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Canali Voltaggio-dipendenti per il Ca 2+ La struttura molecolare dei canali del Ca 2+ è nel suo insieme del tutto simile a quella dei Na V, sebbene (piccole)

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Canali Voltaggio-dipendenti per il Ca 2+ La struttura molecolare dei canali del Ca 2+ è nel suo insieme del tutto simile a quella dei Na V, sebbene (piccole)

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Presentazione sul tema: "Canali Voltaggio-dipendenti per il Ca 2+ La struttura molecolare dei canali del Ca 2+ è nel suo insieme del tutto simile a quella dei Na V, sebbene (piccole)"— Transcript della presentazione:

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2 Canali Voltaggio-dipendenti per il Ca 2+

3 La struttura molecolare dei canali del Ca 2+ è nel suo insieme del tutto simile a quella dei Na V, sebbene (piccole) differenze nelle sequenze cambino profondamente la selettività, il gating e la sensibilità ai farmaci. Le subunità alfa sono costantemente associate a subunità accessorie, in numero maggiore di quelle del Na+: α2, β, γ e δ. I canali del Ca VD sono tutti bloccati (pur con sensibilità diverse) dal Cadmio (Cd2+) e dai metalli pesanti (Ni2+, Co2+ e La3+).

4 Subunità 1: 4 domini omologhi (I- IV), con 6 segmenti transmembrana ciascuno; Subunità : intracellulare, costituita da più a eliche; Subunità 2 : in giallo le regioni idrofobiche; I siti di interazione tra le subunità sono indicati da frecce bipolari. Organizzazione strutturale dei canali del Ca VD

5 Classificazione in base alle proprietà elettrofisiologiche: a) Canali LVA (low-voltage-activated (-70mV); avendo una spiccata inattivazione voltaggio-dipendente, sono stati chiamati canali T (transient). Sono sensibili allamiloride. b) Canali HVA (high-voltage-activated (-30m/-20V); hanno uninattivazione molto più lenta. Poi sè visto che si tratta di una famiglia comprendente molti membri, che sono stati indicati da lettere (P, Q, R ecc.) -40 mV 100 pA 30 ms Correnti di Ca LVA 0 mV 400 pA 30 ms Correnti di Ca HVA

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7 1C (L) 1E (R) 1G (T) 50 ms I diversi sottotipi di canali del Ca inattivano in maniera differente

8 Possibile modello di inattivazione VD dei canali del Ca Il linker intracellulare tra i domini I e II potrebbe agire da particella inattivante che fisicamente occluderebbe il poro del canale interagendo, almeno in parte, con le regioni S6 dei domini II e III del canale. La subunità del canale del Ca si associa con il linker tra i domini I-II modificando le proprietà dellinattivazione; essa potrebbe interagire sia con la subunità 1 che con la membrana.

9 Possibile modello di inattivazione Ca-dipendente dei canali del Ca Unelevata concentrazione di Ca intracellulare innesca linattivazione dei canali di tipo L. Il sensore per il Ca sarebbe una molecola di calmodulina (CaM). CaM è costitutivamente legata al complesso del canale. Linattivazione avverrebbe tramite uninterazione Ca-dipendente della CaM legata con un motivo IQ-simile sulla coda carbossilica di 1C. È possibile che un meccanismo analogo intervenga anche a livello dei canali N, P/Q ed R (Peterson, Neuron, 1999). CHIUSOAPERTOINATTIVATO Voltaggio Ca 2+ Nello stato chiuso (iperpolarizzato) laccesso della CaM alla regione IQ-simile è ridotto. Nello stato aperto (depolarizzato) la CaM legata ha un rapido accesso al dominio IQ-simile. Laccumulo di Ca 2+ sulla bocca interna del canale porta allattivazione Ca-dip. della CaM. Linterazione di CaM-Ca 2+ con la regione IQ-simile induce linattivazione del canale.

10 Canali voltaggio-dipendenti per il Ca2+ di tipo L I canali L o recettori per le di-idro-piridine (DHP, come la Nifedipina ola nimodipina) hanno unenorme importanza in Fisiologia. Sono tipici del muscolo scheletrico, ma sono presenti anche nel cuore (*) e nel sistema nervoso. Hanno uninattivazione più o meno lenta, che è anche Ca- dipendente. (*) il bloccante Verapamil viene impiegato nella cura della tachicardia parossitica

11 Canali VD per il Ca 2+ di tipo L nel muscolo scheletrico Nel muscolo scheletrico, i canali L sono addensati nei tubuli trasversi del reticolo sarcoplasmatico, dove funzionano da sensori del voltaggio. Sono accoppiati (con lansa di connessione II-III) ad altri canali del Ca2+ (Ca-dipendenti) presenti nei tubuli longitudinali del ret.sarc., detti recettori della Ryanodina. Si attiva così un il rilascio di Ca che attiva con grande rapidità (per feedback positivo) lapparato contrattile.

