El sulfuro de hidrógeno (H₂S), además del óxido nítrico (NO) y el monóxido de carbono (CO), ha sido considerado por mucho tiempo como un contaminante tóxico para los seres vivos. Efectivamente, estos gases son nocivos para la salud e incluso pueden ser mortales en altas concentraciones durante una exposición prolongada. Por ejemplo, cuando la concentración de H₂S alcanza niveles altos, entre 150 y 250 partes por millón (ppm), puede causar una fuerte irritación en el aparato respiratorio e incluso generar un edema pulmonar. Con exposiciones a concentraciones más moderadas, por encima de las 30 ppm, aparecen síntomas como dolor de cabeza, náusea y vómito. En cambio, a concentraciones bajas, cercanas a 10 ppm, no se registran efectos metabólicos significativos (Liu et al., 2022). Investigaciones recientes han demostrado que, a bajas concentraciones, el H₂S participa como regulador biológico en diversos procesos fisiológicos, tales como la señalización neuronal y la protección antioxidante. Una función notable es su participación como gasotransmisor, es decir, molécula gaseosa liposoluble producida internamente en el organismo, que actúa como neurotransmisor y mediador de señales en canales iónicos y transportadores proteicos.

     A diferencia de otros neurotransmisores o mensajeros celulares, los gasotransmisores se difunden libremente a través de las membranas celulares, sin necesidad de receptores específicos. Dentro de las funciones fisiológicas en las que participa el H₂S están la diferenciación celular, la vasodilatación, la respuesta inflamatoria, así como la modulación de funciones cardíacas, endócrinas y respiratorias, entre otras. Las patologías en las que se ve involucrado el H₂S incluyen la neurodegeneración, la inflamación y el dolor neuropático (Liu et al., 2022; Rangel-Galván et al., 2023). El dolor neuropático es de mucho interés, por lo que en las secciones posteriores expondremos los mecanismos moleculares involucrados en la vía de señalización CSE/H₂S/Ca_v3.2.

 

AZUFRE

 

Para comprender las propiedades del H₂S, es importante entender algunos elementos de la química del azufre. El azufre (S) es uno de los componentes principales de los aminoácidos cisteína y metionina, así como de otras moléculas fundamentales en los seres vivos. El azufre se caracteriza por su variabilidad en los estados de oxidación, que van desde –2 hasta +6, lo que permite formar una amplia diversidad de compuestos químicos, tales como sulfuros (S²^-), sulfitos (SO₃²^-) y sulfatos (SO₄²^-). El estado de oxidación de –2 en el azufre es uno de los estados más comunes y significativos, ya que en este estado el azufre ha ganado dos electrones para alcanzar la configuración electrónica más estable, similar a la de un gas noble (Liu et al., 2022). Algunos ejemplos comunes de sulfuros incluyen el sulfuro de hidrógeno (H₂S), el sulfuro de sodio (Na₂S) y el sulfuro de hierro (FeS). También se sabe que el H₂S es uno de los productos generados durante la reducción (proceso donde una sustancia gana electrones) del azufre en la reacción química: S + H₂ → H₂S (Olson y Straub, 2016).

 

EL SULFURO DE HIDRÓGENO EN LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS

 

