Clase 1: poros y canales (porins & channels)

 

 

La característica fundamental de este grupo es que NO se requiere un cambio conformacional de las proteínas para que se efectúe el transporte. Las proteínas crean un conducto hidrofílico que atraviesa la membrana, conducto que puede ser atravesado por solutos polares o iónicos. Estas proteínas pueden cambiar de conformación y abrirse o cerrarse, pero una vez abiertos los solutos transportados atraviesan el canal por un proceso de difusión, como si estuviesen libres en disolución. 

    El grado de selectividad de estas moléculas es muy variable: hay poros que pueden ser muy poco selectivos, permitiendo el paso de cualquier soluto suficientemente pequeño para atravesar su interior, mientras que en otros casos permiten el paso sólo de un soluto determinado. La diferencia entre poros y canales es, en mi opinión, mas semántica que real, y obedece a razones fundamentalmente históricas.

    En general se denominan canales a las proteínas selectivas para iones inorgánicos sometidas a un mecanismo de control en su apertura y cierre (canal de sodio, canal de cloruro), y poros a las restantes. De hecho, en la clasificación que estamos comentando no se consideran los poros y los canales como entidades diferentes entre sí. Evidentemente, cualquier proteína que permita el libre movimiento de iones  requiere un mecanismo estricto para el control de su cierre y apertura, ya que si no se disiparían rápidamente los gradientes electroquímicos (de sodio, de hidrogeniones) y el potencial de membrana. 

 

Bioenergética del transporte mediado por Poros y Canales

El transporte realizado por poros y canales es siempre a favor del potencial electroquímico del soluto transportado, dado que no disponen de un mecanismo de acoplamiento entre el transporte y una fuente externa de energía que permita realizar transporte endergónico. Por consiguiente, llevan a cabo exclusivamente procesos de Difusión facilitada. Generalmente esto significa que los solutos se pueden mover en ambos sentidos con igual facilidad, siempre a favor de su potencial, si el canal se encuentra abierto. Sin embargo, hay un tipo conocido como canales rectificadores que son puertas de dirección única. Es decir, que solo permiten el movimiento del soluto –siempre a favor de su potencial electroquímico- en un sentido y no en el otro, aunque se encuentren abiertos. Se les denomina rectificadores, por analogía a los diodos rectificadores en electrónica, que permite el paso de los electrones en un sentido y no en el otro.

    Se han descrito un número muy elevado de estas moléculas. Las tres subclases más importantes dentro de esta categoría, que se diferencian por la estructura del dominio transmembrana, son las siguientes:

1.A Haz de hélices a

1.B  Barril b.

1.C  Toxinas formadoras de poros

 

Algunos ejemplos de poros y canales

Subclase 1.A: dominio transmembrana formado por hélices a.

46 familias descritas.

En algunos casos el canal atravesado por los solutos está formado por una única proteína, como en las acuaporinas 8 * . En otros casos, el canal se forma por la asociación de varias  subunidades, como en el canal de potasio de Streptomyces 8 *.  

 

 1.A.1. Canales para cationes controlados por el voltaje. Por ejemplo, el canal de sodio controlado por voltaje de los axones neuronales. Tiene estructura a, b1 y b2. En reposo se encuentra cerrado, y se abre durante 1 milisegundo aproximadamente  cuando el potencial de membrana baja de –60 a –40 mV, permitiendo el paso de unos 6.000 iones Na+ durante ese periodo de tiempo.

1.A.2 Canales rectificadores para potasio. Como pasa en todos los canales, el soluto, en este caso el ión K+, se mueve siempre a favor de su potencial electroquímico. Los canales rectificadores de potasio presentes en las membranas plasmáticas de las células animales tienen la peculiaridad de que permiten la entrada de potasio a la célula, pero, aunque estén abiertos y el potencial electroquímico del potasio favorezca su salida, no permiten la salida de dicho ión. 

esquema

1.A.6 Canales de sodio de animales no regulados por voltaje. Algunos actúan como mecanoreceptores, interviniendo en el sentido del tacto. Otros son sensores de pH;  los  receptores linguales del gusto ácido pertenecen a este último tipo. Otro grupo de canales mecanosensitivos intervienen en la audición.

