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Causas del comportamiento estocástico de los canales iónicos activados por voltaje

Causas del comportamiento estocástico de los canales iónicos activados por voltaje



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Se me ocurrió el siguiente modelo electromecánico de un canal iónico activado por voltaje, resp. de su sensor de voltaje como se describe aquí y aquí. El sensor de voltaje es un sistema biestable con dos mínimos de energía local $ E_1 (V) $, $ E_2 (V) $, el primero indica "cerrado", el segundo "abierto":

De Bezanilla, El sensor de voltaje en canales de iones dependientes del voltaje, p. 567.
Aquí puede explorar interactivamente una superficie de energía dependiente del voltaje (esquemáticamente).

Creé un modelo de resorte con Algodoo que se ve así (verde: el sensor de voltaje (= una subunidad de péptido), resortes blancos: manténgalo en su lugar, azul: favorece el estado cerrado, rojo: simula voltaje, abre la puerta):

(Puede descargar el modelo aquí y explorarlo de forma interactiva con Algodoo).

Para comportarse estocásticamente, es decir, la probabilidad de estar abierto $ p (V) sim e ^ {- Delta Q (V) / kT} $ que presupone un equilibrio térmico, debe haber fluctuaciones que puedan elevar el sistema por encima de la barrera de energía. entre los dos mínimos de energía.

Mi pregunta se refiere a la fuente de estas fluctuaciones en el canal de iones real: ¿son estas fluctuaciones térmicas (mecánicas) (por ejemplo, otras moléculas que golpean o rompen el sensor) o son fluctuaciones del potencial de membrana?


Las fluctuaciones surgen de la energía térmica y pueden describirse mediante la ecuación de Eyring


Cuando los neurotransmisores se unen a sus receptores, canales iónicos en las neuronas que responden o las células musculares se abren. La afluencia resultante de iones Na + interrumpe la potencial de reposo de la célula objetivo. El efecto solo es transitorio si el potencial de membrana permanece negativo. Sin embargo, si entran suficientes iones de Na + en la célula, la membrana se despolariza. Si la célula experimenta hiperpolarización, un localizado inversión de la polaridad normal de la membrana (digamos de & ndash70 mV a + 65mV o más) generará un potencial de acción. Este potencial de acción viajará como una corriente a lo largo de la membrana de la célula neural o muscular, desencadenando finalmente una respuesta fisiológica, por ejemplo, la excitación de la siguiente célula nerviosa en una vía neuronal o la contracción de la célula muscular. los abrazadera de parche El dispositivo detecta un flujo de iones específico y cualquier cambio resultante en la diferencia de potencial a través de la membrana. Los principios de la medición de pinza de parche se ilustran a continuación.

En el ejemplo anterior, cerrar el interruptor de la fuente de alimentación envía una carga eléctrica a la celda, abriendo canal iónico controlado 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.

Además de los canales iónicos activados por voltaje, el dispositivo de pinza de parche puede medir el flujo de iones a través de canales iónicos activados por ligando y Canales iónicos con compuerta mecánica.

Los canales anteriores son puertas de iones receptores que se abren cuando se unen a una molécula efectora. Canales iónicos activados mecánicamente detectar fisico presión o estrés que resultan en una deformación local de la membrana, abriendo el canal.

Finalmente, las células mantienen una alta concentración intracelular de iones K +, lo que hace que los iones K + se escapen lentamente de la célula, un fenómeno detectable mediante un parche-clamp. La presencia de iones negativos (Cliones, iones orgánicos) dentro de una celda 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 del parche-clamp se ha utilizado para correlacionar el flujo de iones y los cambios en el potencial de membrana cuando se activa una neurona, lo que provoca un potencial de acción en una célula que responde.

Esta correlación se describe en la página siguiente. En la ilustración, siga la apertura y el 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 con compuerta (verde, arriba) que deben abrirse y cerrarse en secuencia. El comportamiento de dos diferentes canales iónicos activados por voltaje se ilustran en el gráfico. La estimulación eléctrica abre los canales de Na +. Los iones de Na + se precipitan hacia la célula, reduciendo el potencial de membrana del estado de reposo a cero, o incluso haciendo que el citoplasma sea más positivo que el líquido extracelular. Si la inversión de polaridad es lo suficientemente alta, se abre un K + activado por voltaje y los iones de potasio se precipitan hacia la célula, restaurando el potencial de reposo de la célula.

Una célula puede seguir 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 pierde iones), el [K +] dentro de la célula y el [Na +] fuera de la célula caerían a un punto en el que la célula no puede generar un potencial de acción cuando estimulado. En última instancia, el papel de las bombas de Na + / K + dependientes de ATP es restaurar el equilibrio apropiado 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 iones K + 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.

Junto con las concentraciones más altas de iones negativos en el citosol, el intercambio desigual de iones de Na + por 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 ambos controlado por ligando y dependiente de voltaje canales iónicos en la neurotransmisión.

B. Canales de iones en la neurotransmisión

Los potenciales de acción dan como resultado una apertura y cierre secuencial y ordenado de Voltaje- y controlado por ligando canales a lo largo del axón neuronal. En el enlace a continuación, puede ver el ciclo secuencial de los canales activados por voltaje que propaga un potencial de acción localizado (despolarización de la membrana) a lo largo de un axón hacia una sinapsis.

Cuando una despolarización propagada alcanza una sinapsis, los canales iónicos con compuerta se abren o se cierran en la neurona y la célula que responde. La cooperación de los canales activados por voltaje y ligando en una unión neuromuscular se ilustra a continuación.

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

Los iones de 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 de la célula que responde. Este receptor es un canal controlado por ligando (también llamado canal con compuerta química). Tras la unión del ligando del neurotransmisor, el canal se abre. La rápida difusión de iones de Na + en la célula crea un potencial de acción que conduce a la respuesta celular, en este caso, la 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 +.


Causas del comportamiento estocástico de los canales iónicos activados por voltaje - Biología

Canales de iones en medicina

Frank Lehmann-Horn y Karin Jurkat-Rott, Instituto de Fisiología Aplicada, Universidad de Ulm, Ulm, Alemania

Nuestra comprensión actual de los canales iónicos ha sido posible gracias a técnicas como la electrofisiología y la biología molecular, pero los enfoques basados ​​en la genética inspirados en enfermedades asociadas han señalado regiones de importancia funcional en los canales iónicos. Las canalopatías iónicas son causadas por mutaciones de genes o autoanticuerpos correspondientes. Aunque los canales forman un grupo muy diverso (cationes, aniones, activados por voltaje, activados por ligandos) y se expresan en tejidos excitables y no excitables, las mutaciones subyacentes muestran patrones recurrentes dentro de partes proteicas funcionalmente esenciales y conducen a características clínicas comunes y mecanismos casi predecibles. de patogenia. Este conocimiento resultará útil para el desarrollo de estrategias de tratamiento para personas con diversos antecedentes genéticos y contribuirá tanto a la eficacia como a la seguridad de los medicamentos en el futuro.

La química de las soluciones acuosas de la vida emplea iones como portadores de señales celulares. Para superar la membrana bicapa lipídica impermeable, la célula inventó transportadores, canales y bombas. Los gradientes de iones se establecen mediante bombas y sirven como baterías de energía potencial. Los canales de iones son proteínas que atraviesan la membrana que poseen un filtro de selectividad y un poro que generalmente está cerrado por compuertas en estado de reposo. La descarga ocurre cuando los canales iónicos abren sus puertas y permiten que los iones fluyan por sus gradientes electroquímicos. Las células se despolarizan cuando los cationes se difunden hacia adentro o cuando los aniones se difunden hacia afuera, las células se repolarizan cuando ocurre lo contrario. Es necesario un control preciso de la apertura y cierre de los canales para la excitabilidad celular adecuada y para la producción de señales eléctricas y, en particular, los potenciales de acción de los nervios y los músculos. Las estructuras de importancia como los poros, el filtro de selectividad, los sensores de voltaje, los sitios de unión de ligandos y las puertas de apertura y cierre se conservaron en gran medida durante más de 600 millones de años. Por lo tanto, no es de extrañar que una alteración de estructuras tan importantes desde el punto de vista funcional pueda causar una enfermedad. Las manifestaciones clínicas episódicas son provocadas por factores ambientales y causadas por excitabilidad celular anormal, mientras que las manifestaciones progresivas que ocurren en algunas enfermedades (parálisis periódica, epilepsia, ataxia y nefrocalcinosis) son causadas por degeneración celular secundaria.

Canales de iones en la enfermedad

El vínculo con la enfermedad humana provino de la aplicación de mediciones electrofisiológicas in vitro en células musculares enfermas. Estos estudios mostraron que un mal funcionamiento del canal iónico podría causar una enfermedad (1, 2). Posteriormente, se introdujo el término canalopatías iónicas para definir esta clase de enfermedades caracterizadas por un aumento o disminución de la excitabilidad de las células eléctricas (3).

La mayoría de las canalopatías conocidas hasta la fecha no conducen a la muerte, sino que requieren una situación anormal, un llamado desencadenante, para presentarse con síntomas reconocibles. Con frecuencia, los ataques pueden ser provocados por el descanso después de la actividad física o por el ejercicio en sí, las hormonas, el estrés y ciertos tipos de alimentos. La mayoría de las canalopatías tienen un cierto patrón clínico en común: por lo general, los síntomas ocurren como ataques episódicos que duran de minutos a días que muestran una remisión espontánea y completa, comienzan en la primera o segunda década de la vida y, por razones desconocidas, muestran una mejoría en la edad de 40 o 50 años. Sorprendentemente, muchos pacientes con canalopatías responden a la acetazolamida, un inhibidor de la anhidrasa carbónica. La mayoría de las canalopatías no muestran progresión crónica, sin embargo, existen algunas excepciones. Las canalopatías son causadas por mutaciones o por autoanticuerpos. Aunque son raros, son modelos importantes de trastornos frecuentes.

Como las canalopatías hereditarias forman un grupo de enfermedades demasiado diverso para discutir en esta breve revisión, nos referimos a la Tabla 1. Además, describiremos con más detalle algunas enfermedades del grupo más grande de canalopatías hereditarias de cationes dependientes de voltaje, las Canalopatías cerradas de Na + de músculo esquelético, cerebro y corazón. Además, daremos un ejemplo de una canalopatía catiónica activada por ligando autoinmune y una canalopatía aniónica.

Tabla 1. Resumen de las canalopatías humanas hereditarias *

Migraña hemipléjica familiar 3

Neonatal familiar benigno / infantil

Parálisis periódica hiperpotasémica

Parálisis periódica hipopotasémica 2

Fibrilaciones ventriculares idiopáticas,

Eritromialgia, paroxística extrema

Parálisis periódica hipopotasémica 1

Ataxia episódica 2, ataxia espinocerebelosa 6

Migraña hemipléjica familiar 1

Ceguera nocturna estacionaria congénita

Epilepsia generalizada, ataxia episódica 3

Susceptibilidad a la hipertermia maligna

Enfermedad del núcleo central, enfermedad multiminicore

Taquicardia polimórfica catecolinérgica

Enfermedad renal poliquística, proteína como Cav

Síndrome de LQT inducible, fibrilación auricular

Convulsiones neonatales familiares benignas

Variante prenatal de Bartter

Síndrome de QT corto, fibrilación auricular

Epilepsia, discinesia paroxística

Canales de cationes menos selectivos

Síndrome epiléptico idiopático

Receptor nicotínico de acetilcolina

Síndrome miasténico congénito

Epilepsia nocturna del lóbulo frontal

GEFS +, Ausencia de epilepsia con febril

convulsiones, convulsiones mioclónicas juveniles

G, ganancia L, pérdida D, dominante R, recesiva.

* Los nombres de los genes y su ubicación cromosómica se dan en la columna 1 y 2 los nombres de las proteínas correspondientes se enumeran en la columna 3 para los canales activados por voltaje (indicados por una “v” suscrita) y activados por ligando. Las columnas 4 y 5 enumeran las enfermedades y sus herencias. Los efectos de las mutaciones sobre la función del complejo de canales se clasifican en la columna 6 como ganancia o pérdida de función. Ganancia significa una ganancia que conduce a un bloqueo de despolarización. En general, las mutaciones con ganancia de función ejercen efectos dominantes si dominan la función celular, mientras que las mutaciones con pérdida de función solo causan herencia dominante si el complejo de canales es multimérico (efecto negativo dominante) o si el segundo gen no puede compensarlo ( haploinsuficiencia).

