Biofisica molecolare e cellulare - corso completo

Canali Voltaggio Dipendenti

Se plotto la Po vedo che questa varia in base alla variazione del voltaggio. Si ottiene una curva esponenziale che è fittata dall'equazione di Voltsman. Depolarizzando il canale si passa da probabilità 0.5 a 0.9. Nell'equazione i fattori sono la costante k, la temperatura assoluta e la carica elementare. Poi si hanno V1/2: potenziale al quale abbiamo la metà di probabilità di apertura del canale, questo valore dipende dalle caratteristiche del canale.

La Zg è la gating charge definisce il meccanismo per cui il canale si parte quando si ha una depolarizzazione. L'apertura e la chiusura del canale è dovuto a uno spostamento di cariche.

Sensore del voltaggio

Il sensore del voltaggio è dato dalla presenza di cariche, nel canale ci sono queste cariche che si muovono a seconda della variazione di potenziale. Queste cariche non sono quelle che passano nel canale attraverso il poro. Con il patch clamp si

possonomisurare le gating currents che sono precedenti all'apertura del canale. Il canale può essere un' unica proteina con più subunità che attraversano la membrana oppure dapiù proteine, ma comunque il canale è dato da 6 eliche trasmembrana. Le prime eliche da S1 a S4 sono importanti per il sensore del voltaggio, il poro è tra S5 e S6 (P loop, rientra nella membrana plasmatica). Il modello più accreditato è quella della sliding-helix: nell'S4 si ha 1 amminoacido carico positivamente seguito da due amminoacidi idrofobici, questa sequenza può essere ripetuta da 4 a 7 volte (da 4 a 7R). R- idrof-idrof-R-idrof-idrof-R.... Questi amminoacidi della S4 sono accoppiati a amminoacidi carichi negativamente sulle eliche S1, S2 e/o S3. Questo in condizioni di riposo a -70mV. Queste sequenze si trovano verso l'interno della cellula e si attraggono le cariche + e -. Quando si ha a depolarizzazione, la

distribuzione di cariche varie e quindi la facciainterno passa da negativo a positivo e quindi si ha uno sganciamento delle cariche, lecariche positive interne alla cellula respingono quelle positive della S4. Quando sistaccano le cariche si ha una rotazione della S4 che si muove nella membrana versol'esterno (si ha una repulsione di cariche positivo-positivo). Questa rotazione va farspostare anche S5 e S6 che porta ad un apertura del poro.

Inattivazione dei canali voltaggio dipendenti

Ci sono dei canali voltaggio dipendenti che nonostante si abbia un continuo stimoloquesti vanno a inattivarsi, riportano la corrente a zero. Questo avviene per i canali delsodio e per alcuni di quelli del potassio.

Si rileva che si ha una inattivazione dando un segnale depolarizzante immediatamentedopo che la corrente è tornata a zero vedo che non ho corrente oppure ho una bassacorrente. Ho una risposta solo se torno al potenziale di riposo, iperpolarizzazione, e poido una depolarizzazione

Allora ho un attivazione. Dal punto di vista cinetico il canale è descritto da tre canali: aperto, chiuso e inattivato. Dal punto di vista funzionale io non distinguo lo stato inattivato da quello chiuso in quanto non ho passaggio di corrente, a livello molecolare ho invece un cambiamento apprezzabile.

L'inattivazione è legata ad una equazione esponenziale che descrive l'ampiezza del picco della corrente in base al voltaggio clampato.

L'inattivazione dipende da parti del canale che si trovano all'N-terminale di ciascuna subunità. Il meccanismo è del tipo ball and chain. Nei canali del potassio si hanno 4 subunità mentre quelli del sodio ne hanno una. Quindi il canale del potassio ha 4 N-terminale.

Nel canale per il sodio si ha:

• Primo step che è in resting state: il canale è chiuso ma non inattivo, N-terminale non inibisce il passaggio.
• Secondo step: si ha la depolarizzazione e il canale passa dallo stato chiuso a quello aperto.

Il sodio entra nella cellula depolarizzando la membrana. La depolarizzazione data dall'interesse di sodio va ad inattivare il canale. A questo punto il canale è aperto ma inattivato. Non si ha passaggio di sodio. I canali del potassio sono attivi e non si ha passaggio di sodio quindi ho una ripolarizzazione, si arriva a valori anche più negativi di prima e si ha la iperpolarizzazione che porta all'attivazione del canale del sodio. 14CANALI ATTIVATI DA LIGANDI Le transizioni da aperto a chiuso sono controllati da antagonisti. I ligandi possono essere intracellulari o extracellulari. Esempio: canali per il potassio controllati dal calcio. Tenendo la differenza di potenziale costante e aumentando la concentrazione di calcio si osserva l'apertura del canale. Quando aumenta il calcio aumenta la Po. Si ha un'equazione che descrive la Popen: Kd costante di dissociazione dell'agonista con canale (concentrazione in cui si ha la metà della massima apertura).

probabilità di apertura), CA è la concentrazione dell’agonista.

Sono formati da 4 subunità con 7 attraversamenti transmembrana. Avendo 7 attraversamenti N e C-term sono sulle due facce opposte della membrana. Si ha un sensore del voltaggio che non influenza molto il gating. Al C-term si hanno 4 subunità accessorie che sono responsabili per il sensore del calcio e per influenzare il gating del canale. La Po aumenta all’aumentare della concentrazione del ligando.

