I CANALI IONICI, I RECETTORI IONOTROPI ed i ... - lumsa.ittoken_custom_uid... · di membrana simile...

I CANALI IONICI, I RECETTORI

IONOTROPI ed i RECETTORI

METABOTROPILEZIONE NR. 11 - PSICOBIOLOGIA

I CANALI IONICI

I canali ionici sono sistemi proteici che attraversano

l’intero spessore della membrana plasmatica e

mediano il trasporto PASSIVO di ioni liberi mediante

diffusione facilitata.

Possono essere costituiti da una singola proteina o da

un complesso multi-proteico che comprende diverse

sub-unità (ognuna indicata con una lettera greca).

Le varie sub-unità formano un complesso proteico che

interagisce direttamente con i lipidi di membrana ed

ha al suo interno un poro acquoso che aprendosi su

entrambi i versanti della cellula costituisce un

passaggio o gate.

I CANALI IONICI

Trattandosi di trasporto passivo, i canali non possono

influenzare la direzione del movimento che avverrà

sempre secondo gradiente di concentrazione, ma ne

possono regolare il flusso, a seconda che il canale sia

aperto o chiuso.

Tramite queste regolazioni i canali ionici possono

modificare la differenza di cariche elettriche intra-ed extra-

cellulari, che di norma costituiscono il potenziale di

membrana a riposo. Nelle cellule nervose (o in generale in

cellule eccitabili) sono coinvolti nella generazione di

potenziali d’azione (attraverso il passaggio di centinaia di

milioni di ioni al sec.)

L’importanza dei canali ionici è infine dimostrata dalle

patologie che derivano dal loro malfunzionamento

(canalopatie) che può avvenire per cause genetiche

(fibrosi cistica, epilessia idiopatica, atassia spino-

cerebellare etc) o per cause tossiche (veleni o farmaci)

I CANALI IONICI

I canali ionici come molti altri composti proteici

possono esistere con una grande varietà di

isoforme, cioè di catene polipeptidiche alternative,

che vengono originate da modificazioni post-

traduzionali o attraverso l’editing degli mRNA.

Questo conferisce caratteristiche strutturali e

funzionali altamente specifiche ad un canale e/o alle

sue isoforme, consentendo alla cellula di ottenere

funzioni specializzate per i vari composti molecolari.

I CANALI IONICI

Un’importante caratteristica dei canali

ionici è la loro selettività per un dato ione

o un dato tipo di ione (anioni, cationi).

Tale proprietà dipende dalle carattiristiche

strutturali ed elettrostatiche del poro

acquoso. Infatti l’imboccatura del canale

è di norma dotata di un filtro (o anello) di

selettività, composto da amminoacidi con

carica elettrica positiva o negativa.

Altri fattori di selettività dipendono dalla

dimensione e dalla struttura del poro

acquoso, nonché nel meccanismo

molecolare di trasferimento dello ione

attraverso il poro (Ioni spogliati del guscio

di idratazione)

I CANALI IONICI

Un’altra caratteristica molto importante dei canali ionici riguarda la regolazione della loro apertura.

Infatti, a parte alcuni canali che sono costantemente aperti (resting o leak, rispettivamente del Cl- e

del K+), i canali sono di norma in modalità chiusa e si aprono solo in presenza di uno stimolo

appropriato, rimanendo aperti per pochi msec. Subito dopo l’apertura, molti canali ionici vanno

incontro ad un’altra modificazione conformazionale che consiste nell’occlusione del poro acquoso e

nella contemporanea incapacità di aprirsi nuovamente, anche qualora si ripresentasse lo stimolo

che ne determina l’apertura. Questo stato indicato come inattivo o refrattario viene mantenuto di

norma per alcuni msec, dopodiché il canale ionico torna in modalità chiuso.

I CANALI IONICI

Poiché canali dedicati al passaggio dello stesso

ione possono avere organizzazioni strutturali

diverse, si preferisce di norma classificare i

canali ionici in base alla modalità di regolazione

della loro apertura.

Seguendo questi criteri i canali vengono

raggruppati in famiglie di canali relativamente

omogenei fra loro sia dal punto di vista

funzionale che strutturale.

Possiamo avere:

• Canali regolati dal potenziale di membrana

• Canali regolati da ligando

• Canali regolati da altre modalità (tensione

meccanica, luce, etc…)

RECETTORI IONOTROPI


Vengono anche denominati come canali

voltaggio-dipendenti o canali regolati da

voltaggio. Conferiscono alle cellule eccitabili

la capacità di variare in pochi msec il

contenuto intracellulare di cariche elettriche

rispetto all’esterno.

I canali voltaggio-dipendente sono così

denominati perché si aprono solo quando il

potenziale di membrana della cellula

raggiunge un determinato valore, chiamato

valore soglia.


Queste capacità dipendono dalla struttura del canale, che

comprende 4 domini di circa 300-400 amminoacidi.

Ciascun dominio comprende 6 diversi segmenti trans-

membrana (da S1 ad S6 in struttura secondaria di alpha-

eliche) che si dispongono in maniera simmetrica così da

formare il tetramero che compone il canale.

Dei 6 segmenti, s5 ed s6 compongono l’apertura del poro

acquoso e fra loro c’è un ansa di circa 20 amminoacidi

che insieme alle altre 3 anse, forma il filtro di selettività.

I segmenti da s1 ad s4 sono formati da amminoacidi

carichi elettricamente e formano il sensore di voltaggio.

Alcuni canali possono infine avere anche altre sub-unità

accessorie che mediano fenomeni di grande importanza

per il canale come la sua corretta posizione sulla

membrana plasmatica


Questa tipologia di canali ha un alto

livello di selettività per il Na+, il K+, il

Ca+, Cl- e H+.

Ed ogni canale specifico per questi

ioni può presentare diverse isoforme

o sotto-tipologie, per via del gran

numero di geni differenti che

codificano per questi canali.

Ad esempio:

Na+ = 10 geni

K+ = >100 geni

Ca+ = 16 geni

Canali voltaggio-dipendenti del calcio

Canali voltaggio-dipendenti del sodio

• Canali regolati da ligando – RECETTORI IONOTROPI

Sono complessi proteici di membrana, caratterizzati dalla presenza sulla loro superficie non solo del

poro acquoso, ma anche di una regione specifica, detta sito recettoriale (sito di legame),

corrispondente ad una sorta di tasca che accoglie in maniera stereo-specifica una molecola di

segnalazione, generalmente indicata come ligando.

