Canali ionici
In contrasto con le proteine carrier, le proteine del canale formano semplicemente pori aperti nella membrana, consentendo a piccole molecole della dimensione e della carica appropriate di passare liberamente attraverso il doppio strato lipidico. Un gruppo di proteine del canale, discusso in precedenza, sono le porine, che consentono il libero passaggio di ioni e piccole molecole polari attraverso le membrane esterne dei batteri (vedi Figura 12.8)., Le proteine del canale inoltre permettono il passaggio delle molecole fra le cellule collegate alle giunzioni di lacuna, che sono discusse più successivamente nel capitolo. Le membrane plasmatiche di molte cellule contengono anche proteine del canale dell’acqua (acquaporine), attraverso le quali le molecole d’acqua sono in grado di attraversare la membrana molto più rapidamente di quanto possano diffondersi attraverso il doppio strato fosfolipidico. Le proteine del canale meglio caratterizzate, tuttavia, sono i canali ionici, che mediano il passaggio degli ioni attraverso le membrane plasmatiche., Sebbene i canali ionici siano presenti nelle membrane di tutte le cellule, sono stati studiati particolarmente bene nei nervi e nei muscoli, dove la loro apertura e chiusura regolate è responsabile della trasmissione di segnali elettrici.
Tre proprietà dei canali ionici sono fondamentali per la loro funzione (Figura 12.18). Innanzitutto, il trasporto attraverso i canali è estremamente rapido. Più di un milione di ioni al secondo fluiscono attraverso canali aperti-una portata circa mille volte maggiore della velocità di trasporto da parte delle proteine portatrici., In secondo luogo, i canali ionici sono altamente selettivi perché i pori stretti nel canale limitano il passaggio agli ioni della dimensione e della carica appropriate. Pertanto, specifiche proteine del canale consentono il passaggio di Na+, K+, Ca2 + e Cl-attraverso la membrana. In terzo luogo, la maggior parte dei canali ionici non sono permanentemente aperti. Invece, l’apertura dei canali ionici è regolata da “cancelli” che si aprono transitoriamente in risposta a stimoli specifici., Alcuni canali (chiamati canali ligando-gated) si aprono in risposta al legame dei neurotrasmettitori o di altre molecole di segnalazione; altri (canali voltaggio-gated) si aprono in risposta ai cambiamenti nel potenziale elettrico attraverso la membrana plasmatica.
Figura 12.18
Modello di un canale ionico. Nella conformazione chiusa, il flusso di ioni è bloccato da un cancello. L’apertura del cancello consente agli ioni di fluire rapidamente attraverso il canale. Il canale contiene un poro stretto che limita il passaggio agli ioni della dimensione appropriata (altro…,)
Il ruolo fondamentale dei canali ionici nella trasmissione degli impulsi elettrici fu chiarito attraverso una serie di eleganti esperimenti riportati da Alan Hodgkin e Andrew Huxley nel 1952. Questi ricercatori hanno usato le cellule nervose giganti del calamaro come modello. Gli assoni di questi neuroni giganti hanno un diametro di circa 1 mm, rendendo possibile inserire elettrodi e misurare i cambiamenti nel potenziale di membrana che avvengono durante la trasmissione degli impulsi nervosi., Usando questo approccio, Hodgkin e Huxley hanno dimostrato che questi cambiamenti nel potenziale di membrana derivano dall’apertura e chiusura regolate dei canali Na+ e K+ nella membrana plasmatica. Successivamente è stato possibile studiare l’attività dei singoli canali ionici, utilizzando la tecnica del patch clamp sviluppata da Erwin Neher e Bert Sakmann nel 1976 (Figura 12.19)., In questo metodo, una micropipetta con un diametro della punta di circa 1 µm viene utilizzata per isolare una piccola patch di membrana, consentendo di analizzare il flusso di ioni attraverso un singolo canale e aumentando notevolmente la precisione con cui è possibile studiare le attività dei canali ionici.
Figura 12.19
La tecnica del morsetto patch. Una piccola patch di membrana è isolata nella punta di una micropipetta. Gli stimoli possono quindi essere applicati dall’interno della pipetta, consentendo di misurare il comportamento del canale intrappolato. (Adattato da E. Neher e B. Sakmann, 1992. (piu.,..)
