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¿Qué es la 'conductancia de calcio'?

¿Qué es la 'conductancia de calcio'?


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Cuál es el significado de la conductancia del calcio en los canales iónicos. Encontré esto en el siguiente texto:

Se estableció que los receptores opioides µ y δ canales de potasio abiertos, lo que resulta en una reducción de la conductancia del calcio (Simon, 2005).

Además, ¿por qué la apertura de un canal de potasio debería reducir la conductancia del calcio? Como están relacionados ?

Referencia:

Simon, E. J. (2005). Opiáceos: neurobiología. En J. H. Lowinson, P. Ruiz, R. B. Millman y J. G. Langrod (Eds.), Abuso de sustancias: un libro de texto completo (4ª ed., Págs. Xxiv, 1421 pág.). Filadelfia: Lippincott Williams y Wilkins.


La conductancia es la inversa de la resistencia y mide la cantidad de una sustancia dada que fluye a través de un canal. En este contexto, significa cuántos iones de calcio ingresan a la célula en un período de tiempo.

Hay al menos dos formas en que los canales de potasio pueden evitar que el calcio ingrese a la célula.

1) La ingesta de potasio por los canales iónicos disminuye el potencial de membrana, devolviéndola a su estado de reposo. Dado que muchos canales de calcio son dependientes del voltaje, una reducción del potencial de membrana los cerraría, disminuyendo efectivamente la conductancia del calcio.

2) Los canales de potasio pueden estar acoplados a diferentes vías de señalización (es decir, proteínas G), que pueden afectar indirectamente a otros canales de calcio.

En el caso de los receptores opioides, parece ser el primer mecanismo. Con los canales de potasio abiertos, es menos probable que la neurona se active, porque necesita una mayor estimulación para alcanzar el potencial de acción. Los canales de calcio se abren en las neuronas principalmente durante eventos de potencial de acción (aunque pueden existir otros canales de calcio que se abren en otras condiciones, es decir, en respuesta a hormonas o neuromoduladores).


Señalización de calcio neuronal

En las neuronas, el calcio juega un papel doble como portador de carga y mensajero intracelular. Las señales de calcio regulan varios procesos de desarrollo y tienen un papel clave en la apoptosis, la liberación de neurotransmisores y la excitabilidad de la membrana. ¿Cómo puede un mensajero intracelular ubicuo regular tantos procesos vitales diferentes en paralelo, pero también trabajar de forma independiente? La respuesta radica en la versatilidad de los mecanismos de señalización del calcio en términos de amplitud y patrón espacio-temporal dentro de una neurona. Aquí describimos algunos de los principales contribuyentes a la señalización del calcio neuronal.

Canales de calcio dependientes de voltaje (VGCC)

Los canales de calcio dependientes de voltaje son los principales mediadores de la entrada de calcio inducida por despolarización en las neuronas. Existe una gran diversidad en los subtipos de canales de calcio debido a múltiples genes que codifican subunidades de canales de calcio, empalme alternativo y ensamblaje conjunto con una variedad de subunidades de canales de calcio auxiliares. Esto permite que los VGCC desempeñen funciones distintas en subtipos neuronales específicos y en loci subcelulares particulares.

En condiciones de reposo, las concentraciones de calcio intracelular se encuentran en el rango de 100 nM debido a las moléculas amortiguadoras de calcio y al secuestro en las reservas de calcio intracelular. La apertura de los VGCC da como resultado un influjo de calcio a lo largo del gradiente electroquímico, lo que conduce a una elevación transitoria y localizada de la concentración de calcio intracelular en el rango micromolar alto. Esto, a su vez, desencadena una amplia gama de procesos dependientes del calcio que incluyen la transcripción de genes, la liberación de neurotransmisores, el crecimiento de neuritas y la activación de enzimas dependientes del calcio como la proteína cinasa II dependiente de calmodulina y la proteína cinasa C.

Liberación de calcio de los depósitos internos.

El almacenamiento de calcio es una de las funciones comúnmente atribuidas al retículo endoplásmico (RE) a través de los canales de liberación de calcio, los receptores de trifosfato de inositol (IP3Rs) y receptores de rianodina (RyR). Se han encontrado señales de calcio resultantes de la liberación de calcio de las reservas internas en varios tipos de neuronas en diferentes etapas de desarrollo. Mientras que IP3La liberación de calcio mediada es principalmente desencadenada por neurotransmisores como el glutamato (ver más abajo), los RyR pueden activarse por elevaciones de la concentración de calcio citosólico. Esta liberación de calcio inducida por calcio mediada por RyR puede contribuir a la amplificación del influjo de calcio generado por la activación del potencial de acción en las neuronas. Ambos IP 3Los Rs y RyR están regulados por el calcio mismo junto con otros factores intracelulares. Esta dependencia del calcio establece un circuito de retroalimentación que coordina la entrada de calcio desde las reservas internas al citosol. En el caso de la propiedad intelectual3Rs, la entrada de calcio juega un papel esencial en la generación de ondas de calcio en las neuronas neocorticales y de otro tipo.

Receptores NMDA

Los receptores NMDA son receptores ionotrópicos de glutamato y median una parte importante del influjo de calcio postsináptico en las espinas dendríticas de varios tipos de células neuronales y corteza. Este aumento en la concentración de calcio espinal es particularmente importante para la modificación a largo plazo de la fuerza sináptica. Los canales del receptor de NMDA son canales de cationes inespecíficos que son permeables a los iones de sodio, potasio y calcio.

Receptores AMPA permeables al calcio

Los receptores AMPA permeables al calcio son otra clase de receptores ionotrópicos de glutamato. Se encuentran en muchas formas de neuronas GABAérgicas espinosas y se caracterizan por la falta de una subunidad del receptor GluR2. Los receptores AMPA que carecen de GluR2 son permeables a los iones de sodio, calcio, potasio y zinc. Los receptores AMPA permeables al calcio tienen una alta conductancia en respuesta a la estimulación tetánica y permiten que las neuronas individuales produzcan diferentes tipos de respuestas a distintas entradas sinápticas. Es importante destacar que la presencia de receptores AMPA que contienen GluR2 (receptores AMPA nativos) y receptores AMPA que carecen de GluR2 (receptores AMPA permeables al calcio) no es estática, sino que está altamente regulada, particularmente en respuesta a la actividad neuronal. Por tanto, la permeabilidad de los receptores AMPA al calcio es dinámica dentro de una neurona determinada y, por tanto, puede contribuir a los mecanismos de plasticidad sináptica en neuronas espinosas.

La entrada directa de calcio a través de los receptores AMPA es capaz de desencadenar la muerte neuronal. Por lo tanto, la divergencia en la permeabilidad relativa al calcio de los receptores AMPA entre diferentes tipos de células neuronales podría ser un determinante importante de la vulnerabilidad neuronal selectiva.

Receptores metabotróficos de glutamato (mGluR)

Los mGluR son receptores acoplados a proteína G transmembrana 7 que están ampliamente distribuidos dentro de los sistemas nerviosos central y periférico. Se clasifican en los mGluR de los grupos I, II y III, se expresan de una manera específica de tipo celular y ejercen diversas funciones fisiológicas. Las clases de receptores difieren en sus mecanismos de señalización aguas abajo, por ejemplo, mGluR1 están acoplados a la proteína Gq. En los sistemas de expresión, el subtipo mGluR1 de este grupo media tanto en un aumento del calcio intracelular como en una corriente de entrada dependiente de TRPC3. Tras la activación de mGluR1, la fosfolipasa C media la generación de IP3, que se une a los receptores del ER e induce la liberación de calcio. Por el contrario, una activación de mGluR5 nativo en neuronas induce diferentes efectos celulares. En las neuronas del hipocampo, mGluR5 provoca una respuesta de calcio intracelular de pico único, mientras que en el neocórtex induce oscilaciones de calcio intracelular.

Resumen

El principal desafío en el análisis de las diversas fuentes de señalización de calcio neuronal es que generalmente no están activas una a la vez, pero tienen actividades superpuestas con fuertes interacciones. Por lo tanto, las imágenes de calcio son invaluables para decodificar los mecanismos de señalización específicos en las neuronas.


Contenido

Estructuralmente, los canales BK son homólogos a los canales de potasio activados por voltaje y ligando, y tienen un sensor de voltaje y un poro como dominio que atraviesa la membrana y un dominio citosólico para la unión de calcio y magnesio intracelulares. [5] Cada monómero de la subunidad alfa formadora de canales es el producto del gen KCNMA1 (también conocido como Slo1). La subunidad Slo1 tiene tres dominios estructurales principales, cada uno con una función distinta: el dominio de detección de voltaje (VSD) detecta el potencial de membrana a través de la membrana, el dominio citosólico (detecta la concentración de calcio, iones Ca²⁺) y el dominio de puerta de poro (PGD). ) que se abre y se cierra para regular la permeabilidad del potasio. La puerta de activación reside en el PGD, que se encuentra en el lado citosólico de S6 o en el filtro de selectividad (la selectividad es la preferencia de un canal para conducir un ión específico). [5] El dominio de detección de voltaje y el dominio controlado por poros se denominan colectivamente dominios que atraviesan la membrana y están formados por los segmentos transmembrana S1-S4 y S5-S6, respectivamente. Dentro de la hélice S4 contiene una serie de residuos cargados positivamente que sirven como sensor de voltaje primario. [6]

Los canales BK son bastante similares a los canales K⁺ activados por voltaje, sin embargo, en los canales BK solo un residuo cargado positivamente (Arg213) está involucrado en la detección de voltaje a través de la membrana. [5] También es exclusivo de los canales BK un segmento S0 adicional, este segmento es necesario para la modulación de la subunidad β. [7] [8] y sensibilidad al voltaje. [9]

El dominio citosólico se compone de dos dominios RCK (regulador de la conductancia de potasio), RCK1 y RCK2. Estos dominios contienen dos sitios de unión de Ca²⁺ de alta afinidad: uno en el dominio RCK1 y el otro en una región denominada cuenco de Ca²⁺ que consta de una serie de residuos de ácido aspártico (Asp) que se encuentran en el dominio RCK2. El sitio de unión de Mg²⁺ está ubicado entre el VSD y el dominio citosólico, que está formado por: residuos de Asp dentro del bucle S0-S1, residuos de asparagina en el extremo citosólico de S2 y residuos de glutamina en RCK1. [5] Al formar el sitio de unión de Mg²⁺, dos residuos provienen del RCK1 de una subunidad Slo1 y los otros dos residuos provienen del VSD de la subunidad vecina. Para que estos residuos coordinen el ion Mg²⁺, el VSD y el dominio citosólico de las subunidades vecinas deben estar muy cerca. [5] Las subunidades beta moduladoras (codificadas por KCNMB1, KCNMB2, KCNMB3 o KCNMB4) pueden asociarse con el canal tetramérico. Hay cuatro tipos de subunidades β (β1-4), cada una de las cuales tiene diferentes patrones de expresión que modifican las propiedades de activación del canal BK. La subunidad β1 es principalmente responsable de la expresión de las células del músculo liso, las subunidades β2 y β3 se expresan neuronalmente, mientras que β4 se expresa dentro del cerebro. [5] El VSD se asocia con el PGD a través de tres interacciones principales:

  1. Conexión física entre el VSD y el PGD a través del enlazador S4-S5.
  2. Interacciones entre el enlazador S4-S5 y el lado citosólico de S6.
  3. Interacciones entre S4 y S5 de una subunidad vecina.

