Intercambiador de sodio-calcio

El intercambiador de sodio-calcio (a menudo denominado intercambiador Na ⁺ /Ca2 ⁺ , proteína de intercambio o NCX ) es una proteína de membrana antiportadora que elimina el calcio de las células. Utiliza la energía almacenada en el gradiente electroquímico de sodio (Na ⁺ ) permitiendo que el Na ⁺ fluya a favor de su gradiente a través de la membrana plasmática a cambio del contratransporte de iones de calcio (Ca2 ⁺ ). Se exporta un ion de calcio por la importación de tres iones de sodio. ^{[ 1 ]} El intercambiador está presente en muchos tipos celulares y especies animales. ^{[ 2 ]} El NCX se considera uno de los mecanismos celulares más importantes para la eliminación de Ca2 ⁺ . ^{[ 2 ]}

El intercambiador se encuentra generalmente en las membranas plasmáticas, las mitocondrias y el retículo endoplasmático de las células excitables. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

El intercambiador sodio-calcio es solo uno de los sistemas mediante los cuales se mantiene baja la concentración citoplasmática de iones de calcio en la célula. El intercambiador no se une muy fuertemente al Ca²⁺ ⁽ tiene una baja afinidad), pero puede transportar los iones rápidamente (tiene una alta capacidad), transportando hasta cinco mil iones Ca²⁺ ^por segundo. ^{[ 5 ]} Por lo tanto, requiere altas concentraciones de Ca²⁺ ^para ser efectivo, pero es útil para eliminar grandes cantidades de Ca²⁺ de la célula ^en poco tiempo, como se necesita en una neurona después de un potencial de acción . Así, es probable que el intercambiador también juegue un papel importante en la recuperación de las concentraciones normales de calcio de la célula después de una agresión excitotóxica . ^{[ 3 ]} Este transportador primario de iones de calcio está presente en la membrana plasmática de la mayoría de las células animales. Otra bomba transmembrana más ubicua que exporta calcio de la célula es la ^Ca²⁺- ATPasa de la membrana plasmática (PMCA), que tiene una afinidad mucho mayor pero una capacidad mucho menor. Dado que la PMCA es capaz de unirse eficazmente al Ca ²⁺ incluso cuando sus concentraciones son bastante bajas, es más adecuada para la tarea de mantener las concentraciones muy bajas de calcio que normalmente se encuentran dentro de una célula. ^{[ 6 ]} El intercambiador Na ⁺ /Ca ²⁺ complementa la Ca ²⁺ -ATPasa de alta afinidad y baja capacitancia y, juntos, participan en una variedad de funciones celulares, entre las que se incluyen:

• control de la neurosecreción
• actividad de las células fotorreceptoras
• relajación del músculo cardíaco
• mantenimiento de la concentración de Ca ²⁺ en el retículo sarcoplásmico en las células cardíacas
• mantenimiento de la concentración de Ca ²⁺ en el retículo endoplasmático de células tanto excitables como no excitables.
• acoplamiento excitación-contracción
• mantenimiento de una baja concentración de Ca ²⁺ en las mitocondrias

El intercambiador también está implicado en la anomalía de la conducción eléctrica cardíaca conocida como posdespolarización retardada . ^{[ 7 ]} Se cree que la acumulación intracelular de Ca2 ⁺ provoca la activación del intercambiador Na ⁺ /Ca2 ⁺ . El resultado es una breve entrada de una carga positiva neta (recordemos que entran 3 Na ⁺ y salen 1 Ca2 ⁺ ), lo que provoca la despolarización celular. ^{[ 7 ]} Esta despolarización celular anormal puede conducir a una arritmia cardíaca.

Dado que el transporte es electrogénico (altera el potencial de membrana), la despolarización de la membrana puede invertir la dirección del intercambiador si la célula está suficientemente despolarizada, como puede ocurrir en la excitotoxicidad . ^{[ 1 ]} Además, como con otras proteínas de transporte, la cantidad y la dirección del transporte dependen de los gradientes de sustrato transmembrana. ^{[ 1 ]} Este hecho puede ser protector porque los aumentos en la concentración intracelular de Ca ²⁺ que ocurren en la excitotoxicidad pueden activar el intercambiador en la dirección directa incluso en presencia de una concentración extracelular de Na ^{+ reducida. [ 1 ]} Sin embargo, también significa que, cuando los niveles intracelulares de Na ⁺ aumentan más allá de un punto crítico, el NCX comienza a importar Ca ²⁺ . ^{[ 1 ] [ 8 ] [ 9 ]} El NCX puede operar en ambas direcciones, directa e inversa, simultáneamente en diferentes áreas de la célula, dependiendo de los efectos combinados de los gradientes de Na ⁺ y Ca ²⁺ . ^{[ 1 ]} Este efecto puede prolongar los transitorios de calcio después de las ráfagas de actividad neuronal, influyendo así en el procesamiento de la información neuronal. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Basándose en predicciones de estructura secundaria e hidrofobicidad , se predijo inicialmente que NCX tendría 9 hélices transmembrana . ^{[ 13 ]} Se cree que la familia surgió de un evento de duplicación genética , debido a la aparente pseudo-simetría dentro de la secuencia primaria del dominio transmembrana. ^{[ 14 ]} Entre las mitades pseudo-simétricas se inserta un bucle citoplasmático que contiene dominios reguladores. ^{[ 15 ]} Estos dominios reguladores tienen estructuras similares a dominios C2 y son responsables de la regulación del calcio. ^{[ 16 ] [ 17 ]} Recientemente, la estructura de un ortólogo de NCX arqueal se ha resuelto mediante cristalografía de rayos X. ^{[ 18 ]} Esto ilustra claramente un transportador dimérico de 10 hélices transmembrana, con un sitio en forma de diamante para la unión del sustrato. Basándose en la estructura y la simetría estructural, se propuso un modelo para el acceso alterno con competencia iónica en el sitio activo. Se han resuelto las estructuras de tres intercambiadores de protón-calcio (CAX) relacionados, procedentes de levaduras y bacterias . Si bien son estructural y funcionalmente homólogos, estas estructuras ilustran nuevas estructuras oligoméricas , acoplamiento de sustratos y regulación. ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

In 1968, H Reuter and N Seitz published findings that, when Na⁺ is removed from the medium surrounding a cell, the efflux of Ca²⁺ is inhibited, and they proposed that there might be a mechanism for exchanging the two ions.^[2][22] In 1969, a group led by PF Baker that was experimenting using squid axons published a finding that proposed that there exists a means of Na⁺ exit from cells other than the sodium-potassium pump.^[2][23] Digitalis, more commonly known as foxglove, is known to have a large effect on the Na/K ATPase, ultimately causing a more forceful contraction of the heart. The plant contains compounds that inhibit the sodium potassium pump which lowers the sodium electrochemical gradient. This makes the pumping of calcium out of the cell less efficient, which leads to a more forceful contraction of the heart. For individuals with weak hearts, it is sometimes provided to pump the heart with heavier contractile force. However, it can also cause hypertension because it increases the contractile force of the heart.

• Sodium–potassium pump
• Active transport
• Cardiac action potential
• Potassium-dependent sodium-calcium exchanger

• Intercambiador de sodio-calcio en los Encabezamientos de Materias Médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.
• Diagrama en cvphysiology.com
• Klabunde, RE. 2007. Conceptos de fisiología cardiovascular: Intercambio de calcio.