Canali Voltaggio-dipendenti per il Ca2+

La struttura molecolare dei canali del Ca2+ è nel suo insieme del tutto simile a quella dei NaV, sebbene (piccole) differenze nelle sequenze cambino profondamente la selettività, il

gating e la sensibilità ai farmaci.

Le subunità alfa sono costantemente associate a subunità accessorie, in numero maggiore di quelle del Na+: α2, β, γ e δ.

I canali del Ca VD sono tutti bloccati (pur con sensibilità diverse) dal Cadmio (Cd2+) e dai “metalli pesanti” (Ni2+, Co2+ e La3+).

Subunità α1: 4 domini omologhi (I-IV), con 6 segmenti transmembrana ciascuno;

Subunità β: intracellulare, costituita da più a eliche;

Subunità α2δ: in giallo le regioni idrofobiche;

I siti di interazione tra le subunità sono indicati da frecce bipolari.

Organizzazione strutturale dei canali del Ca VD

Classificazione in base alle proprietà elettrofisiologiche:

a) Canali LVA (low-voltage-activated (-70mV); avendo una spiccata inattivazione voltaggio-dipendente, sono stati chiamati canali T (“transient”). Sono sensibili all’amiloride.

b) Canali HVA (high-voltage-activated (-30m/-20V); hanno un’inattivazione molto più lenta.

Poi s’è visto che si tratta di una famiglia comprendente molti membri, che sono stati indicati da lettere (P, Q, R ecc.)

-40 mV

100 pA

30 ms

Correnti di Ca LVA

0 mV

400 pA

30 ms

Correnti di Ca HVA

α1C (L) α1E (R) α1G (T)

50 ms

I diversi sottotipi di canali del Ca inattivano in maniera differente

Possibile modello di inattivazione VD dei canali del Ca

Il linker intracellulare tra i domini I e II potrebbe agire da particella inattivante che fisicamente occluderebbe il poro del canale interagendo, almeno in parte, con le regioni S6 dei domini II e III del canale. La subunità β del canale del Ca si associa con il linker tra i domini I-II modificando le proprietà dell’inattivazione; essa potrebbe interagire sia con la subunità α1 che con la membrana.

Possibile modello di inattivazione Ca-dipendente dei canali del Ca

Un’elevata concentrazione di Ca intracellulare innesca l’inattivazione dei canali di tipo L. Il sensore per il Ca sarebbe una molecola di calmodulina (CaM). CaM è costitutivamente legata al complesso del canale. L’inattivazione avverrebbe tramite un’interazione Ca-dipendente della CaM legata con un motivo IQ-simile sulla coda carbossilica di α1C. È possibile che un meccanismo analogo intervenga anche a livello dei canali N, P/Q ed R (Peterson, Neuron, 1999).

CHIUSO APERTO INATTIVATO

VoltaggioCa2+

• Nello stato chiuso (iperpolarizzato) l’accesso della CaM alla regione IQ-simile è ridotto.

• Nello stato aperto (depolarizzato) la CaM legata ha un rapido accesso al dominio IQ-simile.

• L’accumulo di Ca2+ sulla bocca interna del canale porta all’attivazione Ca-dip. della CaM.

• L’interazione di CaM-Ca2+ con la regione IQ-simile induce l’inattivazione del canale.

Canali voltaggio-dipendenti per il Ca2+ di tipo L

I canali “L” o recettori per le di-idro-piridine (DHP, come la Nifedipina o la nimodipina) hanno un’enorme importanza in Fisiologia. Sono tipici del muscolo scheletrico, ma sono presenti anche nel cuore (*) e nel sistema nervoso.Hanno un’inattivazione più o meno lenta, che è anche Ca-dipendente.

