Biofisica della Biofisica della comunicazione cellulare e comunicazione cellulare e

trasporto ionico di trasporto ionico di membrana:membrana:

dai pesci elettrici dai pesci elettrici alla metodica di patch-alla metodica di patch-

clampclampF. Gambale Convegno AIFBrescia, 4 Dicembre 2008

Elettricità ed elettrofisiologia dal settecento ai giorni nostri …

… dall’organismo alla struttura molecolare dei trasportatori di

membrana …

… in diversi organismi, animali, piante e

perfino in batteri…

… proprietà conservate nelle proteine trasportatrici di

membrana: il punto di vista del Bio-Fisico

I pesci elettrici (Electrophorus elettrico o Torpedo marmorata), ed i meccanismi con cui con cui essi neutralizzano le prede, sono stati oggetto di studio e dibattito già tra gli antichi greci (Dialoghi di Platone e scritti di Plutarco), nel mondo arabo (Abd al-Latif XII Secolo) e successivamente a partire dal XVII secolo a seguito della scoperta dei pesci elettrici del nuovo mondo.

L’elettricità animale è nota all’uomo fin dall’anticità

Le proprietà elettriche della torpedine risiedono in un organo muscolare modificato formato da circa un migliaio di colonne perpendicolari, ciascuna delle quali contiene 150 partizioni (Hunter 1773), ognuna costituita da più cellule.

Per gli studi sulla torpedine e per l’identificazione della natura elettrica del torpore indotto dalla torpedine, John Walsh fu insignito della Copley medal da parte della Royal Society (1775).

Studi che culminarono nell’ipotesi sulla trasmissione dei segnali elettrici“De viribus electricitatis in motu muscolari commentarius”, Galvani 1791, in cui la giunzione neuro-muscolare è equiparata ad una “bottiglia di Leida animale”.

In parallelo agli studi di Cavendish, Hunter e Walsh sui pesci elettrici, esperimenti sull’elettricità animale venivano condotti da Luigi Galvani sulla torpedine e sulla giunzione neuro-muscolare di rana ...

Gli studi sull’elettricità animale furono determinanti per la scoperta dei potenziali elettrovoltaici da parte di Volta (20 Marzo 1800) e quindi furono alla base di una svolta epocale per la moderna società industriale.

Volta, dopo una fase iniziale di adesione per gli studi di Galvani, avversò l’ipotesi dell’esistenza di una elettricità animale in favore di segnali elettrici negli animali unicamente indotti dagli archi bimetallici …

Varie forme della Pila di VoltaIn alto una versione portatile che evoca l’anguilla elettrica

Volta elettro-fisico

… al tempo stesso Volta, oltre ad essere “elettricista”, fu anche valente elettrofisiologo; tuttavia questo suo contributo non fù molto riconosciuto.

Infatti egli stesso ebbe a lamentarsi del fatto che, a fronte dei riconoscimenti per l’invenzione della pila, poco conto veniva dato per gli altri suoistudi di natura elettrofisiologica.

Faceva riferimento agli esperimenti• sulle sensazioni di gusto indotti da metalli sulla lingua, • sulla stimolazione del nervo acustico• e del nervo olfattivo.

Volta elettrofisiologo

Oppure

l’intensità dello shock elettrico indotto da diverse bottiglie di Leyda su operatori per misurare la resistenza del suo elettrogeneratore.

Volta elettrofisiologoIn realtà Volta piegò la sperimentazione elettrofisiologica alla misura dei fenomeni elettrofisici

È questo il caso delle sensazioni gustative usate per misurare la polarità degli archi metallici e la stessa scala dei metalli (serie voltaica) molto prima di avere strumenti fisici adeguati alla misura,

… il dibattito sui fenomeni elettrici anche in altri sistemi biologici era avanzato nei primi anni

dell’800 come testimoniato dai libri che menzionavano “l’irritabilité vegétale” (di matrice

Halleriana) come un parametro cruciale di importanti funzioni cellulari vegetali …

… … in particolare dalle concentrazioni ioniche, in particolare dalle concentrazioni ioniche, essenziali per la sopravvivenza della cellula e per la essenziali per la sopravvivenza della cellula e per la comunicazione tra cellule.comunicazione tra cellule.

Oggi sappiamo che i meccanismi molecolari Oggi sappiamo che i meccanismi molecolari responsabili dell’elettricità cellulare risiedono responsabili dell’elettricità cellulare risiedono nella membrana plasmatica e dipendononella membrana plasmatica e dipendonodalle condizioni interne dalle condizioni interne ed esterne alla cellula …ed esterne alla cellula …

In particolare la trasmissione di segnali elettrici dipende dai trasportatori di membrana tra cui i canali ionici, proteine

specializzate che svolgono un ruolo essenziale per favorire il passaggio di ioni attraverso il doppio strato lipidico.

exchanger

Nel frattempo, il potenziale del nervo era stato registrato per la prima volta da Hermann von Helmotz nel 1850 che aveva anche misurato una velocità di conduzione del segnale lungo il nervo di 27 m/s.

