canali ionici e proprieta elettriche della membrana

CANALI IONICI E PROPRIETA’ ELETTRICHE DELLE MEMBRANE

Le proteine canale formano pori idrofilici attraverso le membrane. Una classe di queste che troviamo in tutte le cellule animali sono le gap-junction dove ciascuna membrana contribuisce in modo uguale alla formazione del canale. La maggior parte delle proteine canale della membrana plasmatica delle cellule animali e vegetali connettono il citosol con lo spazio esterno e hanno quindi pori stretti ed altamente selettivi. Queste proteine sono deputate soprattutto al trasporto di ioni inorganici e sono dette canali ionici. Sono notevolmente più efficienti rispetto alle proteine trasportatrici: la velocità con cui passano gli ioni è 1000 volte più veloce che con un trasportatore. Il trasporto che mediano è sempre passivo.

Perchè non sono solo pori acquosi?

ß à

sono selettivi hanno “porte”

(passano solo ioni di dimensioni e carica appropriati)

Come aumenta la concentrazione degli ioni, il flusso degli ioni attraverso un canale aumenta in proporzione, ma poi si livella (si satura) ad una velocità massima.

Quali stimoli possono aprire le porte? · una differenza di voltaggio

· stress meccanici

· attacco di un ligando

Come può essere un ligando? r un neurotrasmettitore

r uno ione

r un nucleotide

Fino ad oggi sono stati descritti più di 100 tipi di canali ionici. Una singola cellula nervosa può contenere anche più di 10 specie di canali ionici, posti in domini diversi della sua membrana plasmatica.

Il potenziale di membrana nelle cellule animali dipende soprattutto dai canali che perdono K⁺ e dal gradiente di K⁺ attraverso la membrana plasmatica.

Cos’è il potenziale di membrana? Una differenza di carica elettrica sui due lati.

Da cosa può risultare? Da pompaggio elettronico attivo e da diffusione ionica passiva. In una tipica cellula animale sono i movimenti passivi di ioni che contribuiscono maggiormente al potenziale elettrico.

L’equilibrio osmotico è conservato dalla ATPasi Na⁺-K⁺. A causa della presenza dei canali che perdono K⁺, il K⁺ raggiunge quasi un equilibrio, in cui una forza elettrica esercitata da un eccesso di cariche negative che attraggono K⁺ dentro la cellula equilibra la tendenza del K⁺ a filtrare fuori lungo il suo gradiente di concentrazione.

Il potenziale è la manifestazione di questa forza elettrica ed il suo valore di equilibrio può essere calcolato dalla pendenza del gradiente di concentrazione di K⁺

esterno <--------> interno

forza elettrica del K⁺ _equilibrio effetto del gradiente di conc.

gradiente elettrochimico = φ

Quando non c’è flusso netto di ioni attraverso la membrana plasmatica si dice che il potenziale elettrico è a riposo.

Il potenziale a riposo decade solo lentamente quando si ferma la pompa Na⁺-K⁺.

Per stabilire il potenziale si deve muovere attraverso la membrana un numero di ioni molto piccolo. La pompa è elettrogenica e quando è attiva dà un piccolo contributo diretto al potenziale, pompando 3 Na⁺ fuori e 2 K⁺ all’interno. Lo spegnimento della pompa non abolisce la componente maggiore del potenziale a riposo, generato dal meccanismo di equilibrio del K⁺. Quest’ultima componente persiste finché la concentrazione di Na⁺ all’interno è bassa e quella del K⁺ all’esterno è alta. Questo avviene per parecchi minuti.

E’ ovvio che più una membrana è permeabile ad un dato ione, maggiore è la tendenza del potenziale ad essere spinto verso il valore di equilibrio per quello ione.

La funzione di una cellula nervosa dipende dalla sua struttura allungata.

La comunicazione nelle cellule nervose avviene perchè una perturbazione elettrica prodotta in un punto della cellula diffonde agli altri punti. Questa perturbazione diventa più debole con l’aumentare della distanza dalla fonte, a meno che non venga spesa energia per amplificarla durante il percorso.

Molti piccoli neuroni conducono i loro segnali passivamente senza amplificazione. Grossi neuroni invece impiegano un meccanismo attivo , un onda elettrica che si amplifica automaticamente.

I canali cationici regolati dal voltaggio sono responsabili della generazione dei potenziali di azione nelle cellule eccitabili elettricamente. Fondamentali sono quelli per il Na⁺ ed in molte cellule nervose ci sono anche quelli per il K⁺ voltaggio dipendenti per riportare più rapidamente il potenziale a riposo. Vengono attivati anche prima che l’inattivazione dei canali del Na⁺ sia completa. Sono inoltre più lenti ad attivarsi di quelli del Na⁺.

La mielinazione aumenta la velocità e l’efficienza della propagazione del potenziale di azione nelle cellule nervose.

Da cosa è formata la mielina? Da cellule specializzate di supporto, le cellule gliali. Sono cellule di Schwann nei nervi periferici e di oligodendroglia nel S.N.C.

Registrazioni a patch-clamp indicano che i singoli canali Na⁺ si aprono in un modo “tutto o niente”. Con questo metodo si può infatti registrare la corrente che passa attraverso un singolo canale. PATCH= piccola zona di membrana. La corrente aggregata che attraversa la membrana di un intera cellula non indica il grado di apertura di un singolo canale, bensì il numero totale di canali che sono aperti in un dato momento.

I canali cationici regolati dal voltaggio sono correlati sia per l’aspetto evolutivo che strutturale. Le sequenze amminoacidiche dei canali regolati dal voltaggio per Na⁺, K⁺, Ca^2+, mostrano somiglianze sorprendenti suggerendone l’appartenenza ad una grossa superfamiglia di proteine correlate evolutivamente e strutturalmente. Ad esempio la sequenza degli aminoacidi suggerisce che ciascuna (delle 4) subunità di un canale del K⁺ contenga 6 eliche a che attraversano la membrana, ma, cosa inaspettata, nessuna di esse sembra rivestire il poro che conduce gli ioni. La permeabilità sembra dovuta ad un frammento di 20 aminoacidi di catena polipeptidica che si estenda attraverso la membrana come foglietto b antiparallelo. Altre due regioni funzionali sono state identificate. Queste scoperte suggeriscono che il terminale amminico di ciascuna subunità agisca come una palla attaccata ad un braccio flessibile che occlude l’estremità citoplasmatica del poro poco dopo la sua apertura. Inoltre una delle a eliche transmembrana che è altamente conservata in tutti i canali cationici regolati dal voltaggio noti contiene aminoacidi carichi positivamente spaziati regolarmente. Questa sarebbe un sensore del voltaggio .