Los canales BK están asociados y modulados por una amplia variedad de factores intra y extracelulares, como subunidades auxiliares (β, γ), Slobs (proteína de unión a slo), fosforilación, voltaje de membrana, ligandos químicos (Ca²⁺, Mg²⁺), PKC , Las subunidades α de BK se ensamblan 1: 1 con cuatro tipos auxiliares diferentes de subunidades β (β1, β2, β3 o β4). [10]

Se ha encontrado que el tráfico y la expresión de los canales BK en la membrana plasmática están regulados por distintos motivos de corte y empalme ubicados dentro de los dominios RCK intracelulares C-terminales. En particular, una variante de corte y empalme que excluía estos motivos impidió la expresión de los canales BK en la superficie celular y sugiere que tal mecanismo impacta en la fisiología y la fisiopatología. [10]

Los canales de BK en el sistema vascular están modulados por agentes producidos naturalmente en el cuerpo, como la angiotensina II (Ang II), la glucosa alta o el ácido araquidónico (AA) que se modula en la diabetes por el estrés oxidativo (ROS). [10]

Una sensibilidad de voltaje más débil permite que los canales BK funcionen en una amplia gama de potenciales de membrana. Esto asegura que el canal pueda realizar correctamente su función fisiológica. [11]

La inhibición de la actividad del canal BK por fosforilación de S695 por la proteína quinasa C (PKC) depende de la fosforilación de S1151 en el extremo C de la subunidad alfa del canal. Sólo es necesario que se produzca una de estas fosforilaciones en la estructura tetramérica para que la inhibición sea satisfactoria. La proteína fosfatasa 1 contrarresta la fosforilación de S695. PKC reduce la probabilidad de apertura del canal acortando el tiempo de apertura del canal y prolongando el estado cerrado del canal. La PKC no afecta la conductancia de un solo canal, la dependencia del voltaje o la sensibilidad al calcio de los canales BK. [11]

Los canales BK se activan sinérgicamente mediante la unión de iones de calcio y magnesio, pero también se pueden activar mediante la dependencia del voltaje. [10] La activación dependiente de Ca²⁺ ocurre cuando el Ca²⁺ intracelular se une a dos sitios de unión de alta afinidad: uno ubicado en el extremo C-terminal del dominio RCK2 (cuenco Ca²⁺) y el otro ubicado en el dominio RCK1. [5] El sitio de unión dentro del dominio RCK1 tiene una afinidad algo menor por el calcio que el cuenco de Ca²⁺, pero es responsable de una mayor parte de la sensibilidad al Ca²⁺. [12] El voltaje y el calcio activan los canales BK usando dos mecanismos paralelos, con los sensores de voltaje y los sitios de enlace de Ca²⁺ acoplados a la puerta de activación de forma independiente, excepto por una interacción débil entre los dos mecanismos. El recipiente de Ca²⁺ acelera la cinética de activación a concentraciones bajas de Ca²⁺, mientras que el sitio RCK1 influye tanto en la cinética de activación como en la de desactivación. [11] Un modelo de mecanismo fue propuesto originalmente por Monod, Wyman y Changeux, conocido como modelo MWC. El modelo MWC para los canales BK explica que un cambio conformacional de la puerta de activación en la apertura del canal se acompaña de un cambio conformacional en el sitio de unión de Ca²⁺, lo que aumenta la afinidad de la unión de Ca²⁺. [12]

La activación dependiente de magnesio de los canales BK se activa a través de un sitio de unión a metales de baja afinidad que es independiente de la activación dependiente de Ca²⁺. El sensor de Mg²⁺ activa los canales BK cambiando el voltaje de activación a un rango más negativo. Mg²⁺ activa el canal solo cuando el dominio del sensor de voltaje permanece en el estado activado. El dominio de la cola citosólica (CTD) es un sensor químico que tiene múltiples sitios de unión para diferentes ligandos. El CTD activa el canal BK cuando se une con Mg²⁺ intracelular para permitir la interacción con el dominio del sensor de voltaje (VSD). [11] El magnesio está coordinado predominantemente por seis átomos de oxígeno de las cadenas laterales de los residuos que contienen oxígeno, los grupos carbonilo de la cadena principal en las proteínas o las moléculas de agua. [12] D99 en el extremo C del bucle S0-S1 y N172 en el bucle S2-S3 contienen oxígenos de cadena lateral en el dominio del sensor de voltaje que son esenciales para la unión de Mg²⁺. Al igual que el modelo de activación dependiente de Ca²⁺, la activación dependiente de Mg²⁺ también puede describirse mediante un modelo de activación MCW alostérico. Mientras que el calcio activa el canal en gran medida independientemente del sensor de voltaje, el magnesio activa canal por canal mediante una interacción electrostática con el sensor de voltaje. [12] Esto también se conoce como el modelo Nudging, en el que el magnesio activa el canal empujando el sensor de voltaje a través de interacciones electrostáticas e involucra las interacciones entre cadenas laterales en diferentes dominios estructurales. [5] La energía proporcionada por la unión de voltaje, Ca²⁺ y Mg²⁺ se propagará a la puerta de activación de los canales BK para iniciar la conducción de iones a través del poro. [5]

Nivel celular Editar

Los canales BK ayudan a regular tanto la activación de neuronas como la liberación de neurotransmisores. [13] Esta modulación de la transmisión sináptica y la descarga eléctrica a nivel celular se debe a la expresión del canal BK junto con otros canales de potasio-calcio. [10] La apertura de estos canales provoca un impulso hacia el potencial de equilibrio de potasio y, por lo tanto, juega un papel en la aceleración de la repolarización de los potenciales de acción. [10] Esto permitiría efectivamente una estimulación más rápida. [10] También se juega un papel en la configuración de la repolarización general de las células y, por lo tanto, después de la hiperpolarización (AHP) de los potenciales de acción. [14] El papel que tienen los canales BK en la fase rápida de AHP se ha estudiado ampliamente en el hipocampo. [14] También puede desempeñar un papel en la inhibición de la liberación de neurotransmisores. [15] Hay muchos canales BK en las células de Purkinje del cerebelo, lo que destaca su papel en la coordinación y función motora. [14] Además, los canales BK desempeñan un papel en la modulación de la actividad de las dendritas, así como de los astrocitos y la microglía. [15] No solo juegan un papel en el SNC (sistema nervioso central) sino también en las contracciones del músculo liso, la secreción de células endocrinas y la proliferación de células. [13] Varias subunidades γ durante el desarrollo temprano del cerebro están involucradas en la excitabilidad neuronal y en las células no excitables a menudo son responsables como fuerza impulsora del calcio. [10] Por lo tanto, estas subunidades pueden ser objetivos de tratamientos terapéuticos como activadores del canal BK. [10] Existe más evidencia de que la inhibición de los canales BK evitaría la salida de potasio y, por lo tanto, reduciría el uso de ATP, lo que permitiría de hecho la supervivencia neuronal en entornos con poco oxígeno. [10] Los canales BK también pueden funcionar como un protector neuronal en términos tales como limitar la entrada de calcio en las células a través de la oxidación de metionina. [10]

Nivel de órgano Editar

Los canales BK también juegan un papel importante en la audición. [14] Esto se encontró cuando la subunidad ɑ de BK se eliminó en ratones y se observó la pérdida progresiva de las células ciliadas cocleares y, por lo tanto, la pérdida de audición. [14] Los canales BK no solo participan en la audición, sino también en los ritmos circadianos. Las proteínas de unión a Slo (Slobs) pueden modular los canales BK en función de los ritmos circadianos en las neuronas. [10] Los canales BK se expresan en el núcleo supraquiasmático (SCN), que se caracteriza por influir en la fisiopatología del sueño. [14] Los abridores de canales BK también pueden tener un efecto protector sobre el sistema cardiovascular. [10] A una concentración baja de calcio, los canales BK tienen un mayor impacto en el tono vascular. [10] Además, el sistema de señalización de los canales BK en el sistema cardiovascular influye en el funcionamiento del flujo sanguíneo coronario. [10] Una de las funciones de la subunidad β en el cerebro incluye la inhibición de los canales BK, lo que permite la ralentización de las propiedades del canal, así como la capacidad de ayudar en la prevención de convulsiones en el lóbulo temporal. [10]

Nivel de función corporal Editar

Las mutaciones de los canales BK, que dan como resultado una menor cantidad de expresión en el ARNm, son más comunes en personas con discapacidades mentales (por hipofunción [15]), esquizofrénicas o autistas. [10] Además, el aumento de la repolarización causado por mutaciones del canal BK puede conducir a la dependencia del alcohol al inicio de discinesias, epilepsia o trastornos del movimiento paroxístico.[10] Los canales BK no solo son importantes en muchos procesos celulares en el adulto, sino que también son cruciales para el suministro de una nutrición adecuada al feto en desarrollo. [10] Por lo tanto, el estrógeno puede causar un aumento en la densidad de los canales BK en el útero. [10] Sin embargo, se ha encontrado una mayor expresión de los canales BK en las células tumorales, y esto podría influir en la futura terapia contra el cáncer, que se analiza más en la sección de farmacología. [10] Los canales BK son ubicuos en todo el cuerpo y, por lo tanto, tienen un gran impacto en el cuerpo como un todo y a un nivel más celular, como se discutió.

Posibles problemas Editar

Surgen varios problemas cuando hay un déficit en los canales BK. Las consecuencias del mal funcionamiento del canal BK pueden afectar el funcionamiento de una persona de muchas maneras, algunas más potencialmente mortales que otras. Los canales BK pueden ser activados por contaminantes exógenos y gasotransmisores endógenos monóxido de carbono, [16] [17] óxido nítrico y sulfuro de hidrógeno. [18] Las mutaciones en las proteínas involucradas con los canales BK o genes que codifican los canales BK están involucradas en muchas enfermedades. Un mal funcionamiento de los canales BK puede proliferar en muchos trastornos como: epilepsia, cáncer, diabetes, asma e hipertensión. [13] Específicamente, el defecto β1 puede aumentar la presión arterial y la retención de hidrosalina en el riñón. [13] Se ha descubierto que tanto la pérdida de función como la ganancia de mutaciones de función están involucradas en trastornos como la epilepsia y el dolor crónico. [15] Además, los aumentos en la activación del canal BK, a través de mutantes de ganancia de función y amplificación, tiene vínculos con la epilepsia y el cáncer. [13] Además, los canales BK desempeñan un papel tanto en los tumores como en los cánceres. En ciertos cánceres, se puede encontrar gBK, una variante del canal iónico llamado canal BK del glioma. [14] Se sabe que los canales BK influyen de alguna manera en la división de las células durante la replicación, que cuando no se regula puede provocar cánceres y tumores. [14] Además, un aspecto estudiado incluye la migración de las células cancerosas y el papel en el que los canales BK pueden facilitar esta migración, aunque todavía se desconoce mucho. [14] Otra razón por la que la comprensión del canal BK es importante tiene que ver con su papel en la cirugía de trasplante de órganos. Esto se debe a la activación de los canales BK que influyen en la repolarización del potencial de membrana en reposo. [10] Por lo tanto, la comprensión es crucial para la seguridad de un trasplante eficaz.

