Fisiologia cellulare (omeostasi, trasduzione segnale, canali ionici, recettori)

STRUTTURA:

Sono costituiti da una subunità α che può essere associata a una o più subunità β. Vedi figura

pagina 70, Conti volume 1. La subunità α è sufficiente a generare da sola un poro funzionale

dotato di voltaggio-dipendenza e filtro di selettività, mentre le subunità β svolgono un ruolo

modulatorio della cinetica e della voltaggio-dipendenza del canale (stabiliscono anche

interazioni con le molecole di adesione cellulare, la matrice extracellulare e il citoscheletro).

o Nelle cellule muscolari scheletriche si trova una sola subunità β (β );

1

o Nei neuroni del sistema nervoso centrale e nelle cellule miocardiche questi canali

risultano formati dalla subunità α eventualmente associata a più subunità β (β -β ).

1 4

PROPRIETA’ FUNZIONALI:

Bassa soglia di attivazione: si aprono quando il potenziale di membrana raggiunge valori pari a

circa -55 mV. Il flusso entrante di sodio che ne consegue produce un’ulteriore depolarizzazione

della membrana che comporta una maggiore attivazione dei canali Na .

v

Rapida cinetica di inattivazione: perdurando lo stimolo che determina l’apertura del canale, il

canale diviene rapidamente refrattario e si estingue il flusso attraverso la membrana (corrente

transiente).

o Questa proprietà è di fondamentale importanza nel determinare, come già detto, la

breve durata del potenziale d’azione nelle cellule nervose/muscolari scheletriche e

rende possibile la successione di depolarizzazioni ad alta frequenza sia per la

trasmissione delle informazioni da parte delle cellule nervose sia per la genesi di una

contrazione muscolare sostenuta nel tempo (tetano muscolare).

o L’inattivazione di questo canale è responsabile della refrattarietà assoluta: incapacità

della cellula nervosa o muscolare, quando è depolarizzata, di generare un nuovo

potenziale d’azione in risposta a stimoli di qualunque intensità.

Canali del calcio

STRUTTURA:

Sono proteine oligomeriche formate da diverse subunità: α , β, γ, α δ.

1 2

La componente principale del canale è rappresentata dalla subunità α che forma il poro del

1

canale, gli conferisce le proprietà di voltaggio-dipendenza e lo rende sensibile a bloccanti di

natura organica e tossine di origine animale.

PROPRIETA’ FUNZIONALI:

1) Canali ad alta soglia (HVA):

 Si attivano a seguito di una marcata depolarizzazione, ovvero quando il potenziale della

membrana raggiunge valori intorno a -20mV.

 Sono riscontrabili nelle cellule nervose, muscolari ed endocrine.

 Vengono suddivisi in due famiglie (Ca 1 e Ca 2) che comprendono quattro classi

v v

farmacologiche: canali L, N, P/Q, e R.

Canali L (long lasting) Lenta cinetica di inattivazione (inattivazione che

Pagina 12 di 21

Fisiologia cellulare dipendente dal flusso dello stesso ione calcio);

A livello cardiaco e nel muscolo scheletrico sono

responsabili dell’accoppiamento tra depolarizzazione e

contrazione;

Nelle cellule β del pancreas e nelle cromaffini del

surrene la loro funzione risulta fondamentale per la

liberazione di ormoni dalle cellule endocrine.

2+

L’ingresso di Ca attraverso questi canali è in grado di

attivare una cascata di segnali intracellulari diretti al

nucleo capaci di regolare l’espressione di alcuni geni e

di controllare il differenziamento, la proliferazione e la

morte cellulare.

Canali P/Q (Purkinje) Nel sistema nervoso svolgono un ruolo determinante nei

meccanismi di liberazione dei neurotrasmettitori.

Canali N Controllano la liberazione dei noradrenalina dalle fibre

pregangliari del sistema nervoso simpatico (anche liberazione

di neurotrasmettitori nel SNC) sono inibiti dai recettori

kainato presenti a livello presinaptico: questi vanno ad

interagire con una proteina Gfosfolipasi

CDAGPKCinibiti questi canali N

Canali R (resistenza) Non sensibili all’applicazione dei bloccanti utilizzati per tutti gli

altri canali (farmaci, tossine..)

2) Canali a bassa soglia (LVA):

 I canali T (Ca 3, dove T sta per transiente) hanno una soglia di attivazione compresa tra

v

-65 e-50 mV;

 Si aprono a valori di potenziale assai vicini al potenziale di membrana a riposo e

generano un ingresso alquanto fugace di calcio.

 Questi canali svolgono una funzione molto importante nella genesi di quelle

modificazioni del potenziale di membrana che sono alla base della scarica ritmica

spontanea di taluni neuroni e altre cellule eccitabili.

o Un esempio particolarmente significativo è dato dal ruolo svolto da questi

canali nel cosiddetto prepotenziale delle cellule segnapassi del cuore: queste

cellule hanno la capacità di generare autonomamente una successione ritmica

di potenziali d’azione che, una volta propagatisi alla muscolatura cardiaca, ne

determinano la contrazione.

Canali del potassio

Costituiscono una famiglia molto numerosa; possono essere raggruppati in:

a) Canali attivati dal voltaggio;

b) Canali attivati dal calcio;

c) Canali che rettificano verso l’interno;

d) Canali background.

