I canali ionici: struttura e meccanismi di attivazione e inattivazione

I Canali Ionici

• Breve introduzione sulle varie tipologie di canali
• I canali del Na+ voltaggio-dipendenti
• Le "gates" di attivazione e inattivazione dei canali
  del Na+
• Il modello di inattivazione "chain & ball"
• I canali del K+
• I canali del Ca2+
• Struttura dei canali del Ca2+
• I canali L e T cardiaci
• Distribuzione eterogenea dei canali del Ca2+ nei neuroni

Proteine-Canale

Le proteine-canale formano nella membrana dei «pori» attraverso i quali transitano
a grande velocità gli ioni inorganici e le molecole d'acqua.
Pertanto, il trasporto mediato da proteine canale avviene molto più velocemente
rispetto a quello operato dalle proteine carrier, le quali, invece, stabiliscono un vero
e proprio legame con le particelle da trasportare ed operano il trasporto attraverso
cambiamenti conformazionali più o meno complessi.

DNON SONO SEMPRE APERTI
I canali in genere sono costituiti da più subunità
transmembranarie (in genere da 4 a 6) disposte in
cerchio a formare le pareti di un «poro idrofilo»
attraverso il bilayer fosfolipidico.
Citoplasma
Nagu
Nan

Proprietà dei Canali Ionici

Gating dei Canali Ionici

Gating
(gate = cancello) è il meccanismo che governa le
transizioni che controllano l'apertura e la chiusura
del canale.

Selettività dei Canali Ionici

Selettività
è la proprietà del canale di selezionare la
specie ionica che lo attraversa.

Selettività e Filtro di Selettività

Alla base della selettività sta il fatto che nella
molecola costitutiva del canale ionico sia
presente un condotto percorribile dallo ione e
che questo condotto presenti una regione
critica contenente un filtro di selettività che
consente il transito solo degli ioni di una
determinata specie (quelli per i quali il canale è
selettivo).
Interazioni di tipo elettrico tra le cariche
degli ioni che attraversano il canale e gli
amminoacidi che formano le pareti interne
del canale stesso sono alla base del
meccanismo della selettività.
Lo ione deve perdere il suo mantello
di solvatazione per attraversare il filtro
di selettività.
K
Na
Superficie
extracellulare
Superficie
citoplasmatica
Filtro di selettività
Le DIMENSIONI DEGLi IONi ,NON SONO
Wute uguali

Ioni e Alone di Solvatazione

A
HH
H
H
O
H
H
O
O
HH
工
H
工
I
I
K+
工
H
Na
I
I
O
O
O
H
I
H
H
H
H
H
HH
B
tanto + lo pone l' piccole,
tanto maggiore è il numero di
Molecole d'acqua che lo circondano
In ambiente acquoso, ogni ione è avvolto da un
guscio di molecole d'acqua detto alone di
solvatazione. Le
molecole
d'acqua
che
compongono l'anello di solvatazione si orientano,
essendo dipoli, lungo il campo elettrico generato
dallo ione.
A parità di carica, il numero di molecole d'acqua
che si addensano attorno allo ione è tanto
maggiore quanto minore è il raggio dello ione.
Ciò dipende dal fatto che la forza elettrica
esercitata dallo ione è tanto maggiore quanto
maggiore è la densità di carica
(densità di carica = quantità di carica distribuita
uniformemente su una superficie)
GRADienTe eleTRO Chimico
TH
H
H
HH
H
O
I
I
I
I
4
O
O
I
I
4
H
H
O

Esempio del K+ e del Na+

A
HH
H
H
TH
H
H
O
O
HH
I
工
I
I
I
工
H
Na
I
I
I
4
O
O
O
O
O
I
H
H
H
H
H
H
HH
B
O
H
H
HH
H
工
O
I
I
K+
I
H
I
H
H
I
4
O
Nel caso del Na+ il raggio ionico dello ione
anidro (privo di acqua) è inferiore rispetto
al raggio ionico anidro del K+. Pertanto, la
densità di carica nel caso
del Na+ è
maggiore rispetto alla densità di carica del
K+ (infatti nel caso del Na+ la carica è
distribuita su una superficie minore).
Pertanto, la forza di attrazione che il Na+
esercita sulle molecole d'acqua circostanti è
maggiore.
Conseguentemente,
l'anello
di solvatazione del Na+
è
maggiore
rispetto a quello del K+.