Si contrappongono ai recettori metabotropi che invece indicano una categoria di recettori, privi di

poro acquoso e che agiscono tramite una cascata di eventi, sui recettori ionotropi.

RECETTORI IONOTROPI

Alcuni di questi recettori hanno il sito di legame sul versante extracellulare quindi il ligando deve

arrivare dall’esterno, in altri invece quest’ultimo è posto all’interno della cellula, ed il ligando viene

prodotto nel citoplasma.

L’incontro casuale fra canale e ligando porta alla formazione del complesso recettore-ligando, ed è

quindi, del tutto analogo alla formazione del complesso enzima substrato.

In entrambi i casi infatti, il legame avviene grazie a forze

deboli, e porta ad un cambiamento conformazionale

dell’intero sistema proteico ed in questo all’apertura del

canale.

Vi sono inoltre anche altre importanti analogie:

• La formazione del complesso sito di legame-ligando

avviene in maniera del tutto casuale e quindi dipendente

dalla concentrazione del ligando nello spazio extra-/intra-

cellulare. Questo fenomeno è di grande importanza nelle

sinapsi chimiche.

RECETTORI IONOTROPI

• In molti casi, il sito di legame può ospitare

molecole diverse dal ligando. Queste

sostanze possono avere origine endogena

(molecole di regolazione) o esogena

(farmaci). E possono essere ulteriormente

classificati in:

• Agonisti

• Antagonisti competitivi

• Antagonisi non-competitivi

• Una volta formatosi, il complesso recettore-

ligando è reversibile, con il ligando che può

essere nuovamente rilasciato nell’ambiente o

degradato

Fig. 5.14

RECETTORI IONOTROPI

• Alcuni recettori sono provvisti di siti di

legame addizionali che riconoscono

molecole diverse dal ligando. In analogia

con il fenomeno della regolazione

allosterica enzimatica, anche in questo

caso il sito è definito allosterico e può

essere occupato da modulatori allosterici,

classificati come:

• Attivatore

allosterico

• Inibitore allosterico

Anche in questi casi, l’origine dei

modulatori allosterici, può essere

endogena o esogena.

Fig. 5.15

RECETTORI IONOTROPI

Anche per i recettori ionotropi, vale la regola

generale dei canali ionici circa il tempo di

refrattarietà fra un’apertura e la successiva.

Fig. 5.16

RECETTORI IONOTROPI

Rispetto ai canali ionici voltaggio-dipendenti, i recettori ionotropi

presentano una assai maggiore variabilità strutturale.

Possono essere costituiti da 3 a 5 subunità, e vengono di norma

classificati in classi, comprensive sia dei recettori regolati da

neurotrasmettitori (rilasciati nelle giunzioni sinaptiche), che da

secondi messaggeri (contenuti all’interno delle cellule, Es. Ca+ e

cAMP).

Tra le varie classi, i seguenti sono i più importanti per il sistema

nervoso:

1. Recettori ionotropi della superfamiglia dei recettori nicotinici

2. Recettori ionotropi del glutammato

3. Recettori ionotropi di nucleotidi ciclici

4. Recettori ionotropi regolati dal Ca2+

5. Recettori ionotropi regolati da altre modalità (luce, tensione

meccanica, etc…)

Recettori ionotropi della superfamiglia dei recettori nicotinici

Sono tutti costituiti da 5 sub-unità principali, aventi

entrambi i terminali nell’ambiente extracellulare. Per

questo motivo vengono anche denominati recettori

pentamerici. Queste sub-unità possono essere

uguali o diverse fra loro e combinarsi in modo vario a

seconda del recettore in questione.

Ogni sub-unità contiene 4 regioni ad alpha-elica

transmembrana (M1-M4), connesse fra loro da brevi

anse che sulla regione M3 creano il poro acquoso.

Inoltre sul versante extra-cellulare, questi recettori

presentano uno o più siti di legame per i

neurotrasmettitori e/o per i modulatori allosterici.

Per quanto concerne la tipologia di ioni trasportati, il

loro livello di selettività è relativamente basso e

trasportano quindi cationi (Na+, K+ e Ca+) oppure

anioni (Cl-)

I recettori ionotropi nicotinici presentano una grande

varietà di isoforme e quindi un numero molto elevato

di sottotipi recettoriali.

Recettori nicotinici

Acetilcolina Serotonina GABA

Recettori ionotropi della superfamiglia dei recettori nicotinici

Glicina

Eccitatori - depolarizzazione Inibitori - iperpolarizzazione

Recettore nicotinico

dell’Acetilcolina

I recettori nicotinici dell’Acetilcolina (ACh), prendono il loro nome per via del loro potente agonista

nicotina.

Essendo stati i primi recettori ionotropi ad essere studiati e classificati essi fungono da paradigma

per tutti i recettori ionotropi pentamerici.

Fig. 5.17


dell’Acetilcolina

La struttura e la funzionalità dei

recettori per l’Ach sono diverse a

seconda del tessuto in cui essi

sono espressi.

È possibile infatti avere:

• Recettori muscolari (con sub-

unità apha, beta, gamma, delta

ed epsilon)

• Recettori neuronali (con sub-

unità apha e beta)


della serotonina

Il recettore 5-HT3 è un recettore-canale attivato dal ligando serotonina

(5-idrossitriptamina) che permette il flusso di Na+ e K+; ha una struttura

di membrana simile a quella del recettore colinergico nicotinico, con 5

sub-unità chiamate 5-HT3a-e. La subunità 5-HT3a è portatrice del sito di

legame con la serotonina ed è quindi presente in ogni recettore in

combinazione con le altre subunità.

Il legame della serotonina su due siti recettoriali determina l’apertura di

un canale permeabile ai cationi Na+, K+ e Ca++ con conseguente

depolarizzazione desensibilizzante.

Questi recettori sono localizzati sulle terminazioni parasimpatiche nel

tratto gastrointestinale e anche nelle afferenze vagali e splancniche.