En los sistemas biológicos el medio acuoso está presente en casi todos los compartimentos celulares y extracelulares. Este estado es fundamental para disolver sustancias e indispensable para la mayoría de las reacciones bioquímicas. En este entorno, el H₂S se disocia para formar iones de hidrógeno (H⁺) y aniones hidrosulfuro (HS^-), generando también iones 2H⁺ y S²^-. De hecho, el H₂S en condiciones fisiológicas (pH ~5–7.8 a 37 °C) se presenta principalmente en las siguientes formas: monoanión SH^- (82 %), forma neutra H₂S (18 %) y dianión S²^- (en menos del 0.1 %) (Powell et al., 2018). Medir con precisión el sulfuro de hidrógeno en tejidos y fluidos biológicos ha sido un reto. El método más usado consistía en atrapar el gas con zinc y luego transformarlo en azul de metileno para cuantificarlo con espectrofotometría. Con esta técnica se reportaron concentraciones entre 50 y 160 µM en cerebro y hasta 100 µM en suero de humano y de rata, valores que hoy sabemos que son altos porque el método no distinguía entre H₂S libre y otras formas químicas relacionadas (HS^- y S²^-). Técnicas más actuales, como sondas selectivas o cromatografía, confirmaron cifras todavía altas (50–80 µM), pero el perfeccionamiento de los ensayos más recientes apunta a que las concentraciones reales son mucho menores, en el rango nanomolar (alrededor de 15 nM en cerebro e hígado de ratón), e incluso a niveles indetectables en plasma humano. Algo similar ocurrió con el óxido nítrico (NO): se pensaba que estaba en concentraciones micromolares, hasta que los biosensores demostraron que en realidad circula en apenas 1 a 5 nM (Li et al., 2011).

     Además, durante mucho tiempo se había pensado que el H₂S se sintetiza y está presente permanentemente en la atmósfera, y que solo era metabolizado por algunos géneros de bacterias y arqueas. Sin embargo, estudios recientes han confirmado que los organismos eucariotas también sintetizan H₂S. El H₂S es producido en procesos endógenos de los mamíferos a partir de la L-cisteína, a través de cuatro rutas bioquímicas que involucran a las enzimas: a) cistationina-β-sintasa (CBS), b) cistationina-γ-liasa (CSE), c) cisteína aminotransferasa (CAT) con 3-mercaptopiruvato-sulfurtransferasa (3MST) y d) cisteína liasa (CL). Las enzimas CBS y CSE se ubican en el citosol celular, mientras que las enzimas CAT y 3MST se distribuyen tanto en la mitocondria como en el citosol. El funcionamiento de esta última enzima (3MST) depende del ion zinc. Otra vía de producción de H₂S involucra mecanismos independientes de las enzimas, que incluyen polisulfuros (Sn²^-) y persulfuros (R-SSH). El H₂S, como gasotransmisor, media sus efectos a través de la formación de polisulfuros (Sn²^-). Los polisulfuros son compuestos químicos que contienen múltiples átomos de azufre enlazados entre sí, formando cadenas unidas a otros elementos, generalmente metales o no metales como el sodio, el potasio o incluso el carbono que forma parte de los polímeros. El H₂S se puede oxidar fácilmente, ya que tiene alta tendencia a perder electrones en una reacción química para formar los polisulfuros mencionados anteriormente, en este caso, el azufre tiene valencia cero (Olson y Straub, 2016).

     Por otro lado, el H₂S genera señales celulares para modificar residuos de cisteína en proteínas mediante un proceso llamado sulfhidración o persulfidración. Este cambio químico ocurre después de que la proteína ha sido sintetizada por la célula (modificación postraduccional), y dicho cambio es similar a la nitrosilación provocada por el óxido nítrico (NO). En lugar de formar grupos –SON (S-nitrosotiol) como el NO, el H₂S convierte los grupos –SH (grupo tiol) de las cisteínas en grupos –SSH (persulfuros). Sin embargo, esta cisteína debe oxidarse antes de sufrir la modificación postraduccional con H₂S, ya que el H₂S no puede reaccionar directamente con tioles reducidos (compuestos orgánicos que contienen un grupo funcional –SH). La oxidación bajo condiciones fisiológicas puede generarse después de la liberación de especies reactivas de oxígeno (ROS), por ejemplo, después de una inflamación (Liu et al., 2022).

     La sulfhidración puede ocurrir de varias maneras: a) por medio de la interacción de H₂S con residuos de cisteína oxidados, como los ácidos cisteína-sulfénicos (C–SOH) o disulfuros de cisteína (–S–S–), b) la reacción entre polisulfuros y grupos tiol de cisteína, o c) la interacción del disulfuro de hidrógeno (H₂S₂) con una cisteína que contiene un grupo tiol (Figura 1). La sulfhidración normalmente aumenta la reactividad del residuo de cisteína que está modificando, mientras que la nitrosilación, mediada por óxido nítrico (NO), disminuye su reactividad (Olson y Straub, 2016).

 

VÍA CSE/H₂S/CAV3.2 EN EL DOLOR NEUROPÁTICO

 

El dolor neuropático es un tipo de dolor crónico que aparece cuando se produce una lesión o daño en los nervios encargados de transmitir las sensaciones al cerebro (sistema somatosensorial). Sus síntomas más característicos son la alodinia, es decir, sentir dolor ante estímulos que normalmente no lo causarían, y la hiperalgesia, un aumento desproporcionado en la sensibilidad al dolor. Hoy en día se utilizan diferentes tratamientos, como anticonvulsivos, antidepresivos, inhibidores de la recaptación de serotonina y noradrenalina, e incluso opioides en algunos casos. Aunque estos medicamentos pueden aliviar los síntomas, suelen tardar en hacer efecto y conllevan efectos secundarios, como somnolencia o riesgo de dependencia. Además, su eficacia es limitada: solo alrededor de la mitad de los pacientes experimenta un alivio significativo. Por ello, se vuelve cada vez más urgente investigar alternativas terapéuticas más seguras, específicas y eficaces (Finnerup et al., 2020). En este contexto, una línea alternativa de investigación se centra en la vía CSE/H₂S/Ca_v3.2, que podría abrir nuevas posibilidades para el tratamiento del dolor neuropático. Esta vía inicia con la enzima CSE que produce el gas H₂S, el cual puede favorecer la aparición de dolor neuropático al modular la actividad de las neuronas y la inflamación. Se ha visto que niveles elevados de H₂S aumentan la excitabilidad de las neuronas sensoriales y potencian la señalización del dolor. Este gas también influye en la activación de distintos receptores y canales iónicos, como los receptores NMDA (N-metil-D-aspartato) y los receptores β-adrenérgicos, así como los canales iónicos de potasio K_v2.1, los canales de potasio sensibles a calcio de alta conductancia (BK_Ca), los receptores transitorios sensibles a los vanilloides (TRPV) y los canales de calcio tipo L y tipo T (Li et al., 2011). Entre estos receptores y canales iónicos, destaca el canal de calcio tipo T (Ca_v3.2), considerado un blanco neural importante. Los Ca_v3.2 participan en el dolor neuropático al aumentar la excitabilidad de las neuronas y favorecer la transmisión anormal de señales dolorosas. Estos canales iónicos se activan por cambios mínimos en el voltaje de membrana, permitiendo la entrada de calcio en las neuronas sensoriales, lo que puede causar hipersensibilidad y contribuir a la persistencia del dolor tras una lesión nerviosa (Rangel-Galván et al., 2023). De esta manera, la alternativa terapéutica se centra en la inhibición de los canales Ca_v3.2. Sin embargo, la interacción entre el H₂S y los Ca_v3.2 es compleja debido a que involucra mecanismos de interacción directos e indirectos, así como un efecto dual (aumento o disminución) de la corriente de calcio que depende de la concentración de H₂S.

