Filtro di selettività di un canale ionico

Interazioni ioniche nei canali

Come abbiamo visto in precedenza gli ioni, nell’attraversare un canale, interagiscono con i residui aminoacidici che delimitano il poro. Tali interazioni potrebbero essere più o meno forti a seconda dello ione considerato, contribuendo in questo modo alla capacità degli ioni di entrare nel poro e quindi permeare.

Teoria di Eisenman sulla selettività

Un modello di questo genere fu proposto nel 1960 da Eisenman per spiegare la selettività ionica che si osserva in certi tipi di vetro. La stessa teoria è stata poi proposta per spiegare alcuni aspetti della selettività dei canali ionici. Nei suoi studi sui vetri ione-selettivi Eisenmann si accorse che, sebbene esistano 120 possibili sequenze di selettività nei confronti dei 5 ioni monovalenti Li, Na, K, Rb, e Cs, solo 11 di queste sono realmente osservate in natura.

Meccanismo di selettività nei vetri

Egli propose che questa ristretta gamma di sequenze di selettività deriva dal seguente meccanismo. Per poter penetrare nel vetro lo ione deve legarsi a siti carichi negativamente presenti in questo materiale. Questa interazione prevede due steps fondamentali: la rimozione delle molecole d’acqua che idratano lo ione in soluzione, e il legame dello ione al sito carico.

Processi di permeazione ionica

Analogamente ai vetri ione-selettivi si pensa che anche per la permeazione di uno ione attraverso un canale esistano dei siti carichi all’interno del poro con cui lo ione può interagire. Inoltre anche in questo caso lo ione dovrà svestirsi delle molecole d’acqua che formano il suo guscio di idratazione, dato che le ristrette dimensioni del filtro di selettività non permetterebbero l’entrata di uno ione idratato. Le energie coinvolte in questi due processi saranno in generale diverse a seconda dello ione considerato e delle caratteristiche del sito di legame, e quindi definiranno la selettività di un determinato sito per un particolare ione. Tanto più negativa sarà la variazione di energia coinvolta in questi processi (ΔGtotale) tanto più selettivo sarà il canale per lo ione considerato.

Analizziamo ora in dettaglio in che modo le due energie dipendono dalle proprietà dello ione e del sito carico.

Energia di deidratazione degli ioni

Per quanto riguarda ΔGdeidr, è possibile misurarla sperimentalmente, e i valori relativi a alcuni ioni di nostro interesse sono riportati in Tabella. Si nota che questa energia dipende sia dalla carica portata dallo ione che dalle sue dimensioni. Per quanto riguarda la carica si vede che gli ioni divalenti hanno ΔGdeidr maggiori rispetto agli ioni monovalenti. Ciò accade poiché una carica maggiore attrarrà con più forza le molecole d’acqua allo ione, e quindi più energia servirà per rimuoverle. Per quanto riguarda le dimensioni ioniche si vede che ΔGdeidrè tanto maggiore quanto più piccolo è lo ione considerato. Ciò accade poiché, a parità di carica, più piccolo è il raggio atomico più è forte l’interazione delle molecole d’acqua con lo ione, potendosi queste avvicinare di più al centro di carica (come sappiamo, le interazioni di tipo elettrostatico dipendono inversamente dal quadrato della distanza dal centro di carica).

Così lo ione Na, con raggio atomico (r=0.95 A) minore di quello del K (r=1.33 A), ha una più elevata ΔGdeidr.

Energia di legame e selettività

Per quanto riguarda ΔGlegame, questa può essere calcolata come l’energia guadagnata dal sistema nel portare lo ione da una distanza infinita il più vicino possibile al sito di legame, che corrisponde a una distanza pari alla somma del raggio dello ione (r) e del raggio del sito di legame (R), assumendo che questo abbia una forma sferica.

Si vede che al variare delle dimensioni del sito di legame le linee che rappresentano i vari ioni si intersecano. Ciò sta a significare che la sequenza di selettività predetta, che coincide con la sequenza di valori di ΔGtotale (considerando che tanto minore è il valore di questa energia, tanto più selettivo è il canale per lo ione considerato) varierà al variare delle dimensioni del sito di legame. Così una sequenza simile a quella osservata per i canali Na la si ottiene con un sito di legame relativamente piccolo. Ciò avviene poiché in questo modo il termine ΔGlegame nell’equazione può assumere valori elevati rispetto al termine ΔGdeidr, e quindi gli ioni verranno selezionati principalmente sulla base delle loro dimensioni, con gli ioni più piccoli (come il Na e il Li) avendo un vantaggio, potendo interagire più strettamente con il sito di legame. Al contrario una sequenza di selettività simile a quella osservata per i canali K la si ottiene con valori di R relativamente elevati. In questo caso ΔGtotalesarà principalmente governato dal termine ΔGdeidr, e quindi saranno selezionati gli ioni con bassa idratazione (come il K) rispetto a quelli che interagiscono fortemente con l’acqua (come il Na e il Li). Oltre alle dimensioni, anche la carica presente nel sito di legame (qsito) può influenzare la sequenza di permeabilità. Così una sequenza di selettività che favorisce ioni di piccolo diametro la si può anche ottenere con siti di legame altamente carichi, che favoriranno il termine ΔGlegame nel bilancio energetico totale. Analogamente un canale selettivo al K rispetto al Na può anche essere ottenuto con un sito di legame poco carico, che farà perdere peso all’interazione tra ione e sito di legame e favorirà gli ioni con bassa ΔGdeidr.