Nel sistema nervoso centrale (SNC), invece, vi è una elevata densità di

recettori 5-HT3 nel nucleo del tratto solitario e nell’area postrema (dove

c’è il centro del vomito), ma anche nel nucleus accumbens, amigdala,

ippocampo, corteccia entorinale e frontale)

I recettori 5-HT3 presenti nel canale gastroenterico e nel SNC sono

coinvolti nella risposta emetica e costituiscono la base anatomica per le

proprietà antiemetiche degli antagonisti recettoriali 5-HT3.

Fig. 5.18


del GABA

Il GABA-A è il recettore per l’acido gamma-

amminobutirrico (GABA) che è il più

importante neurotrasmettitore inibitorio del

cervello. Il GABA è agonista endogeno del

recettore e si lega sul sito di legame,

mediando una modificazione allosterica che

fa aprire il canale per gli anioni,

principalmente Cl-.

Il canale è formato da diverse subunità,

leggermente diverse a seconda del distretto

nervoso in cui si trova:

•2 subunità α

•2 subunità β

•1 subunità γ

Fig. 5.19


del GABA

Esistono molti agonisti ed antagonisti del recettore GABA

A, che si legano alle diverse subunità su diversi siti di

legame specifici, a loro dedicati, i più importanti

comprendono:

- Benzodiazepine (ansiolitici)

- Barbiturici (sedativi, ipnotici)

- Steroidi (ormoni derivanti dal cortisolo)

- Etanolo (effetto simil-ansiolitico)

- Picrotossina (antagonista)

Fig. 5.20 e 5.21


del GABA

Anche nel caso del

GABA-A, le varie sub-

unità possono presentare

diverse isoforme.

In particolare abbiamo 6

isoforme per l’unità alpha,

4 isoforme per la beta, e

4 isoforme per la gamma.

Queste isoforme si

combinano fra loro in

modo vario dando origine

ad un ampio repertorio di

sottotipi recettoriali

espressi in modo

specifico nei vari distretti

del SNC

Tab. 5.2


della glicina

Il recettore per la glicina (GlyR) è un recettore simile a quello del

Gaba, infatti gli stessi agonisti e antagonisti agiscono anche su questo tipo

di recettore. Tuttavia, nel cervello questo recettore è presente in quantità di

gran lunga inferiore rispetto al GABA-A., con una distribuzione limitata al

tronco dell’encefalo ed al midollo spinale ed in aggiunta, nella retina. In fase

embrionale il recettore della glicina è composto da 5 subunità alfa. È

composto da 3 subunità alfa (4 isoforme) e 2 beta.

Le 5 subunità recettoriali sono assemblate a formare una canale centrale

permeabile allo ione Cl-. Il loro malfunzionamento provoca una malattia

chiamata come iperekplessia (eccessiva reazione d’allarme).

RECETTORI IONOTROPI







cAMP).


nervoso:






meccanica, etc…)

Recettori ionotropi del glutammato

Questa classe di recettori comprende 3 diversi tipi, chiamati AMPA,

Kainato ed NMDA, che pur essendo attivati dallo stesso

neurotrasmettitore amminoacido glutammato (acido glutammico),

sono fra loro diversi sia per la struttura che per la funzione. I loro

nomi dipendono dagli agonisti specifici che ne permisero

l’identificazione:

AMPA = acido alpha-amino-3-idrossi-5-metil-4-isoxa-zol-

propionico

Kainato = acido Kainico

NMDA = N-metil-D-aspartato

La loro importanza deriva dal fatto che il glutammato è il

neurotrasmettitore in assoluto più presente nel cervello e

costituisce il principale agente della neurotrasmissione eccitatoria.

Questi recettori mediano importanti funzioni come la plasticità

sinaptica (apprendimento e memoria), ma se stimolati

eccessivamente (ictus, epilessia) possono dare il via a processi di

neurotossicità che porta alla morte cellulare. Per tale motivo è

possibile che questi recettori abbiano un ruolo alla base delle

malattie neurodegenerative.


Per quanto concerne la specificità, i pori acquosi dei recettori

AMPA e Kainato hanno una minore specificità e permettono il

passaggio sia di K+ che di Na+, ed in quantità minore di Ca2+.

Di contro il recettore NMDA ha una spiccata specificità per il Ca2+

e molto più bassa per gli altri cationi.

AMPA, KainatoNMDA


Dal punto di vista strutturale, questi recettori sono composti da 4 o

5 sub-unità principali, caratterizzate da una comune

organizzazione di base della catena polipeptidica, con l’estremità

N-terminale in ambiente extracellulare e l’estremità C-terminale in

ambiente intra-cellulare.

Ogni subunità contiene sempre 3 regioni trans-membrana (M1,

M3 ed M4) ed un ansa (M2) situata nel versante intracellulare il cui

scopo è controllare la permeabilità del poro acquoso.

Fig. 5.22


La specificità e l’importanza di questi recettori è

indirettamente confermata dalla molteplicità dei tipi di sub-

unità che li compongono.

Queste sub-unità possono essere divise in gruppi sulla

base delle somiglianze nelle loro sequenze

amminoacidiche

Tab. 5.3

Recettori del glutammato

AMPA Kainato NMDA


GluR1

GluR3

GluR3

GluR4

KA1, 2

GluR5

GluR6

GluR7

NR1

NR2A,B

C,D

NR3A,B

Eccitatori - depolarizzazione

AMPA

Gli AMPA sono i recettori ionotropi più

presenti nel nostro cervello ed i principali

mediatori della trasmissione eccitatoria

veloce.

Sono composti da 4 sub-unità (GluR1-4), di

cui 2 sempre di tipo GluR1.

Ciascun tipo di sub-unità si presenta con

diverse varianti e sottotipi che hanno

origine da modificazioni post-trascrizionali

dell’RNA, come:

• Splicing alternativo

• Editing RNA

Oppure da modificazioni post-traduzionali

della catena polipeptidica, come la

fosforilazione.

Q= glutammina permeabile a tutti i cationi

R= arginina permeabile a Na e K, ma non al Ca

Fig. 5.23

A fronte di soli 4 geni che codificano per i 4 tipi di base di

sub-unità AMPA, le molecole di RNA vanno incontro a

varie modificazioni da cui consegue la produzione di una

vasto numero di tipi e sottotipi recettoriali, ciascuno dei

quali ha caratteristiche funzionali proprie e può essere

espresso in modo differenziale nei vari distretti cerebrali.