Desarrollos actuales Editar

Los canales BK se pueden utilizar como dianas farmacológicas para el tratamiento de varios trastornos médicos, incluido el accidente cerebrovascular [19] y la vejiga hiperactiva. [20] Ha habido intentos de desarrollar moléculas sintéticas dirigidas a los canales BK, [21] sin embargo, sus esfuerzos han demostrado ser en gran medida ineficaces hasta ahora. Por ejemplo, BMS-204352, una molécula desarrollada por Bristol-Myers Squibb, no logró mejorar el resultado clínico en pacientes con accidente cerebrovascular en comparación con el placebo. [22] Sin embargo, ha habido cierto éxito del agonista de los canales BKCa, BMS-204352, en el tratamiento de los déficits observados en ratones knockout para Fmr1, un modelo del síndrome de X frágil. [23] [24] Los canales BK también funcionan como bloqueadores en la isquemia y son un foco en la investigación de su uso como terapia para el accidente cerebrovascular. [10]

Direcciones futuras Editar

Existen muchas aplicaciones para las estrategias terapéuticas que involucran canales BK. Ha habido investigaciones que muestran que un bloqueo de los canales BK da como resultado un aumento en la liberación de neurotransmisores, lo que indica de manera efectiva las posibilidades terapéuticas futuras en la mejora de la cognición, la mejora de la memoria y el alivio de la depresión. [13] Una respuesta conductual al alcohol también está modulada por los canales BK, [10] por lo tanto, una mayor comprensión de esta relación puede ayudar al tratamiento en pacientes alcohólicos. El estrés oxidativo en los canales BK puede conducir a los deterioros negativos que tiene la reducción de la presión arterial a través de la relajación cardiovascular tanto en el envejecimiento como en la enfermedad. [10] Por lo tanto, el sistema de señalización puede participar en el tratamiento de la hipertensión y la aterosclerosis [10] mediante el direccionamiento de la subunidad ɑ para prevenir estos efectos perjudiciales. Además, el papel conocido que pueden desempeñar los canales BK en el cáncer y los tumores es limitado. Por lo tanto, no hay mucho conocimiento actual sobre aspectos específicos de los canales BK que pueden influir en tumores y cánceres. [14] Es fundamental realizar más estudios, ya que esto podría conducir a un inmenso desarrollo en los tratamientos para quienes padecen cáncer y tumores. Se sabe que las epilepsias se deben a la sobreexcitabilidad de las neuronas, cuyos canales BK tienen un gran impacto en el control de la hiperexcitabilidad. [4] Por lo tanto, la comprensión podría influir en el tratamiento de la epilepsia. En general, los canales BK son un objetivo para futuros agentes farmacológicos que pueden usarse para tratamientos benévolos de enfermedades.


Potencial de membrana

Introducción

Una membrana excitable tiene un potencial estable cuando no hay una corriente iónica neta que fluya a través de la membrana. Dos factores determinan el flujo neto de iones a través de un canal iónico abierto: el potencial de membrana y las diferencias en las concentraciones de iones entre los espacios intracelular y extracelular. Debido a que las células tienen potenciales intracelulares negativos, la fuerza eléctrica tenderá a dirigir iones cargados positivamente (cationes como sodio, potasio y calcio) para que fluyan hacia la célula. Por lo tanto, las fuerzas eléctricas dirigirán un flujo hacia adentro de iones de sodio, potasio y calcio y un flujo hacia afuera de iones de cloruro. La dirección del movimiento iónico producido por la "fuerza de concentración" depende de las diferencias de concentración del ión entre los compartimentos intracelular y extracelular. Los iones de sodio, calcio y cloruro tienen concentraciones extracelulares más altas en comparación con las concentraciones intracelulares. La concentración intracelular de potasio es mayor que la concentración extracelular. Las fuerzas de concentración dirigen un flujo hacia adentro de iones de sodio, calcio y cloruro y un flujo hacia afuera de iones de potasio. El potencial de membrana al que se equilibran las fuerzas eléctricas y de concentración para un ión determinado se denomina potencial de equilibrio o de Nernst para un ión determinado. En el potencial de equilibrio, los movimientos de corriente hacia adentro y hacia afuera se equilibran para un ion específico debido al equilibrio de las fuerzas eléctricas y de concentración. Para un catión dado, a potenciales de membrana que son negativos en comparación con el potencial de equilibrio, los iones fluyen hacia la célula, y a potenciales de membrana que son más positivos que el potencial de equilibrio, la corriente transportada por el ion específico fluirá fuera de la célula. La dirección del movimiento de la corriente para un ión específico siempre tiende a llevar el potencial de membrana de regreso al potencial de equilibrio para ese ión específico. En la Tabla 1 se muestran ejemplos de potenciales de equilibrio aproximados para iones en el músculo esquelético.

Tabla 1 . Potenciales de equilibrio

IonPotencial de equilibrio (mV)
Sodio65
Potasio−105
Calcio& ampgt100
Cloruro−95 (potencial en reposo)
Potencial de reposo−95

El potencial de membrana representa un equilibrio entre los potenciales de equilibrio de los iones a los que la membrana es permeable. Cuanto mayor sea la conductancia de un ion, más influirá ese ion en el potencial de membrana de la célula. Las principales conductancias responsables de establecer el potencial de membrana en reposo son las del cloruro, el potasio y el sodio. La conductancia del cloruro es grande en las fibras del músculo esquelético, en las que está mediada por los canales de cloruro del músculo esquelético. Las fibras nerviosas periféricas tienen conductancias de cloruro más pequeñas. En el músculo esquelético, el cloruro es la conductancia de la membrana dominante y representa aproximadamente el 80% de la conductancia de la membrana en reposo. Los canales de cloruro en el músculo esquelético son inusuales porque están activados por la presencia de iones en los orificios intracelulares y extracelulares más que por el potencial de membrana. Es probable que el canal se abra cuando se presente un ion cloruro. Las propiedades de compuerta únicas de los canales de cloruro dan como resultado que los iones de cloruro se distribuyan a través de la membrana de acuerdo con el potencial de la membrana. En consecuencia, la conductancia del cloruro no establece el potencial de membrana.

En cambio, la conductancia del cloruro actúa como un freno para dificultar la despolarización de la membrana. Por tanto, la conductancia del cloruro proporciona una importante influencia estabilizadora sobre el potencial de membrana.

El ion dominante en el establecimiento del potencial de membrana en reposo es el potasio. La conductancia de potasio representa aproximadamente el 20% de la conductancia de la membrana en reposo en el músculo esquelético y explica la mayor parte de la conductancia en reposo en neuronas y fibras nerviosas. Esto se debe principalmente a los canales iónicos no controlados, que se componen de rectificadores hacia adentro y canales de "fuga lenta". Los canales rectificadores internos son responsables de mantener el potencial de la membrana en ausencia de una corriente eléctrica de excitación. Son los canales iónicos no divididos los responsables de las diferencias en la respuesta eléctrica de varios tipos de células. Por ejemplo, las neuronas, que contienen canales iónicos no ligados para potasio, sodio y cloruro, tienen un potencial de membrana en reposo que se desvía del potencial de Nernst calculado para K + (especialmente a concentraciones bajas), mientras que las células gliales, que contienen canales iónicos no ligados solo por potasio, tienen un potencial de membrana en reposo que coincide estrechamente con el potencial de Nernst calculado para K +.

La pequeña cantidad de conductancia de sodio en el músculo esquelético en reposo, o la membrana nerviosa, hace que el potencial de membrana en reposo sea ligeramente positivo o despolarizado en comparación con el potencial de equilibrio del potasio (Tabla 2). La clase específica de canal de potasio que determina el potencial de membrana en reposo es el canal de potasio rectificador anómalo o interno. La conductancia del calcio en reposo es extremadamente pequeña. Por tanto, el calcio no contribuye al potencial de membrana en reposo.

Tabla 2 . Potencial de membrana en diferentes condiciones

Estado de la membranaConductancia de membrana dominantePotencial de membrana
DescansandoK + Cerca del potencial de equilibrio de K +, aproximadamente -95 mV
Pico de potencial de acciónNa + Cerca del potencial de equilibrio de Na +, aproximadamente 40 mV

Durante un potencial de acción, los canales de Na + se abren y la conductancia de membrana dominante es la de Na +. En consecuencia, el potencial de membrana es aproximadamente el mismo que el potencial de equilibrio de Na + (Tabla 2).


Otros asuntos

Los modelos basados ​​en la conductancia para células excitables se desarrollan para ayudar a comprender los mecanismos subyacentes que contribuyen a la generación del potencial de acción, disparos y estallidos repetitivos (es decir, patrones oscilatorios), etc. A su vez, estas características intrínsecas afectan los comportamientos en las redes neuronales.

Sin embargo, a medida que se expande el número de corrientes incluidas en los modelos basados ​​en conductancia, se vuelve más difícil comprender y predecir la dinámica del modelo resultante debido al número creciente de ecuaciones diferenciales. Por ejemplo, el modelo original de Hodgkin-Huxley es un sistema de cuarto orden de EDO. Se han realizado esfuerzos no solo para capturar la dinámica cualitativa de los modelos basados ​​en conductancia (por ejemplo, el modelo de FitzHugh-Nagumo) sino también para reducir la complejidad del sistema (por ejemplo, Kepler et al. 1992).

Están disponibles las distinciones matemáticas en modelos basados ​​en conductancia que utilizan sistemas dinámicos y análisis de bifurcación. Los detalles se describen en Izhikevich (2007).


La estructura tridimensional de un canal de K + bacteriano muestra cómo puede funcionar un canal de iones

La notable capacidad de los canales iónicos para combinar una exquisita selectividad iónica con una alta conductancia ha desconcertado a los científicos durante mucho tiempo. Los canales de fuga de K +, por ejemplo, conducen K + 10.000 veces mejor que el Na +, sin embargo, los dos iones son esferas sin rasgos con diámetros similares (0,133 nm y 0,095 nm, respectivamente). Una sustitución de un solo aminoácido en el poro de un canal de K + puede resultar en una pérdida de selectividad iónica y muerte celular. La selectividad normal no se puede explicar por el tamaño de los poros, porque el Na + es más pequeño que el K +. Además, la alta tasa de conductancia es incompatible con el hecho de que el canal tenga sitios de unión de K + selectivos y de alta afinidad, ya que la unión de iones de K + a dichos sitios ralentizaría enormemente su paso.

El rompecabezas se resolvió cuando la estructura de un K bacteriano + canalse determinó mediante cristalografía de rayos X. El canal está formado por cuatro subunidades transmembrana idénticas, que juntas forman un poro central a través de la membrana (fig. 11-23). Los aminoácidos cargados negativamente se concentran en la entrada citosólica del poro y se cree que atraen cationes y repelen aniones, lo que hace que el canal sea selectivo para los cationes. Cada subunidad aporta dos hélices transmembrana, que se inclinan hacia afuera en la membrana y juntas forman un cono, con su extremo ancho hacia el exterior de la célula por donde los iones K + salen del canal. La cadena polipeptídica que conecta las dos hélices transmembrana forma una hélice corta & # x003b1 (la hélice de poros) y un bucle crucial que sobresale en la sección ancha del cono para formar el filtro de selectividad. Los bucles de selectividad de las cuatro subunidades forman un poro corto, rígido y estrecho, que está revestido por los átomos de oxígeno del carbonilo de sus cadenas principales polipeptídicas. Debido a que los bucles de selectividad de todos los canales de K + conocidos tienen secuencias de aminoácidos similares, es probable que formen una estructura muy similar. La estructura cristalina muestra dos iones K + en un solo archivo dentro del filtro de selectividad, separados por aproximadamente 8 & # x000c5. Se cree que la repulsión mutua entre los dos iones ayuda a moverlos a través del poro hacia el líquido extracelular.

