Canales de sodio, Potasio y Calcio
Los impulsos nerviosos consisten en una onda de despolarización/repolarización transitoria de la membrana que atraviesa la célula nerviosa y se designa como un potencial de acción. Como vimos en el Capítulo 9, Canales y bombas de Sodio y Potasio, Alan Hodgkin y Andrew Huxley demostraron en 1952 que un microelectrodo implantado en el axón gigante (el largo proceso que emana del cuerpo de una célula nerviosa) del calamar,3 puede registrar tal potencial de acción (Hodgkin y Huxley, 1952, Fig. 9.1). En el umbral de excitación, los canales Na+ comienzan a abrirse, seguidos de la apertura posterior de los canales K+. Cuando entran iones Na+, los iones K + salen de la célula. El resultado es que en los primeros ~0,5 ms, el potencial de membrana aumenta del potencial de reposo de alrededor de -60 mV a aproximadamente +30 mV. Los canales de Na+ ahora se vuelven refractarios, y no entra más Na+ en la célula, mientras que K + continúa abandonando la célula, causando una repolarización rápida, lo que permite que el potencial de membrana supere el potencial de reposo (hiperpolarización) antes de recuperarse a su valor inicial. Los canales iónicos de Na+ y K + controlados por voltaje a través de las membranas axonales crean los potenciales de acción (gradientes esencialmente electroquímicos) que permiten la transferencia de información y también regulan la función celular.
Las neuronas de mamíferos expresan un gran repertorio de canales iónicos dependientes de voltaje (VDIC), que muestran una riqueza de comportamientos de disparo en una amplia gama de estímulos y frecuencias de disparo, asegurando así las propiedades eléctricas intrínsecas y el procesamiento y transmisión rápidos de señales sinápticas en neuronas de mamíferos. La mayoría de los VDICS son selectivos para iones Na+, K+ y Ca2+, y están ubicados en sitios específicos en el cuerpo celular neuronal, dendritas y axones. La colocación selectiva de tipos específicos de VDIC en ubicaciones precisas en neuronas de mamíferos, y su regulación dinámica a través de vías de señalización locales, permite la complejidad de la función neuronal que subyace a la función cerebral.
Los VDIC de potasio de mamíferos (canales Kv) consisten en conjuntos tetraméricos de seis subunidades α transmembrana, cada una asociada con una subunidad β auxiliar. El genoma humano contiene un total de 40 genes que codifican subunidades α del canal Kv de potasio. Algunos de estos genes generan mensajes que están sujetos a empalmes alternativos. En el cerebro de los mamíferos, la expresión de muchas de estas subunidades α del canal Kv está restringida a las neuronas, aunque las células gliales pueden expresar un subconjunto del repertorio neuronal. Los canales Kv tienen entre los más diversos patrones de segregación subcelular. Los canales Kv1 se localizan predominantemente en axones. Los canales Kv1 se encuentran predominantemente en axones y terminales nerviosas, los canales Kv2 en los cuerpos celulares y dendritas, los canales Kv3 en los dominios dendríticos o axonales, dependiendo de la subunidad y el tipo de célula, y los canales Kv4 se concentran en las membranas dendríticas del cuerpo celular.
Como vimos en el Capítulo 9, Canales y Bombas de Sodio y Potasio, los canales de sodio (canales Nav) consisten en una subunidad α formadora de poros, que es suficiente para la expresión funcional, asociada con subunidades β auxiliares que modifican tanto la cinética como la dependencia de voltaje de la compuerta del canal del canal. Se conocen nueve isoformas del canal Nav de mamíferos, de las cuales Nav1.1 y Nav1.3 están localizadas predominantemente en cuerpos celulares neuronales y dendritas proximales, donde controlan la excitabilidad neuronal estableciendo el umbral para la iniciación y propagación del potencial de acción a los compartimentos dendrítico y axonal. Nav1. 2 se expresa predominantemente en axones no mielinados, donde conduce potenciales de acción. Nav1. 6 se encuentra prominentemente en los nodos de Ranvier, donde propaga potenciales de acción, y en los segmentos iniciales de axones, donde se inician los potenciales de acción. La modulación de las corrientes Nav1 es sin duda importante in vivo, y las mutaciones que alteran sutilmente la función del canal Nav1 pueden conducir a enfermedades humanas de hiperexcitabilidad, como la epilepsia.
Los canales de calcio (canales Cav) median el flujo de calcio en las células neuronales en respuesta a la despolarización de la membrana, mediando una amplia gama de procesos intracelulares, como la activación de enzimas dependientes del calcio, la transcripción de genes y la exocitosis / secreción de neurotransmisores. Su actividad es un requisito esencial para el acoplamiento de señales eléctricas en la membrana plasmática neuronal a eventos fisiológicos dentro de las células. La caracterización bioquímica de los canales cerebrales nativos de Cav reveló que, además de la gran subunidad principal α1, también hay numerosas subunidades auxiliares. La subunidad α1 es la subunidad más grande y principal, que contiene el poro de conducción iónica, el sensor de tensión de membrana y el aparato de compuerta. Se han identificado y caracterizado varias subunidades α1 diferentes en el sistema nervioso de los mamíferos, cada una con funciones fisiológicas específicas y propiedades electrofisiológicas y farmacológicas.