12 Ca 2+ Ca 2+ Ca 2+ Ca 2+ Modello per il rilascio voltaggio- dipendente del Ca 2+ Vm Ca Depolarizzata Ca Sensore del volt. Canale di rilascio TT RS A riposo Ca 2+

13 Canalopatie dove sono coinvolti canali del Ca2+ VD Si è osservato che la paralisi periodica ipokaliemica, che si manifesta con debolezza muscolare che compare alladolescenza, è associata a mutazioni del gene del canale L (cromosoma 1). I segmenti S4 dei domini II o IV hanno meno Arg (quindi i canali hanno minor sensibilità al voltaggio) e linattivazione è più rapida. E comprensibile che queste caratteristiche riducano il rilascio intracellulare di Ca2+. Si pensa che mutazioni del gene del RYR (cromosoma 19) siano la causa della ipertermia maligna: unanomala risposta allanestesia generale con alotano e succinilcolina (convulsioni muscolari dovute ad un aumentato rilascio di Ca2+ intracellulare, aumento della temperatura corporea, squilibrio idrosalino) che risulta fatale in 1 caso su La situazione è recentemente migliorata grazie alla diagnosi precoce ed alluso del dantrolene, che inibisce il rilascio di Ca2+ da parte del ret.sarc. Può essere interessante ricordare che la mutazione è presente in tutti i maiali domestici (mentre manca nei porci selvatici) che presentano sensibilità allalotano. E probabile che la mutazione sia stata selezionata (inconsapevolmente) dagli allevatori perché si accompagna ad aumento della massa muscolare.

14 Canali VD per il Ca 2+ di tipo L nel muscolo cardiaco SR + TT Ca 2+ SRTT Accoppiamento EC Cardiaco (Ca 2+ -induced-Ca 2+ -release) Canale del Ca 2+ Canale di rilascio + + Vm

15 Nel muscolo liscio, il ret.sarc. è praticamente assente. Qui lattivazione dellapparato contrattile (non organizzato in sarcomeri) è totalmente dipendente dal Ca2+ che entra attraverso i canali L della membrana plasmatica. Il fenomeno dellaccoppiamento eccitazione contrazione nei tessuti muscolari illustra bene la doppia importanza dei canali del Ca2+: fanno entrare nella cellula ioni con carica positiva (similmente ai Na V ) fanno anche comparire nella cellula un vero e proprio secondo messaggero (gli ioni Ca2+) che ha uno straordinario potere regolatore di molti processi intracellulari Canali VD per il Ca 2+ di tipo L nel muscolo liscio

16 Qui operano canali N (per neuronal, bloccati dall ω-Conotossina), che sono esclusivi del SNC, ma anche canali P (da Purkinje, bloccati dall ω-Agatossina, i quali sono presenti sia nel SNC che nel cuore) e canali Q ed R, per i quali non è noto alcun bloccante specifico. Un altro esempio di enorme importanza funzionale è l esocitosi regolata di vescicole (v. rilascio di insulina) in tutte le cellule secernenti (vedi LIBRO) Un caso particolarissimo di esocitosi regolata è la liberazione di vescicole contenenti neurotrasmettitore nella trasmissione sinaptica…. Canali voltaggio-dipendenti per il Ca2+ di tipo N e P/Q nellesocitosi

17 Questi canali sono addensati nelle terminazioni presinaptiche, dove sono essenziali per il rilascio di neurotrasmettitore. In particolare sono presenti al centro delle zone attive alle quali sono ancorate le vescicole sinaptiche pronte al rilascio (pool di rilascio). Le zone attive sono formazioni del citoscheletro altamente ordinate, visibili in freeze fracture dal versante citoplasmatico della membrana presinaptica). In corrispondenza delle zone attive, i lipidi della membrana sono organizzati a formare dei rafts (zattere). Larrivo del pda e la conseguente depolarizzazione della membrana presinaptica apre i canali del Ca2+ …. …. ed il Ca2+ fa scattare un complesso sistema di controllo (sul quale possono agire molte tossine batteriche e veleni animali). La fusione delle vescicole promossa dal Ca2+ è preceduta da fasi preliminari: Eventi pre-simnaptici

18 A) Docking (attracco) … La T. botulinica è il veleno più potente che si conosca La sua dose letale è talmente bassa che ne basterebbe meno di 1 grammo per eliminare tutta la specie umana ! Anche la T.tetanica agisce sul sistema di controllo della liberazione di vescicole sinaptiche B) Priming (preparazione) … La latratossina, il principio attivo del veleno della Vedova Nera, provoca la liberazione spontanea ed incontrollata delle vescicole C) allarrivo del pda si ha la fusione Ca- dipendente (Fusion, preceduta dalla formazione di un poro attraverso il quale passerà il neurotrasmettitore), che consente lesocitosi delle vescicole ancorate alle zone attive (pool di rilascio).

19 La combinazione del neurotrasmettitore con i propri recettori presenti nella membrana postsinaptica consentirà la trasmissione sinaptica (una depolarizzazione [EPSP] nelle sinapsi eccitatorie o un iperpolarizzazione [IPSP] nelle sinapsi inibitorie…) Ma questa è una storia che riguarda i canali chemio-dipendenti … La trasmissione sinaptica

20 Ruolo dei canali del Ca2+ al di fuori delle zone attive della membrana pre-sinaptica Canali VD per il Ca2+ (solitamente del tipo L) sono anche presenti nella membrana presinaptica al di fuori delle zone attive (A). La loro attivazione (B) serve a distaccare le vescicole del pool di deposito dai filamenti di actina del citoscheletro, quindi a rifornire il pool di rilascio. Lo schema C illustra il processo in maggior dettaglio. Anche in questo caso si mette bene in evidenza il ruolo del Ca 2+ come secondo messaggero intracellulare !

21 Zone attive della placca neuro-muscolare Le zone attive della placca neuromuscolare (anchesse visibili in freeze fracture dalla faccia citoplasmatica della membrana presinaptica) sono organizzate in modo diverso.. Sono delle strisce altamente organizzate, ognuna delle quali assomiglia ad una serie di costole articolate su di una colonna vertebrale, ma lintervento dei canali del Ca 2+ (visibili assieme ai pori di fusione dalla faccia della m. presinaptica che dà verso la fessura sinaptica) nel rilascio di acetilcolina (*) è concettualmente identico. (*) nelle sinapsi centrali il neurotrasmettitore eccitatorio è quasi sempre l acido glutamico

22 Movimenti (compreso il battito cardiaco), sensazioni, pensieri, emozioni (tutte le funzioni del sistema nervoso dipendenti dalla trasmissione sinaptica) …. avvengono grazie alla presenza di un complesso sistema di canali ionici che abbiamo appena cominciato ad esaminare. Naturalmente, si tratta di una condizione necessaria (queste funzioni sono impedite o compromesse se i canali ionici vengono messi fuori uso) … … ma non sufficiente, cioè i canali ionici, per essere utili, devono operare in un contesto altamente ordinato di membrane, trasporti attivi, organuli intracellulari, collegamenti intracellulari, ecc…

23 Il fondamentale ruolo del Ca2+ come messaggero intracellulare non deve far dimenticare che si tratta di un catione, e che il suo ingresso in cellula per apertura di canali voltaggio-dipendenti avrà degli effetti elettrici sul potenziale di membrana. In prima approssimazione, è prevedibile che questo ingresso determinerà una depolarizzazione. Lingresso di Ca2+ depolarizza la cellula Ma cè di più: infatti lingresso di cariche positive attraverso canali VD attivati dalla depolarizzazione, in modo del tutto analogo a quanto avviene nel caso del Na+ (A, ma a differenza di quanto avviene per i canali del K+, B), può facilmente diventare autorigenerativo e dar luogo a veri e propri potenziali dazione al Ca2+.

24 g Ca aiuta a raggiungere la soglia g Ca = 0 10 nA 1.5 s 10 nA g Ca = 2 S La presenza di canali del calcio aumenta leccitabilità neuronale

25 Solitamente lingresso di Ca 2+ attraverso canali VD accompagna (e prolunga) i pda al Na+. E il caso delle fibrocellule muscolari scheletriche, ma soprattutto delle fibrocellule muscolari cardiache. Qui lingresso di Ca2+ non solo potenzia leffetto del Na+ nella fase iniziale del pda (depolarizzazione ed overshoot), ma perdura anche quando i canali del Na+ si sono inattivati (linattivazione dei canali del Ca2+ cè, ma è incompleta), dando luogo ad un lungo plateau. Domanda: ma se durante il plateau entrano cariche positive sotto forma di ioni Ca2+, perché il pdm si mantiene costante ? Risposta: perché durante il plateau la corrente entrante di Ca2+ è esattamente controbilanciata da una corrente uscente di K+ Ruolo dei canali voltaggio-dipendenti per il Ca nel PdA cardiaco (tessuto di lavoro)

26 Questo lunghissimo plateau del pda cardiaco è funzionalmente importante per due buone ragioni: a) il Ca2+ che entra attraverso i canali (L) della membrana plasmatica attiverà il Ca- activated Ca-release del reticolo sarcoplasmatico, quindi la contrazione del cuore; b) mantenendo depolarizzata la membrana, la rende ineccitabile per tutta la sua durata (perché mantiene inattivati i canali del Na+). In altre parole: durante il plateau, il cuore si trova in uno stato di refrattarietà assoluta, quindi per tutta la durata della contrazione (della sistole) non può essere nuovamente eccitato. La situazione è molto diversa da quella che si ha nel muscolo scheletrico, nel quale la refrattarietà assoluta termina ancor prima che inizi la contrazione.