Figura 11-23.

La estructura de un canal de K + bacteriano. (A) Solo se muestran dos de las cuatro subunidades idénticas. Desde el lado citosólico, el poro se abre hacia un vestíbulo en el medio de la membrana. El vestíbulo facilita el transporte al permitir que los iones K + (más.)

La estructura del filtro de selectividad explica la exquisita selectividad iónica del canal. Para que un ion K + ingrese al filtro, debe perder casi todas sus moléculas de agua unidas e interactuar con los carbonil oxígenos que recubren el filtro de selectividad, que están rígidamente espaciados a la distancia exacta para acomodar un ion K +. Por el contrario, un ion Na + no puede entrar en el filtro porque los carbonil oxígenos están demasiado lejos del ion Na + más pequeño para compensar el gasto energético asociado con la pérdida de moléculas de agua necesarias para la entrada (figura 11-24).

Figura 11-24

Especificidad de K + del filtro de selectividad en un canal de K +. El dibujo muestra iones de K + y Na + (A) en el vestíbulo y (B) en el filtro de selectividad del poro, visto en sección transversal. En el vestíbulo, los iones se hidratan. En el filtro de selectividad, (más.)

Los estudios estructurales del canal de K + bacteriano han indicado cómo estos canales pueden abrirse y cerrarse. Los bucles que forman el filtro de selectividad son rígidos y no cambian de conformación cuando el canal se abre o se cierra. Por el contrario, las hélices transmembrana interna y externa que recubren el resto del poro se reorganizan cuando el canal se cierra, lo que hace que el poro se contraiga como un diafragma en su extremo citosólico (figura 11-25). Aunque el poro no se cierra por completo, la pequeña abertura que queda está revestida por cadenas laterales de aminoácidos hidrófobos, que bloquean la entrada de iones.

Figura 11-25.

Un modelo para la compuerta de un canal de K + bacteriano. El canal se ve en sección transversal. Para adoptar la conformación cerrada, las cuatro hélices transmembrana internas que recubren el poro en el lado citosólico del filtro de selectividad (ver Figura 11-22) se reorganizan (más).

Las células que más utilizan los canales iónicos son las neuronas. Antes de discutir cómo lo hacen, debemos hacer una digresión para repasar brevemente cómo está organizada una neurona típica.


Los canales SK regulan las propiedades de reposo y la fiabilidad de la señalización de una neurona de rápido crecimiento en desarrollo

La transmisión de señales confiable y precisa es esencial en los circuitos del tronco encefálico auditivo para codificar la sincronización con una precisión de submilisegundos. Las células tupidas globulares transfieren de manera confiable y fiel señales de picos a las neuronas principales del núcleo medial del cuerpo trapezoide (MNTB) a través de la sinapsis glutamatérgica gigante, el cáliz de Held. Por lo tanto, el MNTB funciona como un núcleo de retransmisión que conserva el patrón temporal de disparo a alta frecuencia. Utilizando registros de pinza de parche de células enteras, observamos una conductancia de K + mediada por canales de potasio (SK) activados por calcio de pequeña conductancia en las neuronas MNTB de ratas de ambos sexos. Los canales SK se activaron mediante chispas de Ca 2+ intracelulares y corrientes de salida transitorias espontáneas mediadas en el desarrollo de neuronas MNTB. Los canales SK también fueron activados por la afluencia de Ca 2+ a través de canales de Ca 2+ activados por voltaje y receptores NMDA activados sinápticamente. El bloqueo de los canales SK con apamina despolarizó el potencial de membrana en reposo, redujo la conductancia en reposo y afectó la capacidad de respuesta de las neuronas MNTB a las señales de entrada. Además, los canales SK fueron activados por potenciales de acción y afectaron el pico después de la hiperpolarización. El bloqueo de los canales SK interrumpió la transmisión de señales uno a uno de los cálices presinápticos a las neuronas MNTB postsinápticas e indujo potenciales de acción postsinápticos adicionales en respuesta a la descarga presináptica. Estos datos revelan que los canales SK desempeñan un papel crucial en la regulación de las propiedades en reposo y en el mantenimiento de una transmisión de señales fiable de las neuronas MNTB.DECLARACIÓN DE IMPORTANCIA Se requiere una transmisión de señal confiable y precisa en los circuitos auditivos del tronco encefálico para localizar la fuente de sonido. El cáliz de la sinapsis de Held en el núcleo medial de los mamíferos del cuerpo trapezoide (MNTB) juega un papel importante en la localización del sonido. Investigamos los canales de potasio que dan forma a la confiabilidad de la transferencia de señal a través de la sinapsis calicial y observamos una conductancia de potasio mediada por canales de potasio (SK) activados por calcio de pequeña conductancia en las neuronas principales de MNTB de rata. Descubrimos que los canales SK se activan tónicamente y contribuyen a las propiedades de la membrana en reposo de las neuronas MNTB. Curiosamente, los canales SK se activan transitoriamente por las chispas de calcio y el influjo de calcio durante los potenciales de acción y controlan la transmisión de señales uno a uno desde los cálices presinápticos a las neuronas MNTB postsinápticas.

Palabras clave: MNTB SK canal excitabilidad canal de potasio en reposo potencial de membrana fidelidad de transmisión.

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Cifras

Los canales SK mediados por STOC. A…

Los canales SK mediados por STOC. A , Grabaciones STOC en control y después del baño ...

Cambio de desarrollo de STOC. A…

Cambio de desarrollo de STOC. A , Grabaciones STOC representativas en neuronas MNTB de rata ...

Las chispas de calcio activaron el transitorio ...

Las chispas de calcio activaron la corriente SK transitoria. A , Grabaciones STOC bajo control ...

Corriente tónica SK. A ,…

Corriente tónica SK. A , B , Pasos de tensión de despolarización (15 s) de…

Activación de la corriente SK. A…

Activación de la corriente SK. A , Una rampa de voltaje lenta (5 mV / s) evocada ...

Efectos de los canales SK en ...

Efectos de los canales SK sobre las propiedades de la membrana en reposo de las neuronas MNTB. A ,…

Efectos de los canales SK en ...

Efectos de los canales SK sobre la capacidad de respuesta. ANUNCIO , Respuestas de voltaje a formas de onda de tipo sináptico ...

Activación de canales SK por ...

Activación de canales SK por entrada de Ca 2+ a través de receptores NMDA. A ,…

Activación de canales SK durante ...

Activación de canales SK durante el potencial de acción. A , Un breve paso de voltaje ...

Se requirió la activación del canal SK para ...

Se requirió la activación del canal SK para una transmisión de señal altamente confiable. A , Traza representativa ...


Contenido

Un equilibrio de magnesio es vital para el bienestar de todos los organismos. El magnesio es un ion relativamente abundante en la corteza y el manto de la Tierra y está altamente biodisponible en la hidrosfera. Esta disponibilidad, en combinación con una química útil y muy inusual, puede haber llevado a su utilización en la evolución como ión para señalización, activación enzimática y catálisis. Sin embargo, la naturaleza inusual del magnesio iónico también ha llevado a un gran desafío en el uso del ión en sistemas biológicos. Las membranas biológicas son impermeables al magnesio (y otros iones), por lo que las proteínas de transporte deben facilitar el flujo de magnesio, tanto dentro como fuera de las células y los compartimentos intracelulares.

La clorofila en las plantas convierte el agua en oxígeno como O2. La hemoglobina en animales vertebrados transporta oxígeno como O2 en la sangre. La clorofila es muy similar a la hemoglobina, excepto que el magnesio está en el centro de la molécula de clorofila y el hierro está en el centro de la molécula de hemoglobina, con otras variaciones. [6] Este proceso mantiene vivas las células vivas en la tierra y mantiene los niveles de referencia de CO2 y O2 en la atmósfera.

Salud humana Editar

La ingesta inadecuada de magnesio con frecuencia causa espasmos musculares y se ha asociado con enfermedades cardiovasculares, diabetes, presión arterial alta, trastornos de ansiedad, migrañas, osteoporosis e infarto cerebral. [7] [8] La deficiencia aguda (ver hipomagnesemia) es poco común y es más común como efecto secundario de un fármaco (como el uso crónico de alcohol o diuréticos) que por la baja ingesta de alimentos per se, pero puede ocurrir en personas que se alimentan por vía intravenosa durante largos períodos de tiempo.

El síntoma más común de una ingesta excesiva de magnesio por vía oral es la diarrea. Los suplementos a base de quelatos de aminoácidos (como glicinato, lisinato, etc.) son mucho mejor tolerados por el sistema digestivo y no tienen los efectos secundarios de los compuestos más antiguos utilizados, mientras que los suplementos dietéticos de liberación sostenida previenen la aparición de diarrea. [ cita necesaria ] Dado que los riñones de los seres humanos adultos excretan el exceso de magnesio de manera eficiente, la intoxicación oral por magnesio en adultos con función renal normal es muy rara. Los bebés, que tienen menos capacidad para excretar el exceso de magnesio incluso cuando están sanos, no deben recibir suplementos de magnesio, excepto bajo el cuidado de un médico.

Las preparaciones farmacéuticas con magnesio se utilizan para tratar afecciones que incluyen la deficiencia de magnesio y la hipomagnesemia, así como la eclampsia. [9] Estas preparaciones suelen estar en forma de sulfato o cloruro de magnesio cuando se administran por vía parenteral. El cuerpo absorbe el magnesio con una eficiencia razonable (30% a 40%) a partir de cualquier sal de magnesio soluble, como el cloruro o el citrato. El magnesio se absorbe de manera similar de las sales de Epsom, aunque el sulfato en estas sales aumenta su efecto laxante en dosis más altas. La absorción de magnesio a partir de las sales de óxidos e hidróxidos insolubles (leche de magnesia) es errática y de menor eficiencia, ya que depende de la neutralización y disolución de la sal por el ácido del estómago, que puede no ser (y generalmente no lo es) completa. .