 Comunque sia, questi canali sono responsabili di un flusso di K+ verso l’esterno della cellula che

determina uno spostamento del potenziale della membrana verso valori più negativi.

a. Canali K v

 Attivati dalla depolarizzazione della membrana e, durante il potenziale d’azione,

svolgono un ruolo chiave nella ripolarizzazione.

 Regolano la durata del potenziale d’azione e la frequenza di scarica dei neuroni; e

influenzano il potenziale di membrana di cellule non eccitabili, come quelle del tubulo

contorto prossimale nel rene, e prendono parte ai complessi meccanismi di controllo

del ciclo e della proliferazione cellulare.

Pagina 13 di 21

Fisiologia cellulare

 Struttura: 4 subunità α che delimitano il poro (formata, ciascuna, da sei domini

transmembranari, 6TM). Possiamo trovare anche una subunità β1 o β2 che svolge

funzioni regolatorie.

 Vengono classificati in 12 famiglie talmente sono numerosi.

 La depolarizzazione della membrana attiva una molteplicità di correnti del K+ che

presentano cinetiche tempo-dipendenti molto diverse:

 Correnti di tipo A: manifestano rapide cinetiche di attivazione e inattivazione e

sono coinvolte nella regolazione della frequenza di scarica neuronale.

 Correnti DRK: sono le classiche correnti del potassio isolate da Hodkin e Huxley

nell’assone gigante del calamaro; sono caratterizzate da una bassa rapida

cinetica di attivazione e si inattivano molto lentamente.

 Correnti di tipo M: (inibite dalla Muscarina) lenta cinetica di attivazione e

assenza di un’apprezzabile inattivazione nel corso di depolarizzazioni di lunga

il

durata. Sono generate da canali denominati KCNQ ruolo ricoperto da tali canali

nella ripolarizzazione delle cellule miocardiche e nel riciclo del K+ a livello cocleare

rende ragione del fatto che mutazioni a carico di questi canali siano responsabili di

canalopatie che comportano alterazioni della funzione cardiaca e sordità.

 Correnti di tipo D: (da Delay, ritardo) prolungano il tempo necessario per il

raggiungimento della soglia per l’insorgenza del potenziale d’azione. Bassa soglia di

attivazione e si inattivano lentamente.

b. Canali K Ca

 Tipicamente attivati da incrementi della concentrazione intracellulare di calcio. Il flusso

entrante di calcio che si genera durante la fase di depolarizzazione del potenziale

d’azione a seguito dell’apertura dei canali Ca costituisce uno stimolo determinante per

v

l’attivazione di questa famiglia di canali per il potassio.

 Contribuiscono alla ripolarizzazione del potenziale d’azione e alla regolazione della

frequenza di scarica neuronale.

 Producono uno stato transitorio di accentuata polarizzazione della membrana, detto

iperpolarizzazione postuma, che viene a generalizzarsi prima che la membrana ritorni

ai valori di riposo.

c. Canali K ir (rettificanti verso l’interno)

 Presentano una maggiore conduttanza a potenziali di membrana molto negativi – ai

quali il K+ fluisce dall’esterno all’interno – che ai potenziali ai quali lo ione si muove in

senso contrario. Questa proprietà funzionale NON dipende dalla voltaggio-dipendenza

del canale quanto piuttosto dal fatto che i valori molto negativi del potenziale di

2+

membrana determinano la rimozione di cationi inorganici (Mg ) od organici

(poliamine) che occludono il poro del canale dal versante intracellulare. L’efficacia di

questo blocco, di entità variabile nei diversi gruppi di canali (da 1 a 7), determina

pertanto l’entità del fenomeno della rettificazione.

 I canali appartenenti alla famiglia 6 sono influenzati dai livelli intracellulari di ATP e

pertanto sono chiamati K . Si attivano in risposta a una diminuzione dei livelli

ATP

intracellulari di ATP e la dipendenza del loro stato funzionale dal metabolismo

energetico della cellula fa sì che essi svolgano un ruolo determinante nella risposta

all’ischemia.

o Il ridotto apporto energetico e la conseguente diminuzione dei livelli

intracellulari di ATP determinano infatti l’apertura di questi canali che,

generando iperpolarizzazione della membrana, mettono “a riposo” la cellula

prevenendone l’attivazione.

o Un incremento dei livelli intracellulari di ATP determina inibizione di questi

canali e depolarizzazione della membrana.

o Nelle cellule β del pancreas questo meccanismo si rende responsabile della

liberazione di insulina in risposta a un incremento della glicemia e dipende

Pagina 14 di 21

Fisiologia cellulare

dall’attivazione dei canali Ca conseguente alla depolarizzazione della

v

membrana indotta dall’inibizione dei K .

ATP

 Altra famiglia (3) che viene chiamata GIRK (G-protein-coupled inward rectifyng K+

channel). Un es. del loro ruolo funzionale è fornito dalla modulazione di tali correnti

operata dall’acetilcolina nelle cellule segnapassi del cuorel’inibizione di tali correnti

da parte dell’acetilcolina e la conseguente iperpolarizzazione della membrana

contribuiscono al meccanismo mediante il quale tale neurotrasmettitore, liberato dalle

fibre post-gangliare del sistema parasimpatico, determina una riduzione della

frequenza cardiaca.

d. Canali K 2P

 Così definiti a causa della loro struttura (sono dimeri: two pair domain); sono anche

definiti background in quanto sono canali voltaggio-indipendenti che risultano

“basalmente”attivi.

 Essendo aperti ai valori del potenziale di membrana a riposo, contribuiscono alla sua

stabilizzazione verso valori prossimi a