canales ionicos

Arch.argent.pediatr 2003; 101(4) / 320

Las membranas celulares. Los canales iónicos ynefrología molecular

Dres. Alberto Roseto, Horacio A. Repetto y Ramón Exeni

Medicina molecular

PARTE A

INTRODUCCIÓNTodas las células de los procariontes y

de los eucariontes están separadas de sumedio externo por una membrana celular(MC). En realidad, cada organela intrace-lular también tiene su MC, a la que llama-remos y nombraremos específicamente.

En el capítulo de apoptosis, vimos quela primera célula tuvo como actor princi-pal a la MC –fosfolipídica– que encerró sumaterial génico y lo aisló del medio, con-virtiéndose así en un elemento funda-mental en la evolución. En la actualidad,la MC (así como todas las MCs de lasestructuras interiores de la célula) estácompuesta por una doble lámina defosfolípidos y proteínas. La presencia encantidad y calidad de estas dos clases demoléculas establece la diferencia de feno-tipos de todos los tipos celulares de lanaturaleza y son fundamentales en lasdiferencias morfológicas y funcionales delas organelas de la célula. Los dos papelesprincipales que cumple la MC son: 1) ais-lar el citoplasma del medio exterior, de-jando pasar los iones y moléculas quenecesita la célula , manteniendo las cons-tantes de pH, osmolaridad y temperaturaadecuadas y 2) establecer todas las rela-ciones moleculares con otras células, conla matriz extracelular y con el medio am-biente en general.

Las dos láminas están constituidas,fundamentalmente, por 5 fosfol ípidos,glucolípidos, colesterol y proteínas.

Estos constituyentes se distribuyenproporcionalmente en forma diferente enlas láminas externa (LE) e interna (LI). Los5 fosfolípidos (fosfatidiletanolamina [FE]y fosfatidilserina [FS] están principalmen-te en la LI; fosfatidilinositol [FI] sólo seencuentra en la LI y esfingomielina [EM]y fosfatidilcolina [FC] están principalmen-

te en la LE). Junto con los glucolípidos(por ejemplo, el glucoesfingolípido [GEL])de la LE, constituyen el 50% de los lípidosde la MC.

El resto de los lípidos de la MC son elcolesterol y los glucolípidos. El colesterolse distribuye por igual en ambas láminasde la MC (casi el 90% del colesterol seencuentra en la MC) de todas las célulasanimales. Por el contrario, las MC de loshongos, bacterias, algas y plantas carecende él.

Aunque las funciones principales delos lípidos serían fundamentalmente es-tructurales, su participación es capital paragarantizar cierto número de propiedadesfisiológicas esenciales de las MC. Es poreso, sin duda, que la naturaleza presentatal variedad de lípidos que, modificadoscuantitativamente según las circunstan-cias fisiológicas, ambientales y el tipo demembrana, permiten la adaptación de losorganismos vivientes.

En las células animales , los l íp idospredominantes en la estructuras de lasMC son los fosfolípidos , el colesterol ysus ésteres (como se mencionó anterior-mente, el colesterol es exclusivo de lacélula animal, y varía de un fenotipocelular al otro). El colesterol representael 30% de los lípidos en la MC de lascélulas hepáticas y el 25% en la de loseritrocitos. En las células animales, comoen las bacterias, las membranas internasde las mitocondrias no contienen coleste-rol (véase Orígenes de la mitocondria, enel artículo de Apoptosis, Arch.argent.pediatr. 1999; [3]).

1) La característica común a las MC detodos los seres vivientes es la difusióndel agua y de las moléculas solubles enella según un coeficiente de permeabi-lidad. En general, las pequeñas molé-culas no cargadas eléctricamente (no

Las membranas ce lulares. Los canales iónicos y nefrología molecular / 321

iónicas) como H2O, N2, O2 , CO2 , etanol, glicerol ylos esteroides difunden bien a través de las dosláminas de la MC. Las pequeñas moléculasionizadas como H+, Na+, Ca++, Cl-, glucosa y todoslos aminoácidos, no difunden porque al estarcargadas eléctricamente están rodeadas de molé-culas de H2O que deben liberar para atravesar laparte hidrófoba de la MC (en realidad, en una MCconstituida únicamente de lípidos sin proteínas–membrana artificial– estos iones tienen coefi-cientes de difusión muy bajos y diferentes, perono nulos). A pesar de su polaridad el agua difun-de debido a su pequeño tamaño (18 D) y suelevada concentración (>55 M) de cada lado de laMC. Sin embargo, la velocidad de difusión seríamuy lenta para las células que necesitanintercambiar mucha agua con el exterior, comolas de los epitelios renal e intestinal, los eritrocitoso las células vegetales de los estromas (en lashojas) y de las raíces. Los seres vivientes compen-saron la escasa difusión del agua y de otros com-ponentes polares e ionizados con la presencia decanales proteicos llamados acuaporinas (por“agua”), canales iónicos específicos para cadauna de esas moléculas (también llamados porinasen la MC externa de las bacterias) y con proteínasque trabajan como transportadoras o facilitadorasde la difusión en todas las MC.

2) La otra propiedad fundamental de las MC es elestablecimiento de contactos con otras células, elmedio extracelular y el mundo exterior en generala través de sus moléculas proteicas (esencialmen-te proteínas, glucoproteínas y proteínas GPI).En los últimos años se ha aceptado una nuevavisión de la estructura de las MC. En efecto, en elmodelo del “mosaico fluido” (modelo deNicholson), la MC es una estructura bilaminar,con una distribución aleatoria de sus componen-tes – lípidos y proteínas– sin que formen ningunaestructura diferente en el plano transversal o late-ral. El nuevo panorama muestra que los lípidosestán altamente ordenados y que son capaces desoportar curvaturas, variaciones en el espesor deuna o ambas láminas, transformaciones de formay una tendencia a formar fases “no laminares”.Estas variaciones de forma son las que sufren, porejemplo, los linfocitos cuando atraviesan un capi-lar o los seudópodos de los macrófagos cuandomigran o engullen una bacteria. Esta nueva visiónde la MC se representaría en realidad como un“mapamundi” donde la estructura del modeloanterior representa un océano (megadominios), ylos lípidos, balsas (rafts) . Dentro de esosmegadominios o estructuras super lettices , que no

cubren toda la MC, están los microdomios noaleatorios, de conformación bilipídica heterogénea“balsas lipídicas” (raf ts l ipídicos) , cavéolas y laconfiguración no bicapa (o no laminar) (Gráfico 3).

Las funciones de las proteínas membranariasEnumeraremos los principales grupos de proteí-

nas de las MC conocidas hasta la fecha, y sus princi-pales funciones fisiológicas. En cada Gráfico les dare-mos un símbolo iconográfico, con la representacióngráfica de su verdadera estructura molecular. Cadauno de estos grupos participa de una vía detransducción intracelular. En el capítulo de Señaliza-ción veremos globalmente cómo están constituidaslas vías, aquí sólo mostraremos los primeros mensa-jeros (ligandos) solubles membranarios y extramem-branarios (de la MC o de otras células), los receptoresy los segundos mensajeros (como el Ca++), en algunoscasos. Finalmente, remitimos el lector al glosario y alcapítulo donde se detallarán estas proteínas, juntocon las patologías que pueden provocar .

A .Los canales iónicos (CI) permiten el pasaje selectivo

de iones como Na+, Ca++, K+ y Cl-. Funcionan en dosconformaciones estructurales de “todo o nada”, esdecir, abiertas o cerradas, sin gasto de energía outilización del ATP. Estas proteínas son comandadaspor moléculas de: 1) otras células, como la acetilcolinaen la sinapsis nerviosa; 2) por la diferencia de poten-cial eléctrico entre las dos fases de la MC en las célulasnerviosas y musculares (en las uniones neuromuscu-lares) o 3) por simple intercambio electrosmótico enlas células en general. Ya se conoce la estructuraaminoacídica de más de una centena de CI. Reciente-mente se cristalizó el primer CI, el del K+ , en labacteria Streptomyces l ividans (KcsA).

B.Las proteínas de transporte (PT) , cuya función es

hacer pasar las moléculas que no atraviesan normal-mente la MC por simple difusión pasiva (DP).1) En los casos más simples, están las que facilitan

la difusión pasiva (DP) sin gasto de energía ycon poca especificidad. Pueden permitir el pa-saje de diferentes moléculas, como en el caso delas porinas o ser más específicas, como el trans-portador de la glucosa, las proteínas transpor-tadoras y los canales iónicos (CI).

2) Existe otro grupo de proteínas que son canalesiónicos que utilizan la energía desarrollada porun pasaje de iones, como el Na + o el K+, parahacer entrar (o salir) al mismo tiempo otra mo-lécula, como la glucosa o intercambiadores

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iónicos. Es también una DP, sin gasto suple-mentario de energía. Esto resulta fundamentalpara la célula para obtener y concentrar pro-ductos del exterior, así como para administrarlos intercambios entre las mitocondrias y elc i top lasma .

3) En los casos más complejos realizan un trans-porte activo con gasto de energía, de maneraque la proteína trabaja más en un sentido que enotro. Como ejemplo de un transporte activo, semencionan los canales iónicos que trabajan comobomba iónica (por ejemplo, ATPasa Na + -K +) ylas proteínas ABC. Ambas familias de proteínasutilizan el ATP como fuente de energía.De esta manera, los seres vivos compensaroncon la presencia de proteínas canaliculares ytransportadoras, la escasa permeabilidad de lasMC para los compuestos hidrófi los y polares.Casi como lo hace una enzima con su sustrato,estas proteínas actúan ligando específicamenteun soluto y disminuyendo el umbral energéticoque le opone la hidrofobicidad de la MC, lo quepermite su pasaje.

C .Las moléculas adhesivas (MA), tema que ya aborda-

mos en Arch.arg.pediatr. 1997; (4) , en el que mencio-namos las integrinas, las caderinas, las selectinas ylas SFIg, que traducen mensajes al ligarse con molé-culas de otras células o de la matriz extracelular(Gráfico 4a). En este rubro ubicaremos a las proteínasde las máculas comunicantes (gap junction ) que, em-plazadas en la pared lateral de las células, formancanales transmembranarios en el espacio entre doscélulas, permitiendo el intercambio de iones y demoléculas entre ellas. Las estructuras que forman sellaman conexones y las proteínas, conexinas. Nom-braremos también las proteínas de adherencia espe-ciales que forman las estructuras de las uniones:estrechas ( t i g h t ) , de la hendidura (gap) , de losdesmosonas, de la zona adherente (zonula adherens) ,de la zona ocluyente (zonula occludens) y otras. Estasproteínas podrían llamarse también proteínas es-tructurales, pero en alguna medida, todas las proteí-nas intrínsecas de la MC lo son, y en verdad a medidaque se van descubriendo sus funciones, todas reali-zan alguna función específica, además de formarparte de la estructura de la MC.

D.Los receptores específicos que forman parte de una vía

de transmisión (VT) de las MC, son quizás el grupo deproteínas más extenso y el que incluye las principalesmoléculas que participan en el “diálogo” entre las

células entre sí, con las del mismo tejido y con otrosfenotipos celulares a distancia. Se trata de hormonas,citoquinas, quim ioquinas, factores de crecimiento,receptores inmunitarios, receptores de la apoptosis(PCD), receptores nerviosos (cuyos ligandos no siem-pre son moléculas; pueden ser fotones en los conos ybastones de la retina u ondas sonoras en las célulasauditivas), criptocromos, receptores de morfogenesy receptores nucleares. En definitiva, la señal detransducción es el término común que define los másdiversos tópicos que engloban los mecanismosbioquímicos que regulan la fisiología celular. Corres-ponden prácticamente a todos los procesos de lavida. Serán abarcados globalmente en los capítulosde las grandes vías de los mensajes biológicos.

Ehrlich, a principios de siglo, había elaborado unaconceptualización del receptor cuando hablaba delas interacciones del antígeno y el anticuerpo : “lallave y la cerradura”. Esto, claro está, no explicabacómo esas señales transmitían el mensaje al interiorde la célula (la VT). Un receptor es una proteínacompuesta por varios dominios diferentes. Al menosuno de esos dominios debe ser específico del ligandonatural. Un receptor puede interactuar con una solavía o varias simult áneamente. A la inversa, en unacascada efectora pueden desembocar varias vías dediferentes receptores. La información que recibe elreceptor al ligarse a su ligando se puede traducir porun cambio conformacional, desplazamiento,agregación, redistribución, una modificación quími-ca o una acción enzimática y efectora de la propiamolécula receptora . Todos estos actos, en general,son reversibles, para que la molécula comience unnuevo ciclo. Las primeras moléculas que reciben estatransducción tienen por finalidad servir de mensaje-ros que van amplificando la información hasta llegaral ADN.

