Canali ionici: cosa sono, tipologie. e come funzionano nelle cellule

I canali ionici sono complessi proteici, situato nelle membrane cellulari, che regolano processi vitali come il battito cardiaco o la trasmissione di segnali tra i neuroni.

In questo articolo spiegheremo in cosa consistono, qual è la loro funzione e struttura, quali tipi di canali ionici esistono e la loro relazione con varie malattie.

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Cos'è un canale ionico?

Comprendiamo per canali ionici complessi proteici pieni di pori acquosi, che consentono il passaggio degli ioni, facendoli fluire attraverso la membrana cellulare. Questi canali sono presenti in tutte le cellule, di cui sono una componente essenziale.

Ogni cellula è circondata da una membrana che la separa dall'ambiente esterno. La sua struttura a doppio strato lipidico non è facilmente permeabile a molecole polari come amminoacidi o ioni. Pertanto, è necessario trasportare queste sostanze dentro e fuori la cellula per mezzo di proteine ​​di membrana come pompe, trasportatori e canali ionici.

i canali sono costituiti da una o più proteine ​​diverse chiamate subunità (alfa, beta, gamma, ecc.). Quando più di loro si uniscono, creano una struttura circolare al centro della quale è presente un foro o poro, che consente il passaggio degli ioni.

Una delle particolarità di questi canali è la loro selettività; cioè loro determinare che alcuni ioni inorganici passano e non altri, a seconda del diametro e della distribuzione dei suoi amminoacidi.

L'apertura e la chiusura dei canali ionici è regolata da vari fattori; uno stimolo o sensore specifico è ciò che determina la loro fluttuazione da uno stato all'altro alterando la loro composizione.

Ora vediamo quali funzioni svolgono e qual è la loro struttura.

Funzioni e struttura

Dietro processi cellulari essenziali, come la secrezione di neurotrasmettitori o la trasmissione di segnali elettrici, ci sono i canali ionici, che conferiscono capacità elettriche ed eccitabili alle cellule. E quando falliscono, possono verificarsi numerose patologie (di cui parleremo più avanti).

La struttura dei canali ionici si presenta sotto forma di proteine ​​​​transmembrana e agire come un sistema di porte per regolare il passaggio di ioni (potassio, sodio, calcio, cloro, ecc.) attraverso i pori.

Fino a qualche anno fa si pensava che i pori e il sensore di tensione fossero accoppiati tramite a linker o "linker" (una spirale di circa 15 amminoacidi), attivabile con il movimento del sensore voltaggio. Questo meccanismo di accoppiamento tra le due parti del canale ionico è il meccanismo canonico da sempre teorizzato.

Recentemente, tuttavia, una nuova ricerca ha scoperto un altro percorso che coinvolge un segmento di amminoacidi costituito da parte del sensore di tensione e parte del poro. Questi due segmenti si incastrerebbero insieme come una cerniera per attivare l'apertura o la chiusura del canale. A sua volta, questo nuovo meccanismo potrebbe spiegare le recenti scoperte, in cui alcuni canali ionici voltaggio-dipendenti (alcuni responsabili di funzioni come il battito cardiaco) con solo a linker.

I canali ionici voltaggio-dipendenti sono solo uno dei tipi di canali esistenti, ma ce ne sono altri: vediamo quali sono dopo.

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Tipi di canali ionici

I meccanismi di attivazione dei canali ionici possono essere di vario tipo: da ligando, da voltaggio o da stimoli meccanosensibili.

1. Canali ionici ligando-dipendenti

Questi canali ionici aperto in risposta al legame di alcune molecole e neurotrasmettitori. Questo meccanismo di apertura è dovuto all'interazione di una sostanza chimica (che può essere un ormone, un peptide o un neurotrasmettitore) con una parte del canale chiamata recettore, che genera un cambiamento di energia libera e modifica la conformazione della proteina, aprendo il canale.

Il destinatario del acetilcolina (un neurotrasmettitore coinvolto nella trasmissione dei segnali tra nervi motori e muscoli) di tipo nicotinico, è uno dei canali ionici ligando-dipendenti più studiati. È composto da 5 subunità di 20 aminoacidi ed è coinvolto in funzioni di base come controllo volontario del movimento, della memoria, dell'attenzione, del sonno, della vigilanza o dell'ansia.

2. canali ionici voltaggio-dipendenti

Questo tipo di canali si aprono in risposta a variazioni di potenziale elettrico attraverso la membrana plasmatica. I canali ionici voltaggio-dipendenti sono coinvolti nella trasmissione di impulsi elettrici, generando potenziali d'azione dovuti a cambiamenti nella differenza di cariche elettriche su entrambi i lati del membrana.

Il flusso di ioni avviene in due processi: per attivazione, un processo voltaggio-dipendente: il canale si apre in risposta alle variazioni del potenziale di membrana (differenza di potenziale elettrico su entrambi i lati del membrana); e inattivazione, processo che regola la chiusura del canale.

