Canali per il K+

Tra tutti i tipi di canale ionici, quelli per il K+ sono certamente i più diversificati.La spiegazione si trova naturalmente a livello molecolare.

Oggi sappiamo che:

a) hanno in genere struttura tetramerica (4 subunità proteiche, ognuna codificata da un suo proprio mRNA), e possono essere non solo omotetrameri, ma anche eterotetrameri (anche se non tutte le combinazioni sono possibili)

b) ogni organismo ha numerosi geni che codificano per subunità dei canali del K+

c) ogni gene può dar luogo ad isoforme diverse per splicing alternativo.

Il caso più noto è il gene Shaker di Drosophyla, che contiene 23 esoni.Ogni subunità del canale Shaker si può presentare in 10 varianti, con una stessa regione centrale (S1-S5, con regione P) e 5 diverse estremità N- e 2 diverse estremità C-terminali.

d) alle 4 subunitò alfa possono essere associati molti tipi di subunità accessorie (Kvβ, SUR, mink, ecc.).

Il numero di tipi diversi di canali K+ descritti negli ultimi anni è cresciuto a tal punto da rendere praticamente impossibile una classificazione su base funzionale. Oggi si preferisce raggrupparli, sulla base della loro struttura molecolare (n° di segmenti transmembranari), in tre categorie.

Questo gruppo comprende:  a) la famiglia dei KV (KV1-KV9, ognuno con diverse varianti)→ KV1.4 è quello che assomiglia di più al “tipo-A” (ha inattivazione molto rapida).→ KV3.1 è quello che assomiglia di più al “delayed rectifier” di H&H (inattivazione praticamente assente).

b) la famiglia dei canali del K+ Ca-dipendenti (SK e slo).L’apertura di canali al K+ (→ ripolarizzazione o iperpolarizzazione) è un altro dei mirabolanti effetti dei canali del Ca2+ (o della liberazione di Ca2+ dagli organuli intracellulari). Sono stati distinti in tre gruppi in base alla conduttanza di singolo canale: a bassa γ (bloccati dall’Apamina), a elevata γ (canali “maxi”, bloccati dalla Caridbotossina), ed a conduttanza intermedia.

c) altri, che interessano varie patologie cardiache, muscolari o nervose. Curiosità: il canale erg (herg nell’Uomo) presenta la caratteristica di avere l’inattivazione più rapida dell’attivazione, per cui è sempre chiuso (inattivato) quando la membrana è depolarizzata, e si apre quando la membrana viene iperpolarizzata).

Primo gruppo: le 4 subunità-α hanno 6 STM. E’ il modulo consueto dei VD ionic channels, comune ai canali del Na+ e del Ca2+, con S4 sensori del voltaggio.

Per molti anni si è pensato che il classico “delayed rectifier” (KV) dell’assone gigante, che non presenta inattivazione, fosse l’unico canale K+ esistente.

Ma anche il dualismo tra “delayed rectifier” e “tipo A” è caduto, mano a mano che si trovavano canali con caratteristiche intermedie. Ad esempio, l’espressione in oociti di Xenopus di omotetrameri delle subunità prodotte da 4 geni di Drosophila ha dimostrato che tra Shaker (il più simile al “tipoA”) e Shaw (il più simile al “delayed rectifier”) abbiamo i prodotti di Shal e Shab.

La storia del gene Shaker è molto istruttiva. La Drosophila Shaker è un mutante che si riconosce per un caratteristico tremito delle zampe durante anestesia con etere. L’elettrofisiologia ha dimostrato che l’anomalia stava in un canale del K+ delle fibrocellule muscolari. La genetica classica ha dimostrato che il gene stava in una certa posizione sul cromosoma X. Allora è stato clonato (nel “wild type”) quel tratto di DNA, e ci si è trovato dentro un gene per una subunità di canale al K+; questo è stato chiamato “Shaker”. Altri 3 geni di Drosophila (Shab, Shal e Shaw) sono stati poi trovati per omologia, facendo lo screening dei cDNA ottenuti da una libreria contenente tutto l’mRNA estratto dalla testa di D. Tutto questo è stato necessario perché i bloccanti dei canali al K+ (TEA, 4AP) non avevano l’affinità necessaria per marcare selettivamente la proteina (come era stato fatto con TTX o bungarotossina o DHP).

Poi fu scoperto un canale al K+ con inattivazione molto rapida (quasi insensibile al TEA ma sensibile alla 4-amino-piridina (4AP)); questo tipo fu chiamato “canale A” (KA) .

A) In alcuni canali del K+: dovuta all’azione di “tappo” di un peptide che costituisce l’estremità N-terminale della subunità (una “ball”; in realtà 4: una per subunità), collegato alla restante parte della molecola da un tratto flessibile (una “chain”): meccanismo del tipo “ball and chain”. B) In altri canali del K il peptide è l’estremità N-terminale di una subunità accessoria (beta).