El gran grupo de receptores es el que participa delas VT propiamente dichas. Son cientos de ellos. Seexpresan y se reprimen según sus funciones en dife-rentes fenotipos celulares y según el momento de lavida (desde el desarrollo del huevo hasta la vidaadulta). Están o no presentes según la célula y lafunción que ésta cumple. Varían también en la canti-dad de moléculas por cada uno de ellos (miles engeneral) en la superficie de la MC. Podemos subdivi-dirlos según la manera de iniciar la VT.

Receptores de tipo I. Los receptores tienen su propiaactividad enzimática y su sitio catalítico está del ladocitosólico; por ejemplo, el receptor de la insulina esuna tirosina quinasa (RTK); el receptor del péptidonatriurético auricular tiene una actividad intrínsecade guanidilciclasa; el receptor CD45 tiene una activi-dad intrínseca de tirosina fosfatasa (RTF); el receptor


TGF-beta tiene una actividad intrínseca de serina/treonina quinasa y, finalmente, podemos incluir enesta subclase a los receptores como el de la hormonade crecimiento que, luego de dimerizarse, debencaptar en el citoplasma una proteína que tiene unaactividad de tirosina quinasa, puesto que ellos mis-mos carecen de actividad catalítica.

Receptores de tipo II. Los que al recibir su ligan-do, producen,por ejemplo, la entrada específica deiones K+ o Ca++ y tienen una actividad intrínseca decanal iónico, como el receptor de la acetilcolina dela sipnasis o la rianodina en el retículo sarcoplás-mico del músculo.

Receptores de tipo III. Los receptores con siete do-minios TM que inician la VT al estar asociados a unade las proteínas, la gran superfamilia de las proteínasG (las cuales se activan al ligarse con la partecitoplasmática del receptor y luego activan al recep-tor adenilciclasa); son los receptores dependientes dela proteína G (RCPG).

Los receptores especí f icos de las moléculas que inter-v i enen en la r e spues ta inmuni tar ia . Los principalesson las inmunoglobul inas membranar ias de loslinfocitos B que reconocen el antígeno y el receptorde la célula T (RCT) de los l infocitos T. Estasreconocen el péptido presentado por las moléculasdel sistema HLA; estas mismas están presentes enla inmensa mayoría de las MC de todos los fenoti-pos celulares en el caso del HLA I y sólo en lascélulas presentadoras de antígenos (CPA) en elcaso del HLA II . Todo estos procesos son verdade-ras VT que llegan hasta el ADN [Arch.arg.pediatr.1998; (3) y (5)]. Los receptores de las citoquinas, lasquimioquinas, verdaderas moléculas comunica-doras exclusivas del sistema inmunitario (SI) y losfactores de crecimiento propios del SI, están inclui-dos en los tipos de receptores I,II y III mencionadosen el párrafo anterior.

Los receptores de la MC de los ligandos de la apoptosis[Arch.arg.pediatr. 1999; (3)]. Las proteínas recepto-ras específicas de los ligandos del desarrollo em-brionario, por ejemplo las proteínas Notch y laproteína receptora del factor Sonic Hegedhog (Shh)que veremos oportunamente, forman parte del mun-do de la embriología molecular y la diferenciaciónce lu l a r .

Los receptores de los factores de crecimiento relaciona-dos con plasminógenos (PRGF) y las semaforinas. Aligual que los factores de crecimiento morfogénicosdel párrafo anterior, señalamos como diferentes losreceptores PRGF, puesto que tienen un programa deacción ú nico cuando son estimulados por sus ligandosPRG, también conocidos como factores de disper-sión (scatter factors). En este mismo rubro ubicaremos

al conjunto de proteínas (pertenecientes a diversasfamilias) que actúan en el crecimiento del axón y susconexiones específicas: efrinas, netrinas, slit , Wnts ,reelinas , semaforinas, caderinas y protocaderinas , jun-to con sus receptores.

Las proteínas unidas al glicofosfatidil inositol (GPI),ancladas en la LE de la MC pertenecen a múltiplesfamilias de proteínas que iremos nombrando segúnlos temas y que serán reagupadas en un gráfico en elglosario.

Las proteínas de las MC “internas”, en el retículoendoplásmico (RE), el aparato de Golgi, la mitocon-dria, la MC nuclear, los lisosomas, los peroxisomas(véase cada capítulo de las organelas correspon-dientes) .

Las proteínas de los procesos de óxido-reducción, comolos citocromos y las deshidrogenasas flavínicas, quesiempre están sobre la membrana. Una respiraciónimplica por lo menos un citocromo que conduce unafuerza motriz de protones. Las moléculas gaseosas,como el O2 y el CO2, difunden libremente a través dela MC y actúan del lado citoplasmático en las bacte-rias y en las membranas internas de las mitocondriasen los eucariotas.

Las enzimas ligadas a las MC, que participan de labiosíntesis de peptidoglicanes y l ipopolisácaridos(LPS) en la membrana interna de las bacterias, asícomo las proteasas y esterasas en la degradaciónde moléculas de otras bacterias o células eucariotas.La familia de las moléculas ADAM (por adhes ion ,meta l lopro t e inase ), como las sheddasas y converta-sas, son enzimas de la MC que cumplen la funciónfundamental de liberar ligandos y sus receptores,modif icando constantemente la "anatomía molecular" de la MC.

Las proteínas de membrana que participan de lamotricidad de los f lagelos y ci l ias, como los cuerposbasales de las bacterias flageladas y el de losespermatozoides.

Las que tienen por misión el transporte al interior demoléculas clave para el metabolismo, como laslipoproteínas de baja densidad (LDL) que llevan elcolesterol, el receptor de la transferrina para incorpo-rar el hierro, el receptor megalina y la proteína fijadorade vitamina D (DBP).

Finalmente, debemos mencionar con finesdidácticos y conceptuales, el grupo de receptores dela gran superfamilia de los receptores nucleares (RN)y que, por lo tanto, no están en las MC (aunque habríareceptores de estrógenos en la MC). En efecto, losreceptores esteroides, de la vitamina D y la hormonatiroidea, por ejemplo, pertenecen a este grupo deproteínas nucleares que luego de recibir su ligandonatural se ligan directamente al ADN, y son en sí


mismos factores de transcripción (FT).Cabe destacar que los componentes esteroides

penetran la MC por difusión simple; ellos son muyliposolubles.

Aunque “la selva tropical” que es la MC está lejosde ser completada, su extensión nos obliga a uncapítulo introductorio siguiendo el orden enumera-do que respetaremos en otros capítulos. A continua-ción veremos en detalle los principales grupos hastaahora conocidos que hemos enumerado, dando ejem-plos fisiológicos y clínico-patológicos de cada uno enespecial .

PARTE B

CANALES IÓNICOS Y SUS PATOLOGÍAS(NEFROLOGÍA MOLECULAR)

Los CI forman poros estrechos (de unos pocosnM) a través de la MC y dejan pasar selectivamentepequeñas moléculas, aniones y cationes. Los CI tie-nen tres propiedades esenciales para cumplir estasfunciones :I) Son muy específicos y selectivos para cada ligan-

do; existen CI para el Na+, K+, Cl-, Ca++, y para elH2O ( l lamadas acuaporinas), aunque hay tam-bién CI no selectivos o inespecíficos .

II) Permiten un pasaje muy rápido (hasta un millónde moléculas por seg undo), casi mil veces supe-rior a las PT.

III) Las proteínas que forman los CI no siempre estánabiertas, sino que tienen una especie de compuer-tas (gates) que regulan el pasaje en ambos sentidospor cambios conformacionales después de unest ímulo biológico (gating ). Esas compuertas seabren en función del ligando ( l igand-gatedchannels ), como los neurotransmisores ; en res-puesta a un cambio en la carga eléctrica de la MC(voltage-gated channels ) ; a variaciones del pH, delATP y de la tensión superficial o a movimientosacústicos y mecánicos en las células del sensoriosomatoacú stico. El transporte de K+, Na+, Cl - yCa++ involucra también PT de la MC de diferentesfamilias: cotransportadores e intercambiadoresiónicos.

Los canales iónicos de sodioLos CI de Na+, así como los de K+, Ca++ y Cl-, están

presentes en todas las células del organismo, pero enproporciones diferentes y con distinta especificidad.Los principales grupos de CI de Na+ son :1) Los CI Na + dependientes del voltaje (CINaV),

presentes en el sistema nervioso y en los músculos

cardíaco y esqueléticos, es decir, en todas lascélulas excitables eléctricamente (Gráf i co 4) .

2) Los CI de Na+ dependientes de los ligandos, cuyoprincipal ejemplo es el receptor de la acetilcolina,para el K de la misma manera que lo es el receptorpara el K.Estos receptores se encuentran en las MC de lascélulas posinápticas, donde reciben el mensaje delos neurotransmisores (Gráfico 4) .

3) La SF de Mec-ENaC, constituida por los canalesiónicos epiteliales (ENaC) y mecanosensitivos(Mec) en las neuronas sensoriales. El prototipo deesta SF es el ENaC; su papel fisiológico funda-mental, es el de minimizar la pérdida de Na+, conuna eficiente reabsorci ón del filtrado glomerular(FG) y de las secreciones de los organismosmulticelulares superiores del reino animal (noexisten en las plantas, ni en los hongos unice -lulares) .

Los canales iónicos del calcioYa dijimos que una de las propiedades más im-

portantes de una célula es su capacidad para comu-nicarse con otras células del mismo fenotipo o deotros diferentes en un organismo multicelular (vere-mos que los unicelulares tienen propiedades simila-res). Esas interacciones ocurren a través de señalesmoleculares y biofísicas recibidas en la MC. Esasseñales afectan los grandes procesos de la vida: eldesarrollo, la proliferación, la diferenciación, lamotilidad, la excitabilidad, el envejecimiento y laapoptosis, transfiriendo el mensaje exterior a unsegundo mensajero. Entre los segundos mensajerosconocidos, el Ca++ es el más antiguo filogenéticamentey participa en la mayoría de las vías nombradas enprocesos clave, como la transcripción y traducción deun gen en proteína, la secreción y actividad de ésta yel metabolismo celular. Los eucariontes puedenincrementar su concentración de Ca++ intracelular(Ca++i) (que es muy baja y en consecuencia, muysensible a una variación mínima) de dos maneras:1) liberando el Ca++ contenido en diferentes compar-timientos IC (como en el RE y en la membrananuclear); y, 2) permitiendo el ingreso del Ca++ delmedio EC. La primera es, en general, una fase rápiday transitoria, de una decena de segundos como máxi-mo, y muchos procesos biológicos (secreción de hor-monas, contracción de vasos sanguíneos, transcrip-ción de genes, etc.) requieren un incremento conside-rable del Ca++i. Por lo tanto, en estos casos, el meca-nismo que predomina es el de facilitación de laentrada del Ca++ EC. Así, las células excitables comolas neuronas, las células musculares y las célulasneuroendocrinas, usan principalmente los CI de Ca


dependientes del voltaje para que el Ca++ ingrese a lacélula, aprovechando tiempos más prolongados deexcitabilidad, que generan una corriente de entradasustancial de Ca ++. En las células no excitables (losfenotipos restantes: células inmunológicas, endote-liales, epiteliales, etc., que también se mueven,secretan, etc.), los CI de Ca dependientes del voltajeno se expresan, de manera que esas células utilizanlas reservas IC de calcio y las reponen con el Ca++ EC.Este Ca++ extracelular ingresa fundamentalmente porcanales iónicos no dependientes del voltaje conoci-dos como SOCC (por store-operated calcium channels o simplemente SOC). Si se tienen en cuenta estas dosformas de penetración del Ca ++, hablaremos de :1) Los CI de Ca++ dependientes del voltaje (VDCC,

