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Escuela "José A. Balseiro" 2014 Modelado en Neurociencias Mecanismos iónicos del potencial de membrana Funcion y propiedades de canales iónicos Marcela Nadal Octubre 2014 Señales eléctricas en células excitables = cambios en el potencial de membrana Cambios en el potencial de membrana de neuronas cambios en el potencial de membrana • gradiente electroquímico • membrana semipermeable • permeabilidad selectiva a ciertos iones: Na+, K+, Cl-, Ca2+ en el equilibrio, el movimiento neto de iones es cero: INTRACELULAR K+ 155 Na+ 12 Cl- A- 4.2 123 _ + + _ _ + potencial de equilibrio EXTRACELULAR 4 - 98 mV 145 +67 mV 123 - 90 mV 0 El potencial de equilibrio o de “reposo” de membrana (EM) depende de la permeabilidad de la membrana a cada ion y se calcula con la ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz (1943-49) para K+, Na+ and Cl- EM= -90mV en el equilibrio, la membrana es más permeable a potasio (y cloro) y muy poco a sodio Mecanismos iónicos de los cambios en el potencial de membrana conductancias responsables por el disparo del potencial de acción en el axón gigante de calamar Hodgkin and Huxley, 1952 firing of an action potential: voltage and time-dependent changes in gNa y gK Hodgkin and Huxley, 1952 Cambios en el potencial de membrana II: potenciales de accion Bean, 2007 Diversidad de patrones de disparo en neuronas Izhikevich 2007 Izhikevich 2007 Primera clasificación de patrones de disparo en neuronas Cortical pyramidal neuron Anisodoris (CS) Brainstem mesV Axon squid (HH) MNTB Superior olive Izhikevich 2007 Clasificacion de Hodgkin Class 3 neural excitability. A single action potential is generated in response to a pulse of current. Repetitive (tonic) spiking can be generated only for extremely strong injected currents or not at all. Izhikevich 2007 En las neuronas tipo I hay una relación directa entre “threshold” y excitabilidad PLASTICIDAD Primer código neuronal identificado: frecuencia de disparo After ED Adrian, 1926 Códigos neuronales: de frecuencia, temporal, latencia y por sincronía schematic depictions of different neural coding schemes en response to two stimuli: circuit properties homosynaptic interactions heterosynaptic interactions Golisch, 2008; Kullman, 2007 inhibitory interneurons provide functional balance and computational complexity axons dendrites Huang, 2007 señales químicas: neurotransmisores y neuromoduladores neuronas individuales señales eléctricas: cambios en el potencial de membrana • • • Potenciales graduados o de receptor Oscilaciones subumbral Potenciales de acción (spikes) input sensorial arquitectura del circuito: diversidad de tipos de neuronas y de conexiones output motor cerebro de gato, adaptado de Ramon y Cajal, 1911 Multicolor Labeling of Cortical Neurons with Lipophilic Dye–Coated Particles Gan et al., 2000 diversity of neurons in the neocortex from Kawaguchi & Kubota 1997 firing patterns in the neocortex regular-spiking fast-rhythmic bursting regular-spiking fast-spiking fast-rhythmic bursting intrinsically bursting fast-spiking Steriade, 2004 Mecanismos iónicos de los cambios en el potencial de membrana CANALOMA de los canales sensibles a voltaje y estruturalmente relacionados Canales HH - canales de cloro / - receptores ionotrópicos Yu and Catterall 2004 voltage-clamp: K+ and Na+ currents current-voltage relations IK delayed rectifier INa transient Cole & Curtis, 1939, Hodgkin & Huxley, 1952, Cole & Moore, 1960, Huguenard and McCormick Patrón y frecuencia de disparo en el axon de calamar Guttman, R. la corriente de potasio tipo “A” Connor and Stevens, 1971 Los canales de potasio tipo A se activan a potenciales por debajo del umbral de disparo del potencial de accion Sub-threshold A-type K+ channels Función de la corriente de potasio tipo A en el intervalo inter-espiga y en la frecuencia de disparo EI membrane potential trajectory theory 20 0 100ms -20 EL -40 EK EA underlying ionic currents 1.0 IA (nA) 0.5 IK IA IA 0 -0.5 -1.0 II II From Connor and Stevens, 1971; Hille, 1992 y sus propiedades Las corrientes definen que tipo de sistema dinámico es una neurona Anisodoris: Nav Kv A-type Kv leak Squid axon: Nav Kv leak Alteraciones del sistema dopaminérgico en areas específicas producen distintas patologías nigrostriatal mesocortical and mesolimbic tuberoinfundibular Dopamine pathways ADHD, attention-deficit–hyperactivity