Canali  ionici  

O  degli  accordi  complessi  

Trasduzione  

•  Con  il  termine  “trasduzione”  si  intende  un  insieme  di  processi,   che   convertono   il   segnale,   dall’esterno  all’interno   della   cellula,   mediante   il   legame   tra   1°  messaggero   (sostanza   endogena   o   farmaco),  rece@ore   extracel lu lare   e   2°   messaggero  intracellulare.  

•   Il  risultato  della  trasduzione  del  segnale  è  la  risposta  biologica  della  cellula.  

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Classificazione  

•  Hpo  1,  collegaH  a  canali  ionici  o  ionotropici;  •  Hpo   2 ,   accopp iaH   a   p ro te ine   G   o  metabotropici;  

•  Hpo  3,  accoppiaH  a  Hrosinochinasi;  •  Hpo  4,  citoplasmaHci  o  nucleari.  

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•  Il   1°  messaggero   (agonista)   si   lega   al   rece@ore   presente  sulla   membrana   e   va   a   modificare   l'effe@ore,   che   in  questo  caso  è  il  canale  ionico.  

•  L'accoppiamento   è   dire@o,   ossia   non   è   necessario   un  mediatore.  Il  suo  effe@o,  pertanto,  è  rapidissimo.  

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Rece@ori  ionotropi  

•  L’aRvazione   del   rece@ore   determina  l’apertura  di  un  canale  ionico,  che  si  trova  nei  pressi  e  lascia  passare  ioni  (Ca++,  K+,  Cl-­‐,  Na+).  

•  Il  flusso  di  ioni,  in  entrata  o  in  uscita,  provoca  depo la r i z zaz ione   (ecc i t a z ione   de l l a  membrana)   o   iperpolarizzazione   (inibizione  della  membrana).  

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•  I   rece@ori   di   Hpo   2   sono  molto   rappresentaH   nelle  cellule.   In  quesH  casi,   la   trasduzione  del   segnale  ha  bisogno  di  un  mediatore,  denominato  proteina  G.  

•  Il   legame   di   un   1°  messaggero   con   il   suo   specifico  rece@ore  aRva   la  proteina  G,   la  quale  aRva,  a  sua  volta,  un  canale  ionico  oppure  un  enzima.    

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Tipo  2  

•  Nel  caso  di  un  canale  ionico,  il  processo  che  segue  è  idenHco  a  quello  dei  rece@ori  Hpo  1.  

•  L’aRvazione  di  un  enzima,  invece,  produce  diversi  2°  messaggeri,  tra  cui  cAMP  e  cGMP,  oltre  al  rilascio  del  Ca++  intracellulare.  

•  Tali   evenH   inducono   parHcolari   reazioni   all’interno  della   cellula,   il   cui   risultato   finale   è   una   risposta  specifica.  

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Tipo  2  

•  La   cellula   impiega   alcuni   secondi   per   dare   una  risposta  allo  sHmolo.  

•  Ciò   dipende   dai   numerosi   passaggi,   che   dal   1°  messaggero/rece@ore  arrivano  alla  proteina  G  e  poi  ai  canali  ionici  o  ai  sistemi  enzimaHci.  

•  Da  notare  che  la  proteina  G  è  in  grado  di  aRvare,  ma  anche  inibire  i  canali  ionici  o  l’enzima.  

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Proteina  G  

•  La   proteina   G   è   cosHtuita   dalle   subunità   α,  oltre   a   ß   e   γ   (che   formano   un   complesso  unico)  e  ha  un'azione  GTPasica,  trasformando  il  GTP  in  GDP.  

•  Allo  stato  inaRvo  la  sub-­‐unità  α  lega  il  GDP  e  il  complesso  ßγ.  

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ARvazione  

•  Il   legame   di   un   1°   messaggero   con   il   rece@ore  provoca   un   cambiamento   conformazionale   di   α,   la  quale  si  dissocia  dal  complesso  ßγ.  

