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Canales iónicos Los canales iónicos permiten un pasaje muy rápido (hasta 100 millones de iones por segundo). Este flujo genera una corriente de pocos picoamperios (10-12 A). Son proteínas transmembrana que poseen un poro ACUOSO O HIDROFÍLICO. Tienen una COMPUERTA (gate) que permite la entrada y salida de los iones. Poseen un FILTRO DE SELECTIVIDAD → el cual otorga la selectividad iónica → por ejemplo, si el canal es de sodio, únicamente puede pasar sodio. Tienen un SENSOR A UN ESTÍMULO → el cual hace que el canal pueda abrirse o cerrarse. Pueden ser REGULADOS → o sea que solo se abren frente a un estímulo. Pueden ser NO REGULADOS → oscilan entre la conformación abierta y cerrada, pero en general están siempre abiertos. CONFORMACIÓN CERRADA → no permite el pasaje de iones. Cuando está en REPOSO, está disponible para su apertura por estímulos químicos, eléctricos o mecánicos. También puede estar en una CONFORMACIÓN INACTIVADA, la cual no está disponible para su apertura (ni siquiera ante estímulos). CONFORMACIÓN ABIERTA → permite el pasaje de iones; en el interior del poro acuoso está el FILTRO DE SELECTIVIDAD → el cual hace que este canal sea selectivo para un ión exclusivo. Cuando el canal abierto está activado permite el paso de una corriente iónica. Una de las características de los canales iónicos es que poseen un FILTRO DE SELECTIVIDAD → el canal iónico está formado por 4 SUBUNIDADES IDÉNTICAS QUE FORMAN EL PORO CENTRAL; en la parte citosólica del poro central; éste está tapizado con aminoácidos de cargas negativas, lo cual favorece que sean atraídos los cationes. Cada subunidad está formada por DOS HÉLICES TRANSMEMBRANA Y UNIDAS ENTRE SÍ POR HÉLICES DEL PORO Y LAZO PROTUBERANTE; la hélice del poro de cada subunidad (4 en total) determinan el filtro de selectividad → en ese filtro de selectividad se 9° T E O R I C O Transporte de membrana alinean los átomos de oxígenos de los carbonilos del esqueleto peptídico → esto permite que por este canal solo ingrese el ión específico. Cuando el IÓN POTASIO (en este caso) ingresa al vestíbulo del canal → el ión potasio se encuentra hidratado con 4 moléculas de agua → con lo cual, el potasio interacciona con cada uno de los oxígenos de estas moléculas. Al ingresar al filtro de selectividad, se pierden las moléculas de agua (se deshidrata el ion) → proceso que requiere energía, pero que se recupera rápidamente ya que el ión potasio se acomoda en el filtro de selectividad interaccionando con los oxígenos de los carbonilos del esqueleto peptídico del filtro. Cuando se reemplaza el ión potasio por el sodio → el ION SODIO ES MÁS PEQUEÑO → también ingresa al vestíbulo del poro o del canal de manera hidratada con 4 moléculas de agua → sin embargo, cuando el ión sodio se deshidrata al ingresar al filtro de selectividad → es demasiado pequeño para interaccionar con los oxígenos de los carbonilos presentes en este filtro. DE ESTA MANERA, SE HACE IMPOSIBLE QUE EL ION SODIO PUEDA INGRESAR A TRAVES DEL CANAL. Se observó, mediante cristalografía, que el canal de potasio puede desplazar sus hélices de manera de tener dos configuraciones → una CONFIGURACIÓN CERRADA y una ABIERTA. Concentraciones de iones dentro y fuera de la célula La membrana plasmática es una BARRERA SELECTIVA que permite que las concentraciones de iones dentro y fuera de la célula sean diferentes. La concentración de potasio es mayor del lado intracelular que del lado extracelular; el sodio, el cloruro y el calcio están más concentrados en el extracelular que en el intracelular → es importante que las concentraciones de calcio dentro de la célula sean muy bajas porque si no puede activar señales intracelulares que no son necesarias en ese momento. Esta diferencia de concentraciones de iones → determinan los gradientes de sodio, de calcio, de cloruro, etc → estos gradientes de concentración permiten las diferentes actividades celulares que van a ocurrir. Potencial de membrana en reposo Los gradientes iónicos y el potencial eléctrico que se generan son importantes para numerosos procesos biológicos. GRADIENTE Ca2+ → es importante para la contracción muscular, secreción de vesículas, etc. GRADIENTE