p o r voltage dependent calc ium channel ) que, aligual que los CI de Na+ y K+, son responsables dela conducción de las señales eléctricas en las MCde las neuronas y otras células excitables. Los CIde estos tres cationes son generados por genespertenecientes a una misma familia. Las principa-les subunidades proteicas (las alfa) que los cons-tituyen pueden tener forma y función de CI en símismas. Ellas pueden asociarse con otrassubunidades (por ejemplo, las beta) que aumen-tan la expresión funcional y modifican lafuncionalidad de las subunidades principales (Grá-fico 4) . Así, sobre un mismo modelo molecular-estructural, distintas variaciones determinan lasdiferencias de los CI dependientes del voltaje deestos tres cationes. Según su única conductanciaiónica, su dependencia del voltaje, su perfil dereactividad con distintos fármacos y su biologíamolecular, los CI de Ca se denominan como tiposL, T, N, P, Q y R. Como toda familia de proteínascuyos miembros se descubren año a año (y estosucede con casi todas las familias de proteínas,sobre todo a medida que se identifican las secuen-cias de los organismos de todos los géneros yreinos), hay diferentes niveles de clasificaciónque deben ser unificados para comprender lavasta nomenclatura. Así, los CI de Ca que necesi-tan voltajes ligeramente más altos que el de repo-so (que es de –60mV) para ser activados se deno-minan LVA (por low voltage-act ivated channels) ;los que necesitan un voltaje muy superior (cerca-no a 0mV) para activar el canal se denominanH V A (h i gh v o l t age -act ivated channels) .A su vez, como farmacológicamente reaccionanen más o en menos (como con la dihidropiridina,[DHP]), aparecen subdivisiones que al mismotiempo se corresponden con la estructuramolecular (véase más adelante). En consecuencia,los CI de Ca HVA se denominan de tipo L (por,

long lasting) si son sensibles a la DHP, y de tipo N(por neither) si no lo son. Otros dos tipos de HVA,los tipos P (por haberse descripto en las células dePurkinje) y Q, se diferencian según su sensibili-dad a ciertas toxinas, como la agatoxina (en gene-ral cuesta diferenciarlos y se los llama de tipo P/Q). Los LVA de tipo T (por transient ) por susensibilidad transitoria a la DHP. Otro canal es eltipo R (por resting), que permanece activo cuandouna mezcla de esas sustancias bloquea todos losotros tipos, por ejemplo, en la MC presináptica.Esto se debe a que sobre una misma MC, como ladel axón, puede haber hasta 40 clases diferentesde CI (para iones como el Ca++, K+, Na+, Cl - ,dependientes de ligandos, etc.) y miles de molé-culas de cada una de ellas. Finalmente, se encuen-tra el canal iónico no selectivo (CINS) dependien-te del voltaje, es decir, que deja entrar tanto el Ca++

como Na+, K+ y Cl- en la MC presináptica. Este tipode CINS sigue los pasos de apertura y cierre de losCI específicos, con la despolarización y repolari-zación posterior que lleva a la MC al potencial dereposo.

2) Los CI de Ca dependientes de los ligandos, cons-tituyen otras vías de DPF de Ca++ hacia el interiorde la célula. Podemos nombrar:a) El CI receptor del inositol 1,4,5-trifosfato (IP3R),

que se encuentra en la MC y en las MC de losreservorios de Ca ++ intracelulares. Cuando seliga al IP3, el IP3R se abre y deja entrar el Ca++

tanto extracelular como intracelular desde losdepósitos al citoplasma.

b) El CI receptor nicotínico de la acetilcolina(nACR), en la MC de los axones y vesículaspresináptica s deja entrar también los iones deCa++ así como los de Na+.

c) Los DHPR en el sarcolema (la MC de la célulamuscular) junto con los receptores de riadoninadel RE de la misma célula.

3) Los CI de Ca de las membranas de los comparti-mientos intracelulares (IC), que sirven de reservade Ca++i. Está bien establecido que las múltiplesvías en las que participa el Ca++ en el interior de lacélula implican (además de su papel como segun-do mensajero cuando una señal viene del exte-rior) la liberación de este catión de las reservas IC.La concentración intracelular de Ca es 100.000veces menor que en el exterior de la célula (0,01microM y 1 mM, respectivamente); sensores in-ternos de Ca++ (que estarían en el IP3R) determi-nan mínimas variaciones moleculares de la con-centración en el citoplasma. En las células noexcitables, las corrientes de iones de Ca++ quesalen de los reservorios se encuentran en sectores


especializados o invaden globalmente toda la cé-lula. Se han identificado varias proteínas queintervienen en la fijación, secuestro, acumulacióny liberación. Dos familias de proteínas participanen la liberación de Ca++ IC y son canales iónicos:los CI receptores de la rianodina (RyR) y los CIIP3R. Los RyR se encuentran en la MC del RE entodos los géneros animales y constituyen unafamilia de proteínas de muchos isomorfos. Así,existen RyR 1, 2 y 3, en el músculo esquelético, enel músculo cardíaco y en las neuronas, respectiva-mente. La otra gran familia de CI de liberaciónintracelular de Ca++, los CI IP3R, también consis-ten en múltiples isomorfos y variantes de cortes yempalmes alternativos, que incluso pueden ex-presarse en una misma célula y existen en todoslos fenotipos celulares.Como dijimos, el Ca++i juega un papel crucial envarias funciones celulares de todos los fenotipos.Los agonistas que aumentan el Ca++i en las célulasexcitables inducen la liberación de las reservas IC(a través de los RyR y los IP3R), seguida de laentrada del Ca EC. En las células no excitables, elflujo de Ca++ del exterior penetra por CI de Ca dela MC (los SOCC) bajo la regulación de mecanis-mos sensores de la cantidad de reserva IC de Ca.En una amplia variedad de células se constató laregulación por la concentración del Ca ++i. La co-rriente de Ca++ activada por la depleción del Ca++i ,fue llamada ICRAC (por, Ca release-activated Cacurrent). Los SOCC, que responden a este meca-nismo (no dependiente de ligandos exteriores, nidel voltaje de la MC), son las proteínas codifica-das por los genes hTRP (por, t ransient receptorpotential). Siete homólogos en los mamíferos, (elprimero de estos genes se descubrió en ladrosofila), forman 4 subfamil ias. El hTRP (porhuman TRP) produce una proteína de la MC, con6 bucles TM similares a los clásicos CI de Ca++ .Este mecanismo de acoplamiento entre el RE y laMC para la reposición del Ca++i también seríamediado físicamente por un mecanismo secretorio,por la disposición de los microfilamentos de actinadel citoesqueleto debajo de la MC, que bloqueany desbloquean reversiblemente el ingreso del Ca++

a través de los SOCC.

Los canales iónicos del potasioDe acuerdo con las propiedades de respuesta a

diferentes estímulos biológicos, los CI de K se clasi-fican en cinco grandes grupos:1) Los CI de K dependientes del voltaje que se abren

o cierran en relación con el potencial eléctrico dela MC.

2) Los CI de K- Ca dependientes de la concentración(KCa), igual que los anteriores, se modulan segúnla concentración de Ca intracelular.

3) Los CI K dependientes de los ligandos de neuro-transmisores (serotonina, en este caso se lla -manS), acetilcolina y noradrenalina, nucleótidos cícli-cos intracelulares como el GMP o nucleótidosextracelulares (purigénicos o purinoceptores). Seregulan de la misma forma.

4) Los CI de K sensibles al ATP (KATP), en los que el"gating" es regulado por la concentración intrace-lular de ATP.

5) Los CI de K dependientes del estiramiento, queson regulados por fuerzas mecánicas.En cada grupo puede haber CI muy diferentes encuanto a sus estructuras moleculares, propieda-des electrofisiológicas y farmacológicas. Por lotanto, pueden clasificarse según tales propieda-des (Gráficos 4 y 6).

Los canales iónicos del cloroLos canales iónicos de Cl (CI de Cl-), están presen-

tes en todos los organismos, incluidos los unicelulares,tanto en el reino animal como en el vegetal, en lamayoría de los fenotipos celulares. Tanto en la MCcomo en las membranas de las organelas (mitocon-drias, endosomas, sinaptosomas) participan en laregulación del pH intracelular y el volumen celular,en el transporte transepitelial y en la excitabilidad dela MC. Aunque el Cl- representa menos del 50% de losaniones de la célula, es el principal anión difusible enla mayoría de las células y el anión extracelular másabundante. En el transporte de Cl, como en el del K+,Na+ y Ca++, participan proteínas TM de la MC dediferentes familias: cotransportadoras, intercambia-doras de aniones y canales iónicos. Veremos las dosprimeras en otros capítulos, y en cuanto a los CI de Cl- ,diremos que se ha señalado una amplia diversidadde proteínas con actividad funcional de canal iónicosegún diferentes comportamientos electrofisiológicosy farmacológicos. Esta diversidad funcional de cana-les de Cl- excede largamente a los pocos que existende acuerdo con la clasificación según criteriosmoleculares. Una vez sabido esto, podemos hablarde las muy bien caracterizadas familias de proteínascon funciones de CI de Cl- .1) CI de Cl- de la gran familia de los CIC (chloride ion

channel), que dependen de la fijación del Cl- en laentrada del canal y se abren o cierran directamen-te con el anión mismo, contrariamente a los CI delos cationes dependientes del voltaje de la MC(potencial de membrana). En efecto, estos últimostienen un sensor de voltaje que no tienen los CIC,y son dependientes del potencial de membrana


de reposo. Los CIC fueron clonados en 1990, en laanguila eléctrica Torpedo marmorata (y otras, comola californica). El primero se denominó CIC-0 y sedescubrieron otros nueve (CIC-1 a CIC-7 y CIC-Ka, CIC-Kb.) en esos peces. En el ser humano,cumplen algunas de las funciones que citamos alprincipio según su ubicacion tisular, y se ha detec-tado una cantidad importante de mutaciones paraalgunos de estos canales en un número considera-ble de enfermedades humanas (Gráficos 4 y 5).

2) CI de Cl- dependientes de los ligandos, como losreceptores de ácido gamma-aminobutírico(GABA) y de glicina, en el sistema nervioso ycélulas excitables (tanto en la MC presinápticacomo en la posináptica).

3) CI de Cl- que pertenecen a la familia de las proteí-nas ABC, como la CFTR (por cy s t i c f ibros i stransmembrane conductance regulator ) , que desem-peña una verdadera función de canal de Cl-, ade-más de actuar como transportador activo.

Canales de solutos orgánicos. Las porinasLos CI mencionados hasta ahora intervienen en el

pasaje de iones inórganicos y son esenciales para losprocesos de absorción transepitelial y secreción desales, la regulación del volumen celular, el controldel potencial de la MC; además, participan directa-mente en muchas vías de transducción (VT), permi-tiendo, por ejemplo, el ingreso de Ca++.

Otro grupo fundamental de canales son los que seocupan de los solutos orgánicos (OSC, por organicsolute channel ). Las principales funciones fisiológicasde los OSC son absorción de nutrientes, excreción demetabolitos de desecho, regulación del volumen y laosmolaridad mediante el transporte de osmolitos, yregulación del metabolismo mitocondrial. Los OSCparticipan del pasaje selectivo de solutos orgánicosiónicos y de los eléctricamente neutros. Las bacteriasgramnegativas están rodeadas por una doble MC. LaMC interna funciona como la MC de los eucariontes,con una permeabilidad selectiva debida a PT y CI,con especificidad por sus respectivas moléculas. LaMC externa, por el contrario, actúa como un tamizque deja pasar moléculas hidrofílicas de menos de 1kDa. Este tamizado protege a la bacteria de las salesbiliares, enzimas digestivas, antibióticos, moléculasde defensa de los epitelios (defensinas) y otras agre-siones. El intercambio de nutrientes y desechos entrelas dos MC y el citoplasma bacteriano se realiza através de canales llamados porinas. Las porinas sonel arquetipo de los OSC. Cabe recordar que en lamitocondria, que también tiene una doble MC, hayuna porina: el canal aniónico dependiente del voltaje(VDAC, por voltage-dependent anion channel ), con

propiedades similares a las porinas bacterianas. Ade-más, se encuentran estructuras tipo porinas en loscloroplastos y los peroxisomas.

