estructura y propiedades de los canales de iones martes 17 de abril: 14.30-17.30 cursotroncal2007
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Estructura y propiedades de los canales de iones
Martes 17 de abril: 14.30-17.30
ftp://einstein.ciencias.uchile.cl/CursoTroncal2007
Canales de iones de las membranas excitables
Hodgkin y Huxley 1952
Axón de jibiaElectrodo que inyecta corriente Electrodos para medir
el potencial
Con este sistema podemos observar la propagación del impulso nervioso a lo largo del axón.
Vx(t)
Estímulo en de 25 microamperes en x = 0. Dura 0,5 milisegundos y empieza a t = 0 milisegundo.
Registro del potencial eléctrico intracelular a lo largo del nervio.
0.00 ms
0.04 ms0.12 ms0.52 ms1.24 ms1.88 ms2.28 ms2.92 ms3.72 ms4.60 ms5.48 ms6.44 ms8.04 ms8.84 ms9.80 ms10.76 ms15.12 ms
-60 mV
0 mV
Medio extracelular
Medio intracelular
Potencial eléctrico intracelular, axón de jibia
[K] 440mM[Na] 50mM
[Na] 440mM[K] 10mM
Análisis cuantitativo de Na y K en axones gigantes de jibia.
Medio extracelular
Medio intracelular
-60 mV
[Na] 50mM
[Na] 440mM0 mV
Potencial químico del sodio
mol
joule
,, inPTii n
G
0 i iii zFVNaRT ln0 iNaiNa NaRT ln0,
m
e
iei zFV
Na
NaRT ln
eeeNa zFVNaRTNa ln0,
-60 mV
[Na] 50mM
[Na] 440mM
m
o
ioi zFV
Na
NaRT ln
Potencial químico del sodio
-1molkJ 1.11 Na
R = 8.3 J mol-1 K-1
T = 293 Kz = 1F = 95600 C mol-1
[K] 440mM
[K] 10mM
m
e
ieKiK zFV
K
KRT ln,,
-60 mV
Potencial químico del potasio
-1molkJ 4.3 K
¿Qué pasará si abro una vía de paso para los iones Na+?
-60 mV
[Na] 50mM
[Na] 440mM
-1kJmol 1.11 Na
Debe existir un potencial eléctrico al cual el sodio esté en equilibrio.
Condición de equilibrio ? 0 Na
Na
e
iNa zFV
Na
NaRT ln0
e
iNa Na
NaRTzFV ln
054.0NaV Unidades?JC-1 mV54NaV
e
iNa Na
Na
zF
RTV ln
Ecuación de Nernst
mV 54NaV
mV 94KV
o
iNa Na
Na
zF
RTV ln Ecuación de Nernst
o
iK K
K
zF
RTV ln Ecuación de Nernst
mV 94KV
mV 54NaV
0 54-94
Corriente de entrada de Na Corriente de salida de Na
Corriente de entrada de K
Corriente de salida de K
Vm, mV-60
NamNa VVI para 0
NamNa VVI para 0
NamNa VVI
)( NamNaNa VVGI
)( KmKK VVGI
Conductancia, G, se mide en Siemens, S
Electrodo que inyecta corriente
Vm (t)
Electrodo que mide potencial intracelular
Electrodo que mide el potencial extracelular
A todo lo largo del axón pasa exactamente lo mismo (Space clamp).
El potencial de acción no se propaga. Se llama potencial de acción de membrana.
Space clamp
Potencial de acción de membrana.
Tiempo, (ms)
Vm
, (m
V)
VNa
VK
Im
Vm Im, (
mA
cm-2)
Arreglo experimental para controlar el potencial eléctrico de la membrana. (Voltage Clamp)
Vcomando
El potencial de la membrana es igual al potencial de comando en todos los puntos a lo largo del axón. El amplificador se encarga de pasar tanta corriente como sea necesario para mantener esta igualdad.
Voltage clamp
Vm
Arreglo experimental para controlar el potencial eléctrico de la membrana. (Voltage Clamp)
El potencial de la membrana es igual al comando.
El ampérmetro A mide la corriente que pasa por 1 cm lineal de axolema.
