I CANALI IONICIPSICOBIOLOGIA LEZIONE NR. 11

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

caratteristiche 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

Canali ionici regolati

da voltaggio

Recettori ionotropi e

metabotropi regolati

da ligando

• Canali regolati dal potenziale di membrana

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.

• Canali regolati dal potenziale di membrana

Queste capacità dipendono dalla struttura del canale, che

comprende 4 sub-unità di circa 300-400 amminoacidi.

Ciascun dominio comprende 6 diversi segmenti o domini

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

• Canali regolati dal potenziale di membrana

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 sodio

Canali voltaggio dipendenti del Potassio

Canali voltaggio-dipendenti del calcio