El mecanismo de apertura y cierre del canal de cloro activado por calcio TMEM16A

Dibujo20171222 Activation mechanism calcium-activated chloride channel TMEM16A nature24652

El impulso nervioso que se transmite por los axones de las neuronas se genera con el cambio de concentración de iones a ambos lados de la membrana celular controlado por la apertura y cierre de canales iónicos. El mecanismo de activación de muchos de estos canales es está desvelando gracias a la criomicroscopía electrónica (cryo-EM), que permite observar la estructura tridimensional del canal abierto, cerrado e, incluso, en un estado intermedio. Se publican dos artículos en Nature que describen el mecanismo de activación del canal de cloro activado por calcio TMEM16A.

La figura muestra un esquema del mecanismo de apertura y cierre del canal TMEM16A. Un ión de cloro Cl puede pasar por un canal con un diámetro de 3,6 Å y un ión de yodo I por 4,1 Å; el canal TMEM16A cerrado tiene un diámetro de 2,5 Å. Su apertura para el paso de un ión de cloro Cl (bola roja) está activada por dos iones de calcio Ca2+ que se acoplan a dos sitios activos en la hélice alfa α7; esto provoca un cambio de conformación para la hélice α6 que rota unos 70º con respecto al aminoácido G644 (G es glicina), de tal forma que G656 se desplaza unos 15 Å y el aminoácido E654 (E es ácido glutámico) se acerca a dicha pareja de iones; la rotación permite la apertura de un poro más grande en el canal y con ello el paso del ión de cloro. Tras dicho paso se liberan los iones de calcio y el canal se cierra de nuevo.

Los nuevos artículos son Cristina Paulino, Valeria Kalienkova, …, Raimund Dutzler, “Activation mechanism of the calcium-activated chloride channel TMEM16A revealed by cryo-EM,” Nature 552: 421–425 (21 Dec 2017), doi: 10.1038/nature24652; Shangyu Dang, Shengjie Feng, …, Lily Yeh Jan, “Cryo-EM structures of the TMEM16A calcium-activated chloride channel,” Nature 552: 426–429 (21 Dec 2017), doi: 10.1038/nature25024. Más información sobre el funcionamiento de este canal en Antonella Caputo, Emanuela Caci, …, Luis J. V. Galietta, “TMEM16A, A Membrane Protein Associated with Calcium-Dependent Chloride Channel Activity,” Science 322: 590-594 (24 Oct 2008), doi: 10.1126/science.1163518.

[PS 26 Dic 2017] Sobre el canal TRPM4 recomiendo a las interesados los artículos Paige A. Winkler, Yihe Huang, …, Wei Lü, “Electron cryo-microscopy structure of a human TRPM4 channel,” Nature 552: 200–204 (14 Dec 2017), doi: 10.1038/nature24674, y Jiangtao Guo, Ji She, …, Youxing Jiang, “Structures of the calcium-activated, non-selective cation channel TRPM4,” Nature 552: 205–209 (14 Dec 2017), doi: 10.1038/nature24997. Y sobre el canal TRPML3 el artículo Marscha Hirschi, Mark A. Herzik Jr, …, Seok-Yong Lee, “Cryo-electron microscopy structure of the lysosomal calcium-permeable channel TRPML3,” Nature 550: 411–414 (19 Oct 2017), doi: 10.1038/nature24055. [/PS]

Dibujo20171222 open closed channel TMEM16A nature24652

Esta figura muestra una superposición de las estructuras tridimensionales del canal TMEM16A asociadas a los estados inactivo (canal cerrado), en color morado, y activo (canal abierto tras la activación con calcio), en color morado; a la izquierda, en tono más oscura, una subunidad, y a la derecha, en tono más claro, la otra. La parte de arriba corresponde al entorno extracelular y la parte inferior a la intracelular. Las dos bolas azules en la parte verde de la zona izquierda de la figura corresponden a los iones de calcio (se ven mejor si se amplia la imagen).