El orotato de magnesio puede usarse como terapia adyuvante en pacientes con un tratamiento óptimo para la insuficiencia cardíaca congestiva grave, aumentando la tasa de supervivencia y mejorando los síntomas clínicos y la calidad de vida del paciente. [10]

Conducción nerviosa Editar

El magnesio puede afectar la relajación muscular a través de una acción directa sobre las membranas celulares. Los iones Mg 2+ cierran ciertos tipos de canales de calcio, que conducen iones de calcio cargados positivamente hacia las neuronas. Con un exceso de magnesio, se bloquearán más canales y disminuirá la actividad de las células nerviosas. [11] [12]

Hipertensión Editar

El sulfato de magnesio intravenoso se usa para tratar la preeclampsia. [13] Para otros casos de hipertensión no relacionada con el embarazo, un metanálisis de 22 ensayos clínicos con rangos de dosis de 120 a 973 mg / día y una dosis media de 410 mg, concluyó que la suplementación con magnesio tuvo un efecto pequeño pero estadísticamente significativo, reduciendo presión arterial sistólica de 3 a 4 mm Hg y presión arterial diastólica de 2 a 3 mm Hg. El efecto fue mayor cuando la dosis fue superior a 370 mg / día. [14]

Tolerancia a la diabetes y la glucosa Editar

Una mayor ingesta dietética de magnesio corresponde a una menor incidencia de diabetes. [15] Para las personas con diabetes o con alto riesgo de diabetes, los suplementos de magnesio reducen la glucosa en ayunas. [dieciséis]

El Instituto de Medicina de EE. UU. (IOM) actualizó los Requisitos promedio estimados (EAR) y las asignaciones dietéticas recomendadas (RDA) de magnesio en 1997. Si no hay información suficiente para establecer EAR y RDA, en su lugar se utiliza una estimación designada como ingesta adecuada (IA) . Las TAE actuales para el magnesio para mujeres y hombres de 31 años en adelante son 265 mg / día y 350 mg / día, respectivamente. Las dosis diarias recomendadas son 320 y 420 mg / día. Las RDA son más altas que las EAR para identificar los montos que cubrirán a las personas con requisitos superiores al promedio. La dosis diaria recomendada para el embarazo es de 350 a 400 mg / día, según la edad de la mujer. La dosis diaria recomendada para la lactancia varía de 310 a 360 mg / día por la misma razón. Para los niños de 1 a 13 años, la dosis diaria recomendada aumenta con la edad de 65 a 200 mg / día. En cuanto a la seguridad, el IOM también establece niveles máximos de ingesta tolerable (UL) de vitaminas y minerales cuando la evidencia es suficiente. En el caso del magnesio, el UL se establece en 350 mg / día. El UL es específico para el magnesio consumido como suplemento dietético, la razón es que demasiado magnesio consumido a la vez puede causar diarrea. La UL no se aplica al magnesio de origen alimentario. En conjunto, las EAR, RDA y UL se denominan ingestas dietéticas de referencia. [17]

Referencia Ingesta diaria de magnesio [18]
La edad Masculino Mujer El embarazo Lactancia
Desde el nacimiento hasta los 6 meses 30 mg * 30 mg *
7-12 meses 75 mg * 75 mg *
1-3 años 80 magnesio 80 magnesio
4-8 años 130 magnesio 130 magnesio
9-13 años 240 magnesio 240 magnesio
14-18 años 410 magnesio 360 magnesio 400 magnesio 360 magnesio
19-30 años 400 magnesio 310 magnesio 350 magnesio 310 magnesio
31 a 50 años 420 magnesio 320 magnesio 360 magnesio 320 magnesio
51+ años 420 magnesio 320 magnesio

La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) se refiere al conjunto colectivo de información como Valores de Referencia Dietéticos, con Ingesta de Referencia de la Población (PRI) en lugar de RDA, y Requisito Promedio en lugar de EAR. AI y UL definieron lo mismo que en Estados Unidos. Para mujeres y hombres mayores de 18 años, los IA se establecen en 300 y 350 mg / día, respectivamente. Los IA para el embarazo y la lactancia también son de 300 mg / día. Para los niños de 1 a 17 años, los IA aumentan con la edad de 170 a 250 mg / día. Estas IA son más bajas que las RDA de EE. UU. [19] La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria revisó la misma pregunta de seguridad y estableció su UL en 250 mg / día, más bajo que el valor de EE. UU. [20] El UL de magnesio es único porque es más bajo que algunas de las RDA. Se aplica a la ingesta de un agente farmacológico o suplemento dietético únicamente, y no incluye la ingesta de alimentos y agua.

Para fines de etiquetado de alimentos y suplementos dietéticos de EE. UU., La cantidad en una porción se expresa como un porcentaje del valor diario (% DV). Para fines de etiquetado de magnesio, el 100% del valor diario fue de 400 mg, pero a partir del 27 de mayo de 2016, se revisó a 420 mg para que esté de acuerdo con la RDA. [21] [22] Se exigió el cumplimiento de las regulaciones de etiquetado actualizadas antes del 1 de enero de 2020, para los fabricantes con $ 10 millones o más en ventas anuales de alimentos, y antes del 1 de enero de 2021, para los fabricantes con menos de $ 10 millones en ventas anuales de alimentos. [23] [24] [25] Durante los primeros seis meses posteriores a la fecha de cumplimiento del 1 de enero de 2020, la FDA planea trabajar en cooperación con los fabricantes para cumplir con los nuevos requisitos de la etiqueta de información nutricional y no se centrará en las acciones de cumplimiento con respecto a estos requisitos durante ese tiempo. [23] Se proporciona una tabla de los valores diarios de adultos nuevos y antiguos en la ingesta diaria de referencia.

Los vegetales verdes como la espinaca proporcionan magnesio debido a la abundancia de moléculas de clorofila, que contienen el ion. Las nueces (especialmente nueces de Brasil, anacardos y almendras), semillas (por ejemplo, semillas de calabaza), chocolate amargo, soja tostada, salvado y algunos granos integrales también son buenas fuentes de magnesio. [26]

Aunque muchos alimentos contienen magnesio, generalmente se encuentra en niveles bajos. Como ocurre con la mayoría de los nutrientes, es poco probable que las necesidades diarias de magnesio se satisfagan con una porción de un solo alimento. Comer una amplia variedad de frutas, verduras y cereales ayudará a garantizar una ingesta adecuada de magnesio. [ cita necesaria ]

Debido a que el magnesio se disuelve fácilmente en agua, los alimentos refinados, que a menudo se procesan o cocinan en agua y se secan, en general, son fuentes pobres del nutriente. Por ejemplo, el pan de trigo integral tiene el doble de magnesio que el pan blanco porque el germen y el salvado ricos en magnesio se eliminan cuando se procesa la harina blanca. La tabla de fuentes alimenticias de magnesio sugiere muchas fuentes dietéticas de magnesio. [ cita necesaria ]

El agua "dura" también puede proporcionar magnesio, pero el agua "blanda" contiene menos iones. Las encuestas dietéticas no evalúan la ingesta de magnesio del agua, lo que puede llevar a subestimar la ingesta total de magnesio y su variabilidad.

Demasiado magnesio puede dificultar la absorción del calcio por parte del cuerpo. [ cita necesaria ] La insuficiencia de magnesio puede provocar hipomagnesemia como se describió anteriormente, con latidos cardíacos irregulares, presión arterial alta (un signo en los seres humanos pero no en algunos animales de experimentación como los roedores), insomnio y espasmos musculares (fasciculación). Sin embargo, como se señaló, se cree que los síntomas de bajo nivel de magnesio debido a una deficiencia dietética pura se encuentran raramente.

A continuación se muestran algunos alimentos y la cantidad de magnesio que contienen: [27]

    semillas, sin cáscara (1/4 taza) = 303 mg, (1/4 taza) = 162 mg [28] harina (1/2 taza) = 151 mg (1/4 taza) = 125 mg
  • Salvado de avena, crudo (1/2 taza) = 110 mg
  • Cacao en polvo (1/4 taza) = 107 mg (3 oz) = 103 mg (1/4 taza) = 99 mg (1/4 taza) = 89 mg
  • Harina de trigo integral (1/2 taza) = 83 mg, hervida (1/2 taza) = 79 mg, hervida (1/2 taza) = 75 mg, 70% de cacao (1 oz) = 73 mg, firme (1 / 2 taza) = 73 mg, hervido (1/2 taza) = 60 mg, cocido (1/2 taza) = 59 mg (2 cucharadas) = ​​50 mg (1/4 taza) = 46 mg, pelado (1/4 taza) = 41 mg, hervido (1/2 taza) = 39 mg, hervido (1/2 taza) = 37 mg, hervido (1/2 taza) = 36 mg, cocido (1/2 taza) = 32 mg ( 1 cucharada) = 32 mg, sin grasa (1 taza) = 27 mg, espresso (1 oz) = 24 mg (1 rebanada) = 23 mg

En animales, se ha demostrado que diferentes tipos de células mantienen diferentes concentraciones de magnesio. [29] [30] [31] [32] Parece probable que lo mismo sea cierto para las plantas. [33] [34] Esto sugiere que diferentes tipos de células pueden regular la entrada y salida de magnesio de diferentes maneras según sus necesidades metabólicas únicas. Las concentraciones intersticiales y sistémicas de magnesio libre deben mantenerse delicadamente mediante los procesos combinados de amortiguación (unión de iones a proteínas y otras moléculas) y amortiguación (el transporte de iones a espacios de almacenamiento o extracelulares [35]).

En las plantas, y más recientemente en los animales, el magnesio ha sido reconocido como un importante ion de señalización, que activa y media muchas reacciones bioquímicas. El mejor ejemplo de esto es quizás la regulación de la fijación de carbono en los cloroplastos en el ciclo de Calvin. [36] [37]

El magnesio es muy importante en la función celular. La deficiencia del nutriente provoca la enfermedad del organismo afectado. En organismos unicelulares como bacterias y levaduras, los niveles bajos de magnesio se manifiestan en tasas de crecimiento muy reducidas. En las cepas de bacterias knockout para el transporte de magnesio, las tasas saludables se mantienen solo con la exposición a concentraciones externas muy altas del ion. [38] [39] En la levadura, la deficiencia de magnesio mitocondrial también conduce a la enfermedad. [40]

Las plantas deficientes en magnesio muestran respuestas al estrés. Los primeros signos observables de hambre y sobreexposición de magnesio en las plantas es una disminución en la tasa de fotosíntesis. Esto se debe a la posición central del ion Mg 2+ en la molécula de clorofila. Los efectos posteriores de la deficiencia de magnesio en las plantas son una reducción significativa en el crecimiento y la viabilidad reproductiva. [4] El magnesio también puede ser tóxico para las plantas, aunque esto generalmente se observa solo en condiciones de sequía. [41] [42]

En los animales, la deficiencia de magnesio (hipomagnesemia) se observa cuando la disponibilidad ambiental de magnesio es baja. En los animales rumiantes, particularmente vulnerables a la disponibilidad de magnesio en los pastos, la condición se conoce como 'tetania de los pastos'. La hipomagnesemia se identifica por una pérdida de equilibrio debido a la debilidad muscular. [43] También se han identificado en humanos una serie de trastornos de hipomagnesemia atribuibles genéticamente. [44] [45] [46] [47]

La sobreexposición al magnesio puede ser tóxica para las células individuales, aunque estos efectos han sido difíciles de demostrar experimentalmente. [ cita necesaria ] La hipermagnesemia, una sobreabundancia de magnesio en la sangre, generalmente es causada por la pérdida de la función renal. Los animales sanos excretan rápidamente el exceso de magnesio en la orina y las heces. [48] ​​El magnesio urinario se llama magnesuria. Las concentraciones características de magnesio en organismos modelo son: en E. coli 30-100 mM (unido), 0,01-1 mM (libre), en levadura en gemación 50 mM, en células de mamífero 10 mM (unido), 0,5 mM (libre) y en plasma sanguíneo 1 mM. [49]

El Mg 2+ es el cuarto ion metálico más abundante en las células (por moles) y el catión divalente libre más abundante; como resultado, está profundamente e intrínsecamente entretejido en el metabolismo celular. De hecho, las enzimas dependientes de Mg 2+ aparecen en prácticamente todas las vías metabólicas: se observa con frecuencia la unión específica de Mg 2+ a las membranas biológicas, el Mg 2+ también se usa como molécula de señalización y gran parte de la bioquímica de ácidos nucleicos requiere Mg 2+, incluidas todas las reacciones que requieren la liberación de energía del ATP. [50] [51] [37] En los nucleótidos, el resto de triple fosfato del compuesto se estabiliza invariablemente por asociación con Mg 2+ en todos los procesos enzimáticos.

Clorofila Editar

En los organismos fotosintéticos, el Mg 2+ tiene el papel vital adicional de ser el ion coordinador en la molécula de clorofila. Este papel fue descubierto por Richard Willstätter, quien recibió el Premio Nobel de Química 1915 por la purificación y estructura de la unión de clorofila con el sexto número de carbono.

