I canali ionici di membrana

Le cellule si dicono eccitabili quando, soggette a stimoli opportuni, invertono la polarità di carica membranaria. Tutte le cellule, sia quelle eccitabili che non, sono polarizzate con la differenza che le cellule eccitabili, se opportunamente stimolate, possono invertire tale polarità. Normalmente la cellula a riposo presenta una ddp attorno a -70mV (nelle cellule muscolari è -90mV). Se lo stimolo raggiunge il cosiddetto valore soglia, la membrana si depolarizza fino a -45\-55mV e si viene a creare l’inversione di polarità fino a un valore di +20\25mV. Ciò è dovuto ad un brusco e momentaneo cambiamento delle conduttanze ioniche della membrana che diventa permeabile al sodio e al calcio.

A favorire l’inversione di polarità è l’apertura di determinati canali ionici, macromolecole proteiche che attraversano a tutto spessore una membrana biologica, consentendo il passaggio di ioni nella direzione determinata dal loro gradiente elettrochimico.

La membrana cellulare presenta diversi tipi di canali che possono essere sommariamente suddivisi in canali ionici passivi, canali strutturali di membrana che generano una diretta comunicazione tra l’interno e l’esterno della cellula, sempre aperti e molto più numerosi per il potassio rispetto al sodio (75-100 canali in più per il potassio, dimostrando che la membrana è quasi del tutto permanente al potassio); canali ionici attivi, che in condizioni di potenziale a riposo si presentano chiusi. Questi ultimi a loro volta si classificano in: canali ionici voltaggio dipendenti, canali ionici ligando dipendenti, o a porta chimica, che cambiano conformazione al legame del neurotrasmettitore, aprendosi e canali stretch activated, che sono attivi quando la membrana subisce una sollecitazione meccanica.

Quando questi canali si aprono ci sarà un passaggio di ioni che dipende dal gradiente di concentrazione e dal gradiente elettrochimico, generato dal campo elettrico. All’esterno della cellula la concentrazione di sodio è pari a 140meq\L mentre all’interno è circa 12meq\L. Viceversa la situazione del potassio è opposta: all’esterno della cellula la sua concentrazione è 4,2-4,4 meq\L e all’interno è 145 meq\L. Dunque gli strati sottostanti la membrana cellulare presentano cariche negative mentre quelli sovrastanti cariche positive.

Quando si apre un canale ligando dipendente il flusso di ioni non è estremamente selettivo: se si apre un canale nicotinico a seguito dell’interazione con due molecole di Ach, si ha un flusso cationico misto, cioè entra sodio e fuoriesce potassio secondo il gradiente di concentrazione. Ovviamente il flusso di sodio è maggiore perché questo è spinto sia dal gradiente di concentrazione sia da quello elettrochimico per cui la membrana si depolarizza, mentre la fuoriuscita di potassio è favorita dal gradiente di concentrazione ma è ostacolata dalle cariche positive presenti sulla membrana. Tuttavia attraverso il canale ligando dipendente può passare anche una certa quota di ioni calcio (entra circa il 10%).

Al contrario, i canali voltaggio dipendenti sono selettivi nei confronti delle correnti che li attraversano: se si apre un canale voltaggio dipendente del sodio, sarà solo il sodio a passare. Quindi ci saranno anche canali voltaggio dipendenti del potassio e del calcio.

I canali voltaggio dipendenti sono caratterizzati dalla presenza di sensori di voltaggio, cioè presentano una disposizione ordinata di cariche positive sul segmento S4, solitamente Arg o Lys e si è visto che sostituendo questi amminoacidi con residui apolari si riduce, fino a scomparire, la voltaggio dipendenza del canale. Inoltre i canali voltaggio dipendenti sono presenti in 3 conformazioni:

• CHIUSO: il segmento di connessione tra l’alfa elica 3 e l’alfa elica 4, che rappresenta il sensore di inattivazione, si trova in posizione di apertura mentre il segmento alfa elica F4 è il posizione di chiusura. La ddp è attorno ai -70mV e il canale è chiuso ma attivabile
• APERTO: se stimolato, la ddp del canale passa a -55mV e la porzione F4 passa dalla configurazione di chiusura a quella di apertura.
• INATTIVATO: il canale è chiuso e non attivabile.

