Appunti completi corso di Fisiologia cellulare per farmacia

Analisi dei canali IRK e la rettificazione

ATP sono sensori metabolici perché vengono attivati solo se c'è abbastanza quantità di ATP all'interno della cellula. Per analizzare i canali IRK bisogna conoscere la rettificazione, ossia il processo che favorisce il passaggio unilaterale della corrente. Nel grafico I-V sono rappresentate tre correnti. La linea verde indica la linea di controllo, ossia la corrente ohmica. Le correnti presenti in KIR sono le due correnti rappresentate in azzurro o in rosso. Dal grafico vediamo che è presente una forte corrente entrante, ma una scarsa (o addirittura nulla) corrente uscente. Questo determina l'esistenza di una rettificazione debole o forte: la corrente rossa ha una rettificazione più forte rispetto a quella azzurra perché la corrente azzurra uscente è piccola, ma esiste, mentre quella rossa è nulla. Il blocco della corrente uscente è dovuto alla presenza di ulteriori sostanze: nel caso dei KIR si tratta di magnesio 2+.

(Mg ) o di poliamine (PAM) che bloccano il poro dall'interno (quindi è presente un'elevata concentrazione di magnesio o di poliamine nello spazio intracellulare).

I canali K sono sempre 2STP e sono importanti perché la loro attivazione dipende dalla presenza di ATP intracellulare, ATPiperpolarizzano la membrana perché fanno uscire il potassio. Sono dotati di subunità accessorie (SUR), senza le quali non funzionano in modo adeguato (deve legare l'ATP per determinare l'attivazione del canale stesso). Sono importanti nelle cellule beta del pancreas per l'equilibrio del ciclo insulina-glucosio. In questo canale la rettificazione è debole perché la corrente è ridotta rispetto alla corrente ohmica, ma non è nulla.

I canali K2P di leakage sono dimeri di due subunità (più o meno complessi); sono i canali meno caratterizzati perché sono quelli più variabili (non esiste un'unica

conformazione strutturale); sono sempre aperti, sia a riposo che quando forniscono voltaggio lasciano sempre circolare delle correnti ioniche e conferiscono la conduttività di fondo e tendono a dissipare i gradienti ionici. Il potenziale di membrana è molto vicino al potenziale di equilibrio del potassio perché i canali di leakage, che risultano sempre aperti anche in condizioni di riposo, sono canali che lasciano passare correnti ioniche di potassio (non altri ioni). Questo spiega perché la cellula in condizioni normali ha un potenziale che non è nullo e il motivo per cui il potenziale non nullo di membrana è molto vicino al potenziale di equilibrio del potassio. Hodgkin e Huxley nel loro modello avevano introdotto una corrente per "far tornare i conti" (non sapevano se questa corrente esisteva veramente): l'esistenza di questi canali, verificata da un punto di vista sperimentale, ha confermato questa loro ipotesi. Il passaggio

diioni non dipende né dai ligandi né dal voltaggio ma può essere modulato dalla trasduzione dei segnali intracellulari o dal voltaggio.

I canali 6STM sono i canali meglio caratterizzati perché sono tanti e tutti uguali; sono composti da 6 eliche transmembrana e comprendono: 12 famiglie voltaggio-dipendenti (Kv1-12), 3 famiglie calcio dipendenti K(Ca) quindi ligando dipendenti(BK, IK, SK), TRP importanti per la rilevazione della temperatura corporea o del dolore oppure nei sistemi sensoriali, CNG(Cyclid nucleotide gated) quindi attivati da nucleotidi ciclici. Hanno una struttura standard con una regione centrale conservata (6 domini transmembrana, di cui il quarto è il sensore di voltaggio, mentre tra il 5 e il 6 è presente l'ansa) e le parti N e C- terminali variabili che definiscono le diverse famiglie e le diverse caratteristiche di tutti questi canali. Nel gene ci sono dei siti di splicing alternativo che determinano delle regioni terminali differenti.

