los segmentos S5-S6 y el lazo poro (también conocido como lazo-P) que los conecta forman la compuerta de activación y el poro conductor de Na+. La región que une los dominios III y IV forma la compuerta de inactivación del canal. Aunque las subunidades alfa son funcionales por sí mismas, pueden unirse a proteínas auxiliares, como las subunidades beta (β), que alteran la sensibilidad al voltaje, la cinética del canal y la localización celular de los canales.

Por lo general, la porción interna de la membrana celular está cargada negativamente cuando se encuentra en reposo. Esto se debe a la actividad de la Na+/K+ ATPasa, que transporta tres iones Na+ fuera de la célula y dos iones K+ hacia dentro de la célula. Esta diferencia de carga se mide en -70 mV, un valor conocido como potencial de membrana en reposo. Cualquier cambio en el potencial a través de la membrana que haga que el interior de la membrana sea menos negativo en comparación con el exterior se llama despolarización. La suma temporal y espacial de los potenciales graduados postsinápticos en la superficie receptiva puede llevar el voltaje desde el potencial de membrana en reposo (-70 mV) hasta un potencial umbral (-55 mV). Cuando la membrana celular se despolariza hasta alcanzar el potencial umbral, se inicia un potencial de acción en el cono axónico, la llamada "zona gatillo" de la neurona. Como un evento digital, el potencial de acción es un fenómeno de "todo o nada"; cualquier despolarización que no alcance el umbral no resultará en un potencial de acción. Estímulos más fuertes iniciarán múltiples potenciales de acción con mayor frecuencia, pero los potenciales de acción individuales alcanzarán el mismo voltaje máximo (+30 mV).

Los canales de Na+ regulados por voltaje están altamente concentrados en el cono axónico y son responsables de la fase de ascenso rápido de los potenciales de acción. El dominio sensor de voltaje S4 contiene residuos de arginina o lisina cargados positivamente en patrones repetidos (motivos), orientados hacia el citosol en el estado de reposo. A medida que la membrana se despolariza, los aminoácidos cargados positivamente se desplazan hacia el exterior. Este movimiento desencadena cambios conformacionales y la compuerta de activación se abre en respuesta al potencial umbral, permitiendo que los iones Na+ entren rápidamente en la célula. Sincronizado con el pico de despolarización a +30 mV, la compuerta de inactivación se cierra, impidiendo la entrada extra de iones Na+ en la célula. Por lo tanto, para lograr el cierre de la compuerta de inactivación se necesita el estímulo que en este caso también sería la despolarización inicial; sin embargo, el cierre se retrasa, regulando el tiempo y la duración del potencial de acción.

Una vez que se ha iniciado un potencial de acción, no se puede comenzar un segundo. Este suceso o fenómeno se conoce como el período refractario y tiene dos fases:

1. El período refractario absoluto, durante el cual la célula no puede iniciar un potencial de acción, independientemente de la fuerza del estímulo, ya que los canales de Na+ regulados por voltaje están ya activados (despolarización) o inactivados (repolarización).
2. El período refractario relativo, durante el cual un estímulo más fuerte de lo usual puede iniciar un potencial de acción, ya que los canales de Na+ regulados por voltaje han vuelto a su estado de reposo, con la compuerta de inactivación abierta, pero la membrana está hiperpolarizada.

El período refractario es clave para la unidireccionalidad de la propagación del potencial de acción a lo largo del axón hacia las terminaciones axónicas, eliminando la posibilidad de que un potencial de acción se desplace de regreso hacia el soma.

La propagación de los potenciales de acción a lo largo del axón difiere según el estado actual de mielinización de la neurona. En las neuronas no mielinizadas, la conducción es continua a lo largo de toda la longitud del axón, lo que causa una apertura en forma de onda constante de los canales de Na+ regulados por voltaje en regiones adyacentes. En las neuronas mielinizadas, la conducción se conoce como conducción saltatoria (donde los impulsos se mueven por saltos). Los canales de Na+ regulados por voltaje solo están presentes en los nodos de Ranvier, donde la membrana del axón está expuesta, y, por lo tanto, los potenciales de acción "saltan" de un nodo a otro, pasando por alto las áreas mielinizadas. Este patrón de propagación permite una transmisión más rápida y eficiente energéticamente.

Canales de K+ regulados por voltaje

Los canales de K+ regulados por voltaje están formados por cuatro subunidades alfa (α), cada una contribuyendo con un dominio transmembrana que contiene seis segmentos transmembrana (S1-S6) y subunidades auxiliares. Al igual que los canales de Na+ regulados por voltaje, el segmento S4 actúa como el dominio sensor de voltaje, y los segmentos S5-S6, junto con su bucle conector, forman la compuerta y el poro conductor de K+. La compuerta puede estar abierta, permitiendo la salida de iones de K+ intracelulares, o cerrada, inhibiendo este flujo.

Canales de Ca2+ regulados por voltaje

Los canales de Ca2+ regulados por voltaje son heteromultímeros, formados por una subunidad α1 y subunidades auxiliares (α2-δ, β y γ) que modulan la dependencia del voltaje y la cinética de apertura del canal. La subunidad principal es la α1, que contiene cuatro dominios homólogos (I-IV), cada uno con seis segmentos transmembrana (S1-S6), que constituyen el poro de conducción, el sensor de voltaje y las compuertas (similar a los canales de Na+ regulados por voltaje). Los canales de Ca2+ regulados por voltaje en las neuronas están ubicados principalmente en las terminaciones presinápticas y muestran una permeabilidad leve a los iones de Na+ (1000 veces menor que a los iones de Ca2+). Cuando un potencial de acción (+30 mV) alcanza la terminal del axón, los canales de Ca2+ regulados por voltaje se abren, lo que provoca la entrada de Ca2+. Los iones de Ca2+ se unen a proteínas en la superficie de las vesículas sinápticas, facilitando su fusión con la membrana presináptica. Esto lleva a la liberación de neurotransmisores o neuropéptidos a través de la exocitosis, los cuales luego se difunden a través de la hendidura sináptica antes de alcanzar la membrana celular postsináptica, donde se unen selectivamente a sus receptores para ejercer su acción.

Canales de Cl- regulados por voltaje

Existen varios subtipos de canales de Cl- regulados por voltaje. En las neuronas, la apertura de estos canales es dependiente de su sensibilidad al voltaje, así como la dirección del movimiento de Cl-, varían según el contexto fisiológico y su subtipo. Los canales de Cl- regulados por voltaje suelen activarse durante la hiperpolarización, contribuyendo a los potenciales postsinápticos inhibitorios (IPSPs - ​​Inhibitory postsynaptic potential). Esto impide que la neurona alcance el potencial umbral antes de que se dispare un potencial de acción.