     Cuando el H₂S interactúa de manera directa con los canales Ca_v3.2 lo hace a través de dos mecanismos principales: la sulfhidración y la modulación redox del canal (que altera el equilibrio de electrones en el canal). Aunque se ha demostrado que en los canales Ca_v3.2 la sulfhidración no representa el mecanismo más importante, participa en la modificación de residuos de cisteína en este canal (Nelson et al., 2005). La modulación redox del Ca_v3.2 ocurre en el sitio de unión a metales extracelulares (EMBS), el cual tiene alta afinidad para iones divalentes como el zinc (Zn²⁺), el cobre (Cu²⁺) y el níquel (Ni²⁺) (Shuba, 2014). Cuando estos metales se unen al sitio EMBS, provocan un efecto a distancia, bloqueando a los canales Ca_v3.2. Dentro de este sitio, un aminoácido en particular, la histidina en la posición 191 (His191), resulta esencial. Lo interesante es que esta histidina es fundamental para la modulación del H₂S en los canales Ca_v3.2 y solo está presente en el subtipo Ca_v3.2 y no en los otros canales de la misma familia (Ca_v3.1 y Ca_v3.3), lo que convierte a este mecanismo en un blanco altamente específico. Además, cisteínas cercanas (C114, C123, C128 y C133) pueden oxidarse, alterando el ambiente químico local y aumentando la afinidad por el zinc (Elies et al., 2014). Esto favorece que el canal se inhiba, aunque el detalle de cuáles son las formas químicas más estables de esta oxidación, como la cisteína sulfínica (C-SO₂H) o la sulfónica (C-SO₃H), es un tema abierto de investigación. De hecho, aún se debate si el H₂S libera el zinc de este sitio o, por el contrario, lo estabiliza, mostrando que el mecanismo aún no está del todo resuelto (Figura 2).

     El dolor neuropático no solo depende de la acción directa del H₂S sobre los canales iónicos, sino también de vías indirectas donde este gas interactúa con otros mensajeros químicos y moléculas de señalización. Entre ellos destacan los gasotransmisores como el óxido nítrico (NO) y el monóxido de carbono (CO). Cada uno de estos gasotransmisores pueden influir en la expresión y actividad de las enzimas que generan su biosíntesis. Esta interacción entre gases biológicos es conocida como crosstalk, y ocurre en condiciones patológicas que generan una sobreproducción simultánea de sus enzimas productoras y, por tanto, amplifican la señal del dolor. Otra pieza clave en el dolor neuropático son las citocinas inflamatorias, moléculas liberadas por la microglía (las células de defensa del sistema nervioso central). Una de ellas, la interleucina-6 (IL-6), activa una cadena de reacciones químicas dentro de la neurona que termina aumentando la cantidad de canales Ca_v3.2, lo que facilita la transmisión del dolor. En contraste, el H₂S puede ejercer un papel antiinflamatorio al reducir la producción de citocinas como la IL-6 cuando se activa la ruta antioxidante regulada por el factor Nrf2 (un “interruptor” que enciende los genes defensivos de la célula). El H₂S también interfiere en la actividad de ciertas quinasas, que son enzimas encargadas de añadir grupos fosfato a las proteínas para regular su función. Entre ellas están la PKG (proteína quinasa dependiente de GMPc), la PKC (proteína quinasa C) y la PKA (proteína quinasa A). Al modular estas enzimas, el H₂S puede cambiar la intensidad de la señal de dolor. De hecho, se ha visto que compuestos que liberan lentamente H₂S logran bloquear estas quinasas y, con ello, reducir los efectos del dolor neuropático en modelos animales (in vivo). Finalmente, la cantidad de canales Ca_v3.2 expresados en la membrana celular no solo depende de cuántos se generen, sino también de cuántos se destruyen. Aquí interviene una enzima llamada USP5 (proteasa desubiquitinante 5), que evita que los canales Ca_v3.2 sean degradados por la enzima proteasoma (el sistema de reciclaje de proteínas de la célula). De este modo, USP5 ayuda a mantener más canales activos y disponibles, lo que puede intensificar la señal dolorosa (Finnerup et al., 2020; Rangel-Galván et al., 2023).

     En cuanto al efecto dual en la corriente de calcio del canal Ca_v3.2, es decir, el aumento o la inhibición de la corriente de calcio dependiendo de la concentración de H₂S, sigue siendo una pregunta abierta debido a las dificultades para medir las concentraciones de H₂S en el organismo. De acuerdo con los valores fisiológicos de H₂S mencionados con anterioridad, se establecieron rangos de concentración nanomolar, mientras que en los ensayos celulares muchas veces se aplican dosis en el rango milimolar, millones de veces más altas.