•  In  questo  modo   il  GTP  sosHtuisce   il  GDP  nel   legame  con   la  sub-­‐unità  α,   la  quale  assume  lo  stato  aRvo  e  interagisce   con   i   canali   ionici,   oppure   enzimi,   quali  adenilciclasi,  fosfolipasi,  fosfodiesterasi.  

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InaRvazione  

•  Terminata   l’aRvazione,   la   sub-­‐unità   α  trasforma   il   GTP   in   GDP   (GTPasi),   tornando  allo   stato   iniziale   di   inaRvazione   e   al   legame  con  il  complesso  ßγ.  

•  A   questo   punto,   la   proteina   G   può   essere   di  nuovo  aRvata  da  un  successivo  sHmolo.  

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Rece@ori  Hpo  3  

•  PresenH   sulle   membrane,   sono   accoppiaH   a  Hrosinochinasi.   Molte   di   queste   risposte   cellulari  deriva  dalle  fosforilazioni  proteiche.  

•  Il  rece@ore,  aRvato  dal  legame  con  un  agonista  (es.:  fa@ori   di   crescita,   insulina,   citochine),   aRva   a   sua  volta   una   chinasi,   la   quale   catalizza   una   serie   di  fosforilazioni   proteiche,   che   si   rifle@ono   sulla  trascrizione  genica  nel  nucleo.  

•  Il   tempo   d'azione,   pertanto,   è   molto   lungo,   ore   o  giorni.    

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Rece@ori  Hpo  4  

•  Diversamente   dai   rece@ori   precedenH,   che  sono  situaH  sulla  membrana,  i  rece@ori  di  Hpo  4  sono  intracellulari  o  citoplasmaHci  e  servono  a   modificare   l'espressione   genica,   come   si  verifica  per  gli  ormoni  steroidei.  

•  Il  tempo  di  risposta,  pertanto,  è  molto  lungo.  

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Sugli  ormoni  

•  La   proprietà   lipofila   consente   agli   ormoni   di  oltrepassare  con  facilità  la  membrana  citoplasmaHca  ed  entrare  nella  cellula,  dove  si  associano  a  proteine  di  trasporto  con  un  legame  molto  instabile.  

•  In  prossimità  della  membrana  nucleare,  gli  ormoni  si  dissociano   dalla   proteina,   entrano   nel   nucleo   e  sHmolano   la   produzione   di   mRna,   con   il   quale   si  possono  sinteHzzare  proteine  specifiche.  

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Cara@erisHche  generali  

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Proprietà  delle  membrane  

•  La   membrana   delle   cellule   forma   dei   pori,  a@raverso   i   quali   si   muovono   numerose  sostanze  chimiche.  

•  QuesH   pori   sono   cosHtuiH   da   proteine   che  formano   veri   e   propri   canali,   ove   fluiscono  acqua,   sali,   ioni   e   anche   grandi   molecole,  come  gli  zuccheri.  

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Funzionamento  

•  La  maggior  parte  dei  canali  è  seleRva  per  specifiche  sostanze.  

•  Alcuni   funzionano   come   pompe,   che   bruciano  energia,   quali   la   “pompa   sodio/potassio   ATPasi”   e  possono  aprire  e  chiudere  con  sHmoli  ele@rici,  come  i   telecomandi   dei   cancelli,   oppure   con   parHcolari  chiavi,  denominate  ligandi.    

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Pompa  Na/K  ATPasi  

•  Questa   pompa   funziona   come   una   porta   girevole  nella   membrana,   la   quale   spinge   fuori   il   sodio   e  a@rae  il  potassio  all’interno.  

•  Per   3   ioni   Na+   che   escono,   2   entrano   di   K+,   da   cui  deriva    una  carica  negaHva  interna,  rispe@o  al  fluido  extracellulare.  

•  In  questo  caso  si  ha  consumo  di  energia  so@o  forma  di  ATP.  