A
Voltage clamp
Vcomando
Vm
I, mA/cm2
t, ms
Voltage clamp de un axón de jibia
-60,8mV0mV
)()( NamNaKmKm VVGVVGI
Hodgkin y Huxley 1952 J. Physiol (London) 117:500-544Latorre et al Biofísica y Fisiología Celular. Sevilla,1996
I, mA/cm2
t, ms
-60,8mV0mV
Voltage clamp de un axón de jibia en presencia de TTX, bloqueador de los canales de Na
)()( NamNaKmKm VVGVVGI
La conductancia del K+ es función del potencial y del tiempo
I, mA/cm2
t, ms
-60,8mV0mV
La corriente de Na es la diferencia de la corriente control – corriente con TTX.
)()( NamNaKmKm VVGVVGI )( KmKm VVGI )( NamNam VVGI
La conductancia del Na+ es función del potencial y del tiempo
Potencial de acción de membrana.
Tiempo, (ms)
Vm
, (m
V)
Im, (
mA
cm-2)
Hodgkin y Huxley 1952 J. Physiol (London) 117:500-544
dt
dVCVVGVVGI m
mNamNaKmKm )()(
Potencial de acción de membrana.
Tiempo, (ms)
Vm
, (m
V)
Im, (
mA
cm-2)
Hodgkin y Huxley 1952 J. Physiol (London) 117:500-544
dt
dVCVVGVVG m
mNamNaKmK )()(0
)()( NamNaKmKm
m VVGVVGdt
dVC
Potencial de acción de membrana.
Tiempo, (ms)
Vm
, (m
V)
I Na,
(m
Acm
-2)
Hodgkin y Huxley 1952 J. Physiol (London) 117:500-544
dt
dVCVVGVVG m
mNamNaKmK )()(0
)()( NamNaKmKm
m VVGVVGdt
dVC
Potencial de acción de membrana.
Tiempo, (ms)
Vm
, (m
V)
I K, (
mA
cm-2)
Hodgkin y Huxley 1952 J. Physiol (London) 117:500-544
dt
dVCVVGVVG m
mNamNaKmK )()(0
)()( NamNaKmKm
m VVGVVGdt
dVC
Los canales responsables del potencial de acción en el axón gigante de jibia tienen dos atributos importantes.
•Selectividad. Conducen Na o K en forma excluyente.
•Excitabilidad. Capacidad de cambiar su capacidad de conducir iones en función del voltaje.
Selectividad de los canales
Movimiento en un medio viscosoVelocidad = movilidad · fuerza (m s-1)
La “fuerza” que impulsa el movimiento de los iones es su gradiante de potencial químico.
dx
dfuerza
J mol-1m-1
movilidad = velocidad por unidad de fuerza ( ms-1 N-1mol)
N mol-1
velocidad = movilidad · fuerza (m s-1)
Esta caja es un elemento de volumen de un sistema más grande. En la caja hay moléculas que se están moviendo impulsadas por un gradiente de potencial químico. La velocidad de las moléculas es v ms-1
Todas las moléculas que están a una distancia vt atraviesan la pared de la izquierda en un tiempo t
v
vt
A
Todas las moléculas que estaban en la caja a tiempo t han atravesado la pared al tiempo t + t.
El número de moles del soluto presente en la caja es igual a su concentración c multiplicada por el volumen de la caja. c A v t.
c
Todas las moléculas que están a una distancia vt atraviesan la pared de la izquierda en un tiempo t
v
vt
A
Todas las moléculas que estaban en la caja a tiempo t han atravesado la pared al tiempo t + t. c A v t
El número de moles presentes en la caja es igual a su concentración c multiplicada por el volumen de la caja. c A v t.
c
El número de moles que atraviesa cada unidad de área por unidad de tiempo se llama Flujo, J.
cvJ mol m-2s-1
v
vt
A
Todas las moléculas que estaban en la caja a tiempo t han atravesado la pared al tiempo t + t. c A v t
El número de moles presentes en la caja es igual a su concentración c multiplicada por el volumen de la caja. c A v t.
c
El número de moles que atraviesa cada unidad de área por unidad de tiempo se llama Flujo, J.
cvJ mol m-2s-1
J = c • movilidad • fuerza
J = c • movilidad • fuerza
Para estudiar la selectividad de los canales compararemos los flujos de los iones medidos al aplicar la misma fuerza a todos.
Los factores que gobiernan la selectividad son entonces la concentración y la movilidad.