Bioquímica de los canales catiónicos activados por voltaje

El motivo básico de la subunidad del canal de cationes principal, la llamada subunidad, es una asociación tetramérica de una serie de seis segmentos transmembrana a-helicoidales, numerados S1-S6, conectados por bucles intracelulares y extracelulares, los interconectores (Fig.1 ). La subunidad a contiene el poro conductor de iones y, por lo tanto, determina las características principales del complejo del canal catiónico que transmite selectividad iónica, sensibilidad al voltaje, farmacología y características de unión para ligandos endógenos y exógenos. Aunque para los canales de Ca 2+ y Na + la subunidad a consiste en un momómero, los canales de K + forman homotetrámeros o heterotetrámeros porque cada una de las subunidades consta de solo un dominio con seis hélices transmembrana Las subunidades accesorias denominadas β, γ o δ no comparten un Algunos tienen una estructura común de uno a varios segmentos transmembrana y otros son completamente intracelulares o extracelulares. Funcionalmente, pueden influir en la expresión del canal, el tráfico y la activación.

Los canales de cationes sensibles al voltaje tienen al menos un estado abierto y al menos dos estados cerrados, uno desde el cual el canal puede activarse directamente (el estado de reposo) y otro desde el cual no puede (el estado inactivo). Esto implica que al menos dos compuertas regulan la apertura del poro, una de activación y una de inactivación, las cuales suelen estar mediadas por la subunidad (. Aunque la activación es un proceso dependiente del voltaje, la inactivación y la recuperación del estado inactivo son tiempo dependiente.

La sensibilidad al voltaje de los canales de cationes es transmitida por los segmentos S4 que se cree que se mueven hacia afuera en la despolarización y apertura del canal (4). Durante el cierre del canal, no todos los sensores de voltaje retroceden a la vez, lo que genera una variedad de estados cerrados que explican la distribución de las mutaciones del sensor de voltaje a los fenotipos en los canales de Na +. Se cree que el poro conductor de iones está revestido por los interconectores S5-S6 que contienen el filtro de selectividad. Aunque la localización de la puerta de activación puede estar dentro del poro, se ha demostrado que la puerta de inactivación está ubicada en diferentes regiones de los canales de Na + y K +.

La estructura cristalina de un canal aclaró la base para la selección de iones que pueden pasar a través del poro del canal abierto y el mecanismo por el cual las proteínas del canal detectan cambios en el voltaje transmembrana que controlan los estados conformacionales abiertos o cerrados del canal (5). Por lo tanto, las investigaciones de las proteínas de los canales iónicos emplean la física fundamental para estudiar la función de las proteínas biológicamente críticas.

Figura 1. Conducto de Na + dependiente de voltaje y trastornos asociados. La subunidad a consta de cuatro dominios altamente homólogos (repeticiones I-IV) que contienen seis segmentos transmembrana cada uno (SI-S6). Los bucles S5, los bucles S6 y los segmentos transmembrana S6 forman el poro selectivo de iones, y los segmentos S4 contienen residuos cargados positivamente que confieren dependencia del voltaje a la proteína. Nótese la subunidad β moduladora pequeña. Las mutaciones asociadas con canalopatías se indican mediante abreviaturas convencionales de 1 letra para los aminoácidos reemplazados.

Fisiología de los canales catiónicos activados por voltaje

En el potencial de reposo, la probabilidad de apertura de canales catiónicos activados por voltaje es extremadamente baja, lo que indica que muy pocos canales se abren al azar. La despolarización provoca la activación del canal al aumentar notablemente la probabilidad de apertura. Durante la despolarización mantenida, la probabilidad de apertura se reduce en función del tiempo y no en función del voltaje mediante la inactivación del canal, lo que conduce a un estado cerrado desde el cual los canales no se pueden reactivar inmediatamente. En cambio, los canales inactivados requieren repolarización y un cierto tiempo para recuperarse de la inactivación. Por otro lado, la repolarización de la membrana antes del proceso de inactivación desactivará el canal (es decir, la activación inversa que conduce al estado de reposo cerrado desde el cual se pueden activar los canales). En este modelo simple y aproximado, las transiciones de un estado a otro son posibles en ambas direcciones, lo que permite también la transición del estado de reposo al inactivo en la despolarización, así como la recuperación de la inactivación a través del estado abierto (para una revisión, ver Referencia ( 6)). Las constantes de velocidad hacia adelante y hacia atrás para las transiciones determinan las probabilidades de los diversos estados del canal.

Canalopatías catiónicas hereditarias dependientes de voltaje

Las enfermedades hereditarias de los canales iónicos dependientes de voltaje cubren los diversos campos de la medicina, miología, neurología, cardiología y nefrología.Como los canales iónicos no vienen solos, sino en familias completas de proteínas relacionadas que conducen cada tipo de iones con una función ligeramente modificada y patrones de expresión tisular variables, las mutaciones subyacentes están restringidas a genes individuales expresados ​​en un tejido específico como el cerebro o el músculo esquelético. , músculo cardíaco, tejidos sensoriales y tejidos secretores (Tabla 1). Algunos ejemplos son miotonía, parálisis periódicas, arritmia cardíaca, síndrome de QT largo, migraña, ataxia episódica, epilepsia y nefrocalcinosis. Este truco es evolutivo: por un lado, interviene en muchas funciones con la ayuda de un mecanismo básico. Por otro lado, compensa una función eventualmente perturbada por hermanos de canal estrechamente relacionados. La localización de las mutaciones que causan la enfermedad en las diversas proteínas del canal y sus consecuencias funcionales pueden ser similares en estos trastornos.

Canalopatías de Na + dependientes de voltaje del músculo esquelético

Clínicamente, las canalopatías de Na + del músculo esquelético aparecen como episodios recurrentes de rigidez o debilidad muscular desencadenados por circunstancias típicas como frío, ejercicio, carga oral de K + o fármacos. La rigidez muscular, denominada miotonía, mejora con el ejercicio y puede asociarse con una debilidad transitoria durante los movimientos rápidos que dura solo unos segundos. Es el fenotipo clínico provocado por la activación repetitiva incontrolada de potenciales de acción que conducen a la contracción muscular involuntaria. Por otro lado, la debilidad se caracteriza por la falta de potenciales de acción o inexcitabilidad.

Se han observado varios tipos de miotonias hereditarias debido a mutaciones en el gen del canal de Na +, SCN4A (tabla 1, figura 1). La miotonía agravada por potasio (PAM) se puede distinguir clínicamente de otras formas más frecuentes de miotonía de los canales de Na + por su sensibilidad al K +. Por otro lado, la miotonía paradójica o paramiotonía (CP) empeora con el ejercicio y el frío, y va seguida de largos períodos de debilidad de las extremidades que duran de horas a días. Otros dos trastornos de los conductos de Na + se caracterizan por tipos episódicos de debilidad, con o sin miotonía, y se distinguen por el nivel sérico de K + durante los ataques de tetraplejía: parálisis periódica hiperpotasémica o hipopotasémica (HyperPP e HypoPP). Todos son autosómicos y se transmiten de forma dominante.

Para PAM, PC e HyperPP, el mecanismo de patogénesis del canal de Na + subyacente es que están presentes las mismas mutaciones que causan un defecto de compuerta del canal de Na +, que conduce a una inactivación lenta o incompleta, lo que se denomina mutación de "ganancia de función". (normalmente, los canales de Na + se inactivan rápidamente). Esta mutación da como resultado una mayor tendencia de las fibras musculares a despolarizarse. Aunque el influjo de Na + con una despolarización leve genera potenciales de acción muscular repetitivos y miotonía, las despolarizaciones más fuertes conducen a la inactivación general de los canales de Na + y a la abolición de los potenciales de acción, lo que provoca debilidad muscular. Los heterocigotos tienen canales mutantes y de tipo salvaje, pero el canal mutante determina el cambio en la excitabilidad celular y, por tanto, estos trastornos son dominantes. Las mutaciones (Fig. 1) se localizan principalmente 1) en el segmento S4 sensor de voltaje del dominio IV, que se sugiere para acoplar la inactivación al proceso de activación [PC (7)] 2) en el interconector III-IV, que es se sabe que contiene la puerta de inactivación [PC y PAM (8)] y 3) en varias posiciones que miran intracelularmente involucradas potencialmente como aceptor para la partícula de inactivación (Fig. 2) o involucradas en el impedimento estérico de la unión del aceptor y la partícula de inactivación [ PAM e HyperPP (9, 10)]. Los fenotipos clínicos superpuestos de los tres trastornos probablemente se deben a un aumento similar en la probabilidad de apertura del canal (Fig. 3). La despolarización de membrana más severa encontrada en PC e HyperPP se correlaciona con la mayor acumulación transitoria de Na + intracelular, mientras que la despolarización y acumulación son pequeñas en PAM (11).

Los anestésicos locales y los fármacos antiarrítmicos de Clase I, como los derivados de la mexiletina y la lidocaína, son agentes antimiotónicos útiles para el tratamiento terapéutico de la PAM y la PC. Su acción antimiotónica se produce porque estabilizan el estado inactivado, lo que conduce a un bloqueo dependiente del uso. La debilidad espontánea típica de HyperPP no se ve afectada por la mexiletina porque no se producen potenciales de acción repetitivos. Sin embargo, para HyperPP, los diuréticos como la hidroclorotiazida y la acetazolamida pueden ser útiles; estos fármacos disminuyen la frecuencia y gravedad de los episodios paralíticos al disminuir el K + sérico y por otros mecanismos desconocidos, tal vez, por ejemplo, al afectar el pH o los canales de K +.

Figura 2. Modelo de tapa con bisagras de inactivación rápida de los canales de Na +. Vista de pájaro del canal que consta de cuatro repeticiones similares (I-IV). El canal se muestra cortado y abierto entre las repeticiones I y IV para permitir una vista del bucle intracelular entre las repeticiones III y IV. El bucle actúa como la puerta de inactivación cuya bisagra GG (un par de glicinas) le permite oscilar entre dos posiciones: el estado de canal abierto y el estado cerrado inactivado donde se une la partícula de inactivación IFM (los aminoácidos isoleucina, fenilalanina y metionina). a su aceptor.

Figura 3. Dos ejemplos de inactivación defectuosa de Na mutantev1.4 Canales de Na + del músculo esquelético asociados con miotonía agravada por potasio. Grabaciones de patch-clamp de canales M normales (WT), G1306V y V1589 expresados ​​en células renales embrionarias humanas. Paneles superiores: las familias de corrientes de sodio registradas en varios potenciales de prueba en el modo de célula completa muestran un deterioro más lento y una falla para regresar a la línea de base por completo. La inactivación lenta es más pronunciada con G1306V, la corriente de sodio hacia adentro persistente es mayor para V1589 M. Paneles inferiores: trazas de cinco registros de un solo canal, cada uno obtenido al fijar el potencial de membrana a -20 mV. Los canales mutantes muestran reaperturas, que son la razón de las alteraciones de corriente "macroscópicas" que se muestran en los paneles superiores. Modificado después de la referencia (8).

La enfermedad en la que solo se han encontrado mutaciones en los sensores de voltaje, es la parálisis periódica hipopotasémica (HypoPP) tipos 1 y 2. En ambos tipos, los episodios de debilidad muscular generalizada ocurren ocasionalmente, a menudo durante la segunda mitad de la noche después de un día de intensa ejercicio. Otro desencadenante es una comida rica en carbohidratos. La glucosa y la insulina liberada inducen una rápida absorción de K + en las fibras musculares. La hipopotasemia resultante se correlaciona con la expresión clínica del ataque paralítico y le dio su nombre a la enfermedad. Si no se sustituye K +, la debilidad puede durar varias horas o días hasta que la concentración sérica se normalice por una rabdomiólisis o retención de K + inducida por hipopotasemia. Como la fuerza muscular es normal entre ataques, al menos en pacientes jóvenes, el defecto del canal iónico subyacente debe compensarse bien. Los ataques intermitentes de debilidad en HypoPP conducen a la necesidad de mecanismos desencadenantes. La secreción de insulina, como ocurre después de las comidas ricas en carbohidratos, es uno de esos desencadenantes. La insulina activa la insulina electrogénica Na + / K + -ATPasa per se y la disminución resultante en [K +] o normalmente conduce a una hiperpolarización de la membrana. Sin embargo, a diferencia del músculo normal, las fibras musculares HypoPP-1 e HypoPP-2 se despolarizan a -50 mV a una [K +] reducidao de 1 mmol / L y fuerza suelta (12). Esto explica la debilidad hipopotasémica de los pacientes.

