Biochimica

CANALI VOLTAGGIO DIPENDENTI

Ci suggeriscono che per passare da una forma chiusa ad una forma aperta, questi canali in qualche modo

devono rispondere ai protoni , ovvero a specie che vanno a costituire la differenza di potenziale ; quindi in

particolare questi canali sono sensibili ai protoni.

Quelli piu importanti sono :

1) Canale ionico voltaggio dipendenti del SODIO che si trova nei neuroni in particolare. 2) Canale ionico

voltaggio dipendenti del POTASSIO che è particolarmente concentrato nelle cellule nervose ma anche in

alcuni batteri.

Ovviamente ognuno di questi canali può essere formato da super famiglie proteiche! Non esiste un solo

tipo di canale voltaggio dipendente per il sodio né nella cellula nervosa né nelle altre cellule ; ne

descriviamo una sola struttura alla quale tutti i canali presenti per il sodio possono essere riconducibili ;

questo a dimostrazione che nella membrana plasmatica esiste una grande varietà di proteine

transmembrana , anche se tutte quante sono classificate come trasportatori o come canali ,in realtà di

ogni tipologia ne possono essere presenti isoforme differenti.

Canale voltaggio dipendente del SODIO:

La direzione del flusso sarà dall’ambiente extracellulare a quello intracellulare perché il sodio dovrà

entrare attraverso questo canale aperto seguendo il proprio potenziale elettrochimico.

Com’è costituito questo canale quando è CHIUSO?

E’ un ETEROTRIMERO costituito da 3 peptidi diversi : alfa, beta 1 e beta 2 . Ma il cuore del canale vero e

proprio, il peptide che forma la struttura cilindrica del canale è rappresentato dalla subunità ALFA.

Invece , le subunità beta 1 e beta 2 sono glicosidate e costituiscono la parte esterna di questo trimero e

per tale motivo vengono considerate peptidi di supporto.

La subunità alfa è costituita da 4 domini , numerati primo,secondo,terzo e quarto. Ognuno di questi

domini è formato da 6 eliche transmembrana numerate da 1 a 6.

Questo canale deve avere due parti fondamentali per poter agire :

la parte che costituisce il foro attraverso cui passerà il sodio ed una parte che deve rappresentare il

sensore del mediatore della sua apertura, cioè il sensore dei protoni, del passaggio dei protoni. Quindi il

sensore della variazione della differenza di potenziale di membrana.

Quindi se questo cancello si apre soltanto se vi è una variazione del potenziale di membrana, allora

questo cancello dovrà avere un “portiere” cioè un’elica sensore che si accorge che stanno migrando

attraverso la membrana dei protoni ; perché la membrana si sta depolarizzando, il valore aumenta da

-70,a -60, a -50. Questa differenza di potenziale sta diminuendo perché vi sono dei protoni che stanno

migrando dall’esterno verso l’interno della cellula.

L’elica sensore dei protoni è la numero QUATTRO (elica s4). Quindi , abbiamo 4 domini,allora avremo 4

eliche sensore . Queste eliche sono particolari perché nella parte extracellulare, in prossimità del doppio

strato fosfolipidico, sono ricche di aminoacidi carichi positivamente ( per es. lisina e arginina) .

Questi aminoacidi vengono considerati CARICHE DI SBARRAMENTO cioè fin quando sono nella posizione /

conformazione naturale nelle eliche 4 queste cariche chiudono il “ cancello “ quindi chiudono il canale

vero e proprio dello ione che è presente tra l’elica 5 e l’elica 6. In condizioni normali in cui il canale è

chiuso le cariche positive dell’elica S4 consentono ad una parte della struttura della proteina

transmembrana di coprire il canale per il sodio che si configura tra le due eliche 5 e 6 chiudendo il canale.

Attraverso il canale 4 c’è invece un accumulo di protoni che si verifica in condizioni di diminuizione del

potenziale di membrana, allora queste cariche positive (gli amminoacidi che fungevano da cariche di

sbarramento), per repulsione elettrostatica con gli H+ ,si spostano trascinando con sé quella parte trans

elica che copriva il canale per il sodio .

Il canale del sodio 5 e 6 è permeabile, è aperto, si apre il "cancello"; le dimensioni di questa struttura, di

questo canale è caratterizzata da un diametro di 5 Å ; a questo punto, attraverso questo canale possono

passare soltanto ioni che hanno queste dimensioni.

Lo ione che corrisponde perfettamente a questo diametro è proprio lo ione sodio idratato . Invece il

potassio idratato ha un diametro maggiore , quindi questo canale risulta selettivo per il sodio proprio per il

diametro, proprio per la distanza tra le due eliche 5 e 6 di ogni dominio che configurano un passaggio il

cui diametro corrisponde esclusivamente al sodio idratato.

Il passaggio di questi ioni sodio però deve essere limitato nel tempo; perché sappiamo che ad ogni

depolarizzazione della membrana deve seguire immediatamente uno stadio di recupero della differenza di

potenziale, perché la propagazione dell’impulso nervoso deve avvenire una sola volta e in un’unica

direzione.

Quindi nel momento in cui viene attivato un canale voltaggio dipendente per il sodio , dopo la rapida

migrazione del sodio dall’esterno verso l’interno della cellula, è assolutamente necessario per poter

riguadagnare lo stato di depolarizzazione iniziale, che questo cancello venga nuovamente chiuso ed

inattivato per dare tempo alla sodio-potassio ATPasi di ripristinare la differenza di concentrazione.