Questo tipo di inattivazione, viene chiamato inattivazione di tipo-N.

NB I canali del Na+ e del Ca2+ hanno un modo di inattivarsi concettualmente simile, solo che la gate (h) non è l’estremità N-terminale della molecola, ma un’ansa intracellulare (III-IV per Na+, I-II per Ca2+.

Le gates di inattivazione

Il peptide è dotato di cariche parziali positive, che prenderebbero contatto con cariche parziali negative speculari posizionate all’imboccatura intracellulare del canale.NB: questo modello presuppone che il canale prima si apra, e poi si inattivi.

In alcuni canali si è visto che dopo rimozione della inattivazione di tipo “N”, persiste una lenta riduzione della corrente al perdurare della depolarizzazione. Inizialmente s’è pensato che fosse dovuta ad un’analoga azione “di tappo” dell’estremità C-terminale (da cui il nome), che poi si è rivelata errata.

Inattivazione lenta o di tipo C

Probabilmente l’inattivazione “di tipo C” è dovuta al movimento voltaggio-dipendente della porzione esterna del segmento S6, che restringe il filtro di selettività.

Anche il canale KA, come il canale KDR (delayed rectifier), è selettivo per il K+, ma ha le seguenti caratteristiche:- Attiva a potenziali più negativi di Kv (attivazione precoce)- Inattiva tanto più rapidamente quanto maggiore è la depolarizzazione

-20

+40

KDR

-20

+20

-20

+40

KA

-20

+20

Correnti di K+ in voltage-clamp

Caratteristiche elettrofisiologiche dei canali KA

Se lo stimolo depolarizzante è duraturo nel tempo, invece di un singolo

potenziale d’azione se ne può generare una serie in sequenza:

scarica o treno di potenziali d’azione

CODIFICAZIONE

Come fa un neurone a discriminare tra stimoli di diversa intensità, dal momento che

l’ampiezza del p.d’a. non varia al variare di uno stimolo sovraliminare (evento tutto o nulla)?

20 nA

30 nA

45 nA

15 nA1.2 s

13 spk/1.2 s

17 spk/1.2 s

20 spk/1.2 s

9 spk/1.2 s

Nei neuroni il processo di codificazione si realizza variando la frequenza di

scarica al variare dell’intensità dello stimolo

All’aumentare dell’intensità dello stimolo aumenta la

frequenza di scarica

Un esempio di codificazione

I canali KA operano da freno voltaggio-dipendente sulla

frequenza di scarica dei potenziali d’azione

Affinchè il processo di codificazione si possa realizzare è necessario l’intervento di un altro tipo di canale ionico denominato

KA

Infatti:L’attivazione dei canali KA, che è piuttosto precoce,

contrasta l’azione depolarizzante dello stimolo

frena l’insorgere dello spike

ma:

l’inattivazione dei canali KA è tanto più veloce quanto più intensa è la depolarizzazione

lo stimolo depolarizzante prevale sull’uscita di cariche K+

intra

extra

Esistono dei canali selettivi per il K+ che sono attivati dal Ca2+ intracellulare

intra

extra

depolarizzazione

ADATTAMENTO

Il processo di adattamento si realizza con una scarica di tipo fasico

La scarica fasica contiene informazioni relative a variazioni di intensità dello stimolo

Scarica tonica: la sua frequenza si mantiene costantemente proporzionale all’intensità dello stimolo

Scarica fasica: la sua frequenza è proporzionale alla variazione di intensità dello stimolo

Neuroni diversi possono presentare modalità di scarica diverse

Nei recettori della sensibilità somatica l’adattamento aumenta la percezione dei cambiamenti di pressione. Così, ad es., la pressione costante degli abiti sul corpo non viene quasi più percepita.

Il processo di adattamento di realizza in seguito all’interazione di almeno tre diversi tipi di canali ionici selettivi per il K+ (Kv, KA,

KCa) e di canali per il Ca2+ voltaggio-dipendenti

Canali del potassio e aritmie cardiache

Canali ionici nel miocita ventricolareV

m d

el m

ioci

ta

vent

ricol

are

(mV

)

-50

0

200 msec

Canali del K inattivanti (KA)

Canali del K “rapidi” (IKr /hERG)

Canali del K “lenti (IKs)

IK1

Canali del Na VD

“Canali del K ultra-rapidi” (IKur)

Canali delCa VD

La sindrome denominata “Long QT” è una malattia definita da un prolungamento dell’intervallo QT dell’elettrocardiogramma.

L’intervallo QT inizia con il complesso QRS e termina alla fine dll’onda T. Rappresenta il periodo temporale tra la depolarizzazione ventricolare e la ripolarizzazione (rilassamento).

Elettrocardiogramma: l’intervallo QT

intervallo QT

Tutte le forme della sindrome del “long QT” coinvolgono una ripolarizzazione anormale del cuore.