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Cosa  succede  nei  neuroni  

•  I   neuroni   sfru@ano   una   condizione   analoga,   per  trasme@ere   informazioni   rapide,   a   una   velocità   di  circa  120  metri  al  secondo.  

•  Ciò   si   verifica   mediante   i   canali   ionici,   i   quali   si  aprono   per   una   frazione   di   secondo   e   perme@ono  agli   ioni   Na+   di   entrare   dall’esterno   all’interno,  innescando   un   picco   ele@rico,   denominato  potenziale  d’azione.  

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Diffusione  del  segnale  

•  Il   potenziale   d’azione   a@raversa   in   lunghezza  l’interno   della   cellula,   rinforzandosi   durante   il  passaggio,  mediante  l’apertura  di  altri  canali.  

•  L’ampiezza   e   la   frequenza   dei   potenziali   d’azione  perme@e   ai   neuroni   di   inviare   informazioni  rapidamente,  da  un  punto  all’altro  del  corpo.    

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Dolore  acuto  

•  Ad   esempio,   quando   una   spina   entra   nella  pelle,   la   percezione   del   dolore   acuto   è  provocata   dalla   generazione   di   potenziali  d’azione   nelle   fibre   nervose   presso-­‐sensiHve  del  derma.  

•  Le  membrane  di  quesH  neuroni  sono  sHrate  e  si  aprono  i  canali  ionici  permeabili  agli  ioni  Na+.  

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SHmolo  corHcale  e  muscolare  

•  L’entrata  di  Na+  innesca  i  potenziali  d’azione,   i  quali  si   diffondono   lungo   le   fibre,   fino   al  midollo   spinale,  ove   i   segnali   sono   trasmessi   ad   altri   gruppi   di  neuroni,  compresi  quelli  che  avvertono  la  sensazione  a  livello  corHcale.  

•  L’informazione   è   anche   rilasciata   ad   altri   neuroni,  che  controllano  i  gruppi  muscolari,  per  cui  lo  sHmolo  perme@e   di   riHrare   il   piede   subito   dopo   avere  calpestato  la  spina.  

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Fecondazione  dell’ovulo  

•  Meno  ovvio,  ma  altre@anto  importante,  è   l’esempio  della  fecondazione  dell’ovulo.  

•  Al   momento   della   fusione   con   lo   spermatozoo,  infaR,   le   proprietà   ele@riche   della   membrana  dell’ovulo  cambiano,  per  l’apertura  di  canali  ionici.  

•  Ciò   previene   un’ulteriore   fusione   con   altri  spermatozoi.  

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Ritmo  cardiaco  

•  I  canali  ionici  presiedono  anche  al  controllo  del  ritmo  cardiaco.  

•  A  ogni  sHmolo  ele@rico,  da  parte  del  nodo  del  seno,  il   calcio   entra   all’interno   delle   cellule   muscolari  cardiache,  a@raverso  canali  specifici.  

•  Ciò   determina   un   rapido   rilascio   di   ioni   anche   da  parte  dei  deposiH  intracellulari,  innescando  il  baRto.  

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Fisiologia  e  patologia  

•  In  sostanza,   tuR  i  Hpi  di  cellule  possiedono  specifici  canali,  che  perme@ono  di  espletare  le  loro  funzioni.  

•  Data   a   loro   importanza,   dunque,   i   canali   possono  dire@amente   esprimere   i   sintomi   di   una  malaRa,   o  essere   la   malaRa   stessa,   come   nel   caso   delle  canalopaHe   o   delle   aquarinopaHe,   come   nel   caso  della  fibrosi   cisHca,  di  alcune   forme  di  epilessia  e  di  aritmia.  

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Tossine  ba@eriche  

•  In   altri   casi,   determinaH   ba@eri   sfru@ano   a  loro   vantaggio   la   proprietà   di   alcuni   canali  ionici  di  legare  le  loro  tossine.  

•  Ciò  si  verifica,  ad  esempio,  nelle  intossicazioni  alimentari,  il  cui  sintomo  principale,  la  diarrea,  è   la   dire@a   espressione   della   interferenza  tossinica  sui  canali.  