Al fine di studiare questa vasta possibilità recettoriale,

vengono utilizzate coltivazioni in vitro oppure modelli

animali nei quali i geni che codificano per gli AMPA

vengono selettivamente mutati.

Attraverso questi studi si è potuto dimostrare che gli

antagonisti AMPA riescono a prevenire la morte cellulare a

seguito di un ictus, inibendo l’eccessiva stimolazione degli

AMPA.

In conclusione, gli AMPA svolgono un ruolo fondamentale

di stimolazione dell’attività elettrica e di regolazione

indiretta dei processi di morte neuronale.

AMPA

Kainato

Il Kainato (acido kainico) è un agente convulsivante, che

oltre ad essere un agonista dei recettori AMPA, riesce ad

attivare dei canali che hanno come agonista selettivo

questa molecola, denominati appunto canali del kainato.

Questi canali sono generalmente formati da un complesso

tetramerico di 5 possibili sub-unità KA1-2 e iGluR5-7 che si

combinano tra loro.

Queste subunità possono variamente combinarsi tra di

loro ma è stabile la presenza di GluR5 o GluR6 per

ottenere un recettore che, attivato dall’agonista selettivo,

sia in grado di generare una corrente cationica intensa.

Entrambe queste due subunità possono esistere in due

varianti diverse, cioè nella sequenza di aminoacido della

parete del poro-canale si trova sia la variabile con arginina

che rende il recettore poco permeabile al calcio, sia

residui di glutammina che lo rendono altamente

permeabile a sodio e calcio.

Fig. 5.24

Meno abbondanti dei recettori AMPA nel SNC, questi recettori sono

prevalentemente espressi nello striato, nei nuclei reticolari del talamo,

nell’ipotalamo, negli strati profondi della corteccia cerebrale, nello strato delle

cellule granulari del cervelletto, nel giro dentato e nello strato lucido dell’area

CA3 dell’ippocampo.

I recettori del kainato sembrano svolgere un ruolo importante nello sviluppo e

nella plasticità del SNC in quanto alla nascita variano nel numero e

nell’espressione delle diverse sub-unità.

I recettori KA coesistono con gli altri sottotipi recettoriali a livello postsinaptico.

L’attivazione di questi recettori sembra anche capace di modulare il rilascio di

glutammato dalle vescicole sinaptiche (autorecettori)

Kainato

NMDA

I recettori NMDA hanno una cinetica molto più lenta (nell’ordine di

centinaia di millisecondi) dei recettori AMPA e KA e sono altamente

permeabili al calcio.

Di norma, agiscono insieme ai recettori AMPA e Ka, ma le loro

caratteristiche specifiche sono alla base del coinvolgimento di questi in tutti

i processi cognitivi superiori ma anche di patologie quali la psicosi o la

schizofrenia.

Sono in genere composti da 4 sub-unità, ognuna delle quali presenta

variante causate esclusivamnte dallo splicing alternativo. Le diverse

subunità comprendono: NR1, NR2A-D (comuni) e NR3A-B, NR4

(inibitorie).

La subunità NR1 è sempre presente in tutti i recettori di tipo NMDA. La

particolarità di tale subunità è data dalla sequenza di aminoacidi che

delimita la parete del poro-canale ove sono presenti dei siti di asparagina

che rendono questo recettore altamente permeabile al calcio e

conferiscono a questo recettore delle altre proprietà come quella di legare

ioni magnesio, che in condizioni di non apertura del recettore, si legano

all’interno del poro acquoso bloccandone completamente la funzionalità.

La subunità NR1 si trova in maniera ubiquitaria in tutte le regioni cerebrali

mentre le subunità NR2A-D sono presenti preferenzialmente nella

isocorteccia, nell’ippocampo e nel cervelletto.

Fig. 5.25

NMDA

I recettori NMDA hanno due diversi siti di legame principali

che legano rispettivamente i ligandi endogeni L-

glutammato, L-aspartato, L-omocistinato e chinolinato, e

come ligandi coattivatori, la glicina, D-serina e D-alanina.

Siti per inibitori e antagonisti: in questi siti possono legarsi

vari inibitori, nella fattispecie Mg2+ e Zn2+, o antagonisti

del glutammato che legandosi generano modifiche nella

struttura della proteina recettoriale tali da impedire il

legame col neurotrasmettitore.

Sito fosforilabile: si trova sul versante endoplasmatico ed

è fosforilabile dalla PKC. Questo sito è responsabile

dell'interazione tra recettori ionotropici e metabotropici.

L’attivazione del recettore NMDA può avvenire solo se

contemporaneamente sia il glutammato che la glicina

interagiscono su di esso nei loro siti di legame, oltre a

queste condizioni sono però necessarie ulteriori

contingenze.

NMDA

In totale sono tre, quindi, le situazioni

necessarie all’attivazione del canale:

1. Legame al recettore del ligando

glutammato o agonisti.

2. Legame della glicina sul secondo sito di

legame

3. Rimozione degli ioni Mg++. Ciò è

possibile grazie ad un cambiamento di

polarizzazione della membrana

plasmatica

In conclusione, i recettori NMDA sono

sottoposti sia al controllo del ligando che al

controllo del potenziale di membrana

Fig. 5.26

NMDA

Il blocco dovuto al magnesio può essere

rimosso anche da poliamine endogene:

spermina e spermidina; a basse ed alte

concentrazioni, rispettivamente, potenziano ed

inibiscono le attività del recettore.

Altre sostanze, invece come la ketamina e la

fenciclidina agiscono da antagonisti non

competitivi, causando fenomeni simili ai sintomi

positivi della schizofrenia.

Più in generale, gli effetti finali sono di tipo

trofico (durante la formazione di contatti

sinaptici), di tipo regolatorio della trasmissione

sinaptica: nei processi di apprendimento e

memorizzazione, potenziamento e depressione

sinaptica di lunga durata e sono inoltre coinvolti

nella long-term potentiation (LTP) ed, infine, di

tipo tossico che possono produrre necrosi

neuronale.

Fig. 5.26

Potenziamento a lungo termine

Bliss e Lomo (1973)

Descritto per la prima

volta nelle cellule

dell’ippocampo:

consiste nell’aumento

stabile e duraturo

dell'intensità

della risposta neuronale

dopo che le cellule

afferenti di

quell'area erano state

sollecitate con stimoli

elettrici ad

alta frequenza.