Na+ → potencial eléctrico de membrana, absorción de aminoácidos, glucosa, etc. OCURRE ESTO GRACIAS A LOS CANALES IÓNICOS Y A LAS BOMBAS ELECTROGÉNICAS → los canales iónicos moverán los iones a favor del gradiente de concentración; y las bombas electrogénicas (como la Na+/K+) los mueven en contra de su gradiente de concentración. ENTONCES → la generación de una diferencia de voltaje o potencial eléctrico a través de la membrana depende del movimiento selectivo de iones. EN CÉLULAS ANIMALES → predominan los canales abiertos de K+ → estos no son regulados. El principal movimiento iónico será la salida de potasio a favor de su gradiente de concentración → ya que el potasio está más concentrado en el interior de la célula que en el extracelular. ESTO OCURE A PARTIR DE UN CANAL IÓNICO NO REGULADO. Se genera un potencial de reposo de membrana que será negativo del lado intracelular → entre -60 y - 70 mV. ESTE POTENCIAL DE REPOSO NO VARÍA CON EL TIEMPO → salvo en células musculares y nerviosas que sufren cambios transitorios para poder permitir impulsos. El potencial de reposo de membrana es la diferencia de potencial que existe entre el interior y el exterior de una célula. LO QUE MANTIENE A ESTE POTENCIAL EN REPOSO ES LA CONCENTRACIÓN DEL IÓN POTASIO → y ésta depende de: Canales iónicos no regulados de K + → permiten la salida de potasio a favor del gradiente de concentración. Bomba Na+/K+ ATPasa → permite la entrada de potasio en contra de su gradiente de concentración mediante la hidrólisis del ATP. EL POTENCIAL DE REPOSO DE MEMBRANA PUEDE SER CALCULADO MEDIANTE LA ECUACIÓN DE NERNST. LA BOMBA DE SODIO-POTASIO ES ELECTROGÉNICA → establece una corriente neta a través de la membrana, contribuyendo a generar un potencial eléctrico con el interior de la célula cargado negativamente. SI SE INHIBE LA BOMBA → el potencial de repaso cae levemente ya que la bomba contribuye solo un 10%. SI SE INHIBE LA BOMBA A LARGO PLAZO → se anula el gradiente de concentración de potasio → las concentraciones de potasio en el intracelular y en el extracelular pasan a ser iguales y por lo tanto → esto lleva a la muerte celular ya que todos los procesos que dependen de gradientes iónicos se anularán → por ejemplo, la entrada de glucosa a la célula. Canales iónicos regulados Los canales iónicos pueden ser REGULADOS o NO REGULADOS. Los canales iónicos regulados se pueden clasificar en: REGULADOS POR VOLTAJE Un estímulo eléctrico permite la apertura o cierre del canal. REGULADOS POR ligando Puede haber un ligando EXTRACELULAR como un neurotransmisor → que permite la apertura del canal. Puede haber un ligando INTRACELULAR como un ión o un nucleótido → que permite la apertura del canal. REGULADOS MECANICAMENTE Cuando los canales están unidos al citoesqueleto → por estiramiento permiten la apertura del canal. Canales regulados por voltaje Los canales regulados por voltaje son los que generaran potenciales de acción en células excitables. LA VARIACIÓN DEL POTENCIAL DE MEMBRANA CONDUCE A UN POTENCIAL DE ACCIÓN. POTENCIAL DE ACCIÓN → es una alteración del potencial eléctrico a través de la membrana celular causada por la apertura o cierre de canales iónicos regulados por voltaje. Esto lleva a una propagación unidireccional del impulso nervioso. El potencial de reposo dependerá de la salida de potasio a través de canales de potasio no regulados llamados “CANALES DE FUGA DE POTASIO”. CUANDO LA CÉLULA RECIBE UN IMPULSO ELÉCTRICO → se produce la apertura de canales de sodio reguladospor voltaje → lo que permite el ingreso de sodio a la célula a favor de su gradiente de concentración (sodio está más concentrado fuera de la célula que dentro). El ingreso de sodio produce que el potencial de membrana se vuelva cada vez más positivo → esto se conoce como DESPOLARIZACIÓN DE LA MEMBRANA. Luego ocurre la apertura de canales de potasio regulados por voltaje → son canales retardados → se abren y permiten la salida de potasio a favor de su gradiente de concentración → esta salida de potasio produce que el potencial de membrana vuelva nuevamente a sus valores negativos → esto se conoce como REPOLARIZACIÓN DE LA MEMBRANA. Si la célula no es excitable → el potencial de membrana no