SELETTIVITÀ E PERMEABILITÀ DEI CANALI IONICI

Possiamo classificare canali in base allo ione che fanno passare. La permeabilità è la capacità di far passare gli ioni. Per capire la permeabilità possiamo misurare la corrente del singolo canale a diverse polarità di membrana. Si misura la corrente in funzione del voltaggio: abbiamo un andamento lineare pressoché ohmico tra -40 e +40 mV. Non sempre è lineare. La conduttanza è la

pendenza della retta ed è misurata in simens, o picosimens. Quando lo misuro devo indicando la concentrazione di ione interna ed esterna e il voltaggio a cui faccio le misurazioni.

La selettività ad un singolo ione si possono misurare a livello di singolo canale oppure le permeabilità a livello di tutta la cellula, in relazione alla corrente. Ciò che ci interessa è il potenziale di inversione variando la concentrazione ionica. Il potenziale di inversione è il potenziale al quale la corrente è uguale a zero, varia in base alle concentrazioni ioniche. Si utilizza l'equazione del potenziale biionico: il potenziale di inversione quando si hanno due specie ioniche una intra e una extracellulare dipende dalla permeabilità dei due ioni. Le misure di permeabilità vengono fatte mantenendo costante lo ione intracellulare variando lo ione extracellulare.

15 canali voltaggio dipendenti:

I parametri di permeabilità per i- Il canale

del suo piccolo raggio molecolare che gli permette di passare attraverso il filtro di selettività dei canali del potassio. Il sodio, invece, ha un raggio molecolare più grande e quindi viene escluso dai canali del potassio. I canali per il calcio, invece, sono abbastanza selettivi per i cationi bivalenti come lo stronzio e il bario, ma escludono gli ioni monovalenti. La selettività dipende dalla zona interna del poro, chiamata filtro di selettività, che blocca le molecole in base alle loro dimensioni. I canali voltaggio dipendenti, come i canali del potassio, hanno un poro che presenta una parte abbastanza larga che porta a una camera circondata da catene di amminoacidi idrofobici, seguita da un filtro di selettività. Il potassio ha una conduttanza elevata grazie al suo piccolo raggio molecolare, che gli permette di passare attraverso il filtro di selettività.che la lunghezza del poro è abbastanza ampia, questo garantisce che possano passare vari ioni nel canale stesso. Quando si passa da una soluzione polare a una apolare, questo passaggio energetico sfavorito è reso vantaggioso dal canale dato che il canale aiuta il passaggio: la camera è piena d'acqua e quindi si ha ancora un ambiente acquoso. L'ione può interagire con i residui negativi COOH mentre passa nel canale. Il filtro di selettività è formato da 5 amminoacidi (per ogni subunità) che è molto conservato GYGVT. Ogni subunità contribuisce con questi 5 amminoacidi, quindi guardando dall'altro si hanno 5 ring formati da 4 amminoacidi uguali. Quindi si hanno 4 gruppi COOH che derivano dai backbone e un altro che deriva dalla tirosina. Questi COOH carichi negativamente interagiscono con le cariche positive del potassio. In questo modo il potassio passa in forma deidrata (senza molecole d'acqua), quindi

develiberarsi dalla shell di acqua.Il passaggio è garantito dal punto di connessione tra la camera (idrata) e il filtro diselettività in quanto ha stabilizzare il potassio sono i ring di 4 cariche negative delCOOH. L'energia coinvolta varia in base alla natura dello ione che passa. Più la deltaG è negativa più il canale è selettivo. La deltaG totale è data dalla deltaG di legame – ladeltaG di deidratazione.L'energia necessaria per disidratare il sodio è molto più alta rispetto al potassio quindi è sfavorito il passaggio. Anche se il sodio si disidrata questo è più piccolo del potassio quindi non può interagire con tutte e 4 le cariche negative e quindi non può passarestabilmente nel canale.

- Canale del sodio

Il canale del sodio voltaggio dipendente ha un filtro di selettività che è dato da un solo ring di amminoacidi, cariche negative del glutammato.

La dimensione del poro è di circa 4,6 A quadrati, quindi il sodio può passare legando 2 molecole d'acqua. Il filtro si trova sulla faccia citosolica che è la prima che attraversa l'ione. Possiamo vedere come l'acqua passi anche attraverso i canali ionici.

In questo caso, l'ione è idrato quando passa il poro. Il filtro di selettività del sodio è molto più grande di quello del potassio, tanto da poter contenere quello del potassio. Nei canali del sodio e nei canali del potassio si ha un solo ring che è dato dal gruppo DEKA, gruppo di amminoacidi che hanno cariche negative e si trovano nella faccia interna del poro e danno il filtro di selettività. Avendo un solo ring, il canale può far passare un solo ione per volta, mentre il potassio che ha 5 ring ne fa passare 4 per volta. Questo fa anche variare la conduttanza del canale.

Canali ligando dipendenti: I recettori nicotinici sono attivati da acetilcolina. Questi recettori

Sono ionotropici, che sono dei canali ionici.