(*) il bloccante Verapamil viene impiegato nella cura della tachicardia parossitica

Canali VD per il Ca2+ di tipo L nel muscolo scheletrico

Nel muscolo scheletrico, i canali L sono addensati nei tubuli trasversi del reticolo sarcoplasmatico, dove funzionano da “sensori del voltaggio”. Sono accoppiati (con l’ansa di connessione II-III) ad altri canali del Ca2+ (Ca-dipendenti) presenti nei tubuli longitudinali del ret.sarc., detti “recettori della Ryanodina”. Si attiva così un il rilascio di Ca che attiva con grande rapidità (per feedback positivo) l’apparato contrattile.

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Modello per il rilascio voltaggio-dipendente del Ca2+

Vm

Ca2+

+

++

++

--

--

Depolarizzata Ca2+

+

++

++

--

--

Sensoredel volt.

Canaledi rilascio

TT RS

A riposo Ca2+

Canalopatie dove sono coinvolti canali del Ca2+ VD

Si è osservato che la paralisi periodica ipokaliemica, che si manifesta con debolezza muscolare che compare all’adolescenza, è associata a mutazioni del gene del canale L (cromosoma 1). I segmenti S4 dei domini II o IV hanno meno Arg (quindi i canali hanno minor sensibilità al voltaggio) e l’inattivazione è più rapida.E’ comprensibile che queste caratteristiche riducano il rilascio intracellulare di Ca2+.

Si pensa che mutazioni del gene del RYR (cromosoma 19) siano la causa della ipertermia maligna: un’anomala risposta all’anestesia generale con alotano e succinilcolina (convulsioni muscolari dovute ad un aumentato rilascio di Ca2+ intracellulare, aumento della temperatura corporea, squilibrio idrosalino) che risulta fatale in 1 caso su 20.000.La situazione è recentemente migliorata grazie alla diagnosi precoce ed all’uso del dantrolene, che inibisce il rilascio di Ca2+ da parte del ret.sarc.

Può essere interessante ricordare che la mutazione è presente in tutti i maiali domestici (mentre manca nei porci selvatici) che presentano sensibilità all’alotano. E’ probabile che la mutazione sia stata selezionata (inconsapevolmente) dagli allevatori perché si accompagna ad aumento della massa muscolare.

Canali VD per il Ca2+ di tipo L nel muscolo cardiaco

SR

+

TT

Ca2+

SRTT

Accoppiamento EC Cardiaco(Ca2+-induced-Ca2+-release)

Canale del Ca2+ Canale di rilascio

+ +Vm

Solitamente l’ingresso di Ca2+ attraverso canali VD accompagna (e prolunga) i pda al Na+. E’ il caso delle fibrocellule muscolari scheletriche, ma soprattutto delle fibrocellule muscolari cardiache.

Qui l’ingresso di Ca2+ non solo potenzia l’effetto del Na+ nella fase iniziale del pda (depolarizzazione ed overshoot), ma perdura anche quando i canali del Na+ si sono inattivati (l’inattivazione dei canali del Ca2+ c’è, ma è incompleta), dando luogo ad un lungo “plateau”.

Domanda: ma se durante il plateau entrano cariche positive sotto forma di ioni Ca2+, perché il pdm si mantiene costante <attorno allo zero> ?

Risposta: perché durante il “plateau” la corrente entrante di Ca2+ è esattamente controbilanciata da una corrente uscente di K+ <attraverso canali al K+ che incontreremo tra breve>

Ruolo dei canali voltaggio-dipendenti per il Ca nel PdA cardiaco (tessuto di lavoro)

Questo lunghissimo “plateau” del pda cardiaco è funzionalmente importante per due buone ragioni:a) il Ca2+ che entra attraverso i canali (L) della membrana plasmatica attiverà il “Ca-activated Ca-release” del reticolo sarcoplasmatico, quindi la contrazione del cuore;

b) mantenendo depolarizzata la membrana, la rende ineccitabile per tutta la sua durata (perché mantiene inattivati i canali del Na+).

In altre parole: durante il plateau, il cuore si trova in uno stato di refrattarietà assoluta, quindi per tutta la durata della contrazione (della sistole) non può essere nuovamente eccitato.

