Tamices moleculares que no dejan pasar lo más pequeño

Millones de nano-válvulas se abrirán y cerrarán mientras escribo o lees esta entrada. Y lo harán con una precisión de milisegundos, algunos de ellos no dejando pasar sustancias más pequeñas de lo necesario, ni las más grandes tampoco. Es como un portero de discoteca ‘light’ deja solo pasar un rango de edades, no menor, no mayor, aunque alguno pequeño se cuela. Estamos hablando de los conductos de potasio dependientes de voltaje, que son unas proteínas que ejercen de nanosensores en nuestro interior. Son sensibles a cambios suficientes de voltaje en la membrana de células excitables e imprescindibles para reponer el potencial de membrana y así preparar la neurona para la siguiente sinapsis.

Cuando se produce una despolarización de la membrana, el sodio y el calcio entran por medio de conductos específicos invirtiendo el potencial de membrana. Para volver al estado inicial de este potencial, inmediatamente se abren ciertos canales que dejan salir los iones potasio del interior de la célula pero no los iones sodio que ya entraron.

Estos conductos de potasio son muy especiales pues tienen un filtro de permeabilidad muy extraño y sofisticado. El filtro tiene un diámetro de 3Å, por lo que deja pasar iones K+ de 1.33Å de radio y no a iones más grandes de 1.5Å de diámetro. Hasta aquí todo normal, lo sorprendente es que el agujero o poro que se crea, deja entrar iones como el potasio, pero no en cambio a iones como el sodio que son mucho más pequeños 0,95Å. ¿Cómo se explica esto? ¿qué encontramos en la física o la química que explique esta paradoja de tamiz?

Conducto de potasio KSCA dependiente de voltaje Kv

Conducto de potasio dependiente de voltaje en modelo representando la cadena carbonada de la proteína. Es un tetrámero que forma un poro que atraviesa la membrana, se abre en función del voltaje y se cierra en pocos milisegundos. En la parte exterior se encuentra un filtro de selectividad que deja pasar al ión potasio con un radio de 1.33 Å y en mucha menor medida al ión sodio aunque tenga mucho menor de radio 0.95 Å.

Se explica recurriendo a una propiedad denominada Energía libre de hidratación. En realidad, ni el ión K+ ni el ión Na+ se encuentran desnudos en disolución sino que están rodeados de moléculas de agua, su radio efectivo, por tanto, es mayor que el del poro por el que han de pasar. Para ‘desnudarse’ o deshidratarse necesitan aportar la energía libre de hidratación que para el K+ es (-55 Kcal/mol) y para el Na+ es (-72 Kcal/mol). La interacción del ion desnudo con el anillo de oxígenos del filtro de selectividad del conducto o ‘canal’ de potasio compensa, mediante interacciones favorables con el ión ‘desnudo’ la energía necesaria para la deshidratación en el caso del K+ unas cien veces mejor que para el ión Na+.

Por consiguiente, el anillo es muy ancho para el ión Na+ (0.95Å) y las interacciones dentro del poro no serían lo suficientemente estables como para compensar la energía de hidratación a pagar, por lo que en la mayoría de los casos no consigue entrar. Con todo algunos logran pasar, pero estadísticamente es más permeable al potasio grande que al sodio pequeño. Se comporta como una máquina de juegos que no admite monedas más pequeñas y sí las de tamaño apropiado pero en este caso las repele.

Este conducto que se abre por las diferencias de voltaje que se dan en la despolarización tiene un mecanismo de apertura automático, que un milisegundo más tarde se cierra por otro mecanismo distinto de tapón molecular que también es muy curioso pero esa es otra historia.

Conducto de potasio dependiente de voltaje en un modelo representando superficie de la proteina. Es un tetrámero que forma un poro que atraviesa la membrana, se abre en función del voltaje y se cierra en pocos milisegundos. Se ha quitado una de las subunidades que conforman el conducto para ver con claridad el filtro de selectividad y el poro, bloqueado en la imagen con Tetrabutilamonio. En la entrada, parte extracelular se encuentra un filtro de selectividad que deja pasar al ión potasio (rosa) con un radio de 1.33 Å y en mucha menor medida al ión sodio aunque tenga radio mucho menor de 0.95 Å.

Este post participa en la XVI Edición del Carnaval de Química, alojado por Dr. Litos en ¡Jindetrés, sal!

Anuncios

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s