Las porinas se dividen en dos grupos por suespecificidad y selectividad para la difusión desolutos: a) porinas que tienen una predilección gene-ral por solutos hidrofílicos y sólo tienen en cuenta sutamaño. Este grupo prácticamente no diferencia en-tre cationes y aniones. El diámetro de estos canales esde 1-3 nm; por ejemplo, la VDAC es una porinamitocondrial de difusión general, fundamental en eltransporte de metabolitos, y en especial, denucleótidos de adenina y sustratos aniónicos como elcitrato y el succinato. Tienen, sin embargo, una dife-rencia con las porinas bacterianas: su dependenciadel voltaje de la MC (a voltajes de –10 a +10 mV estánabiertas y variaciones de 20 a 30 mV las cierran).Varias enzimas que utilizan esos sustratos y el ATPse encuentran ligadas a esta porina, como la hexosaquinasa, la glucoquinasa, la creatinquinasa y laglicerolquinasa. La VDAC desempeña un papel cen-tral en el flujo de esos metabolitos y en el control delmetabolismo mitocondrial, así como en la apoptosis(véase Arch.arg.pediatr. 1999; (4). b) Las porinasespecíficas poseen un sitio de fijación para ciertossolutos, como monosacáridos y disacáridos (LamB,ScrY), nucleósidos(TsX) y aniones (proteína P), todasporinas bacterianas.

Canales de solutos orgánicos sensiblesal volumen

La regulación del volumen celular en respuesta asu aumento (tumefacción) es un proceso conocidocomo regulación de la disminución del volumen,mediado por el flujo hacia el exterior celular de Na+,K+, Cl -, aniones orgánicos y un grupo de solutosorgánicos eléctricamente neutros llamados osmolitos.En las células de los mamíferos, los osmolitos sedividen en tres clases: 1) polioles (sorbitol, mioinosi-tol) ; 2) AA y sus derivados (taurina, prolina, alanina)y 3) las metilaminas (betaína, glicerofosforilcolina).Están presentes en muy altas concentraciones IC, yen todos los organismos vivientes. Desempeñan unpapel esencial en la osmorregulación celular y en sucitoprotección. En todos los organismos, desde lasbacterias hasta los humanos, el aumento del volu-men celular en condiciones fisiológicas lleva en pocotiempo a un rápido flujo pasivo de pérdida deosmolitos. Estos mecanismos fueron caracterizadosen muchos fenotipos celulares. Son independientesdel Na +, no reciben transestimulación ni tienensustratos inhibidores. Por lo tanto, son, canales y noPT. Un vasto número de experiencias indica que enlas células de los vertebrados una proteína-canal


acunó el nombre de acuaporina y el Comité de No-menclatura del Genoma Hu mano (HGNC) la desig-nó AQP1,siendo la MIP la AQP 0 (Gráfico 6).

Canales iónicos paracelularesSi los 900.000 nefrones de cada riñón humano son,

en definitiva, un largo tubo que parte del glomérulocon una sola capa de células epiteliales, una al lado dela otra hasta llegar a la vejiga, a la que llevan la orina“final”, debe existir alguna razón evolutiva. En efec-to, la sangre filtrada en los glomérulos ingresa laporción inicial de este túbulo, y a lo largo de sutrayecto se reabsorben y secretan a través de esamonocapa epitelial todos los metabolitos (iones ysolutos) necesarios para mantener una homeostasianormal. La reabsorción depende de dos vías: unatranscelular (a través de los CI, las PT y las bombasiónicas); la otra paracelular, a través del espaciointercelular entre las células epiteliales .

La vía paracelular está regulada por las unionesestrechas (t i gh t junc t i ons ), estructuras intercelularesque circunscriben (como una reja) toda la célula haciasu borde apical, uniéndola fuertemente con la mismaestructura de dos células adyacentes . La unión estre-cha está constituida por proteínas TM (en este casoson moléculas de adhesión) de la familia de lasclaudinas y de las ocludinas. Estas proteínas se unenpor uniones no covalentes con las de las célulasadyacentes en dominios muy precisos, ocluyendo elespacio paracelular y creando una especie de lagoentre el espacio luminal y el espacio de la membranaextracelular y/o tejido conectivo. La resistencia alpasaje de iones muestra dos tipos funcionales deuni ones: estrechas, que ofrecen mayor resistencia ylas que permiten pérdidas (leaky ) que tienen menosresistencia. Existen muchas similitudes funcionalesy estructurales entre estas estructuras y los canalesiónicos. Por ejemplo: 1) ambos pueden ser bloquea-dos por iones pesados cargados positivamente; 2)ambos tienen poros del mismo diámetro; y 3) lasuniones estrechas son selectivas para los cationesmás que para los aniones, como el receptor de laacetilcolina. Una diferencia capital entre ellas es quelas uniones estrechas son paralelas al plano y noatraviesan la MC, mientras que los canales iónicossiempre son perpendiculares a la MC y la atraviesan.En 1999 se identificó la secuencia del primer canaliónico paracelular, constituido por la proteína cono-cida como paracelina-1, miembro de la famila de lasclaudinas, y que es selectiva para el magnesio (Mg++) .Contrariamente a los otros iones, éste es reabsorbidomayoritariamente por esta vía en el riñón. Estánubicadas, en las uniones estrechas en el asa ascen-dente gruesa de Henle (TAL por thick ascending limb)

amplia y selectiva sirve de pasaje a la mayoría, si noa todos los osmolitos orgánicos. Esta proteína sedenomina VSOAC (por volumen-sensi t ive organicosmolyte/anion channel ), tendría un poro de 8-9 A, conmayor preferencia por los solutos hidrofóbicos quepor los hidrofílicos, con selectividad por los anionesy, en algunos fenotipos celulares, dependiente devoltaje. Este canal diferente de los CI dependientesdel voltaje o ligandos se abre o se cierra con unpequeño aumento/disminución del volumen celu-lar. No se producen incrementos o disminucionesgraduales como los anteriores. No se conocen losmecanismos íntimos de la activación y de este com-partimiento (la concentraci ón de ATP y sal podríanser los activadores), pero en todo caso, la activacióndepende del número de moléculas de VSOAC porcélula. Hasta el año 2000, sólo se conocían los OSM-9 en el C. elegans y el mec- en la D. melanogaster, los doscanales mecanosensibles –semejantes a los conoci-dos en bacterias – que miden la tensión de las MC.Hoy se conoce el VR-OAC (por vanilloid receptor-related osmotically activated channel), en los vertebrados.Pertenece a la familia de las TRP y se expresa en lasneuronas sensoriales y las células de Merkel. Tiene 6TM y se abre con la hipotonicidad.

Las acuaporinasDebido a que el agua es el principal componente

de todos los seres vivientes, las capacidades de ab-sorberla y secretarla son propiedades fundamenta-les. Las acuaporinas cumplen esa función. La prime-ra acuaporina, AQP0 (por acuaporina 0) fue descu-bierta en 1991. En todo el reino animal y vegetalexisten moléculas homólogas. Las 10 AQP (8 AQPhumanas conocidas) se dividen en dos grupos: a) LasAQP ortodoxas, es decir las que son específicas yselectivas para el H2O, e incluyen las AQP0, AQP1,AQP2, AQP4 y AQP5 y b) Las multifuncionales, lasacuagliceroporinas que dejan pasar H2O, gl icerol yotros solutos, e incluyen las AQP3, AQP7 y la AQP9.Participan en numerosos procesos fisiológicos y enun número importante de patologías. Cuando laAQP1 fue descubierta en la MC del eritrocito, parecíaformar parte de la proteína TM del grupo sanguíneoRH (hoy se sabe que esta proteína, la del gen D [Rh+],tiene 13 bucles TM y ninguna función de canal). Porel contrario, se comprobó la AQP1 era homóloga a laproteína MIP (por major intrinsic protein ), que habíasido descubierta en el cristalino y es una proteínaTM. Como estaba presente tanto en la MC deleritrocito como en el epitelio renal (túbulo renalproximal [TP] y en el asa descendente [ADH]) y erapermeable al agua, se la denominó CHIP28 (porchannel-like integral protein, de 28 kDa). Finalmente, se

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exclusivamente. Son selectivos también para el Ca ++.La mutación del gen de la paracelina-1, causa unaanomalía hereditaria caracterizada por hipomagne-semia, hipermagnesuria e hipercalciuria hereditaria(un síndrome de pérdida de Mg ++ y Ca++ con fallorenal). La proteína anómala o su falta de expresiónprovoca directamente la dificultad en la reabsorcióndel Mg++ por el riñón. Finalmente, cabe señalar quelos diferentes miembros de la familia de las claudinas,así como los de las ocludinas, pueden formar canales(como lo sugieren los recientes estudios) con pares uoligómeros entre distintos miembros, abriendo unfantás tico nú mero de posibilidades a la regulacióniónica no solamente en el riñón.

Patologías renales de los canales iónicos:Mecanismos moleculares

Cuando el correcto intercambio de agua y salrealizado permanentemente por el riñón falla pormutaciones de las moléculas intervinientes se pro -duce hipertensión o hipotensión, así como retencióno pérdida de líquidos y electrolitos en los espaciosintracelular y extracelular. Por lo tanto, las patolo-gías de los canales iónicos renales son indisociablesde las patologías moleculares genéticas de las varia-ciones de la tensión arterial humana (TA) y los meca-nismos moleculares hormonales que la regulan.

La hipertensión (HT) afecta a casi 25% de los sereshumanos. En la gran mayoría, sus causas esencialesno se conocen. Se han realizado infinidad de estudiosepidemiológicos que asociaron la edad, sexo, raza,masa corporal y dieta (ingestión de Na, K y Ca) conla HT. La fisiología de la tensión arterial es engañosa-mente simple, cuando se explica como la relaciónproporcional del flujo cardíaco y la resistenciaperiférica (ley de Ohm). En efecto, una gran variedadde sistemas polifacéticos con complejos intercam-bios entre sus moléculas influyen sobre la TA, comolos barorreceptores que regulan los cambios agudosde la tensión en las paredes de los vasos; el péptidonatriurético (PNA) secretado por el cerebro y el cora-zón en respuesta al aumento de la TA en esos órga-nos, el sistema renina-angiotensina-aldos-terona y elsistema quinina-calicre ína que influyen sobre el vo-lumen, el tono vascular y la regulación de la pérdidade sal en el riñón; el sistema de los receptoresadrenérgicos que influyen sobre la frecuencia, lacontracción cardíaca y el tono vascular, y finalmente,moléculas producidas por los endotelios de los va-sos, como el óxido nítrico (ON) que causa vasodilata-ción o la endotelina, que causa vasoconstricción.Todos estos sistemas actúan en forma sincronizada eintegralmente ante cualquier variación metabólicalocalizada que se imponga –digestión, ejercicio, do-

lor, etc. – para mantener la perfusión necesaria encada tejido. Pero, debido al hecho que experimental-mente la TA sólo se puede medir en el organismovivo y a que ésta es el resultado integral de todos esossistemas, sólo pueden realizarse estudios limitadosen tiempo y de los sistemas individualmente. Comoresultado de esto, aún no se sabe cuál es la causaprimaria esencial de la HT, ni se puede predecirclínicamente quién va ser hipertenso; los tratamien-tos son empíricos y limitados a las HT ya estableci-das, sin poder distinguir cuáles son respuestasadaptativas secundarias a problemas primariosmoleculares. Concretamente, si no se estudian losgenes conocidos hasta ahora y los que restan conocer,la HT continuará siendo “esencial”en más del 90%de los casos.

Debido a la imposibilidad para determinar lasbases moleculares por los estudios clásicos, en losúltimos 10 años se incrementaron los estudiosepidemiológicos. Pero, aunque éstos establecieronclaramente asociaciones genéticas en familias dehipertensos o entre gemelos monocigotas compara-dos con los dicigotas, sólo concluyeron que se tratabade situaciones multifactoriales o multigénicas, sinpoder demostrar un gen o genes que explicaran laHT. Por el momento sólo los raros casos de HT o dehipotensión donde el déficit es monogénico esclare-cen los mecanismos moleculares de la HT.

