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Canalopatías. Canales iónicos cardiacos  
     
 
 

La rápida despolarización (fase 0) de los potenciales de acción de las células musculares auriculares y ventriculares y del sistema His-Purkinje es debida a la entrada de Na+ a través de canales activados por cambios de voltaje que generan la corriente INa. Esta corriente determina la excitabilidad y la velocidad de conducción de los PA a través de las aurículas y los ventrículos (George 2005). Los canales de Na+ dependientes de voltaje son el receptor de los anestésicos locales y de los fármacos antiarrítmicos del grupo I.

1. Estructura

Los canales de Na+ voltaje-dependientes están compuestos por una Subunidad α (Nav1.5, 260 kDa) codificada por el gen SCN5A y una o más subunidades ß (Navß1.1, Navß1.1a, Navß3.1; 33-36 kDa) codificadas por los genes SCN1B, SCN2B y SCN3B, respectivamente (Goldin y cols., 2002; Morgan y cols., 2000). La mayoría de los canales de Na+ cardíacos son resistentes (K D, 2- 6 M) tetrodotoxina (TTX), pero también se ha demostrado la expresión de otras subunidades a neuronales (Nav1.1, Nav1.3 y Nav1.6) sensibles a la tetrodotoxina (K D = 1-10 nM) en el miocardio cuya función aún no está del todo clara (Nerbonne y Kass, 2005), aunque p odrían jugar un papel en la actividad marcapaso del NSA (Lei et al., 2007). La localización subcelular de la Subunidad α a nivel de los discos intercalares confirman su importante papel en la regulación de la conducción cardiaca (Kucera y Rudy, 2002).

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Figura. Topología de la subunidad alfa del canal de sodio cardiaco. Se observa que consta de 4 dominios (DI-DIV), cada uno constituido por 6 segmentos transmembrana (S1-S6). FS: filtro de selectividad. TT: sitio de unión para la tetrodotoxina. V: sensor de voltaje.

 

2. La subunidad α

Es un complejo de heteromultimérico proteico integral que consta de cuatro dominios homólogos (D1-D4), cada uno de los cuales contiene seis segmentos a-hélice transmembrana (S1-S6, de 19 a 27 aminoácidos). Los extremos C-y N-termINaL y los lazos de unión de los dominios entre sí son intracitoplasmáticos. Los segmentos S5-S6 y el lazo P de cada dominio forman el poro del canal que penetra en el interior de la membrana y contiene el filtro de selectividad del mismo (Yamagishi et al, 2001; George, 2005; Yu y Catterall, 2003). La mayor parte de los residuos que forman los segmentos S5 y S6 son hidrófobos, mientras que en los S1-S3 hay pocos residuos cargados (20 cargas negativas). Sin embargo, en el segmento S4 uno de cada tres residuos está cargado (arginina o lisina: 4 en DIS4, 5 en DIIS4 y DIIIS4 y 8 en el DIVS4). Por tanto, el segmento S4, que funciona como sensor de voltaje (Stühmer et al, 1989; George, 2005; Yu y Catterall, 2003). Durante la despolarización alrededor de 12 de las 22 cargas que forman parte del sensor de voltaje, se desplazan siguiendo un movimiento en espiral a través del campo eléctrico transmembrana, iniciando así un cambio conformacional que facilita la aperture del canal de Na+ (Stuhmer et al., 1989). Como consecuencia, 3 cargas positivas del segmento S4 del dominio DIV, que previamente estaban embebidas en la membrana, quedan expuestas en la superficie externa y otras 2 cargas quedan expuestas en la superficie interna (Yang y Horn, 1995; Catterall, 2000). La Subunidad α contiene también el receptor también para los anestésicos locales, antiarrítmicos y anticonvulsivos, formado por residuos localizados en el S6 de los dominios DI, DII y DIV.

Estudios de mutagénesis dirigida y la utilización de diversos fármacos y toxinas han revelado que en los lazos P del canal de Na+ existen cuatro residuos cargados (asparragina en DI, glutámico en DII, lisina en DIII y alanina en DIV), el denominado"locus DEKA", que forma un anillo que, junto con otro anillo externo (formado por dos residuos glutámico, una metionina y una asparragina), conforman una estructura que determina la conductancia y la selectividad iónica (Noda y cols., 1989; Terlau y cols., 1991). La sustitución de los aminoácidos del locus DEKA por 4 residuos de glutámico (EEEE) presentes en posiciones análogas en el canal de Ca2+, convierten a los canales de Na+ en selectivos para el Ca2+ (Heinemann y cols., 1992).

