Canali ioniciCanali ionici

Proteine integrali di membrana legate sul versanteesterno a gruppi di carboidrati.

Formati da diverse subunità che circoscrivono un poroacquoso che permette il passaggio selettivo di ioni. La loro apertura influenza l’equilibrio chimico edelettrico della cellula determinando flussi di ioni chegenerano modificazioni rapide del suo potenzialetransmembrana.

Canali omomerici

Canali eteromerici

Na+

Ogni subunità consiste in una lunga sequenza di aminoacidi organizzata indomini, formati a loro volta da segmenti con struttura ad elica, cheattraversano la membrana da parte a parte e sono uniti tra loro da anseestese sia sul versante extra che intracellulare.

Selettività dei canali ioniciSelettività dei canali ioniciI canali ionici possono avere elevataselettività per una determinataspecie ionica o permettere ilpassaggio di diversi tipi di ioni (Na+,K+ e Ca2+).

Gli ioni sono circondati da una coronadi molecole di H2O (solvatazione), lacui dimensione è proporzionale allaconcentrazione della carica elettricaionica.

Ione con raggio atomico piccolo

maggiore concentrazione carica

maggiore solvatazione

Carica: Na+ = K+

Dimensioni (raggio atomico): Na+ < K+

Idratazione (raggio solvatazione):Na+ > K+

La selettività dipende da uno specifico filtro molecolare, costituitoda residui aminoacidici polari (regione P), che stabiliscono legamilabili con lo ione.

Lo ione lascia una parte rilevante di molecole di H2O, si lega per untempo brevissimo (< s) al sito specifico e attraversa il canale spintodal gradiente elettrochimico.

Canali presenti nelle membrane cellulari:

Passivi: sempre aperti, il flusso ionico è determinatodalla forza elettrochimica esistente tra i due versantidella membrana. Coinvolti nella genesi del potenziale dimembrana.

Ad accesso variabile: possiedono un meccanismo che neregola l’apertura a seguito di stimoli specifici di naturaelettrica (voltaggio-dipendenti), chimica (ligando-dipendenti) o meccanici. Responsabili dell’insorgenza disegnali elettrici nelle cellule eccitabili

Canale sempre aperto Canale a cancello: solitamente chiusi si aprono in risposta ad un

fattore specifico

La direzione del flusso ionico dipende dal gradiente elettro-chimico esistente ai capi della membrana:

Gradiente di concentrazione (forza chimica)

Differenza di potenziale elettrico (forza elettrica)

Apertura e chiusura dei canali ionici ad Apertura e chiusura dei canali ionici ad accesso variabileaccesso variabile

Canale chiuso Canale apertoCanale chiuso Canale aperto

+

-+

-

L’apertura di alcuni canali può essere regolata dallo stato di fosforilazione di siti specifici ad opera di secondi messaggeri intracellulari.

I canali ionici ad accesso variabile possono trovarsi in tre distinti stati funzionali: aperti, chiusi od inattivati (refrattario)

In risposta a stimoli specifici il canale passa rapidamente dallo stato chiuso a quello aperto.

L’attivazione del canale non determina un flusso ionico continuo, ma l’insorgenza di una ripetizione di impulsi con caratteristiche tutto o nulla, di durata e frequenza variabile.

Dipendenza dal voltaggio:Dipendenza dal voltaggio: Il perdurare delle modificazioni del voltaggio causa un cambiamento

conformazionale di una regione del canale (canale del Na+).

Dipendenza dalla Dipendenza dalla defosforilazionedefosforilazione

Un canale dallo stato aperto può passare a quello chiuso o refrattario. Una volta inattivato torna allo stato aperto solo se passa attraverso lo stato chiuso.

InattivazioneInattivazionePur perdurando lo stimolo specifico che determina l’apertura del canale, il transito degli ioni è impedito.

Dipendenza dallo ioneDipendenza dallo ione: Lo ione trasportato si lega al canale bloccandolo (canali del Ca2+).

Tecnica del patchTecnica del patch--clampclamp(Erwin Neher(Erwin Neher--Bert Sakmann, 1976Bert Sakmann, 1976-- Premi Nobel nel 1991Premi Nobel nel 1991)

Registrazione di flussi ionici attraverso un “singolo” canale e delle correnti che fluiscono attraverso l’intera membrana.

1 pA = 10-12 A

Resistenza intorno ai gigaohm (1 G = 109 )

Probabilità di apertura (PProbabilità di apertura (POO))

Rapporto tra tempo trascorso dal canale allo stato aperto (sommadurata singoli impulsi) e tempo totale di osservazione.

Po = 1 (durata flusso corrente = durata registrazione) esprime ilcomportamento teorico di un canale che si lascia attraversare dagli ioniper tutto il tempo della attivazione. Normalmente il canale oscillasempre tra lo stato aperto e chiuso generando:

0 < Po < 1

Tempo medio di apertura e di chiusuraTempo medio di apertura e di chiusuraIndicano rispettivamente:

Durata media degli impulsi di corrente (singole aperture del canale)che si succedono nel tempo

Durata media degli intervalli tra due aperture successive

Permettono di sapere se ad un determinato valore di Po corrispondonomolte aperture di breve durata o poche aperture di lunga durata.

