Imagen de los canales de iones

Investigadores del Instituto Médico Howard Hughes están revelando los puntos de vista más detallados hasta el momento de la estructura de un canal de iones de potasio dependiente de voltaje. Las nuevas imágenes, que muestran el canal en un entorno más natural que los estudios previos, revelan que es probable que la función del canal esté profundamente influenciada por las moléculas de lípidos dentro de la membrana celular en la que está incrustado el canal.

El equipo de investigación, dirigido por el investigador del HHMI Roderick MacKinnon, espera que una técnica que utilizaron para preparar el canal de iones para el análisis -llamado cristalización mediada por detergente lípido- permita capturar proteínas de membrana en un entorno más nativo, similar a una membrana .

MacKinnon y sus colegas de la Universidad Rockefeller publicaron sus hallazgos sobre la estructura del canal de iones en la edición del 15 de noviembre de 2007 de la revista Nature.

Los canales de iones de potasio dependientes de voltaje son fundamentales para la función de los nervios y los músculos. Sin ellos, el cerebro sufriría un atasco neuronal y el corazón se agotaría. Los canales son máquinas moleculares precisas que propagan impulsos eléctricos en el cerebro, el corazón y otros tipos de células. Los canales de potasio son proteínas grandes con un poro central que perfora la membrana celular y permite que solo pasen los iones de potasio.

Este nuevo enfoque nos dio una nueva y dramática idea, porque en realidad podíamos ver las moléculas de lípidos reunidas alrededor de la proteína, y verlas formar los folletos característicos de la membrana biológica bicapa.
Roderick MacKinnon

Cuando un impulso eléctrico viaja a lo largo de un nervio, cambia la separación de carga a través de la membrana celular, y el interior se vuelve más positivo. Este cambio de polaridad eléctrica activa la apertura de los canales de iones de potasio dependientes del voltaje, permitiendo que los iones de potasio con carga positiva fluyan fuera de la célula. Esta salida de potasio permite que la membrana vuelva a su estado de reposo y la prepara para el próximo impulso eléctrico.

En estudios anteriores, MacKinnon y sus colegas dedujeron la estructura del sensor de voltaje, que es el componente de los canales de iones de potasio dependientes de voltaje que detecta los cambios en el voltaje. El sensor de voltaje reacciona a un cambio en la polaridad eléctrica de la membrana para abrir o cerrar el poro. MacKinnon y sus colegas usaron cristalografía de rayos X para determinar la estructura del sensor de voltaje. En la cristalografía de rayos X, los cristales de proteínas se bombardean con haces de rayos X. A medida que los rayos X atraviesan y rebotan en los átomos del cristal, producen un patrón de difracción, que luego puede analizarse para determinar la forma tridimensional de la proteína.

Las imágenes que surgieron de esos estudios estructurales mostraron que los sensores de voltaje contenían una estructura de hélice-giro-hélice, que el grupo de MacKinnon ha denominado la paleta del sensor de voltaje. La paleta del sensor de voltaje contiene aminoácidos cargados positivamente que permiten que el sensor de voltaje responda a la polaridad eléctrica de la membrana.

MacKinnon y sus colegas teorizaron que la paleta con carga positiva se mueve dentro de la membrana en la interfaz proteína-lípido. Cuando la membrana se carga positivamente en el interior, las paletas se atraen hacia el exterior y abren el canal, lo que permite que el potasio fluya y restablezca la carga de la membrana a su estado de reposo. Cuando el interior de la membrana se carga negativamente, las paletas se mueven hacia adentro y cierran el canal.

Esos estudios anteriores, sin embargo, dejaron algunas preguntas sobre la función del canal iónico sin respuesta porque los detalles significativos de la estructura permanecieron sin resolver. “No pudimos ver muchas de las cadenas laterales individuales de esta proteína que son importantes para su función”, señaló MacKinnon. Responder a las preguntas restantes significaba desarrollar nuevos enfoques experimentales. “Estas son estructuras muy difíciles de determinar, y nuestro progreso ha sido como ir paso a paso por una montaña muy grande”, explicó.

Los últimos pasos de los investigadores implicaron diseñar una nueva forma del canal que luego podrían usar para obtener cristales de proteína mejorados. Los cristales de mayor calidad permitirían obtener conocimientos estructurales y funcionales más detallados a partir de los estudios de cristalografía de rayos X.