J = concentración • movilidad • fuerza
Movilidades relativas a la del K en el agua
H+ 4.76Li+ 0.53Na+ 0.68K+ 1.00Rb+ 1.06Cs+ 1.05
F- 0.75Cl- 1.04Br- 1.06I- 1.04
En un poro acuoso las diferencias de movilidades entre Na y K son pequeñas
Examinemos entonces las concentraciones
Suponiendo que el flujo es pequeño, se puede usar el coeficiente de partición, , para expresar la concentración en el borde de la membrana en función de la concentración en el seno de la solución.
C (membrana) C (solución)
soluciónmembrana CC
¿Cuál es la concentración dentro de una membrana?
J = csol • • movilidad • fuerza
RTe0
)ln(0memmemmem CRT
)ln(0solsolsol CRT
eqsol
memsolmem C
CRT
ln0 00
ln)( 000 RTsolmem
En el equilibrio ( J = 0 ) los potenciales químicos son iguales
Hille Armstrong MacKinnon 1999 NatureMedicine 5:1105-1119
Armstrong:Selectividad versión 1971
Hille Armstrong MacKinnon 1999 NatureMedicine 5:1105-1119
Armstrong:Selectividad versión 1971
La posición de mínima energía para el ion es equidistante de los grupos C=O.La energía de interacción es igual para todos los iones
Estados de referencia: 1 mol por litro de ion en fase gaseosaSolución 1 molal de iones en agua
RTe0
Gran diferencia de coeficiente de partición entre fase acuosa y gaseosa.
Robinson and Stokes “Electrolyte Solutions” Butterworths,London 1959.
Gran diferencia de coeficiente de partición entre fase acuosa y una membrana que no interactúe con los iones.
Gran diferencia de coeficiente de partición entre fase acuosa y gaseosa.
J = csol • • movilidad • fuerzaPregunta: ¿Cual será la selectividad de una membrana que interactúa por igual con todos los iones?
J = csol • • movilidad • fuerzaPregunta: ¿Cual será la selectividad de una membrana que interactúa por igual con todos los iones?
Muy bien: la selectividad será Cs > Rb > K > Na > Li
Agreguemos ahora un efecto de tamiz: discriminación por tamaño.
Por la energía de hidratación: la selectividad es Cs > Rb > K > Na > Li
¿Cuál será el ion preferido si se excluye el Cs y el Rb por tamaño?.
¿Cuál será el ion preferido si se excluye el Cs, Rb y K por tamaño?.
El potasio
El sodio
Mecanismo de transporte
¿Se mueven en forma independiente los iones?
mzFVC
CRTG
2
112 ln
En equilibrio G = 0
RTzFVieC
C /
2
1
2
1lnC
C
zF
RTVi
Ecuación de Nernst
Termodinámica del transporte pasivo de iones
izFVC
CRT
2
1ln0
121 CJ
mm zFVzFVGG *0
*21
mzFVGG *0
*12
Razones de flujos unidireccionales de isótopos radiactivos
RTzFVmeC
C
C
C
J
J /
2
1
2
1
12
21
RTVVzF imeJ
J /)(
12
21
RTzFVieC
C /
2
1
1 0
Ecuación de Ussing
RTzVzFVG mme /*0
RTzFVG me /*0
*
0G
RTzVme /
212 CJ
Razones de flujos unidireccionales de isótopos radiactivos
)(ln12
21im VV
J
J
zF
RT
RTVVzF imeJ
J /)(
12
21
)(log5812
21im VV
J
J
58/)(log12
21im VV
J
J
R = 8.3 J mol-1 K-1
T = 293 Kz = 1F = 95600 C mol-1
1 0
Razones de flujos unidireccionales de isótopos radiactivos
Resultados de para los flujos de potasio en axones gigantes de jibia Hodgkin y Keynes 1955 J.Physiol (London) 128:61-88
Conclusión la razón de flujo no cumple con lo esperado para el movimiento independiente de los iones en el canal.