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Terapie  consapevoli  

•  Tali   considerazioni   hanno   permesso   di   uHlizzare   i  canali   come   siH   terapeuHci   di   numerosi   farmaci,  sopra@u@o   in   anestesiologia,   nel   tra@amento   di  disturbi  neuro-­‐psichiatrici  e  in  cardiologia.  

•  Spesso   è   accaduto   che   il   farmaco   è   stato   scoperto  prima  di  comprenderne  l’azione  sui  canali.  

27  

Funzione  delle  membrane  

•  Le   cellule   proteggono   il   citoplasma   e   gli  organuli,   Hpo   nucleo   e  mitocondri,   mediante  membrane  lipidiche.  

•  Tale   protezione   si   rende   necessaria,   per  mantenere   l’alta   concentrazione   di   molecole  funzionali  e  stru@urali,  insieme  ai  metaboliH.  

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Oltre  le  barriere  

•  Tu@avia,   le   membrane   non   possono   essere  considerate   solo   effeRve   barriere,   bensì   hanno   il  compito   fondamentale  di   trasferire  molecole  e   ioni,  necessari,  per  le  diverse  funzioni  cellulari.  

•  Il   trasporto   di  molecole,   a@raverso   le  membrane,   è  di   fondamentale   importanza   per   qualsiasi   forma   di  vita.  

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Trasporto  

•  Le   cellule,   infaR,   hanno   bisogno   di   processi  molecolari   specifici,   che   consentono   di   trasportare,  al   loro   interno,   molecole   di   vario   Hpo   (nutrienH,  ele@roliH  inorganici,  acqua,  ecc.).  

•  Il  trasporto  avviene  mediante  proteine,  che  formano  veri  e  propri   canali,  oppure  proteine   specifiche,   che  funzionano  da  veicolo.  

•  Tu@e  le  proteine  di  trasporto  fanno  parte  integrante  della  membrana  cellulare.  

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Acqua  e  aquaporine  

•  I   canali   perme@ono   l’a@raversamento   di   una  membrana   biologica   da   parte   di   ioni   o   di   molecole  d’acqua.  

•  L’acqua   è   una   molecola   polare   che   non   riesce   a  permeare  il  doppio  strato  lipidico  della  membrana.  

•  Per   o@emperare   a   tale   difficoltà,   l’evoluzione   ha  selezionato   un   canale   estremamente   efficiente,  denominato  “aquaporina”.    

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Acqua  in  dipoli  

•  Lo   ione   è   un   atomo   con   carica   posiHva   o   negaHva,  che   solubilizza   efficientemente   in   un   ambiente  polare  come  l’acqua.  

•  Il  dipolo  di  H2O  si  dispone  intorno  allo  ione,  in  modo  da  bilanciarne  parzialmente  la  carica.  

•  Gli   ioni   in   soluzione   acquosa   sono   quindi   idrataH,  ossia   sono   immersi   in   un   numero   variabile   di  molecole   di   acqua,   dipendente   dalla   loro   carica   e  raggio.  

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Flusso  ionico  

•  Il  passaggio  a@raverso  un  ambiente  apolare  a  bassa   costante   diele@rica,   come   il   doppio  strato   di   una   membrana   biologica,   è  energeHcamente  sfavorito.  

•  Il   flusso   è   favorito   da   proteine   integrali   di  membrana,   che   formano   i   cosiddeR   canali  ionici.  

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Cara@erisHche  dei  canali  

•  Il   tasso   di   trasporto   di   ioni,   a@raverso   il   canale,   è  molto  elevato,  circa  100  milioni  al  secondo  (o  più);  

•  i l   passaggio   si   verifica   con   un   gradiente  ele@rochimico,   che   è   funzione   della   concentrazione  e   del   potenziale   di   membrana,   senza   ausilio   di  supporto  energeHco.    

