La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

Corso di Fisiologia dei Canali Ionici Docente: Prof. Mauro Toselli Potrete scaricare gli argomenti trattati a lezione al seguente indirizzo.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "Corso di Fisiologia dei Canali Ionici Docente: Prof. Mauro Toselli Potrete scaricare gli argomenti trattati a lezione al seguente indirizzo."— Transcript della presentazione:

1

2 Corso di Fisiologia dei Canali Ionici Docente: Prof. Mauro Toselli Potrete scaricare gli argomenti trattati a lezione al seguente indirizzo web:

3 Presentazione Questo ciclo di lezioni sarà una rapida carrellata su uno dei temi più fertili della Biofisica: I CANALI IONICI Tenterò di convincervi della straordinaria importanza di queste proteine nello svolgimento di tutte le funzioni corporee. Non a caso, gran parte dei veleni di cui alcuni serpenti, ragni, scorpioni, pesci, ecc. si servono per difendersi dai predatori o per immobilizzare le prede (per non parlare dei veleni vegetali come il curaro) impediscono la funzione di qualche canale ionico. --> La millionaria selezione naturale dei genomi non ha solo escogitato moltemacchine intelligen-ti, ma anche molte armi altrettanto intelligenti per distruggerle. Le mutazioni genetiche che portano ad un disordine nel funzionamento di qualche canale ionico hanno conseguenze dannose e spesso disastrose per lorganismo (canalopatìe). Molti scommettono che i canali ionici siano il bersaglio molecolare più promettente per lo sviluppo di nuovi farmaci.

4 1. Un buon punto di partenza è considerare che la struttura portante della membrana cellulare è un doppio strato di (fosfo)lipidi strettamente giustapposti, praticamente impermeabile agli ioni (es. Na+, Cl-) ed alle molecole polari (es. zuccheri, aminoacidi) [Perchè ?] + H 2 O Ricostruzione di un bilayer lipidico

5 Una membrana costituita da un puro bilayer fosfolipidico è impermeabile alle proteine e alla maggior parte delle piccole molecole Gas Etanolo Piccole molecole polari non cariche Acqua Urea Grosse molecole polari non cariche Glucosio Ioni Molecole polari cariche Aminoacidi ATP Glc-6-P

6 Ioni e molecole polari possono attraversare la membrana solo con la mediazione di speciali proteine transmembranarie, chiamate proteine di trasporto.

7 B) i nostri canali ionici, che consentono un rapido flusso transmembranario (sempre secondo gradiente elettrochimico) degli ioni inorganici. 2. Queste sono: A) le proteine transmembranarie che agiscono da carriers per gli ioni e per molte molecole organiche. Tra queste, alcune trasportano le particelle contro-gradiente elettrochimico (trasporti attivi, primari o secondari). Argomento di enorme interesse biotecnologico, degno di essere approfondito in un altro corso specialistico… Basti pensare che uno dei farmaci più diffusi (il Prozac) inibisce un trasportatore (della serotonina)

8 Associazione di proteine di membrana con un bilayer lipidico Legame covalente a molecola lipidica Legame debole, non-covalente, ad unaltra proteina di membrana SPAZIO EXTRACELLULARE CITOSOL Bilayer lipidico foglietto- ancorate a lipidi Periferche attaccate a proteine -elica Transmembrana

9 Come può un legame peptidico polare essere inserito nel core idrofobico di un bilayer fosfolipidico? estremità amino (N-) terminale estremità carbossi (C-) terminale

10 Le - eliche transmembrana tipicamente sono costituite da aminoacidi la maggior parte dei quali idrofobici. triptofanofenilalaninaprolinaisoleucina

11 Tipo di trasportatoreVelocità di turnover Pompe ioniche 2-5· 10 2 /sec Glucoso-permeasi /sec Canale del Na + ~ 10 8 /sec I canali ionici permettono dei flussi molto rapidi e intensi