En HypoPP-1, se han identificado mutaciones en el Cav1.1 sensores de voltaje (segmentos S4) de repeticiones II o IV (13, 14). Las mutaciones de hipoPP-2 se localizan en los segmentos S4 de Nav1.4 repite II y III [Fig. 1 (12, 15)]. Los cambios resultantes en las corrientes de poros fueron menores para HypoPP-1 y mostraron una función reducida para HypoPP-1/2 en lugar de una ganancia de función. Los resultados recientes sobre los canales de K + y Na + indican que las mutaciones del sensor de voltaje pueden crear una vía de iones accesorios que genera una fuga de cationes activada por hiperpolarización independiente del poro del canal principal, y que esta corriente de fuga es responsable de la patogénesis de la enfermedad (16 -18).

Canalopatías neuronales de Na + dependientes de voltaje

De las muchas canalopatías neuronales de Na + dependientes de voltaje (tabla 1), sólo se describirán con más detalle la epilepsia generalizada con convulsiones febriles más (GEFS +) y la epilepsia mioclónica grave de la infancia (SMEI). GEFS + es un síndrome autosómico dominante de inicio en la niñez que presenta convulsiones febriles y una variedad de tipos de convulsiones epilépticas afebriles dentro del mismo pedigrí (19). El SMEI se caracteriza por convulsiones clónicas y tónico-clónicas en el primer año de vida que a menudo se prolongan y se acompañan de fiebre. El estancamiento del desarrollo con demencia ocurre en la primera infancia. A diferencia de GEFS +, el síndrome suele ser resistente a la farmacoterapia. A veces, los pacientes con SMEI tienen antecedentes familiares de convulsiones febriles o afebriles, y existen familias en las que GEFS + y SMEI se superponen, por lo que SMEI puede considerarse como el fenotipo más grave del espectro GEFS + (20).

El primer defecto genético en este grupo de enfermedades se descubrió en un gran pedigrí GEFS + (19). Los autores identificaron una mutación C121W que altera el puente disulfuro de la β1bucle extracelular de la subunidad β y conduce a una pérdida de la función de la subunidad β. Posteriormente, varios grupos encontraron ligamiento a un grupo de genes que codifican las subunidades a del canal de Na + neuronal en el cromosoma 2q21-33 (Tabla 1). Las dos primeras mutaciones puntuales se detectaron en SCN1A para predecir cambios de aminoácidos dentro de los segmentos S4 de los dominios II y IV [T875M, R1648H (21)]. Desde entonces se han descrito muchas más mutaciones de SCN1A además de las mutaciones en GABAA receptor (Tabla 1). Algunas de las mutaciones del canal de Na + se expresaron en células renales embrionarias humanas o en ovocitos de Xenopus que revelaron mecanismos tanto de ganancia como de pérdida de función. Las alteraciones en la ganancia de función fueron una aceleración de la recuperación de la inactivación que acortó el período refractario después de un potencial de acción para R1648H (22). El aumento de las corrientes de sodio persistentes predice la despolarización de la membrana para T875M, W1204R y R1648H (23), un cambio hiperpolarizante en la corriente de ventana para W1204R (24) y una inactivación reducida del canal tras despolarizaciones de alta frecuencia para D188V (25) .Si las mutaciones S4 generan una hiperpolarización. La fuga de cationes activada a través de una vía de iones accesorios aún no se ha estudiado. Por el contrario, los mecanismos de pérdida de función se describieron en parte para las mismas mutaciones, como la inactivación rápida y lenta mejorada para T875 M y R1648H (22, 24) o un cambio despolarizante de la curva de activación en estado estacionario para I1656 M y R1657. C (26), que reducen la cantidad de canales de sodio disponibles. Se describió una pérdida completa de función para otras dos mutaciones puntuales de GEFS +, V1353L y A1685V (26). Por lo tanto, los mecanismos de pérdida de función parecen predominar para GEFS +, lo que está de acuerdo con los hallazgos genéticos en SMEI, como se describirá a continuación.

En contraste con las mutaciones puntuales encontradas en las familias GEFS +, la mayoría de los pacientes con SMEI portan mutaciones sin sentido de novo que predicen proteínas truncadas sin función (27). También se demostró que una mutación puntual de SMEI produce canales no funcionales cuando se expresa en células renales embrionarias humanas (26). El bloqueador de los canales de sodio lamotrigina, que es el único fármaco de esta clase que se utiliza en pacientes con epilepsias generalizadas idiopáticas, deteriora la situación clínica en pacientes con SMEI en particular, puede conducir a un aumento del número de convulsiones mioclónicas (28), similar a la epilepsia mioclónica juvenil. Esta observación confirma que SMEI es un trastorno de los canales de sodio con pérdida de función causado por la haploinsuficiencia de SCN1A desde un punto de vista genético y clínico, es una variante alélica severa de GEFS +. Como la pérdida de función de un canal de sodio dependiente de voltaje disminuye la excitabilidad de la membrana, parece paradójico que tales mutaciones puedan causar epilepsia. Sin embargo, al actuar predominantemente sobre neuronas inhibidoras, este efecto podría ser responsable de la aparición de hiperexcitabilidad en los circuitos neuronales que induce ataques epilépticos. La hipótesis de que SCN1A se expresa selectivamente en neuronas inhibidoras se ha confirmado recientemente (29, 30).

Canalopatías cardíacas de Na + dependientes de voltaje

De todos los trastornos episódicos que se sabe que son causados ​​por canales iónicos, el síndrome de QT largo (SQTL) es el más grave debido a un mayor riesgo de arritmias ventriculares potencialmente mortales. El nombre se deriva del electrocardiograma del paciente, que muestra un alargamiento del intervalo QT como resultado de una repolarización miocárdica alterada. Las arritmias ventriculares asociadas típicas son la Torsade de Pointes, en la que el complejo QRS gira alrededor del eje isoeléctrico en el electrocardiograma. El SQTL es un trastorno genéticamente heterogéneo de herencia generalmente dominante para el cual se han identificado cuatro genes causantes: tres genes del canal de K + y un gen del canal de Na +, SCN5A (Tabla 1). Los factores desencadenantes asociados con los eventos arrítmicos son diferentes entre los subconjuntos genéticos del SQTL. El LQT-3, la forma causada por mutaciones de SCN5A, a menudo produce características clínicas distintivas que incluyen bradicardia y una tendencia a que ocurran eventos cardíacos durante el sueño o el descanso en individuos a menudo jóvenes y por lo demás sanos (31), mientras que otros SQTS se manifiestan con una alta actividad de siendo beneficioso el sistema nervioso simpático con betabloqueantes.

La expresión de mutaciones típicas que causan LQT-3, como la deleción de tres aminoácidos en el bucle que conecta las repeticiones III y IV, la puerta de inactivación del canal (Fig.1), reveló una inactivación rápida defectuosa caracterizada por una corriente de sodio persistente durante despolarización de la membrana (4). Esta corriente de entrada persistente es causada por la ruptura y reapertura del canal como en los trastornos del canal de sodio del músculo esquelético descritos anteriormente. Además de esta ganancia de función, en ciertos casos pueden ocurrir efectos secundarios indirectos (32). El resultado es una prolongación del potencial de acción cardíaco y del período refractario, y la generación de arritmias inducida por el desencadenante que da lugar a síncopes. Los antiarrítmicos de clase I y los anestésicos locales como la mexiletina y la flecainida demostraron ser eficaces debido a su capacidad para prevenir la reapertura de los canales (33), mientras que los betabloqueantes no son eficaces (34).

Las mutaciones en SCN5A también se han asociado con la fibrilación ventricular idiopática y con el síndrome de Brugada (35). Es típico un historial familiar de muerte súbita inexplicable. Los individuos con síndrome de Brugada a menudo exhiben un patrón ECG característico que consiste en elevación del ST en las derivaciones precordiales derechas, un aparente bloqueo de rama derecha e intervalos QT normales. Tienen un mayor riesgo de taquicardia ventricular polimórfica potencialmente letal. La administración de antiarrítmicos de clase I y anestésicos locales puede exponer este patrón de ECG en casos latentes. En consecuencia, la base celular propuesta del síndrome de Brugada implica una reducción primaria en la corriente de sodio del miocardio. De hecho, la mayoría de las mutaciones de Brugada causan codones de parada prematuros, errores de cambio de marco y defectos en el sitio de empalme, y se espera que causen canales no funcionales. La expresión heteróloga de mutaciones sin sentido reveló una probabilidad de apertura de canal reducida también de acuerdo con una función de canal reducida. Actualmente, un desfibrilador automático implantable se considera la única terapia eficaz para terminar las arritmias ventriculares en pacientes sintomáticos con síndrome de Brugada (36).

Canalopatías por cationes adquiridos o autoinmunes

Muchos años antes de que se estableciera el término canalopatías, se identificó que las enfermedades musculares eran causadas por autoanticuerpos contra los canales iónicos dependientes de voltaje o ligando. A menudo, estos trastornos se asocian con malignidad. Por ejemplo, muchos pacientes con timoma desarrollan autoanticuerpos contra el receptor nicotínico de acetilcolina (nAChR) de la unión neuromuscular. Normalmente, las moléculas de ACh pueden unirse al nAChR, que está situado en la unión neuromuscular de la membrana de la célula muscular y es el primer canal de cationes clonado (37). La unión de ACh desencadena la apertura del canal iónico y provoca una corriente interna de Na + y Ca 2+ con fases de rápido aumento y descomposición. La corriente de entrada provoca con un alto factor de seguridad un potencial de acción que se propaga a lo largo de la membrana de la fibra muscular y activa el acoplamiento excitación-contracción. Los anticuerpos contra la miastenia gravis causan fatiga y debilidad profundas debido al deterioro del factor de seguridad de la transmisión neuromuscular por el bloqueo y la internalización del receptor (38).

El síndrome de Lambert-Eaton se asocia con cáncer de pulmón de células pequeñas y está causado por la unión de anticuerpos a epítopos extracelulares específicos en la glicoproteína del canal de calcio de tipo P / Q dependiente de voltaje del terminal de la motoneurona periférica. Se caracteriza por fatiga muscular (39). La hiperexcitabilidad del nervio periférico (HPN) es un mal funcionamiento del nervio periférico y conduce, además de otros síntomas, a una hiperactividad espontánea del músculo esquelético. En algunos pacientes, la HPN es hereditaria, mientras que en la mayoría de los pacientes es adquirida y, a menudo, es una canalopatía autoinmunitaria causada por anticuerpos séricos contra los canales de K + de los nervios periféricos sensibles a la dendrotoxina y dependientes de voltaje (40). Dado que estos trastornos autoinmunitarios cumplen los criterios de trastornos de los canales, este grupo de enfermedades se ha incluido recientemente en la clasificación más amplia de canalopatías.

Canalopatías aniónicas hereditarias

La fibrosis quística (FQ) es una de las enfermedades genéticas más frecuentes con un caso en 2000 a 4000 nacidos vivos. Es una enfermedad muy grave con una esperanza de vida media de 20 a 40 años. Los pacientes sufren principalmente de infecciones pulmonares crónicas que conducen a la destrucción del pulmón, insuficiencia cardíaca derecha e insuficiencia cardíaca. El producto génico defectuoso, el regulador de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística (CFTR), se identificó en 1991 (41). La molécula compleja funciona como canal de Cl y como regulador de otros canales de iones y transportadores. Un defecto en CFTR conduce a una reducción de la secreción de agua y NaCl en las vías respiratorias y en otros epitelios. Además, se mejora la absorción de NaCl. Como resultado, se impide la limpieza de las vías respiratorias y la colonización crónica por bacterias patógenas como Pseudomonas aeruginosa conduce a la destrucción de las vías respiratorias. La FQ es una de las primeras enfermedades genéticas en las que se intenta la terapia genética. Sin embargo, el entusiasmo inicial se ha visto frustrado por el éxito muy limitado de los modelos animales y la falta de un beneficio convincente para el paciente. Actualmente, se están estudiando nuevos enfoques para la terapia genética y aún más para la terapia "clásica". Además, la molécula CFTR con todas sus funciones complejas es objeto de investigación básica. Es totalmente factible que la comprensión más cercana de esta molécula, su síntesis, maduración e interacción con otros transportadores conduzca a estrategias terapéuticas nuevas y tal vez inesperadas.