Per arrivare alla formulazione di una moderna teoria di membrana si dovette attendere la metà del

secolo scorso… … in particolare la teoria di Bernstein (1902) che ipotizzava che il potenziale d’azione dei neuroni dipendesse da un rapido aumento della permeabilità della membrana

e sopratuttogli esperimenti condotti dal 1939 al 1952 da

Hodgkin ed Huxley (premi Nobel nel 1963) e la loro teoria sul ruolo dei canali del K+ e del Na+ nel

potenziale d’azione …

Il potenziale elettrico di una cellula è

determinato dalla separazione di carica

(di cui sono responsabili canali

e/o pompe ioniche) …

L’evidenza diretta dell’esistenza di proteine L’evidenza diretta dell’esistenza di proteine specializzate per il trasporto ionico fu ottenuta solo specializzate per il trasporto ionico fu ottenuta solo nel 1976 da Neher e Sackmann nel 1976 da Neher e Sackmann (Nobel nel 1991)(Nobel nel 1991) con con

la metodica di patch-clampla metodica di patch-clamp

Assone gigante prima del 1976 Muscolo di rana denervato, 1976

Questa metodica aprì la strada allo studio elettrofisiologico di cellule di qualsiasi dimensione (fino a pochi m), cambiando radicalmente la visione del trasporto elettrogenico in cellule e, per certi aspetti, della biologia cellulare.

Gli ultimi passi sono rispettivamente

del 1982-1985 con il clonaggio e l’espressione eterologa in ovociti di rana (Xenopus laevis) del canale

recettore dell’acetilcolina da Torpedo californica da parte di Shosaku Numa

e del 1998

con la cristallizzazione e la modellizzazione molecolare dei canali del potassio, KcSA, dal batterio Streptomyces lividans da parte di

Roderick MacKinnon (Premio Nobel 2003)

ancora i pesci elettrici

un altro premio Nobel

Oggi si sa che i canali partecipano alle più importanti funzioni fisiologiche che vanno …

dal controllo del battito cardiaco alla regolazione della produzione di insulina nelle cellule pancreatiche

Per esempio, difetti genetici nei canali causano malattie ereditarie che vanno dall’aritmia cardiaca agli scompensi dell’apparato muscolare, al diabete.

Esistono evidenze che alcuni canali ionici possano essere coinvolti nei meccanismi di proliferazione cellulare che portano alla formazione di tumori.

L’approccio integrato basato su metodiche di biologia L’approccio integrato basato su metodiche di biologia molecolare, cristallizzazione (e diffrazione di raggi X) ed molecolare, cristallizzazione (e diffrazione di raggi X) ed elettrofisiologia consente di avere informazioni utili per elettrofisiologia consente di avere informazioni utili per la correlazione tra struttura e funzione dei canali ionicila correlazione tra struttura e funzione dei canali ionici

Schrempf et al. (EMBO J. 1995)

Identificazione

Di un canale al potassio di Streptomyces lividans

Doyle et al. (Science 1998; R. MacKinnon)

Prima struttura cristallografica di un canale K+

daStreptomyces lividans, KcSA

Jiang et al. (Nature 2003; R. MacKinnon)

Prima struttura di un canale dipendente dal potenziale, KvAP

Correlazione struttura-funzione

H. Helmotz, Ludwig, DuBois, Fick

~1840

Trasporto di acqua e ioni mediato da ‘Kanale’

Hodgkin-Huxley 1952 Trasporto di sodio e potassio nell’assone

Giant squid axon (mm)

Neher-Sakmann 1976 Patch-clamp e rilevazione di canali in cellule isolate

Frog smucle

(≈10 m)

NumaSackmann

19821982

Clonaggio (MN) ed espressione del canale dell’acetilcolina in ovociti di Xenopus (BS)

1 mm

Hedrich et al. 1986 Canali in cellule vegetali Protoplasts (≈10 m)

Martinac et al.Martinac et al. 1987 Canali in sferoplasti batterici giganti

E. coli spheroplasts (≈5 m)

Carpaneto et al. 2003 Canali nei poriferi (sponge Axinella polypoides)

Metazoa(≈10 m)

Sugrue and Hay 1991 Proteina M2, canale ionico virale

Virus< 1 m

Per riassumere: passi + recenti nello studio dei canali Per riassumere: passi + recenti nello studio dei canali ioniciionici