Este vídeo muestra la distribución de densidad observada mediante la técnica cryo-EM que ha permitido desvelar la estructura tridimensional del canal TMEM16A; primero, en estado activo, acoplado a los dos iones de calcio, coloreados en azul, y segundo, en estado inactivo, sin los iones de calcio. Luego (00:57) se muestra la superposición de ambas estructuras tridimensionales (la figura ya mostrada arriba), con la parte activa en verde y la parte inactiva en violeta. Finalmente (01:18), se muestra una animación del mecanismo de acción, con el movimiento de la hélice α6.

Dibujo20171221 Different conformations of TMEM16A nature25024

El canal TMEM16A está formado por dos subunidades gemelas con sendos poros. La apertura del canal se puede realizar con un solo ión de calcio si se acompaña de un voltaje, como ilustra esta figura.

Dibujo20171221 lipids TMEM16A reconstituted and solubilized nature25024

Para la reconstrucción mediante cryo-EM del canal TMEM16A se pueden usar nanodiscos de lípidos (figura de arriba) o una solución de LMNG, lauril maltosa neopentilglicol (figura de abajo). Hay diferencias entre la estructura reconstruida con ambas técnicas debido a que el contenido de lípidos en su interior (mostrados en rojo en estas figuras) es diferente. El análisis del mecanismo de acción para la activación con dos iones de calcio es robusto para las estructuras reconstruidas con ambos métodos.

Dibujo20171221 TMEM16A pore lipid nanodiscs and LMNG solution nature25024

Los lípidos incrustados en la TMEM16A afectan a su conformación tridimensional reconstruida, así como a la forma detallada del poro. Esta figura muestra los detalles para al reconstrucción con nanodiscos de lípidos (figura de arriba) y la solución de LMNG (figura de abajo). Las diferencias se consideran poco significativas a la hora de validar el mecanismo de activación propuesto. Dado que los canales son proteínas transmembrana que están insertadas en la membrana celular de fosfolípidos se podría pensar que en su función biológica influyen dichos lípidos. Los artículos publicados en Nature no muestran ninguna señal de dicha interferencia en su función.

Dibujo20171221 tmem16 channels ionchannel101

Para los despistados, en 2008 se descubrió que TMEM16A y TMEM16B son los canales de cloro activados por calcio, dos miembros de la familia de diez proteínas de membrana TMEM16. Las proteínas TMEM16 se expresan en diferentes tipos de células, que incluyen neuronas, células musculares, células sanguíneas, células inmunes y células epiteliales. En concreto, el canal de cloro activado por calcio TMEM16A controla las señales nerviosas asociadas a muchos procesos fisiológicos, como la contracción suave de los músculos y la secreción en el epitelio de las vías aéreas en el pulmón. En muchos tumores cancerígenos se ha observado una sobreexpresión de TMEM16A, luego su inhibición podría ser una diana terapéutica.


8 Comentarios

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Francisco R. Villatoro

Buena pregunta, Daniel, pero no tengo la respuesta, pues los artículos en Nature no la discuten; supongo, pero es una opinión, que la electronegatividad del ión de cloro a su paso por el canal será la responsable, siendo más atractivo para los iones de calcio que el sitio activo donde están ligados provocará su liberación. Pero, repito, es mi opinión de inexperto, ya que el artículo no discute esta cuestión.

Pablo Luciano RainieriPablo Luciano Rainieri

Pregunta totalmente ajena: Estoy cansado de leer o discutir sobre algo que me es tan obvio, pero claro, al nunca estudiar ecuación por ecuación de mecánica cuántica, soy ignorante al respecto. Pero así como Galileo determino que que los cuerpos caen a la misma velocidad independientemente de su masa con un ejercicio mental (imaginando al martillo y yunque cayendo, separados y unidos por una cuerda) si ecuaciones necesarias, hay otras cuestiones físicas que se pueden determinar de la misma forma.
Mi pregunta es, cual es tu opinion (se que es mala palabra en la ciencia, pero justo este tema estoy seguro que se acerca aun a esta altura del siglo xxi mas a filosófico que lo científico) sobre si vivimos en un universo determinista, o en uno que no lo es?
Me choca el tema, apostaría mi vida a que es determinista. Es lo obvio, lo lógico, lo observable. Si no lo fuera, las matematicas no funcionarian, y la “magia” por decirlo de alguna forma seria algo real.
Sin embargo no es asi, todo ocurre por accion y reaccion. Sino, las matematicas en si no existirian. Nosotros no existiriamos porque los atomos pasarian de golpe a ser diferentes de como lo son, y todo tendria una actitud erratica y variable.
Me cansa escuchar “si el universo es determinista, entonces no tenemos poder de decision, y el libre albedrío no existiría”.
POR FAVOR, es obvio que el libre Libre albedrío no existe, no se ustedes, pero yo no tomo decisiones de la nada, yo las tomo de acuerdo a lo que me ocurrio en el pasado, los razonamientos que alguna vez hice, y las experiencias y emociones, todo combinado es procesado y la circuiteria de mi cerebro comanda una respuesta a mis musculos y registra nuevamente todo esto en mi mente. El cerebro es una maraña de neuronas conectadas entre si; cuando nos ocurre un evento como la muerte de un ser querido, un accidente, o el mas infimo de los eventos como una pequeña mancha en el monitor que estorbo por medio segundo la lectura de una letra, absolutamente todo lo que nos ocurre, elcerebro lo registra cambiando las conexiones entre las neuronas para que en un futuro cuando sea necesario esta información sea procesada y tomar una decisión en base a ella. Yo no decido como se comporta el universo a mi alrededor, las cosas nos ocurren, y estos sucesos amoldan las conexiones de nuestras neuronas, y estas conexiones luego determinan tus respuestas a futuro. Yo no decidi lo que me ocurrio de chico, no decidi cada cosa que me sucedio, sin embargo estas me ocurrieron y me formaron como soy. Eso quiere decir que soy lo que soy, como resultado de la causalidad. Obviamente la naturaleza nos formo como lo que somos, y el cerebro es un mecanismo desarrollado para detectar patrones, almacenarlos y usarlos cuando sea necesario. No es nada mas ni nada menos que un procesador como un CPU, las neuronas estan formadas por atomos, asi que es obvio que su actividad esta determinada por causa y accion. El mio lo esta, no se que tanto les cuesta admitir esto. La “voluntad”o “poder de decision” es un concepto, la realidad es que si pudiésemos ver el pasado como una pelicula, los egipcios igual abrian construido las piramides, Napoleón igual abría perdido contra rusia y en waterloo, y Hitler igual invadiría Polonia y perderia en el 45, pero no por “cosas del destino”, sino que abría ocurrido todo EXACTAMENTE IGUAL, ATOMO POR ATOMO, de la misma exacta manera, porque a un exacto igual inicio, porque las cosas deberían haberse dado diferente? Desde el bigbang las cosas están determinadas, creamos o no en las pavadas religiosas de libre albeldrio o esas sonseras. Yo tomo deciciones de acuerdo a los eventos que me ocurrieron en mi vida, mi cerebro es como es, porque el adn, las condiciones atmosfericas, los alimentos que consumi, las experiencias que me sucedieron, todo absolutamente todo me lo determino como es, y no podría haber sido de otra forma, porque nada en ningun momento en el universo ocurre sin razón.
En todo caso, si existen otros universos paralelos y estos sean los que nos influencian, entonces a ellos tambien abria que sumarlos a la obviamente a la ecuacion; es obvio que si no haces eso ultimo te resultaria que el universo no es causal.
Mi “humilde” opinion.

Francisco R. Villatoro

Pablo pregunta mi opinión sobre “¿vivimos en un universo determinista?” Mi respuesta tiene varios enfoques.

¿El universo descrito por la física clásica es determinista? No, todo lo contrario, la estocasticidad hamiltoniana, el caos determinista disipativo y la irreversibilidad macroscópica son pruebas bien conocidas de que nuestro universo no es determinista en el mismo sentido que usaba este término Laplace (que supongo, Pablo, es el que tienes en mente), es decir, determinista en el sentido de que su futuro es predecible a partir del conocimiento absoluto de su pasado. No se puede predecir el futuro (clásico) a partir del conocimiento del pasado (clásico), salvo en sistemas clásicos “de juguete” que se usan en los libros de texto de primeros cursos de Física. Todo esto se sabe desde finales del siglo XIX, pero se ignoraba a principios del siglo XIX.

¿El universo descrito por la física cuántica es determinista? No, obviamente, por definición de física cuántica.

¿Tenemos poder de decisión y libre albedrío? Esta cuestión filosófica, no es física, quizás neurocientífica. En neurociencia está demostrado que primero decidimos y luego justificamos dicha decisión, luego nuestro mal llamado libre albedrío es ficticio y no existe. Esto se ha demostrado en múltiples experimentos en los últimos 50 años. Tu libre albedrío es moldeable en experimentos y/o con fármacos, luego crees que tienes libre albedrío porque así se creía hace más de 50 años, pero es un autoengaño. Hoy sabemos que no existe… pero esto no afecta ni a la ética, ni a las leyes, ni a ninguna cuestión social más allá de la neurociencia.

Pablo Luciano RainieriPablo Luciano Rainieri

A pesar de que defiendo que en ultima instancia vivimos en un universo determinista, igual se entrada que no se puede “calcular” el futuro con absoluta exactitud conociendo las condiciones iniciales, porque la maquina o el sistema que debería hacer estos cálculos esta dentro del propio sistema, y como la única forma de predecir el futuro es teniendo en cuenta absolutamente cada detalle del universo, es entonces necesario simularlo entero, y como la maquina esta dentro de este universo, ella se terminaría simulando a si misma, osea, se simularía a ella misma simulando el universo y así sucesivamente, lo cual si bien seria posible, se que jamas podria calcular el futuro mas rapido de lo que le toma calcularlo, osea, le tomaria 2 segundos calcular 1segundo, entiendo perfectamente porque no podria calcular mas rapido en el tiempo del que le tomaria hacerlo. Osea con otra analogia, suponiendo un CPU, que a su vez simula un segundo CPU identico al primero, puede el segundo CPU simular y determinar el futuro del primer CPU, siendo que para ello se esta simulando a si mismo? Es obvio que el segundo CPU jamas podría simular el futuro del primer CPU. O un algoritmo A que contiene un algoritmo B, puede el algoritmo B simular y predecir el algorimo A antes de que ocurra? Creo que entendes a que me refiero.
Veo bastante claro que no se puede predecir el futuro. Si me decís que esta demostrado que no se puede predecir el futuro, si te creo; pero la cuestion es que no veo que eso sea prueba de que el universo no es determinista.
Si me decís que necesito estudiar mecánica cuántica, pues vale, me va a tomar años, pero en algún momento terminare aprendiendo. Pero, no que la mecánica cuántica no puede predecir, solo porque el intentar medirlo modifica el propio estado? O que las cosas que ocurren se dan por probabilidades, y no por una causa y efecto claros? Para mi eso sigue siendo determinista, especialmente si el valor en porcentaje de probabilidades de que cada evento ocurra son constantes. Como soy ignorante todabia en el tema seguro estoy diciendo burradas, asi que perdoname jajaj.
Bueno, se agradece igual por la respuesta. Saludos.

Francisco R. Villatoro

Pablo, pensar con mentalidad de principios del siglo XIX y olvidar 150 años de ciencia, no me parece apropiado. Si quieres hablar de determinismo, hazlo desde el punto postmodernista en filosofía, pero en física las cosas están muy claras desde finales del siglo XIX.

Pablo Luciano RainieriPablo Luciano Rainieri

Perdon! Es justamente lo que menos quería hacer! me lo dejaste sumamente claro jajajajaj
Volveré cuando tenga estudiada hasta la ultima ecuación.

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