La situazione è molto diversa da quella che si ha nel muscolo scheletrico, nel quale la refrattarietà assoluta termina ancor prima che inizi la contrazione.

Il muscolo scheletrico infatti (per fortuna !) è tetanizzabile, cioè le singole “scosse” possono sommarsi tra loro fino alla completa fusione, producendo un aumento della forza contrattile.

Di fatto, la maggior parte delle nostre contrazioni sono dei “tetani”.

Il cuore invece (per fortuna !) non è “tetanizzabile”:qualunque stimolo “ectopico” è inefficace per tutta la durata della sistole (I), e può produrre una seconda contrazione (“extrasistole”) solo mentre il cuore si sta rilasciando..

Ma qui stiamo uscendo dal seminato !

Non mancano esempi di pda sostenuti solo dall’ingresso autorigenerativo di Ca2+, come il gigantesco pda delle cellule del Purkinje del cervelletto, evocato dalla stimolazione delle fibre rampicanti (attivazione di canali P).Un altro esempio funzionalmente molto rilevante è quello del miocardio di conduzione (tessuto “pacemaker” del cuore).

Questi pda al Ca2+ si generano spontaneamente (o meglio, per effetto dell’automatismo tipico del pacemaker), e poi si propagano a tutte le fibrocellule del miocardio di lavoro (che di per sé resterebbero in riposo). Queste, eccitate, genereranno i pda provvisti di “plateau” che abbiamo visto prima.

Curiosamente, nel miocardio di conduzione il contributo del Na+ non manca perché i canali del Na+ siano assent:. questi ci sono, ma non entrano in gioco perché sono sempre inattivati (nel tessuto pacemaker, il potenziale di membrana non diviene mai sufficientemente negativo da rimuoverne l’inattivazione).

Potenziali d’azione al Ca2+ nelle cellule pacemaker cardiache

Interazione tra canali “T” e canali “f”

L’esempio del pda (al Ca2+) del pacemaker cardiaco ci offre l’opportunità di parlare di un altro tipo di canali voltaggio-dipendenti: i canali “f” (“funny”), espressi anche in molti neuroni autoritmici del SNC (dove vengono chiamati canali “h”)

I canali del Ca2+ di tipo L (e T) sostengono il pda, ma per essere attivati necessitano di una depolarizzazione della membrana. Questa, nelle cellule autoritmiche, avviene “spontaneamente” e si chiama prepotenziale.

Nel tessuto pacemaker, il prepotenziale (e con esso l’automatismo cardiaco) è generato dall’apertura dei canali-f .

Modulazione dei Canali “f”

Di grande importanza è la “modulazione” (variazione della sensibilità al voltaggio) dei canali f operata dall’orto- e dal para-simpatico tramite i rispettivi neurotrasmettitori<noradrenalina(+adrenalina) ed acetilcolina>.

Modulando i canali f, l’orto- ed il para-simpatico regolano la frequenza cardiaca (!!), come se fossero l’uno l’acceleratore e l’altro il freno di un’automobile.

Questi neurotrasmettitori agiscono su recettori accoppiati a proteine-G e fanno rispettivamente aumentare e diminuire il livello intracellulatre di AMPc. I canali f sono voltaggio-dipendenti, ma anche chemio-dipendenti (dal versante intracellulare), una condizione tutt’altro che infrequente.