Formas de transmisión hereditaria de la HT.Hasta julio de 2001 se habían identificado mutacio-nes en 8 genes que causan HT y en 9 que causanhipotensión, que se transmiten según las leyesmendelianas. Debido a la diversidad de sistemasmencionados que participan en la regulación de laTA, es sorprendente que los 17 genes mutados codi-fican proteínas que participan alterando al balanceneto de la reabsorción de sal a nivel renal (Gráfico 5).En efecto, las mutaciones que incrementan lareabsorción de sal producen HT y las que ladiminuyen causan hipotensión. Las moléculas delsistema que participan en la homeostasia de la sal ysu relación con la TA son las siguientes:

En un día normal, los riñones filtran 170 litros deplasma, con un total de 23 moles de sal. Para mante-ner el nivel normal, con una dieta de 100 mEq deClNa, el riñón debe reabsorber el 99,5% de la canti-dad filtrada. Esto es realizado por un sistema inte-grado de canales iónicos y transportadores (antiportsy simports), a lo largo del nefrón. El 60% se reabsorbeen el túbulo proximal (TP), esencialmente por laacción del antiport Na+/H+; 30% es reabsorbido en elasa gruesa ascendente de Henle (TAL) por el cotrans-portador simport Na+/K+/2Cl- ; 7% es retirado por elcotransportador simport Na+/Cl - en el túbulo


contorneado distal. El último 2% es reabsorbido porel ENaC, canal iónico de Na + uniport en el túbulocolector cortical (TCC). Este último canal es el princi-pal sitio donde se regula el nivel de sal. En efecto, unadisminución de la sal en el TAL induce a la secreciónde la enzima aspartil-proteasa (renina) que convierteel angiotensinógeno en angiotensina I (AI), que a suvez se convierte en el péptido hormonal angiotensinaII (AII) por acción de la enzima convertasa (ECA, porenzima convertidora de angiotensina). Su ligando(un RCPG) en la capa glomerulosa suprarrenal pro-duce la secreción de la aldosterona, cuyo receptormineralocorticoide (RMNC), perteneciente a lasuperfamilia de los receptores de núcleo se expresaen las células principales del TCC e induce a laactividad de los genes del ENaC, incrementando lareabsorción de sal. El agua y la sal van juntas, paramantener la concentración de 140 mM de Na + en elplasma. Así se establece el vínculo entre la relaciónde la reabsorción de sal y el volumen circulatorio enla fisiopatología de la HT. Se descubrieron mutacio-nes de las moléculas de este sistema en familiashipertensas o hipotensas, cuando esas mutacionesprovocan aumento o disminución de la recuperaciónde sal en el nefrón.

Mutaciones que afectan el eje hormonalde los mineralocorticoides

El RMNC sólo es activado normalmente por laaldosterona e induce los genes del ENaC. Las enfer-medades hereditarias descriptas por fallas en la se-creción de aldosterona o por estimulación anormaldel RMNC por otros esteroides son las siguientes:

Hiperaldosteronismo remediable con gluco-corticoides(HARG). Es una enfermedad autosómica dominante(AD) con HT, niveles de aldosterona normales oelevados, con baja actividad de renina, hipocaliemiay alcalosis metabólica. La causa molecular de estaenfermedad es la aparición de un gen quimérico (porduplicación y entrecruzamiento anormales) entre elgen de la aldosterona sintetasa y el de la 11-beta-hidroxilasa, separados por 45 kb en el cromosoma 8.El primero responde normalmente a la AII y el se-gundo, a la ACTH. El gen híbrido (que no existe enlos organismos normales) queda bajo el comando dela ACTH ya que el promotor 5’ es la parte de la 11-b -hidroxilasa, y su producto tiene la acción de laaldosterona. En consecuencia, a la secreción normalde cortisol inducida por la ACTH se agrega inexora-blemente la secreción de aldosterona en la zonafascicular suprarrenal. Los glucorticoides exógenossuprimen todas estas alteraciones, y previenen elhiperaldosteronismo al suprimir la secreción deACTH.

Se c r e c i ón d e f e c tuo sa d e a ldo s t e r ona . Enfermedadautosómica recesiva (AR), en la que mutaciones enel gen de la aldosterona sintetasa producen sínto-mas opuestos al HARG. En efecto, hay hipotesión,hiponatremia con hipercal iemia y acidosis meta-ból ica .

Deficiencia de 21-hidroxilasa . También produce de-ficiencia en la secreción de aldosterona con síntomassimilares, además de otras mutaciones endocrinas(Gráfico 5).

Síndrome de exceso aparente de mineralocorticoides(EAM) (*218030). Normalmente sólo la aldosteronase liga a su RN in vivo. Debido a que el cortisol circulaen una concentración mucho más elevada y tienetambién actividad in vitro sobre el mismo RMNC, sudestrucción es un mecanismo fisiológico finamenteregulado por la 11 b -hidroxiesteroide deshidrogenasa(HSD) que cataboliza el cortisol a cortisona. Esta noes capaz de ligarse al receptor de mineralocorticoides(MNR), por lo que no tiene actividad tipo aldosterona.El defecto por mutación en esta enzima produce elEAM, con niveles de aldosterona normales o bajos,HT, hipocaliemia y alcalosis metabólica. La ingestiónexcesiva de ácido glicinarretínico del regaliz tieneacciones supresoras sobre la enzima HSD y puedeprovocar los mismos síntomas. Los mismos mecanis-mos que impiden la transformación del cortisol encortisona por deficiencia de la HSD pueden explicarla HT en el síndrome de Cushing (adenomas dehipófisis , de glándulas suprarrenales o ambos) y enla enfermedad de resistencia a los glucocorticoidescausada por defectos en el RGC. Cabe destacar quehay dos isomorfos de la enzima HSD y que mutacio-nes en el segundo de ellos producen un síndrome deEAM (tipo II) (*207765) que es AR, con niveles nor-males de cortisol y cortisona.

Mutaciones en el RMNC. HT exacerbada en el emba-razo. En estos pacientes, una mutación de lisina pormetionina (S810L, se escribe siempre primero elaminoácido normal, luego el número del codón y alfinal el aminoácido que lo reemplazó) en el RMNChace que este receptor sea estimulado anormalmentepor otros esteroides como la progesterona. Desde elmomento en que aumenta unas 100 veces la concen-tración de esta hormona durante el embarazo, lasmujeres portadoras de esta mutación presentan HTgrave .

Pseudohipoaldosteronismo Tipo I (PHAI), AD(*177735). Existen dos formas de PHAI: el AD y el AR(véase más adelante). Los pacientes con PHAI ADpresentan el defecto en la molécula del RMNC condisminución de la estimulación de los ENaC, que enel período neonatal necesita de los dos genes deRMNC para reabsorber la sal necesaria. Precisamen-

* Veáse Glosario


te en ese período, los pacientes afectados presentanhipotensión grave a pesar de los elevados niveles dealdosterona, hipercaliemia y acidosis metabólica.Después del período neonatal y con un adecuadoaporte suplementario de sal para corregir los sínto-mas, la enfermedad desaparece naturalmente en lapubertad. Un solo gen del RMNC es suficiente. Estees un claro ejemplo de que las acciones de cadamolécula tienen un efecto cualitatitivo y según losestados, edades y necesidades fisiológicas son losefectos cuantitativos los que cuentan.

MUTACIONES QUE ALTERAN LASMOLÉCULAS DE LOS CANALES IÓNICOS

El síndrome de Liddle (*600760). Este síndrome esAD, con comienzo temprano de HT, hipocaliemia yalcalosis metabólica, sin aumento de renina y bajosniveles de aldosterona. La causa molecular son mu-taciones en las proteínas de las subunidades β y γ delENaC, suprimidas en su segmento COOH terminal.El resultado es que los tetrámeros de ENaC (2 α, β yγ) no son suficientemente removidos de la MC y sunúmero aumenta, por lo que se incrementa cuanti -tativamente la función de reabsorción de sal. Lainhibición de la renovación de los ENaC se debería aun defecto de la endocitosis de las vesículasrecubiertas por clatrinas o a la carencia de una domi-nio-ligasa (necesaria para la ubiquit ilación y degra-dación por el proteosoma) en las proteínas Nedd4-1y Nedd4-2. Estas proteínas tienen un dominio WW(triptófano-triptofano) que se liga al dominio PPPXYde las subunidades β y γ del ENaC.

Pseudohipoaldosteronismo Tipo I (PHAI) (AR)(*264350) . La pérdida de las funciones de cualquierade las tres subunidades α, β y γ del ENaC causan estaenfermedad. Igual que en el PHAI AD hay hipoten-sión, hiponatremia, hipercaliemia y acidosis metabó-lica, a pesar de altos niveles de aldosterona en elper íodo neonatal. Pero, a diferencia de la formadominante, la forma recesiva nunca se cura espontá-neamente. Aquí fallan las dos copias de los cromoso-mas 16 parentales. Si bien las ratitas que carecen deestos genes (knockout ) también tienen insuficienciarespiratoria por la ausencia de estos canales en losalvéolos, en el hombre estos síntomas serían menosgraves .

Síndromes de Gitelman y de Bartter. Son ungrupo de enfermedades AR con hipotensión,hipocaliemia , alcalosis metabólica y otras manifesta-ciones diversas. Mutaciones en cuatro genes diferen-tes son la causa molecular de cuatro patologías dife-rentes con manifestaciones similares. Nuevamente,la pérdida de sal es la base en todos los casos. Elsíndrome de Gitelman es la pérdida de función del

cotransportador Cl -/Na+ sensible a las tiazidas en eltúbulo contorneado distal (TCD). Los pacientes tie-nen TA menor que la normal, hipocaliemia y sínto-mas neuromusculares desde la pubertad, asociados ahipomagnesemia e hipocalciuria. La pérdida de salen el TCD lleva a la activación del sistema renina-A-aldo, que al activar al RMNC estimula la acción de losENaC en el TCC para recuperar la sal perdida en elTCD, facilitando la salida de K+ y H+. Esto demuestraque aun modestas pérdidas de sal causan descensode la TA. La alteración de la homeostasia del Ca++ yel Mg++ muestra también la intensa regulación deestos iones por estos cotransportadores. Los enfer-mos heterocigotas compensan este desequilibrio conel aumento de la ingestión de sal y se mantienenasintomáticos.

Los s índromes de Bartter se distinguen del ante-rior por no presentar hipocalciuria y tener nivelesnormales de Mg++. Los síndromes I, II y III de Bartterson causados por mutaciones en las moléculas encar-gadas de recuperar sal en el TAL. Los pacientes sepresentan con hipotensión, hipocaliemia y alcalosismetabólica, con aumento de la reninemia y laaldosterona. Las mutaciones que implican la pérdidade función del cotransportador simpor t Na+/K +/2Cl -

son la causa del síndrome de Bartter t ipo 1. La muta-ción del gen del canal de K-ATP, ROMK, es la causadel síndrome de Bartter tipo 2. La pérdida de sal porla mutación de esta proteína se produce porquenormalmente en el TAL hay una alta concentraciónde Na+ y Cl- pero baja de K+, y, si al ser reabsorbido,el K+ no puede recircular nuevamente hacia la orina,la relación Na +/K + podría deteriorarse rápidamentey disminuir la actividad del cotransportador Na+/K+/2Cl - , disminuyendo la reabsorción de Cl - y Na+.Normalmente la molécula ROMK en el TAL, rectificala concentración de K+ en la luz. Cuando falla, ocurrelo que mencionamos anteriormente y no hay unacorrecta reabsorción de sal en ese sector. EL síndro-me de Bartter tipo 3 es causado por la mutación quealtera la proteína del canal iónico de Cl (CLCNKB).Se explica porque en esas mismas células la sal entraa través del cotransportador Na+/K +/2Cl -, el Na+

ingresa al intersticio por la Na+/K + ATPasa y el Cl- ,por el CL CN KB. Si este último no funciona, segenera un aumento de la concentración IC de Cl- quebloquea la función del cotransportador, interfirien-do con la reabsorción neta de sal en ese nivel delnefrón (Gráfico 5).

El síndrome de Bartter tipo IV (602522) se carac-teriza por las mismas alteraciones renalesfenotípicas que los anteriores, pero agrega unadeficiencia auditiva neurosensorial. El gen mutadoes el BSND (por Bartter Syndrome with Sensorineural

* Veáse Glosario


Deafness) que produce normalmente una proteína(se la bautizó bartt ina) que favorece específicamen-te la inserción en la MC basolateral de dos CI delcloro, CIC-Ka y CIC-Kb, pero no forma parte delcanal iónico en sí mismo. Es una proteína de la MCcon dos dominios TM sin función de canal iónico.Se la encuentra en la MC basolateral de los seg-mentos de los túbulos renales que expresan esosdos CIC y en las células marginales de la estríavascular del oído interno, donde están tambiénesos dos CI del cloro. Es la primer proteína descu-bierta con función regulatoria de los CIC.