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Canali  ionici  •  I  canali  sono  cara@erizzaH  da  un  forte  potere  seleRvo  e   da   un’efficienza   di   trasporto   parHcolarmente   alta,  dell’ordine   di   108   molecole   al   secondo,   ossia   una  velocità  prossima  a  quella  di  diffusione.  

•  I   canali   non   sono   quindi   saturabili   e   mostrano   una  dinamica  controllata  di  apertura  e  di  chiusura.  

•  Facendo   riferimento   agli   ioni,   situaH   in   ambiente  acquoso   sia   esterno,   sia   interno   alla   cellula,   la  cosHtuzione  lipidica  della  membrana  non  ne  perme@e  il  libero  passaggio.  

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L’a@raversamento   della   membrana   richiede   parHcolari   vie  preferenziali,  denominate  “canali  ionici”  e  cosHtuite  da  proteine.  Il  passaggio  di  ioni  richiede  bassa  energia.  Diversamente  da  quelle  di  trasporto,   le  proteine  dei   canali   formano  pori   idrofilici   a@raverso  le  membrane.    

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Gap  juncHons  

•  Un’altra   classe   di   proteine   canale   si   trova   in  tu@e   le   cellule   animali   a   formare   le   “gap  juncHons”  (giunzioni  comunicanH  o  nexus).  

•  Queste  si  formano  tra  due  cellule  adiacenH,  le  qua l i ,   i n   ta l   modo ,   perme@ono   l a  comunicazione  dei  loro  citoplasmi.  

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Gap  juncHon  

•  La   gap   juncHon   (giunzione   comunicante,   o  nexus)  è  un  Hpo  di  connessione   intercellulare  formata   da   due   unità,   chiamate   connessoni,  formate   a   loro   volta   da   proteine   specifiche  de@e   connessine.   È   presente   nel   muscolo  cardiaco  e  nella  muscolatura  liscia.  

•  In  questa  zona  lo  spazio  si  restringe  fino  a  2-­‐4  nm   per   perme@ere   gli   scambi   di   metaboliH  (quali  AMP  ciclico,   ione  calcio,  urea,  acqua)  e  quindi   l'accoppiamento   ele@rico.   Può   andare  incontro  a  regolazione  a  feedback  da  parte  del  calcio,   per   prevenire   eventuali   danni   alle  cellule  adiacenH  ele@ricamente  accoppiate.    

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Canali  diversi  

•  Le   membrane   esterne   di   ba@eri,   mitocondri   e  cloroplasH  sono  dotate  anch’esse  di  proteine  canale,  denominate   porine,   le   quali   formano   pori   larghi   e  permissivi.  

•  Al   contrario,   la   gran   parte   delle   proteine   canale   di  cellule   eucariote   sono   altamente   seleRve   per   ioni,  con  pori  che  si  aprono  e  chiudono  nella  membrana  in  base  alla  funzione.  

•  Tali  proteine  formano,  appunto,  i  canali  ionici.  

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Proteine  canale  

•  I   canali   sono   cosHtuiH   da   proteine,   le   quali  hanno  diverse  localizzazioni  funzionali.  

•  Alcune   formano   i   pori,   a@raverso   i   quali   si  verifica  il  flusso  di  ioni.  

•  Altre   sono   responsabili   della   apertura   e  chiusura   dei   pori   e   sono   denominate  “domini”.    

•  Il   flusso,   a@raverso   il   canale,   è   governato   da  una   sorta  di   cancello,   che   si   apre  o   chiude   in  risposta   a   segnali   ele@rici,   chimici,   termici   o  meccanici.    

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Domini  

•  Esistono  domini  che  interagiscono  con  le  membrane  lipidiche   in   maniera   energeHcamente   favorevole,  come  quelli  che  legano  i  1°  messaggeri  (ligandi).  

•  Ma,   rispe@o   al   passaggio   di   molecole   senza   carica  ele@rica,   gli   ioni   richiederebbero   circa   20   volte   più  energia  nel  passaggio  del  canale.  

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Pori  

•  I   domini  proteici  dei   canali   ionici   in   conta@o  con  gli  straH   idrofobici   delle   membrane   tendono   a  esprimere   aminoacidi   lipofilici,   quali   fenilalanina   e  valina.  

•  Di   contro,   gli   aminoacidi   che   formano   i   “pori”   dei  canali,   necessari   per   il   flusso   di   ioni,   sono   idrofilici,  quali  asparagina  e  serina.  

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Downhill  

•  I   canali   sono   molto   efficienH,   in   quanto   ognuno  perme@e   il   passaggio   di   almeno   100  milioni   di   ioni  per   secondo,   con   una   velocità   100.000   volte  superiore   a   quella   mediata   da   qualsiasi   proteina   di  trasporto.  

•  I  canali  non  possono  essere  accoppiaH  a  una  fonte  di  energia  per  un  trasporto  aRvo.  

•  Il   flusso   di   ioni,   pertanto,   è   un   fenomeno   passivo  (denominato  “downhill”,  in  pendenza).  

43  

Funzione  dei  canali  

•  La  funzione  dei  canali  è  di  perme@ere  a  specifici  ioni  inorganici,   sopra@u@o   Na+,   K+,   Ca++   e   Cl-­‐,   di  diffondere   rapidamente,   a@raverso   il   doppio   strato  lipidico   della   membrana,   mediante   un   gradiente  ele@rochimico.  

•  Ciò   perme@e   alle   cellule,   in   parHcolar   modo   i  neuroni,  di  svolgere  le  proprie  funzioni.  

44  

Funzioni  

•  Sono  descriR  più  di  100  Hpi  di  canali  ionici,  ma  se  ne  aggiungono  conHnuamente  di  nuovi.  

•  Sono   responsabili   della   eccitabilità   ele@rica   delle  cellule  muscolari  e  mediano  molte   forme  di   segnale  ele@rico  dei  neuroni.  

•  Un  singolo  neurone  può  contenere  10  Hpi  di  canali  o  anche  più,  dislocaH   in  punH  diversi  della  membrana  plasmaHca.  

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Flusso  rapidi  

•  Il   tempo  operaHvo  dei  canali   ionici,  confrontato  con  quello  delle  esperienze  umane,  è  molto  veloce.  

•  In  molH   casi   si   ha  un  flusso  di   100  milioni   di   ioni   al  secondo,   tenendo   presente   che   molH   canali  rimangono   aperH   per   meno   di   un   millisecondo,  prima  di  chiudersi  di  nuovo.  

46  

Canali  evoluHvi  

•  Questa  rapidità  di  funzione  dei  canali  ionici  perme@e  alle  cellule  e  quindi  all’organismo  intero,  di  avere  un  controllo  fine  sulla   trasmissione  nervosa,   in   risposta  agli   evenH   interni   ed   esterni,   anche   in   condizioni   di  pericolo.  

•  In  praHca,  è  un  importante  fa@ore  di  sopravvivenza  e  di  evoluzione.  

47  

Proteine  ionofore  

•  I  canali  ionici  sono  proteine  presenH  nelle  membrane  di  tu@e  le  cellule.  

•  Non  vanno  confuse  con  un’altra  categoria  di  proteine  ionofore,   ossia   quelle   che   trasportano   ioni   (pompa  sodio/potassio,   la   proteina   di   scambio   sodio/calcio,  la  proteina  di  trasporto  sodio/glucosio,  etc.).  

48  

SeleRvità  

•  I   canali   ionici   sono   capaci   di   selezionare   i  rispeRvi  ioni.  

•  Questa   proprietà   dipende,   evidentemente,  dalla   composizione   in   aminoacidi,   la   quale  condiziona   anche   la   specifica   direzione   degli  ioni  nel  canale.  