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3. Unidades auxiliares

Las subunidades b regulan la cinética de apertura-cierre del canal, la expresión de la Subunidad α en la superficie de la membrana celular, su unión con otras moléculas de la matriz extracelular y del citoesqueleto y su localización preferente en discos intercalares. Estas subunidades presentan un único dominio transmembrana, con un extremo N-termINaL extracelular y un extremo C-termINaL intracitoplasmático (Brackenbury e Isom, 2011). El extremo extracelular presenta una secuencia homóloga a la superfamilia de las inmunoglobulinas (IgG), lo que sugiere que las subunidades b podrían actuar como moléculas de adhesión celular, que regularían la adhesión de los canales al sarcolema y facilitarían la interacción de los canales de Na+ con gran una variedad de moléculas de señalización (Makita et al, 1996; Isom, 2001; Brackenbury y Isom, 2011). De hecho, las subunidades b interactúan con varias proteínas de la matriz extracelular, el citoesqueleto (anquirinas), transmembrana (cadherinas, conexinas) o implicadas en el tráfico intracelular desde el retículo endoplásmico al sarcolema (p.ej. la glicerol-3-fosfato deshidrogenasa), o enzimas (Ca2+/calmodulina proteína cinasa II o CaMKII) (Xiao et al, 1999; Ratcliffe et al, 2001). Las anquirinas son proteínas citosólicas del citoesqueleto que se pueden regular el tráfico de una variedad de proteínas de la membrana de plasma (Mohler et al., 2002). El dominio C-termINaL de la subunidad ß1 regula el tráfico del canal de Na+ y su localización, quizás a través de la anquirina-B y/o las interacciones con otros componentes del citoesqueleto como la actina.

La subunidad ß1 altera la cinética y la densidad de los canales de Na+. Así, la coexpresión heteróloga de SCN3B con SCN5A aumenta la densidad de los canales en la superficie de la célula y modifica la cinética de inactivación de la INa (Fahmi et al., 2001). Por otro lado, la interacción entre las subunidades a y ß1.1 disminuye el bloqueo tónico y fásico producido por anestésicos locales y fármacos antiarrítmicos en los canales de Na+ cardiacos (Balser y cols., 1996; Makielski y cols., 1996).

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4. Estados conformacionales del canal de sodio

Durante el potencial de acción (PA) cardiaco, los canales de Na+ adoptan tres estados conformacionales: uno conductor (abierto-O) y dos no conductores (cerrado-C, inactivo-I) (Caterall, 2000; Balser, 2001) (figura 2). La transición entre es tos estados es un proceso voltaje- y tiempo-dependiente que se conoce como gating.

Durante la diástole el canal se encuentra en un estado de C no-conductor y la probabilidad de que se abra es extremadamente baja. La despolarización de la membrana provoca un rápido aumento de la permeabilidad al Na+ debido a la apertura (activación) de los canales desde el estado C (C ® O), permitiendo la entrada de Na+ a su través durante 1-2 ms, lo que genera la corriente rápida de entrada de Na+ (INa). A continuación, el canal se inactiva y cesa la entrada de Na+ (O ® I). El estado inactivo (O ® I, R ® I) predomina a niveles despolarizados del potencial de membrana (tejidos isquémicos, hiperpotasemia). La inactivación se inicia simultáneamente con la activación, pero debido a que el proceso de inactivación es más lento los canales permanencen abiertos de forma transitoria y generan la INa durante la fase 0 del potencial de acción. Los canales que se encuentran en estado inactivo no se pueden volver a abrir hasta que se mueven desde el estado I al estado C; a este proceso se le denomina reactivación del canal, y es un proceso necesario para que el canal pueda volver a abrirse. En condiciones fisiológicas, esta transición tiene lugar durante los primeros 50-100 ms de la diástole por lo que, considerando que en ritmo sinusal el intervalo diastólico es entre 500-700 ms, cuando llega el siguiente latido la mayoría de los canales estarán en e4l estado C y, por tanto, disponibles para volver a abrirse. El proceso de reactivación se inicia cuando el potencial de membrana alcanza potenciales más negativos que -60 mV y dura varios milisegundos tras la repolarización de la membrana. En ocasiones, los canales de Na+ pueden transitar directamente desde el estado abierto al estado cerrado; a este proceso se le denomina deactivación del canal.

