Canali ionici

Canali ionici

I canali ionici sono molto importanti in fisiologia e in farmacologia. È stato stimato che circa il 5% di tutti i farmaci utilizzati in terapia riconosce come bersaglio molecolare un canale ionico, rappresentando quindi un bersaglio diretto dei farmaci.
Tuttavia, i canali ionici rappresentano anche un bersaglio indiretto dei farmaci. I recettori associati alle proteine g sono infatti bersagli di diverse classi di farmaci e, attraverso l'attivazione delle proteine g, possono determinare l'apertura o la chiusura dei canali ionici.
Di conseguenza, i canali ionici rappresentano il bersaglio di un numero molto elevato di farmaci.

Proprietà dei canali ionici

I canali ionici possiedono tre proprietà fondamentali.
La prima proprietà è la capacità di condurre gli ioni ad elevata velocità. La velocità di conduzione è tale che nessun trasportatore può eguagliarla.
Durante i primi studi sulla permeabilità di membrana agli ioni, i fisiologi, non sapendo come gli ioni potessero attraversare la membrana cellulare, avevano ipotizzato due possibili meccanismi: i trasportatori e i canali ionici.
Successivamente è stato dimostrato che solo i canali ionici sono in grado di condurre gli ioni a una velocità compatibile con la trasmissione di segnali eccitatori e inibitori nelle cellule. I trasportatori, infatti, non raggiungono velocità sufficientemente elevate.
Un singolo canale ionico può arrivare a condurre fino a 100 milioni di ioni al secondo.
La seconda proprietà è la capacità di riconoscere e selezionare ioni specifici, ad eccezione di alcuni canali che non possiedono una selettività elevata.
La terza proprietà è la capacità di aprirsi e chiudersi in risposta a stimoli specifici.

Struttura e funzione dei canali ionici

I canali ionici sono proteine intrinseche delle membrane cellulari, cioè proteine integrali che attraversano completamente la membrana cellulare.
Al loro interno possiedono un varco che percorre tutta la lunghezza della membrana e permette il passaggio degli ioni.
Senza i canali ionici, il passaggio degli ioni attraverso il doppio strato fosfolipidico sarebbe estremamente difficile, poiché gli ioni in soluzione acquosa sono circondati da molecole d'acqua che impediscono loro di attraversare la membrana cellulare.
Affinché uno ione possa attraversare la membrana, deve infatti perdere il proprio alone di idratazione.

Permeabilità del doppio strato fosfolipidico

Per comprendere il ruolo dei canali ionici è necessario considerare la permeabilità del doppio strato fosfolipidico a diverse molecole.
Le molecole idrofobiche attraversano molto facilmente le membrane biologiche. Esempi sono il benzene, l'o2, la co2 e l'n2.
Anche le piccole molecole polari prive di carica sono in grado di attraversare le membrane cellulari, come l'h2o, anche se in quantità non molto elevate.
Gli ioni, invece, attraversano le membrane cellulari in tempi troppo lunghi per essere fisiologicamente rilevanti.
I coefficienti di permeabilità, ottenuti da studi condotti su membrane sintetiche prive di canali ionici, vengono espressi in cm/sec. Bisogna considerare che lo spessore della membrana cellulare è circa 5-10 nm, dove 10 nm corrispondono a 10⁻⁶ cm.
L'acqua possiede una permeabilità abbastanza elevata, con un coefficiente di permeabilità pari a 10⁻² cm/sec.
L'urea attraversa la membrana cellulare in circa un secondo e presenta un coefficiente di permeabilità pari a 10⁻⁶ cm/sec.
Gli ioni come k+ e na+ non attraversano le membrane in tempi fisiologicamente utili e possiedono un coefficiente di permeabilità pari a 10⁻¹² cm/sec.
Lo ione cl- possiede un coefficiente di permeabilità pari a 10⁻¹⁰ cm/sec e impiega un tempo circa 10000 volte superiore rispetto all'urea, un tempo non compatibile con le esigenze fisiologiche.
Per questi motivi, l'unico modo attraverso cui gli ioni possono attraversare la membrana cellulare a velocità fisiologicamente rilevanti, oltre ai trasportatori che però sono troppo lenti, è rappresentato dai canali ionici.
Attraverso i canali ionici lo ione si muove per diffusione passiva e quindi secondo un processo energeticamente favorevole.