1.A.9 Canales para cationes o aniones, controlados por ligandos. Por ejemplo, el canal de cationes regulado por acetilcolina de la sinapsis neuromuscular. Tiene una estructura a2b2gd, con un canal interno de 2,5 a 3 nm de diámetro. Normalmente se encuentra cerrado, y se abre cuando se unen dos moléculas de acetilcolina en dos sitios específicos del canal, situados en la cara externa de la membrana de la célula muscular. Permite el paso bidireccional de K+ y Na+ a un ritmo de unos 40.000 iones por milisegundo.  Permanece abierto mientras tenga unida la acetilcolina. Es un ejemplo de proteína alostérica: la unión del ligando en un sitio induce un cambio conformacional en otro lugar de la proteína, en este caso el dominio transmembrana. Un esquema sencillo del funcionamiento de este tipo de canales se presenta aquí:

 

1.A.8 Acuaporinas, transportadores de glicerol  y moléculas relacionadas. Las acuaporinas son proteínas de carácter universal, que no parecen estar sometidas a regulación. Son las proteínas responsables del movimiento de las moléculas de agua a través de las membranas. Tienen una función más compleja de lo que pueda aparecer a primera vista, porque deben dejar pasar libremente al agua, pero no a los iones hidroxilo e hidronio (el "protón") para evitar que se disipe el potencial de membrana.   

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8 * 

 

1.A.24 Conexinas de células animales, que forman los complejos de unión (“Gap junctions” entre células vecinas. No son selectivos, y permiten el paso de cualquier molécula de hasta 1500 D, cuando están abiertos. Se cierran cuando aumenta la concentración de Ca++ intracelular desde 10-7  hasta 10-5 M.

 

Subclase 1.B Dominio transmembrana formado por un barril b

Hay descritas 35 familias

1.B.1   Porinas bacterianas de diversa especificidad, como es el caso de OmpFde E. coli y otros transportadores de la membrana externa de las bacterias Gram-  Tienen interés porque fueron las primeras proteínas integrales de membrana conocidas cuyo dominio transmembrana es un barril b. Muchas tienen estructura trimérica, pero, a diferencia de lo que se había supuesto inicialmente, cada subunidad forma un canal independiente.  

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8 **

 

1.B.8 Proteína VDAC (Voltaje Dependent Anion Channel) de la membrana mitocondrial externa de S. cerevisiae. Hay otras similares en mitocondrias de mamíferos y en plastos.

 

Subclase 1.C Toxinas formadoras de poros.

Estas toxinas son proteínas secretadas por una célula que forman poros en la membrana de células blanco, a las que matan al permitir el movimiento descontrolado de solutos a través de su membrana plasmática. Muchas de estas proteínas tienen una gran importancia como mecanismo de defensa del organismo;  por ejemplo, 1.C.40, las conocidas como BPIP (Bactericidal Permeability Increase Proteins). Las producen los leucocitos neutrófilos. Otro ejemplo, 1.C.39, es la proteína C9 del complemento, que mata bacterias mediante la creación de poros inespecíficos en la membrana tras su activación. Otras proteínas o péptidos bactericidas son las colicinas producidas por enterobacterias (clase 1.C.1), las magaininas de anfibios (1.C.16), la melitina del veneno de las abejas  o las defensinas  de mamíferos. En contrapartida, muchas toxinas bacterianas actúan formando también poros en la membrana de células eucariotas, a las que matan. Por ejemplo, las hemolisinas o las aerolisinas.

De interés entre las toxinas formadoras de poros es también el grupo 1.C.2, las ICP o Insecticidal cristal protein. Producidas por diferentes estirpes Bacillus thuringiensis,  forman poros inespecíficos tras su activación por proteolisis. Hay muchos tipos, específicos cada uno de ellos para diferentes tipos de insectos, y se usan como bioinsecticidas. Algunos genes de estas ICP se han usado para construir plantas transgénicas resistentes a insectos.

La subclase 1.D comprende moléculas no sintetizadas en los ribosomas. La gramicidina es el ejemplo más conocido.