Herramientas y técnicas utilizadas para el estudio de canales de iones

La técnica del patch clamp

Hodgkin y Huxley desentrañaron la base iónica de la excitación nerviosa en el axón del calamar gigante mediante la primera descripción detallada de los procesos de activación e inactivación de las corrientes de sodio y K + controladas por voltaje que utilizan la técnica de fijación de voltaje (42). Después de que esta técnica se convirtió en la principal herramienta para el estudio de canales durante décadas, un desarrollo más reciente ha revolucionado este campo. La técnica del patch clamp, desarrollada por Hamill et al. (43), es una aplicación específica de sujeción de voltaje desarrollada para registrar la corriente a través de un parche de membrana conducida por una molécula de un solo canal. La técnica de pinza de parche permite la medición eléctrica directa de las corrientes de los canales de iones mientras se controla simultáneamente el potencial de membrana de la célula. Utiliza un capilar de vidrio de punta fina para hacer contacto con un parche de una membrana celular para formar un sello GΩ. Originalmente, este sello de alta resistencia se produjo en las fibras del músculo esquelético mediante un tratamiento enzimático que eliminó la membrana basal, el glicocálix y el tejido conectivo. Por tanto, la preparación tratada permitió a Hamill et al. (43) para fijar la pipeta de vidrio a la membrana plasmática con una resistencia a la fuga de 10 a 50 MΩ. La succión dio como resultado un sello de GΩ y permitió las mediciones de corrientes en el rango de 50 pA con un pequeño ruido.

Las variantes actuales de esta técnica hacen posible la aplicación de la solución en el exterior e interior de células enteras y en los parches de membrana arrancados de la célula (de afuera hacia afuera o de adentro hacia afuera), cada configuración imaginable de solución y orientación de canal iónico anhelada por el investigador de canales de iones. Por lo general, se prefieren las células o líneas celulares cultivadas primarias ya que revelan una membrana superficial relativamente limpia (44) y no requieren ningún tratamiento enzimático que dañe la membrana plasmática. La técnica del patch clamp es ahora la medida estándar de oro para caracterizar y estudiar los canales iónicos y es uno de los métodos más importantes aplicados a la fisiología.

Las grabaciones de un solo canal han demostrado que muchos canales (por ejemplo, el canal de Na + controlado por voltaje) poseen solo dos niveles de conductancia: cero cuando el canal está cerrado y una conductancia constante cuando el canal está abierto. Después de la despolarización, se produce un breve retraso antes de que se abran los canales. Los intervalos no son idénticos durante cada despolarización, de hecho, la apertura y el cierre de un solo canal determinado es un proceso aleatorio, aunque la probabilidad de apertura depende del voltaje y es más sensible al voltaje que un dispositivo electrónico como un transistor. Después de un breve intervalo posterior, el tiempo de apertura, la corriente vuelve a cero a medida que se cierran los canales.

La naturaleza estocástica puede entenderse por ciertas barreras de energía que deben superarse antes de que un canal pueda pasar de una conformación (por ejemplo, abierto) a otra (por ejemplo, cerrado). La energía necesaria para este propósito proviene de la energía térmica aleatoria del sistema. Uno puede imaginar que cada vez que la molécula del canal vibra, se dobla o se estira, tiene la oportunidad de superar la barrera de energía. Cada movimiento es como una prueba binomial con una cierta probabilidad de éxito. Claramente, debido a que los movimientos de proteínas están en una escala de tiempo de picosegundos, pero el canal permanece abierto durante milisegundos, la posibilidad de éxito en cada prueba debe ser pequeña y se necesitarán muchas pruebas antes de que el canal se cierre. Por lo general, un canal de Na + normal no se vuelve a abrir aunque la despolarización pueda estar relacionada con el paso de fijación de voltaje durante un cierto tiempo. Sorprendentemente, el comportamiento promedio de un solo canal es idéntico en el tiempo al de la corriente macroscópica de Na + de célula completa.

Combinando el patch clamp con técnicas de clonación molecular, se aclara rápidamente la función y el significado de residuos de aminoácidos potencialmente importantes. Un enfoque común de esta técnica implica clonar el gen de interés y luego insertar una mutación diseñada o de origen natural en el clon mediante mutagénesis con la esperanza de que la mutación produzca cambios mensurables en la función del canal. Entonces, un sistema de expresión heterólogo (por ejemplo, una línea celular de un tejido diferente), que no expresa el gen de interés de manera endógena, se utilizará para expresar el gen. Esta expresión puede ser transitoria, como en ovocitos de Xenopus inyectados con ARN, o estable, como en células infectadas con virus o transfectadas. Finalmente, la técnica de parche-clamp se utiliza para caracterizar la función de un conjunto de canales o de una sola molécula de proteína.

La expresión funcional de las mutaciones en "sistemas de expresión" permite estudiar las alteraciones funcionales de los canales mutantes y desarrollar nuevas estrategias para la terapia de las canalopatías iónicas (por ejemplo, diseñando fármacos que supriman específicamente los efectos de los canales que funcionan mal). Las limitaciones en el rendimiento se superan mediante la automatización de la técnica del patch clamp mediante la cual será rentable y rápida y, al mismo tiempo, permitirá la mayor sensibilidad y la descripción más precisa del efecto del fármaco en comparación con cualquier otro canal iónico. método de detección de drogas. Se han seguido varias estrategias para la automatización de la técnica del patch clamp con configuraciones ya disponibles en el mercado.

Actualmente, los fármacos moduladores de los canales iónicos representan varios miles de millones de dólares estadounidenses en ventas mundiales, como los activadores de los canales de Cl (benzodiazepinas, ansiolíticos y antiepilépticos), los bloqueadores de los canales de K + (antidiabéticos de sulfonilurea, antiarrítmicos de tipo amiodarona), Ca 2+ bloqueadores de los canales (antiarrítmicos de tipo verapamilo) y bloqueadores de los canales de Na + (anestésicos de tipo lidocaína, antiarrítmicos de tipo mexiletina y antiepilépticos como lamotrigina y carbamazepina). Como proteínas localizadas en la membrana, los canales iónicos son fácilmente accesibles a los fármacos y, debido a la variedad de patrones de expresión y empalme específico de tejido, es probable que tengan un perfil de efectos adversos restringido. Esto los convierte en dianas de fármacos ideales, especialmente dada la posibilidad de una observación tan precisa del efecto del fármaco en la función del canal mediante la técnica de pinzamiento de parche.

Agradecemos el continuo apoyo de la German Research Foundation (DFG, JU470 / 1).

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1. Introducción

Una característica obvia del comportamiento es la variabilidad que se observa de un ensayo a otro, incluso en los entornos más controlados. Esta variabilidad de comportamiento se refleja a nivel neuronal en el carácter ruidoso de los trenes de picos. Se han propuesto varias hipótesis para un posible papel funcional de la variabilidad neuronal, como la resonancia estocástica (McDonnell y Abbott, 2009), la prevención de la sincronía (van Rossum et al., 2002) y el muestreo probabilístico (Buesing et al., 2011). ). Varios factores pueden contribuir a la variabilidad de ensayo a ensayo: la modulación no estacionaria y no observada de la dinámica de la red caótica del sistema nervioso resultante de la dinámica determinista de una sola neurona (van Vreeswijk y Sompolinsky, 1996) y el ruido biofísico. En este artículo nos concentramos en este último y, en particular, en el ruido de los canales iónicos activados por voltaje.

Los canales iónicos son proteínas macromoleculares formadoras de poros que permiten el paso selectivo de corrientes iónicas dentro y / o fuera de la célula (Hille, 2001). Cada canal de iones puede, en cualquier momento dado, ocupar solo uno de los múltiples estados conformacionales discretos, al menos uno de los cuales es un estado abierto / conductor, y al menos uno de los cuales es un estado cerrado / no conductor. Las transiciones entre estados son extremadamente rápidas (& # x0003C1 & # x003BCs) y, como todas las reacciones moleculares, de naturaleza estocástica & # x02014, son impulsadas por la agitación térmica. En el caso de los canales dependientes de voltaje (VGC) considerados aquí, las probabilidades de transición dependen del potencial de membrana de la celda. Los canales se modelan comúnmente como procesos de Markov, que conducen a predicciones precisas del ruido en las corrientes macroscópicas registradas por las neuronas (Hille, 2001).

Debido a que la generación de picos parece confiable durante la inyección de corriente somática (Calvin y Stevens, 1968 Bryant y Segundo, 1976 Mainen y Sejnowski, 1995) y el número de VGC es grande, generalmente se cree que la compuerta estocástica de VGC contribuye poco al total observado. variabilidad en los picos neuronales. Sin embargo, tal conclusión podría ser prematura. En primer lugar, durante la inyección de corriente somática, las dendritas suelen estar más hiperpolarizadas en comparación con el caso realista en el que la neurona recibe una entrada sináptica y el ruido suele disminuir fuertemente con la hiperpolarización (ver más abajo). Además, el número total de canales en una neurona puede ser grande, pero en compartimentos espaciales como axones estrechos o dendritas, el número de canales suele ser pequeño.

Varios estudios experimentales se han centrado en las consecuencias fisiológicas del ruido del canal iónico. Sigworth (1980) utilizó el análisis de fluctuación para estimar el número de canales de Na & # 43 en un solo nodo de rana de Ranvier & # x0007E30000, y posteriormente utilizó fórmulas de Lecar y Nossal (1971a, b) para estimar las fluctuaciones en el umbral de acción actual. generación potencial debido al ruido del canal. Johansson y Arhem (1994) encontraron que la apertura estocástica de un pequeño número de canales en neuronas hipocampales cultivadas era suficiente para desencadenar potenciales de acción espontáneos. White y col. (1998) registraron oscilaciones de potencial de membrana por debajo del umbral en células estrelladas de la corteza entorrinal (CE) de la capa II y encontraron que solo podían reproducir la coexistencia de ambas oscilaciones y picos en un modelo computacional si incluían la compuerta estocástica de los canales de Na & # 43 , sugiriendo una forma de resonancia estocástica periódica. Posteriormente, Dorval y White (2005) utilizaron la técnica de pinza dinámica para inyectar una conductancia de & # x0201Cvirtual & # x0201D Na & # 43 que era determinista o estocástica a las células estrelladas de EC in vitro. Solo la conductancia estocástica podría reproducir las oscilaciones de potencial de membrana observadas. De manera similar, Dudman y Nolan (2009) utilizaron modelos computacionales del mismo tipo de célula para demostrar que la compuerta de canal estocástica también puede explicar los patrones de disparo agrupados que muestran estas células cuando son estimuladas por pulsos de corriente estables. in vitro. Diba y col. (2004) caracterizaron el ruido de voltaje subumbral somático en neuronas del hipocampo cultivadas debido a la activación estocástica del canal iónico. Las fluctuaciones de voltaje eran pequeñas, con una desviación estándar & # x0003C0,3 mV y, basándose en experimentos farmacológicos, parecían surgir principalmente de los canales K & # 43. Jacobson y col. (2005) informaron resultados similares de células piramidales neocorticales de la capa IV / V de cortes de cerebro de corteza somatosensorial de rata, con fluctuaciones de voltaje de amplitud (submilivoltios) similares. Finalmente, Kole et al. (2006) utilizaron análisis de fluctuación para medir las propiedades y la distribución de los canales de cationes activados por hiperpolarización (Ih) en células piramidales neocorticales del VI in vitro. Descubrieron que aunque la conductancia de un solo canal Ih era excesivamente pequeña (& # x0003C1 pS), los canales Ih contribuyen sustancialmente al ruido de voltaje en las dendritas distales de estas células.