49  

Filtri  di  seleRvità  

•  A  differenza  dei   semplici  pori  acquosi,   i   canali   ionici  perme@ono  solo  il  passaggio  di  alcuni  ioni  e  non  altri,  localizzandosi  all’interno  della  membrana  plasmaHca  o   nelle   immediate   vicinanze   e   in   molH   organuli  cellulari.  

•  Spesso  sono  descriR  come  gallerie  stre@e,  ripiene  di  acqua,   che   perme@ono   solo   il   passaggio   di   ioni   di  una  certa  grandezza  e  carica.  

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I  canali  ionici  sono  estremamente  seleRvi  nei  confronH  dei  vari  ioni  

La   seleRvità   può   essere   conferita   da   una  combinazione  dei  seguenH  fa@ori:  -­‐      presenza   di   cariche   ele@riche   fisse   sulla  parete  interna  del  canale  di   intensità  e  densità  specifiche  

-­‐     raggio  anidro  dello  ione  -­‐     grado  di  idratazione  dello  ione  

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Basi  molecolari  di  seleRvità  di  un  canale  K+  nei  confronH  del  K+  rispe@o  al  Na+  

Gli   ioni   K+,   idraH   in   soluzione,  perdono   le   molecole   di   H2O   quando  passano   a@raverso   i l   filtro   di  seleRvità   e   formano   dei   legami   di  coordinazione  con  qua@ro  O  di  gruppi  carbonilici.  

Gli   ioni  Na+,   essendo  più   piccoli,   non  possono   coordinarsi   perfe@amente  con   quesH  O   e   quindi   a@raversano   il  canale  solo  raramente.  

K+ in H2O Na+ in H2O

K+ nel poro Na+ nel poro

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Eccezioni  

•  La   maggior   parte   dei   canali,   dunque,   è  specifica  per  singoli  ioni.  

•  In   alcuni   casi   è   permesso   il   passaggio   di   più  Hpi   di   ioni,   che   in   comune   devono   avere,  ancora   una   volta,   carica   (caHoni   o   anioni)   e  grandezza.  

53  

Stru@ura  dei  canali  

•  La   stru@ura  dei   canali   è   cosHtuita  dall’assemblaggio  circolare   di   proteine   intorno   a   un   poro   contenente  acqua.  

•  Queste  proteine  sono  le  sub-­‐unità  del  canale.  •  In   molH   canali   voltaggio-­‐dipendenH,   si   hanno   sub-­‐unità  α,  unite  a  sub-­‐unità  ausiliarie,  denominate  β,  γ  e  così  via.    

54  

Flusso  di  ioni  

•  Gli  ioni  saturi  di  un  canale  costringono  molte  o  tu@e  le  molecole  di  acqua  associate  a  passare,  spesso  per  file  singole,  a@raverso  la  parte  più  stre@a  del  canale,  denominata   filtro   sele-vo,   la   quale   limita   il  passaggio.  

•  Quindi,   non   appena   la   concentrazione   di   ioni  aumenta,   aumenta   anche   il   loro   flusso   nel   canale,  fino  a  un  livello  massimo  di  saturazione.  

55  

Apertura  e  chiusura  

•  I  canali   ionici  non  sono  conHnuamente  aperH,  ma  si  aprono   solo   per   breve   tempo   in   risposta   a   uno  sHmolo,  per  richiudersi  subito.  

•  Lo   sHmolo   è   specifico   e   può   essere   ele@rico   (canali  voltaggio-­‐dipendenH)   o   dovuto   al   legame   con   una  molecola   (canali   ligando-­‐dipendenH)   o   ancora  meccanico.  

56  

Ligando-­‐dipendenH  

•  I l   l i g a n d o   p o t r e b b e   e s s e r e   u n  neurotrasmeRtore   extracel lulare   (1°  messaggero)  o  un  mediatore  intracellulare  (2°  messaggero),   come   uno   specifico   ione   o   un  nucleoHde.  

•  In  più,  l’aRvità  di  molH  canali  ionici  è  regolata  dalla  fosforilazione  e  dalla  defosforilazione.  