12 Lato extracellulareLato citoplasmatico Poro acquoso Filtro di selettività Residui di zuccheri bilayer lipidico Struttura di base di un canale ionico

13 Canale ionico in 3D – Shaker K + Quattro subunità Canale ionico in 3D – Porina Unica subunità Canale ionico in 3D – Nicotinico Cinque subunità

14 Ogni canale ionico è costituito da un certo numero di subunità proteiche (o domini della stessa proteina, come si vedrà meglio in seguito), disposte in cerchio in modo da delimitare un poro transmembranario contenente acqua. 3. La struttura dei canali ionici e le proprietà funzionali che ne derivano sono molto diversificate. Due aspetti (riconducibili a parti distinte della loro molecola) sono però particolarmente importanti: -la selettività -il gating

15 La selettività indica lo ione (o gli ioni) che possono attraversare la membrana quando il canale si trova nello stato aperto. alcuni canali sono selettivi () per ununica specie ionica (es. Na +, K +, Ca 2+, Cl - ). alcuni sono selettivi per un gruppo di specie ioniche, tipicamente per i cationi (o per gli anioni) SELETTIVITA:

16 Alcuni canali ionici sono estremamente selettivi nei confronti dei vari ioni La selettività può essere conferita da una combinazione dei seguenti fattori: - presenza di cariche elettriche fisse sulla parete interna del canale di intensità e densità specifiche - raggio anidro dello ione - grado di idratazione dello ione Gli ioni formano dei temporanei legami di coordinazione con residui aminoacidici della parete del poro

17 La selettività ionica dei canali del K + I canali del K + hanno pori più ampi degli ioni Na + e tuttavia favoriscono il passaggio di ioni del K + ma non di ioni Na + Come sono disegnati questi canali per essere selettivamente permeabili a K + ma non a Na + ?

18 Basi molecolari di selettività di un canale K + nei confronti dello ione K + rispetto al Na + Gli ioni K +, idrati in soluzione, perdono le molecole di H 2 O quando passano attraverso il filtro di selettività e formano dei legami di coordinazione con quattro O - di gruppi carbonilici. Gli ioni Na +, essendo più piccoli, non possono coordinarsi perfettamente con questi O - e quindi attraversano il canale solo raramente. K + in H 2 ONa + in H 2 O K + nel poroNa + nel poro

19 Sezione frontale (sinistra) e vista dallalto (destra) di un canale selettivo per lo ione K +. Si possono osservare tre ioni K + che stanno attraversando il poro del canale per diffusione ristretta in singola fila. Le molecole rappresentate da atomi rossi e bianchi sono molecole di H 2 O, alcune delle quali sono ancora legate agli ioni K + a costituire lalone di solvatazione.

20 Passaggio in singola file di ioni K+ attraverso il poro del canale

21 Concentr. di Na + o K + (mM) Conduttanza di singolo canale (pS) I flussi attraverso canali ionici sono saturanti Evidenze per la presenza di siti di legame: Una dipendenza della permeabilità allo ione dalla composizione e dalla concentrazione dello ione implica la presenza di siti di legame nel canale

22 Nei canali cationici il filtro è meno stringente: nel recettore-canale nicotinico, ad esempio, 3 anelli di leucina sbarrano la strada agli anioni, ma i cationi non vengono selezionati

23 GATING: Il poro interno al canale, per effetto delle vibrazioni (variazioni conformazionali spontanee) della proteina, può passare ciclicamente da uno stato chiuso (impermeabile agli ioni) ad uno stato aperto in cui gli ioni passano mediamente ad una velocità di 10 6 /sec Il termine gating (gate = porta, cancello) indica il processo per cui un fattore (o più fattori) privilegia la permanenza di una certa classe di canali nello stato aperto (o nello stato chiuso). NB. Si vedrà che la corrente di singolo canale (dellordine dei pA) può essere misurata con tecniche opportune ( patch clamp). Si tratta della prima registrazione di un segnale fisico generato da una singola molecola ! La casistica è molto complessa: alcuni canali (canali di leakage) restano sempre aperti (canali senza gating). Fisiologia potenziale di membrana in condizioni di riposo alcuni vengono aperti dalla distensione della membrana (stretch-channels o mechanosensitive-channels). Fisiologia meccano-recettori, es. corpuscoli di Pacini, cellule ciliate dellorecchio interno, ….