El síndrome de Gordon (145260) o pseudohi-poaldoteronismo tipo II puede agregarse al grupode enfermedades genéticas renales con HT. Estesíndrome es AR y se presenta con HT, hipercalemiay acidosis tubular. El defecto genético está en losgenes WNK1 y WNK4 (por with No K=lisine) quecodifican una nueva familia de quinasas citoplas-máticas serina-treoninas. El defecto de esta molé-cula está en que en la proteína normal una cisteínareemplaza la l isina y afecta el sitio catalítico deestas enzimas. La WNK4 sólo se expresa en lascélulas renales (en la t ight junctions ), pero la WNK1se encuentra en colon, esófago, glándulas sudorí-paras y en la MC basolateral de los epitelios de loscanalículos biliares, pancreáticos y epidídimo ade-más del riñón. Como estas enzimas (hay 18 genesWNK solamente presentes en los organismosmulticelulares) participan en el flujo de los ionesCl, las mutaciones de estos genes producen enfer-medades “WNK”. Puesto que el flujo de iones Cl esel componente mayor en el defecto de la proteínaCFRT en la enfermedad fibroquística del páncreas,los tejidos afectados son justamente aquellos don-de también se expresa la WNK1. El aumento en lareabsorción de cloro es el resultado de las mutacio-nes en este tipo de quinasas, que desempeñaríanun papel general en la regulación del flujo del iónC l .

Las acuaporinas y sus patologías.Diabetes insípidas

La importancia clínica de la AQP2 se constata envarias patologías de descompensación del balancehídrico. Así, las diabetes insípidas (DI), caracteriza-das por la gran excreción de orina diluida, reconocenel defecto molecular en las vías que controlan laabsorción y la excreción del agua. En las DI, el defectoprimario puede estar: 1) en la hormona misma (mu-taciones del gen prepro-AVP-neurohipofisina II); eneste caso son de origen central (o hipotalámicas); 2)mutaciones en el gen del receptor de la AVP (consti-tuyen el 90% de las DI nefrogénicas y hay unas 80

mutaciones comunicadas), que se encuentra en elcromosoma X: DI nefrogénica ligada al sexo. 3) Mu-taciones en el gen de la AQP2 (hay cuatro mutacionesregistradas en la proteína transductora del circuitoacuoso), representan el 10% de las DI nefrogénicas yson autosómicas recesivas (aunque hay una formaautosómica dominante, donde el alelo normal pro-duce una proteína anómala que cooligomeriza con ladel alelo normal, y no la deja expresar en la MC).Puede inducirse déficit de la AQP2 por tratamientocon litio en los síndromes maniacodepresivos (casi1% de la población la padece), generando poliuria enestos pacientes. Al contrario, puede ocurrir una ex-presión excesiva de AQP2 en los síndromes conretención excesiva de agua (hiponatremia), como enla congestión pulmonar con edema en la insuficien-cia cardíaca crónica, en la cirrosis y en la retenciónpatológica de agua en el embarazo (Gráfico 6).

PARTE C

GLOSARIOOMIM: En este capítulo comenzamos a poner

algunos ejemplos de la numeración de OMIM en lasenfermedades hereditarias. Las que no lo tienen pue-den incentivar al lector interesado en buscarla en esebanco de datos.

El banco de datos de OMIM (por Online MendelianInheritance in Man ) es un catálogo de los genes huma-nos y sus desórdenes gen éticos heredados según lasleyes de Mendel. Es decir que no figuran en estebanco las debidas a mutaciones espont áneas o poraberraciones cromosóm icas. Cuando una enferme-dad va seguida por un nú mero entre par éntesis, esporque hacemos referencia a este banco de datos, quees actual izado constantemente. Cada gen OMIMtiene un nú mero con 6 dígitos d o n d e el primeroindica el modo de transmisión hereditaria. Así, 1----(100000) es autosómica dominante; 2---- (200000)autosómica recesiva; 3---- (300000) l igada alcromosoma X o fenotipos; 4---- (400000) ligada alcromosoma Y o fenotipos; 5---- (500000) ligada algenoma mitocondrial o fenotipo; 6---- (6000000) lociautosóm ico s o fenotipos. Cuando se trata de unavariante alélica (mutaciones), a l número de base se leagrega un punto al final y cuatro dígitos y se comien-za con la enumeración del último; por ejemplo: el gende la Pgy1/MDR tiene nú mero 171050 y la variantealélica responsable de la resistencia a la colchicina esla 171050.0001. Cuando todo el número es precedidopor un asterisco (*) es porque el gen de un locus estáconfirmado en su modo de transmisión y lo diferen-cia de otros genes del mismo locus. Un símbolo #


significa que el fenotipo puede ser causado por lamutación de cualquiera de 2 genes o más .

En www.ncbi.nlm.nih.gov /omim figuran todoslos datos actualizados y los números de cada enfer-medad y sus variantes.

ABREVIATURASA I, A II: angiotensina I, II.ACP: acuaporina.AD: autosómica dominante.ADAM: adhesión a metaloproteinasa.AR: autosómica recesiva.AVP: arginina-vasopresina (HAD).CCMP: conducto colector medular profundo.CFTR: regulador transmembrana de la fibrosis

qu í s t i c a .CI: canal iónico.CIC: canales iónicos del cloro.CINS: canal iónico no selectivo.CLCNKB: canal iónico de Cl (alterado en Síndro-

me de Bartter).CPA: células presentadoras de antígenos.CSO: canales de solutos orgánicos.DBP: proteína que liga la vitamina D.DFP: difusión pasiva.DHP: dihidropir idina.DI: diabetes insípida.EAM: exceso aparente de mineralocorticoides.ECA: convertasa de la angiotensina I.EM: esfingomiel ina.ENaC: canal epitelial de Na.FC: fosfatidilcolina.FE: fosfatidi letanolamina.FI: fosfatidilinositol.FS: fosfatidilserina.FT: factores de transcripción.GEL: glucoesfingolípido.GPI: glucofosfatidil inositol.HGNC: Comité de Nomenclatura del Genoma

Humano .HSD: 11-b‚ hidroxiesteroide-dehidrogenasa.HT: hipertensión arterial .HVA: ídem por alto voltaje.IP3R: receptor del inositol trifosfato.K Ca: canal iónico de K dependiente del CA.Kir: canal de K+ rectificador hacia el interior de la

célula ( i nward l y r e c t i f y i n g ) .Kv: canal de K+ dependiente de voltaje.LDL: lipoproteína de baja densidad.LE: lámina externa.LI: lámina interna.LVA: canales de Ca ++ activados por bajo voltaje.MA: moléculas adhesivas.

MC: membrana celular.ME: matriz extracelular.MIP: proteína intrínseca mayor.MSD: dominio transmembrana.NBD: dominio intracelular que liga nucleótidos.ORCC: canal iónico de Cl rectificador hacia afueraPIP: proteína intrínseca de la membrana plasmática

(AQP vegtal) .PNA: péptido natriurético auricular.PRGF: factor de crecimiento relacionado con el

p l a sminógeno .PT: proteínas de transporte.RCG: receptor de glucocorticoides.RCPG: receptor dependiente de la proteína G .RCT: receptor de linfocitos T.RE: reticuloendotelio.RFC: receptores de factores de crecimiento.RH: receptores hormonales.RiR: receptor de la rianodina.RMNC: receptor de mineralocorticoides.RN: receptor nuclear.RTF: receptor tirosina-fosfatasa.RTK: receptor tirosina-quinasa (insulina).SF: superfamil ia .SI: sistema inmunitario.ST: señal de transmisión.SUR: receptor de la sulfonilurea.TA: tensión arterial.TAL: asa ascendente gruesa de Henle.TCC: túbulo colector cortical.TCD: túbulo contorneado distal.TDL: asa descendente de Henle.TIP: proteína intrínseca del tonoplasto (AQP ve-

geta l ) .TP: túbulo proximal.TU: transportador de urea.VDAC: canal aniónico dependiente de voltaje.VROAC: canal receptor del vainilloide activado

osmóticamente .VSOAC: canal de osmolitos orgánicos/aniones

sensible al volumen.


GRÁFICO 1. Estructura molecular de la lámina interna de la membrana celular

Los principales fosfolípidos de la lámina interna (LI) de la MCse representan con la disposición atómica (fórmula química) con unícono de color característico y que los representará en los esquemasde la MC. Asimismo, en cada fórmula también se señalan losdominios hidrófilos (celestes) y los dominios hidrófobos (rosados).En la representación esquemática de la MC, tanto en la LI como enla LE, la proporción de fosfolípidos, glucolípidos y colesterol sonaproximadamente proporcionales a la realidad, para dar una ideatanto cualitativa como cuantitativa de cada uno de ellos. Así, los

fosfolípidos fosfatidilserina, fosfatidiletanolamina y el fosfa-tidilinositol (éste sólo está en la LI) se encuentran fundamental-mente en la LI, en tanto que la LE tiene glucolípidos, además de lafosfatidilcolina y la esfingomielina; estos dos últimos son los prin-cipales de la LE. Los cinco fosfolípidos representan la mitad de loslípidos de la MC, y la otra lo componen el colesterol (distribuidosuniformemente en ambas láminas, representado en celeste por unapequeña estructura hidrófila) y los glucolípidos.


GRÁFICO 2. Estructura molecular de la lámina externa de la membrana celular

Los constituyentes lipídicos fundamentales de las láminas delas MC animales son los fosfolípidos y el colesterol, organizadosen una doble lámina lipídica hidrófoba (apolar y no iónica) en elinterior (citoplasmático) e hidrófila (polar y iónica) en el exterior(luminal). El modelo biofísico del “mosaico fluido” de las MCacepta que estas láminas, LI y LE, sean siempre asimétricas encuanto a la morfología y la composición de sus moléculas. Ambastienen una faz interna y una externa, y hay un movimiento eintercambio muy lento de los lípidos entre ambas, que contrastacon su rápido movimiento lateral. En efecto, los fosfolípidosrecién formados en el citoplasma se incorporan en el RE, siempreen la LE (citosólica), y gracias a unas enzimas específicas, lasflipasas, pasan a la LI (luminal), todo esto en el RE. La fluidez

lateral de los lípidos es una de las características comunes entre ladiversidad de MC de la naturaleza, que autoriza en el modelo de“mosaico fluido” el movimiento de todos sus componentesproteicos. Los lípidos se mueven lateralmente unas 100 veces másrápido que las proteínas, siendo la difusión de estas últimassuficiente y vital para su accionar fisiológico, ya que muchasmoléculas proteicas, como enzimas, receptores de factores decrecimiento (RFC), receptores hormonales (RH) y receptoresreguladores en general, sólo actúan cuando encuentran sus con-trapartidas homólogas o heterólogas en la MC. Estos reencuentrosy reacciones entre moléculas tan diversas son más rápidos que enel citoplasma (allí las moléculas están más dispersas) y esto sedebe a la fluidez de la MC.


GRÁFICO 3 . Histología molecular de la membrana celular

Los megadominios y micro-dominos están en equilibrio di-námico. Los rafts son conjuntosorganizados de moléculas decolesterol, glucoesfingolípidos(GEL) y proteínas en ambas lá-minas [LE y LI] de la MC que notienen una forma particular almicroscopio óptico ni al elec-trónico. Su tamaño es de 70-300nm y poseen unas 50-70 molé-culas en total. Su distribución esasimétrica y heterogénea entrelas dos láminas. Los rafts tam-bién se llaman DIGs (por deter-gent inso luble g lyco l ip id r i chdomains), puesto que son inso-lubles al disecar las MC condetergentes. Fue así como se ais-laron bioquímicamente. La prin-cipal función de los rafts (lascavéolas son una variación o for-ma particular de rafts) es servircomo plataformas donde se con-centran las moléculas de unadeterminada vía de señaliza-ción. Los rafts no permanecenestacionarios sino que se mue-ven lateralmente como peque-ñas “balsas o islas” entre losmegadominios “oceánicos” delresto de la MC. Los rafts tienenen su LE, además de las molécu-las proteicas de los receptoresdonde comienza una vía de se-ñalización, una concentraciónde proteínas unidas a glucofos-fatidilinositol (GPI) y a su LIsobre todo moléculas de Ras orelacionadas con Ras.

La principal diferencia delas cavéolas con los rafts es suLI, donde se encuentra la pro-teína “caveolina”, y las molécu-las de “señalización”: Src, pro-teínas G, PKC(fosfotirosinaquinasa C) y Rho A (véase glo-sario). Las formas no bicapas(NB) son llamadas así porquelas LE y la LI de este agrupa-miento lipídico tienen fosfolípi-dos con regiones polares ohidrófilas de diferentes tama-ños. En general los fosfolípidoscon pequeñas cabezas polares ycadenas alifáticas cortas se encuentran en el extremo de un conode protrusión, seudópodo o “un dedo de guante”, y producen unafuerza lateral que hace que las láminas externas o internas securven. Al mismo tiempo, alteran la conformación de las proteí-nas que se encuentran en estos dominios. Dos de los más clarosejemplos de estos microdominios se describen en la señalizaciónde los TCR (sinapsis inmunológica) y en la propia sinapsis nervio-sa y neuromuscular.