Il flusso di ioni attraverso i canali della membrana dipende dalla creazione di gradienti ionici attraverso la membrana plasmatica. Tutte le cellule, compresi nervi e muscoli, contengono pompe ioniche (discusse nella sezione successiva) che utilizzano energia derivata dall’idrolisi dell’ATP per trasportare attivamente ioni attraverso la membrana plasmatica. Di conseguenza, la composizione ionica del citoplasma è sostanzialmente diversa da quella dei fluidi extracellulari (Tabella 12.1). Ad esempio, Na+ viene pompato attivamente dalle cellule mentre K+ viene pompato., Nell’assone del calamaro, quindi, la concentrazione di Na+ è circa 10 volte superiore nei fluidi extracellulari rispetto all’interno della cellula, mentre la concentrazione di K+ è circa 20 volte superiore nel citosol rispetto al mezzo circostante.
Tabella 12.1
Concentrazioni di ioni extracellulari e intracellulari.
Poiché gli ioni sono caricati elettricamente, il loro trasporto provoca la creazione di un gradiente elettrico attraverso la membrana plasmatica., Con gli assoni calamari a riposo c’è un potenziale elettrico di circa 60 mV attraverso la membrana plasmatica, con l’interno della cellula negativo rispetto all’esterno (Figura 12.20). Questo potenziale elettrico deriva sia dalle pompe ioniche che dal flusso di ioni attraverso canali aperti nella membrana plasmatica della cellula a riposo. La membrana plasmatica degli assoni calamari a riposo contiene canali K + aperti, quindi è più permeabile a K+ che a Na+ o ad altri ioni. Di conseguenza, il flusso di K + fornisce il maggior contributo al potenziale di membrana a riposo.,
Figura 12.20
Gradienti ionici e potenziale di membrana a riposo dell’assone del calamaro gigante. Vengono mostrate solo le concentrazioni di Na + e K+, perché questi sono gli ioni che funzionano nella trasmissione degli impulsi nervosi. Na + viene pompato fuori dalla cella mentre K+ viene pompato in, (più…)
Come discusso nel Capitolo 10, il flusso di ioni attraverso una membrana è guidato sia dalle componenti di concentrazione che di tensione di un gradiente elettrochimico., Ad esempio, la concentrazione 20 volte superiore di K+ all’interno dell’assone squid rispetto al fluido extracellulare spinge il flusso di K+ fuori dalla cellula. Tuttavia, poiché K + è caricato positivamente, questo efflusso di K + dalla cella genera un potenziale elettrico attraverso la membrana, con l’interno della cella che si carica negativamente. Questo potenziale di membrana si oppone al flusso continuo di K + fuori dalla cellula e il sistema si avvicina allo stato di equilibrio, in cui il potenziale di membrana equilibra il gradiente di concentrazione K+.,
Quantitativamente, il rapporto tra la concentrazione di ioni e il potenziale di membrana è data dall’equazione di Nernst:
dove V è il potenziale di equilibrio, in volt, R è la costante dei gas, T la temperatura assoluta, z è la carica dello ione, F è la costante di Faraday, e Co e Ci sono le concentrazioni degli ioni all’esterno e all’interno della cella, rispettivamente. Un potenziale di equilibrio esiste separatamente per ogni ion e il potenziale di membrana è determinato dal flusso di tutti gli ioni che attraversano la membrana plasmatica., Tuttavia, poiché gli assoni di calamari a riposo sono più permeabili a K + che a Na + o ad altri ioni (incluso Cl-), il potenziale di membrana a riposo (-60 mV) è vicino al potenziale di equilibrio determinato dalle concentrazioni intracellulari ed extracellulari di K+ (-75 Mv).