disorder; HT, hypothalamus; nAcb, nucleus accumbens; SN, substantia nigra; VTA, ventral tegmental area. Bozzi and Borrelli TINS 29, 167-174 Las neuronas dopaminérgicas tienen distintas frecuencias de disparo dopamina Liss et al., 2001 Las corrientes tipo A regulan la frecuencia de disparo en neuronas dopaminérgicas Liss et al., 2001 “A” currents affect the back propagating action potentials in dendrites of CA1 hippocampal neurons LTP Na+ Ca2+ Ih K+ sust. ISA soma dendrite action potentials Hoffman et al., 1997; Magee & Johnston, 1997; Migliore et al. 1999; Jonhston et al., 2000 pyramidal neurons in the neocortex Huang, 2007 CANALOMA de los canales sensibles a voltaje y estruturalmente relacionados - canales de cloro / - receptores ionotrópicos Yu and Catterall 2004 Canales Iónicos diagrama de membrana excitable en 1967 Bertil Hille’s thesis Pietzsch, Nature, 2004 aminoacidos estructura de un canal de potasio Kv de vertebrados Each subunit is composed of six membrane spanning hydrophobic α-helical sequences Tetrámero Bezanilla 2008 Como se crecen cristales de proteínas? Crystals of insulin grown in space (microgravity) method used to investigate molecular structures: X-ray crystallography (or X-ray diffraction) From the angles and intensities of the diffracted beams, a three-dimensional picture of the density of electrons within the crystal is produced. Large, ordered collection of identical molecules X-ray diffraction image of DNA taken by Rosalind Franklin in 1952 In X-ray crystallography, resolution is the highest resolvable peak in the diffraction pattern Resolution: 4Å 8Å 16 Å 32 Å Estructura de un canal de potasio por cristalografia de rayos X Overhead view of a voltagedependent potassium ion channel shows four red-tipped "paddles" that open and close in response to positive and negative charges. This structure showed for the first time the mechanism by which potassium ions are allowed in and out of living cells during a muscle or nerve impulse. http://www.bnl.gov/bnlweb/history/nobel/nobel_03.asp http://www.jic.ac.uk/staff/david-lawson/xtallog/summary.htm Extracellular view of the tetrameric Kv1.2/2.1 paddle chimaera (Kvchim) Tetrámero estructura de un canal de potasio Kv en la membrana McKinnon 2007 Propiedades de canales iónicos • Selectividad • Conductancia • “Gating”: mecanismo de apertura y cierre • Inactivación (N-type, C-type) Propiedades de canales iónicos • Selectividad • Conductancia • “Gating”: mecanismo de apertura y cierre • Inactivación (N-type, C-type) KcsA: propiedades físicas de la superficie interna • Blue: high positive charge • White: neutral • Red: negative charge • Yellow: hydrophobic (or partly so) side chains in the inner vestibule ( Thr75, Ile100, Phe103, Thr107, Ala108, Ala111, Val115) • Green CPK spheres: K+ ion positions in the conduction pathway Doyle et al., 1998 The carbonyl oxygen atoms provide a formidable negative electrostatic potential Filtro de selectividiad del canal de K+ Los átomos de oxígeno de los carbonilos se alinean hacia el centro para reproducir la interacción del agua con el K+ Doyle at al., 1998; Long et al., 2007 Correlación entre conformacion del filtro de selectividad, ocupancia de iones de K+ y apertura del canal 106 iones por segundo! Åqvist & Luzhkov, 2000 Selectividad de canales de K+ para iones de K+ Selectividad K+ sobre Na+ es de ~100:1 Armstrong, 2007 Estructura del canal de sodio Nav Filtro de selectividad del canal de Na+ Catterall, 2010; Sato et al., 2001; Yamagishi et al., 2009 Membrane access to the central cavity in Nav Filtro de selectividad de canales de sodio 0.93 1 0.94 0.49 0.086 permeabilidad relativa pX/PNA Hille, 2001 Comparison of Selective Ion Transport in Channels Phe 348 Ile356 Glu148 Tyr 445 Gouaux and MacKinnon, 2005 Ser107 La estructura del tipo “pore-loop” esta conservada en la evolución Kcsa bacteria Kv1 vertebrado Anderson & Greenberg, 2001 Cambios en aminoacidos puntuales definen la selectividad del poro (1000:1) (3:1) Canal de Sodio Canal de Calcio Hille, 2001; Yu and Catterall 2004 Pore-blocking toxins inhibit voltage-dependent K+ channels by plugging the ion-conduction pathway scorpion peptide toxin charybdotoxin (CTX) Barnajee et al., 2013 Propiedades de canales iónicos • Selectividad • Conductancia • “Gating”: mecanismo de apertura y cierre • Inactivación (N-type, C-type) The patch clamp technique Patch clamp: registros de canal único Erwin Neher and Bert Sakmann, premio nobel 1991 Registro de 3 canales en un patch gating transitions are stochastic Los eventos de canal único tienen un comportamiento probabilístico al azar sodium channel potassium channel La conductancia de canal único es característica de cada tipo de canal y puede ser modificada por la presencia de proteínas auxiliares Kaulin et al., 2009, Amarillo Propiedades de canales iónicos • Selectividad • Conductancia • “Gating”: mecanismo de apertura y cierre • Inactivación (N-type, C-type) Mecanismos de “gating” Voltaje: canales de sodio, potasio y calcio dependientes de voltaje Calcio: calcium-activated potassium channels Ligando: receptores ionotrópicos (nicotinic Acetylcholine receptor, ionotropic glutamate-gated receptors and ATP-gated P2X receptors, and the anion-permeable γaminobutyric acid-gated GABAA receptor); cyclic nucleotide-gated (HCN) channels Segundos mensajeros (intracellular ATP, PIP2, cAMP or cGMP and G-protein βγ subunits): Inward-rectifier potassium channels, calcium-activated potassium channels, Two-pore-domain potassium channels Luz: Channelrhodopsin Presion, estiramiento, desplazamiento: Canales iónicos mecanosensibles Temperatura: Transient Receptor Potential ion channel superfamily, such as TRPV1 or TRPM8 are opened either by hot or cold temperatures. Modelo de la compuerta (Hodgkin y Huxley) Hille, 2001 Canal de potasio bacteria vertebrado Gating mechanism: the opening of the gate occurs by bending the inner TM2/S6 helix in response to changes in voltage In the bacterial channels MthK and KvAP, the TM2 bundle opens at a glycine hinge (red ). In the eukaryotic Kv1.2, the hinge in S6 corresponds to the PVP motif (between positions 473 and 475 in Shaker) (red ). Kv bacteria Each voltage-sensing module interacts most closely with the pore-forming module of the adjacent subunit in the clockwise direction as viewed from the extracellular side McKinnon 2007 Positively charged residues negatively charged clusters K+ In the Kv1.2 crystal structure, part of the high-impact positions in S5 and the pore helix turn out to face the VSD, whereas high impact positions in S4 turn out to face S5. highly conserved phenylalanine 233 Ledwell & Aldrich 1999, Pathak et al. 2005 Schematic illustration of how the channel closes and opens McKinnon 2007 Voltage gating of the Na+ channel Nav Noda et al., Nature. 1984 Propiedades de canales iónicos • Selectividad • Conductancia • “Gating”: mecanismo de apertura y cierre • Inactivación (N-type, C-type) firing of an action potential: voltage and time-dependent changes in gNa y gK IK delayed rectifier INa transient CANALOMA de los canales sensibles a voltaje y estruturalmente relacionados - canales de cloro / - receptores ionotrópicos Yu and Catterall 2004 Corrientes de sodio en diferentes preparaciones Hille, 2001 N-type inactivation: ‘‘ball and chain’’ Armstrong et al., 1973 Ellisman et al., 1983 The primary structure of the subunits of the voltage-gated sodium channels cADN del gen que codifica para la subunidad del canal preparar cARN inyectar ovocitos separar ovocitos y remover la capa folicular registrar corrientes de membrane con voltage clamp de dos electrodos Xenopus laevis Estudio del mecanismo de inactivación de canales de sodio en ovocitos Patton et al., 1992; Kellenberger et al., 1997 Inactivación C-type Cambios conformacionales en el canal: dilatación del anillo que forma el filtro de selectividad, destruyendo su abilidad para unir K+ con alta afinidad Propiedades de canales iónicos • Selectividad • Conductancia • “Gating”: mecanismo de apertura y cierre • Inactivación (N-type, C-type) CANALOMA de los canales sensibles a voltaje y estruturalmente relacionados - canales de cloro / - receptores ionotrópicos Yu and Catterall 2004 Modulación de la actividad de canales iónicos Plasticidad Neuronal Intrínseca Kv Channel Complex Señales eléctricas en neuronas = cambios en el potencial de membrana • Potenciales graduados o de receptor • Oscilaciones subumbral • Potenciales de acción (spikes) el código por sincronía de poblaciones de neuronas da lugar a ritmos Klausberger y Somogy, 2008 Oscillaciones y el código temporal how neuronal excitability reflecting saliency can be converted to a temporal phase code by alpha oscillations Jensen et al., 2012 Model of Force Transmission in Kv Channels Lee et al., 2009