Finalmente, debemos decir que esta concepción actual de laMC, muestra que los lípidos participan de las vías de señalizacióny adherencia con la matriz extracelular (ME) y con otras células,en interacción con las proteínas. En efecto, los rafts, cavéolas yestructuras NB se identifican como agrupaciones específicas deproteínas y lípidos que participan en las regiones de adherenciacon caderinas e integrinas y señalización de los mensajes extrace-lulares.


GRÁFICO 4. Las proteínas de la membrana celular. Los canales iónicos


GRÁFICO 4. Las proteínas de la membrana celular. Los canalesi ón i c o s

B) Genética y estructura molecular de los CI de Naa) CI de Na+ dependientes del voltaje. Estas glucoproteínas TM

pertenecen, junto con los CI K+V y los CI de Ca++V, a una granfamilia de proteínas de estructura y funciones relacionadas.Las proteínas Na+V están constituidas por una sola proteínacon cuatro grandes subunidades o dominios (I-IV) alfa, simi-lares a las K+V, que tienen 6 bucles (S1-S6) TM cada una. El Sles el bucle o segmento, que tiene el censor del voltaje. Sonproteínas politópicas y de tipo II y todos los dominios sonseguidos por dominios intracelulares. Los dominios extrace-lulares, sobre todo el que liga S5 a S6, están N-glucosilados.En los CI Na+V del cerebro (a lo largo de los axones) hay dossubunidades TM beta 1 y 2, ligadas en forma no covalente ycovalente, respectivamente, a la proteína principal. En lascélulas esqueléticas sólo hay una subunidad beta 1 y no seconoce si la célula cardíaca tiene una.

b) CI de Na dependientes de ligando. Este grupo, el receptor(nicotínico) de la acetilcolina (el más estudiado es el delórgano eléctrico de la anguila Torpedo californica ) , es elprototipo de los CI dependientes de ligandos. Se encuentranen la MC de las células excitables posinápticas (por ejemplo,la célula muscular estriada, aunque también se encuentranen la MC presináptica). Este receptor consiste en cincosubunidades diferentes (2 beta, alfa, gamma y épsilon) queconforman un canal en la MC. Cada subunidad está com-puesta por 4 bucles TM (en su mayoría compuestos dehélices alfa, ver Glosario), con un total de 20 en todo el recep-tor. Son proteínas TM politópicas de tipo I. El modelomuestra que cada uno de los cinco dominios colabora con unbucle TM para formar el poro del canal. Los dominios –sólohay 2– que ligan la acetilcolina estarían en la subunidad alfa(véase Cl de Ca).La SF de los Mec-ENaC, son glucoproteínas (N-glucosiladas)con una estructura diferente a las anteriores, y forman uncanal al reunir cuatro subunidades -2 alfa, 1 beta y 1 gamma-probablemente en forma tetramérica. Esta es la forma másfrecuente, aunque otras asociaciones entre las subunidadespueden constituir canales funcionales. Cada una de ellastiene dos bucles TM, (M1 y M2) y un largo segmentoextracelular. Son proteínas oligotópicas y de tipo II. Tanto eldominio extracelular como el intracelular (los segmentosaminoterminales y carboxiterminales son más pequeños)conservan secuencias homólogas en toda la filogenia de estaSF. Esas regiones sugieren que tienen una participacióndirecta en la especificidad del comportamiento biológico deestos canales. También están muy conservadas las secuen-cias del M2 y un corto segmento extracelular que lo precede,y, en menor medida, la del M1. Numerosas evidenciasindican que los dominios extracelulares e intracelularescumplen funciones de regulación, como detección de laconcentración de Na+ en la luz (“sensor del Na”) o en elcitoplasma. A esta SF pertenecen las proteínas mecanosen-sitivas y degenerinas (mec-4, mec10, deg-1 respectivamen-te), cuyos genes fueron descubiertos primero en el C. elegans,como el gen de la unc-105, cuyo homólogo se expresa en elmúsculo estriado. La búsqueda de proteínas homólogashizo que se descubrieran en el cerebro humano las BNaC1-BNaC2 (por brain Na channel), las ASIC (por acid-sensing-ionchannel) y DRASIC (por dorsal root acid-sensing-ion channel ).Las proteínas ASIC y DRASIC son dependientes del H+, seencuentran en las células nocisensitivas y se abren duranteel proceso de acidificación que produce el dolor en el medio

extracelular. Así serían los canales iónicos de tipo ASIC enlas células gustativas de la lengua, donde son sensores en latransducción del gusto agrio y ácido. Finalmente, menoshomóloga en sus estructuras moleculares, pero de la mismaSF, es la FaNaCh, un canal dependiente de los péptidos. Enefecto, el péptido, Phe-Met-Arg-Phe-NH2 (FMRFamida),descubierto primero en los moluscos, es el ligando de estasproteínas, con complejas y variadas funciones en el músculocardíaco, el cerebro y el tracto gastrointestinal de losvertebrados. Sería un antagonista opioideo endógeno.

C) Genética y estructura molecular de los canales iónicosde calcio

a) Los VDCC, como otros CI dependientes del voltaje, tienendiferentes subunidades transcriptas por distintos genes y asu vez, pueden tener cortes y empalmes (splicing) alternati-vos, generando diferentes proteínas a partir del mismo gen.Tienen cinco subunidades diferentes: alfa 1, alfa 2, beta,gamma y delta. La subunidad gamma sólo se encuentra enlos VDCC del músculo esquelético. Las subunidades alfa 2y delta forman un solo componente molecular (están ligadascovalentemente por puentes disulfuro). Los VDCC del cere-bro tienen las subunidades alfa 1, alfa 2, delta y beta. Lasubunidad alfa 1, es la que forma el poro y es codificada porsiete genes: A, B, C, D, E, G y S. Este último codifica lasubunidad alfa 1 del músculo estriado. Los seis genes res-tantes pueden producir alternativamente hasta 18 proteínasdistintas de alfa 1 en el cerebro. La subunidad beta, ubicadaen el citoplasma, regula la inactivación del canal. Es produ-cida por cuatro genes: 1, 2, 3 y 4, que, por el proceso de cortey empalme, producen ocho productos beta diferentes. Lassubunidades alfa 2 y delta podrían ser productos de unmismo gen, que además, tiene cambios postranscripcionalesy participarían en la regulación de la secreción. Estos múl-tiples productos proteicos, forman y explican las decenas deVDCC, al combinarse entre ellos.Aun cuando hasta el presente ningún VDCC ha sido cris-talizado, la estructura hipotética está también constituidapor cuatro dominios, como los VDNaC y VDKC, con unasola proteína alfa 1 y con 6 bucles TM cada uno. Las proteí-nas gamma y alfa-delta tienen 4 y 3 bucles TM respectiva-mente y no se ligan covalentemente con la alfa 1. La beta esenteramente IC.

b) Los CI RiR, son homotetrámeros IC compuestos porsubunidades topológicamente similares; en la región COOH-terminal, en el lado citoplasmático, tienen un dominio alta-mente conservado que forma el poro para el Ca++. No seconoce con exactitud la región de unión a la rianodina (es unalcaloide vegetal de la Ryania speciosa, que tiene alta afini-dad por el receptor). La porción NH

2 terminal es muy larga

(foot region). También se encuentran del lado citoplasmáticoy forma una especie de hoja de trebol. Según este modelo, laregión tendría de 4 a 10 bucles TM por subunidad, o sea, 16o 40 por tetrámero de RyR.

D) Genética y molecular estructura de los CI de Ka) Los CI de K dependientes del voltaje son proteínas TM

compuestas de subunidades alfa, bucles que forman el porodel canal, asociados algunas veces a subunidades beta cito-plasmáticas. Este grupo está compuesto por dos grandessuperfamilias (SF de genes-proteínas): la Kv (por K voltage-activated) y la Kir (por K inwardly, rectifying). La SF Kv estáconstituida (hasta ahora) por nueve subfamilias, Kv1- Kv9.Cuando se indica un segundo número, este indica el canalespecífico de esa subfamilia, por ej. Kv1.1 a Kv1.12. Cada


subunidad alfa contiene seis segmentos hidrofóbicos S1-S6-que atraviesan la MC en 6 bucles de hélices alfa. Entre losbucles S5-S6 existe el dominio H5 o P, que forma parte delporo; el bucle S4 es el dominio del sensor del voltaje. Lassubunidades alfa pueden formar heterocomplejos proteicoscon subunidades de dist intos miembros de la mismasubfamilia y no con otra. Todavía no se ha cristalizado nin-gún canal de esta SF, pero las modelizaciones muestran queestá formado por un tetrámero de cuatro subunidades alfa.La SF de Kir, que incluye fundamentalmente los CI desecreción de K en los túbulos distales del nefrón, (véase másadelante), tiene como característica biológica su escasa de-pendencia del voltaje, lo que facilita el movimiento del K+

hacia el interior de la célula más que hacia el exterior. Estetransporte preferencial en un sentido se denomina rectifica-ción. La SF de Kir está constituida por siete subfamilias, -Kir1,0 –Kir 7,0- que siguen la misma nomenclatura que la SF deKv. La diferencia estructural con esta última es que lasproteínas Kir, tienen subunidades alfa de solamente 2 bu-cles transmembranarios (llamados M1 y M2) y carecen deun dominio sensor del voltaje, como el S4 de las Kv. Laprimera estructura cristalizada de una proteína con dosbucles TM es la del ROMK.

b) Los CI de K dependientes del calcio (KCa), codificados porlos genes Slo (por slow-poke, de la Drosofila) y su equivalentehumano, el hbr1, que genera la proteína BK (big conductance)en las células ciliadas del oído interno conservan muchas delas características estructurales de los CI dependientes delvoltaje. En efecto, el gen codifica una proteína con 7 buclesTM, con regiones de homología –sobre todo los buclesequivalentes a S4–, y la región H5 de los CI dependientes delvoltaje. Esto ubica las proteínas KCa, en la SF de los CI delK+, del Na+ y del Ca++ dependientes del voltaje y los CIdependientes segundo mensajero.

c) La estructura genética molecular de los CI K dependientesdel ligando es la de los receptores de la acetilcolina (ligando).

d) Los CI K (ATP) desempeñan un papel muy importante enmuchas funciones celulares al acoplar la energía del meta-bolismo celular a la energía eléctrica de la célula. Primerofueron descubiertos en los miocitos cardíacos y luego, enmuchos otros tejidos, incluidas las células beta del páncreas(donde determinan la secreción de insulina), las célulasmusculares lisas y estriadas, las células renales y la mito-condria. Su estructura molecular es un heteromultímero dedos proteínas de orígenes completamente diferentes. Sondos tetrámeros: uno, de una subfamilia de la SF de las Kir,la Kir 6.0, y otro, de receptores de la sulfonilurea (RSU), quepertenecen a la gran SF de las proteínas ABC. Ya conocemosla estructura de la proteína Kir, en tanto que el RSU es unaproteína politópica TM de 13 pasajes y de tipo I, con eldominio de unión al ATP intracelular. Los tetrámeros deambas proteínas forman dos círculos concéntricos, donde elinterior está formado por las cuatro subunidades Kir y elcírculo exterior, por cuatro subunidades de RSU.

e) Los CI K dependientes de la estimulación por estiramiento,tienen mayor importancia en la regulación del volumen celular.

