Selettività dei canali ionici

Selettività dei canali ionici

Gli studi sulla selettività dei canali ionici sono stati condotti su diversi tipi di canali, ma particolarmente importanti sono stati quelli effettuati sul canale ionico batterico per il potassio.
Questi studi hanno avuto grande importanza perché per decenni gli elettrofisiologi hanno cercato di comprendere il meccanismo attraverso il quale un canale ionico potesse risultare selettivo per uno specifico ione rispetto ad altri.
La scoperta del meccanismo di selettività è stata effettuata da Mackinnon, la cui ricerca gli valse il Premio Nobel. Studiando un canale ionico batterico per il potassio, Mackinnon dimostrò che nei canali del potassio è presente una sequenza conservata di cinque amminoacidi nella regione p:
glicina-tirosina-glicina-valina-treonina.
In ogni regione p è presente questa sequenza di cinque amminoacidi. Poiché il canale del potassio possiede quattro subunità, ciascuna con una regione p, sono presenti complessivamente quattro copie di questa sequenza.
Questa sequenza è fondamentale perché i gruppi carbonilici degli amminoacidi glicina, tirosina, valina e treonina si orientano verso l'interno del canale. La regione p risulta quindi completamente rivestita dai gruppi carbonilici di questi amminoacidi.
Sono proprio questi gruppi carbonilici a creare un ambiente favorevole affinché il potassio perda le proprie molecole d'acqua ed entri nel canale.
Gli ioni presenti in ambiente acquoso sono infatti circondati da molecole d'acqua e perdere il proprio stato di idratazione è energeticamente sfavorevole, a meno che non si trovino in un ambiente in cui siano presenti gruppi chimici capaci di compensare questa perdita.
Nel canale del potassio, il filtro di selettività permette quindi allo ione potassio di entrare e stabilire contatti con i gruppi carbonilici degli amminoacidi della sequenza. Il sodio, invece, non riesce a entrare nel filtro e a stabilire gli stessi contatti.
Il filtro di selettività del canale del potassio è quindi determinato dalla disposizione dei gruppi carbonilici di glicina, valina, treonina e tirosina, che creano un ambiente favorevole esclusivamente per il k+.
Si può ipotizzare che negli altri canali ionici, nella regione p, siano presenti differenti sequenze di amminoacidi che creano condizioni favorevoli per il passaggio selettivo di altri ioni, come il sodio o il calcio.
Il filtro di selettività del canale del potassio è quindi diverso da quello del canale del sodio e molto diverso da quello del recettore colinergico nicotinico, che non è altamente selettivo e permette il passaggio di più specie ioniche.

Sensore di voltaggio dei canali ionici voltaggio-dipendenti

I canali ionici voltaggio-dipendenti si aprono in risposta a variazioni del voltaggio della membrana e possiedono quindi un meccanismo sensibile al potenziale elettrico.
La ricerca del meccanismo responsabile della sensibilità al voltaggio ha impegnato per anni gli elettrofisiologi, fino alla scoperta di una caratteristica comune presente nella sequenza amminoacidica dell'alfa-elica 4, chiamata anche s4.
Analizzando la quarta alfa-elica dei diversi domini dei canali del sodio e del calcio e la quarta alfa-elica delle subunità del canale del potassio, è stato osservato che tutte le s4 possiedono, ogni tre amminoacidi, un amminoacido carico positivamente.
Poiché questa struttura è conservata in tutti i canali ionici voltaggio-dipendenti, si è ipotizzato che questa disposizione di cariche positive rappresentasse il sensore di voltaggio.
Successivamente è stato dimostrato che il segmento s4 rappresenta effettivamente il sensore di voltaggio dei canali ionici voltaggio-dipendenti.
Il segmento s4 è infatti la struttura che percepisce il cambiamento del voltaggio della membrana plasmatica e che, in seguito a una variazione del potenziale, subisce un cambiamento conformazionale trasferito al poro ionico, determinandone l'apertura.
Le cariche positive presenti ogni tre amminoacidi lungo l'alfa-elica vengono stabilizzate mediante interazioni con cariche negative presenti nelle altre alfa-eliche del canale.
Poiché è presente una carica positiva ogni tre amminoacidi, la prima carica positiva della sequenza è orientata verso il versante interno della membrana plasmatica.

Meccanismo di apertura del canale durante la depolarizzazione

A riposo, la membrana plasmatica presenta una carica negativa sul versante interno.
Quando arriva un'onda di depolarizzazione, il versante interno della membrana diventa più positivo. Questa variazione viene percepita dal sensore di voltaggio, in particolare dalle prime cariche positive presenti nel segmento s4.
La presenza di cariche positive sul lato interno della membrana determina un fenomeno di repulsione elettrostatica nei confronti della prima carica positiva del sensore di voltaggio.
Poiché il segmento s4 ha una struttura ad alfa-elica, la repulsione provoca una rotazione a vite elicoidale che sposta il segmento verso il versante extracellulare.
Lo spostamento del segmento s4 determina un cambiamento conformazionale del canale che viene trasferito al poro ionico, provocandone l'apertura.
Il cambiamento conformazionale del sensore di voltaggio è quindi il meccanismo che consente l'apertura del poro ionico.

Stati funzionali dei canali ionici voltaggio-dipendenti

I canali ionici voltaggio-dipendenti possono passare dallo stato aperto allo stato inattivato.
Nello stato aperto, il sensore di voltaggio ha subito il cambiamento conformazionale che permette l'apertura del poro ionico e il passaggio degli ioni.
Nello stato inattivato, il canale è aperto ma non è più in grado di condurre ioni. Anche in presenza di depolarizzazione e con il poro aperto, il canale non permette il passaggio ionico.

Meccanismo di inattivazione dei canali ionici

Gli studi effettuati sull'assone del calamaro gigante hanno dimostrato che il trattamento con proteasi della parte interna della membrana plasmatica è in grado di bloccare il meccanismo di inattivazione dei canali.
Da questi studi è stato ipotizzato che esistesse una struttura proteica responsabile dell'inattivazione del canale, poiché la sua distruzione tramite proteasi impediva il fenomeno dell'inattivazione.
Successivamente, lo studio della struttura dei canali ionici ha dimostrato che l'inattivazione è dovuta a una specifica sequenza polipeptidica interna al canale stesso.
Nel canale del sodio, la sequenza amminoacidica responsabile dell'inattivazione si trova nell'ansa intracellulare che collega il terzo e il quarto dominio.
Nel canale del calcio, la sequenza responsabile dell'inattivazione si trova nell'ansa intracellulare che collega il primo e il secondo dominio.
Nei canali del potassio, invece, l'inattivazione è determinata dalla regione nh2 terminale. Poiché i canali del potassio possiedono quattro subunità, sono presenti quattro regioni nh2 terminali responsabili del processo.

Meccanismo a palla e catena nei canali del potassio

Per i canali del potassio è stato ipotizzato un meccanismo definito "a palla e catena".
La regione nh2 terminale è costituita da una sequenza amminoacidica piuttosto lunga. La sua parte terminale, corrispondente al gruppo amminico, assume una conformazione globulare, mentre la parte che rimane legata al canale mantiene una struttura lineare.
La porzione globulare agisce quindi come una "palla" collegata al canale tramite una "catena" e determina il blocco del poro ionico durante lo stato di inattivazione.