Enzimas Editar

La química del ion Mg 2+, tal como se aplica a las enzimas, utiliza toda la gama de reacciones químicas inusuales de este ion para cumplir una serie de funciones. [50] [52] [53] [54] El Mg 2+ interactúa con sustratos, enzimas y ocasionalmente con ambos (el Mg 2+ puede formar parte del sitio activo). En general, el Mg 2+ interactúa con los sustratos a través de la coordinación de la esfera interna, estabilizando aniones o intermedios reactivos, incluyendo también la unión al ATP y activando la molécula al ataque nucleofílico. Al interactuar con enzimas y otras proteínas, el Mg 2+ puede unirse mediante la coordinación de la esfera interna o externa, para alterar la conformación de la enzima o participar en la química de la reacción catalítica. En cualquier caso, debido a que el Mg 2+ solo rara vez se deshidrata por completo durante la unión del ligando, puede ser una molécula de agua asociada con el Mg 2+ lo que es importante en lugar del ion en sí. La acidez de Lewis de Mg 2+ (pKa 11.4) se utiliza para permitir reacciones tanto de hidrólisis como de condensación (las más comunes son la hidrólisis de ésteres de fosfato y la transferencia de fosforilo) que, de otro modo, requerirían valores de pH muy alejados de los valores fisiológicos.

Papel esencial en la actividad biológica de ATP Editar

El ATP (trifosfato de adenosina), la principal fuente de energía en las células, debe estar unido a un ion magnesio para ser biológicamente activo. Lo que se llama ATP a menudo es en realidad Mg-ATP. [5]

Ácidos nucleicos Editar

Los ácidos nucleicos tienen una importante variedad de interacciones con el Mg 2+. La unión de Mg 2+ al ADN y al ARN estabiliza la estructura, esto se puede observar en el aumento de la temperatura de fusión (Tmetro) de ADN bicatenario en presencia de Mg 2+. [50] Además, los ribosomas contienen grandes cantidades de Mg 2+ y la estabilización proporcionada es esencial para la complejación de esta riboproteína. [55] Un gran número de enzimas implicadas en la bioquímica de los ácidos nucleicos se unen al Mg 2+ para su actividad, utilizando el ión tanto para la activación como para la catálisis. Por último, la autocatálisis de muchas ribozimas (enzimas que contienen sólo ARN) es dependiente de Mg 2+ (por ejemplo, los intrones de auto-empalme del grupo II mitocondrial de levadura [56]).

Los iones de magnesio pueden ser críticos para mantener la integridad posicional de los grupos fosfato agrupados estrechamente. Estos grupos aparecen en numerosas y distintas partes del núcleo celular y el citoplasma. Por ejemplo, los iones de Mg 2+ hexahidratados se unen en el surco principal profundo y en la boca externa de los dúplex de ácidos nucleicos en forma de A. [57]

Membranas y paredes celulares Editar

Las membranas celulares biológicas y las paredes celulares son superficies polianiónicas. Esto tiene importantes implicaciones para el transporte de iones, en particular porque se ha demostrado que diferentes membranas se unen preferentemente a diferentes iones. [50] Tanto el Mg 2+ como el Ca 2+ estabilizan regularmente las membranas mediante la reticulación de los grupos de lípidos de la cabeza carboxilados y fosforilados. Sin embargo, la membrana envolvente de E. coli También se ha demostrado que se une a Na +, K +, Mn 2+ y Fe 3+. El transporte de iones depende tanto del gradiente de concentración del ión como del potencial eléctrico (ΔΨ) a través de la membrana, que se verá afectado por la carga en la superficie de la membrana. Por ejemplo, la unión específica de Mg 2+ a la envoltura del cloroplasto se ha implicado en una pérdida de eficiencia fotosintética por el bloqueo de la absorción de K + y la subsecuente acidificación del estroma del cloroplasto. [36]

Proteínas Editar

El ion Mg 2+ tiende a unirse solo débilmente a las proteínas (Ka ≤ 10 5 [50]) y esto puede ser aprovechado por la célula para activar y desactivar la actividad enzimática mediante cambios en la concentración local de Mg 2+. Aunque la concentración de Mg 2+ citoplásmico libre es del orden de 1 mmol / L, el contenido total de Mg 2+ de las células animales es de 30 mmol / L [58] y en las plantas el contenido de células endodérmicas foliares se ha medido en valores tan alto como 100 mmol / L (Stelzer et al., 1990), muchos de los cuales almacenados en compartimentos de almacenamiento.La concentración citoplásmica de Mg 2+ libre se amortigua mediante la unión a quelantes (p. Ej., ATP), pero también, lo que es más importante, mediante el almacenamiento de Mg 2+ en compartimentos intracelulares. El transporte de Mg 2+ entre compartimentos intracelulares puede ser una parte importante de la regulación de la actividad enzimática. La interacción de Mg 2+ con proteínas también debe considerarse para el transporte del ión a través de las membranas biológicas.

Manganeso Editar

En los sistemas biológicos, solo el manganeso (Mn 2+) es capaz de reemplazar fácilmente al Mg 2+, pero solo en un conjunto limitado de circunstancias. Mn 2+ es muy similar al Mg 2+ en términos de sus propiedades químicas, incluida la complejación de la capa interna y externa. Mn 2+ se une eficazmente al ATP y permite la hidrólisis de la molécula de energía por la mayoría de las ATPasas. El Mn 2+ también puede reemplazar al Mg 2+ como ión activador de varias enzimas dependientes de Mg 2+, aunque por lo general se pierde algo de actividad enzimática. [50] A veces, tales preferencias de metales enzimáticos varían entre especies estrechamente relacionadas: por ejemplo, la enzima transcriptasa inversa de lentivirus como VIH, SIV y FIV depende típicamente de Mg 2+, mientras que la enzima análoga para otros retrovirus prefiere Mn 2+.

Importancia en la unión a fármacos Editar

Un artículo [59] que investiga la base estructural de las interacciones entre los antibióticos clínicamente relevantes y el ribosoma 50S apareció en Nature en octubre de 2001. La cristalografía de rayos X de alta resolución estableció que estos antibióticos se asocian solo con el rRNA 23S de una subunidad ribosómica, y no las interacciones se forman con la porción de proteína de una subunidad. El artículo enfatiza que los resultados muestran "la importancia de los supuestos iones Mg 2+ para la unión de algunos fármacos".

Por isótopos radiactivos Editar

El uso de elementos trazadores radiactivos en los ensayos de absorción de iones permite el cálculo de km, Ki y Vmax y determina el cambio inicial en el contenido de iones de las células. El 28 Mg se desintegra por la emisión de una partícula beta o gamma de alta energía, que se puede medir con un contador de centelleo. Sin embargo, la vida media radiactiva de 28 Mg, el más estable de los isótopos de magnesio radiactivo, es de solo 21 horas. Esto restringe severamente los experimentos que involucran al nucleido. Además, desde 1990, ninguna instalación ha producido de forma rutinaria 28 Mg, y ahora se prevé que el precio por mCi sea de aproximadamente US $ 30.000. [60] La naturaleza química del Mg 2+ es tal que se aproxima mucho a otros pocos cationes. [61] Sin embargo, el Co 2+, Mn 2+ y Ni 2+ se han utilizado con éxito para imitar las propiedades del Mg 2+ en algunas reacciones enzimáticas, y las formas radiactivas de estos elementos se han empleado con éxito en estudios de transporte de cationes. La dificultad de utilizar la sustitución de iones metálicos en el estudio de la función enzimática es que la relación entre las actividades enzimáticas con el ión de sustitución en comparación con el original es muy difícil de determinar. [61]

Por indicadores fluorescentes Editar

Varios quelantes de cationes divalentes tienen diferentes espectros de fluorescencia en los estados unido y no unido. [62] Los quelantes del Ca 2+ están bien establecidos, tienen alta afinidad por el catión y poca interferencia de otros iones. Los quelantes de Mg 2+ se quedan atrás y el principal colorante de fluorescencia para Mg 2+ (mag-fura 2 [63]) tiene en realidad una mayor afinidad por el Ca 2+. [64] Esto limita la aplicación de este colorante a tipos de células donde el nivel en reposo de Ca 2+ es & lt 1 μM y no varía con las condiciones experimentales bajo las cuales se medirá el Mg 2+. Recientemente, Otten et al. (2001) han descrito el trabajo en una nueva clase de compuestos que pueden resultar más útiles, teniendo afinidades de unión significativamente mejores para el Mg 2+. [65] El uso de tintes fluorescentes se limita a medir el Mg 2+ libre. Si la concentración de iones es amortiguada por la célula mediante quelación o eliminación a los compartimentos subcelulares, la tasa de absorción medida dará solo valores mínimos de km y Vmax.

Por electrofisiología Editar

Primero, se pueden usar microelectrodos específicos de iones para medir la concentración interna de iones libres de células y orgánulos. Las principales ventajas son que se pueden realizar lecturas a partir de células durante períodos de tiempo relativamente largos y que, a diferencia de los tintes, se añade a las células muy poca capacidad adicional de amortiguación de iones. [66]

En segundo lugar, la técnica de pinza de voltaje de dos electrodos permite la medición directa del flujo de iones a través de la membrana de una celda. [67] La ​​membrana se mantiene a un potencial eléctrico y se mide la corriente de respuesta. Todos los iones que atraviesan la membrana contribuyen a la corriente medida.

En tercer lugar, la técnica de pinzamiento de parche utiliza secciones aisladas de membrana natural o artificial de la misma manera que el pinzamiento de voltaje, pero sin los efectos secundarios de un sistema celular. En condiciones ideales, se puede cuantificar la conductancia de canales individuales. Esta metodología proporciona la medida más directa de la acción de los canales iónicos. [67]

Por espectroscopia de absorción Editar

La espectroscopia de absorción atómica de llama (AAS) determina el contenido total de magnesio de una muestra biológica. [62] Este método es destructivo. Las muestras biológicas deben descomponerse en ácidos concentrados para evitar obstruir el aparato de nebulización fina. Más allá de esto, la única limitación es que las muestras deben estar en un volumen de aproximadamente 2 ml y en un rango de concentración de 0,1 a 0,4 μmol / L para una precisión óptima. Como esta técnica no puede distinguir entre el Mg 2+ ya presente en la célula y el absorbido durante el experimento, solo se puede cuantificar el contenido no absorbido.

El plasma acoplado inductivamente (ICP) que utiliza modificaciones de espectrometría de masas (MS) o espectroscopía de emisión atómica (AES) también permite la determinación del contenido total de iones de muestras biológicas. [68] Estas técnicas son más sensibles que los AAS de llama y son capaces de medir las cantidades de múltiples iones simultáneamente. Sin embargo, también son significativamente más caras.

