Farmacologia Molecolare
Mer 7/4 pomeriggio dalla Prof. Curti per discussione orario
Tentativamente, inizio lezioni: Mer 14/4 ore 9-11
Canale ionico in 3D – KcsA
Famiglie di canali ionici
I canali ionici sono raggruppati in diverse famiglie
Canali della stessa famiglia tipicamente hanno:
•Stessa topologia di membrana della subunità che
costituisce il poro del canale
•Somiglianze significative nelle sequenze
Canali ionici voltaggio-dipendenti
Famiglia di canali a 6 domini transmembrana (TM)
Questa è una
delle 4
(pseudo)subunità
H5
Il poro è delineato da 4 subunità o pseudosubunità
Ciascuna contiene 6 segmenti TM (S1-S6) e una regione H5 (loop P)
Vi appartengono:
Canali voltaggio-dipendenti del Na+, Ca2+ e K+
Canali del K+ Ca2+-attivati
Canali cationici attivati dall’iperpolarizzazione, ecc.
K+ channel
OUT
+
+
S1 S2 S3 S4 S5
+
+
S6
IN
N
Na+ channel
X4
P
OUT
+
+
S1 S2 S3 S4 S5
+
+
C
P
S6
+
+
S1 S2 S3 S4 S5
+
+
P
S6
+
+
S1 S2 S3 S4 S5
+
+
P
S6
+
+
S1 S2 S3 S4 S5
+
+
P
S6
IN
C
N
Ca2+ channel
OUT
+
+
S1 S2 S3 S4 S5
+
+
P
S6
+
+
S1 S2 S3 S4 S5
+
+
P
S6
+
+
S1 S2 S3 S4 S5
+
+
P
S6
+
+
S1 S2 S3 S4 S5
+
+
P
S6
IN
N
C
Canali del K inward rectifier
Famiglia di canali a 2 domini transmembrana (TM)
Questa è una
delle 4 (subunità
Il poro è delineato da 4 subunità (Kir)
Ciascuna contiene 2 segmenti TM e un loop interno
Permettono una corrente di K+ inward maggiore della outward
Recettori Ionotropici per il glutammato
Sono costituiti da 4 subunità
Ciascuna ha 3 segmenti TM e un loop interno
Recettori Nicotinici e Recettori Ionotropici correlati
(5HT3, GABAA, Glicina)
Ciascuna subunità ha
4 segmenti TM
Sono costituiti da 5 subunità
Il gating dei canali
ovvero
Come fa il voltaggio ad aprire i canali?
Il controllo dell’attività dei canali per mezzo del voltaggio è
la chiave che sta alla base dell’eccitabilità neuronale e del
signalling
I canali ionici voltaggio-dipendenti contengono sensori del
voltaggio intrinseci
Il segmento S4 corrisponde al sensore del voltaggio
Il movimento del Sensore del
Voltaggio Produce una
Corrente di Gating
+50 mV
-100 mV
Corrente Ionica
1000 pA
Il movimento del Sensore del Voltaggio
Produce una Corrente di Gating
+50 mV
-100 mV
Corrente Ionica
1000 pA
Corr. di Gating
10 pA
1 ms
Soluzione senza K+
Il movimento del Sensore del Voltaggio
Produce una Corrente di Gating
+50 mV
-100 mV
Corrente Ionica
1000 pA
Corr. di Gating
10 pA
1 ms
Soluzione senza K+
Carica totale di gating
Numero dei canali
= cariche e- /canale
Attiva la
spirale
Nel canale del K+ “Shaker”, ciascun segmento S4 contiene 7 residui basici
regolarmente distribuiti ogni 3 aa.
Canale chiuso: la 2a Arg di S4 è seppellita nel bilayer
Canale aperto: la 2a Arg fuoriesce dal lato extracell., mentre il 4o e 5o
residui basici si muovono dal citosol all’interno del bilayer
Nel canale del K+ “Shaker” la presenza di 4 segmenti S4 che
fungono da sensori del voltaggio intrinseci spiega la “ripida”
dipendenza dell’attivazione del canale dal voltaggio.
Le 4 subunità identiche si muovono verso il lato extracellulare in
due fasi distinte:
1) Prima indipendentemente l’una dall’altra;
2) Poi in maniera cooperativa, portando all’apertura.
This simulation shows a simplified view of the channel from
the outside of the cell membrane. The S6 segments of the
pore (blue) represent the conduction pathway and the
voltage sensors are represented by the S4 segments
(brown). The link between the S4 and the pore is simply
indicated as a bar (yellow) connecting the inner end of the
S4 with the inner end of the S6 segment.
Mutazioni in S4 Riducono il
Movimento di Carica
1
4
2
q/n
0
(e- charges)
-2
-4
2
3
4
5
6
7
ILRVIRLVRVFRIFKLSRHSKGL
R K
R neutral AA
Mutazioni in S4 Riducono il
Movimento di Carica
1
4
2
q/n
0
(e- charges)
-2
-4
2
3
4
5
6
7
ILRVIRLVRVFRIFKLSRHSKGL
R K
R neutral AA
MacKinnon_Nature01473.pdf
MacKinnon_Nature01580.pdf
MacKinnon_Nature01581.pdf
Struttura del Canale K+ Voltaggio-Dipendente KvAP
da Aeropyrum pernix
La visione del
tetramero del canale
K+ è dal lato
intracellulare.
Ciascuna subunità è
colorata separatamente
e contiene 6 a-eliche
(etichettate S1-S6 alle
loro estremità Nterminali nella
subunità blu). Le
eliche S5-S6 formano
il poro e il filtro di
selettività per il K+. Le
eliche S1-S4 formano
i sensori del voltaggio.
Gli ioni K+ sono
colorati in verde.
Struttura del Canale K+ Voltaggio-Dipendente KvAP
da Aeropyrum pernix
Visione laterale. È indicato lo spessore della membrana (40 A)
Conformazioni del Sensore del Voltaggio
Chiuso:
Vr=-100 mV
Vista Laterale: Le
linee orizzontali
demarcano
approssimativamente i
contorni della
membrana. Si
intravvedono 6 ioni
K+; K1-K4 sono nel
filtro di selettività. I
residui 196-199
comprendono il filtro
di selettività e ne è
mostrata l’ossatura in
bianco. I gruppi C=O
della catena principale
di tali residui formano
legami di
coordinazione con gli
ioni K+.
Conformazioni del Sensore del Voltaggio
Aperto:
depolarizz.
Vista Laterale: Le
linee orizzontali
demarcano
approssimativamente i
contorni della
membrana. Si
intravvedono 6 ioni
K+; K1-K4 sono nel
filtro di selettività. I
residui 196-199
comprendono il filtro
di selettività e ne è
mostrata l’ossatura in
bianco. I gruppi C=O
della catena principale
di tali residui formano
legami di
coordinazione con gli
ioni K+.
Lo stato chiuso corrisponde al potenziale di
riposo della cellula (~ -100 mV).
Lo stato aperto è favorito da una
depolarizzazione della membrana.
In questo modello, S2 è assunto rimanere
inalterato durante lo switch; S3a e S3b
subiscono dei riarrangiamenti sostanziali; si
ipotizza che anche la connessione tra S4-S5
sia rimodellata.
Ingrandimento del Sensore del Voltaggio
chiuso
Una Subunità,
Chiusa: Delle eliche
S2-S4 è mostrata
l’ossatura. Le
arginine che
conferiscono la
sensibilità al
voltaggio, sono
mostrate come
bastoncini colorati.
Sono mostrati anche
l’ossatura del filtro di
selettività e gli ioni
K +.
Ingrandimento del Sensore del Voltaggio
aperto
In aggiunta al
movimento della
“paletta sensore
del voltaggio",
notare nello stato
aperto la
formazione di un
ponte salino
(legame ionico)
tra l’Asp 80 e
l’Arg 133.
Accessibilità dei Residui
Nella conformazione
chiusa, i residui
evidenziati in
magenta sono esposti
allo spazio interno.
Interno
Accessibilità dei Residui
Esterno
Nella conformazione
aperta, i residui evidenziati
in rosso sono vicini allo
spazio esterno (10 Å) o si
estendono verso di esso.
La struttura del canale del K+ KvAP è descritta in:
A. Jiang Y, Lee A, Chen J, Ruta V, Cadene M, Chait BT, &
MacKinnon, R. (2003) "X-Ray Structure of a VoltageDependent K+ Channel". Nature 423: 33
I movimenti delle palette del voltaggio sono descritti in:
B. Jiang Y, Ruta V, Chen J, Lee A, & MacKinnon, R. (2003)
"The principle of gating charge movement in a voltagedependent K+ Channel". Nature 423: 42
[1ORQ.pdb & 1ORS.pdb]
La permeabilità agli ioni
Funzioni fisiologiche appropriate dei canali ionici
dipendono dalla loro straordinaria selettività agli ioni
Per raggiungere un’alta selettività senza trattenere
lo ione troppo a lungo, i canali ionici hanno siti di
legame multipli per lo ione permeante
Evidenze per la presenza di siti di legame:
Una dipendenza della permeabilità allo ione dalla composizione e
dalla concentrazione dello ione implica la presenza di siti di
legame nel canale
Conduttanza
K+
F max
gi  Fi 
1  Ka /[i ]
Na+
Concentrazione del Na+ o K+
Evidenze per l’esistenza di più di un sito di legame:
La presenza di più ioni permeanti nel poro del canale è visualizzabile
da misure di cristallografia
La selettività ionica dei canali
del Na+ e del Ca2+
I canali del Na+ e Ca2+ hanno pori più ampi di quelli dei
canali del K+ e tuttavia favoriscono il passaggio di ioni più
piccoli del K+
Come sono disegnati questi canali per essere selettivamente
permeabili a Na+ e Ca2+ ?
In soluzione acquosa tutti gli ioni sono
circondati da un alone di molecole d’acqua
Il poro dei canali del Na+ e Ca2+ è effettivamente più ampio di
quello dei canali del K+, ma non sufficientemente grande da
permettere la permeazione di ioni completamente idratati.
Raggio anidro e idrato e spessore dell’alone idrico di
solvatazione (idratazione) di alcuni ioni di interesse fisiologico
Il processo di deidratazione e l’energia coinvolta costituiscono un
fattore importante nel determinare la selettività.
Probabilmente il poro di un canale approssima la conchiglia di
idratazione del suo ione permeante, facilitando la perdita di
molecole d’acqua durante il movimento dello ione lungo il canale.
La selettività di un canale K+ nei
confronti del K+ rispetto al Na+
K+ in H2O
Na+ in H2O
Gli ioni K+, idrati in soluzione,
perdono le molecole di H2O quando
passano attraverso il filtro di
selettività e formano dei legami di
coordinazione con quattro O di gruppi
carbonilici C=O.
K+ nel poro
Na+ nel poro
Gli ioni Na+, essendo più piccoli, non
possono coordinarsi perfettamente con
questi O e quindi attraversano il
canale solo raramente.
Quindi:
Il canale K+ è selettivo per il K+ rispetto all’Na+
perchè gli ioni K+ formano legami più forti col
filtro di selettività, compensando la perdita di
energia dovuta alla deidratazione.
Però, come si concilia il legame forte con il fatto
che gli ioni K+ diffondono attraverso il canale quasi
altrettanto rapidamente che nel solvente?
1. Nel filtro di selettività della proteina cristallizzata si
possono vedere due ioni K+.
2. I due ioni K+ sono
estremamente vicini tra di
loro.
La repulsione tra questi
due ioni carichi
positivamente deve essere
piuttosto forte, e tende a
spingerne uno o entrambi
fuori dal filtro.
Dimensioni del Poro
canale del
potassio
canale del
sodio
canale-recettore
per l’Ach
canale del
potassio
canale del
sodio