Correnti T neuronali e spikes al Ca2+

Vhold-90 mV

Attività oscillatoria

-65 mV

-65 mV ------

PdA al Na+

Spike al Ca 2+

attivazione I h

att

iva

zio

ne

IT

deattivazione Ih

inattivazione IT

rimozioneinattivazione IT

Potenziale pacemaker

Attività ritmica spontanea in un neurone talamico

Bursts di PdA dovuti all’interazione della corrente di Ca2+ IT con la corrente pacemaker entrante Ih

1 s

Gli stadi del sonno sono caratterizzati da cambiamenti nelle registrazioni EEG

Veglia – occhi aperti

Veglia – occhi chiusi

Sonno non REM – stadio I

Sonno non REM – stadi II e III

Sonno non REM – stadio IV

Sonno REM

Sonno non-REM, Stadio IV(SWS; Slow-Wave-Sleep ‘sonno profondo’): onde ampie a bassa frequenza (~1 Hz, ‘onde delta’) sono attivi pochi neuroni ma altamente sincronizzati

I neuroni talamocorticali nei nuclei di relay del talamo hanno

due modalità di scarica

(vedi registrazioni)

+

+

+ +

-G

AB

A

GL

UT

GL

UT

CORTECCIA

NUCLEI di RELAY

TALAMO

NRT e

NPG

Il neurone GABAergico determina sul neurone del nucleo di relay un IPSP che genera iperpolarizzazione e fa aprire i canali “h” innescando l’attività autoritmica in tali neuroni

La genesi di un burst di pda in un singolo neurone del NRT può generare un IPSP nelle cellule talamocorticali del nucleo reticolare (NRT) che è sufficientemente ampio da generare uno spike al Ca2+ e un burst di pda.

Una depolarizzztione del neurone del NRT non solo porta questa cellula a scaricare con modalità tonica, ma modifica drammaticamente anche ampiezza e andamento temporale dell’IPSP risultante nel neurone talamocorticale del nucleo di relay. Treni di pda nel NRT generano solo IPSP di piccola ampiezza nelle cellule talamocorticali.

Registr. extracell. dal nucleo di relay.

Registr. intracelldal nucleo di relay.

Registraz. extracell. da neurone del NRT

Registraz. extracell. da neurone corticale.

Attività elettrica registrata da neuroni coinvolti nel sonno SWS e durante la veglia

La depolarizzazione di neuroni talamocorticali in seguito ad una iniezione intracellulare di corrente provoca l’abolizione della scarica ritmica a burst e la sua sostituzione con un’attività tonica, come nella transizione dal sonno ad onda lenta alla veglia (o al sonno REM). L’abolizione della scarica ritmica a burst è causata dall’inattivazione della corrente di Ca2+ T e dalla mancata attivazione della corrente H.

Tali risultati indicano che perfino singoli neuroni talamocorticali esibiscono i due diversi stati dell’EEG: una scarica ritmica a burst durante il sonno ad onde lente, e un’attività tonica durante la veglia. È interessante osservare che i neuroni talamocorticali scaricano a 0.5-4 Hz, un range di frequenze comparabile a quello delle onde lente delta.

L’applicazione di ACh o NE causa una depolarizzazione dei neuroni talamocorticali attraverso la riduzione di una corrente di K+ di "leakage" attiva a riposo.

Cellule pacemaker talamiche

• le cellule pacemaker del nucleo reticolare del talamo che scaricano ritmicamente a bursts inducono i neuroni corticali a scaricare in maniera sincrona nel pattern dell’SWS (Slow-Wave-Sleep) dell’EEG

• durante la veglia: i neuroni colinergici (ACh), noradrenergici (NE) e serotoninergici (5-HT) sono attivi e inibiscono le cellule pacemaker talamiche

• durante il sonno SWS, l’attività delle cellule ACh, NE e 5-HT diminuisce: le cellule pacemaker talamiche sono attive

La struttura dei canali HCN

Una subunità presenta: 6-DTM come i canali Kv S4 riconosciuto come sensore del voltaggio per l'elevata presenza di residui carichi positivamente motivo GYG nel linker S5-S6, tipico del filtro di selettività dei canali Kv nel C-terminale è presente un dominio CNB come nei canali CNG si pensa che i canali siano formati da TETRAMERI come i canali Kv

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Appartengono alla classe dei canali HCN: “canali cationici attivati dall’iperpolarizzazione”. Vengono attivati alla fine di ogni pda, quando la membrana si iperpolarizza.

La loro apertura genera una corrente entrante che, depolarizzando la membrana, produce il prepotenziale, quindi il pda successivo.

Nel muscolo liscio, il ret.sarc. è praticamente assente. Qui l’attivazione dell’apparato contrattile (non organizzato in sarcomeri) è totalmente dipendente dal Ca2+ che entra attraverso i canali L della membrana plasmatica.

Il fenomeno dell’accoppiamento eccitazione contrazione nei tessuti muscolari illustra bene la doppia importanza dei canali del Ca2+:

• fanno entrare nella cellula ioni con carica positiva (similmente ai NaV)

• fanno anche comparire nella cellula un vero e proprio secondo messaggero (gli ioni Ca2+) che ha uno straordinario potere regolatore di molti processi intracellulari

Canali VD per il Ca2+ di tipo L nel muscolo liscio

Qui operano canali “N” (per neuronal, bloccati dall’ ω-Conotossina), che sono esclusivi del SNC, maanche canali “P/Q” (bloccati dall’ ω-Agatossina) ed R, per i quali non è noto alcun bloccante specifico.

Un altro esempio di enorme importanza funzionale è l’ “esocitosi regolata” di vescicole (v. rilascio di insulina) in tutte le cellule secernenti.

Un caso particolarissimo di “esocitosi regolata” è la liberazione di vescicole contenenti neurotrasmettitore nella trasmissione sinaptica.

Canali voltaggio-dipendenti per il Ca2+ di tipo N e P/Q nell’esocitosi

La combinazione del neurotrasmettitore con i propri recettori presenti nella membrana postsinaptica consentirà la trasmissione sinaptica (una depolarizzazione [EPSP] nelle sinapsi eccitatorie o un’ iperpolarizzazione [IPSP] nelle sinapsi inibitorie…)

Ma questa è una storia che riguarda i canali chemio-dipendenti …

La trasmissione sinaptica

Questi canali sono addensati nelle terminazioni presinaptiche, dove sono essenziali per il rilascio di neurotrasmettitore.

In particolare sono presenti al centro delle zone attive alle quali sono ancorate le vescicole sinaptiche pronte al rilascio (“pool” di rilascio).

Le zone attive sono formazioni del citoscheletro altamente ordinate, visibili dal versante citoplasmatico della membrana presinaptica). In corrispondenza delle zone attive, i lipidi della membrana sono organizzati a formare dei “rafts” (zattere).

L’arrivo del pda e la conseguente depolarizzazione della membrana presinaptica apre i canali del Ca2+ ….

…. ed il Ca2+ fa scattare un complesso sistema di controllo. La fusione delle vescicole promossa dal Ca2+ è preceduta da fasi preliminari:

Eventi pre-simnaptici

A) “Docking” (attracco) …

La T. botulinica è il veleno più potente che si conoscaAnche la T.tetanica agisce sul sistema di controllo della liberazione di vescicole sinaptiche

B) “Priming” (preparazione) …

La latratossina, il principio attivo del veleno della Vedova Nera, provoca la liberazione spontanea ed incontrollata delle vescicole

C) all’arrivo del pda si ha la fusione Ca-dipendente, (preceduta dalla formazione di un poro attraverso il quale passerà il neurotrasmettitore), che consente l’esocitosi delle vescicole ancorate alle zone attive (“pool di rilascio”).

Ruolo dei canali del Ca2+ al di fuori delle zone attive della membrana pre-sinaptica

Canali VD per il Ca2+ (solitamente del tipo L) sono anche presenti nella membrana presinaptica al di fuori delle zone attive (A).La loro attivazione (B) serve a distaccare le vescicole del “pool di deposito” dai filamenti di actina del citoscheletro, quindi a rifornire il “pool di rilascio”.

Lo schema C illustra il processo in maggior dettaglio.