Las propiedades químicas y bioquímicas del Mg 2+ presentan al sistema celular un desafío significativo al transportar el ión a través de las membranas biológicas. El dogma del transporte de iones establece que el transportador reconoce el ión y luego elimina progresivamente el agua de hidratación, eliminando la mayor parte o la totalidad del agua en un poro selectivo antes de liberar el ión en el lado opuesto de la membrana. [69] Debido a las propiedades del Mg 2+, gran cambio de volumen de iones hidratados a iones desnudos, alta energía de hidratación y muy baja tasa de intercambio de ligandos en la esfera de coordinación interna, estos pasos son probablemente más difíciles que para la mayoría de los otros iones. Hasta la fecha, solo se ha demostrado que la proteína ZntA de Paramecium es un canal de Mg 2+. [70] Los mecanismos del transporte de Mg 2+ por las proteínas restantes están comenzando a ser descubiertos con la primera estructura tridimensional de un complejo de transporte de Mg 2+ que se resolvió en 2004. [71]

La capa de hidratación del ion Mg 2+ tiene una capa interna muy unida de seis moléculas de agua y una segunda capa relativamente unida que contiene 12-14 moléculas de agua (Markham et al., 2002). Por tanto, se presume que el reconocimiento del ión Mg 2+ requiere algún mecanismo para interactuar inicialmente con la capa de hidratación de Mg 2+, seguido de un reconocimiento / unión directa del ión a la proteína. [60] Debido a la fuerza de la complejación de la esfera interna entre Mg 2+ y cualquier ligando, múltiples interacciones simultáneas con la proteína de transporte a este nivel podrían retardar significativamente el ion en el poro de transporte. Por lo tanto, es posible que gran parte del agua de hidratación se retenga durante el transporte, lo que permite una coordinación de la esfera exterior más débil (pero aún específica).

A pesar de la dificultad mecanicista, el Mg 2+ debe transportarse a través de las membranas, y se ha descrito un gran número de flujos de Mg 2+ a través de las membranas de una variedad de sistemas. [72] Sin embargo, solo una pequeña selección de transportadores de Mg 2+ se ha caracterizado a nivel molecular.

Bloqueo del canal iónico del ligando Editar

Los iones de magnesio (Mg 2+) en la biología celular suelen ser en casi todos los sentidos opuestos a los iones de Ca 2+, porque también son bivalentes, pero tienen una mayor electronegatividad y, por lo tanto, ejercen una mayor atracción sobre las moléculas de agua, impidiendo el paso a través del canal (aunque el magnesio en sí es más pequeño). Por lo tanto, los iones de Mg 2+ bloquean los canales de Ca 2+ como los (canales NMDA) y se ha demostrado que afectan los canales de unión gap formando sinapsis eléctricas.

Las secciones anteriores han tratado en detalle los aspectos químicos y bioquímicos del Mg 2+ y su transporte a través de las membranas celulares. Esta sección aplicará este conocimiento a aspectos de la fisiología vegetal completa, en un intento de mostrar cómo estos procesos interactúan con el entorno más amplio y complejo del organismo multicelular.

Interacciones y requerimientos nutricionales Editar

El Mg 2+ es esencial para el crecimiento de las plantas y está presente en plantas superiores en cantidades del orden de 80 μmol g -1 de peso seco. [4] Las cantidades de Mg 2+ varían en diferentes partes de la planta y dependen del estado nutricional. En épocas de abundancia, el exceso de Mg 2+ puede almacenarse en las células vasculares (Stelzer et al., 1990 [34] y en épocas de inanición, el Mg 2+ se redistribuye, en muchas plantas, de las hojas más viejas a las más nuevas. [4] [73]

El Mg 2+ se absorbe en las plantas a través de las raíces. Las interacciones con otros cationes en la rizosfera pueden tener un efecto significativo sobre la captación del ión. (Kurvits y Kirkby, 1980 [74] La estructura de las paredes de las células de la raíz es muy permeable al agua y a los iones, y por lo tanto la captación de iones en las células de la raíz puede ocurren en cualquier lugar, desde los pelos de la raíz hasta las células ubicadas casi en el centro de la raíz (limitado solo por la franja de Casparian). Las paredes y membranas de las células vegetales llevan una gran cantidad de cargas negativas, y las interacciones de los cationes con estas cargas es clave para la la captación de cationes por las células de la raíz permite un efecto de concentración local. [75] El Mg 2+ se une relativamente débilmente a estas cargas y puede ser desplazado por otros cationes, impidiendo la captación y provocando deficiencia en la planta.

Dentro de las células vegetales individuales, los requisitos de Mg 2+ son en gran medida los mismos que para toda la vida celular. El Mg 2+ se usa para estabilizar membranas, es vital para la utilización de ATP, está ampliamente involucrado en la bioquímica de ácidos nucleicos y es un cofactor para muchas enzimas (incluido el ribosoma). Además, el Mg 2+ es el ion coordinador en la molécula de clorofila. Es la compartimentación intracelular de Mg 2+ en las células vegetales lo que conduce a una complejidad adicional. Cuatro compartimentos dentro de la célula vegetal han informado interacciones con Mg 2+. Inicialmente, el Mg 2+ ingresará a la célula en el citoplasma (mediante un sistema aún no identificado), pero las concentraciones de Mg 2+ libre en este compartimento están estrechamente reguladas a niveles relativamente bajos (≈2 mmol / L) y, por lo tanto, cualquier exceso de Mg 2 + se exporta rápidamente o se almacena en el segundo compartimento intracelular, la vacuola. [76] El requisito de Mg 2+ en las mitocondrias se ha demostrado en la levadura [77] y parece muy probable que se aplique lo mismo en las plantas. Los cloroplastos también requieren cantidades significativas de Mg 2+ interno y bajas concentraciones de Mg 2+ citoplásmico. [78] [79] Además, parece probable que los otros orgánulos subcelulares (por ejemplo, Golgi, retículo endoplásmico, etc.) también requieran Mg 2+.

Distribución de iones de magnesio dentro de la planta Editar

Una vez en el espacio citoplásmico de las células de la raíz, el Mg 2+, junto con los otros cationes, probablemente se transporta radialmente hacia la estela y el tejido vascular. [80] Desde las células que rodean el xilema, los iones se liberan o bombean al xilema y se transportan a través de la planta. En el caso del Mg 2+, que es muy móvil tanto en el xilema como en el floema, [81] los iones se transportarán a la parte superior de la planta y volverán a descender en un ciclo continuo de reposición. Por lo tanto, la captación y liberación de las células vasculares es probablemente una parte clave de la homeostasis del Mg 2+ de toda la planta. La Figura 1 muestra cuán pocos procesos se han conectado a sus mecanismos moleculares (solo la captación vacuolar se ha asociado con una proteína de transporte, AtMHX).

El diagrama muestra un esquema de una planta y los supuestos procesos de transporte de Mg 2+ en la raíz y la hoja, donde el Mg 2+ se carga y descarga de los tejidos vasculares. [4] El Mg 2+ se absorbe en el espacio de la pared celular de la raíz (1) e interactúa con las cargas negativas asociadas con las paredes y membranas celulares. El Mg 2+ puede ser absorbido por las células inmediatamente (vía simplástica) o puede viajar hasta la banda de Casparian (4) antes de ser absorbido por las células (vía apoplástica 2). La concentración de Mg 2+ en las células de la raíz probablemente se amortigua mediante el almacenamiento en las vacuolas de las células de la raíz (3). Tenga en cuenta que las células en la punta de la raíz no contienen vacuolas. Una vez en el citoplasma de la célula de la raíz, el Mg 2+ viaja hacia el centro de la raíz por los plasmodesmos, donde se carga en el xilema (5) para su transporte a las partes superiores de la planta. Cuando el Mg 2+ llega a las hojas, se descarga del xilema a las células (6) y nuevamente se amortigua en vacuolas (7). Se desconoce si el ciclo de Mg 2+ en el floema ocurre a través de células generales en la hoja (8) o directamente desde el xilema al floema a través de células de transferencia (9). El Mg 2+ puede regresar a las raíces en la savia del floema.

Cuando un ion Mg 2+ ha sido absorbido por una célula que lo requiere para procesos metabólicos, generalmente se asume que el ion permanece en esa célula mientras la célula esté activa. [4] En las células vasculares, este no es siempre el caso en tiempos de abundancia, el Mg 2+ se almacena en la vacuola, no participa en los procesos metabólicos cotidianos de la célula (Stelzer et al., 1990) y se publica cuando se necesita. Pero para la mayoría de las células es la muerte por senescencia o lesión lo que libera Mg 2+ y muchos de los otros componentes iónicos, reciclándolos en partes sanas de la planta. Además, cuando el Mg 2+ en el medio ambiente es limitante, algunas especies pueden movilizar Mg 2+ de los tejidos más viejos. [73] Estos procesos implican la liberación de Mg 2+ de sus estados ligado y almacenado y su transporte de regreso al tejido vascular, donde puede distribuirse al resto de la planta. En épocas de crecimiento y desarrollo, el Mg 2+ también se moviliza dentro de la planta a medida que cambian las relaciones entre la fuente y el sumidero. [4]

La homeostasis del Mg 2+ dentro de las células vegetales individuales se mantiene mediante procesos que ocurren en la membrana plasmática y en la membrana de la vacuola (ver Figura 2). La principal fuerza impulsora de la translocación de iones en las células vegetales es ΔpH. [82] Las H + -ATPasas bombean iones H + contra su gradiente de concentración para mantener el diferencial de pH que se puede utilizar para el transporte de otros iones y moléculas. Los iones H + se bombean fuera del citoplasma hacia el espacio extracelular o hacia la vacuola. La entrada de Mg 2+ en las células puede ocurrir a través de una de dos vías, a través de canales que usan el ΔΨ (negativo en el interior) a través de esta membrana o por simportación con iones H +. Para transportar el ion Mg 2+ a la vacuola se requiere un transportador anti-puerto Mg 2+ / H + (como AtMHX). Las H + -ATPasas dependen de Mg 2+ (unido a ATP) para su actividad, por lo que se requiere Mg 2+ para mantener su propia homeostasis.

Se muestra un esquema de una célula vegetal que incluye los cuatro compartimentos principales actualmente reconocidos como interactuando con Mg 2+. Las H + -ATPasas mantienen un ΔpH constante a través de la membrana plasmática y la membrana de la vacuola. El Mg 2+ se transporta a la vacuola utilizando la energía de ΔpH (en A. thaliana por AtMHX). El transporte de Mg 2+ al interior de las células puede utilizar el Ψ negativo o el ΔpH. El transporte de Mg 2+ a las mitocondrias probablemente usa ΔΨ como en las mitocondrias de la levadura, y es probable que los cloroplastos tomen Mg 2+ por un sistema similar. Se desconoce el mecanismo y la base molecular para la liberación de Mg 2+ de las vacuolas y de la célula. Asimismo, los cambios de concentración de Mg 2+ regulados por luz en los cloroplastos no se comprenden completamente, pero requieren el transporte de iones H + a través de la membrana tilacoide.

Magnesio, cloroplastos y fotosíntesis Editar

El Mg 2+ es el ión metálico coordinador en la molécula de clorofila, y en las plantas donde el ión tiene un alto suministro, aproximadamente el 6% del Mg 2+ total está unido a la clorofila. [4] [83] [84] El apilamiento de tilacoides es estabilizado por Mg 2+ y es importante para la eficiencia de la fotosíntesis, permitiendo que ocurran las transiciones de fase. [85]

Es probable que el Mg 2+ sea absorbido por los cloroplastos en la mayor medida durante el desarrollo inducido por la luz de proplastid a cloroplasto o de etioplast a cloroplasto. En estos momentos, la síntesis de clorofila y la biogénesis de las pilas de membranas tilacoides requieren absolutamente el catión divalente. [86] [87]

Si el Mg 2+ puede entrar y salir de los cloroplastos después de esta fase de desarrollo inicial, ha sido objeto de varios informes contradictorios. Deshaies et al. (1984) encontraron que el Mg 2+ entraba y salía de cloroplastos aislados de plantas de guisantes jóvenes, [88] pero Gupta y Berkowitz (1989) no pudieron reproducir el resultado utilizando cloroplastos de espinaca más viejos. [89] Deshaies et al. habían declarado en su artículo que los cloroplastos de guisantes más antiguos mostraban cambios menos significativos en el contenido de Mg 2+ que los utilizados para formar sus conclusiones. La proporción relativa de cloroplastos inmaduros presentes en las preparaciones puede explicar estas observaciones.