Il neurone postsinaptico

permane in una

condizione

'attivata' per intervalli di

tempo molto più lunghi di

quanto avvenga nella

trasmissione dell'impulso

nervoso.


Il LTP avviene in due fasi:

1) la normale trasmissione sinaptica attiva i recettori metabotropici del glutamato(mGluR) e i recettori AMPA (AMPAR);

2) scariche ad alta frequenza inducono il potenziamento a lungo termine attivando anche i recettori NMDA (NMDAR), grazie all’eliminazione del blocco dovuto agli ioni magnesio. L’ingresso di ioni calcio produce reazioni di trasduzione del segnale che fanno aumentare la sensibilità dei recettori AMPA, mediante fosforilazione, e il loro numero complessivo, migliorando l’efficienza di risposta della cellula postsinaptica.


Un altro effetto degli ioni calcio è l’induzione della sintesi di un segnale ad azione retrograda, quale l’ossido nitrico (NO), che diffonde nella terminazione presinaptica e produce una regolazione verso l’alto della sua efficienza neurotrasmettitoriale(upregulation).


L’LTP coinvolge meccanismi di modificazione della espressione genica e a conferma di ciò è soppresso dagli inibitori della trascrizione e della sintesi proteica.Questi meccanismi prevedono anche la sintesi e il rilascio da parte dei neuroni postsinaptici di un fattore neurotrofico (BDNF) che agisce in maniera retrograda in modo da aumentare l’efficienza del neurone presinaptico.L’espressione di nuovi prodotti produce aumenti nel numero e nelle dimensioni dei contatti sinaptici. Grazie a meccanismi di questo tipo, la complessità del nostro sistema nervoso aumenta con l’esperienza.

Processi di rilascio

*PKC

AMPAR

NMDAR

fosforilazione

Ca++

Messaggeroretrogrado

*CaMK

*PKC

* = attivazione persistente

PLT precoce (memoria a breve termine)

Le proteinchinasi attivate agiscono su proteine preesistenti in attesa di essere attivate. Ad es., fosforilazione di recettori AMPA risposta postsinaptica più intensa a parità di glutammato liberato

47

PLT tardivo (memoria a lungo termine)

Implica la sintesi di nuove proteine

cAMP

nucle

o espressione

genica

CREB

MAPK

CaMK

spina dendrite

PKA

sintesi

proteicacorpo

cellulare

CREB = Cyclic AMP-Response Element Binding ProteinMAPK = mitogen-activated protein kinase

Recettori ionotropi con ligando extracellulare

RECETTORI IONOTROPI







cAMP).


nervoso:






meccanica, etc…)

Recettori di nucleotidi ciclici

CNG HCN

Recettori ionotropi di nucleotidi ciclici

Cyclic Nucleotide-

Gated

Hyperpolarization and

Cyclic Nucleotide-

Gated

Eccitatori - depolarizzazione

Sono recettori dei nucleotidi ciclici (cAMP e cGMP) a struttura tetramerica in

cui 2 delle subunità sono omomeri. Le estremità amino- e carbossi-terminale

sono intracellulari. Questi recettori sono formati da 6 eliche transmembrana

che la attraversano a tutto spessore. C’è una sequenza di amminoacidi che

entra dal lato extracitoplasmatico, la attraversa in parte, ripiega su se stessa,

e fuoriesce dallo stesso lato della membrana (ANSA P). Questa sequenza

aminoacidica con l’elica S6 partecipa alla formazione della parete del poro-

canale.

Il legame dei ligandi avviene sul versante intracellulare ed è stato osservato

che si legano alla sequenza aminoacidica carbossi-terminale in continuità

con l’elica S6 del recettore. D’altra parte, cAMP e cGMP si formano

all’interno della cellula e il loro sito di legame deve essere intracellulare.

Nei recettori HCN la regione S4 contiene un sensore di voltaggio del tutto

analogo a quelli dei recettori regolati da voltaggio.

I recettori dei nucleotidi ciclici svolgono compiti importanti nei fotorecettori

della retina, nelle cellule sensorie dell’epitelio olfattivo oltre che in vari

distretti del SNC e P. I recettori HCN sono anche particolarmente importanti

per la regolazione del battito cardiaco.

CNG HCN

Fig. 5.27

RECETTORI IONOTROPI







cAMP).


nervoso:






meccanica, etc…)

Recettori ionotropi regolati dal Ca2+

Si tratta di un gruppo eterogeneo di recettori ionotropi il cui poro

acquoso è selettivo per il K+ e si apre quando il sito di legame

intracellulare, lega una ione Ca2+.

La loro struttura molecolare è simile a quella dei canali regolati da

voltaggio, sono quindi formati da complessi tetramerici con 6

domini transmembrana.

La subunità α1 ed è la responsabile di tutte le proprietà

elettrofisiologiche e farmacologiche di questi canali dato che il

poro e il sensore del voltaggio si trovano su di essa. Ogni dominio

è formato da 6 α-eliche transmembrana. Il 4° segmento

rappresenta il sensore del potenziale mentre tra la 5a e la 6a α-

elica c’è il sito di legame che caratterizza la selettività ionica.

Esistono 9 isoforme della subunità α1, da cui derivano diversi tipi

di canali per il calcio

È interessante notare che rispondendo all’ingresso di Ca2+

all’interno dell’ambiente citoplasmatico, questi recettori

costituiscono importanti sistema di risposta (effettori) all’attivazione

dei recettori metabotropi che hanno il Ca2+ come secondo

messaggero.

Recettori ionotropi regolati dal Ca2+

I recettori regolati dal Ca2+, vengono di norma classificati in base

alla loro permeabilità per gli ioni K+, nello specifico possiamo

avere:

• Elevata permeabilità (recettori BK)

• Intermedia permeabilità (recettori IK)

• Bassa permeabilità (recettori SK)

RECETTORI IONOTROPI







cAMP).


nervoso:




4. Recettori ionotropi regolati dal Ca+

5. Recettori ionotropi regolati da altre modalità (luce,

tensione meccanica, etc…)

Recettori ionotropi regolati da altre modalità (luce, tensione meccanica, etc…)

Questa tipologia di recettori, comunemente

detta anche meccanocettori, è attivata da una

varietà di stimolo pressori come quelli relativi

alla percezione tattile, uditiva dell’equilibrio e

del posizionamento nello spazio del nostro

corpo.