Il meccanismo di disattivazione di questo canale passa per la sua fosforilazione, cioè il flusso degli ioni

sodio tra l’esterno e l’interno della cellula attiva delle proteine chinasi che va a fosforilare le sequenze

aminoacidiche che si trovano tra i diversi domini.

La fosforilazione di queste sequenze aminoacidiche disattiva immediatamente il canale, quindi ripoterà le

cariche di sbarramento in posizione tale da chiudere il canale di ingresso tra l’elica 5 e 6 .

Naturalmente per ritornare al suo stato chiuso, e quindi ritornare ad essere sensibile alla variazione

protonica , il canale deve essere defosforilato. Quindi come tutti i canali ionici può esistere in 3

conformazioni : aperta, chiusa ed inattivata.

Una volta disattivato, potrà riattivarsi solo nel caso in cui agiscono delle fosfatasi specifiche che entrano

in gioco dopo che la membrana si è ripolarizzata grazie all’azione della sodio-potassio ATPasi;

l'attivazione di queste fosfatasi causa la defosforilazione del canale facendo ritornare la proteina in

condizioni chiuse sensibili nuovamente al passaggio dei protoni.

Canale voltaggio dipendente del POTASSIO:

l’apertura di questo canale è specifica per il passaggio del potassio dall’interno della cellula verso

l’esterno spinto dal potenziale elettrochimico del potassio. Dobbiamo anche escludere che attraverso

questo canale aperto non sia il sodio ad entrare dallo spazio extracellulare all’interno.

Come fa il canale per il potassio a rendere specifico il passaggio per il potassio stesso?

In teoria dovremmo pensare che sia ricollegato al diametro, ma il potassio idrato ha un diametro

maggiore e questo sarebbe un grosso errore per la cellula. Perché : il potassio idrato di carattere maggiore

rispetto al sodio idrato, se questo “cancello” fosse configurato su quelle dimensioni avrebbe anche la

possibilità di essere attraversato anche dal sodio idrato che è piu piccolo di dimensioni. Questo ,

ovviamente , non deve accadere.

Quindi qual’è la strategia che consente a questo canale di essere selettivo per il potassio?

STRUTTURA : E’ un OMOTETRAMERO , costituito da 4 subunità identiche ,ogni subunità è costituita da 3

eliche transmembrana appartenenti ognuna ad un monomero ; due sono esterne al cilindro e quindi

consentono l’ancoraggio del canale nel doppio strato fosfolipidico e l’altra invece rappresenta il

rivestimento del foro; poiché si configurano tutte e 3 insieme, allora questo canale ha un solo varco

interno e a questo canale partecipano le 4 eliche di ogni monomero; infatti si presenta come una sorta di

quadrifoglio; ogni “petalo” è una subunità e porta al proprio interno soltanto una sola elica , mentre le due

più grandi di ognuna rivestono la parte esterna del canale alcune delle quali fungeranno da sensori ; visto

in sezione trasversale questo canale ha una dimensione a cono di piramide rovesciata , con il diametro

piu piccolo rivolto verso l’interno della cellula,e quello maggiore verso l’esterno.

E questo ci fa comodo, perché noi immaginiamo che per differenza di concentrazione il potassio deve

proprio uscire dall’interno verso l’esterno ; quindi il fatto che l’interno sia piu piccolo già mi suggerisce che

la parte interna può essere una sorta di diaframma importante per selezionare lo ione potassio. Sempre

facendo una sezione trasversale di questo canale, noi vedremmo che nella parte interna del canale stesso

,

quindi nella parte intracellulare, si realizza un diaframma, un passaggio molto stretto.

Proprio questo passaggio consente alle molecole , a qualunque ione monovalente, ( quindi sia al potassio

che al sodio idrato) di entrare in questa cavità. La struttura transmembrana è particolare perché è

costituita e rivestita da tutti gli ossigeni carbonilici che formano il legame peptidico .

La posizione di questi ossigeno è ad una distanza tale che può legare esclusivamente cationi privi di

acqua ; inoltre la distanza di questi ossigeno consentono al tempo stesso non solo il legame dello ione ma

anche la propria disidratazione ; l’energia di disidatrazione dello ione potassio è molto più bassa di quella

dello ione sodio.

Quindi se entrambi gli ioni possono entrare in questo bacino comune di ingresso , alla fine solo ione

potassio potrà realmente entrare nel canale di passaggio transmembrana perché è quello che presenta

l’energia di desolvatazione più bassa ed è quello che con maggiore probabilità potrà legare gli ossigeni

dello scheletro carbonioso e quindi passare al di là della membrana .

E’ necessario dunque che i cationi siano disidratati e quindi privi di acqua, perché i binari attraverso cui

questo ione deve passare sono formati da atomi di ossigeno e quindi richiedono direttamente l’interazione

ionica con la specie carica , quindi è necessario che l’acqua venga allontanata.

Il sodio che si trova in grande concentrazione all’esterno non potrà mai cedere il posto del potassio perché

essendo idrato questo tipo di interazione con l’ambiente carico negativamente del canale non potrà

essere colpito. Tutto questo però non avviene se l’elica sensibile alla radiazione protonica non consente

l’apertura di questo bacino di raccolt