El estado metabólico del cloroplasto cambia considerablemente entre la noche y el día. Durante el día, el cloroplasto recolecta activamente la energía de la luz y la convierte en energía química. La activación de las vías metabólicas involucradas proviene de los cambios en la naturaleza química del estroma por la adición de luz. El H + se bombea fuera del estroma (tanto en el citoplasma como en la luz) lo que lleva a un pH alcalino. [90] [91] Mg 2+ (junto con K +) se libera desde la luz hacia el estroma, en un proceso de electroneutralización para equilibrar el flujo de H +. [92] [93] [94] [95] Finalmente, los grupos tiol en las enzimas se reducen por un cambio en el estado redox del estroma. [96] Ejemplos de enzimas activadas en respuesta a estos cambios son fructosa 1,6-bisfosfatasa, sedoheptulosa bisfosfatasa y ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa. [4] [53] [96] Durante el período oscuro, si estas enzimas estuvieran activas, se produciría un ciclo derrochador de productos y sustratos.

Se pueden identificar dos clases principales de enzimas que interactúan con Mg 2+ en el estroma durante la fase ligera. [53] En primer lugar, las enzimas de la vía glucolítica interactúan con mayor frecuencia con dos átomos de Mg 2+. El primer átomo actúa como modulador alostérico de la actividad de las enzimas, mientras que el segundo forma parte del sitio activo y participa directamente en la reacción catalítica. La segunda clase de enzimas incluye aquellas en las que el Mg 2+ forma complejos con di y trifosfatos de nucleótidos (ADP y ATP), y el cambio químico implica la transferencia de fosforilo.El Mg 2+ también puede desempeñar un papel de mantenimiento estructural en estas enzimas (p. Ej., Enolasa).

Estrés de magnesio Editar

Las respuestas al estrés de las plantas se pueden observar en plantas que tienen un suministro insuficiente o excesivo de Mg 2+. Los primeros signos observables de estrés por Mg 2+ en las plantas, tanto por inanición como por toxicidad, es una depresión de la tasa de fotosíntesis, se presume debido a las fuertes relaciones entre Mg 2+ y los cloroplastos / clorofila. En los pinos, incluso antes de la aparición visible de manchas amarillentas y necróticas, la eficacia fotosintética de las agujas desciende notablemente. [73] En la deficiencia de Mg 2+, los efectos secundarios notificados incluyen inmovilidad de carbohidratos, pérdida de la transcripción del ARN y pérdida de la síntesis de proteínas. [97] Sin embargo, debido a la movilidad del Mg 2+ dentro de la planta, el fenotipo de deficiencia puede estar presente solo en las partes más viejas de la planta. Por ejemplo, en Pinus radiata hambriento de Mg 2+, uno de los primeros signos de identificación es la clorosis en las agujas de las ramas inferiores del árbol. Esto se debe a que se recuperó Mg 2+ de estos tejidos y se trasladó a agujas en crecimiento (verdes) más altas en el árbol. [73]

Un déficit de Mg 2+ puede ser causado por la falta del ion en el medio (suelo), pero más comúnmente proviene de la inhibición de su absorción. [4] El Mg 2+ se une muy débilmente a los grupos cargados negativamente en las paredes de las células de la raíz, de modo que los excesos de otros cationes como K +, NH4 +, Ca 2+ y Mn 2+ pueden impedir la absorción. (Kurvits y Kirkby, 1980 [74] En suelos ácidos, el Al 3+ es un inhibidor particularmente fuerte de la absorción de Mg 2+. [98] [99] La inhibición por Al 3+ y Mn 2+ es más severo de lo que puede explicarse por un simple desplazamiento, por lo tanto, es posible que estos iones se unan directamente al sistema de absorción de Mg 2+. [4] En bacterias y levaduras, dicha unión por Mn 2+ tiene Las respuestas al estrés en la planta se desarrollan a medida que los procesos celulares se detienen debido a la falta de Mg 2+ (por ejemplo, el mantenimiento de ΔpH a través del plasma y las membranas de las vacuolas). En las plantas hambrientas de Mg 2+ en condiciones de poca luz, el porcentaje de El Mg 2+ unido a la clorofila se ha registrado en un 50%. [100] Presumiblemente, este desequilibrio tiene efectos perjudiciales sobre otros procesos celulares.

El estrés por toxicidad por Mg 2+ es más difícil de desarrollar. Cuando el Mg 2+ es abundante, en general las plantas toman el ion y lo almacenan (Stelzer et al., 1990). Sin embargo, si esto va seguido de sequía, las concentraciones iónicas dentro de la célula pueden aumentar drásticamente. Las altas concentraciones citoplasmáticas de Mg 2+ bloquean un canal de K + en la membrana de la envoltura interna del cloroplasto, lo que a su vez inhibe la eliminación de iones H + del estroma del cloroplasto. Esto conduce a una acidificación del estroma que inactiva enzimas clave en la fijación de carbono, lo que conduce a la producción de radicales libres de oxígeno en el cloroplasto que luego causan daño oxidativo. [101]


¿Qué es la 'conductancia de calcio'? - biología

Un disco intercalado es una doble membrana ondulante que separa las células adyacentes en las fibras del músculo cardíaco. Intercalado los discos apoyan la contracción sincronizada del tejido cardíaco. Pueden visualizarse fácilmente mediante una sección longitudinal del tejido.
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Aspectos del tema intercalado-desct se discuten en los siguientes lugares de Britannica. Referencias variadas sistema cardiovascular (en sistema cardiovascular (anatomía): Pared del corazón). volumen celular, las mitocondrias ocupan alrededor del 25 por ciento y proporcionan la energía necesaria para la contracción. Facilitar la conductancia de energía y calcio en el músculo cardíaco.
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Palabras clave: intercalado discos • kindlin-2 • cardiomiopatía • integrina. Por lo tanto, la intercalado discos Asegurar el correcto funcionamiento del corazón con eficiencia.
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¿Qué es la 'conductancia de calcio'? - biología

La plasticidad sináptica es el fortalecimiento o debilitamiento de las sinapsis con el tiempo en respuesta a aumentos o disminuciones en su actividad. El cambio plástico también resulta de la alteración del número de receptores ubicados en una sinapsis. La plasticidad sináptica es la base del aprendizaje y la memoria, lo que permite un sistema nervioso flexible y funcional. La plasticidad sináptica puede ser a corto plazo (mejora sináptica o depresión sináptica) o a largo plazo. Dos procesos en particular, la potenciación a largo plazo (LTP) y la depresión a largo plazo (LTD), son formas importantes de plasticidad sináptica que ocurren en las sinapsis del hipocampo: una región del cerebro involucrada en el almacenamiento de recuerdos.

Potenciación y depresión a largo plazo: La entrada de calcio a través de los receptores NMDA postsinápticos puede iniciar dos formas diferentes de plasticidad sináptica: potenciación a largo plazo (LTP) y depresión a largo plazo (LTD). La LTP surge cuando una sola sinapsis se estimula repetidamente. Esta estimulación provoca una cascada celular dependiente de calcio y CaMKII, que da como resultado la inserción de más receptores AMPA en la membrana postsináptica. La próxima vez que se libere glutamato de la célula presináptica, se unirá tanto a NMDA como a los receptores AMPA recién insertados, despolarizando así la membrana de manera más eficiente. El LTD ocurre cuando pocas moléculas de glutamato se unen a los receptores NMDA en una sinapsis (debido a una baja tasa de activación de la neurona presináptica). El calcio que fluye a través de los receptores NMDA inicia una cascada diferente dependiente de la calcineurina y la proteína fosfatasa 1, que da como resultado la endocitosis de los receptores AMPA. Esto hace que la neurona postsináptica responda menos al glutamato liberado por la neurona presináptica.

Mejora sináptica y depresión a corto plazo

La plasticidad sináptica a corto plazo actúa en una escala de tiempo de decenas de milisegundos a unos pocos minutos. La mejora sináptica a corto plazo resulta de más terminales sinápticas que liberan transmisores en respuesta a los potenciales de acción presinápticos. Las sinapsis se fortalecerán por un corto tiempo debido a un aumento en el tamaño del grupo de transmisores empaquetados que se liberan fácilmente o a un aumento en la cantidad de transmisores empaquetados liberados en respuesta a cada potencial de acción. El agotamiento de estas vesículas de fácil liberación provoca fatiga sináptica. La depresión sináptica a corto plazo también puede surgir de procesos postsinápticos y de la activación por retroalimentación de los receptores presinápticos.

Potenciación a largo plazo (LTP)

La potenciación a largo plazo (LTP) es un fortalecimiento persistente de una conexión sináptica, que puede durar minutos u horas. LTP se basa en el principio de Hebbian: & # 8220células que disparan juntas se conectan entre sí. & # 8221 Hay varios mecanismos, ninguno completamente comprendido, detrás del fortalecimiento sináptico visto con LTP.

Un mecanismo conocido involucra un tipo de receptor de glutamato postsináptico: los receptores NMDA (N-metil-D-aspartato). Estos receptores normalmente están bloqueados por iones de magnesio. Sin embargo, cuando la neurona postsináptica es despolarizada por múltiples entradas presinápticas en rápida sucesión (ya sea de una neurona o de múltiples neuronas), los iones de magnesio son expulsados ​​y los iones de Ca 2+ pasan a la célula postsináptica. A continuación, los iones Ca 2+ que entran en la célula inician una cascada de señalización que provoca que un tipo diferente de receptor de glutamato, los receptores AMPA (ácido α-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazolpropiónico), se inserte en la membrana postsináptica. . Los receptores AMPA activados permiten que los iones positivos entren en la célula.

Por lo tanto, la próxima vez que se libere glutamato de la membrana presináptica, tendrá un efecto excitador mayor (EPSP) en la célula postsináptica porque la unión del glutamato a estos receptores AMPA permitirá que ingresen más iones positivos en la célula. La inserción de receptores AMPA adicionales fortalece la sinapsis de modo que es más probable que la neurona postsináptica se dispare en respuesta a la liberación de neurotransmisores presinápticos. Algunas drogas cooptan la vía LTP, este fortalecimiento sináptico puede conducir a la adicción.

Depresión a largo plazo (LTD)

La depresión a largo plazo (LTD) es esencialmente lo contrario de la LTP: es un debilitamiento a largo plazo de una conexión sináptica. Un mecanismo conocido por causar LTD también involucra a los receptores AMPA. En esta situación, el calcio que ingresa a través de los receptores NMDA inicia una cascada de señalización diferente, que da como resultado la eliminación de los receptores AMPA de la membrana postsináptica. Con la disminución de los receptores AMPA en la membrana, la neurona postsináptica responde menos al glutamato liberado por la neurona presináptica. Si bien puede parecer contradictorio, LTD puede ser tan importante para el aprendizaje y la memoria como LTP. El debilitamiento y la poda de las sinapsis no utilizadas recorta las conexiones sin importancia, dejando solo las conexiones destacadas fortalecidas por la potenciación a largo plazo.



Comentarios:

  1. Akihn

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  2. Claudas

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  3. Dariel

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  4. Morenike

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  6. Gaven

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  7. Ramone

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