3. Recettori canale

La membrana è dotata di un potenziale siccome la carica extracellulare differisce da quella

intracellulare; inoltre la presenza di pompe e canali crea e mantiene una certa

concentrazione di ioni negli spazi.

+ + 2+ -

Vi sono poi degli ioni biologici (K , Na e Ca e Cl ) che possono attraversare la membrana

attraverso dei canali aperti in direzioni differenti, ben precise in relazione allo specifico

gradiente elettrochimico presente per quello ione in quel momento nella cellula.

Il potenziale di membrana può quindi essere o iperpolarizzato o depolarizzato; solitamente

la depolarizzazione è un cambiamento molto importante, sfruttato per attivare certe

funzioni cellulari, mentre l'iperpolarizzazione rende più stabile una situazione già

presistente; non trasmette un segnale, ma rende la cellula meno favorevole a essere

eccitata.

Normalmente l'iperpolarizzazione è causata da due ioni, che possono quindi essere

considerati inibitori:

-

- Cl : che entra nelle cellule

+

- K : che solitamente esce

+ 2+

Tutti gli altri cationi (Na e Ca ) entrano nella cellula a seguito dell'apertura dei canali e

vanno a depolarizzare la cellula, rendendola attiva.

Un recettore canale è anche in grado di trasmettere un segnale attraverso il calcio, uno

ione bivalente, che può legarsi anche a delle proteine e funzionare come secondo

messaggero, andando a indurre un cambiamento conformazionale e una conseguente

attivazione di certe proteine; questo determina l'attivazione di una cascata di trasmissione

2+

del segnale (Ca calmodulina e CaM chinasi).

I recettori canale sono molecole transmembranali, in cui si possono sempre individuare 4

regioni funzionali:

porzione esterna: ha una forma a imbuto che gli permette di svolgere il ruolo

– biologico, cioè di concentrazione degli ioni.

zona transmembranale: presenta classici domini con residui aa idrofobici; a questo

– livello si possono distinguere 2 regioni funzionali importanti: il canale, con aa

importanti per la selezione dello ione, e il gate, il cancello di chiusura del canale.

Porzione intracellulare: contiene i siti di fosforilazione, che inducono transizioni

– conformazionali atte a modulare la funzionalità del recettore.

Esistono poi domini che ancorano i recettori al citoscheletro.

I recettori canale appartengono a diverse classi:

recettori appartenenti alla superfamiglia dei recettori nicotinici: il nome deriva dai

1. primi a essere stati scoperti, in realtà non tutti utilizzano Ach; vi sono recettori che

utilizzano acetilcolina a livello della placca neuromuscolare, nel S.N.C. e nei gangli;

recettori che utilizzano GABA (recGABA ), recettori per la glicina (reGlyR) e

A

recettori per la serotonina (rec 5HT ).

3

2. Recettori ionotropi del glutammato (NMDA, AMPA e Kainato).

3. Recettori per ATP: l'ATP viene secreto da cellule infiammatorie come astrociti e

microglia per andare a mediare la segnalazione. Esistono i recettori canale P2X e i

recettori connessi a G-proteine P2Y.

4. Recettori aperti da nucleotidi ciclici: il segnale (cGMP e cAMP) è prodotto all'interno

della cellula.

1- Strutturalmente i recettori nicotinici sono costituiti da 5 subunità, ognuna appartenente a

una specifica classe. Ne sono state identificate 4 tipologie: α, β, γ, δ, questo indica che

almeno una subunità è sempre ripetuta, determinando una diversa funzionalità del

recettore.

Nella figura è rappresentato il recettore nicotinico muscolare, il primo a essere stato

identificato. Ogni subunità ha 4 domini transmembranali, chiamati M1,M2,M3 e

M4, caratterizzati da specifici residui aa, che permettono il

passaggio di specifici ioni, mentre le estremità N e C-terminale,

rivolte all'esterno sono implicate nel legame con la molecola

segnale. Il poro è costituito dall'unione di ognuno dei domini M2

delle diverse subunità.

A livello del canale (dominio M2) si possono individuare 3 differenti

anelli, costituiti dall'unione di specifici aa che possono avere:

- aa con carica - : permettono il passaggio di cationi, che vengono

attratti.

- aa neutri: permettono il passaggio di anioni.

Inoltre la specificità non è assoluta, ma il canale è in grado

prevalentemente (non completamente) di distinguere uno specifico

ione, nonostante la medesima carica.

I neuroni che ricevono afferenze gabaergiche sono

sottoposti a una maturazione, che interessa in

particolare proteine coinvolte nel trasporto di ioni;

questo determina un cambiamento del gradiente

elettrochimico di uno specifico ione, tale per cui è

possibile che questo si muova autonomamente in

direzioni differenti in momenti diversi dello sviluppo.

La porzione esterna è importante per legare il

segnale, ma non sempre questo è sufficiente a

determinare l'apertura del canale.

Per quanto riguarda l'acetilcolina, i recettori hanno 2

siti di legami e una volta saturati il canale si apre;

questo però non si verifica per i recettori

GABAergici, che sono anche dei target per

importanti farmaci, che invece sono regolati da

meccanismi complessi; sul recettore sono infatti presenti anche siti di regolazione:

- sito di legame per le benzodiazepine: sono utilizzati anche come farmaci analgesici; la

loro azione va a potenziare il segnale dato dal GABA, quindi coadiuvano l'azione di questo

segnale.