La funzione principale dei canali ionici voltaggio-dipendenti è generazione di potenziali d'azione e loro propagazione. Ne esistono di diversi tipi e i principali sono:

2.1. Canale Na+

Sono proteine ​​transmembrana che permettono il passaggio degli ioni sodio attraverso la cellula. Il trasporto di ioni è passivo e dipende solo dal potenziale elettrochimico dello ione (non richiede energia sotto forma di una molecola di ATP). Nei neuroni, i canali del sodio sono responsabili della fase ascendente del potenziale d'azione. (depolarizzazione).

2.2. canale K+

Questi canali ionici costituiscono il gruppo più eterogeneo di proteine ​​strutturali di membrana. Nei neuroni, la depolarizzazione attiva i canali K+ e facilita l'uscita del K+ dalla cellula nervosa, portando a una ripolarizzazione del potenziale di membrana.

23. canale Ca++

Gli ioni calcio promuovono la fusione della membrana della vescicola sinaptica (strutture situate nel fine dell'assone neuronale e responsabile della secrezione di neurotrasmettitori) con la membrana terminale dell'assone al neurone, stimolando il rilascio di acetilcolina nella fessura sinaptica mediante un meccanismo di esocitosi.

2.4. Cl-canale

Questo tipo di canali ionici è responsabile della regolazione dell'eccitabilità cellulare, del trasporto tra le cellule, nonché della gestione del PH e del volume cellulare. I canali situati nella membrana stabilizzano il potenziale di membrana nelle cellule eccitabili. sono anche responsabile del trasporto tra le cellule di acqua ed elettroliti.

3. Canali ionici regolati da stimoli meccanosensibili

Questi canali ionici aperto in risposta ad azioni meccaniche. Si possono trovare, ad esempio, nei corpuscoli di Paccini (recettori sensoriali della pelle che rispondono a vibrazioni rapide e a profonda pressione meccanica), che si aprono stirando la membrana cellulare attraverso l'applicazione di tensione e/o pressione.

Canalopatie: patologie associate a queste molecole

Da un punto di vista fisiologico, i canali ionici sono fondamentali per l'equilibrio omeostatico del nostro organismo. La sua disfunzione provoca tutta una serie di malattie, note come canalopatie. Questi possono essere prodotti da due tipi di meccanismi: alterazioni genetiche e malattie autoimmuni.

Tra le alterazioni genetiche, ci sono mutazioni che si verificano nella regione codificante del gene per un canale ionico. È comune che queste mutazioni producano catene polipeptidiche che non vengono elaborate correttamente e non vengono incorporate nella membrana plasmatica; oppure, quando le subunità si accoppiano e formano i canali, questi non sono funzionali.

Un'altra possibilità frequente è che, sebbene siano canali funzionali, finiscano per mostrare una cinetica alterata. In ogni caso, spesso portano al guadagno o alla perdita della funzione del canale.

Anche le mutazioni possono verificarsi nella regione del promotore del gene che codifica per un canale ionico. Ciò può causare sottoespressione o sovraespressione della proteina, producendo cambiamenti nel numero di canali, che causerebbero anche un aumento o una diminuzione della sua funzionalità.

Attualmente sono note molteplici patologie associate ai canali ionici in diversi tessuti. A livello muscoloscheletrico, mutazioni nei canali voltaggio-dipendenti Na+, K+, Ca++ e Cl- e nel canale dell'acetilcolina portare a disturbi come paralisi iperkaliemica e ipokaliemica, miotonia, ipertermia maligna e miastenia.

A livello neuronale, sono state proposte alterazioni nei canali voltaggio-dipendenti del Na+, K+ e Ca++ per voltaggio, il canale attivato dall'acetilcolina o quello attivato dalla glicina, potrebbero spiegare disturbi come l'epilessia, l'atassia emicrania episodica, emicrania emiplegica familiare, sindrome di Lambert-Eaton, morbo di Alzheimer, morbo di Parkinson e schizofrenia.

Riferimenti bibliografici:

• J. T. Menéndez, "Pori e canali ionici regolano l'attività cellulare", in Anales de la Real Academia Nacional de Farmacia, 2004, p. 23.
• Anna I. Fernandez-Marino, Tyler J. Harpole, Kevin Oelstrom, Lucie Delemotte e il barone Chanda. "Le mappe di interazione di gating rivelano una modalità di accoppiamento elettromeccanico non canonica nel canale Shaker K+". Nature Structural & Molecular Biology 25: 320–326, aprile 2018.
• G. Eisenman e J.A. Dani. Anna (1987). Un'introduzione all'architettura molecolare e alla permeabilità dei canali ionici. rev. Biofisica. Biofisica. Chem, 16. pp. 205-226.
• Ailey, D. J. (1989) La fisiologia delle cellule eccitabili. Pressa dell'Università di Cambridge.