Le difficoltà tecniche per le registrazione dei Le difficoltà tecniche per le registrazione dei segnali di canali e trasportatori ionici dipendono segnali di canali e trasportatori ionici dipendono dalle dimensioni e caratteristiche delle cellule dalle dimensioni e caratteristiche delle cellule

oggetto dell’indagineoggetto dell’indagine

Neurons

Protoplast

VacuoleSponge cells

… … anche nei microrganismi è stato possibile anche nei microrganismi è stato possibile rilevare i canali che talvolta vengono usati per rilevare i canali che talvolta vengono usati per

attaccare gli ospitiattaccare gli ospiti

Questo è il Questo è il caso di caso di batteri, lieviti batteri, lieviti e virus …e virus …

Elementi strutturali importanti dei canali ionici regolati dal potenziale

. Filtro di selettività• Poro di permeazione• Gating & sensore del

potenziale

Come gli antichi elettrofisici-elettrofisiologi studiavano gli animali e loro proprietà, il moderno biofisico (con l’elettrofisiologia, la cristallografia risolta a livello atomico, la fluorescenza, le varie spettroscopie e la biologia molecolare) formula ipotesi sulla correlazione tra struttura e funzioni delle proteine di trasporto.

… in questi studi è evidente il collegamento tra l’approccio fisico e biologico.

Thus investigation of ion channel proteins bridge fundamental physics with function of biologically critical proteins R. S. Kass (2005) The channelopathies. J. Clin. Invest. 115: 1986-1989.

Nelle prossime diapositive seguono alcuni esempi pratici di come un Bio-Fisico, elettrofisiologo, erede di Volta e Galvani, può affrontare lo studio del trasporto di membrana in modo unitario, perché opera a livello dei meccanismi molecolari elementari simili in diversi sistemi viventi.

Per esempio, al livello delle malattie genetiche o delle patologie

oppure dei

meccanismi che consentono di produrre vegetali con maggiore efficienza, o più sani o di interesse biotecnologico.

La metodica di patch-clamp applicabile a cellule di qualsiasi dimensione (fino a pochi m)

Membrane patch- clamped (bloccato) a potenziale costanteIR=V i.e. I=g·V

Patch-clamp

Le proprietà elettriche della membrana sono monitorate con uno “microscopico stetoscopio”,

cioè una pipetta di vetro con una punta di diametro di circa 1 micronmetro.

All’amplificatore

Diverse configurazioni di patch-clampDiverse configurazioni di patch-clamp

Elementi di un sistema di patch clamp

Elettrodi

Disco Petri con cellule e soluzione fisiologica

Gabbia di Faraday per lo schermaggio del rumore elettrico

Manipolatori idraulici e meccanici

Sistema computerizzato ed elettronica per il controllo del potenziale applicato e laregistrazione delle correnti

Microscopio invertito

Amplificatore

Programmi e protocolli di stimolazione prefissati dall’operatore

Tavolo antivibrante

I canali possono essere anche espressi e studiati I canali possono essere anche espressi e studiati mediante espressione eterologa in ovociti di mediante espressione eterologa in ovociti di

Xenopus Xenopus o in altre cellule isolate…o in altre cellule isolate…

… tramite un sistema di voltage-clamp a due elettrodi o ancora con patch-clamp

Segnali di singolo canaleSegnali di singolo canale

L’APERTURA SINCRONIZZATA DI TANTE SINGOLE PROTEINE L’APERTURA SINCRONIZZATA DI TANTE SINGOLE PROTEINE DA LUOGO ALLA FORMAZIONE DI CORRENTI MACROSCOPICHE DA LUOGO ALLA FORMAZIONE DI CORRENTI MACROSCOPICHE

DI FORMA ED INTENSITA’ MOLTO DIVERSEDI FORMA ED INTENSITA’ MOLTO DIVERSE

On-Cell

Excised-Patch

Whole-Cell

Un canale

Migliaia di canali

X1000

Correnti ioniche mediate da canali dipendenti dal potenziale in cellule dell’ipofisi (a sinistra) e da cellule di Arabidopsis thaliana (a destra)

Potassium currents in Arabidopsis protoplasts

200 ms

Outward Currents

V(mV)V(mV)

I(au)I(au)

I

I

Si può osservare che le proprietà dei canali ionici in piante ed animali sono

relativamente simili

Solo le cinetiche sono sensibilmente diverse (le piante non possono fuggire davanti ai predatori).

Tutto ciò consegue dal fatto che i geni che codificano per i canali cambiano molto lentamente (circa 10-4

cambiamenti xAA xmilione di anni).