Partecipano inoltre, alla regolazione

omeostatica nei reni, ed al controllo della

pressione sanguigna.

Per quanto riguarda i recettori posti nella

nostra cute, questi agiscono come rilevatori di

pressione grazie ad un contatto diretto con la

matrice extracellulare (tessuto connettivo) e le

proteine del complesso recettoriale.

Fig. 5.28

Recettori ionotropi regolati da altre modalità (luce, tensione meccanica, etc…)

Una seconda tipologia di meccanocettori è

composta da quelli posti nell’organo del Corti,

nell’ orecchio interno. Questi recettori

costituiscono i sensori finali di una serie di

vibrazioni che a partono dal timpano, e

seguendo la trasmissione attraverso la catena

degli ossicini, fino alla finestra ovale, giungono

infine a muovere il liquido contenuto

nell’organo del Corti.

Questi spostamenti muovono una membrana

chiamata membrana tettoria, che è in diretto

contatto con delle cellule ciliate (stereociglia)

che a seconda del loro movimento, aprono e

chiudono i loro canali, sensibili al Na+ o al

Ca2+.

Fig. 5.29

RECETTORI IONOTROPI







cAMP).


nervoso:




4. Recettori ionotropi regolati dal Ca+


meccanica, etc…)

RECETTORI NON-IONOTROPI, RECETTORI METABOTROPI

Si tratta di recettori che rispondono all’arrivo di ligandi extracellulari e danno il via ad una cascata di

processi metabolici all’interno del citoplasma.

Sono molto eterogenei dal punto di vista strutturale e possono essere costituiti da una singola

catena polipeptidica, o da 2 diverse sub-unità che in presenza del ligando si uniscono fra loro.

Dal punto di vista funzionale possiamo classificarli in due grandi famiglie:

• Recettori legati ad attività enzimatica

• Recettori legati alla proteina G


I recettori legati ad attività enzimatica sono molto

eterogenei dal punto di vista strutturale, anche se

i più noti ed importanti sono di norma costituiti da

due catene polipeptidiche, che a seguito del

legame con il ligando uniscono le loro zone nel

dominio extracellulare in un dimero.

I ligandi in genere comprendono i fattori di

crescita (pelle, neurotrofici, fibroblasti e piastrine)

o gli ormoni (insulina).

La formazione del dimero extra-recettoriale,

consente alle porzioni proteiche intracellulari di

dare inizio ad una attività enzimatica, che nella

maggioranza dei casi è una proteinchinasi.


A seconda dell’amminoacido che viene fosforilato

cambia la denominazione dei recettori:

Tirosin-chinasi

Istidina-chinasi

Serina/treonina chinasi

La chinasi in questi casi generalmente consiste:

• nell’autofosforilazione del recettore: I residui

autofosforilati servono poi come sito di legame

ad alta affinità per altre proteine intracellulari

• nella fosforilazione di altre proteine.


La via Ras/Raf media l'effetto di molti

fattori di crescita e di fattori

mitogeni. Ras, che è il prodotto di un

protoncogene, funziona come

una proteina G e trasferisce il segnale

(per mezzo di uno scambio

GDP/GTP) dalla proteina con dominio

SH2, Grb, che viene fosforilata dal

recettore tirosinchinasico.

L'attivazione del Ras, a sua volta,

attiva Raf,che rappresenta la prima di

una sequenza

di chinasi serina/treonina,ognuna

delle quali fosforila e attiva la chinasi

successiva, in ordine: (RAS-RAF-

MEK-ERK ), quest'ultimo si lega a c-

Fas e c-Jun traslocando nel nucleo e

legandosi al promoter richiamerà

l'Rna polimerasi che tradurrà la

sequenza dando origine alla ciclina D

attivando il processo di riproduzione

cellulare.


I recettori metabotropici sono proteine di membrana legate sul versante citoplasmatico a proteine G (GPCR), e la loro attivazione da il via ad un processo chiamato trasduzione del segnale.

Le proteine G sono proteine enterotrimeriche ad attività GTPasica formate da subunità α, β, γ. Nella forma inattiva, la subunità αlpha lega il GDP ed è associata strettamente al complesso formato dalle subunità β e γ.

Quando attivata dall’interazione con il recettore, la subunità α subisce un cambiamento conformazionale che ne provoca il distacco dal complesso βγ e lo scambio del GDP, ad esso già legato, con una molecola di GTP.

In questo modo tale subunità diventa attiva e può interagire con proteine bersaglio (effettore primario) La subunità αlpha non resta nella conformazione attiva per molto tempo, in virtù della sua attività GTPasica intrinseca, che stacca rapidamente il gruppo fosfato terminale dal GTP, trasformandolo in GDP. Questa attività assicura una risposta cellulare strettamente dipendente dall’attivazione del recettore metabotropico.


La trasduzione del segnale

Ligando

Recettore metabotropo

Proteina G

Enzima - inattivo

GDP


Unione del ligando con il canale – primo messaggero

Cambiamento conformazionale del recettore che lo

porta a legarsi con il recettore


A seguito del legame con il recettore, la proteina

espelle il GDP e si lega invece ad un GTP

GDP

GTP


La presenza del GTP invece che del GDP causa il

distacco della proteina dal recettore e la divisione in

due subunità la G-Alpha-GTP e l’eterodimero Beta-

gamma.

Che restano però ancorati alla membrana plasmatica

e sono liberi di muoversi nei dintorni del recettore.


Il complesso G-alpga-GTP incontrerà un enzima che

svolgerà il ruolo di effettore primario nel processo di

trasduzione. L’enzima inizierà ad utilizzare l’energia

derivante dall’idrolisi del GTP in GDP per produrre

nuove molecole che agiranno da secondi messaggeri

per andare ad attivare l’effettore secondario

Allo stesso modo anche

il complesso beta-

gamma si legherà ad

altri effettori primari per

dare il via alla

produzione di altri

processi metabolici


Una volta completata l’idrolisi del GTP

in GDP il complesso alpha si stacca

dall’effettore primario che terminerà la

produzione di secondi messaggeri.