ConduttanzaConduttanzaEsprime la capacità di far passare cariche elettriche (ioni) in presenzadi una forza motrice elettrochimica, che dipende da:

Differenza di potenziale elettrico tra i due lati della membrana.

Differenza di concentrazione ionica tra i due lati della membrana.La conduttanza (g = 1/R) si misura in Siemens (1S = 1/Ohm). Per i canaliionici è dell’ordine di picosiemens (1pS = 10-12 S).

Esterno

Interno

Esterno

Interno

g = 1/R

+- E

La conduttanza totale di una membrana cellulare per una specie ionica(G) è uguale al prodotto tra il numero dei canali aperti (Ni) e laconduttanza g del singolo canale. Gi = gi . Ni

Per la I Legge di Ohm:Per la I Legge di Ohm:V = i . RV = i . R

i = i = V/RV/Ri = g . i = g . VV

Canali ohmici: a conduttanza costante. Relazione lineare tra V (ai capidella membrana) e corrente i, che li attraversa.Canali rettificanti: a conduttanza variabile. Conducono meglio perdeterminati valori di V.

Canali voltaggio dipendentiCanali voltaggio dipendenti Chiusi al potenziale di riposo della membrana, si attivanoin seguito a variazioni di potenziale.

Altamente selettivi per una data specie ionica, sonocaratterizzati da una soglia di attivazione (valore minimoche il potenziale di membrana deve raggiungere perché ilcanale si apra).

L’apertura dipende dalla presenza di un sensore divoltaggio (sequenza di aminoacidi carichi positivamente onegativamente) che si muove aprendo il cancello diattivazione.

Il segmento S4 (subunità ) è il sensore di voltaggio (aminoacidi carichi positivamente), che innesca l’apertura del canale. La depolarizzazione determina uno spostamento verso l’esterno del segmento S4, che viene trasmesso alla regione P (filtro di selettività). L’ansa tra i domini III e IV è il cancello di inattivazione del canale, e lo inattiva mediante un ripiegamento che occlude il poro dal versante interno.

Canale del NaCanale del Na++

Classificazione canali voltaggio dipendentiClassificazione canali voltaggio dipendenti

Nome chimico della specie ionica per la quale il canale èselettivo, seguito dalla lettera v, che indica la voltaggio-dipendenza.

Segue numero che indica la sottofamiglia del gene checodifica quel tipo di canale, che può essere seguito da unaltro numero, che indica la specifica isoforma del canale:

Cav1.1, Cav1.2, Cav1.3, Cav1.4

Canali del Na+: (Nav1.1-Nav1.9). Formati da una subunità (sufficientea generare un poro funzionale dotato di voltaggio-dipendenza) che puòessere associata ad una o più subunità β (β1 o β3 e β2), che modulano lacinetica e la voltaggio-dipendenza del canale.

Proprietà funzionaliProprietà funzionali Bassa soglia di attivazione Intenso flusso ionico Rapida cinetica di inattivazione, responsabile della refrattarietà

assoluta

Canali del K+: Attivati dal voltaggio (Kv,

12 famiglie, con numerosi sottotipi) e dal Ca2+ (KCa).Principalmente formati da quattro subunità identiche, ciascuna delle quali presenta un singolo dominio di 6 segmenti.

Filtro di selettività

Regione di inattivazione

Proprietà funzionaliProprietà funzionali Determinano flusso

K+ verso l’esterno Giocano ruolo

fondamentale nella ripolarizzazione del potenziale d’azione, regolandone la durata.

Canali del Ca2+: Divisibili in 3 grandi gruppi (Cav1, Cav2 e Cav3, ciascuno comprendente diverse isoforme).Formati da diverse subunità ( 1, che forma il poro del canale, β, e 2 )

Subunità β contiene sito di fosforilazione per le PK

Subunità 2 - legate da un ponte disolfuro modulano l’apertura mediante interazione con proteine G

S4 sensore di voltaggio

Proprietà funzionaliProprietà funzionali Canali ad alta soglia di attivazione (HVA)

Si attivano per forti depolarizzazioni (- 20 mV) e siinattivano lentamente. Comprendono due famiglie(Cav1 e Cav2) divise in quattro classi farmacologiche:canali L, N, P/Q e R, presenti in cellule nervose,muscolari, cardiache ed endocrine.

Canali a bassa soglia di attivazione (LVA)

Si attivano a potenziali più vicini al potenziale di riposo(- 65 mV, - 50 mV) e si inattivano rapidamente. Sono icanali T appartenenti alla famiglia Cav3, presenti nellecellule nervose, cardiache ed endocrine .