58/)(log12
21im VV
J
J
23/)(log12
21im VV
J
J
RTVVzF imeJJ /)(5,2
12
21
Los iones se mueven dentro del canal en fila india
Isótopo A del K
Isótopo B del K
A0B4
A1B3
A2B2
A3B1
A4B0
Existe sólo un estado A1B3 un estado A2B2 y un solo estado A3B1
1 2
La constante es la probabilidad por unidad de tiempo que un ion del lado 1 de un choque efectivo con la entrada del canal. Tiene unidades de frecuencia, s-1
La constante es la probabilidad por unidad de tiempo que un ion del lado 2 de un choque efectivo con la entrada del canal. Tiene unidades de frecuencia, s-1
1 2
1 2
Teoría de transporte en fila india
Isótopo A del K
Isótopo B del K
Los estados de la figura son A4B0 A3B1 A0B4 y A1B3
Para una vía de paso con n sitios el único estado que da flujo de A desde el lado 1 al lado 2 es AnB0
El único estado que da flujo de B desde el lado 2 al lado 1 es A0Bn
021 BAJ nA nB BAJ 012
Teoría de transporte en fila india
A0B4
A1B3
A2B2
A3B1
A4B0
1 2
Para una vía de paso con n sitios el único estado que da flujo de A desde el lado 1 al lado 2 es AnB0
Teoría de transporte en fila india
A0B4
A1B3
A2B2
A3B1
A4B0
1 2
Para una vía de paso con n sitios el único estado que da flujo de B desde el lado 2 al lado 1 es AoBn
Teoría de transporte en fila india
Isótopo A del K
Isótopo B del K
An-1B1 AnB0
En equilibrio 011 BABA nn
110 BABA nn
Teoría de transporte en fila india
Isótopo A del K
Isótopo B del K
110 BABA nn
2211 BABA nn
22
2
110 BABABA nnn
Teoría de transporte en fila india
Isótopo A del K
Isótopo B del K
33
3
22
2
110 BABABABA nnnn
no
n
n BABA
0
n
no
n
BA
BA
0
Teoría de transporte en fila india
Isótopo A del K
Isótopo B del K
n
no
n
BA
BA
0
021 BAJ nA
nB BAJ 012
1
0
0
12
21
n
n
n
B
A
BABA
JJ
RTViVzFn
n
n
n
B
A eBA
BA
J
J /)1(
1
0
0
12
21
Razones de flujos unidireccionales de isótopos radiactivos
Resultados de para los flujos de potasio en axones gigantes de jibia Hodgkin y Keynes 1955 J.Physiol (London) 128:61-88
RTVVzF imeJ
J /)(5,2
12
21
RTViVzF
B
A eJJ /
12
21
Conclusión hay flujo más de 1 ion en el canal.
Experimental
Conclusiones 1955
El canal de potasio es un poro largo
Los iones circulan en fila india
Hay más de 1 ion en el canal.
Salto en el tiempo a 1989
Potenciales de flujo
Corrientes de flujo
Un canal en que el agua y los iones se mueven en fila india
Pongo igual concentración de potasio a ambos lados del canal
Pongo igual potencial eléctrico a ambos lados del canal
Que flujo neto de K se espera?
Agrego un no electrolito a un lado del la membrana con el canal
Que flujo neto de K se espera?
Esta es la corriente de flujo. A que potencial el flujo se hace cero?
Este es el potencial de flujo.
Corriente de K a través de un canal de potasio en presencia de un gradiente osmótico.
Las concentraciones de K a ambos lados de la membrana son iguales por lo que el potencial de Nernst para el K es 0 mV..
El gradiente osmótico lleva el potencial de inversión de la corriente a 4 mV.
El flujo de agua por los canales arrastra potasio.
Hay entre 2 y 4 moléculas de agua en el canal. Su longitud es de 6 a 12 Ångström.
Alcayaga et al 1989 Biophysical J. 55:367-371
Topología de los canales de Ca2, Na+ y K+ sugerida de sus perfilesde hidrofobicidad
x4
x4
x2
x2
Los canales pueden formarse a partir de una sola molécula de proteína, pueden ser tetrámeros o dímeros
En los canales de K+ dependientes de potencial el segmento S4 y el poro (P)están muy conservados
Doyle et al 1998 Science 280:69-77
Doyle et al 1998 Science 280:69-77
Doyle et al 1998 Science 280:69-77
Doyle et al 1998 Science 280:69-77
Doyle et al 1998 Science 280:69-77
12Å
6 a 12 AAlcayaga et al 1989
Zhou et al 2001 Nature 414:43-48
Aumentando la resolución de la estructura.
Zhou et al 2001 Nature 414:43-48
Zhou et al 2001 Nature 414:43-48
-+
-+
El ion + es atraído por la carga negativa.
El ion + es atrapado por la carga negativa.
-+ +
-+ +
El ion + se acerca a un par con carga neta cero
El ion + se aleja de un par con carga neta cero.
Morais-Cabral et al 2001 Nature 413:37-42
2-4 aguas/canalAlcayaga et al 1989
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