I valori di potenziale a cui si aprono i canali del calcio sono diversi rispetto a quelli a cui si aprono i canali del sodio e del potassio per cui si distinguono i canali del calcio voltaggio dipendenti ad alta soglia e a bassa soglia. I primi sono quelli che si aprono a ddp piuttosto distanti dal potenziale di riposo (70 mV) della cellula stessa e sono ad esempio i canali del calcio di tipo L, localizzati nel cuore, anche definiti Long Lasting o canali diidropiridinici (la diidropiridina vi si lega). Ci sono poi i canali di tipo N, dove N sta per neurone poiché questi sono localizzati soprattutto a livello delle sinapsi chimiche, i canali P, i canali Q e i canali R, che si aprono in un range di valori di potenziale che va da -10 a -30 mV. Altro tipo di canali del calcio sono quelli di tipo T, dove T sta per transient, e sono canali a bassa soglia che si aprono a potenziali di -60 mV permettendo un ingresso rapido di calcio all’interno della cellula. Ai fini della polarizzazione e quindi dell’inversione della polarità di carica, le correnti di calcio non danno un contributo sostanziale ma sono responsabili ad esempio della plasticità sinaptica (capacità del sistema nervoso di modificare l’intensità delle sinapsi, di farne delle nuove o di eliminarne alcune), della trasduzione del segnale. Quindi il calcio è circa mille volte più concentrato all’esterno ma il contributo massimale per l’inversione di polarità di carica è dato dai canali del sodio. Se riducessimo le concentrazioni di sodio all’esterno, l’intensità del potenziale d’azione sarebbe minore. Addirittura se sostituissimo il cloruro di sodio dell’ambiente cellulare con il cloruro di colina, la cellula non si depolarizzerebbe. Il valore soglia per l’apertura del canale sodio voltaggio dipendente è -55 mV. Mentre nella maggior parte delle cellule la depolarizzazione è dovuta principalmente all’apertura dei canali del sodio voltaggio dipendente, nelle cellule della muscolatura liscia l’overshot è dovuto all’apertura dei canali del calcio voltaggio dipendenti, come i canali del calcio voltaggio dipendenti, i canali inositolo 4-5 trifosfato dipendenti e i canali strech activated.

I canali del sodio voltaggio dipendenti sono clusterizzati, cioè sono localizzati in zone specifiche del neurone quali il monticolo assonico, detto anche cono d’emergenza, a livello dei nodi di Ranvier, ed è solo qui che il potenziale d’azione può nascere. Quando un neurone si eccita quindi entra il sodio innanzitutto ma nel passaggio del potenziale di membrana da -70 a +20 ci sarà anche l’apertura dei canali del calcio, per cui la concentrazione di calcio intracellulare aumenterà ma dovrà farlo in modo transiente poiché un eccesso di calcio intracellulare può dare eccitotossicità e la cellula può andare incontro ad apoptosi.

I canali strech activated, detti anche meccano sensitivi, non sono eccessivamente presenti sulla membrana cellulare ma sono i responsabili di tutte le attività sensoriali dell’organismo e sono quindi localizzati a livello dei recettori tattili (corpuscolo del Pacini, Ruffini, del Meissner, del Merkel). La loro densità per micron² di membrana cellulare non è estremamente elevata.

Le molecole possono attraversare la membrana per diffusione semplice o attraverso fenomeni di diffusione facilitata o attraverso fenomeni di trasporto attivo secondario. Ad esempio il glucosio a livello intestinale entra nella cellula attraverso dei trasportatori, GLUT, sodio dipendenti. Si tratta quindi di un trasporto attivo secondario: è attivo perché a monte dell’assorbimento c’è la pompa sodio potassio, che mantiene elevate le quantità di sodio all’esterno della cellula. Quando il sodio lega il trasportatore l’affinità del complesso trasportatore-sodio per il glucosio diventa elevata e il glucosio entra nell’enterocita. Nella diffusione facilitata invece l’ingresso della molecola avviene più velocemente di quanto avverrebbe normalmente per gradiente di concentrazione e tale trasporto facilitato è sodio indipendente. Infine il trasporto attivo prevede l’utilizzo di un trasportatore che può essere un antiporto (pompa sodio potassio) o un simporto.

Pompa sodio potassio

Ha la funzione di mantenere il gradiente elettrochimico, favorendo la presenza di sodio all’esterno della cellula e di potassio all’interno (tre ioni sodio entrano e 2 ioni potassio escono). Poiché il potenziale è generato dall’ingresso di sodio è indispensabile che questo sia presente in concentrazioni più elevate all’esterno rispetto all’interno. Oltre a ciò, la pompa garantisce l’omeostasi del volume cellulare: lo ione sodio è estremamente solvatato per cui ogni atomo di sodio che entra trascina con se molte molecole di acqua e se non ci fosse la pompa, la cellula andrebbe incontro a rigonfiamento e lisi. La pompa sodio potassio inoltre determina quello che viene definito “ristoro cellulare” a seguito di un’elevata frequenza di scarico dei neuroni. Normalmente i neuroni hanno delle frequenze di scarica che possono superare i 100 Hz e quindi 200\300 volte in un secondo entra sodio ed esce potassio. Quindi il bilancio dei due ioni non sarebbe più lo stesso se non ci fosse la pompa. Il rendimento della pompa sodio potassio è condizionato, oltre che dalla temperatura, dalla concentrazione del sodio e del potassio stesso: ogni volta che aumenta la concentrazione di sodio e di potassio all’esterno, l’attività della pompa risulta notevolmente aumentata.

Il canale del sodio può trovarsi in tre configurazioni: chiuso, con una differenza di potenziale di 70 mV (in questa configurazione il canale può essere attivato); aperto, quando la differenza di potenziale arriva a -55 mV; inattivo, quando il sensore voltaggio dipendente, che si era aperto velocemente nella fase di attivazione, si richiude più lentamente e il sensore di inattivazione si porta in posizione di chiusura, rendendo il canale del sodio refrattario.

n tal modo il canale del sodio è refrattario e la cellula non è eccitabile nonostante vi sia lo stimolo. La durata della refrattarietà condiziona la frequenza di scarica con la quale i neuroni inviano il segnale. Per esempio se un neurone può scaricare a 600 Hz avrà un periodo di refrattarietà assoluta piccolo ma se può scaricare a massimo 80 Hz avrà un periodo di refrattarietà piuttosto lungo.

Il canale del sodio è un omotetramero costituito da 4 subunità, ognuna costituita da 6 alfa eliche. I sensori di voltaggio del canale del sodio si trovano nell’alfa elica in posizione 4. Ci sono poi dei loop di collegamento citosolici tra l’alfa elica 3 e la 4 responsabili della inattivazione del canale. Ci sono tantissime omologie strutturali nella sequenza primaria dei canali del sodio e del calcio e ci sono molte mutazioni puntiformi che possono portare a malattie definite canalepatie. I loop citosolici sono fosforilati dalla proteina chinasi A e dalla proteina chinasi C per cui l’apertura del canale è regolato oltre che dal potenziale di membrana, anche dal grado di fosforilazione. Tuttavia fosforilazione del canale non significa necessariamente apertura del canale: ad esempio a livello cardiaco, la fosforilazione del canale long lasting mediata dall’interazione della noradrenalina con il recettore beta adrenergico (la NA attiva l’adenilato ciclasi e l’aumento di cAMP promuove la fosforilazione del canale) fa aumentare i livelli del calcio e quindi l’aumento della contrazione cardiaca. Quindi in questo caso la fosforilazione corrisponde all’apertura del canale. In altri casi invece, come nel caso del potassio, la fosforilazione dei canali del potassio invece può portare alla chiusura dello stesso provocando eccitazione della cellula. Quando un canale del potassio si chiude, la cellula si eccita. La famiglia dei canali del potassio è grandissima: ci possono essere di tipo voltaggio dipendente, calcio attivati (si attivano solo quando c’è calcio all’interno della cellula), canali KIR, importanti perché fanno passare il potassio dall’esterno all’interno della cellula, contraddicendo quello che abbiamo detto finora, al fine di stabilizzare la ddp.

Accanto ai recettori ionotropi, ci sono poi i recettori di membrana che agiscono con l’ausilio di neurotrasmettitori e attivano dei pathway trasduzionali che hanno latenze più o meno lunghe a seconda della lunghezza della via di trasduzione del segnale.

Tutte le cellule, sia quelle eccitabili che quelle non eccitabili, si polarizzano attraverso meccanismi comuni. La genesi del potenziale di riposo è dovuta ad una diversa permeabilità della membrana cellulare al sodio e al potassio (la membrana è molto permeabile al potassio, poco al sodio), al passaggio del potassio da un punto all’altro della membrana e alla pompa sodio potassio. Supponiamo di avere una cellula sulla cui membrana sono espressi solo i recettori del potassio, per cui la cellula è permeabile al potassio e completamente impermeabile al sodio.

Nella cellula sono quindi presenti ioni potassio e anioni. Poiché la concentrazione del potassio nella cellula è elevata, questo incomincia ad uscire dalla cellula. Nell’immagine centrale si osserva che a mano a mano che il potassio esce, sulla porzione esterna della membrana si stratifica una carica positiva. Nella terza immagine ci troviamo in una situazione di perfetto equilibrio elettrochimico, cioè in una situazione di equilibrio tra il gradiente di concentrazione che spinge il potassio dall’interno verso l’esterno e il campo elettrico (la forza di repulsione che spinge il potassio verso l’interno della cellula). Ciò significa che quanto più potassio esce e stratifica cariche positive all’esterno, tanto più la fuoriuscita di potassio è ostacolata dalla carica positiva di membrana. Questo equilibrio può avere un riscontro matematico nella equazione di Nernst: