Hacia la explicación a escala molecular del sentido del tacto

Dibujo20171227 piezo1 cryoem nature25453

Un ingeniero diseñaría un sensor mecánico mediante un material piezoeléctrico. En su lugar las células usan canales iónicos mecanosensibles, como Piezo1 y Piezo2, que se abren bajo presión (o tensión) en la membrana de fosfolípidos, permitiendo el paso de iones que producen un impulso nervioso. Se publican en Nature y en eLife sendas estructuras tridimensionales de los canales Piezo1 (humano) y mPiezo1 (ratón) obtenidas por criomicroscopia electrónica.

Piezo1 está formada por tres cuchillas (blades) curvas que rodean el poro central que está cubierto por una especie de cúpula (dome). Solo se ha observado la conformación del estado cerrado del canal, con las cuchillas como hundidas en la membrana celular y el centro de la cúpula sobresaliendo muy poco respecto al nivel medio de la membrana. La hipótesis más razonable es que el poro se abre bajo tensiones mecánicas en la membrana que hacen que las cuchillas se estiren y se eleven hasta el nivel medio de la membrana, empujando a la cúpula hasta que sobresale de ella.

Para el físico y el ingeniero es curioso que la tensión mecánica en la membrana deforme la conformación de la proteína Piezo1 abriendo el poro y permitiendo la transferencia de iones a ambos lados de la membrana; esta señal química es el origen del potencial de acción que lleva la sensación táctil hasta las neuronas del sistema nervioso central. En biomedicina parece más relevante que las mutaciones de Piezo1 estén asociadas a ciertas enfermedades, como la estomatocitosis hereditaria deshidratada (los glóbulos rojos se deshidratan y se hacen más permeables a los cationes) y el linfedema congénito (una acumulación de la linfa en el tejido subcutáneo por obstrucción de los canales linfáticos). La comprensión de su funcionamiento ayudará al desarrollo de nuevos fármacos.

Los artículos son Kei Saotome, Swetha E. Murthy, …, Andrew B. Ward, “Structure of the mechanically activated ion channel Piezo1,” Nature (2017), doi: 10.1038/nature25453; Piezo1 en el ratón se estudia con una resolución de 3,7 Å en Yusong R Guo, Roderick MacKinnon, “Structure-based membrane dome mechanism for Piezo mechanosensitivity,” eLife 6: e33660 (2017), doi: 10.7554/eLife.33660.

Dibujo20171227 pore piezo1 cryoem nature25453

Los canales iónicos Piezo1 y Piezo2 fueron identificados en 2010; estos canales de gran tamaño (>2000 aminoácidos) son mecanotransductores de la sensación del tacto, la propiocepción, la nocicepción, el desarrollo vascular y la respiración. Sensibles a la tensión mecánica en la membrana, están formados por tres cuchillas que rodean el poro central sobre el que se encuentra una cúpula. Se cree que los iones (círculos verdes en la figura de arriba a la izquierda) atraviesan el canal pasando tanto a través de la cúpula y entre la cúpula y las cuchillas. El mecanismo detallado sigue siendo un misterio.

Dibujo20171227 CryoEM reconstruction of mPiezo1 elife 33660

Para mPiezo1 se ha logrado una resolución de 3,7 Å mediante cryo-EM. Alrededor del poro central hay tres brazos compuestos de hélices transmembranales. Los brazos no están coplanares a la membrana, sino que forman un ángulo de unos 30°, algo así como una pirámide invertida roma. En el centro se encuentra una cúpula con una superficie esférica con un radio de 10,2 nm, cuyo centro está unos 3,6 nm por encima del plano medio de la membrana (en el estado cerrado del poro).

Dibujo20171227 elastic model of tension-gating in mPiezo1 elife 33660

La hipótesis mecánica para el funcionamiento del canal es la siguiente. Con el canal cerrado, el área superficial del plano medio es de unos 400 nm² con un área proyectada de unos 280 nm². Con el canal abierto, el área total y el área proyectada se igualan, como una burbuja que se aplana. El cambio de área proyectada cuando está cerrado y abierto es de ΔA = 400 nm² – 280 nm² = 120 nm². Una membrana bajo una tensión γ favorecería la conformación abierta con una energía γ ΔA, que corresponde a 42 kB T (unos ~ 3,5 kB T / nm²), donde kB es la constante de Boltzmann y T la temperatura absoluta en kelvin. Cuando Piezo1 se abre parcialmente ΔA < 120 nm² y la diferencia de energía es menor. El amplio rango ΔA permite que Piezo1 tenga una gran sensibilidad a la tensión.

Piezo1 es muy estable cuando el poro está cerrado, con una conformación que podemos llamar curvada; se cree que el poro se abre cuando pasa a una conformación que podemos llamar plana. La ecuación para la energía libre es ΔG = (ΔGprot + ΔGbend) – γ ΔA, donde ΔGprot y ΔGbend se refiere a la diferencia de energía libre intrínseca de la proteína y de la membrana curvada, resp. En la transición entre cerrado y abierto ΔGprot es positivo (no favorable) y ΔGbend es negativo (favorable); con el canal cerrado estos términos tienden a cancelarse uno al otro, aunque ΔGprot es algo mayor. La rigidez de la membrana de fosfolípidos influye en el canal vía ΔGbend (las membranas más rígidas con un valor de ΔGbend más negativo hacen que el canal se abra para valores más pequeños de la tensión de la membrana).

Dibujo20171227 Model of tension-gating in mPiezo1 elife 33660

Por supuesto, como solo se ha observado la conformación cerrada del canal, el mecanismo propuesto para su activación es solo una hipótesis razonable; además, se asume que ΔGbend y ΔGprot son independientes de la tensión de la membrana, d(ΔG)/dγ = – ΔA, un punto clave que tendrá que ser confirmado por futuros estudios de otras conformaciones del canal. Por cierto, las curvas sigmoidales de activación que se muestran en la figura (abajo, derecha) son hipotéticas; se ha supuesto una fórmula de tipo P0= 1/(1 + exp ( (ΔGprot + ΔGbend) − γ ΔA) ); en concreto, para ΔGprot + ΔGbend = 20 kB T (en rojo) y 40 kB T (en azul) , que corresponden a ΔA = 20 nm² y 60 nm², respectivamente.

En resumen, haber observado la conformación en estado cerrado de Piezo1 permite proponer un (hipotético) mecanismo de activación (apertura/cierre) del canal; hay que destacar que entre otras hipótesis se ha sugerido la aplicación de una fuerza normal a la membrana que presione la cúpula contra las cuchillas. Por supuesto, la nueva hipótesis ya había sido propuesta con anterioridad, y aunque ahora parece más firme, sigue siendo una hipótesis razonable. Solo futuros estudios mediante criomicroscopia electrónica de otras conformaciones del canal permitirán confirmarla (o refutarla). Los avances en esta tecnología de imagen prometen dirimir esta cuestión el próximo año.


2 Comentarios

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yaviyavi

Qué interesante. ¿Los sensores piezoeléctricos son igual o más sensibles que los biológicos? Gracias como siempre Francis y FELIZ NAVIDAD.

Enrique Moreno

“Un ingeniero diseñaría un sensor mecánico mediante un material piezoeléctrico”. Humildemente yo creo que no. Un material piezoeléctrico puede venir bien para detectar vibraciones o fuerzas cíclicas, pero para un sentido del tacto lo ideal es emplear galgas extensiométricas con puente de Wheatstone.

Muy interesante artículo.

Saludos.

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