i canali ionici: parte prima - Università degli Studi di Pavia

I CANALI IONICI: PARTE PRIMA
I canali ionici costituiscono una classe di proteine, presente in tutte le cellule, che consentono il
passaggio degli ioni attraverso la MP: questi si muovono unicamente in base al potenziale
elettrochimico.
I flussi ionici non hanno, in generale, fini metabolici ma costituiscono un segnale che, da solo od
insieme ad altri tipi di segnali, modula l’attività cellulare.
CARATTERISTICHE GENERALI DEI CANALI IONICI
La proteina-canale (sinteticamente, il canale) è una proteina integrale, multimerica, che delimita
internamente un canale acquoso. Il canale può assumere una conformazione che consente il
passaggio dello ione (stato aperto) o una conformazione che non consente il passaggio dello ione
(stato chiuso) (Fig. 3.1A). In molti casi può assumere una terza conformazione, stato inattivato, che
non consente il passaggio dello ione e non consente il passaggio allo stato aperto. Lo stato inattivato
origina da una prolungata applicazione dello stimolo; rimosso lo stimolo, dallo stato inattivato il
canale può passare unicamente allo stato chiuso (Fig. 3.1B)
A
Ioni
Poro del
canale ionico
B
Canale ionico
inattivato
Stimolo prolungato
Canale ionico
aperto
Rimozione
dello stimolo
Stimolo
Canale ionico
aperto
Doppio strato
lipidico
Canale ionico
chiuso
Rimozione dello
stimolo
Canale ionico
chiuso
Fig. 3.1. A, sono mostrate due conformazioni (o stati) della proteina-canale: lo stato aperto e lo stato
chiuso. L'apertura extracellulare del canale è detta poro. B, sono mostrati tutti e tre i possibili stati di
un canale ionico. Gli stati chiuso e aperto sono sempre presenti. Lo stato inattivato può non essere
presente .
Il canale ha una certa probabilità P di essere in uno di questi 3 stati. Lo stimolo (un ligando, per
esempio) aumenta la P di trovarsi nello stato aperto.
I canali sono denominati in funzione dello stimolo che aumenta la probabilità di essere nello stato
aperto: i canali ligando-dipendenti sono canali la cui apertura è favorita (sono attivati)
dall’interazione con un ligando (l’acido glutammico, per esempio), i canali meccano-dipendenti
sono attivati da uno stimolo meccanico (la deformazione della proteina-canale), i canali termodipendenti sono attivati dalla temperatura, i canali voltaggio-dipendenti sono sensibili a Vm.
I canali ionici possono essere molto selettivi (passa solamente il Ca2+, o il Na+, o il K+, o il Cl-), o
poco selettivi (passa il Na+ ed il K+, passa il Na+, il K+ e il Ca2+); attraverso lo stesso canale non
possono però passare ioni positivi e negativi (mai possono passare, per esempio, il Cl- ed il Na+).
Un canale viene così denominato anche in funzione dello ione che può passare: un canale al Ca2+
voltaggio-dipendente è un canale che consente il passaggio del Ca2+ ed è sensibile a Vm.
Gran parte delle funzioni del sistema nervoso originano dall'attività di canali ionici; il rene utilizza i
canali ionici per riassorbire gli ioni; i canali al Ca2+ controllano l'ingresso nella cellula di questo
ione, un messaggero intracellulare universale coinvolto in una miriade di processi (esocitosi,
contrazione muscolare, migrazione e proliferazione cellulare); di fatto, come vedremo, l'ingresso di
Ca2+ è modulato anche dagli altri canali ionici, che partecipano dunque ai meccanismi di controllo
della [Ca2+]i.
Esamineremo ora 2 tipi di canali voltaggio-dipendenti, il canale al Na+ voltaggio-dipendente
(Na+(V)) ed il canale al K+ voltaggio-dipendente delayed (K+(V) delayed); tratteremo quindi il
canale al K+ inward rectifier. I canali attivati da molecole chimiche verranno discussi dopo il
capitolo sulle sinapsi.