Mentre gli impulsi nervosi (potenziali d’azione) viaggiano lungo gli assoni, la membrana depolarizza (Figura 12.21). Il potenziale di membrana cambia da -60 mV a circa + 30 Mv in meno di un millisecondo, dopo di che diventa di nuovo negativo e ritorna al suo valore di riposo., Questi cambiamenti derivano dalla rapida apertura e chiusura sequenziale dei canali Na+ e K+ voltaggio-gated. Cambiamenti iniziali relativamente piccoli nel potenziale di membrana (da -60 a circa -40 mV) portano alla rapida apertura dei canali Na+. Ciò consente a Na + di fluire nella cellula, guidato sia dal suo gradiente di concentrazione che dal potenziale di membrana. L’ingresso improvviso di Na + porta ad un grande cambiamento nel potenziale di membrana, che aumenta a quasi +30 mV, avvicinandosi al potenziale di equilibrio Na+ di circa +50 mv., In questo momento, i canali Na + sono inattivati e i canali K + voltaggio-gated aperti, aumentando sostanzialmente la permeabilità della membrana a K+. K + quindi scorre rapidamente fuori dalla cellula, guidato sia dal potenziale di membrana che dal gradiente di concentrazione K+, portando ad una rapida diminuzione del potenziale di membrana a circa -75 mV (il potenziale di equilibrio K+). I canali K + voltaggio-dipendenti vengono quindi inattivati e il potenziale di membrana ritorna al suo livello di riposo di -60 mV, determinato dal flusso di K + e altri ioni attraverso i canali che rimangono aperti nelle cellule non stimolate.,
Figura 12.21
Potenziale di membrana e canali ionici durante un potenziale d’azione. (A) Cambiamenti nel potenziale di membrana in un punto su un assone gigante calamaro a seguito di uno stimolo. EN e EK sono i potenziali di equilibrio per Na + e K+, rispettivamente. (B) Il potenziale di membrana (più…)
La depolarizzazione delle regioni adiacenti della membrana plasmatica consente ai potenziali d’azione di viaggiare lungo la lunghezza degli assoni delle cellule nervose come segnali elettrici, con conseguente rapida trasmissione degli impulsi nervosi su lunghe distanze., Ad esempio, gli assoni dei motoneuroni umani possono essere lunghi più di un metro. L’arrivo di potenziali d’azione all’estremità della maggior parte dei neuroni segnala quindi il rilascio di neurotrasmettitori, come l’acetilcolina, che trasportano segnali tra le cellule in una sinapsi (Figura 12.22). I neurotrasmettitori rilasciati dalle cellule presinaptiche si legano ai recettori sulle membrane delle cellule postsinaptiche, dove agiscono per aprire i canali ionici ligando-gated. Uno dei migliori caratterizzati da questi canali è il recettore dell’acetilcolina delle cellule muscolari., Il legame dell’acetilcolina apre un canale permeabile sia a Na + che a K+. Questo permette il rapido afflusso di Na+, che depolarizza la membrana cellulare muscolare e innesca un potenziale d’azione. Il potenziale d’azione si traduce quindi nell’apertura di canali Ca2+ voltaggio-dipendenti, portando all’aumento di Ca2+ intracellulare che segnala la contrazione (vedi Figura 11.25).
Figura 12.22
Segnalazione mediante rilascio di neurotrasmettitori in una sinapsi., L’arrivo di un impulso nervoso all’estremità del neurone segnala la fusione di vescicole sinaptiche con la membrana plasmatica, con conseguente rilascio di neurotrasmettitore dalla cellula presinaptica in (altro…)
Il recettore dell’acetilcolina, inizialmente isolato dall’organo elettrico dei raggi Siluri negli anni ‘ 70, è il prototipo dei canali ligando-gated. Il recettore è costituito da cinque subunità disposte come un cilindro nella membrana (Figura 12.23). Nel suo stato chiuso, il poro del canale è pensato per essere bloccato dalle catene laterali degli amminoacidi idrofobi., Il legame dell’acetilcolina induce un cambiamento conformazionale nel recettore tale che queste catene laterali idrofobiche si spostano fuori dal canale, aprendo un poro che consente il passaggio di ioni caricati positivamente, tra cui Na+ e K+. Tuttavia, il canale rimane impermeabile agli ioni caricati negativamente, come Cl -, perché è rivestito da aminoacidi caricati negativamente.
Figura 12.23
Modello del recettore dell’acetilcolina. Il recettore è costituito da cinque subunità disposte attorno ad un poro centrale., Il legame dell’acetilcolina con un sito nella regione extracellulare del recettore induce cambiamenti allosterici che aprono il cancello del canale. Il canale (più…)
Un maggior grado di selettività ionica viene visualizzato dai canali Na+ e K+ voltaggio-gated. I canali Na + sono più di dieci volte più permeabili a Na + che a K+, mentre i canali K + sono più di mille volte più permeabili a K + che a Na+. La selettività del canale Na + può essere spiegata, almeno in parte, sulla base di un poro stretto che funge da filtro di dimensione. Il raggio ionico di Na+ (0.,95 Å) è più piccolo di quello di K + (1,33 Å), e si pensa che il poro del canale Na+ sia abbastanza stretto da interferire con il passaggio di K+ o ioni più grandi (Figura 12.24).