Una gran cantidad de estudios teóricos y numéricos han analizado el ruido de membrana de los canales iónicos estocásticos, comenzando con Lecar y Nossal, quienes usaron ecuaciones diferenciales estocásticas y un modelo de sistema dinámico reducido del potencial de acción para intentar cuantificar la magnitud del ruido de membrana en acción. fluctuaciones potenciales del umbral (Lecar y Nossal, 1971a, b). Skaugen y Wall & # x000F8e (1979) fueron los primeros en examinar las consecuencias de la activación estocástica de los canales iónicos mediante simulación numérica. Descubrieron que en la versión estocástica del modelo de axón gigante de calamar Hodgkin & # x02013Huxley (HH), el umbral de corriente se redujo en comparación con los modelos deterministas, la membrana podría aumentar espontáneamente y que la curva de frecuencia-corriente se extendió alrededor del umbral. El trabajo de simulación posterior de DeFelice y sus colegas (Clay y DeFelice, 1983 Strassberg y DeFelice, 1993) profundizó en el vínculo directo entre las versiones microscópicas (estocásticas) y macroscópicas (deterministas) del modelo HH. Rubinstein (1995) simuló un modelo del nodo de rana de Ranvier y reprodujo la propagación en el umbral de disparo del potencial de acción debido a la compuerta de canal estocástica predicha por Lecar y Nossal, de acuerdo con experimentos anteriores (Verveen, 1960). Chow y White (1996) examinaron la dependencia de la tasa de disparo espontáneo en el modelo estocástico de HH en el área del parche de membrana y encontraron que disminuía exponencialmente con el área. Se aproximaron al sistema como un problema de escape de límites, con una puerta estocástica de la subunidad de activación del canal Na & # 43 como fuente de ruido. Descubrieron que el tiempo medio de escape en función del área concordaba bien con los resultados de la simulación numérica (comentaremos este hallazgo a continuación). Manwani y Koch (1999) utilizaron un enfoque perturbativo para comparar las contribuciones del ruido térmico, el ruido de canal y el ruido sináptico & # x0201Cnoise & # x0201D (de las entradas de Poissonian) al ruido de voltaje total de la membrana en un solo compartimento. Steinmetz y col. (2000) utilizaron métodos similares para demostrar la dependencia del voltaje y del tipo de canal de los espectros de ruido del canal iónico tanto para el modelo HH como para un modelo de célula piramidal neocortical de uso común (Mainen et al., 1995). En el presente estudio empleamos métodos muy similares a ambos trabajos, pero con un objetivo diferente: nuestro objetivo es separar sistemáticamente todos los factores contribuyentes que determinan la contribución de un tipo de canal iónico al ruido de voltaje y al disparo espontáneo.

En general, la simulación detallada de canales estocásticos dará la respuesta más precisa con respecto al ruido y la contribución de los diferentes canales. Pero como la simulación estocástica de la cinética del canal completo es muy complicada, varios estudios recientes han desarrollado modelos aproximados de ecuaciones diferenciales estocásticas que capturan de manera eficiente la esencia de las estadísticas de ruido de los canales iónicos discretos (Goldwyn y Shea-Brown, 2011 Goldwyn et al., 2011 Linaro et al., 2011 Orio y Soudry, 2012). Nuestro objetivo aquí es complementario pero diferente: en lugar de desarrollar un modelo preciso para el ruido, buscamos estimar la contribución de los distintos tipos de canales. Intuitivamente, no está claro qué propiedades de un tipo de canal dado son determinantes importantes para el ruido. Esto es relevante cuando no se dispone de un diagrama de estado completo de un determinado tipo de canal, pero, no obstante, se desea una estimación aproximada de su contribución al ruido. Al mismo tiempo, al desglosar los diversos factores que determinan la magnitud del ruido de un determinado tipo de canal, se puede obtener una visión más profunda de los resultados de las simulaciones y experimentos.

Nuestro estudio se divide en cuatro partes: utilizamos simulaciones para demostrar que en el modelo estocástico Hodgkin & # x02013Huxley bien estudiado, la mayoría de los picos se deben a la compuerta del canal K & # 43 estocástico y no al canal Na & # 43. Esto es de interés ya que en la literatura se pueden encontrar hallazgos contradictorios (ver Discusión). A continuación, revisamos los diferentes factores que explican cómo el ruido del canal estocástico conduce a ruido en el voltaje de la membrana, utilizando un análisis de ruido débil lineal y explicamos por qué el ruido K & # 43 es dominante. Si bien estos factores contribuyentes individuales son bien conocidos, en nuestra opinión, faltaba una descripción concisa. En tercer lugar, examinamos la relación entre el ruido de voltaje y los picos espontáneos utilizando un enfoque introducido recientemente para las neuronas de integración y activación. Mostramos que esta relación es compleja, pero que, no obstante, son posibles estimaciones aproximadas. Finalmente, aplicamos los mismos métodos para analizar un modelo de neurona piramidal CA1 para mostrar que el enfoque es fácilmente generalizable a otros modelos de neuronas.


Discusión

Utilizando una combinación de enfoques experimentales y de modelado por computadora, hemos realizado cinco observaciones importantes con respecto a la formación de grupos de canales iónicos y el tráfico de células vivas. Primero, las distribuciones de clusters de los cinco tipos de canales estudiados (CaV1.2, BK, TRPV4, CaV1.3sy CaV1.3L) fueron descritos por una única función exponencial independientemente del tipo de célula en la que se expresan, lo que respalda la hipótesis de que la presencia de grupos de canales iónicos en las membranas celulares es consecuencia de un proceso estocástico de autoensamblaje. Segundo, CaVLos grupos de canales 1.2 y TRPV4 se forman en las células tsA-201 con un período inicial de rápido crecimiento en tamaño, después del cual se mantienen en un estado estable. En tercer lugar, esta forma de estado estable en las células tsA-201 se mantiene mediante una tasa de renovación relativamente rápida de CaVCanales 1.2 y TRPV4. En cuarto lugar, nuestro modelo predice que las distribuciones de tamaño de estado estacionario de los grupos de canales de membrana podrían mantenerse mediante un rango de tasas de rotación de canales. Si bien somos conscientes de la posibilidad de que nuestras mediciones se basen únicamente en un sistema de expresión heterólogo y puedan diferir de las realizadas en otros tipos de células, nuestra quinta observación es que nuestros tiempos de permanencia en la membrana medidos experimentalmente y predichos son similares a los reportados para CaV1,2 en células HL-1 cardíacas cultivadas (Conrad et al., 2018) y neuronas primarias (Di Biase et al., 2011), así como los tiempos medios de permanencia de la transcripción y la proteína (Schwanh & # x000e4usser et al., 2011).

Para ilustrar cómo nuestro modelo podría ser utilizado por los fisiólogos interesados ​​en investigar el papel de una proteína que interactúa en particular en la agrupación de canales iónicos, hemos considerado tres escenarios potenciales en los que un cambio en un proceso fisiológico altera el área o la densidad de la agrupación de canales iónicos a través de cambios en uno. de los tres parámetros del modelo (es decir, PAGnorte, PAGgramo, o PAGR). En el primer escenario, propongamos que la inserción de canales en la membrana plasmática se ve reforzada por la regulación positiva o la activación de una vía de señalización. En nuestro modelo, este proceso daría como resultado un aumento en el parámetro PAGnorte. Un ejemplo de esto podría ser la regulación ascendente dependiente de Ca 2+ de la expresión de los canales de K + a través de la activación de la calcineurina / factor nuclear de la vía de señalización de las células T activadas. Como lo demostraron por primera vez Amberg et al. (2004) y (Rossow et al., 2004, 2006, 2009), la expresión de los canales de Kv4 y Kv2 está estrechamente regulada por el Ca 2+ intracelular en las células cardíacas y vasculares. La expresión del canal BK también está regulada por los niveles de Ca 2+ en el músculo liso (Nieves-Cintr & # x000f3n et al., 2007, 2008). En este escenario, el aumento en la expresión de los canales aumentará el conjunto de canales disponibles que se pueden insertar en la membrana plasmática, aumentando la densidad de los grupos. Curiosamente, las diferencias en CaV1.2 y las densidades de racimo TRPV4 reportadas aquí entre las células tsA-201, el músculo liso y los miocitos ventriculares fueron simuladas por variaciones en el PAGnorte entre estas celdas. Estos datos sugieren que el nivel de expresión de estos canales y / o las proteínas relacionadas con el tráfico y la entrega de estos canales a la membrana plasmática varía entre las células.

En el segundo escenario, consideramos la posibilidad de que se favorezca la inserción de nuevos canales en los mismos sitios donde se han insertado previamente otros canales debido a la sobrerregulación de una proteína que interactúa. En nuestro modelo, este proceso aumentaría PAGgramo. Un ejemplo de una proteína de este tipo es BIN1, que se une a la cara interna de la membrana plasmática y forma rejillas a través de la unión cooperativa de otras moléculas, creando así micro-pliegues de membrana (Adam et al., 2015). En miocitos ventriculares, BIN1 se ha implicado en la formación de curvaturas de la membrana (Lee et al., 2002) y en el anclaje de microtúbulos donde el Ca recién sintetizadoVSe envían 1,2 canales a la membrana de la superficie (Hong et al., 2010, 2014). Como tal, BIN1 podría funcionar para aumentar la concentración local de CaV1.2 canales en sitios específicos de la membrana plasmática, mejorando su agrupación. De acuerdo con esto, De La Mata et al. (2019) encontraron que la sobreexpresión de BIN1 en células madre embrionarias humanas y cardiomiocitos derivados # x02013 (hESC-CM) aumentaba el CaV1.2 tamaño del racimo. Por lo tanto, BIN1 podría estar actuando para dirigir la inserción de CaV1.2 canales en el sarcolema de los miocitos cardíacos, lo que aumentaría la PAGgramo de estos canales. Es importante destacar que en el caso de los canales que se someten a un acoplamiento funcional (es decir, canales de Ca 2+ de tipo L), el aumento en el tamaño del grupo podría fortalecer el acoplamiento entre estos canales, lo que da como resultado un aumento adicional en la amplitud del flujo de iones.

Finalmente, en el tercer escenario, imaginamos una situación en la que la eliminación de canales iónicos individuales o grupos de canales iónicos de la membrana plasmática se ve reforzada por una proteína que interactúa. En nuestro modelo, este proceso daría como resultado un aumento en el parámetro PAGR. Un ejemplo de esto podría ser la activación de la ubiquitina ligasa ALP4 de HECT, que se ha relacionado con la internalización del canal TRPV4 (Wegierski et al., 2006). Otro ejemplo es el factor de iniciación eucariota supresor de tumores 3 subunidad e / Int6, que induce la internalización de CaV1.2 canales en neuronas (Green et al., 2007). En este escenario, la activación de estas proteínas probablemente se asociará con una disminución general en el tiempo de permanencia de la membrana del canal y una disminución en el tamaño del grupo.

Una observación importante que hicimos en el curso de este estudio es que mientras que los tamaños y densidades de CaVLos grupos de canales 1.2 y TRPV4 expresados ​​en células tsA-201 aumentaron rápidamente después de la transfección, ambos parámetros alcanzaron una meseta en 24 h. Estos resultados sugieren que los niveles de expresión de la membrana plasmática y la agrupación de Ca expresado exógenamenteVLos canales 1.2 y TRPV4 están bajo el control de un mecanismo de retroalimentación. De hecho, experimentos recientes de imágenes de células vivas indican que CaV1.2 que contienen vesículas en las células tsA-201 podría tener múltiples mecanismos para interactuar y entregar un canal a la membrana plasmática (Ghosh et al., 2018). Se han presentado propuestas similares para el Ca endógenoV1.2 en miocitos cardíacos (Rosati et al., 2011) y neuronas (Green et al., 2007). El último informe sugirió que la tasa de activación del potencial de acción, la actividad del canal y un aumento de Ca impulsado por Ca 2+V1.2 internalización (es decir, PAGR) fueron responsables de regular los niveles de expresión de Ca en la membrana plasmáticaV1.2. Nuestro modelo de comentarios se basa exclusivamente en el número de canal y no tiene en cuenta el estado del canal (por ejemplo, abierto, desactivado, inactivo o desensibilizado). Por tanto, un canal desensibilizado o inactivado tendría la misma probabilidad de ser eliminado por internalización o endocitosis que un canal desactivado o abierto. Los mecanismos que determinan los niveles en estado estable de estos canales iónicos en el músculo cardíaco y liso necesitarán más estudios.

Otra pregunta intrigante planteada por nuestro trabajo es si los tiempos de permanencia de la membrana y el curso temporal de la agrupación de CaVLos canales 1.2 y TRPV4 en células nativas son similares a los que encontramos operando en células tsA-201. El trabajo de De La Mata et al. (2019) sugiere que en CM-hESC, CaV1.2 Los tamaños y densidades de los conglomerados aumentaron desde la inducción de la diferenciación hasta el día 30. Curiosamente, los tamaños y densidades de los conglomerados de canales logrados en este punto de tiempo fueron similares a los de los miocitos ventriculares adultos, lo que aumenta la posibilidad de que hayan alcanzado un nivel intrínsecamente definido de constante -expresión y agrupamiento de estados. Independientemente de si se había alcanzado o no un estado estable, estos datos de hESC-CM sugieren que las tasas de nucleación, crecimiento, eliminación de grupos y, por lo tanto, los tiempos de permanencia de la membrana del canal son probablemente diferentes entre las células en diferentes niveles de diferenciación. Una hipótesis comprobable es que el tiempo de permanencia de los canales en la membrana es mayor en las células que se dividen rápidamente, como las células tsA-201, que en las células que no se dividen completamente, como los miocitos ventriculares, y que tras la estimulación (p. Ej., Sistema nervioso autónomo o hipertrofia fisiológica y patológica), se producen cambios. en la expresión génica, la entrega de canales, el reciclaje y / o la degradación de proteínas podrían aumentar la dinámica de los canales.