Una volta tornata libera nel citoplasma il

complesso alpha può incontrare un

complesso beta-gamma libero e

riformare la proteina G originaria.

I GPCR possiedono 7 domini ad α-elica transmembrana, un sito di legame per il neurotrasmettitore posto in profondità al centro della porzione che si affaccia nell’ambiente extracellulare e un dominio intracitoplasmatico che prende contatto con proteine G.

E’ attraverso l’interazione con queste proteine che i recettori metabotropici esercitano i propri effetti.

• I recettori

Fig. 6.2

• I recettori

La maggior parte dei neurotrasmettitori classici attiva sia recettori ionotropici che metabotropici. Ognuno di questi trasmettitori può indurre sia risposte rapide (msec), quali i potenziali postsinaptici eccitatori o inibitori, sia risposte ad insorgenza lenta e di lunga durata. Tale possibilità fornisce al sistema nervoso la capacità di elaborare l’informazione nel tempo e di modularla in risposta alle varie esigenze ambientali.

Questo consente ai recettori metabotropi di svolgere ruoli chiave nel SNC e P. La loro importanza è ulteriormente confermata dall’elevato numero di geni (nell’ordine delle migliaia) che codificano per queste proteine, di cui 350 sono recettori per neutrasmettitori o altri ligandi noti, mentre 150 non hanno ancora avuto una identificazione certa e vengono quindi chiamati recettori orfani.

In generale, i GPCR possono essere raggruppati in 3 famiglie:

• La famiglia A, è di gran lunga la più numerosa e comprende la maggior parte dei recettori per le monoamine e i neuropeptidi.

• La famiglia B è costituita dai recettori della secretina, del glucagone e della calcitonina.

• La famiglia C è costituita principalmente dai recettori metabotropici del glutammato e dai recettori sensibili al Ca2+

Questi recettori interagiscono con il neurotrasmettitore attraverso una regione concava rivolta verso l’esterno della cellula. Uno dei ripiegamenti intracellulari di queste molecole media l’interazione con le proteine G. Il recettore attiva molto male le proteine G in assenza di ligando, ma lo fa efficacemente nella conformazione stabilizzata dalla sua presenza. Un recettore attivato dal ligando può attivare molte copie di proteine G con un effetto a cascata che amplifica il segnale extracellulare.

• I recettori

Esistono diverse classi di proteine G con specificità sia nel bersaglio che nell’attività, delle quali le proteine Gs, Gi, e Gq sono quelle meglio conosciute.

• Le proteine G

Inibitoria

Inibitoria

StimolatoriaCREB

Più abbondante nel cervello, recettori muscarinici

Processi di percezione nella retina

Tab. 6.1

• Le proteine G

Il più classico fra gli effettori primari durante la trasduzione del segnale è L’adenilato ciclasi o adenilico ciclasi, spesso abbreviata come AC, è un enzima della classe delle liasi che catalizza la seguente reazione:

ATP = AMP 3',5'-ciclico + pirofosfato

Fenomeni biologici che sono stati dimostrati dipendere dall'attività delle ACs comprendono:

• funzioni cerebrali mediate da neurotrasmettitori;• differenziamento cellulare embrionale;• fenomeni di resistenza alle azioni molecolari

dell'insulina;• maturazione degli spermatogoni a spermatozoi;• fenomeni di dipendenza da farmaci e/o droghe;• soppressione di certe funzioni immunitarie.

• L’effettore primario

• L’effettore primario

L'attivazione delle PLC è uno dei primi

eventi della risposta cellulare alla

stimolazione da parte di un gran numero

di segnali extracellulari. Grazie al loro

intervento la risposta cellulare si separa

in due vie, regolate dai secondi

messaggeri DAG e IP3. Il DAG rimane

localizzato sulla membrana, così da

mediare l'associazione

della proteinchinasi C (PKC) alla

membrana cellulare, seguita dalla sua

attivazione, dando avvio ad una catena

di fosforilazioni, che concorreranno alle

risposte funzionali della cellula. IP3 è un

messaggero intracellulare

citoplasmatico, che interagisce con il

corrispondente recettore del reticolo

endoplasmatico liscio causando la

liberazione del Ca2+ immagazzinato e,

quindi, l'innalzamento della

concentrazione del Ca2+ intracellulare.

Il Ca2+ è uno dei principali messaggeri

intracellulari ed avvia una ampia serie di

risposte cellulari (contrazione,

secrezione, ecc.).

I secondi messaggeri sono responsabili dell’induzione di nuove attività cellulari:

• il cAMP attiva la protein chinasi A (PKA), • gli ioni calcio attivano, insieme al diacilglicerolo,

la protein chinasi C (PKC) • e, mediante interazione con la calmodulina,

un’altra proteina regolativa, la protein chinasicalcio-calmodulina dipendente (CAMK).

Tutte queste chinasi, a cascata, fosforilano numerosi bersagli proteici all’interno della cellula, modificandone l’attività.

Un’altra importante funzione della PKA è l’attivazione del fattore di trascrizione CREB che attiva la trascrizione di geni che codificano per proteine che una volta sintetizzate, possono legarsi a canali ionici, enzimi e/o proteine strutturali, modificandone l’attività.

• I secondi messaggeri

I recettori metabotropi possono essere classificati non solo sulla base delle diverse funzioni della sub-unità G-alpha-GTP o sugli effetti relativi all’effettore primario o dei secondi messaggeri, ma anche sulla base del ligando a cui questi sono sensibili. Come detto molti di questi recettori sono sensibili agli stessi neurotrasmettitori dei recettori ionotropici e nello specifico possiamo avere:

• recettore metabotropico del glutammato

• recettore muscarinico

• recettore adrenergico

• recettore GABA B

• recettore della serotonina

• recettore della dopamina

Classificazione sulla base del ligando

I recettori metabotropici glutammatergici (o

del glutammato, mGlu), fungono da

modulatori della sinapsi glutammatergica, in

quanto reclutati solo in condizioni di elevate

concentrazioni extracellulari del

neurotrasmettitore.

Si conoscono 8 sottotipi di mGlu (mGlu1-8)

suddivisi in tre gruppi in base all’omologia di

sequenza, al profilo farmacologico e ai

meccanismi di trasduzione del segnale.

