17.3: Ligando y Canales Cerrados de Voltaje en Neurotransmisión

A. Medición del flujo iónico y el potencial de membrana

Cuando los neurotransmisores se unen a sus receptores, se abren los canales iónicos en las neuronas o las células musculares que responden. La afluencia resultante de iones Na ⁺ interrumpe el potencial de reposo de la célula diana. El efecto solo es transitorio si el potencial de membrana permanece negativo. Sin embargo, si entran suficientes iones Na+ en la célula, la membrana se despolariza. Si la célula experimenta hiperpolarización, una inversión localizada de la polaridad normal de la membrana (digamos de —70 mV a +65mV o más) generará un potencial de acción. Este potencial de acción viajará como una corriente a lo largo de la membrana celular neural o muscular, desencadenando eventualmente una respuesta fisiológica, por ejemplo, la excitación de la siguiente célula nerviosa en una vía neuronal o contracción de la célula muscular. El dispositivo parche-clamp detecta el flujo de iones específico y cualquier cambio resultante en la diferencia de potencial a través de la membrana. Los principios de la medición de la abrazadera de parche se ilustran a continuación.

En el ejemplo anterior, cerrar el interruptor en la fuente de alimentación envía una carga eléctrica a la celda, abriendo el canal iónico regulado por voltaje. En este caso, un sensor de potasio en el dispositivo detecta el flujo de iones K+ a través del canal y fuera de la celda. Al mismo tiempo, un voltímetro registra el cambio resultante en el potencial de membrana.

297 Un dispositivo de abrazadera de parche puede registrar el potencial de membrana y el flujo de iones

298 La pinza de parche mide el potencial de reposo y la despolarización

Además de los canales iónicos controlados por voltaje, el dispositivo de sujeción de parche puede medir el flujo de iones a través de canales iónicos controlados por ligando y canales de iones con regulación mecánica.

Los primeros canales son puertas receptor-ion que se abren cuando se unen a una molécula efectora. Los canales iónicos mecánicos detectan la presión física o tensión que resultan en una deformación local de la membrana, abriendo el canal.

299 Canales Iónicos Cerrados

300 Tipos de Canales Iónicos Cerrados Ilustrados

Finalmente, las células mantienen una alta concentración intracelular de iones K ⁺, provocando que los iones K ⁺ se fuguen lentamente de la célula, un fenómeno detectable por una pinza de parche. La presencia de iones negativos (Cliones, iones orgánicos) dentro de una célula limita la fuga. Esto crea el interior electronegativo de una célula en relación con el exterior de la célula, es decir, el potencial de reposo a través de su membrana plasmática. La técnica de patch-clamp se ha utilizado para correlacionar el flujo de iones y los cambios en el potencial de membrana cuando una neurona se dispara, provocando un potencial de acción en una célula respondiente.

Dicha correlación se describe en la página siguiente. En la ilustración, siga la apertura y cierre de los canales iónicos y el flujo de iones. Un potencial de acción (de hecho, cualquier cambio del potencial de reposo) resulta de la difusión facilitada de iones específicos dentro o fuera de la célula a través de canales iónicos cerrados (verde, arriba) que deben abrirse y cerrarse en secuencia. En la gráfica se ilustra el comportamiento de dos canales iónicos regulados por voltaje diferentes. La estimulación eléctrica abre canales de Na ⁺. Los iones Na ⁺ se precipitan hacia la célula, reduciendo el potencial de la membrana desde el estado de reposo a cero, o incluso haciendo que el citoplasma sea más positivo que el líquido extracelular. Si la inversión en polaridad es lo suficientemente alta, se abre un K ⁺ voltagegado y los iones de potasio se precipitan hacia la célula, restaurando el potencial de reposo de la célula.

Una célula puede continuar respondiendo a estímulos con potenciales de acción mientras haya suficiente Na+ fuera de la célula y K ⁺ dentro de la célula. Si bien no se requiere el transporte activo de Na ^{+ y K +} para restablecer el potencial de reposo, eventualmente será necesario restablecer el equilibrio de los dos iones en la célula. Si una célula nerviosa o muscular se dispara varias veces (o incluso si solo filtra iones), el [K ⁺] dentro de la célula y el [Na ⁺] fuera de la célula caería hasta un punto en el que la célula no puede generar un potencial de acción cuando se estimula. En última instancia, es el papel de las bombas Na ^{+ /K +} dependientes de ATP para restaurar el ^equilibrio adecuado de Na ^+:K + a través de la membrana celular que responde. Como hemos visto, cada ciclo de bombeo intercambia 3 iones Na ⁺ del espacio intracelular por 2 K ⁺ iones del espacio extracelular. La bomba tiene dos efectos:

• Restaura las concentraciones de Na ⁺ en el espacio extracelular en relación con el citoplasma.
• Restaura las concentraciones de K ⁺ en el citoplasma en relación con el espacio extracelular.

301 canales iónicos cerrados se abren y cierran en orden durante un potencial de acción

Junto con las mayores concentraciones de iones negativos en el citosol, el intercambio desigual de Na+ por iones K+ mantiene el potencial de reposo de la célula a largo plazo y asegura que las células nerviosas y musculares permanezcan excitables. A continuación, analizaremos más de cerca el papel de los canales iónicos activados por ligando y activados por voltaje en la neurotransmisión.

B. Canales Iónicos en Neurotransmisión

Los potenciales de acción resultan en una apertura y cierre ordenado y secuencial de canales controlados por voltaje y ligando a lo largo del axón neuronal. En el siguiente enlace, se puede ver el ciclo secuencial de canales accionados por voltaje que propaga un potencial de acción localizado (despolarización de membrana) a lo largo de un axón hacia una sinapsis.

302 Proponer un potencial de acción a lo largo de un axón

Cuando una despolarización propagada alcanza una sinapsis, los canales iónicos cerrados se abren o cierran en la neurona y la célula que responde. A continuación se ilustra la cooperación de canales regulados por voltaje y ligando en una unión neuromuscular.

Como se puede ver en la ilustración, después de que una neurona se dispara, un impulso eléctrico (una región móvil de hiperpolarización) viaja por el axón hasta la terminación nerviosa. En la terminación del nervio, la diferencia de carga de desplazamiento (potencial eléctrico) a través de la membrana celular estimula la apertura de un canal regulado por voltaje específico de Ca++. Los iones Ca++ luego fluyen hacia la célula porque se encuentran en concentraciones más altas en la hendidura sináptica que en el citoplasma.

Los iones Ca ^{2 +} en la célula hacen que las vesículas sinápticas se fusionen con la membrana en la terminación nerviosa, liberando neurotransmisores en la hendidura sináptica. Luego, los neurotransmisores se unen a un receptor en la membrana plasmática celular que responde. Este receptor es un canal regulado por ligando (también llamado canal regulado por vía química). Tras la unión del ligando neurotransmisor, el canal se abre. La rápida difusión de iones Na+ en la célula crea un potencial de acción que conduce a la respuesta celular, en este caso, contracción muscular. Ya hemos visto que los canales de K+ participan en la restauración del potencial de membrana después de un potencial de acción, y el papel de la bomba de sodio/potasio en la restauración del equilibrio celular de Na ⁺ /K ⁺.

303 El papel de los canales iónicos cerrados en la unión neuromuscular