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
Le correnti o le conduttanze di singolo canale mostrano un
comportamento saturante
I più chiari esempi di flussi saturanti vengono dalla registrazione delle correnti di singolo
canale quando le concentrazioni ioniche sono innalzate ben al di sopra dei loro livelli
fisiologici
Solo a concentrazioni molto basse la relazione
flusso/concentrazione ha un andamento lineare
previsto da una diffusione libera degli ioni
attraverso la membrana
gmax
Conduttanza unitaria (pS)
20
15
10
5
0
0
100
Ki
200
300
[ione] (mM)
400
500
Le correnti di singolo canale o le conduttanze
possono essere descritte da un’equazione del tipo
Michaelis-Menten
● dove la linea tratteggiata orizzontale
rappresenta un effetto saturante
● e Ki è la concentrazione ionica a cui si ha la
metà dell’effetto massimo
Modello della barriera saturante con un unico sito di legame
Consideriamo il più semplice sistema saturabile: un canale con un sito X e un
catione permeante, i. I passaggi della permeazione diventano:
k1
k2




X + io 
Xi



 X + ii
kk1
2
Dalla cinetica chimica, l’espressione per la corrente allo stato stazionario nella
direzione uscente è:
I  zF
k -1k -2 [ i ] i - k1k 2 [ i ] o
k -1 + k 2 + k1 [ i ] o + k -2 [ i ] i
che, quando gli ioni sono presenti solo sul lato esterno si semplifica a:
I  -zF
k2
1 + ( k -1 + k 2 ) / k1 [ i ] o
che è identica alla funzione saturante: I 
I max
1+ Ki [ i ]o
ovvero, dividendo la corrente di singolo canale I per la driving force: g 
g max
1+ Ki [ i ]o
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
k1
k2



X + io 
Xi 
X + ii




k-2
k-
Corrente unitaria (pA)
1
imax
ii 
1 + K a /[ Na]
Concentrazione del Na+
Misure di singolo canale
(inside-out) a +100 mV del
canale nicotinico da miotubi
con [Na]est=100 mM e [Na]int
variabile
Lo studio diretto dei canali ionici ha dimostrato che molti di essi sono
selettivi, spesso ad una sola specie ionica.
Si ritiene che i cationi formino dei legami di coordinazione con
residui carbossilici con parziali cariche negative delle regioni P
che formano il filtro di selettività
Questo spiegherebbe
1) la selettività di un canale cationico per i cationi: gli anioni
verrebbero respinti elettrostaticamente;
2) Il fatto che il flusso di ioni attraverso i canali ionici è saturante.
Si ritiene che i cationi formino dei legami di coordinazione con
residui carbossilici con parziali cariche negative delle regioni P che
formano il filtro di selettività
Alcuni canali ionici sono estremamente selettivi nei
confronti dei vari ioni
La selettività è 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
Si ritiene che per passare attraverso i canali
selettivi, gli ioni debbano essere disidratati dal
filtro di selettività, formato dalla
giustapposizione di 4 regioni P, i cui apici
sono sede di carica parziale negativa,
solitamente portata da residui carbossilici.
Per essere selettivo, il poro formato dagli apici delle regioni P dev’essere
esattamente uguale al diametro dello ione anidro: se è più grande, la disidratazione
non è completa e lo ione non passa. Ovviamente lo ione non passa nemmeno se il
filtro è più piccolo
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+?
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.
La selettività del canale del Na+
L’ipotetico filtro di selettività del canale del Na+ è mostrato
assieme al profilo del Na+ legato ad una molecola d’acqua.
Nei punti in cui i profili si sovrappongono ad un atomo di
ossigeno nel poro, si forma un legame idrogeno
Rappresentazione del profilo di diffusione in un canale del Na in termini di barriere
energetiche ed avvallamenti.
Per uno ione meno permeante, come il K+, il picco C sarebbe più alto.
Possibile interpretazione molecolare del modello a barriere in termini di uno ione Na+
idratato che si muove attraverso le posizioni A, B, C e D nel diagramma energetico.
In posizione C lo ione è nel filtro di selettività con un gruppo carico –COO- al di sotto
e un ossigeno al di sopra del canale.
Evidenze per l’esistenza di più di un sito di legame
Dipendenza della conduttanza dalla concentrazione in un modello a
due siti, assumendo che gli ioni nel poro si respingono reciprocamente
Conduttanza
La conduttanza raggiunge
un massimo e poi decade
Log [ione]
Perché? Il flusso dipende dall’esistenza
di siti vacanti verso i quali gli ioni si
muovono all’interno del canale. Ad alte
concentrazioni ogni sito vacante
generato dal salto di uno ione in
soluzione è immediatamente occupato
da un altro ione che ritorna dalla
soluzione.
La presenza di più ioni permeanti nel poro del canale è visualizzabile
da misure di cristallografia
1. Nel filtro di selettività
della proteina cristallizzata
si possono vedere più ioni
K+.
2. Gli ioni K+ sono
estremamente vicini tra di
loro.
La repulsione tra questi
ioni carichi positivamente
deve essere piuttosto
forte, e tende a spingerli
fuori dal filtro.
Nei canali cationici non
selettivi il filtro è meno
stringente:
nel recettore-canale nicotinico,
ad esempio, il segmento S2 è
ricco di residui aminoacidici
portatori di parziale carica
negativa (serina o treonina)
ordinati in 3 successivi anelli
che sbarrano la strada agli
anioni, senza selezionare i
cationi