Selettività dei canali ionici

Una caratteristica fondamentale dei canali ionici è la capacità di riconoscere e selezionare ioni specifici.
All'interno del canale ionico, nella regione che attraversa la membrana cellulare, è presente una zona chiamata poro di selettività.
È proprio in questa regione ristretta che il canale determina quale ione può attraversare la membrana, stabilendo quindi la selettività per differenti specie ioniche, come sodio e potassio.
In generale, i canali ionici voltaggio-dipendenti sono altamente selettivi. Ad esempio, il canale del potassio permette il passaggio quasi esclusivamente del potassio, così come il canale del sodio permette prevalentemente il passaggio del sodio.
Altri canali ionici, come i canali operati da ligando, possiedono invece una selettività minore. Un esempio è rappresentato dal recettore colinergico nicotinico.
In questi canali il filtro di selettività presenta un diametro sufficientemente grande da permettere il passaggio contemporaneo di più specie ioniche. Nel recettore nicotinico muscolare, ad esempio, entra sodio ed esce potassio; alcuni sottotipi di canali colinergici nicotinici consentono anche l'ingresso di calcio.
Nei recettori nicotinici la selettività è quindi ridotta, mentre nei canali voltaggio-dipendenti per sodio e potassio è molto elevata. Questa elevata selettività è fondamentale per il corretto andamento del potenziale d'azione.
Apertura e chiusura dei canali ionici
Un'altra caratteristica dei canali ionici è la capacità di rispondere a stimoli specifici attraverso l'apertura e la chiusura del canale.
I canali ionici possono essere distinti in canali ionici non gated e canali ionici gated.

Canali ionici non gated

I canali ionici non gated sono canali privi di meccanismi di apertura e sono costitutivamente aperti al potenziale di riposo della membrana plasmatica.
Non possiedono quindi sistemi di controllo dell'apertura e il loro stato rimane sempre aperto.
Questi canali sono responsabili del mantenimento del potenziale di riposo della cellula.

Canali ionici gated

I canali ionici gated rappresentano una famiglia di canali particolarmente efficiente nella trasmissione dell'eccitabilità da una cellula all'altra e sono quindi tipici delle cellule eccitabili.
Questi canali possiedono un meccanismo di controllo che regola la loro apertura.
I canali ionici gated possono rispondere a diversi stimoli.
Uno stimolo può essere il cambiamento del voltaggio della membrana plasmatica.
Un altro stimolo può essere rappresentato dal legame con un ligando. Quando un canale ionico lega un ligando viene definito anche recettore-canale. In questo caso recettore-canale e canale ionico sono sinonimi.
Un esempio è il recettore colinergico nicotinico, che è un canale ionico operato da ligando in cui il ligando è l'acetilcolina.
Un ulteriore stimolo è rappresentato dagli stimoli meccanici, come lo stiramento della membrana cellulare. Il recettore è ancorato sia alla membrana cellulare sia al citoscheletro; lo stiramento della membrana viene percepito dal citoscheletro e determina l'apertura del poro ionico.
I canali ionici gated possono attraversare diversi stati funzionali. In assenza di stimolo il canale si trova nello stato chiuso, mentre in presenza dello stimolo passa allo stato aperto.
Può inoltre esistere una terza fase di transizione nella quale il canale si trova in uno stato inattivato.
I canali ionici gated sono responsabili delle modificazioni del potenziale di membrana osservate nelle cellule.