Figura 12.24
Selettività ionica dei canali Na+. Un poro stretto permette il passaggio di Na + legato ad una singola molecola d’acqua, ma interferisce con il passaggio di K+ o ioni più grandi.
I canali K + hanno anche pori stretti, che impediscono il passaggio di ioni più grandi., Tuttavia, poiché Na + ha un raggio ionico più piccolo, ciò non tiene conto della permeabilità selettiva di questi canali a K+. La selettività del canale K+ si basa su un meccanismo diverso, che è stato chiarito con la determinazione della struttura tridimensionale di un canale K+ mediante cristallografia a raggi X nel 1998 (Figura 12.25). Il poro del canale contiene un filtro di selettività stretto che è rivestito con atomi di ossigeno carbonilico (C=O) dalla spina dorsale del polipeptide., Quando uno ion K+ entra nel filtro di selettività, le interazioni con questi ossigeni carbonilici spostano le molecole d’acqua a cui K+ è legato, consentendo al K+ disidratato di passare attraverso il poro. Al contrario, un Na + disidratato è troppo piccolo per interagire con questi ossigeni carbonilici nel filtro di selettività, che è tenuto rigidamente aperto. Di conseguenza, Na + rimane legato alle molecole d’acqua in un complesso idratato che è troppo grande per passare attraverso il canale.
Figura 12.25
Selettività dei canali K+., Il canale K + contiene un filtro di selettività stretto rivestito con atomi di ossigeno carbonilico (C=O). Il poro è abbastanza largo da consentire il passaggio di K + disidratato da cui tutte le molecole d’acqua associate sono state spostate come (altro…)
I canali Na+, K+ e Ca2+ voltaggio-dipendenti appartengono tutti a una grande famiglia di proteine correlate (Figura 12.26). Ad esempio, la sequenza del genoma di C. elegans ha rivelato quasi 200 geni che codificano i canali ionici, che presumibilmente sono necessari per svolgere diversi ruoli nella segnalazione cellulare., I canali K + sono costituiti da quattro subunità identiche, ciascuna contenente due o sei eliche α transmembrana. I canali Na + e Ca2 + sono costituiti da una singola catena polipeptidica, ma ogni polipeptide contiene quattro domini ripetuti che corrispondono alle subunità del canale K+. Il gating di tensione è mediato da una delle eliche α transmembrana, che contiene più aminoacidi caricati positivamente. La depolarizzazione della membrana induce il movimento di queste cariche positive verso l’esterno della cellula, spostando la posizione di questo segmento transmembrana e aprendo il canale., La rapida inattivazione dei canali Na+ e K+ durante la propagazione dei potenziali d’azione viene quindi mediata da porzioni citoplasmatiche della catena polipeptidica, che si legano alla bocca citoplasmatica del poro del canale e impediscono un ulteriore flusso di ioni (Figura 12.27).
Figura 12.26
Strutture dei canali cationici voltaggio-gated. I canali K+, Na + e Ca2 + appartengono a una famiglia di proteine correlate. Il canale K+ è formato dall’associazione di quattro subunità identiche, una delle quali è mostrata. Il canale Na + è costituito da un singolo polipeptide (altro…,)
Figura 12.27
Inattivazione dei canali K+e Na+. Dopo l’apertura voltaggio-gated, i canali K + e Na + sono rapidamente inattivati dal legame delle porzioni citoplasmatiche delle catene polipeptidiche al poro. Per il canale K+, l’inattivazione è mediata da una palla e catena (altro…)
Un’ampia varietà di canali ionici (compresi i canali Ca2+ e Cl) rispondono a diversi neurotrasmettitori o si aprono e si chiudono con cinetiche diverse dopo la depolarizzazione della membrana., Le azioni concertate di questi canali multipli sono responsabili della complessità della segnalazione nel sistema nervoso. Inoltre, come discusso nel prossimo capitolo, i ruoli dei canali ionici non sono limitati alle cellule elettricamente eccitabili di nervi e muscoli; svolgono anche ruoli critici nella segnalazione in altri tipi di cellule. L’apertura e la chiusura regolate dei canali ionici fornisce così alle cellule un meccanismo sensibile e versatile per rispondere a una varietà di stimoli ambientali.