Voltage gated calcium channels e GPCRs, appunti universitari di Biologia

Farmacologia #10

Voltage gated calcium channels e GPCRs

Prof. J. Sassone Pagano - 19/03/2025- Autori: Chiara Maria Timis, Gaia Vergani - Reviewer: Giulia Mantovani

Voltage gated calcium channel

Esistono tante tipologie di canali del calcio voltaggio dipendenti e questi sono localizzati più tessuti diversi.

La distinzione può essere fatta tra i canali chiamati low voltage e high voltage e fa riferimento alla loro attivazione; infatti, i low voltage si aprono a circa -50 millivolt e si inattivano più velocemente mentre gli hight voltage si aprono a -40 millivolt e a loro volta si suddividono in quattro sottotipi:

• i canali di tipo L (lunga durata) che sono a lunga durata, si localizzano a livello muscolare, cardiaco e cerebrale e che sono molto importanti come target di farmaci antipertensivi e antiaritmici;
• i canali di tipo N (neuronali) che, come dice il loro nome, sono localizzati nei neuroni;
• i canali chiamati P/Q che sono localizzati nelle cellule di Purkinje;
• i canali R (resistenti).

Tutti questi canali hanno una struttura simile tra di loro e simile anche ai canali del sodio voltaggio dipendenti, però l'unica differenza riguarda il poro della selettività per lo ione; presentano quindi una struttura formata da 4 domini con 6 domini transmembrana per ogni dominio.

Anche in questo caso esiste una subunità ß codificata da un'altro gene che modula le proprietà cinetiche del canale, ma non solo dato che esistono delle proteine accessorie y e 8 che modulano la funzionalità del canale.

Quindi, in ogni caso la struttura che fa il poro è formata da una singola proteina codificata da un singolo gene.

I canali Nav, dove "v" sta per voltaggio e "Na" sta per sodio sono stati denominati in questo modo, e lo stesso criterio è stato adottato per i Cav.

In particolare, i canali di tipo L sono stati denominati Cav 1.1, Cav 1.2, Cav 1.3 e Cay 1.4.

CLUSTAL: tools bioinformatico che permette di allineare le sequenze primarie delle varie regioni codificanti e definire delle rispettive sequenze codificanti quanto si assomigliano le une alle altre; quindi quello che ci dice è che sono strutture fra di loro simili e derivate a livello ancestrale da un numero minore di geni.

Family of Voltage-Gated Ca2+ Channels

Cay1.1 (as) Muscolo scheletrico Cay1.2 (1c) +-type Muscolo C-type liscio, cuore Cay1.3 (01D) SNC, cellule Cay1.4 (1F) endocrine Ca 2.1 ( A) P/Q-type Cay2.2 (1B)| N}type Cay2.3 (a1E) R-type Cay3.1 (a1G) Cay3.2 (01H) T-type Cay3.3 (11) 1.3 SNC, 20 40 60 80 100 pancreas, rene, Matching percentage using CLUSTAL ovaio, orecchio interno 1.4. retina

Canali L e Farmaci calcio antagonisti

I canali di tipo L sono i più importanti a livello terapeutico e sono localizzati a livello del cuore, del muscolo liscio e di altri tessuti.

Sono i target di una classe di farmaci molto importante nota come farmaci calcio-antagonisti, che hanno tutti la stessa farmacodinamica e che hanno in comune la proprietà di bloccare canali lenti, quindi canali di tipo L, che permettono l'ingresso del calcio nelle cellule in cui sono presenti.

Questi farmaci calcio-antagonisti bloccano i canali voltaggio-dipendenti di tipo L, presenti principalmente nella muscolatura liscia e cardiaca e di conseguenza, riducono la contrazionePag. 2 a 15 Farmacologia#10 - J. Sassone Pagano- Voltage gated calcium channels e GPCRs muscolare, poiché il calcio è direttamente correlato alla contrazione con un legame positivo; al contrario livelli elevati di calcio aumentano la contrazione.

I farmaci calcio-antagonisti rappresentano una grande famiglia eterogenea di farmaci diversi tra di loro dal punto di vista strutturale mentre dal punto di vista chimico sono riconducibili a tre classi:

• le diidropiridine;
• le benzotiazepine che non sono da confondere con le benzodiazepine che agiscono sul GABA a livello del sistema nervoso centrale;
• le fenilalchilamine.

Questa distinzione è rilevante perché esiste un riflesso proprio sulla loro funzione, in particolare queste tre classi sono diverse dal punto di vista della loro attività sul cuore e sui vasi.

Il precursore delle diidropiridine è la nifedipina, quello delle benzotiazepine è il diltiazem mentre quello delle fenilalchilamine è il verapamil.

Il blocco dei canali L da parte di queste molecole è alla base del loro utilizzo clinico, in particolare agiscono come antipertensivi, antiaritmici e antischemici/antianginosi.

Questi effetti dipendono proprio dal blocco dell'entrata di calcio sulla muscolatura liscia vascolare e su quella striata cardiaca con delle differenze però a seconda dei farmaci.

Effetti dei farmaci calcio-antagonisti

Perché danno questo effetto?