27 Il muscolo scheletrico infatti (per fortuna !) è tetanizzabile, cioè le singole scosse possono sommarsi tra loro fino alla completa fusione, producendo un aumento della forza contrattile. Di fatto, la maggior parte delle nostre contrazioni sono dei tetani. Il cuore invece (per fortuna !) non è tetanizzabile: qualunque stimolo ectopico è inefficace per tutta la durata della sistole (I), e può produrre una seconda contrazione (extrasistole) solo mentre il cuore si sta rilasciando.. Ma qui stiamo uscendo dal seminato !

28 Non mancano esempi di pda sostenuti solo dallingresso autorigenerativo di Ca2+, come il gigantesco pda delle cellule del Purkinje del cervelletto, evocato dalla stimolazione delle fibre rampicanti (attivazione di canali P). Un altro esempio funzionalmente molto rilevante è quello del miocardio di conduzione (tessuto pacemaker del cuore). Questi pda al Ca2+ si generano spontaneamente (o meglio, per effetto dellautomatismo tipico del pacemaker), e poi si propagano a tutte le fibrocellule del miocardio di lavoro (che di per sé resterebbero in riposo). Queste, eccitate, genereranno i pda provvisti di plateau che abbiamo visto prima. Curiosamente, nel miocardio di conduzione il contributo del Na+ non manca perché i canali del Na+ siano assent:. questi ci sono, ma non entrano in gioco perché sono sempre inattivati (nel tessuto pacemaker, il potenziale di membrana non diviene mai sufficientemente negativo da rimuoverne linattivazione). Potenziali dazione al Ca 2+ nelle cellule pacemaker cardiache

29 Interazione tra canali T e canali f Lesempio del pda (al Ca 2+ ) del pacemaker cardiaco ci offre lopportunità di parlare di un altro tipo di canali voltaggio-dipendenti: i canali f (funny), espressi anche in molti neuroni autoritmici del SNC (dove vengono chiamati canali h)funny I canali del Ca2+ di tipo L (e T) sostengono il pda, ma per essere attivati necessitano di una depolarizzazione della membrana. Questa, nelle cellule autoritmiche, avvienespontaneamente e si chiama prepotenziale. Nel tessuto pacemaker, il prepotenziale (e con esso lautomatismo cardiaco) è generato dallapertura dei canali-f.

30 Modulazione dei Canali f Di grande importanza è la modulazione (variazione della sensibilità al voltaggio) dei canali f operata dallorto- e dal para-simpatico tramite i rispettivi neurotrasmettitori. Modulando i canali f, lorto- ed il para-simpatico regolano la frequenza cardiaca (!!), come se fossero luno lacceleratore e laltro il freno di unautomobile. Questi neurotrasmettitori agiscono su recettori accoppiati a proteine-G e fanno rispettivamente aumentare e diminuire il livello intracellulatre di AMPc. I canali f sono voltaggio-dipendenti, ma anche chemio-dipendenti (dal versante intracellulare), una condizione tuttaltro che infrequente.

31 Correnti T neuronali e spikes al Ca 2+ V hold -90 mV

32 Attività oscillatoria -65 mV -65 mV PdA al Na + Spike al Ca 2+ attivazione I h attivazione I T deattivazione I h inattivazione I T rimozione inattivazione I T Potenziale pacemaker Attività ritmica spontanea in un neurone talamico Bursts di PdA dovuti allinterazione della corrente di Ca 2+ I T con la corrente pacemaker entrante I h 1 s

33 La struttura dei canali HCN Una subunità presenta: 6-DTM come i canali Kv S4 riconosciuto come sensore del voltaggio per l'elevata presenza di residui carichi positivamente motivo GYG nel linker S5-S6, tipico del filtro di selettività dei canali Kv nel C-terminale è presente un dominio CNB come nei canali CNG si pensa che i canali siano formati da TETRAMERI come i canali Kv indietro Appartengono alla classe dei canali HCN: canali cationici attivati dalliperpolarizzazione. Vengono attivati alla fine di ogni pda, quando la membrana si iperpolarizza. La loro apertura genera una corrente entrante che, depolarizzando la membrana, produce il prepotenziale, quindi il pda successivo.


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