se modifica (línea verde en esquema). Canal de sodio regulado por voltaje → posee 4 dominios transmembrana. CUANDO EXISTE UNA DESPOLARIZACIÓN INICIAL → las alfa hélices sensibles al voltaje sufren un movimiento de rotación y se van ubicando hacia la superficie exterior de la membrana provocando un cambio conformacional en la estructura del canal y abriendo la compuerta del canal → esto permite el pasaje de sodio. LUEGO → hay un retorno de las alfa hélices sensibles a voltaje a la posición de reposo → el segmento inactivador del canal bloquea al canal transformando al canal de sodio en un canal inactivo. POR ÚLTIMO → una vez que la membrana es repolarizada, el segmento inactivador del canal se desplaza a la posición de reposo y queda el canal de sodio en estado cerrado. Canales regulados por neurotransmisores Estos canales regulados por neurotransmisores intervienen en la sinapsis química → transforman señales químicas extracelulares en señales eléctricas. Se tiene a la célula nerviosa con las vesículas cargadas con neurotransmisor y a la célula diana (célula postsináptica) con los canales regulados por el neurotransmisor → por algún estímulo, las vesículas se fusionarán con la membrana plasmática, permitiendo la salida del neurotransmisor → el cual impactará sobre los canales, produciendo la apertura de los mismos → SE ALTERA LOCALMENTE EL POTENCIAL DE MEMBRANA. Transmisión neuromuscular UNIÓN NEUROMUSCULAR EN REPOSO → la terminación nerviosa presenta vesículas cargadas de neurotransmisor (acetilcolina); la célula muscular está en reposo. CUANDO OCURRE UN IMPULSO NERVIOSO → éste activa canales de calcio que están en la terminación nerviosa → esto produce la apertura de los canales de calcio, lo que permite el ingreso de calcio a la célula → y el ingreso de calcio a la célula produce que se libere el contenido de actilcolina de las vesículas → la acetilcolina impactará sobre canales de sodio que están en la membrana de la célula muscular → estos canales de sodio se abren y permiten el ingreso de sodio a favor del gradiente de concentración. Al abrirse estos canales y permitir el ingreso de sodio → el potencial de membrana se vuelve más positivo → luego, el sodio que ingresó, actuará sobre otros canales de sodio que se abrirán permitiendo el ingreso de más sodio → ESTO PRODUCE LA DESPOLARIZACIÓN DE LA MEMBRANA. El ingreso de más sodio → actúa sobre canales de calcio que están sobe el retículo sarcoplásmico → PRODUCIENDO LA SALIDA DE CALCIO → esta salida de calcio desencadena la contracción muscular. Transporte de agua ÓSMOSIS → es el pasaje de solvente (agua) de una solución de baja concentración de soluto a una solución de alta concentración de soluto a través de una membrana semipermeable. PRESIÓN OSMÓTICA → es la presión hidrostática requerida para detener el flujo neto de agua a través de una membrana semipermeable que separa dos soluciones de distinta concentración. De acuerdo a esto las soluciones pueden ser: HIPOTÓNICAS → menor tonicidad. ISOTÓNICAS → misma tonicidad. HIPERTÓNICAS → mayor tonicidad. Si se colocan eritrocitos en distintos tipos de soluciones con diferentes concentraciones iónicas: SI SE LO COLOCA EN UNA SOLUCIÓN ISOTÓNICA → eritrocito no se modifica ya que la osmolaridad del extracelular con respecto del intracelular no cambia. SI SE LO COLOCA EN UNA SOLUCIÓN HIPERTÓNICA → el extracelular tiene menor concentración de agua → por lo cual el agua dentro del eritrocito tenderá a salir → crenación. SI SE LO COLOCA EN UNA SOLUCIÓN HIPOTÓNICA → hay mayor concentración de agua en el extracelular → el agua tenderá a entrar al glóbulo y este se hinchará. Si la solución es muy hipotónica → lisis del glóbulo. Canales de agua o acuaporinas Proteínas formadas por 6 DOMINIOS TRANSMEMBRANA y DOS SITIOS CONSERVADOS conocidos como NPA BOX (Asparagina-Prolina-Alanina) → estos dominios NPA box se unirán formando el poro por donde pasará el agua; éstas proteínas se encuentran en todas las especies → plantas, bacterias, mamíferos → tienen diferentes funciones de acuerdo a la especie. Son proteínas integrales de membrana que permiten el pasaje de agua (y algunas pequeñas moléculas hidrofílicas no cargadas) a través de las biomembranas.