Anello di Solvatazione e Filtro di Selettività

A
HIH
H
H
HH
O
I
エ
C
H
HIH
I
工
I
I
O
O
K+
H
Na
I
I
O
O
O
H
I
4
H
H
4
H
H
H
H
H
B
H
H
H
HY
O
I
I
I
I
工
O
HH
C
4
0
O
I
I
C
LEGATO que CARiche
Per superare il filtro di selettività lo ione deve essere reso anidro.
Pertanto, i legami tra lo ione e le molecole d'acqua devono essere vinti dall'attrazione tra lo
ione e le cariche elettriche di segno opposto a quello dello ione presenti sugli amminoacidi che
compongono il filtro di selettività.
Ciò comporta che l'anello di cariche del filtro di selettività
deve avere una distribuzione
spaziale ben precisa, specifica per la specie ionica per la quale il canale manifesta
selettività.

Filtro di Selettività e Struttura del Canale

A
B
II
C
In soluzione acquosa
H2O
H2O
H2O< />H2O
K+
Na
H2O
H2C
H2O
H2O
1
2 3 456
5
6
COOH
NH2
FORMA La
parte
interna
del canale
1
4
2
3
K+
Na
1
0
IV
> In generale per molti canali ionici (come ad esempio nel caso di quelli voltaggio-
dipendenti) ogni subunità comprende diversi segmenti transmembrana collegati da anse
intracellulari ed extracellulari.
> Ai fini della costituzione del filtro di selettività, riveste particolare interesse l'ansa
tra il segmento 5 e il segmento 6. Quest'ansa, detta anche ansa P (poro), è rivolta
verso l'interno della molecola, affondata nello spessore della membrana.
L'organizzazione a cerchio di 4 anse P contribuisce a formare la parete interna
del poro come una sorta di imbuto molecolare, la cui porzione più stretta
rappresenta il filtro di selettività.
P
I
III
Nel canale del K+

Gating dei Canali Ionici

UGating
La maggior parte dei canali ionici ha la facoltà di passare, in risposta ad un
segnale adeguato, da uno stato chiuso, in cui gli ioni non possono transitare,
ad uno stato aperto, in cui è ammesso il passaggio degli ioni. In tal modo
l'intensità di flusso può essere finemente regolata.
Il modello più semplice che possa spiegare questa transizione di stato
prevede la presenza di una «porta» o gate posizionata nella porzione del
canale dove fluiscono gli ioni.
Il gate è costituito da una propaggine molecolare del canale capace di
muoversi sul suo punto di attacco al resto della proteina, in modo da
occludere o lasciare pervio il lume stesso del canale.
La variazione di potenziale, una depolarizzazione Provoca L'apertura del canale
elettrico

Meccanismi di Gating

Gating
Si conoscono 5 categorie generali di «gated channels» distinte in base allo
specifico meccanismo di gating:
canali controllati dal voltaggio
canali controllati dal ligando
canali controllati dalla sollecitazione meccanica
canali controllati dalla temperatura
canali controllati dalla luce

Canali Voltaggio-dipendenti

Passano dallo stato chiuso allo stato
aperto e viceversa in seguito a variazioni
della differenza di potenziale elettrico a
cavallo della membrana.
Alla variazione del potenziale elettrico di
membrana corrisponde una variazione
del campo elettrico all'interno della
membrana.
Si ritiene, quindi, che il gate di questi
canali sia dotato di carica elettrica che
risenta della forza (attrattiva o repulsiva)
esercitata dalla variazione di campo
elettrico all'interno della membrana.
Ipotetico modello di canale voltaggio-dipendente
A
+
+
+
+
-
+
-
+
C
+
+
+
+
Canale
chiuso
Canale
aperto
-
+
+