- sito di legame per i barbiturici: è all'interno del canale e ne determina l'apertura

indipendentemente dalla presenza del GABA; questo fa sì che siano farmaci più potenti e

pericolosi (effetti ansiolitici e anche letali), perché agiscono indipendentemente dal

segnale naturale.

2- I recettori ionotropi del glutammato sono importanti, siccome il segnale è implicato nella

regolazione di funzioni fondamentali.

La stimolazione dei neuroni va oltre l'alterazione del potenziale di membrana, permette

infatti anche l'ingresso di ioni calcio, che agendo come secondo messaggero altera la

funzione degli enzimi; tuttavia l'ingresso di calcio deve essere moderato perché a

concentrazioni troppo elevate diviene tossico (eccitotossicità).

Esistono 3 possibili tipologie di recettori per glutammato, che differiscono per la cinetica di

attivazione e di inattivazione, per i meccanismi di desensitizzazione e per il catione per cui

sono selettivi; la loro identificazione è avvenuta in vitro attraverso 3 ligandi differenti,

permettendo così di classificarli in:

AMPA: hanno una cinetica di apertura e chiusura molto rapida;

– NMDA: il canale si apre più lentamente, tale per cui l'effetto risulta più lento a

– comparire;

KAINATO

– Tutti i recettori presentano 4 subunità ognuna con 4

domini transmembranali, tra cui M2 che formando il

poro, si occupa della selettività; questo dominio non

attraversa completamente la membrana, ma si ripiega.

L'estremità N-terminale è più lunga rispetto al solito.

La porzione transmembrana garantisce la specificità in relazione al

residuo aa che presenta: per gli AMPA/KAINATO la presenza di

glutammina è indifferente per il passaggio di sodio e calcio, mentre

l'arginina garantisce una maggiore permeabilità per il sodio e

minore per il calcio. Gli

NMDA presentano aspartato, quindi una maggiore permeabilità per

il calcio.

La cinetica di apertura degli NMDA è più complessa, quindi più lenta; il motivo è legato al

fatto che oltre ai 4 siti di legame per l'agonista (il glutammato) e il sito di legame per il co-

agonista, la glicina, il canale è ostruito dalla presenza di uno ione magnesio, il quale si

sposta solo a seguito di una variazione del potenziale di membrana, permettendo così il

passaggio di calcio e sodio Siccome l'apertura di questi canali è alla base della

formazione della memoria, questi sono maggiormente

studiati nell'ippocampo, un importante nucleo che appunto

permette di memorizzare le cose e strutturarle; è

localizzato nel cervello e ha una struttura particolare,

caratterizzata dalla presenza di circonvoluzioni; è possibile

identificare una grossa C (in verde), con neuroni

piramidali, in cui si individuano 3 grossi neuroni: CA1, CA2

e CA3. A cavallo si trova poi un'altra regione, un giro dentato, incastrato nella

circonvoluzione, con andamento opposto; qui sono contenute cellule staminali neuronali,

la cui attività è interessata nella performance di apprendimento e memoria. [Si è scoperto

che l'attività fisica mantiene la regione più attiva e proliferante anche in età avanzata].

Il neurone piramidale CA3 manda assoni verso il CA1, creando un circuito, che è stato

studiato per comprendere il funzionamento della memoria; è possibile infatti generare delle

“fettine” di cervello, che mantenute in particolari condizioni, tengono in funzionamento il

circuito.

Dando uno stimolo tale per cui il CA3 manda uno stimolo al CA1,ovvero rilascia

glutammato, si va a misurare con un elettrodo la depolarizzazione che si crea su CA1.

Nell'immagine si ha la rappresentazione di ciò che veniva registrato.

Normalmente stimolando il CA3, si verifica nel CA1 un range di alterazione di 0,2mV/s;

dando però una stimolazione tetanica, come se il rilascio di glutammato fosse molto

intenso, si ha un'alterazione del potenziale di membrana immediata, che schizza verso

l'alto. Somministrando nuovamente uno stimolo normale a questo punto si osserva che

l'alterazione del CA1 è molto più intensa, sebbene lo stimolo sia lo stesso.

Questa risposta migliorata permane per molto tempo e il fenomeno prende il nome di long

term potentiation; l'effetto è che se si ha uno stimolo intenso di un neurone attraverso il

glutammato, questo diverrà più responsivo al medesimo stimolo successivo; questo

meccanismo è fondamentale per la memoria, perché permette di creare circuiti neuronali

più veloci e intensi.

Questo up-grade è permesso dall'apertura del canale NMDA; livello pre-sinaptico si ha un

maggiore rilascio del glutammato, mentre a livello post-sinaptico si ha un maggior numero

di recettori in prossimità di dove c'è il rilascio di glutammato, rendendo quindi la cellula più

responsiva; questo avviene sia perché vengono fatte fondere vescicole, aggiungendo

recettori alla membrana, sia perché vengono reclutati da altre regioni.

È fondamentale che a livello post-sinaptico siano presenti sia canali AMPA sia gli NMDA,

in modo che il rilascio di glutammato attivi gli AMPA, i quali permetto l'ingresso di sodio,

che depolarizza la membrana, quindi apre i canali NMDA