Corso di Fisiologia dei Canali
Ionici
Docente: Prof. Mauro Toselli
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trattati a lezione al seguente
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Presentazione
Questo ciclo di lezioni sarà una rapida carrellata su uno dei temi più fertili della
Biofisica:
I CANALI IONICI
Tenterò di convincervi della straordinaria importanza di queste proteine nello
svolgimento di tutte le funzioni corporee.
Non a caso, gran parte dei veleni di cui alcuni serpenti, ragni, scorpioni, pesci, ecc. si
servono
per difendersi dai predatori o per immobilizzare le prede (per non parlare dei “veleni”
vegetali come il curaro) impediscono la funzione di qualche canale ionico.
--> La millionaria selezione naturale dei genomi non ha solo escogitato molte
“macchine intelligen-ti”, ma anche molte armi altrettanto intelligenti per distruggerle.
Le mutazioni genetiche che portano ad un disordine nel funzionamento di qualche canale
ionico hanno conseguenze dannose e spesso disastrose per l’organismo (canalopatìe).
Molti scommettono che i canali ionici siano il bersaglio molecolare più
promettente per lo
sviluppo di nuovi farmaci.
1.
Ricostruzione di un bilayer lipidico
Un buon punto di partenza è considerare che la struttura portante della membrana cellulare è un doppio strato di
(fosfo)lipidi strettamente giustapposti, praticamente impermeabile agli ioni (es. Na+, Cl-) ed alle molecole polari
(es. zuccheri, aminoacidi) [Perchè ?]
+ H2O
Una membrana costituita da un puro bilayer
fosfolipidico è impermeabile alle proteine e alla
maggior parte delle piccole molecole
Gas
Piccole molecole
polari non
cariche
Etanolo
Acqua
Urea
Grosse molecole
polari non
cariche
Glucosio
Ioni
Molecole
Aminoacidi
polari cariche ATP
Glc-6-P
Ioni e molecole polari possono attraversare la membrana solo con la
mediazione di speciali proteine transmembranarie, chiamate proteine di
trasporto.
2.
Queste sono:
A) le proteine transmembranarie che agiscono da “carriers” per gli ioni e per molte molecole organiche.
Tra queste, alcune trasportano le particelle contro-gradiente elettrochimico (trasporti attivi, primari o secondari).
Argomento di enorme interesse biotecnologico, degno di essere approfondito in un altro corso specialistico…
Basti pensare che uno dei farmaci più diffusi (il “Prozac”) inibisce un trasportatore (della serotonina)
B) i nostri canali ionici, che consentono un rapido flusso transmembranario (sempre secondo gradiente
elettrochimico) degli ioni inorganici.
Associazione di proteine di membrana
con un bilayer lipidico
Transmembrana
-elica
Periferche
ancorate
a lipidi
attaccate
a proteine
foglietto-
SPAZIO
EXTRACELLULARE
Bilayer
lipidico
CITOSOL
Legame covalente
a molecola lipidica
Legame debole,
non-covalente, ad
un’altra proteina
di membrana
Come può un legame peptidico polare essere inserito
nel core idrofobico di un bilayer fosfolipidico?
estremità
amino (N-)
terminale
estremità
carbossi (C-)
terminale
Le - eliche transmembrana tipicamente
sono costituite da 20-25 aminoacidi la
maggior parte dei quali idrofobici.
triptofano
fenilalanina
prolina
isoleucina
I canali ionici permettono dei
flussi molto rapidi e intensi
Tipo di trasportatore
Velocità di turnover
Pompe ioniche
2-5·102/sec
Glucoso-permeasi
103-104/sec
Canale del Na+
~108/sec
Struttura di base di un canale ionico
bilayer
lipidico
Lato extracellulare
Filtro di
selettività
Residui di
zuccheri
Lato citoplasmatico
Poro acquoso
Canale ionico in 3D – Porina
Unica subunità
Canale ionico in 3D – Shaker K+
Quattro subunità
Canale ionico in 3D – Nicotinico
Cinque subunità
Ogni canale ionico è costituito3.da un certo numero di subunità
proteiche (o domini della stessa proteina, come si vedrà meglio
in seguito), disposte “in cerchio” in modo da delimitare un poro
transmembranario contenente acqua.
La struttura dei canali ionici e le proprietà funzionali che
ne derivano sono molto diversificate.
Due aspetti (riconducibili a parti distinte della loro
molecola) sono però particolarmente importanti:
-la selettività
-il gating
SELETTIVITA’:
● La selettività indica lo ione (o gli ioni) che possono attraversare la
membrana quando il canale si trova nello stato aperto.
 alcuni canali sono selettivi (≈) per un’unica specie ionica (es. Na+, K+, Ca2+,
Cl-).
 alcuni sono selettivi per un gruppo di specie ioniche, tipicamente per i
cationi (o per gli anioni)
Alcuni canali ionici sono estremamente
selettivi nei confronti dei vari ioni
La selettività può essere conferita da una combinazione
dei seguenti fattori:
- presenza di cariche elettriche fisse sulla parete interna del
canale di intensità e densità specifiche
- raggio anidro dello ione
- grado di idratazione dello ione
Gli ioni formano dei
temporanei legami di
coordinazione con residui
aminoacidici della parete
del poro
La selettività ionica dei canali del K+
I canali del K+ hanno pori più ampi degli ioni Na+ e tuttavia
favoriscono il passaggio di ioni del K+ ma non di ioni Na+
Come sono disegnati questi canali per essere selettivamente
permeabili a K+ ma non a Na+?
Basi molecolari di selettività di un canale K+ nei
confronti dello ione 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.