Ventricoli

ECGTP

approx. 0.44 s

R

Q S

Genetica della sindrome Long QT

Mutazioni nei geni che codificano i canali al K+ cardiaci sono le più comuni cause della sindrome Long QT. Difetti nei canali al Na+ cardiaci possono pure essere causa di questa malattia.

Denominazione gene Proteina codificata, funzione

LQT1 KCNQ1 Canale del K+ (Ks - slow)

LQT2 KCNH2 Canale del K+ (Kr - rapid)

Biologia molecolare della sindrome Long QT

Mutazioni nei canali del K+ sono state identificate un po’ in tutta la molecola. Tuttavia il numero più elevato di mutazioni è stato riscontrato nelle eliche S3 e S6 e nell’ansa S5/S6 che forma il poro. Qui sotto sono riportate le mutazioni più frequenti:

gene proteina mutazione Localizz.

KCNQ KvLQT1 Gly168ArgGly314SerAla341GluAla341Val

S2PoroS6S6

KCNH HERG Ala561ThrAla561ValAla614Val

S6S5poro

Secondo gruppo: le 4 subunità hanno 2 STM, denominati M1 ed M2.

Questi canali vengono anche denominati “inward rectifier” (KIR) (o “anomalous rectifier”), perché, quando presenti, sono responsabili della “rettificazione entrante”.

I canali KIR sono equivalenti al “nocciolo” interno dei KV, quindi mancano del sensore del voltaggio (S4).

Di conseguenza, la voltaggio-dipendenza di questi canali non può venire da un processo di “gating” ma viene da un blocco VD della conduzione, esercitato sul versante intracellulare da due tipi di “tappi” molecolari: il Mg2+ e molecole organiche cariche positivamente, come le poliamine.

0

-120 -80 -40 0 40

Cor

rent

e

Vm (mV)

Domanda: gli IRK sarebbero utili nel pacemaker cardiaco ?

Domanda: cosa fanno gli IRK nel miocardio di lavoro ?

I KIR “classici” vengono chiamati IRK Sono presenti in moltissime cellule. Notare che al pot. di riposo sono aperti; quindi lasciano passare una (debole) corrente uscente. Quando presenti, sono i principali responsabili del leakage del K+

Il loro compito è quello di mantenere il pot. di riposo non troppo lontano dal pot. di equilibrio del K+.A) Se la m. viene iperpolarizzata, lasciano passare una corrente entrante di K+ che si oppone all’iperpolarizzazione. B) Se la m. viene depolarizzata, lasciano passare una corrente uscente di K+ che si oppone (ma sempre più debolmente) alla depolarizzazione.

0

-120 -80 -40 0 40

Cor

rent

e

Vm (mV)

Vr

Alcuni KIR hanno la particolarità di essere attivati da proteine-G trimeriche. Per questa ragione vengono chiamati GIRK.

L’esempio si riferisce all’attivazione di GIRK1 (presente nel pacemaker cardiaco) da parte dell’acetilcolina (che attiva recettori muscarinici m2, e poi Gi, che tramite il dimero attiva il canale GIRK).

Quindi l’acetilcolina rallenta la frequenza cardiaca con due meccanismi sinergici ….

I canali GIRK

Un ottimo esempio di “funzione integrata” svolta da canali ionici è la regolazione della secrezione di insulina (ormone ipoglicemizzante) da parte delle cellule β del pancreas. Sono implicati due tipi di canali:

a) un canale al K+ ATP-dipendente. Quando la glicemia è normale, questi canali sono apertie la fuga di K+ che essi consentono mantiene il p.di m. a valori negativi. Quando il livello intracellulare di ATP aumenta per un aumento della glicemia, i canali si chiudono e la membrana si depolarizza.

b) un canale al Ca2+ voltaggio dipendente. Quando la membrana viene depolarizzata, questi canali si apronoconsentendo un ingresso di ioni Ca2+, che promuovono la fusione con la membrana di vescicole contenenti insulina. La glicemia diminuisce.

La conoscenza di questo meccanismo ha aiutato a curare il diabete, una malattia in cui il sistema di controllo della secrezione di insulina non lavora nel modo corretto. Un approccio terapeutico (adatto per alcuni pazienti, ma non per altri) è quello di bloccare i canali del K+ ATP-dipendenti nello stato chiuso (usando farmaci del gruppo della sulfonil-urea), in tal modo facilitando o promuovendo (depolarizzando la membrana delle cellule β) il rilascio dell’insulina.

I canali KATP, sono chiusi dall’aumento di ATP intracellulare (aperti dall’aumento di ADP).Assomigliano molto ai canali attivati dai nucleotidi ciclici (CNGC, attivati dall’AMPc o dal GMPc) presenti in alcuni recettori sensoriali.

Terzo gruppo: subunità con 4 STM e due regioni P (da cui il nome di K2P).

Si pensa che ci siano due subunità per canale. Sono i canali del K+ “senza porta” (canali di leakage) in quanto responsabili del potenziale di riposo.

FINE