• recettore metabotropico del glutammato

I recettori muscarinici possono essere suddivisi in cinque sottotipi

recettoriali: M1, M2, M3, M4, M5 (solo parzialmente

caratterizzato), divisi in base alle omologie della sequenza

peptidica.

I recettori M1, M3 e M5 hanno come secondo messaggero

il diacilglicerolo o DAG e l'inositolo trifosfato o IP3.

L'aumento della concentrazione di questi due secondi messaggeri

nella cellula ne provoca l'attivazione per apertura dei canali

del calcio.

I recettori M2 e M4 invece, inibiscono l'enzima adenilato

ciclasi provocando diminuzione della concentrazione

di cAMP nella cellula. Questo provoca inibizione della cellula

neuronale.

• recettore muscarinico

I recettori adrenergici sono recettori di membrana che

interagiscono con l'adrenalina e altre catecolamine.

A seconda dell'accoppiamento, i recettori adrenergici sono

classificati in α (alfa) e β (beta), a loro volta ripartiti in sottotipi: α¹

e α² e β¹, β² e β³.

I recettori α¹ sono accoppiati alla fosfolipasi C e producono i loro

effetti principalmente grazie al rilascio di Ca2+ intracellulare

I recettori α² sono accoppiati a una proteina G (proteina G

inibitrice) la quale inibisce l'azione dell'adenilato ciclasi riducendo

pertanto la formazione di cAMP così come inibiscono i canali del

calcio.

I recettori β¹ sono accoppiati a Proteine G stimolatrici che

innalzano il livello di cAMP attivando delle proteinchinasi che

innalzano il livello di calcio intracellulare.

I recettori β² sono accoppiati a una proteina G stimolatrice e

attivatrice della Proteinchinasi A che ha come substrato la chinasi

della catena leggera della miosina (MLCK), generando così un

rilassamento muscolare.

• recettore adrenergico

Tipo eccitatorio postsinaptico presente in prevalenza sulla

muscolatura liscia dei piccoli vasi (resistenze periferiche),

la cui stimolazione genera contrazione della muscolatura

liscia vasale generando un aumento della pressione

recettore presinaptico, presente sulle terminazioni nervose, è

deputato alla regolazione della secrezione di

neurotrasmettitori sia catecolaminergici che colinergici: la

sua attivazione determina una diminuzione della produzione

di noradrenalina (feedback negativo) e acetilcolina

recettore di tipo eccitatorio accoppiato a proteina Gs come

tutti i beta recettori; è presente a livello della muscolatura

liscia di alcuni apparati: muscolatura liscia bronchiale,

muscolatura liscia gastrointestinale ed è inoltre presente

sulla muscolatura liscia di coronarie e grandi vasi che

irrorano la muscolatura scheletrica

è un recettore di tipo eccitatorio, presente soprattutto a

livello del tessuto adiposo. Qui attiva l'enzima lipasi che

libera acidi grassi dai trigliceridi

Il recettore GABA B è uno dei due recettori per il GABA (acido γ-

amminobutirrico) che sono presenti a livello del sistema nervoso,

assieme al recettore GABA-A (recettore ionotropo).

I meccanismi effettori associati sono il sistema dell'adenilato-

ciclasi e i canali del calcio e del potassio.

In seguito alla loro attivazione, questi recettori provocano

diminuzione della conduttanza al calcio e aumento di quella al

potassio nelle membrane neuronali.

L'effetto sulla conduttanza del calcio è principalmente associato alle

correnti presinaptiche mediata da canali del calcio di tipo P/Q e N; la

riduzione del calcio intracellulare nel terminale presinaptico è il

meccanismo con cui questi recettori regolano il rilascio di

neurotrasmettitori.

La conduttanza del potassio è invece associata a recettori

GABAB localizzati a livello postsinaptico; l'aumento della

permeabilità al potassio, quindi la sua uscita dalla cellula, si traduce

in un effetto iperpolarizzante della membrana, con conseguente

innalzamento della soglia di eccitabilità della stessa cellula.

• recettore GABA B

I recettori metabotropi serotoninergici (o

della serotonina) sono sei e Si trovano nel sistema

nervoso centrale e periferico, sulla membrana

cellulare delle cellule nervose e in altri tipi

di cellule. Regolano sia l'eccitazione sia

l'inibizione della trasmissione sinaptica.

Modulano il rilascio di neurotrasmettitori, tra cui

l'Acido

glutammico, GABA, dopamina, adrenalina / noradr

enalina e acetilcolina, così come molti ormoni, tra

cui

l'ossitocina, prolattina, vasopressina, cortisolo, corti

cotropina, la sostanza P, ed altri.

Influenzano vari processi biologici e neurologici,

come

l'aggressività, ansia, appetito, conoscenza, appren

dimento, memoria, umore, nausea, sonno e termor

egolazione.

I recettori della serotonina sono il bersaglio di una

varietà di farmaci e sostanze stupefacenti, tra cui

molti antidepressivi, antipsicotici, anoressizzanti,

e allucinogeni.

• recettore della serotonina

Nella classe dei recettori dopaminergici esistono cinque sottotipi

recettoriali, codificati da geni diversi. Ad oggi sono stati clonati 5

geni che codificano per recettori dopaminergici, di conseguenza

sono stati identificati i recettori dopaminergici D1, D2, D3, D4, D5.

I recettori dopaminergici sono stati classificati in due sottoclassi

(D1-like) e (D2-like), sulla base della classificazione filogenetica e

al tipo di proteina G a cui si accoppiano.

D1-like

In questa famiglia si trovano i recettori D1 e D5. L'attivazione di

questi recettori porta all'attivazione dell'adenilato ciclasi, in quanto

accoppiati a proteine G stimolatorie.

D2-like

I recettori D2, D3, D4 appartengono alla sottoclasse dei recettori

dopaminergici D2-like. Questi recettori sono accoppiati a proteine

G inibitorie. L'attivazione di questi recettori ad opera

della dopamina ed altri agonisti comporta l'inibizione

dell'adenilato ciclasi e quindi ad una diminuzione del secondo

messaggero cAMP.

• recettore della dopamina

I CANALI IONICI, I RECETTORI IONOTROPI ed i ... - lumsa.ittoken_custom_uid... · di membrana simile...

Documents

Transcript of I CANALI IONICI, I RECETTORI IONOTROPI ed i ... - lumsa.ittoken_custom_uid... · di membrana simile...