Anche in questo caso si mette bene in evidenza il ruolo del Ca2+ come secondo messaggero intracellulare !

Il fondamentale ruolo del Ca2+ come “messaggero” intracellulare non deve far dimenticare che si tratta di un catione, e che il suo ingresso in cellula per apertura di canali voltaggio-dipendenti avrà degli effetti elettrici sul potenziale di membrana.In prima approssimazione, è prevedibile che questo ingresso determinerà una depolarizzazione.

L’ingresso di Ca2+ depolarizza la cellula

Ma c’è di più: infatti l’ingresso di cariche positive attraverso canali VD attivati dalla depolarizzazione, in modo del tutto analogo a quanto avviene nel caso del Na+ (A, ma a differenza di quanto avviene per i canali del K+, B), può facilmente diventare autorigenerativo e dar luogo a veri e propri potenziali d’azione al Ca2+.

gCa aiuta a raggiungere la soglia

gCa= 010 nA

1.5 s

10 nAgCa= 2 µS

La presenza di canali del calcio aumenta l’eccitabilità neuronale

ripolarizzazione aumentata firing

ritardato

diminuzione della risposta alla ripolarizzazione

velocità di firing rallentata

firing a scoppio (burst)

mancanza di burst

depolarizzazione

(inattiva IT)

+ KCa1

+ KM+ KCa2

Ogni ione può essere trasportato da numerosi tipi di canali ionici, ognuno con proprietà di attivazione distinte. Questo conferisce una grande flessibilità alla codificazione dei pda da parte dei neuroni ed è un elemento chiave per conferire al cervello una notevole capacità computazionale.

È possibile regolare la frequenza, la durata, la regolarità, il ritardo delle scariche di pda, generando le basi per costruire il codice neuronale.

Rallentamento della scarica; aumento dell’AHP

La KM determina adattamento

La KCa determina adattamento e AHP di lunga durata

FINE

Zone attive della placca neuro-muscolare

Le zone attive della placca neuromuscolare (anch’esse visibili in freeze fracture dalla faccia citoplasmatica della membrana presinaptica) sono organizzate in modo diverso..

Sono delle “strisce” altamente organizzate, ognuna delle quali assomiglia ad una serie di “costole” articolate su di una “colonna vertebrale”, ma l’intervento dei canali del Ca2+ (visibili assieme ai pori di fusione dalla faccia della m. presinaptica che dà verso la fessura sinaptica) nel rilascio di acetilcolina (*) è concettualmente identico.

(*) nelle sinapsi centrali il neurotrasmettitore eccitatorio è quasi sempre l’ acido glutamico

Movimenti (compreso il battito cardiaco), sensazioni, pensieri, emozioni (tutte le funzioni del sistema nervoso dipendenti dalla trasmissione sinaptica) …. avvengono grazie alla presenza di un complesso sistema di canali ionici che abbiamo appena cominciato ad esaminare.

Naturalmente, si tratta di una condizione necessaria (queste funzioni sono impedite o compromesse se i canali ionici vengono messi fuori uso) …

… ma non sufficiente, cioè i canali ionici, per essere utili, devono operare in un contesto altamente ordinato di membrane, trasporti attivi, organuli intracellulari, collegamenti intracellulari, ecc…

Neurone del n. di relay

Neurone del NRT

Neurone del n. di relay

Neurone del NRT

Potenziali d’azione

La genesi di un burst di pda in un singolo neurone del NRT può generare un IPSP nelle cellule talamocorticali del nucleo reticolare (NRT) che è sufficientemente ampio da generare uno spike al Ca2+ e un burst di pda.Una depolarizzztione del neurone del NRT non solo porta questa cellula a scaricare con modalità tonica, ma modifica drammaticamente anche ampiezza e andamento temporale dell’IPSP risultante nel neurone talamocorticale del nucleo di relay. Treni di pda nel NRT generano solo IPSP di piccola ampiezza nelle cellule talamocorticali.