Canali Ligando-dipendenti

Passano dallo stato chiuso allo stato
aperto in seguito al legame di particolari
molecole «messaggere» (ligandi) ad uno
specifico sito recettoriale del canale, sito
che può trovarsi sul lato extracellulare o
sul lato intracellulare.
In seguito a questo legame, la struttura
del canale subisce una serie
di
cambiamenti conformazionali che alla fine
determinano il movimento del gate dalla
posizione di chiusura a quella di apertura
(o viceversa quando il ligando si stacca
dal sito recettoriale).
B
Mediatore
extracellulare
Sito
C
/
Sito
Messaggero
intracellulare
Canale
chiuso
Canale
aperto

Canali Meccano-sensibili

Stiramento
Citoscheletro
I canali meccano-sensibili (o sensibili alle sollecitazioni meccaniche)
sono
generalmente dotati di una porta connessa ad una struttura citoscheletrica che la apre
quando sopraggiunge una deformazione della superficie cellulare.
Questi canali sono alla base di processi fisiologici quali la percezione della pressione
sulla pelle (senso del tatto), delle vibrazioni dell'aria (senso dell'udito) e la
propriocezione (es. la percezione dello stato di tensione muscolare).

Canali Sensibili a Variazioni di Temperatura

Passano dallo stato chiuso a quello
aperto in seguito a piccole variazioni di
temperatura rispetto ad un valore di
riferimento. Essi sono coinvolti nella
percezione del caldo e del freddo.
Si ritiene che in questi canali siano
presenti sequenze di diverse decine di
amminoacidi che darebbero luogo a
strutture
che
si
muovono
in
corrispondenza di piccole variazioni di
temperatura. Il moto di tali strutture
provocherebbe l'apertura o la chiusura
del canale.
E-A SONO QUASI SEMPRE APERTI

Canali Ionici Senza Porta (Non-Gated Channels)

> Tutte le cellule sono dotate di canali ionici che sono sprovvisti di porta, i cosiddetti
«non gated channels».
> Tali canali si trovano sempre nello stato aperto. Essi conferiscono alla membrana
una conduttività di base che è una componente fondamentale per la genesi del
potenziale di membrana in tutte le cellule.
Il flusso ionico che passa attraverso i canali non-gated è denominato leakage
(perdita), perché tende a dissipare i gradienti ionici presenti a cavallo della
membrana.
Sono conosciuti vari tipi di canali di leakage:
canali del Na+ (detti anche epiteliali)
canali del K+ (detti anche 2P)
canali del Cl-
canali del Ca2+
(presenti ad esempio sulla membrana del reticolo
sarcoplasmatico)

I Canali del Na+ Voltaggio-dipendenti

I MUSCOLI, CUORE, NEURONE (domanda esame)
· Sono 9 e sono presenti in quasi tutti i tessuti eccitabili (Nay 1.1 - Na, 1.9)
· sono responsabili della fase di depolarizzazione del potenziale
d'azione
· bloccati reversibilmente e con alta affinità dalla tetrodotossina (TTX) (da
Nav1.1 a Nav1.4; Nav1.6; Nav1.7) (TTX-sensibili)
· esistono anche canali del Na+ TTX-insensibili Nav1.5; Nav1.8;
Nav1.9) (iperalgesia)
LA ESEMPIO: NON RISPONDONO Più AGLI ANTIBIOTICI
" attivazione ed inattivazione sono processi molto veloci e voltaggio-
dipendenti
AMMINOACIDI
l'attivazione è controllata dagli a.a. carichi dei quattro segmenti
transmembranali S4
" l'inattivazione è controllata da a.a. carichi contenuti nelle anse intracellulari
(modello "chain & ball")
" la permeabilità è controllata dall'ansa P (P-loop) tra i segmenti S5 e S6
DAL FILTRO Di SELETTIVITÀ'