• nelle cellule muscolari cardiache, la riduzione dell'ingresso di calcio comporta una diminuzione della forza di contrazione del miocardio, un effetto noto come inotropo negativo. Inoltre, riduce anche il fabbisogno di ossigeno a livello tissutale e rallenta la conduzione atrio-ventricolare, risultando così utile nel trattamento delle aritmie e contribuendo potenzialmente anche all'azione antianginosa.
• nelle cellule muscolari lisce delle arterie, la riduzione dell'ingresso di calcio provoca una diminuzione del tono arteriolare e una riduzione delle resistenze vascolari sistemiche, risultando così utile nel meccanismo d'azione responsabile dell'effetto antipertensivo.
• nelle cellule muscolari scheletriche i farmaci calcio-antagonisti non hanno nessun effetto dato che queste cellule utilizzano pool di calcio intracellulari.

I vari farmaci calcio-antagonisti differiscono tra di loro per la loro maggiore o minore affinità con i canali del calcio nei vari tessuti, con conseguenti effetti sia a livello cardiaco sia a livello vascolare.

I derivati diidropiridinici hanno una maggiore selettività per i canali L della muscolatura liscia e sono dei vasodilatatori periferici e coronarici utilizzati principalmente come antipertensivi o antianginosi e non come farmaci antiaritmici; inoltre, a dosi efficaci o terapeutiche che vengono usate per ridurre le resistenze vascolari periferiche, non hanno effetti diretti sull'attività cardiaca.

I derivati fenilalchilaminici e derivati benzotiacepinici invece, hanno un effetto prevalente a livello cardiaco e sono quindi utilizzati come antiaritmici e non come antiipertensivi e agiscono sui canali L localizzati sul nodo senoatriale, nodo atrioventricolare, fibre di conduzione e miociti delle pareti contrattili.

Qui la riduzione dei livelli di calcio va ad agire a livello intracellulare bloccando la contrazione, coinvolgendo poi tutto il meccanismo intracellulare che modula normalmente la contrazione cardiaca, diminuendo l'afflusso anche dei poli intracellulare e determinando comunque la diminuzione della contrazione.

Domanda studente: somministrazione farmaci calcio-antagonisti

Domanda fatta da uno studente nella lezione precedente: Perché alcune volte questi farmaci calcio-antagonisti vengono somministrati anche in situazioni in cui la pressione arteriosa non è troppo elevata?

Risposta: questo si rifà all'utilizzo di un farmaco prevalentemente antiaritmico e quindi un derivato diidropiridinico e non un derivato fenilalchilaminico/benzotiazepinico; quindi, si trattava di una persona che non aveva un problema di ipertensione ma un problema di aritmia.

Domanda: selettività d'azione dei farmaci

Domanda: Perchè c'è questa diversa selettività d'azione tra i vari farmaci quando in realtà i canali sono poi gli stessi localizzati a livello dei vasi piuttosto che a livello del cuore?

Risposta: Questo è riferito al fatto che queste tre classi chimiche di farmaci agiscono su regioni diverse del recettore e in particolare le diidropiridine si legano sulla superficie esterna del canale e sono localizzate tra la terza e la quarta ansa mentre le fenilalchilamine e le benzotiazepine hanno dei legami in regioni diverse. In particolare, le fenilalchilamine si legano sulla porzione intracellulare del segmento VI mentre le benzotiazepine si legano in una regione intracellulare all'interno del segmento III.

DIIDROPIRIDINE 11 III IV FENILALCHILAMINE 12345 6 123 4 5 6 123 45 6 123 4 5 6 VV VV BENZOTIAZEPINE

Questa specificità per regioni diverse del recettore sottende la maggiore selettività verso alcuni tipi di canali nel tessuto muscolare piuttosto che nel tessuto vasale.

Ci sono farmaci che agiscono anche su altri canali, in particolare per quanto riguarda i canali di tipo T esiste un farmaco, la etosuccimide, che è attivo come antiepilettico per alcuni tipi di epilessia.

Un'altro gruppo importante, molto più utilizzato, sono i gabapentinoidi, di cui i più conosciuti sono il gabapentin e il pregabalin e che sono utilizzati per il trattamento del dolore neuropatico e per alcune forme di epilessia.

Teoria neuroprotettiva dei calcio-antagonisti

Teoria scientifica non ancora ufficializzata: si pensa che questi farmaci calcio-antagonisti bloccanti dei canali L potrebbero avere un ruolo neuroprotettivo verso alcune patologie neurodegenerative, in particolare c'è un po' di letteratura che suggerisce in un potenziale effetto sulla malattia di Parkinson.

Questi sono studi epidemiologici in cui è stato visto che persone che avevano preso per problematiche cardiache e per molto tempo calcio antagonisti che agivano sui canali L avevano un ridotto rischio di sviluppo di malattie neurodegenerative.

La base di questa ipotesi potrebbe essere il fatto che questi canali tipo L sono presenti anche nel sistema nervoso centrale in alcuni tipi neuronali e questo potrebbe indurre un effetto neuroprotettivo.

Canali al potassio

Parlando dei canali al potassio non ci sono molti farmaci che agiscono su di essi, però risultano essere la classe più ampia di canali dato che ci sono più di 70 geni che codificano per le subunità di potassio nel nostro DNA. Sono inoltre importanti stabilizzatori del potenziale di membrana, dato che riescono a far tornare il potenziale di membrana a valori resting delle cellule eccitabili.

Quindi, regolano l'attività elettrica in cellule eccitabili ma in realtà svolgono delle funzioni anche in cellule non eccitabili.

Questi canali possono essere classificati in: