I canali di membrana e i segnali bioelettrici

Canali di Membrana e Segnali Bioelettrici

I canali di membranaSEGNALI BIOELETTRICI: variazioni transienti del potenziale di membrana (Vm) prodotte da variazioni della conduttanza della membrana a specifici ioni dovute all'apertura (o chiusura) di canali ionici in risposta ad uno stimolo. Potenziale d'azione Potenziale sinaptico Potenziale di recettore

I diversi segnali bioelettrici hanno: - diverso andamento temporale - diversa ampiezza Sono generati da tipi diversi di canali ionici controllati («a cancello»).Canali ionici controllati (attivabili, a «cancello») Sono generalmente chiusi al potenziale di membrana di riposo Vr e si aprono in risposta a particolari stimoli

Proprietà Fondamentali dei Canali Ionici

- Permeation + Caratterizzati da due proprietà fondamentali: - Permeazione/selettività - Gating closed open stimolo C O chiuso aperto + - Gating

I canali attivabili vengono classificati in base allo stimolo che controlla i cambiamenti conformazionali (tra stato aperto e chiuso) del canale (gating): - campo elettrico > canali dipendenti dal voltaggio (o canali dipendenti dal potenziale) - binding di legando > canali dipendenti da legando - stimolo meccanico > canali dipendenti da forza meccanicaVoltaggio AV + L Forza meccanica AF Legando extracellulare AC 00000000000000 Legando intracellulare ACIV

Tipi di Canali Dipendenti dal Potenziale

Nav Canali dipendenti dal potenziale A B + + + + Na+ + + + + - - + + + + + + + + + + + + + COOH NH2 Ky Canale K+ 123 45 6 P NH2 COOH I canali Kv sono formati da 4 subunità a1 ognuna con 6 segmenti transmembrana I canali NaV e CaV sono formati da una subunità a1 formata da 4 domini con 6 segmenti transmembrana Superficie citoplasmatica COOH NH2 Cav Canale Ca2+ 5 6 1 2 4 5 6 5 1 2 4 6 P P 1 2|3 4 U 6 13 5 P P 1 2 3 4 3 1 3 4 5 1 2 3 5 6 2 4 1 2 3 4 15 6 2 P U P 6 4 P 3 5 6 P - - + + + + + + + + + + Canale Na+ - III Superficie extracellulare

Recettore Nicotinico dell'Acetilcolina

URecettore nicotinico dell'acetilcolina Se l'ACh non si lega al canale, il canale è chiuso Quando due molecole di ACh si legano al canale, il canale si apre Na+ Y A Struttura di una subunità del recettore-canale per l'A NH2 M1 M2 M3 M4 Superficie extracellulare 1 COOH 10 Superficie citoplasmatica B Probabile disposizione delle subunità di un canale Superficie extracellulare M4 M3 M2 M1 Y 8 Superficie citoplasmatica Y Y 8 Y AChRecettore ionotropico (nicotinico) dell'acetilcolina A Neurotransmitter binding pocket C Pore ¥ Extracellular 0 0 Gate 0 Intracellular B Synaptic cleft 0 0 Cytoplasm Struttura ottenuta con criomicroscopia elettronica Risoluzione: 9 Å

Generazione dei Segnali Bioelettrici

I diversi tipi di segnali bioelettrici sono generati dall'apertura e/o chiusura di tipi diversi di canali ionici controllati («a cancello»)

• Potenziale d'azione: canali ionici dipendenti dal voltaggio
• Potenziale sinaptico: canali ionici dipendenti da ligando (neurotrasmettitore)
• Potenziale di recettore: canali ionici dipendenti da ligando o dipendenti da forza meccanica o dipendenti dal calore

I diversi segnali bioelettrici hanno proprietà diverse che derivano dalle proprietà biofisiche diverse dei canali controllati che li generano

Caratteristiche dei Segnali Bioelettrici

Potenziale sinaptico Potenziale di recettore -70 SITO Potenziale -80 di membrana (mV) -90 -100 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 Tempo (ms) - Sono segnali graduati: l'ampiezza è proporzionale all'intensità dello stimolo → comunicano direttamente l'informazione su intensità dello stimolo - Sono segnali sommabili. Possono avere segno diverso (depolarizzazione o iperpolarizzazione) - Non si propagano inalterati lungo la membrana: l'ampiezza diminuisce rapidamente con la distanza e l'andamento temporale viene distorto > mediano comunicazione a breve distanza