24 alcuni (A) vengono aperti (o chiusi) da una variazione del potenziale transmembranario. Si tratta dei voltage-operated channels o VOC) Fisiologia es. potenziale dazione (nervoso, muscolare, cardiaco...) alcuni (B e C) vengono aperti (o chiusi) dal legame di mediatori extracellulari coi rispettivi recettori membranali. Si tratta dei (receptor-operated [o ligand-operated] channels o ROC) In questo caso il gating del canale può essere: diretto (B), quando il sito recettoriale fa parte del canale (receptor-channels o ionotropic-receptors) Fisiologia es. il recettore nicotinico per lacetilcolina della placca neuromuscolare. indiretto (C), quando il sito recettoriale per il messaggero extracellulare è situato altrove nella membrana. In questo caso il canale viene aperto (o chiuso) dallazione di un secondo messaggero (o da altri eventi biochimici da esaminare caso per caso) che agisce sul versante intracellulare del canale. Fisiologia es. i fotorecettori retinici o i recettori olfattori. NB: queste vignette hanno un puro valore didattico e non sono aderenti alla realtà dei fatti. Ad es. la gate è solitamente disposta al versante intracellulare (e non a quello extracellulare) del canale GATING:

25 Canali Ionici: classificazione in base alle modalità di apertura Voltaggio-dipendenti: rispondono a variazioni di V m Sempre aperti extracell. intracell. Chemio-dipendenti: rispondono a un messaggero extracellulare neurotrasmettitore Chemio-dipendenti: rispondono a un secondo messaggero (intracellulare) cAMP, cGMP, Ca2+, IP3, proteine G

26 COOPERATIVITA TRA CA NALI IONICI Spesso due o più tipi di canali ionici cooperano per svolgere una determinata funzione.. Un ottimo esempio di funzione integrata svolta da canali ionici è la regolazione della secrezione di insulina (ormone ipoglicemizzante) da parte delle cellule β del pancreas. Sono implicati due tipi di canali: a) un canale al K + operato dallATP intracellulare. Quando la glicemia è normale, questi canali sono aperti e la fuga di K + che essi consentono mantiene il p.di m. a valori negativi. Quando il livello intracellulare di ATP aumenta per un aumento della glicemia, i canali si chiudono e la membrana si depolarizza. b) un canale al Ca 2+ voltaggio dipendente. Quando la membrana viene depolarizzata, questi canali si aprono consentendo un ingresso di ioni Ca 2+, che promuovono la fusione con la membrana di vescicole contenenti insulina. La glicemia diminuisce. La conoscenza di questo meccanismo ha aiutato a curare il diabete, una malattia in cui il sistema di controllo della secrezione di insulina non lavora nel modo corretto. Un approccio terapeutico (adatto per alcuni pazienti, ma non per altri) è quello di bloccare i canali del K + ATP-dipendenti nello stato chiuso (usando farmaci del gruppo della sulfonil-urea), in tal modo facilitando o promuovendo (depolarizzando la membrana delle cellule β) il rilascio dellinsulina.

27 Problemi clinici correlati ai sistemi di trasporto Fibrosi cistica – canali del cloro epiteliali Aritmie cardiache – canali del sodio e del potassio cardiaci


Scaricare ppt "Corso di Fisiologia dei Canali Ionici Docente: Prof. Mauro Toselli Potrete scaricare gli argomenti trattati a lezione al seguente indirizzo."

Presentazioni simili


Annunci Google