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.
Sezione frontale (sinistra) e vista dall’alto (destra) di un canale
selettivo per lo ione K+. Si possono osservare tre ioni K+ che stanno
attraversando il poro del canale per diffusione ristretta in singola
fila. Le molecole rappresentate da atomi rossi e bianchi sono
molecole di H2O, alcune delle quali sono ancora legate agli ioni K+
a costituire l’alone di solvatazione.
Passaggio in singola file di ioni K+ attraverso il poro del canale
I flussi attraverso canali ionici sono saturanti
Evidenze per la presenza di siti di legame:
Conduttanza di singolo canale (pS)
Una dipendenza della permeabilità allo ione dalla composizione e
dalla concentrazione dello ione implica la presenza di siti di
legame nel canale
i  Fi  
 max
1  Ka /[i ]
Concentr. di Na+ o K+ (mM)
Nei canali cationici il filtro
è meno stringente:
nel
recettore-canale
nicotinico, ad esempio, 3
anelli di leucina sbarrano la
strada agli anioni, ma i
cationi
non
vengono
selezionati
GATING:
Il poro interno al canale, per effetto delle vibrazioni (“variazioni conformazionali
spontanee”) della proteina, può passare ciclicamente da uno stato chiuso
(impermeabile agli ioni) ad uno stato aperto in cui gli ioni passano mediamente ad
una velocità di 106/sec
NB. Si vedrà che la corrente di singolo canale (dell’ordine dei pA) può essere misurata con tecniche opportune
( “patch clamp”). Si tratta della prima registrazione di un segnale fisico generato da una singola molecola !
● Il termine gating (“gate” = porta, cancello) indica il processo per cui un fattore (o più fattori) privilegia la
permanenza di una certa classe di canali nello stato aperto (o nello stato chiuso).
La casistica è molto complessa:
 alcuni canali (canali di “leakage”) restano sempre aperti (“canali senza gating”).
Fisiologia → potenziale di membrana in condizioni di riposo
 alcuni vengono aperti dalla distensione della membrana (stretchchannels o mechanosensitive-channels).
Fisiologia → meccano-recettori, es. corpuscoli di Pacini, cellule ciliate
dell’orecchio interno, ….
GATING:
 alcuni (A) vengono aperti (o chiusi) da una variazione del potenziale
transmembranario. Si tratta dei voltage-operated channels o VOC)
Fisiologia → es. potenziale d’azione (nervoso, muscolare, cardiaco. ..)
 alcuni (B e C) vengono aperti (o chiusi) dal legame di “mediatori”
extracellulari coi rispettivi recettori membranali. Si tratta dei
(receptor-operated [o ligand-operated] channels o ROC)
In questo caso il “gating” del canale può essere:
• diretto (B), quando il “sito” recettoriale fa parte del canale
(“receptor-channels” o “ionotropic-receptors”)
Fisiologia → es. il recettore “nicotinico” per l’acetilcolina della
placca neuromuscolare.
• indiretto (C), quando il “sito” recettoriale per il messaggero
extracellulare è situato altrove nella membrana.
In questo caso il canale viene aperto (o chiuso) dall’azione di un
secondo messaggero (o da altri eventi biochimici da esaminare caso
per caso) che agisce sul versante intracellulare del canale.
Fisiologia → es. i fotorecettori retinici o i recettori olfattori.
NB: queste vignette hanno un puro valore didattico e non sono aderenti
alla realtà dei fatti. Ad es. la “gate” è solitamente disposta al versante
intracellulare (e non a quello extracellulare) del canale
Canali Ionici: classificazione in base
alle modalità di apertura
extracell.
intracell.
Sempre
aperti
Voltaggio-dipendenti:
rispondono a
variazioni di Vm
Chemio-dipendenti:
rispondono a un
messaggero
extracellulare
neurotrasmettitore
Chemio-dipendenti:
rispondono a un
secondo messaggero
(intracellulare)
cAMP, cGMP, Ca2+,
IP3, proteine G
COOPERATIVITA’ TRA CA NALI IONICI
Spesso due o più tipi di canali ionici cooperano per svolgere una determinata funzione ..
Un ottimo esempio di “funzione integrata” svolta da canali ionici è la regolazione della secrezione di
insulina (ormone ipoglicemizzante) da parte delle cellule β del pancreas. Sono implicati due tipi di canali:
a) un canale al K+ operato dall’ATP intracellulare. Quando la glicemia è normale, questi canali sono aperti
e la fuga di K+ che essi consentono mantiene il p.di m. a valori negativi. Quando il livello intracellulare di ATP
aumenta per un aumento della glicemia, i canali si chiudono e la membrana si depolarizza.
b) un canale al Ca2+ voltaggio dipendente. Quando la membrana viene depolarizzata, questi canali si aprono
consentendo un ingresso di ioni Ca2+, che promuovono la fusione con la membrana di vescicole contenenti
insulina. La glicemia diminuisce.
La conoscenza di questo meccanismo ha aiutato a curare il diabete, una malattia in cui il sistema di controllo
della secrezione di insulina non lavora nel modo corretto. Un approccio terapeutico (adatto per alcuni pazienti,
ma non per altri) è quello di bloccare i canali del K+ ATP-dipendenti nello stato chiuso (usando farmaci del
gruppo della sulfonil-urea), in tal modo facilitando o promuovendo (depolarizzando la membrana delle cellule
β) il rilascio dell’insulina.
Problemi clinici correlati ai sistemi di trasporto
Fibrosi cistica – canali del cloro epiteliali
Aritmie cardiache – canali del sodio e del potassio
cardiaci