Potenziale d'azione - È un segnale tutto o nulla: l'ampiezza non è proporzionale all'intensità dello stimolo → rivela esistenza dello stimolo, non le sue caratteristiche - Non è un segnale sommabile Potenziale di membrana (mV) 0 I 1 1 1 1 2 ms - Si propaga inalterato velocemente lungo la membrana degli assoni → media la comunicazione veloce a lunghe distanze

Permeazione e Selettività dei Canali

Permeazione-selettività C stimolo + + + + -- i = 0 O - + + + + i = g (V - E) Ad ogni flusso ionico J è associata una corrente elettrica I: I = z F J coulombs/sec = coulombs/moli * moli/sec Legge di Ohm: I = V/R o I = G x V R= resistenza G= conduttanza = 1/R V = Vm= (Yin -Yout) i = corrente di singolo canale g = conduttanza di singolo canale E = potenziale di Nernst E, (se canale è selettivo per un dato ione i) E = potenziale di reversione Erey (se canale è permeabile a diversi tipi di ioni: corrisponde a potenziale a cui il flusso netto di ioni si annulla) V-E = gradiente di potenziale elettrochimico (se canale è selettivo per un dato ione) Considerando membrana cellulare con popolazione N di canali: I = No Xi G = Nox g I = corrente attraverso la membrana, G = conduttanza della membrana I = G (V-E) No = numero di canali aperti

Direzione del Flusso Ionico e Variazione di Vm

Le proprietà di permeazione (in particolare la selettività -> E) dei canali controllati determinano la direzione del flusso ionico e quindi il segno della variazione di Vm cioè il fatto che il segnale elettrico consista in una depolarizzazione o iperpolarizzazione della membrana, a partire da un dato potenziale di riposo. Supponendo che canali ionici controllati (precedentemente chiusi al V di riposo Vr) selettivi per lo ione i si aprano I = G (V,-E;) se Vr < Ei > I negativa > flusso di cariche positive entranti -> I inward (flusso di ioni positivi entranti o negativi uscenti) > Depolarizzazione Se Vr > Ei > I positiva > flusso di cariche positive uscenti-> I outward (flusso di ioni positivi uscenti o negativi entranti) >> iperpolarizzazione Lo ione i tende a spostare V verso il suo potenziale di equilibrio E;

Esempi di Flusso Ionico

Supponendo che canali ionici attivabili (precedentemente chiusi al V di riposo Vr) selettivi per lo ione i si aprano > | = G (V,-E;) se Vr < E; > I inward > depolarizzazione Se Vr > E; > l;outward-> iperpolarizzazione lo ione i tende a spostare V verso il suo potenziale di equilibrio E;

Esempio 1: si aprono canali selettivi per lo ione Na+ in neurone con V= - 60 mV e ENa = +50 mV >V < E; > I inward > flusso di ioni Na+ entrante > depolarizzazione

Esempio 2: si aprono canali selettivi per lo ione K+ in neurone con V= - 60 mV e Ex = - 80 mV > V > E; > I outward > flusso di ioni K+ uscente-> iperpolarizzazione

Esempio 3: si aprono canali selettivi per lo ione Cl- in neurone con V= - 60 mV e Eg = - 70 mV > V > E; > I outward -> flusso di ioni CI- entrante> iperpolarizzazione

Gating e Conduttanza della Membrana

Gating C + + ++ -- O stimolo -- + + + + - Po = probabilità di apertura del singolo canale (frazione di tempo che il singolo canale spende nello stato aperto). Po dipende dall'intensità dello stimolo Considerando membrana cellulare con popolazione N di canali: NO = N x P. I = G (V-E) con G = N P. g La conduttanza della membrana G dipende da Po e quindi dall'intensità dello stimolo.

Ampiezza e Andamento Temporale del Segnale Elettrico

Le proprietà di gating dei canali determinano l'ampiezza e l'andamento temporale del segnale elettrico C O stimolo + + ++ + + + + Considerando membrana cellulare con popolazione N di canali: I = G (V-E) G = N P. g L'andamento temporale del segnale elettrico dipende dalla cinetica con cui i canali si aprono e si chiudono in risposta allo stimolo, che determina la cinetica di variazione di Po e quindi G e I. P. (stimolo, t)