Meccanismi di attivazione e cooperatività nei canali ionici

Controllo dei canali ionici

Nei canali ionici ligando-dipendenti le transizioni conformazionali e la probabilità di apertura sono controllate dal legame di un agonista al canale. In alcuni casi, come i canali attivati dai neurotrasmettitori, l’agonista si lega a domini extracellulari del canale, mentre in altri, come a esempio i canali K Ca-attivati, l’agonista interagisce con domini intracellulari del canale o di proteine associate.

Effetti della concentrazione di Ca

Quando la concentrazione di Ca intracellulare è di 100 nM il canale BK è quasi sempre chiuso, mostrando solo sporadiche e brevi aperture. Al contrario, incrementando la concentrazione di Ca intracellulare a 1 o 10 µM la PO incrementa, fino a divenire prossima all’unità. Sperimentalmente si trova che la relazione PO – concentrazione di agonista è ben descritta dalla seguente relazione, nota come equazione di Hill. La costante KD, nota come costante di dissociazione, è la concentrazione di agonista necessaria per portare la Po del canale a 0.5, come è facile verificare se nell’equivalenza si pone [A]=KD. Più alto è il valore di KD maggiore sarà la concentrazione di agonista richiesta per l’attivazione. n dà invece una stima della rapidità della relazione PO – [A]. In altre parole, più elevato è il valore di n minore sarà il range di concentrazioni richiesto per far passare la PO da valori prossimi a zero a valori prossimi all’unità.

Recettori con un solo sito

Recettori con un solo sito di legame

In questo caso il canale passa dallo stato chiuso allo stato aperto in seguito al legame con una sola molecola di agonista, A.

Per molti canali, inclusi i canali K Ca-attivati, l’isoterma di Langmuir non descrive correttamente la relazione PO – [A]. Al contrario una buona descrizione dei dati sperimentali richiede l’uso della relazione di Hill con un valore di n maggiore di 1.

Siti identici e indipendenti

Vedremo ora che ciò viene interpretato come indicazione che più molecole di agonista devono legarsi al canale per aprirlo. Siti identici e indipendenti. Nel caso in cui le molecole di agonista reagiscono con i vari siti di legame sul recettore-canale in maniera indipendente e con la stessa costante microscopica, KD (definita come il rapporto tra la costante di distacco e quella di attacco dell’agonista al sito), è possibile esprimere le costanti macroscopiche di attacco al primo e al secondo sito, KD1 e KD2,in relazione alla costante microscopica nel seguente modo. KD1 = ½ KD, poiché ci sono 2 possibilità di legame (essendo due i siti a cui l’agonista può legarsi), ma una sola possibilità di distacco. Al contrario, KD2 = 2 KD, poiché c’è una sola possibilità di legarsi (essendo rimasto libero un solo sito), ma due possibilità di distacco per l’agonista.

Siti altamente cooperativi

Siti altamente cooperativi. Nel caso in cui il legame di una molecola di agonista facilita marcatamente l’interazione di un’altra molecola di agonista con il secondo sito (vuoto) del recettore, si può assumere che KD1 >> KD2, cioè la dissociazione del complesso OA2 è molto improbabile rispetto alla dissociazione del complessoCA.

Da notare che la precedente trattazione ha chiarito il significato della costante n che appare nella relazione di Hill. Essa equivale al numero di molecole di agonista che devono legarsi al canale che aprirlo. Così, poiché si trova sperimentalmente che per il canale BK la relazione PO – [Ca] è ben descritta quando n = 4, allora, assumendo che il modello a siti altamente cooperativi sia corretto, se ne deduce che 4 ioni Ca si legano al canale per aprirlo. In realtà, come vedremo successivamente, studi più approfonditi di biologia molecolare dimostrano la presenza in questo canale di più di 4 siti di legame per il Ca, la cui azione non è facilmente rilevabile attraverso le relazioni Po – concentrazione di Ca. Ciò accade, probabilmente, a causa del fatto che la cooperatività tra i vari siti non è in realtà elevatissima, come assunto nel ricavare l’equivalenza, e ciò ha come conseguenza una sottostima di n. Sulla base di queste considerazioni sarebbe più corretto dire che un n=4 implica la presenza di almeno (o un numero minimo di) 4 siti di legame.