Otra cuestión clave planteada por nuestro estudio es si los canales de membrana se internalizan individualmente o mediante la eliminación de grupos completos. Nuestros datos experimentales y simulaciones de modelos no brindan una respuesta definitiva, pero las simulaciones en las que los canales se eliminaron exclusivamente uno a la vez predijeron la formación de una gran cantidad de macroclusters con parámetros similares a los utilizados para reproducir datos experimentales de miocitos cardíacos, músculo liso células, neuronas y células tsA-201. Sin embargo, los macrogrupos predichos por el modelo no se observaron experimentalmente. En consecuencia, modificamos el modelo para que la internalización de canales fuera estocástica e involucrara canales individuales, así como grupos de canales de diversos tamaños. Teniendo en cuenta que el área de una vesícula endocítica podría oscilar entre 1.200 y 1,26 & # x000d7 10 5 nm 2 y las áreas medias de los conglomerados informadas aquí oscilan entre & # x0223c1,900 y 3,700 nm 2, esta suposición parece razonable. Se requerirán experimentos futuros para probar esta hipótesis.

Finalmente, aunque nuestros datos revelan que en el músculo liso y las células tsA-201, los canales se agrupan aleatoriamente en toda la superficie celular, es importante mencionar que las variaciones en la expresión de los canales tanto entre las células como dentro de ellas se observan e informan comúnmente. Para citar solo algunos ejemplos, NaV1 los canales están muy concentrados en los nodos de Ranvier de los axones mielinizados, pero en gran parte están ausentes de la membrana internodal (Hille, 2001), CaV1,2 canales se expresan preferentemente a lo largo de los túbulos T de los miocitos ventriculares (Dixon et al., 2015), el intercambiador Na + / H + está ausente de los túbulos T (Garciarena et al., 2013), y el Na + Las proteínas / K + & # x003b12ATPasa se distribuyen preferentemente en los túbulos T y el sarcolema de superficie (Yuen et al., 2017). Si bien estas variaciones regionales en la expresión del canal pueden parecer incompatibles con nuestro modelo, aún podrían ser el resultado de un proceso estocástico de autoensamblaje que opera dentro de un dominio celular restringido. Por ejemplo, nuestros datos sugieren que CaVLos grupos de 1.2 canales se autoensamblan estocásticamente a lo largo de los túbulos T de los miocitos ventriculares, pero no en toda la célula. Estas observaciones aparentemente contradictorias pueden conciliarse proponiendo que puede haber variaciones en PAGnorte, PAGgramo, o PAGR en diferentes compartimentos de la misma celda que conducen al autoensamblaje estocástico de los grupos en la misma. La posibilidad de variaciones regionales en PAGnorte, PAGgramo, y PAGr debe abordarse en estudios posteriores.

En resumen, hemos proporcionado un conjunto de mediciones experimentales y simulaciones por computadora que apoyan la hipótesis de que la formación de grupos de canales iónicos en la membrana superficial de las células excitables refleja la operación de un proceso de autoensamblaje estocástico sin la participación de ningún mecanismo activo de agregación, como el reclutamiento inducido por agrina de receptores de acetilcolina en la placa terminal motora postsináptica (Sanes y Lichtman, 2001), la agrupación mediada por anquirina G & # x02013 de canales de Na + dependientes de voltaje y canales Kv7 en los nodos de Ranvier (Nelson y Jenkins, 2017) y agrupación de canales Kv2 por proteínas VAPA y VAPB (Johnson et al., 2018 Kirmiz et al., 2018). De hecho, nuestros datos son consistentes con la opinión de que la agrupación de canales de membrana es la organización predeterminada para múltiples tipos de canales en las membranas superficiales de cuatro tipos de células diferentes. En particular, nuestro modelo incorpora un mecanismo de autorregulación que asume un proceso de retroalimentación entre el número de canales y la formación de grupos de canales. Nuestro modelo puede ser ampliamente aplicable a las distribuciones de muchos tipos diferentes de membranas (proteínas y canales unidas) en estados de salud y enfermedad. Ciertamente, no podemos descartar la posibilidad de que se encuentren una o más proteínas que no estén distribuidas aleatoriamente a lo largo de la superficie de la membrana. Si existe o no una consecuencia funcional de la agrupación para todos los tipos de canales iónicos, como hemos encontrado para CaV1,2, CaVLos canales 1.3, BK y TRPV4, sigue siendo una pregunta abierta, pero muy importante.


Las múltiples rutas evolutivas hacia los canales de sodio activados por voltaje

N / AVs son responsables del inicio y propagación de la señalización eléctrica en células excitables y se caracterizan por una activación dependiente del voltaje, inactivación rápida y conductancia de iones selectiva de sodio. Se demostró que el proceso de inactivación rápida está acoplado al movimiento hacia afuera del sensor de voltaje en DIV (Chen et al., 1996 Cha et al., 1999 Kühn y Greeff, 1999 Sheets et al., 1999), lo que conduce a la oclusión. del poro por la partícula de inactivación (West et al., 1992 Rohl et al., 1999) del lado intracelular en un mecanismo de tapa con bisagras unos pocos milisegundos después de la activación del canal (Vassilev et al., 1988 Stühmer et al., 1989 Patton y col., 1992).

En el NaV1 que se encuentra en la mayoría de los bilaterianos, la selectividad a los iones de sodio está habilitada por el filtro de selectividad altamente conservado que consta de los cuatro residuos Asp-Glu-Lys-Ala (DEKA), con Asp situado en el bucle p de DI, Glu en DII, Lys en DIII y Ala en DIV (Heinemann et al., 1992). Se demostró que la Lys en DIII es crucial para la selectividad del sodio, ya que reemplazar este residuo aumentó la conductancia de potasio y calcio (Schlief et al., 1996 Favre et al., 1996). Además, la posición de los residuos es crítica para la selectividad del sodio y se demostró que el intercambio de su posición en los dominios da como resultado la pérdida de la selectividad del sodio (Schlief et al., 1996).

La revolución genómica de la última década reveló que los homólogos de NaVs están presentes en los eucariotas unicelulares Thecamonas trahens de los Apusozoa (Cai, 2012) así como en M. brevicollis (Liebeskind et al., 2011). Estos hallazgos implican que NaV-Al igual que los canales surgieron antes de que evolucionaran los sistemas nerviosos o incluso la multicelularidad, hace más de mil millones de años. Examen de los filtros de selectividad del Monosiga y Thecamonas Los canales mostraron que están constituidos por los residuos DEEA y DEES, respectivamente (Liebeskind et al., 2011 Cai, 2012). En Trichoplax y Mnemiopsis, todo NaV Se encontró que los canales tenían el filtro de selectividad DEEA (Liebeskind et al., 2011 Gur Barzilai et al., 2012). Sin embargo, en esponjas, no NaV están presentes homólogos de canal. N / AVs con el filtro de selectividad DEEX (NaV2 canales) se encuentran en la mayoría de los animales Phyla, con la excepción de los vertebrados, que solo tienen NaV1 canales (Fig.4) (Liebeskind et al., 2011 Gur Barzilai et al., 2012). Expresión heteróloga de insectos y anémona de mar NaV2 canales en Xenopus los ovocitos mostraron que a pesar de su similitud de secuencia con NaV1, estos canales son relativamente no selectivos, conductores de iones de sodio y potasio y calcio, con una clara preferencia por los iones de calcio (Zhou et al., 2004 Zhang et al., 2011 Gur Barzilai et al., 2012).

En contraste con el Na conductor de calcioV2 canales, que aparecieron antes de la división entre hongos y metazoos, como sabemos por su presencia en Thecamonas, el sodio selectivo NaV1 canales se encuentran exclusivamente en Bilateria. Curiosamente, en Nematostella, cinco genes que codifican NaVHay 2 homólogos presentes (Putnam et al., 2007 Gur Barzilai et al., 2012), de los cuales tres tienen el filtro de selectividad DEEA, uno tiene DEET y uno tiene DKEA (el NvNaV2,5 canales). En comparación, en el genoma de la mosca de la fruta D. melanogaster, solo una NaV1 y una NaV2 está presente el gen codificador (Littleton y Ganetzky, 2000) y cada uno de estos genes da lugar a decenas de isoformas con diferentes propiedades funcionales mediante un extenso corte y empalme alternativo y edición de ARN (Thackeray y Ganetzky, 1994 Tan et al., 2002 Song et al. , 2004 Olson et al., 2008 Zhang et al., 2011). En el genoma humano hay 10 genes que codifican NaVs (NaV1.1 – NaV1,9 y NaX). Se cree que en el ancestro común de los vertebrados solo un NaV1 gen estaba presente, que experimentó dos rondas de duplicación en el vertebrado basal y una mayor duplicación y diversificación en teleósteos y tetrápodos (Widmark et al., 2011 Zakon et al., 2011). Como en el caso de KVComo se discutió anteriormente, el hallazgo de tal diversidad de canales de sodio en una anémona de mar fue muy inesperado (Gur Barzilai et al., 2012). Expresión heteróloga de NvNaV2.5 mostró que este canal es selectivo al sodio, similar al NaV1 canales (Gur Barzilai et al., 2012). Además, reemplazando el filtro de selectividad de NvNaV2.5 (DKEA) con la de NaV1 (DEKA) resultó en la pérdida de selectividad de sodio (Gur Barzilai et al., 2012), mientras se reemplazó el filtro de selectividad de NaV1 con eso de NvNaV2.5 también resultó en la pérdida de la selectividad del sodio (Schlief et al., 1996). Estos resultados sugieren que la selectividad de sodio en NvNaV2.5 se logra de una manera diferente a la de NaV1 canales.

Filogenia de los canales de sodio activados por voltaje. Se construyó un árbol de máxima verosimilitud utilizando el modelo LG (+ F + G + I) (modificado de Gur Barzilai et al., 2012). El soporte de bootstrap de 100 se indica en las sucursales. Un análisis bayesiano que utilizó el modelo WAG dio como resultado una topología idéntica. Las probabilidades posteriores de 1,0 se indican con un asterisco rojo y las de 0,95 & ltX& lt1.0 se indican con un asterisco azul. Todas las secuencias son de ADNc clonado a menos que se mencione lo contrario. Los modelos de proteínas de secuencias genómicas solo se utilizaron después de la verificación bioinformática de que la predicción es suficientemente precisa. Los clados de animales están indicados por colores. C.A, Aplysia californica (babosa de mar Mollusca) Ag, Anopheles gambiae (mosquito Arthropoda) Ap, Aiptasia pallida (anémona de mar Cnidaria) Bf, Branchiostoma floridae (lanceleta Cephalochordata) Bg, Blatella germanica (cucaracha Arthropoda) Cb, Cáncer boreal (cangrejo Arthropoda) Cc, Cyanea capillata (medusa Cnidaria) Ch, Clytia hemisphaerica (medusa hidrozoica Cnidaria) Ct, Capitella teleta [gusano segmentado Annelida (proteínas predichas)] Dm, Drosophila melanogaster (Arthropoda de la mosca de la fruta) Dr, Danio rerio (pez cebra, Vertebrata) h, humano (Vertebrata) Hm, Hydra magnipapillata (hidra Cnidaria) Hr, Halocynthia roretzi (ascidia Urochordata) Lb, Loligo bleekeri (calamar molusco) Lo, Loligo opleans (calamar Mollusca) m, ratón (vertebrata) Mb, Monosiga brevicollis (coanoflagelados Choanoflagellida) Ml, Mnemiopsis leidyi [jaleas de peine Ctenophora (proteína predicha)] Nv, Nematostella vectensis (anémona de mar Cnidaria) Pp, Polyorchis penicillatus (medusa Cnidaria) r, rata (Vertebrata) Spi, Stylophora pistillate (coral Cnidaria) Spu, Strongylocentrotus purpuratus [equinodermos de erizo de mar (proteína predicha)] Ta, Trichoplax adhaerens (Placozoa) Tp, Thalassiosira pseudonana [diatomeas Heterokontophyta (proteína predicha)] Tt, Thecamonas trahens [Apusozoa (proteína predicha)] Vd, Varroa destructor (ácaro Arthropoda).