I canali del potassio dipendenti dal potenziale in vegetali mediano sia il rilascio di K+ dalla cellula che

l’ingresso di potassio nella cellula …

Canali del potassio dipendenti dal potenziale in cellule isolate da mais

La struttura dei canali da organismi diversi e le loro funzioni a livello molecolare sono simili ma il contributo alla sopravvivenza di un organismo sono diverse

Queste differenze funzionali dipendono da modeste variazioni nella sequenza primaria e nella struttura dei

canali ionici.Per esempio la topologia dei canali ionici dipendenti dal

potenziale è simile, a diversi livelli, in eucarioti e procarioti …

in SNC animali

in animali

anche in piantee batteri

Virus

… il canale del potassio di tipo “inward” è in grado di

selezionare ioni con diametri molto simili (da 0.6 a 1.5 Å) ...

Å

1.33

1.50

0.60

0.95

1.33

Cs=1.69

I canali dell’assone gigante del calamaro hanno selettività del tutto simili

… oltre alle variazioni della struttura determinate dalle mutazioni naturali, una variabilità aggiuntiva è costituita

dalla formazione di tetrameri eteromerici dei canali al potassio di tipo Shaker …

homotetramero

heterotetramero

• La formazione di canali al potassio eteromerici (i.e formati da diverse subunità) è una strategia conveniente adottata da molti organismi viventi (animali e piante) per rispondere a condizioni di stress.

Per esempio Il canale vegetale KDC1 da solo non è in grado di formare canali ionici omomerici ma forma canali ionici funzionali in ovociti Xenopus laevis con altre subunità di canali al potassio.KDC1 modifica le caratteristiche di altri canali.

Meccanismi simili sono importanti anche per il canale al potassio ed altri canali oligomerici di animali, in alcuni casi responsabili di gravi patologie genetiche.

Per esempio Il mutante R420H del canale KV3.3 non forma canali funzionali in ovociti di Xenopus e modifica le proprietà di altri canali al potassio, quali KV3.1 e KV3.4.

E’ stato suggerito che queste mutazioni ed eteromerizzazioni (con altre subunità di canali del K+) possano essere responsabili di malattie neurodegenerative quali l’Atassia spinocerebellare Dominante.

KV3.3 espresso da solo (1:0) o coespresso con R420H (nei rapporti indicati)

Waters et al., Natural genetics, 2005

Atassia Cerebellare Dominante Disturbo nervoso, dovuto a malfunzionamento del sistema cerebrospinale, che provoca la mancanza di coordinazione dei movimenti dei muscoli volontari

Comporta mancato coordinamento della deambulazione, della postura e arti, disartria* e/o difetti oculomotori.

* difficoltà nell'articolazione delle parole.

Alcune patologie genetiche da canali (canalopatie)

RiflessioneAlla stessa stregua di Volta,

l’elettrofisiologo moderno utilizza la caratterizzazione funzionale (oggi

supportata dalla microscopia ed altre metodiche) dei canali per acquisire, in

un’ottica riduzionista, informazioni sulla struttura di queste proteine e sul loro

ruolo negli organismi biologici complessi.

Conclusioni:Conclusioni: Abbiamo … Abbiamo …

- … collocato gli studi sul trasporto ionico di - … collocato gli studi sul trasporto ionico di membrana in un contesto storico che dal membrana in un contesto storico che dal 1700 porta ai giorni nostri.1700 porta ai giorni nostri.

- … messo in evidenza il contributo degli - … messo in evidenza il contributo degli studi elettrofisiologici alle attuali studi elettrofisiologici alle attuali conoscenze sull’elettricità.conoscenze sull’elettricità.

- … … illustrato alcuni meccanismi molecolari illustrato alcuni meccanismi molecolari conservati in organismi molto diversi.conservati in organismi molto diversi.

- … … evidenziato il contributo della biofisica evidenziato il contributo della biofisica delle membrane all’integrazione tra fisica e delle membrane all’integrazione tra fisica e biologia.biologia.

Conclusioni:Conclusioni: Abbiamo … Abbiamo …

- … collocato gli studi sul trasporto ionico di - … collocato gli studi sul trasporto ionico di membrana in un contesto storico che dal membrana in un contesto storico che dal 1700 porta ai giorni nostri.1700 porta ai giorni nostri.

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- … … evidenziato il contributo della biofisica evidenziato il contributo della biofisica delle membrane all’integrazione tra fisica e delle membrane all’integrazione tra fisica e biologia.biologia.

AchimScholz-StarkeVacuoles

Cristiana PiccoOocytesKDC1

Armando Carpaneto

Vacuoles,Oocytes,transporters

Monica BreganteOocytesKDC1Phytoremediation

Alessia NasoMolecular biology

Roberta MontisciMolecular biology

Paolo SolianiBiophysics of KDC1

Shira CoremVacuoles in hyperaccumulators

Alessandro BisignanoSystem manager, Jolly

Il gruppo di lavoro 6 Biologi + 5 Fisici

Carlotta Ivaldi

Student