Biochimica

Canali voltaggio dipendenti

I canali voltaggio dipendenti suggeriscono che per passare da una forma chiusa a 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 più importanti sono:

• Canale ionico voltaggio dipendente del sodio che si trova nei neuroni in particolare.
• Canale ionico voltaggio dipendente 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; né si può descrivere 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? È 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 e 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 esempio, 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 a 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 diminuzione 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 transelica 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, sono caratterizzate 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 e 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 riporterà 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 a essere sensibile alla variazione protonica, il canale deve essere defosforilato.

Quindi, come tutti i canali ionici, può esistere in 3 conformazioni: aperta, chiusa e 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 idratato ha un diametro maggiore e questo sarebbe un grosso errore per la cellula. Perché: il potassio idratato di carattere maggiore rispetto al sodio idratato, se questo “cancello” fosse configurato su quelle dimensioni avrebbe anche la possibilità di essere attraversato anche dal sodio idratato che è più piccolo di dimensioni. Questo, ovviamente, non deve accadere.

Qual è la strategia che consente a questo canale di essere selettivo per il potassio? La sua struttura è un omotetramero, costituito da 4 subunità identiche, ogni subunità è costituita da 3 eliche transmembrana appartenenti ognuna a 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 più 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 più 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 idratato), 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 ossigeni è a una distanza tale che può legare esclusivamente cationi privi di acqua; inoltre, la distanza di questi ossigeni consente al tempo stesso non solo il legame dello ione ma anche la propria disidratazione; l’energia di disidratazione 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 lo 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. È 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 raccolta.