E) Genética y estructura molecular de los canales iónicos de Cla) Los diferentes miembros de la familia CIC se clasifican en

tres subfamilias, en función de sus homologías y el grado dedivergencia evolutiva de los genes que las producen. (Estees, en general, el criterio que se adopta para clasificar todaslas SF, familias y subfamilias de proteínas). Una primerasubfamilia está formada por CIC-1, CIC-2, CIC-Ka y el CIC-Kb. La segunda está constituida por CIC-3, CIC-4 y el CIC-5, con 80% de homología a nivel proteico con la primera. Latercera está formada por los CIC-6 y CIC-7. Todavía no hayacuerdo sobre un modelo definitivo de estas proteínas TM.Se acepta que los CIC son dímeros, cada una de cuyas dossubunidades forma un canal, haciendo una suerte de estruc-tura llamada en “canal doble”. Cada subunidad está com-puesta por 13 regiones hidrofóbicas (D1-D13), pero sólo 11de ellas son bucles de alfa hélices TM. El segmento D4estaría en el lado exterior y el D13 seria intracelular. Lasubunidad, es una proteína politópica de tipo II.

b) Los receptores del GABA y la glicina son muy similares y deigual constitución –con 5 subunidades con fuerte homologíaentre ellas– que el receptor de la acetilcolina. A diferencia deeste último, son proteínas politópicas, pero las extremida-des amino (NH

2) y carboxi (COOH) se encuentran del lado

extracelular. Se encuentran sobre todo en la MC posináptica,aunque también en las MC presinápticas.

c) La CFTR es un miembro del dominio fijador de ATP, de la SFde las proteínas transportadoras ABC. Está presente endiferentes fenotipos, como el epitelio respiratorio e intesti-nal , conductos bi l iares, ácinos del páncreas, epitel iosgenitales masculino y femenino, glándulas salivales y sudo-r íparas .A pesar de tener la estructura molecular de este tipo deproteínas, tiene también la característica de comportarsefuncionalmente como un canal iónico de cloro. Es la únicaproteína de esta SF con estas características. Al igual queotros miembros de esta SF, como la mdr-1 y RSU, tambiénpuede regular otras proteínas. En el caso de la CFTR, sonvarias las funciones que ejerce sobre otras proteínas: 1) El CIdel cloro (ORCC, por outwardly rectifying chloride channel ,cuyo gen produce una proteína de estructura aún desco-no cida) es activado positivamente, generando secreción deCl-. 2) Regula negativamente la absorción de Na+ del ENaC.3) Regula la acidificación de organelas, como las vesículasdel apartado de Golgi. 4) Regula el tráfico de esas vesículas.5) Regula los canales de K de la subfamilia Kir, como elROMK en la MC basolateral. 6) Secreta también el ATP fuerade la célula estimulando una molécula TM transportadorade ATP.Ubicada predominantemente en la MC apical, la CFTR estácompuesta por cinco dominios: 2 dominios TM (MSD, pormembrane spannig domain), cada uno compuesto de 6 bucles(llamados M1 a M12), 2 dominios (NBD) intracelulares queligan nucleótidos y un dominio regulatorio (R), tambiénintracelular. Los MSD, especialmente los segmentos M5 yM6, forman el poro del canal, los NBD hidrolizan el ATP queregula la apertura (“gating”) del canal, y la fosforilación deldominio R, la actividad global de la CFRT.


GRÁFICO 5 . Patologías de los canales iónicos. Nefrología molecular


GRÁFICO 6 . Patologías de los canales iónicos. Nefrología molecular


GRÁFICO 5 . Patologías de los canales iónicos. Nefrologíamo l e c u l a r

En este Gráfico los nombres de la enfermedades (en rojo)tienen en común la HT y las escritas en azul, hipertensión.Siempre mostramos las funciones normales de las proteínasque figuran y las patologías con deficiencia o aumento en sufunción explicadas en el texto. 1) Proyección de las células delTCD y el cotransportador Na+/Cl- que, cuando no funciona,produce e l s índrome de Gite lman. 2) La producción dealdosterona y de cortisol por la glándula suprarrenal. Todoslos símbolos están nominados en el mismo Gráfico. 3) Esquemadel nefrón con sus principales fragmentos que participan en lareabsorción de sal. 4) Proyección de las células del TCC, dondeun defecto en los endosomas con clatrina aumenta el número yla persistencia de los canales ENaC. El síndrome de Liddle segenera por un “aumento de la función” de ese canal. 5) Aquífigura la estructura del ENaC y los nombres de las patologíasque estimulan anormalmente el RMNC (como el cortisol notransformado en cortisona, como ocurre normalmente), losdefectos en más o en menos de la secreción de aldosterona o eldefecto por mutación del RMNC. 6) Los síndromes de Barttery los respectivos canales afectados en cada tipo.

GRÁFICO 6 . Patologías de los canales iónicos. Nefrologíamo l e c u l a r

A ) Desde la secreción de la arginina vasopresina (AVP) –despuésde la sensibilización de los osmorreceptores y barroreceptoresdel hipotálamo- por la neurohipófisis hasta la estimulación desu receptor en las células renales del túbulo colector se hangraficado partiendo desde la izquierda. Mostramos tambiénla primeras etapas de la vía de estimulación de ese RCPG.Luego de recibir su ligando [la AVP (primer mensajero)], laproteína G se disocia y su fracción α estimula a la adenilciclasa(la que tiene dos grandes segmentos de 6 dominios TM) quegenerará el cAMP, que a su vez estimulará a la PKA (porprotein kinase A) (no mostrada en la figura). Esta seguiráestimulando la vía que lleva al gen de las acuaporinas 2 y haráaumentar su ciclo de expresión (exocitosis) y reabsorción(endocitosis) en la MC. También se ven las acuaporinas 3 y 4en la parte basolateral de la MC de la célula epitelial renal.Estas serían constitucionales y no necesitarían de la acción dela neurofisina. La alteración de algunas de esas proteínas es lacausa de las diabetes insípidas hipofisarias y nefrogénicasexplicadas en el texto.

B) Los complejos homotetraméricos de las acuaporinas en laMC. La AQP1 fue cristalizada en parte, pero su estructurareal se conoció con la criomicroscopia electrónica. Todas lasotras acuaporinas tienen similares estructuras tridimensio-nales. Este es el de un tetrámero y cada subunidad estácompuesta por 6 bucles TM y dos ansas (loops) B en elcitoplasma, entre los bucles TM 2 y 3. El ansa E, extracelular,se encuentra entre los bucles TM 5 y 6. Los dominos B(hemiporo-1) y E (hemiporo-2) portan los aminoácidos Asn-Pro-Ala, (NPA). Estos dominios NPA forma cuatro porosindependientes (el “hourglass”) dentro del tetrámero.La distribución tisular es la siguiente:Grupo a) La AQP1 está en el epitelio renal en la MC apical

(ribete en cepillo) y basolateral. Ella sola, debido al gran númerode moléculas, podría reabsorber los 150 litros de agua que losglomérulos filtran diariamente. Se la encuentra también en losendotelios capilares peribronquiales, en el plexo coroideo, en

varios tejidos del ojo y en el epitelio hepatobiliar. Aunque laAQP1 parecería ser esencial, existen seres humanos que carecende expresión de esta proteína, son las personas que no tienen elgrupo sanguíneo menor Co (por Colton) –que en realidad esparte de la proteína AQP1– y que, sorprendentemente, no pre-sentan fenotipo alguno de enfermedad. Los ratones KO toleranel defecto hasta que están privados de agua, cuando sedescompensan. La AQP2, que es regulada por la vasopresina, seexpresa sólo en las células principales del conducto colector dela médula interna (IMCD, por inner medule collecting duct). LaAQP2 no se encuentra constitutivamente sobre la MC apical,sino que su expresión es regulada por la vasopresina, que através de su receptor en la MC basolateral, induce al cAMP, yéste induce al gen de la AQP2. Los tetrámeros que se forman enel borde citoplasmático de la MC (vesículas de exocitosis) sefusionan en la MC mientras están estimuladas. Cuando desapa-rece el estímulo vuelven al citoplasma por un mecanismo deendocitosis, donde son probablemente degradadas en losproteosomas (shuttle). En la evolución, el riñón alcanzó másprecozmente el perfeccionamiento actual que el sistema nervio-so. Este último utiliza vesículas presinápticas para transmitir lainformación entre las células excitables, que se fusionan delmismo modo con la MC del pie del axón para ser excretadas. Esmás, una serie de proteínas que participan en la exocitosispresináptica, están presentes en las células renales.

Las AQP0 y 6 presentan como particularidad una per-meabilidad por el agua de un orden de magnitud más bajo quela AQP1. La AQP0 se expresa exclusivamente en las fibras delos ligamentos del cristalino, donde desempeña un papel en lacirculación del agua. Un defecto congénito autosómico domi-nante de su gen, en los ratones, causa el fenotipo del “cat mice”,cuya característica son las cataratas congénitas. La AQP6 seexpresa en las células intercalares del túbulo colector delnefrón, en las MC de vesículas de IC. La AQP4 predomina enlos tejidos del cerebro, donde se expresa en la MC de losastrocitos que está en contacto con los endotelios vasculares.Desempeñaría un papel mayor en el transporte del agua en eledema cerebral. También está presente en las células glialesque se encuentran en contacto con las neuronas neurosecretoriasde la vasopresina, donde funcionaría como un osmorreceptor.A diferencia de las otras acuaporinas, no es sensible al mercu-rio. La AQP5 se encontró primero en las células secretorias delas glándulas salivales; también se encuentra en las glándulaslagrimales y en los neumocitos alveolares de tipo 1 (que deri-van de las células del epitelio tipo 2 que secretan los surfactantes,pero que carecen de AQP5). Esta ubicación hace pensar quedesempeña un papel en la secreción de saliva, lágrimas y en lahumidificación del aire alveolar. La AQP8 está presente en eltestículo, colon, páncreas, hígado y en otros tejidos, y todavíase sabe poco sobre su papel funcional.

Grupo b) Las acuagliceroporinas son multifuncionales,permeables al agua, glicerol y otras moléculas como la urea. LaAQP3, como las otras de este subgrupo, tiene diferenciasestructurales, con un motivo GLYY (Gli, Leu, Tir, Tir) en elansa C y un motivo aspartato NPARD (Asn, Pro, Ala, Arg, Asp)cerca del segundo dominio NPA, que hacen a la diferencia demoléculas que dejan pasar. Aunque la actividad funcional dela AQP3 no se conoce totalmente, su expresión en la MCbasolateral del epitelio del tubo colector la ubican en el circuitoacuoso, regulado por la AVP. Muchos otros fenotipos celularesla expresan en menor cantidad, especialmente en el epitelionasofaríngeo, donde se sospecha su papel en las secreciones dela mucosa, como en las rinitis alérgicas. Su presencia en la MCdel glóbulo rojo puede facilitar el uso del glicerol para lacriopreservación de los hematíes. La AQP7 está presente en la


MC del esperma (donde el glicerol sirve para criopreservalos),y en los adipocitos, donde sugiere exportación del gliceroldurante la lipólisis. Una forma alternativa de ésta, es la AQP7L(así llamada por ahora por el HGNC). La AQP9 fue encontradaen los leucocitos, donde permite el pasaje del agua y de la urea,pero no del glicerol. No se conoce demasiado sobre su papelfuncional real.

Los órganos como el riñón, vías aéreas, ojos y cerebro,tienen tejidos con diferentes y complejas expresiones de lasacuaporinas. Muchos datos indican que esos complejos funcio-nan con las mismas vías acuosas. Finalmente, presentes entodo el reino viviente, podemos mencionar las acuaporinasvegetales, las dos principales: PIP (por plasma membrane intrinsicprotein) en la MC, donde regula la absorción y la excreción delagua y las TIP (por tonoplast intrinsic protein) ubicadas en lasvacuolas , regulan la turgencia ce lu lar . Estudiadas en laArabidosis thaliana (donde se describieron mas de 23 AQPs) unade ellas, la gamma TIP, es la primera AQP introducida en la MC

del oocito del Xenopus, donde se reveló la homóloga de laAQP1 animal). Los dos subgrupos de AQP, están presentes entodas las bacterias, tanto eurobacterias como arqueobacterias.

Ultaestructura del transportador de la urea (TU que no es unCI) con 10 dominios TM. Se encuentra en la rama delgadadescendente del asa de Henle y en el TCC. Hay un solo gen concortes y empalmes alternativos que induce la síntesis de dosUT1 y UT2. Este gen también es estimulado por la secreción deAVP. Junto con la reabsorción de Na y agua, la reabsorción deurea constituye el mecanismo fundamental de la concentra-ción de orina.C) Los CI de K son heterocomplejos de proteínas (subunidades

α y β) . A pesar de que se conocen hasta ahora unos 60 genesdiferentes de subunidades α y β sólo forman tres subfamiliasestructurales diferentes: Shaker, Kir y TWIK. En el Gráficoponemos, a la derecha de cada proteína las subunidadesque facilitan su expresión en la MC o modifican las propie-dades biofísicas y farmacológicas de los CI de K.

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