     La causa principal de esta problemática está en la química del H₂S debido a que es un gas muy inestable que se evapora, reacciona con metales y proteínas, y se consume rápidamente en los tejidos. Además, a pH fisiológico predomina en forma de HS^- y no como H₂S libre, lo que reduce aún más su disponibilidad. Por ello, los científicos deben emplear concentraciones mucho mayores para observar un efecto en sistemas experimentales. El resultado es que, en el laboratorio, el H₂S puede mostrar comportamientos distintos a los que tendría en el cuerpo humano.

     Con base en lo expuesto, podemos concluir que para estudiar el efecto dual del H₂S en los canales de calcio Ca_v3.2, los científicos deben utilizar técnicas muy precisas. Una de ellas es el registro electrofisiológico (patch-clamp), que permite medir las corrientes eléctricas que pasan a través de los canales iónicos de una célula, y otra es la imagen de calcio con el colorante Fura-2, que cambia de fluorescencia según la cantidad de calcio presente.

     En estas condiciones de laboratorio se ha demostrado que cuando se aplica una dosis baja (10 µM) de NaHS, un donador químico que libera H₂S, la corriente de calcio en los canales Ca_v3.2 disminuye aproximadamente un 30 % en células HEK293 (una línea celular de laboratorio usada para experimentos) y cerca de un 18 % en neuronas sensoriales de los ganglios de la raíz dorsal (DRG) de la médula espinal (Ellies et al., 2014). En cambio, cuando la dosis se eleva hasta 1.5 mM, ocurre lo contrario: la corriente de calcio aumenta en los canales Ca_v3.2. Este efecto dual no es exclusivo de Ca_v3.2, también se ha reportado en otros canales iónicos (ver Tabla 1),

lo que sugiere que la concentración de H₂S es un factor clave para determinar si actúa como un inhibidor o como un activador de corrientes iónicas (Rangel-Galván et al., 2023).

En resumen, podemos concluir que el H₂S es una molécula gaseosa producida por los organismos eucariotas, además de algunas bacterias y arqueas, a partir del azufre. A bajas concentraciones, el H₂S participa como gasotransmisor con muchas funciones fisiológicas importantes, reguladas por un proceso conocido como sulfhidración. Este proceso es una modificación postraduccional que ocurre cuando el grupo persulfuro de las proteínas se une a una cisteína oxidada, provocando que el grupo tiol de la cisteína se transforme químicamente en un grupo persulfuro.

     La participación del H₂S en patologías relacionadas con el dolor neuropático resalta su importancia biomédica, planteando nuevos temas de investigación sobre los mecanismos moleculares asociados con la vía CSE/H₂S/Ca_v3.2. El efecto del H₂S en el Ca_v3.2 involucra interacciones directas a través del residuo His191, vías indirectas que involucran ciertos reguladores postraduccionales y efectos duales de activación o inhibición del canal Ca_v3.2 dependientes de la concentración de H₂S. Es importante mencionar que el estudio de esta vía está en proceso de investigación, ya que establecer las concentraciones adecuadas para aplicar en el tratamiento del dolor neuropático todavía es un reto que hay que afrontar antes de alcanzar las aplicaciones clínicas.

 

REFERENCIAS

 

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Li L, Rose P and Moore PK (2011). Hydrogen sulfide and cell signaling. Annual Review of Pharmacology and Toxicology 51(1):169-187.

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Nelson MT, Joksovic PM, Perez-Reyes E and Todorovic SM (2005). The endogenous redox agent L-cysteine induces T-type Ca²⁺ channel-dependent sensitization of a novel subpopulation of rat peripheral nociceptors. Journal of Neuroscience 25(38):8766-8775.

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Shuba YM (2014). Models of calcium permeation through T-type channels. Pflügers Archiv-European Journal of Physiology 466:635-644.