La inactivación de la I Na cardíaca sigue un proceso biexponencial, por lo que hablamos de una"inactivación rápida"y otra"lenta". Armstrong y Bezanilla (1977) propusieron el modelo de"bola y cadena"para explicar el proceso de inactivación rápida.

Durante la despolarización, la compuerta de activación del canal se abre y la bola inicia un movimiento que permite su unión con la boca citoplasmática del canal a la que ocluye, impidiendo la entrada de Na+, por lo que el canal pasa al estado I. Se acepta que la secuencia"secuencia IFM"(Ile1488, Phe1489 y Met1490) localizada en el lazo de unión entre los dominios DIII y DIV actúa como una partícula de inactivación que interactúa con diversos aminoácidos localizados en la porción intracitoplasmática del segmento S6 o en el lazo S4-S5 del DIV; de esta forma ocluye y bloquea la porción intracitoplasática del poro del canal, lo que resulta en la rápida inactivación del canal tras su apertura juega un papel importante en la inactivación rápida del canal a través de su interacción (Armstrong, 1981; Stühmer et al, 1989;. Patton et al, 1992; McPhee et al., 1995, 1998; Catterall, 2003; West et al, 1992; Ulbricht, 2005 ; Vassilev y cols., 1989; Rohl y cols., 1999). De hecho, mutaciones en el residuo Phe1489 previene la inactivación (Kellenberger y cols., 1996), mientras que la inactivación se restaura con péptidos que contienen esta secuencia (Eaholtz y cols., 1994). Igualmente, m utaciones en la propia compuerta de inactivación, en las regiones que sirven de receptor para dicha compuerta y en el segmento S4IV que acopla la activación a la inactivación facilitan la reapertura del canal y producen un aumento de la amplitud de la INaL. El extremo C-termINaL de la canal, que estabiliza la inactivación y reduce su probabilidad de reapertura, también participa en el proceso de inactivación del canal Nav1.5 (Cormier y cols., 2002; Motoike et al., 2004).

La inactivación lenta es un proceso que se prolonga durante varios cientos de ms, por lo que los canales que la presentan permiten la entrada de Na+ durante las fases 1 y 2 del PA y podrían participar, en cierto grado, en la regulación de la DPA auricular y ventricular (Carmeliet, 1987; Balser, 2001; Ulbricht, 2005). En condiciones normales, casi 99% de los canales de Na+ que se han activado durante la fase 0 se encuentran en estado inactivo y u n 1% de los canales de Na+ persisten abiertos durante la fase de meseta del PA ya que presentan un proceso de inactivación lenta (Vilin y Ruben, 2001). Pero aunque la magnitud de la corriente lenta de entrada (INa,L) generada por estos canales que se inactivan lentamente es muy pequeña, la cantidad de Na+ que transportan puede ser casi equivalente a la de la corriente pico (INa) ya que la entrada persiste durante varios cientos de milisegundos. El proceso implicado en la inactivación lenta parece estar mediado por un complicado mecanismo en el que están involucrados los cuatro dominios del canal (O`Reilly y cols., 1999; Ulbricht, 2005), guardando cierta homología con la inactivación tipo-C de los canales de K+ (Roden y cols., 2002).

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5. Canalopatías de Na+

Varias síndromes arritmogénicos primarios que se transmiten de forma autosómica dominante, se asocian a mutaciones puntuales en los genes que codifican la Subunidad α 1 de los canales Nav1.5 cardíacos [p.ej., SQTL (SQTL 3, 9, 10, 12), SBr1, SRT6, FA idiopática tipo 3, defectos progresivos de la velocidad de conducción intracardiaca, parada auricular, síndrome del seno enfermo congénita, síndrome de muerte súbita del lactante y algunos tipos de cardiomiopatía dilatada arritmogénica](George, 2005). Las mutaciones asociadas a una ganancia de función de la INa pueden deberse a 3 mecanismos (ver Clancy y Kass, 2005).