IL CANALE AL NA+ VOLTAGGIO-DIPENDENTE ED IL CANALE AL K+
VOLTAGGIO-DIPENDENTE DELAYED
I canali al Na+(V) sono canali permeabili al Na+ che possono assumere, in funzione di Vm, 3
conformazioni (canale aperto, chiuso, inattivato; Fig. 3.1B). La probabilità di essere nello stato
chiuso (Pc) è molto alta, praticamente 1, per Vm=-100 mV ed il canale è stabilmente nello stato
chiuso; depolarizzando la cellula a 0 mV, tutti i canali che erano nello stato chiuso vanno nello stato
aperto nel giro di una frazione di ms: la probabilità di essere nello stato aperto (Pa) è praticamente
1; tuttavia, dopo circa 0.5 ms dall’applicazione dello stimolo i canali che erano nello stato aperto
passano tutti nello stato inattivato (Pi=1). Per uscire dallo stato inattivato la cellula deve
ripolarizzarsi (deve essere rimosso lo stimolo); ritornando a –100 mV tutti i canali passano dallo
stato inattivato a quello chiuso in circa 5-7ms. Per Vm intermedi tra –100 e 0 mV la situazione è
complessa. Possiamo però dire che
1) se ho 100 canali al Na+(V), passando rapidamente da -100 mV a 0 mv, si apriranno 100 canali.
2) se ho 100 canali al Na+(V), passando rapidamente da -100 mV a -60 mV, non si apriranno 100
canali (diciamo 30 canali, il 30%)
3) se ho 100 canali al Na+(V) e Vm è di -80 mV, una frazione dei canali è inattivata (diciamo che 20
canali sono inattivati, il 20 %).
4) se ho 100 canali al Na+(V) e Vm è di -80 mV, passando rapidamente da -80 mV a 0 mV, si
apriranno ?? canali
5) se ho 100 canali al Na+(V) e Vm è di -80 mV, passando rapidamente da -80 mV a -60 mV, si
apriranno ?? canali.
Sul concetto di probabilità di essere nello stato aperto, chiuso, ... ., torneremo dopo aver esaminato
il comportamento del singolo canale studiato tramite il patch clamp.
La struttura generale dei canali ionici voltaggio dipendenti è schematizzata in Fig. 3.2.
Dominio sensibile
al voltaggio
Poro
Ambiente extracellulare
∆V
Membrana plasmatica
Dominio per
l'interazione con
i ligandi o per la
fosforilazione
Citosol
Fig. 3.2. Un canale ionico presenta un dominio che delimita il canale acquoso e che protrude
nell'ambiente extracellulare con il poro, un dominio sensibile al voltaggio, ed un dominio
citoplasmatico, che consente la modulazione dell’attività del canale da parte di ligandi o per
fosforilazione.
Il canale è una proteina multimerica che attraversa tutta la MP. Presenta una porzione interna che
delimita un canale acquoso. La porzione inserita nella MP presenta un dominio sensibile al
voltaggio; la disposizione delle cariche di tale dominio è asimmetrica, cosicchè variazioni di Vm
possono modificare la conformazione del dominio e quindi della proteina-canale. Il dominio
citosolico può interagire con ligandi od essere fosforilato, modificando così le proprietà funzionali
del canale. La Fig. 3.3 mostra come il cambio di conformazione causato dalla depolarizzazione fa sì
che due residui di isoleucina ed un residuo di acido glutammico chiudano il canale.
Aperto
Modificato da
Chiuso
3.3. Nello stato chiuso due
residui di Isoleucina ed uno di
Glutammato sporgono nel canale
impedendo il passaggio dello
ione
Una zona del canale, detta filtro, determina la selettività del canale (Fig. 3.4A).
A
B
Filtro
Modificato da
Fig. 3.4. A, Lo ione è circondato da molecole di H2O ( i pallini rossi) che rendono le dimensioni del
complesso ione-H2O troppo grandi per attraversare il canale. Il filtro rimuove l'H2O e lo ione può attraversare
il canale (se questo è nello stato aperto). B, lo ione Na+ è più piccolo dello ione K+, ma attira con maggiore
forza l'H2O. Il filtro di un canale selettivo per il K+ è in grado di rimuovere l'H2O di solvatazione del K+, ma
non quella del Na+.
Di fatto, lo ione è fortemente idratato (i pallini rossi rappresentano l'H2O) ed il complesso ioneacqua ha dimensioni tali che non può passare attraverso il filtro. La struttura del filtro è tale da
consentire la de-idratazione selettiva degli ioni. La Fig. 3.4B mostra come il Na+ leghi più
fortemente l'acqua rispetto al K+: un canale ionico selettivo per il K+ è in grado di de-idratare il K+
ma non il Na+, che così non può attraversare il filtro.
I canali al Na+(V) e i canali al K+(V) delayed sono responsabili di un segnale cellulare
denominato potenziale d'azione della fibra nervosa, utilizzato da cefalopodi, anfibi, uccelli e
mammiferi.
IL POTENZIALE D'AZIONE DELLA FIBRA NERVOSA
Lo sviluppo di organismi multicellulari di notevoli dimensioni ha "costretto" l'organismo a
dotarsi di un sistema respiratorio, circolatorio ed escretorio che ovviassero all'inefficienza della
diffusione nel consentire lo scambio di materiale con l'ambiente esterno. L'aumento del numero di
cellule e delle dimensioni dell'organismo rende anche più complesso il sistema di controllo
dell'organismo. Nel Paramecio l'urto con un ostacolo apre dei canali al Ca2+, il cui ingresso modula
l'attività delle ciglia, facendogli invertire il movimento. Il tutto avviene nell'ambito dei micron,
grazie alla diffusione. Con l'aumentare del numero delle cellule la diffusione non è più utilizzabile e
l'evoluzione ha sviluppato un sistema di controllo, il sistema nervoso, che assicura risposte agli
stimoli estremamente rapide e complesse. Uno dei meccanismi che consente di reagire con rapidità
è il potenziale d'azione della fibra nervosa, che consente una rapida trasmissione delle informazioni
ed utilizza 2 tipi di canali ionici, i canali al Na+(V), ed i canali al K+(V) delayed.
Il potenziale d'azione della fibra nervosa è una rapida inversione del potenziale di membrana, della
durata di 1-2 ms (Fig. 3.5).
Na+ in
Vm (mV)
K+ out
I Na+(V) passano progressivamente
dallo stato inattivato allo stato chiuso
I canali al Na+(V) sono tutti
nello stato inattivato.
I canali K+(V) delayed passano
progressivamente nello stato chiuso
0
2 (ms)
Fig. 3.5. Potenziale d’azione della fibra nervosa. Il PdA dura circa 2 ms. La linea orizzontale rossa
indica il periodo di tempo per il quale entra il Na+; al termine della linea rossa i canali al Na+(V)
entrano nello stato inattivato. La linea blù indica il periodo di tempo per il quale esce il K+. Durante il
periodo di tempo indicato dalla linea tratteggiata azzurra, tutti i canali al Na+(V) sono nello stato
inattivato. La linea tratteggiata verde indica il passaggio dallo stato inattivato allo stato chiuso, che si
completa in circa 7 ms.
La linea rosa indica che i canali K+(V) delayed passano nello stato chiuso
Uno stimolo depolarizzante la cellula, se supera una certa soglia (la depolarizazione deve essere di
circa 15 mV), genera l'apertura rigenerativa dei canali al Na+(V): lo stimolo apre una frazione dei
canali chiusi, entrano Na+ che depolarizzano ulteriormente la fibra, aprendo un'ulteriore frazione di
canali. A 0 mV tutti i canali al Na+ sono aperti ed il Na+ continua ad entrare (il VE del Na+ è circa
60 mV). I canali al Na+ quindi si inattivano (ora Vm è circa 20 mV) e si aprono, in ritardo rispetto
ai canali al Na+, i canali al K+(V) delayed (ecco perchè si chiamano delayed). Il K+ esce (il VE del
K+ è circa -100 mV), la fibra si ripolarizza, causando la progressiva chiusura dei canali al K+ ed il
progressivo passaggio dei canali al Na+ dallo stato inattivo a quello chiuso. Questo passaggio
avviene con una cinetica di tipo esponenziale, con una costante di tempo τ di circa 2 ms (Fig. 3.6)
Fig. 3.6. I canali al Na+ passano dallo stato inattivo a quello chiuso con una cinetica di tipo
esponenziale, avente una costante di tempo τ, in questo grafico, di 2 ms. Ciò vuol dire che, dopo un
tempo pari a τ, il 63% dei canali inattivati passa nello stato chiuso. Nell'inserto è mostrata la cinetica
di comparsa dei canali chiusi, che al tempo 0 erano nello stato inattivato: dopo un tempo pari a τ il
63% dei canali è passato nello stato chiuso. Dopo un tempo pari a 3 τ ( 6 s) quasi tutti i canali inattivati
sono passati nello stato chiuso.
Al termine del PdA il citosol della fibra ha perso dei K+ ed acquisito dei Na+: la Na+/K+ATPasi
ristabilirà le corrette concentrazioni. Di fatto, un singolo PdA non modifica in modo rilevante la
[Na+]i e la [K+]i, ma con l'aumentare del numero dei PdA le variazioni diventerebbero significative.
Il PdA insorge fisiologicamente nel cono assonico della cellula (vedremo successivamente i
meccanismi coinvolti, di natura sinaptica) e si propaga velocemente, uguale a se stesso, lungo tutta
la fibra (la velocità, a seconda della struttura della fibra, varia tra 1 m/s e 100 m/s) (Fig. 3.7).
Cono assonico
Terminali pre-sinaptici
Mielina
Na+(V) e
K+(V) delayed
- 80 mV
Direzione di propagazione del PdA
- 80 mV
Modificata da
- 80 mV
Fig. 3.7. In alto si mostra la struttura
schematica di un neurone dotato di un
assone mielinizzato. Il primo PdA
insorge nel cono assonico. Nel pannello
di mezzo il PdA è nel primo nodo di
Ranvier, colorato in giallo, e depolarizza
le zone contigue ed in particolare il cono
assonico, già sede del PdA (frecce
bidimensionali) ed il secondo nodo di
Ranvier (frecce monodimensionali). Nel
pannello in basso il PdA insorge nel
secondo nodo di Ranvier. Le frecce
bidimensionali indicano che viene ad
essere depolarizzata anche il primo nodo
di Ranvier, già sede del PdA .
Nelle fibre mieliniche, i canali al Na+(V)
e K+(V) delayed sono presenti solo nella
MP in corrispondenza dei nodi di
Ranvier.
Il meccanismo con cui si propaga il PdA è piuttosto semplice.
Nell'esempio di Fig. 2.7 la fibra nervosa è mielinica. In queste fibre il PdA insorge unicamente nei
nodi di Ranvier, perchè i canali al Na+(V) e K+(V) delayed sono presenti solo nella MP in corrispondenza
dei nodi di Ranvier (la conduzione è detta saltatoria).
Il cono assonico, sede del PdA, viene depolarizzato dall'apertura dei canali al Na+ fino a circa 20
mV. Vi è quindi una differenza di potenziale con le zone vicine, nelle quali Vm è al valore basale (80 mV). Cariche positive scorrono dalla zona sede del PdA alle zone vicine, e cariche negative
scorrono dalle zone vicine alla zona sede del PdA. Le zone vicine vengono così depolarizzate oltre
la soglia ed insorge un nuovo PdA, sia nel corpo cellulare che nel primo nodo di Ranvier. Insorto
nel primo nodo di Ranvier, il PdA depolarizza le zone vicine (cono assonico e secondo nodo di
Ranvier), ma il PdA insorge solo nel secondo nodo di Ranvier, perchè nel cono assonico i canali al
Na+(V) sono ancora inattivati. Il processo si ripete: un nuovo PdA insorgerà nel terzo nodo e non
nel secondo: la propagazione è quindi unidirezionale (il PdA non torna indietro, se non una singola
volta, quando invade il corpo cellulare). Il PdA percorrerà tutta la fibra, sempre uguale. Si fermerà
all'inizio del terminale pre-sinaptico (questo non ha canali al Na+(V) e K+(V) delayed ), evocando
indirettamente l'esocitosi del mediatore chimico. Il PdA si trasmette con lo stesso meccanismo
anche nelle fibre amieliniche: in questo caso la conduzione non è più saltatoria, ma il PdA insorge
progressivamente in tutta la fibra nervosa. I meccanismi che determinano la velocità di
propagazione della fibra nervosa non sono qui trattati: le fibre mieliniche sono in genere le più
veloci.
Nella conduzione saltatoria il Na+ entra ed il K+ esce solo nei nodi di Ranvier, con un risparmio
metabolico rispetto alle fibre amieliniche.
Dal meccanismo al finalismo : perchè
1) l'evoluzione ci ha consegnato un canale al Na+ con uno stato inattivato?
2) l'evoluzione ci ha consegnato un canale al K+ delayed
3) il canale al K+ delayed è privo di uno stato inattivato?
3) perchè il PdA dura così poco? Se durasse 10 ms, che cosa cambierebbe?
IL CANALE AL K+ INWARD RECTIFIER
Il canale al K+ inward rectifier (rettificatore in ingresso), detto Kir, consente il passaggio del K+ per
Vm più polarizzati di circa -60 mV, mentre per Vm più depolarizzati il canale non è pervio. In Fig.
3.8 è riportata la relazione Corrente/Voltaggio per questo canale.
Fig. 3.8. Relazione Corrente/Voltaggio per il canale Kir. A –100 mV, il VE del K+, il canale è aperto ma la
corrente è nulla. Per Vm più depolarizzati di -60 mV il canale è chiuso e la corrente è nulla.
Questo canale è voltaggio-dipendente in maniera opposta al canale K+(V) delayed (è aperto con la
polarizzazione) ma, di fatto, la proteina-canale non è sensibile al voltaggio. Il canale è infatti
sensibile al blocco da parte del Mg2+ intracellulare. Se Vm è polarizzato oltre i -90 mV, il Mg2+,
ione positivo, non entra nel canale. Ma se Vm diviene meno polarizzato, la forza elettrostatica, che
è diminuita, consente che il Mg2+ entri nel canale. Per Vm da -90 a -70 mV il blocco è reversibile
(lo ione ripetutamente blocca e sblocca il canale), per cui la corrente non è nulla. Per Vm da -60 in
poi il blocco è permanente e la corrente nulla.
Il canale è dunque aperto al potenziale di membrana basale della cellula e costituisce parte della
permeabilità basale al K+ responsabile di un Vm negativo, vicino al VE del K+.
La famiglia Kir è molto numerosa ed è presente in moltissimi tipi di cellule, che possiedono una o
più delle sue varianti. Un canale della famiglia di Kir è inibito dall’ATP intracellulare ed attivato
dall’ADP intracellulare e costituisce un sensore dello stato energetico della cellula (se ne parlerà
successivamente).
LA SOGLIA DEL POTENZIALE D'AZIONE
Abbiamo sottolineato come sia necessaria una depolarizzazione di una certa intensità (di circa 15
mV) per evocare un PdA, un concetto che sembra contrastare con il carattere rigenerativo
dell'apertura dei canali al Na+ (Fig. 3.9).
Vm
Soglia
Stimoli sotto-soglia Stimolo-soglia
Modificato da
Fig. 3.9. In quest’esempio la depolarizzazione provocata da uno stimolo diventa rigenerativa
ed attiva un PdA se raggiunge i –55 mV.
Per comprendere il perchè sia necessaria una depolarizzazione di una certa intensità per evocare un
PdA è necessario considerare i flussi ionici presenti al Vm basale (in Fig. 3.10, -70 mV).
A -70 mV sono aperti un certo numero di canali ionici al Na+, al K+ ed al Cl-. Considerando i
rispettivi VE, avremo una corrente entrante basale INa+, una corrente uscente basale IK+ ed una
corrente entrante basale ICl- (escono cariche negative). Vm è stabile e la corrente somma delle 3
correnti (la corrente netta) è nulla. Una depolarizzazione apre una quota di canali al Na+(V), con
una INa+(add) addizionale, che tende a depolarizzare ulteriormente la cellula. Ma cosa succede alle
altre correnti? La depolarizzazione operata dallo stimolo diminuisce la corrente entrante basale
INa+, aumenta la corrente uscente basale IK+ e diminuisce la corrente entrante basale ICl- (escono
meno cariche negative). Le variazioni di queste 3 correnti tendono tutte a ripolarizzare la cellula,
opponendosi alla depolarizzazione dovuta all'apertura dei canali al Na+(V). Se il bilancio delle
correnti è tale che la depolarizzazione dovuta a INa+(add) è maggiore della ripolarizzazione dovuta
alle variazioni delle correnti basali, il fenomeno diventa rigenerativo ed insorge il PdA.
Alternativamente, Vm torna al valore basale.
LA REFRATTARIETA’
Dopo un PdA la fibra nervosa è completamente ineccitabile per 1 ms, perchè i canali al Na+(V)
sono in larga parte nello stato inattivo. La fibra è in uno stato di "refrattarietà assoluta".
Successivamente una frazione sempre più grande di canali al Na+ passa progressivamente nello stato
chiuso e la fibra può essere nuovamente sede di un PdA. Durante il progressivo passaggio dei canali
al Na+(V) dallo stato inattivo allo stato chiuso, la fibra deve però essere depolarizzata più
intensamente affinchè l’apertura dei canali al Na+(V) diventi rigenerativa (il perchè sia necessaria
una depolarizzazione più intensa non viene discusso). Questo stato in cui la fibra è eccitabile ma è
necessario uno stimolo di intensità maggiore (la soglia è aumentata) è detto refrattarietà relativa.
Dopo circa 7 ms tutti i canali al Na+ sono nello stato chiuso e la soglia è tornata normale.

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