Filogenia de los canales de sodio activados por voltaje. Se construyó un árbol de máxima verosimilitud utilizando el modelo LG (+ F + G + I) (modificado de Gur Barzilai et al., 2012). El soporte de bootstrap de 100 se indica en las sucursales. Un análisis bayesiano que utilizó el modelo WAG dio como resultado una topología idéntica. Las probabilidades posteriores de 1,0 se indican con un asterisco rojo y las de 0,95 & ltX& lt1.0 se indican con un asterisco azul. Todas las secuencias son de ADNc clonado a menos que se mencione lo contrario. Los modelos de proteínas de secuencias genómicas solo se utilizaron después de la verificación bioinformática de que la predicción es suficientemente precisa. Los clados de animales están indicados por colores. C.A, Aplysia californica (babosa de mar Mollusca) Ag, Anopheles gambiae (mosquito Arthropoda) Ap, Aiptasia pallida (anémona de mar Cnidaria) Bf, Branchiostoma floridae (lanceleta Cephalochordata) Bg, Blatella germanica (cucaracha Arthropoda) Cb, Cáncer boreal (cangrejo Arthropoda) Cc, Cyanea capillata (medusa Cnidaria) Ch, Clytia hemisphaerica (medusa hidrozoica Cnidaria) Ct, Capitella teleta [gusano segmentado Annelida (proteínas predichas)] Dm, Drosophila melanogaster (Arthropoda de la mosca de la fruta) Dr, Danio rerio (pez cebra, Vertebrata) h, humano (Vertebrata) Hm, Hydra magnipapillata (hidra Cnidaria) Hr, Halocynthia roretzi (ascidia Urochordata) Lb, Loligo bleekeri (calamar molusco) Lo, Loligo opleans (calamar Mollusca) m, ratón (vertebrata) Mb, Monosiga brevicollis (coanoflagelados Choanoflagellida) Ml, Mnemiopsis leidyi [jaleas de peine Ctenophora (proteína predicha)] Nv, Nematostella vectensis (anémona de mar Cnidaria) Pp, Polyorchis penicillatus (medusa Cnidaria) r, rata (Vertebrata) Spi, Stylophora pistillate (coral Cnidaria) Spu, Strongylocentrotus purpuratus [equinodermos de erizo de mar (proteína predicha)] Ta, Trichoplax adhaerens (Placozoa) Tp, Thalassiosira pseudonana [diatomeas Heterokontophyta (proteína predicha)] Tt, Thecamonas trahens [Apusozoa (proteína predicha)] Vd, Varroa destructor (ácaro Arthropoda).

El análisis filogenético con un amplio conjunto de datos de secuencias de canales de sodio mostró que, si bien el sodio selectivo de sodioV1 aparecieron primero en el sodio selectivo urbilateriano NaV2.5 canales surgieron exclusivamente en cnidarios, como NvNaV2.5 forma un subgrupo dentro del Na que lleva DEEXV2 canales junto con varios NaVs de hidrozoos (Spafford et al., 1998) y medusas escifozoos (Anderson et al., 1993) (Fig. 4). Todos los canales de este subgrupo llevan el exclusivo filtro de selectividad de iones DKEA (Gur Barzilai et al., 2012), lo que sugiere que el NaV2.5 subtipo divergió de un canal que lleva un filtro de selectividad DEEA después de un evento de duplicación de genes en el ancestro común de todos los cnidarios existentes hace más de 540 millones de años (Park et al., 2012). Sorprendentemente, cada uno de los cnidarios cuyo genoma o transcriptoma ha sido secuenciado hasta ahora lleva al menos un NaV2,1 y un NaV2,5 canales.

NaChBac son una familia de canales bacterianos selectivos de sodio dependientes de voltaje (Ren et al., 2001 Yue et al., 2002 Koishi et al., 2004). Sin embargo, su filtro de selectividad está compuesto por los residuos EEEE, parecidos a los de CaVs (Durell y Guy, 2001 Ren et al., 2001 Koishi et al., 2004 Payandeh et al., 2011). Reemplazo del filtro de selectividad en el Na de mamíferosV1 canal cerebral con EEEE, el CaVs filtro de selectividad, se demostró que hace que el canal de sodio sea selectivo para el calcio (Heinemann et al., 1992). Como tanto CaV y NaV2 canales parecen ser más antiguos que el Na específico bilaterianoV1, podemos suponer que la selectividad del sodio en los canales iónicos activados por voltaje evolucionó de forma independiente en al menos tres linajes en el árbol de la vida: en los canales bacterianos NaChBac, en el cnidario NaV2.5 subfamilia y en el NaV1 canales. La pregunta obvia es por qué el Na conductor de calcioV2 canales dominaron en Metazoa hasta la aparición del sodio selectivo NaV1 en los bilaterales y por qué los cnidarios también desarrollaron un canal selectivo de sodio. La opinión común es que la selectividad del sodio es ventajosa para la evolución del sistema nervioso, principalmente debido a la separación de la señalización del calcio intracelular de la señalización neuronal (Hille, 2001 Petersen et al., 2005 Meech y Mackie, 2007). Además, como KVs genera la fase descendente del potencial de acción, mientras que NaVs es responsable de su fase ascendente, existe una clara ventaja funcional al separar los flujos de iones de sodio y potasio y aumentar la selectividad de NaV canales a iones de sodio. Por tanto, es probable que las regiones de poros tanto en el urbilaterian NaV1 y el Na primordialVEl canal 2.5 cnidario evolucionó bajo presión selectiva para detener la conductancia de iones de potasio y calcio, lo que resultó en canales selectivos de sodio.

A pesar de las ventajas de la selectividad del sodio, Nematostella N / AV2.5 se mostró que se expresa solo en un subconjunto de células, mientras que muchas otras neuronas putativas expresan Na conductor de calcioV2 canales (Gur Barzilai et al., 2012), lo que indica que la señalización cnidaria se basa en gran medida en el calcio. Por lo tanto, es probable que cuando surgieron las primeras redes neuronales, su señalización estuviera basada en calcio, como lo ejemplifican los ctenóforos contemporáneos (Hille, 2001 Meech y Mackie, 2007). Además, varios linajes de animales con sistemas nerviosos simples (por ejemplo, nematodos y equinodermos) parecen haber perdido independientemente el NaV1 (Fig.4) (Littleton y Ganetzky, 2000 Jegla et al., 2009 Widmark et al., 2011), y NaV2 canales con preferencia por calcio se retuvieron en paralelo con canales selectivos de sodio en muchos grupos de animales como ascidias, insectos y cnidarios (Fig.4) (Nagahora et al., 2000 Liebeskind et al., 2011 Cui et al., 2012 ). En moscas, el NaVSe encontró que el DSC1 de 2 canales se expresa en varios tejidos y se cree que contribuye a la regulación de la excitabilidad neuronal y a la estabilidad de la función del sistema nervioso en respuesta al estrés ambiental (Zhang et al., 2013). Además, las moscas mutadas en el gen DSC1 exhibían deterioro olfativo (Kulkarni et al., 2002 Zhang et al., 2013) y eran más susceptibles al choque térmico y al hambre en comparación con las de tipo salvaje (Zhang et al., 2013). Por lo tanto, parece que los potenciales de acción basados ​​en calcio no son simplemente una reliquia evolutiva, sino que pueden ser ventajosos en circuitos neuronales simples. Curiosamente, todos los cnidarios pueden reaccionar muy rápidamente a los estímulos y algunos incluso son capaces de detectar e incorporar entradas visuales o exhibir patrones de comportamiento más complejos que cualquier ctenóforo, equinodermo o nematodo (Meech y Mackie, 2007 Garm et al., 2011). Es posible que esta mayor complejidad conductual pueda, al menos en parte, ser el resultado de la integración del sodio selectivo NaV2.5 canales en circuitos neuronales seleccionados, que requieren una señalización más rápida y una mayor precisión, como las neuronas motoras o las neuronas que controlan los tentáculos de los pólipos involucrados en la captura de presas en movimiento.


Mecanismos candidatos para la histéresis en proteínas del dominio sensible al voltaje S4

La actividad de los canales iónicos se puede definir mediante al menos los dos parámetros generales siguientes: 1) la probabilidad de que los canales estén abiertos y 2) su capacidad para conducir y discriminar iones. Esta revisión se centrará en el primero de estos parámetros generales.

Los canales controlados por voltaje se denominan así porque la probabilidad de que estos canales estén abiertos (probabilidad de apertura, PO) es una función de la diferencia de potencial eléctrico a través de la membrana. Hay varios tipos de canales activados por voltaje. Aquí, el enfoque de la revisión estará en los canales que contienen un dominio de detección de voltaje (VSD) hecho de cuatro segmentos helicoidales transmembrana (S1 & # x02013S4), con el cuarto segmento (S4) con las principales cargas de detección de voltaje. Este tipo de canales controlados por voltaje se denominan canales controlados por voltaje basados ​​en & # x0201cS4, & # x0201d o & # x0201cS4-VSD. & # X0201d

La evidencia de histéresis en los canales S4-VSD data de principios de la década de 1980, cuando se describió la conductancia de sodio que se observa en el axón gigante del calamar (Bezanilla et al., 1982). Se demostró que la dependencia del voltaje para detectar el movimiento de la carga depende del potencial de retención, cambiando a potenciales más negativos cuando la membrana se mantuvo a 0 & # x000a0mV en lugar de & # x0221270 & # x000a0mV. De manera análoga al caso de la magnetización de un material ferromagnético, el retorno de las cargas de activación a su estado de reposo requirió llevar la membrana a potenciales más negativos cuando la membrana se mantuvo inicialmente a 0 & # x000a0mV.

Se hicieron observaciones similares más de una década después con el canal selectivo de potasio activado por voltaje conocido como & # x0201cShaker & # x0201d (Olcese et al., 1997 Lacroix et al., 2011). Al igual que la conductancia de sodio del axón de calamar, la dependencia del voltaje para el movimiento de carga del Shaker era sensible al potencial de retención. En este caso, la dependencia del voltaje para el movimiento de carga de activación se desplazó aproximadamente 25 & # x000a0mV hacia voltajes más negativos cuando el potencial de retención se estableció en 0 & # x000a0mV en lugar de & # x0221290 & # x000a0mV (Olcese et al., 1997). Investigaciones posteriores mostraron que el cambio en la dependencia del voltaje se sobrestimó debido a una notable disminución en la tasa de desactivación (Lacroix et al., 2011). No obstante, en ese momento, se propuso que los canales podrían estar en una conformación & # x0201cpermisiva & # x0201d o & # x0201creluctante & # x0201d (Olcese et al., 1997). En la conformación & # x0201cpermissive & # x0201d, el canal pudo activarse y las cargas se movieron fácilmente. En la conformación & # x0201creluctant & # x0201d, el canal se inactivó y el movimiento de carga fue lento, requiriendo una mayor hiperpolarización de la membrana. La adopción del estado & # x0201creluctant & # x0201d se asoció con la inactivación lenta de Shaker (Olcese et al., 1997). A medida que se alcanza el estado inactivo después del estado abierto, se vuelve más estable termodinámicamente.Esto haría que el estado abierto sea un estado & # x0201ctransitory & # x0201d o & # x0201cmeta-stable & # x0201d. A partir de esta idea, se puede concluir que sacar el canal de un estado estable podría requerir más energía de la necesaria para mover las cargas en primer lugar (Villalba-Galea, 2017).

Otro aspecto interesante de Shaker es que los canales en las conformaciones & # x0201cpermissive & # x0201d y & # x0201creluctant & # x0201d se consideran en poblaciones interconvertibles separadas, donde la fracción de canales en cada una de esas poblaciones depende del potencial de retención (Olcese et al., 1997). El hecho de que existan dos poblaciones significa que la actividad del VSD puede adoptar modos de operación & # x0201c. & # X0201d Para ilustrar esta idea, consideremos un canal dependiente de voltaje que tiene dos estados: cerrado y abierto (Figura 1A , cima). Tras la activación de un potencial de retención inicial (V0,1, ini) a un potencial dado que lo llevará al 90% de la actividad (V90), los canales pueden cambiar a otro & # x0201cmodo de actividad & # x0201d con una sensibilidad diferente al potencial de membrana (Figura 1A, abajo). En este nuevo modo, la membrana debe establecerse en un potencial (V0,1, conmutado) que es más negativo que V0,1, ini para llevar el canal al nivel de actividad inicial (Figura 1B).

FIGURA 1. (A) Modelo de dependencia de voltaje para un canal que consta de un estado cerrado (C) y uno abierto (O). Después de la activación, el modelo de dos estados cambia de un modo de actividad a otro. Para el modo inicial, el voltaje es la mitad del potencial máximo (Vh) es & # x0221240 & # x000a0mV. Para el modo final, Vh es & # x0221260 & # x000a0mV. (B) Gráfica semilogarítmica de la actividad (fracción de los canales abiertos). Debido al cambio de modo, el cambio en el potencial necesario para impulsar la fracción de canales abiertos de 0,001 a 0,9 (& # x0007cV90& # x02212V0,1, ini& # x0007c) es de menor magnitud que el cambio de potencial necesario para llevar la fracción de canales abiertos de nuevo a 0,001 (& # x0007cV0,1, conmutado& # x02212V90). Los índices 0.1 y 90 se refieren al 0.1 y 90% de la población del canal, respectivamente.

Durante muchos años, los cambios en la dependencia del voltaje para el movimiento de la carga en Shaker se relacionaron con una inactivación lenta, que se pensó que se debía a reordenamientos conformacionales en el dominio de los poros. Sin embargo, los estudios de movimiento de carga en la fosfatasa sensible al voltaje aislada de Ciona intestinalis (Ci-VSP) proporcionó evidencia que demuestra que el DVD puede ser un fenómeno intrínseco de un S4-VSD (Villalba-Galea et al., 2008 Akemann et al., 2009 Villalba-Galea et al., 2009b). La enzima controlada por voltaje Ci-VSP es una proteína dimérica que está hecha de un S4-VSD que es homólogo al de los canales activados por voltaje (Murata et al., 2005 Murata y Okamura, 2007 Sakata y Okamura, 2019). El VSD está vinculado al dominio de fosfato de fosfoinosítido a través de un motivo de unión de fosfolípido / fosfoinosítido (Villalba-Galea et al., 2009a Kohout et al., 2010 Hobiger et al., 2012 Hobiger et al., 2013). La acción del VSD confiere sensibilidad al voltaje a la actividad enzimática VSP & # x02019s a través de un mecanismo que permanece en debate (Villalba-Galea, 2012a Villalba-Galea, 2012b Sakata y Okamura, 2019).

Bajo una abrazadera de voltaje, se pueden observar corrientes de detección durante la activación de un VSD. Estas corrientes se deben al movimiento de las cargas de detección en el VSD, de forma análoga a las corrientes de activación en canales controlados por voltaje (Sakata y Okamura, 2019). En el caso de Ci-VSP, la dependencia del voltaje para el movimiento de la carga cambia alrededor de & # x0221250 & # x000a0mV cuando se mantiene el potencial de membrana en & # x0002b80 & # x000a0mV en lugar de & # x0221260 & # x000a0mV o más voltajes negativos. Además, la deleción del dominio de fosfato de fosfoinosítido de Ci-VSP provoca un cambio mayor en la dependencia del voltaje para detectar el movimiento de la carga después de la relajación. Tal cambio que casi duplicó el de la enzima intacta (Villalba-Galea et al., 2008). Esta observación indica que un VSD aislado puede cambiar su dependencia de voltaje sin estar acoplado a otro dominio. Aún no se ha descartado determinar si la interacción entre los dos VSD provoca un cambio en la dependencia del voltaje. Sin embargo, estudios más recientes que expresan el VSD aislado de Shaker muestran que este tipo de dominio puede mostrar un comportamiento histerético intrínseco (Zhao y Blunck, 2016).


Modelado cinético en tiempo real de canales de iones activados por voltaje mediante abrazadera dinámica ☆

Proponemos lo que, según nuestro conocimiento, es una nueva técnica para modelar la cinética de los canales iónicos activados por voltaje en un contexto funcional, en neuronas u otras células excitables. El principio es bloquear farmacológicamente el tipo de canal estudiado y sustituirlo funcionalmente por pinza dinámica, sobre la base de un modelo computacional. Luego, los parámetros del modelo se modifican en tiempo real (manual o automáticamente), con el objetivo de igualar el comportamiento dinámico de la celda (por ejemplo, la forma del potencial de acción y la frecuencia de picos), pero también las propiedades transitorias y de estado estacionario de el modelo (por ejemplo, los derivados de registros de pinzas de tensión). A través de este enfoque, uno puede encontrar un modelo y valores de parámetros que expliquen tanto la dinámica celular observada como las propiedades biofísicas del canal. Probamos extensamente el método, centrándonos en Nav modelos. Los modelos complejos de Markov (10-12 estados o más) podrían integrarse con precisión en tiempo real a & gt50 kHz utilizando la matriz de probabilidad de transición, pero no el método explícito de Euler. La practicidad de la técnica se probó con experimentos en neuronas de marcapasos del rafe. A través del ajuste automatizado en tiempo real, se pudo encontrar un modelo de Hodgkin-Huxley que reproducía bien la forma del potencial de acción y la frecuencia de picos. Agregar un compartimento axonal virtual con una alta densidad de Nav Los canales mejoraron aún más la forma del potencial de acción. El procedimiento computacional se implementó en el software gratuito QuB, que se ejecuta bajo Microsoft Windows y presenta una interfaz gráfica de usuario amigable.

La dirección actual de Murtaza Z. Mogri & # x27 es el Departamento de Bioingeniería, Universidad de Stanford, Stanford, CA.


Biología 112, Colección de tareas P3

¿Qué pasaría cuando se inserta un canal de K + artificial en una membrana de axón en el potencial de reposo?

2. Se abren muchos canales de Na + dependientes de voltaje

3. Los iones de Na + se precipitan hacia la célula.

5. En la ubicación g, la membrana del axón está en potencial de reposo.

2. En la ubicación f, la membrana del axón alcanza el umbral y los canales de Na + activados por voltaje se abren.

7. En la ubicación e, el potencial de membrana cambia de signo (de un valor negativo a un valor positivo) y los canales de Na + activados por voltaje están abiertos.

4. En la ubicación d, los canales de Na + activados por voltaje se inactivan y los canales de K + activados por voltaje se están abriendo.

1. En la ubicación c, el potencial de membrana cambia de signo (de un valor positivo a un valor negativo) y los canales de K + activados por voltaje están abiertos.

6. En la ubicación b, los canales de K + activados por voltaje se están cerrando.

Sin embargo, suponga que un potencial de acción se activa artificialmente en el punto indicado por la flecha roja. ¿En qué secuencia pasaría el potencial de acción a través de los puntos (a), (b) y (c)?

El primer paso en el proceso de diagnóstico es desarrollar una lista de condiciones "candidatas" que podrían explicar los síntomas del paciente. Su médico tratante menciona algunas posibles causas de debilidad muscular y parálisis:

- Miastenia gravis
- botulismo
- hipopotasemia
- hiperpotasemia

Ella ordena un análisis de sangre inicial y le entrega al paciente. Al hablar con el paciente, obtiene la siguiente información sobre su salud general y su historial médico familiar.

* No tiene antecedentes médicos significativos y no está tomando ningún medicamento.
* No hay antecedentes familiares de enfermedad cardíaca, accidente cerebrovascular, diabetes o cáncer.
*Él no fuma.
* Bebe moderadamente pero niega el uso de sustancias ilegales.
* Su dieta es exclusivamente de verduras frescas y carnes criadas orgánicamente.
* No come alimentos preenvasados.
* Hace ejercicio cuatro veces a la semana en su gimnasio local.
* No informa haber estado enfermo recientemente.
* Ha tenido episodios repetidos de debilidad muscular y parálisis durante los últimos tres meses.

- La hiperpotasemia es una afección en la que el nivel de potasio (K +) en la sangre se eleva por encima de lo normal.

- La miastenia gravis es un trastorno autoinmune. Los anticuerpos bloquean los receptores de acetilcolina, impidiendo la apertura de canales iónicos para despolarizar la célula muscular. Los pacientes primero presentan debilidad o parálisis de los párpados y de los músculos oculares.

*Examen físico
* La respiración, la deglución y el habla son normales.
* No tiene debilidad en los músculos faciales, ni párpados caídos ni problemas de visión.
* El paciente no informa dolores de cabeza, mareos o confusión.
* No tiene tos o dificultad para respirar. Los pulmones suenan claros en el examen.
* Su piel parece normal e intacta sin heridas abiertas.

El análisis de sangre del paciente indica que el nivel de potasio en la sangre es más bajo de lo normal, lo que sugiere que el paciente es hipopotasémico, no hiperpotasémico.

2.Como resultado del flujo de K + por su gradiente de concentración, la célula nerviosa se ____ hiperpolariza ______. (El interior de la célula perderá K + y se volverá más negativo de lo normal, tenga en cuenta que el potencial de membrana en reposo es de -70 mV).

3. Por lo tanto, el potencial de membrana en reposo del paciente tiene un valor más ____negativo___ de lo normal.

4. Esto hace que sea ___más difícil____ que la célula nerviosa alcance el umbral de un potencial de acción (el umbral es -55mV).

5. Como resultado, la célula nerviosa libera neurotransmisor ____less___ en la hendidura sináptica,

* Los riñones son importantes para regular los niveles de potasio que se liberan en la orina. Un paciente con disfunción renal puede estar liberando demasiado potasio en la orina, lo que hace que baje el nivel de potasio en la sangre.
* Los canales iónicos anormales pueden permitir que grandes cantidades de potasio pasen de la sangre a las células en determinadas condiciones, lo que hace que baje el nivel de potasio en la sangre.

Una forma rápida de diferenciar estos dos diagnósticos es calcular el gradiente de potasio transtubular (TTKG). El TTKG es una medida de la cantidad de K + que se mantiene en los conductos colectores de los riñones. Si los riñones del paciente funcionan correctamente, un nivel bajo de potasio en sangre debería hacer que el riñón reduzca drásticamente la cantidad de K + que se libera en la orina para intentar elevar los niveles de K + en sangre. Sin embargo, si la hipopotasemia es causada por un mal funcionamiento de los riñones, los niveles de K + en la orina serán altos.

TTKO = ([K +] orina × osmolaridad plasmática) ÷ ([K +] plasma × osmolaridad urinaria)

Dado que su paciente es japonés, decide solicitar un panel de prueba de función tiroidea (TFT) que mide los niveles de hormona tiroidea (T3, T4) y el nivel de hormona estimulante de la tiroides (TSH). (La figura aquí muestra cómo se regulan las hormonas en el sistema hipotálamo-pituitario-tiroideo). Además, solicita una prueba de autoanticuerpos que indicará si existe o no un trastorno autoinmune como la enfermedad de Graves que contribuye al estado del paciente.

Utilice los resultados de su paciente para determinar si tiene TPP y, de ser así, la causa del hipertiroidismo. Hay varias causas posibles de hipertiroidismo:

* La enfermedad de Graves es un trastorno autoinmune en el que se producen autoanticuerpos tiroideos que se unen y activan el receptor de TSH, provocando un aumento en la liberación de T3 y T4 de la tiroides.
* Un tumor de tiroides causa un aumento en las células productoras de T3 y T4 en la tiroides.
* Un tumor hipofisario provoca un aumento de las células secretoras de TSH en la pituitaria anterior.

Los científicos clasifican los comportamientos como innatos o aprendidos, dependiendo de si el comportamiento ha sido influenciado por experiencias previas. También intentan determinar tanto las causas próximas como las causas últimas de los comportamientos que estudian.

- Los alimoches usan rocas para romper los huevos de avestruz, que luego comen.
- Un buitre puede buscar hasta 50 m de distancia de un huevo de avestruz en busca de una roca apropiada (que generalmente tiene forma de huevo) para usar para romper el huevo. Luego, el buitre arroja la piedra al huevo hasta que el huevo se rompe.
- Este mismo comportamiento de lanzamiento de piedras también ocurre en aves jóvenes que nacieron en cautiverio y que no han estado expuestas a adultos que lanzan piedras. Sin embargo, estos ingenuos buitres tuvieron que aprender que los huevos de avestruz eran una fuente de alimento.

Algunos científicos teorizan que este comportamiento se desarrolló a partir de la táctica de lanzar huevos más pequeños para abrirlos. Los huevos de avestruz, sin embargo, son demasiado grandes para recogerlos y lanzarlos, por lo que quizás la técnica de lanzar piedras evolucionó en los buitres. Esto podría explicar por qué los buitres eligen rocas con forma de huevo, en lugar de rocas irregulares o dentadas.
Según las observaciones de los científicos y su conocimiento del comportamiento animal, ¿cuáles de las siguientes afirmaciones son verdaderas?

- Cuestionar si el comportamiento de lanzar piedras surgió del lanzamiento de huevos se relaciona con la causalidad última.


Ver el vídeo: Qué es la despolarización NEURONAL? En 1 minuto (Agosto 2022).