1) La forma más común es debida a la falta de inactivación del canal como sucede con la delección ?KPQ (Bennet et al., 1995) (Figura). Dado que esta secuencia es crítica para la inactivación rápida del canal, el resultado de la mutación es que los canales de Na+ no pasan del estado O al I y permanecen en éste, sino que los canales que han pasado al estado I pueden volver a activarse de forma repetida, generándose una marcada corriente tardía de entrada de Na+ (INaL) durante las fases 1 y 2 del PA (An et al., 1998). Ello conduce a una prolongación de la APD ventricular que facilita la reactivación de la I Ca y la génesis de pospotenciales tempranos que pueden desencadenar una TV polimórfica (torsade de pointes). Mutaciones del gen SCN5A situadas en el extremo C-termINaL de los pacientes con SQTL3 (E1784K, 1795insD, Y1795C) interrumpen la inactivación y dan lugar también a un aumento de la INaL de forma similar a ?KPQ (An et al, 1998;. Rivolta et al, 2001; Veldkamp et al, 2000).

2) Una segunda alteración implica la activación de lo que se denomina la"corriente ventana"de Na+ (An et al., 1998), como consecuencia de que a un determinado rango de voltajes se superponen los procesos de activación e inactivación del canal (Figura). En estas condiciones, es posible que un pequeño número de canales de Na+ channels pueda reactivarse durante fase 3 del PA. Aunque en corazones sanos la"window current"juega un pobre durante el potencial de acción cardiaco, en condiciones patológicas podría generar pospotenciales tempranos al fINaL de la repolarización (Amin et al., 2010).

3) Un tercer mecanismo es el observado en la mutación I1768V, localizada en el extremo C-termINaL del dominio IVS6 que no produce una ganancia evidente de la función del canal (Groenewegen et al, 2003; Rivolta et al, 2002). Sin embargo, los canales mutados presentan una recuperación de la inactivación más rápida que los canales nativos a un rango de potenciales de membrana alos que el canal puede volver a activarse. Las simulaciones han demostrado que la INaL producida como consecuencia de la reapertura del canal de Na+ también conduce a una marcada prolongación de la DPA y a la aparición de pospotenciales tempranos (Clancy et al., 2003). Por último, mutaciones en los genes que codifican las subunidades b son responsables de diversos síndromes arrítmicos primarios (, lo que confirma su importante papel en la regulación de los canales de Na+ cardíacos (p.ej. SBr 5 y 7).

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6. Canalosoma

Las figuras muestran el complejo de proteínas que constituyen el canalosoma de sodio cardíaco humano. Se puede observar que, además de las subunidades a (Nav1.5) y ß (Nav ß 1-2), el canal está asociado a otras proteínas, tales como la actina del citoesqueleto, la caveolina-3, la anquirina G o la a -sintrofina y a otras proteínas que participan en el tráfico de las subunidades desde el retículo endoplásmico (ER) al sarcolema (p.ej., la glicerol-3-fosfato deshidrogenasa 1 o GPD1-L). A su vez, el canal puede ser modulado por múltiples vías de señalización, incluyendo la Ca2+/ calmodulina proteína cinasa II (CaMKII), la proteína cinasa A (PKA) o las proteínas 13-3-3. Estas moléculas reguladoras y de señalización juegan un importante papel en la regulación del tráfico y de la expresión de los canales en la membrana, así como en el funcionamiento del canal.

La anqurina B es una proteína de anclaje que participa en la localización celular de l intercambiador Na+ -Ca2+, de la ATPasa Na+ -K+ y del receptor del inositol 1,4,5- trifosfato (IP3). aveolina-3 es una proteína que participa en los procesos de endocitosis y de señalización celular que facilita la transferencia de los canales de Na+ a la membrane celular desde el compartimiento intracelular. La a -sintrofina es un miembro de una familia de proteínas del complejo distrofina-glicoproteína que interactúa directamente con las proteínas del subsarcolema y los componentes de la matriz extracelular, faciliando la unión física entre el citoesqueleto y la membrana basal. También facilita la interacción entre Nav1.5, la óxido nítrico sintasa neuronal (NOSn) y la ATPasa de membrana PMCA2b que inhibe la síntesis de óxido nítrico (NO). El NO induce la nitrosilación de Nav1.5, disminuye su inactivación y aumenta la INaL. Mutaciones en el gen SNTA1 liberan la inhibición que ejerce la PMCA 4b sobre la NOSn, lo que facilita la nitrosilación de la canal y aumenta INaL (Ueda et al., 2008).

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Esquema en el que se representan las diversas proteínas conocidas del canalosoma del canal de Na+ cardiaco humano.

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