I canali voltaggio dipendenti 6STM del potassio sono di forme diverse. Dal punto di vista funzionale si possono distinguere in quattro categorie che cambiano la loro risposta, quindi la corrente (flusso ionico) in base al voltaggio. I canali con correnti delayed rectifier: la corrente uscente è molto bassa (rettificazione come il KIR) che non avviene subito bensì con un dato ritardo, l'inattivazione ridotta o assente (è responsabile della corrente di potassio nel caso del potenziale d'azione); correnti A: attivazione e inattivazione rapide (frequenze di scarica); correnti M (Kv7): lenta attivazione senza inattivazione, posso anche essere modulate dai gandi; correnti eag, erg, elk con cinetiche peculiari. I canali potassio 6STM attivati dal calcio (calcio dipendenti, ligando dipendenti e non necessariamente voltaggio dipendenti) sono di due tipi: esclusivamente calcio dipendente (SK e IK), quindi esce K solo se aumenta Ca intracellulare. Hanno undominioaccessorio di calmodulina necessaria per legare il calcio;
Sia calcio che voltaggio dipendente (BK) e senza il dominio di calmodulina nella parte C terminale, ma a questa si lega direttamente il calcio. Questi canali sono importanti perché la concentrazione di calcio intracellulare è molto bassa (e deve rimanere abbastanza bassa): questi canali sono anche dei "sensori metabolici" perché, in modo indiretto, permettono di tener conto della quantità di calcio presente nella cellula in base alla loro apertura e chiusura. I recettori-canale che determinano variazioni transitorie di potenziale (chiamati canali TRP - Transient Receptor Potential Channels) hanno una struttura molto simile ai canali potassio. Sono eterogenei e fanno cose molto diverse tra loro: non tutti sono permeabili al K⁺, ma possono far passare anche gli altri cationi (Na⁺, Ca²⁺), non tutti sono voltaggio-dipendenti. Hanno meccanismi di gating molto diversi (ligandi, voltaggio, ecc.).temperatura, stimoli meccanici…) e sono presenti nei recettori sensoriali (rilevano fattori moltodiversi). I canali CNG non sono canali del potassio, ma sono permeabili non selettivamente ai cationi.Hanno un dominioche lega i nucleotidi ciclici, che ne determinano l’apertura (dipendono da cGMP e cAMP) e hanno un ruolo fondamentalein alcuni tipi di trasduzione sensoriale, per questo sono presenti in neuroni olfattivi e fotorecettori. Una sottocategoriadei canali CNG sono i canali HCN (Hyperpolarization-activated Cyclic nucleotid-gated channels). Questi canali sono+ +permeabili a Na e K : si tratta di canali non selettivi per cationi monovalenti. Sono gli unici canali voltaggio dipendentiche non si attivano per depolarizzazione, ma per iperpolarizzazione. Sono sia voltaggio che ligando-dipendente e sonoimportanti per il pacemaking cardiaco.Una parte estremamente importante dei canali è il filtro, che ha una particolarestruttura. È composto nella parte internada una sequenza di 4 aminoacidi (glicina,tirosina, glicina e valina) che sono fondamentali per determinare la selettività (cambiando gli aminoacidi si cambia la selettività del filtro stesso). Nel filtro il carbonile(CO) del legame peptidico ha una parziale carica negativa e sono rivolte verso l'interno. Nel filtro tali carbonili (indicati in rosso) puntano verso il buco richiamando cationi che rompono il legame con l'acqua, diventando anidri. Da un punto di vista energetico, lo ione per produrre una corrente ionica deve entrare nel filtro dalla parte esterna e superarlo per arrivare alla posizione dei gates (gli ioni si legano in modo selettivo ai vari aminoacidi del filtro). Lo ione una volta entrato compie tanti piccoli salti energetici per superare le barriere interne presenti all'interno del filtro così da poter entrare nell'ambiente intracellulare. Nel momento in cui lo ione entra nel canale è circondato da molecole di acqua, mentre

quanto entra nel gate lo ione è idrato (ha persotutte le molecole di acqua con cui era legato). Proprio larottura dei legami tra lo ione permeante ed acqua a cuisegue la creazione di legami tra acqua ed aminoacidi delfiltro che permettono allo ione di muoversi e di passarequesti piccoli valli energetici in modo tale da poter passaredall'ambiente extracellulare a quello intracellulare. Il potassio all'inizio è circondato da molecole di acqua, che vengonoperse quando lo ione si trova nel poro. Il filtro è selettivo per un particolare ione: il sodio nonpassa per i canali del potassio! Il motivo è la dimensione: ioni diversi hanno dimensione diverse(il filtro è fatto su misura per uno specifico ione). Il sodio (che è più piccolo del potassio) quandoentra nel canale è troppo piccolo e risente troppo poco degli aminoacidi e delle cariche che sonopresenti all'interno del filtro, quindi non riesce a creare dei legami

validi da un punto di vista energetico per continuare a muoversi. La dimensione è fondamentale per la selettività di un filtro (cambiando gli aminoacidi del filtro viene cambiata anche la dimensione, quindi la selettività delle molecole).

I canali del sodio sono voltaggio dipendenti, hanno una struttura tetramera (un'unica proteina con quattro domini distinti). Tra un dominio e l'altro ci sono delle anse di cui quella tra i domini 3 e 4 è responsabile dell'inattivazione del canale. Inoltre nei canali del sodio c'è un'altra ansa (tra il dominio 2 e il 3) che viene chiamata ansa per i siti di modulazione, ossia un'area in cui si possono attaccare altre proteine o dei gruppi fosfato che modulano il comportamento del canale.

I canali del calcio come quelli del sodio sono composti da domini e non da subunità, in particolare una proteina formata da quattro domini separati. Sono voltaggio dipendenti e presentano il sensore

del voltaggio su S4. Tra il dominio 2 e 3 vi è un loop effettore che rappresenta l'uscita funzionale del canale, quest'ansa permette la classificazione di tre diversi canali del calcio. La loro modulazione è importante perché la concentrazione intracellulare deve rimanere molto bassa. A differenza degli altri canali, quello Ca è usato dalle cellule sia per mantenere il V siam come messaggero cellulare. Hanno un'inattivazione sia voltaggio che calcio dipendente (come accade per i canali potassio calcio-dipendenti), per evitare che Ca intracellulare aumenti troppo. Questi canali fanno si che la concentrazione di calcio intracellulare non aumenti troppo. I canali calcio si dividono in tre categorie (in base al tipo di cellula in cui si trovano e quindi cambia anche la loro funzionalità):

• Ca v1: presenti nel muscolo e nelle cellule sensoriali (loop effettore determina la contrazione delle cellule);
• Ca v2: sinaptici, quindi si trovano nei

neuroni (loop effettore determina il rilascio di vescicole per la trasmissione sinaptica);o Ca v3: hanno un ruolo prettamente elettrico e somigliano come cinetica a quelli del sodio. Sono implicati nel circuito