57  

Tempo  di  sHmolo  

•  Un  altro  fenomeno  di  regolazione  consiste  nel  tempo  di  sHmolazione  (ele@rica  o  chimica).  

•  Quando   si   prolunga   lo   sHmolo,   molH   canali  entrano   in   uno   stato   di   desensibilizzazione   e  r i su l t ano   i naRvaH ,   o s s i a   re f ra@ar i  all’apertura,  fino  a  quando   lo   sHmolo  non  sia  rimosso.  

58  

Canali  K+  

•  Probabilmente   i   canali   permeabili   al   K+   sono   quelli  più  comuni.  

•  Tra   quesH,   un   importante   so@ogruppo   rimane  aperto,  anche  nelle  cellule  non  so@oposte  a  sHmolo  e  sono  denominaH  “canali  a  fuga  di  K+”.  

•  Essi  rendono  la  membrana  molto  più  permeabile  al  K+,   rispe@o   ad   altri   ioni,   mantenendo   stabile   il  potenziale.    

59  

Differenza  di  potenziale  

•  Il  potenziale  di  membrana  cambia  quando  si  verifica  una  differenza  di  carica  nei  due  laH  della  membrana.  

•  Tale  differenza  può  essere   il   risultato  di  una  pompa  aRva  ele@rogenica,  oppure  di  una  passiva  diffusione  di  ioni.  

60  

Pompa  a  consumo  di  energia  

•  Un  esempio  di  pompa  a   consumo  di  energia  è  dato  dalla  membrana  mitocondriale,  nel  suo  lato  interno.  

•  Ma   è   presente   anche   nella   membrana   di   cellule  vegetali  e  di  funghi.  

•  Tu@avia,  il  contributo  più  importante  nella  genesi  del  potenziale   di   membrana   è   dato   dalla   diffusione  passiva  di  ioni,  sopra@u@o  nelle  cellule  animali.    

61  

Pompa  Na/K  

•  Le   pompe   Na/K   aiutano   a   mantenere   un  equilibrio  osmoHco  a@raverso  la  membrana.  

•  Ciò   si   verifica   con   una   bassa   concentrazione  intracellulare   di   Na+,   la   quale   deve   essere  bilanciata  dall’aumento  di  altri  caHoni.  

•  Tale  equilibrio  è  stabilito  principalmente  dal  K+,  il  quale   è   aRvamente   spinto   all’interno   della  cellula   dalla   pompa   Na/K,   ma   può   anche  muoversi  fuori  e  dentro  la  membrana,  mediante  i  canali  a  fuga.    

62  

Canali  di  fuga  K+  

•  Per   la   presenza   dei   canali   a   fuga   il   K   arriva  quasi   all’equilibrio,   in   quanto   il   gradiente  ele@rico  negaHvo  all’interno  lo  a@rae,  mentre  il   gradiente   di   concentrazione   tende   a  diffonderlo  verso  l’esterno.  

•  La  diffusione  verso  l’esterno  è  dovuta,  quindi,  ai  canali  di  fuga  del  K.    

63  

Potenziale  di  riposo  

•  In  una  cellula   ideale,   la   condizione  di  equilibrio,  per  la  quale  non  c’è  un  ne@o  flusso  di   ioni  a@raverso   la  membrana   cellulare,   definisce   il   cosidde@o  “potenziale  di  riposo”,  che  è  sempre  negaHvo  e  varia  da  -­‐20  mV  a  -­‐200mV.  

•  Questa   variabilità   dipende   dal   Hpo   di   cellula   e  dall’organismo.  

64  

GradienH  

•  Sebbene   il   gradiente   di   K   abbia   la   maggiore  influenza  sul  potenziale  di  membrana,  tu@avia  anche   il   gradiente   di   altri   ioni   gioca   un   ruolo  rilevante.  

•  Per  questo  moHvo,   l’eccitabilità  di  una  cellula  è  il  risultato  delle  aRvità  dei  canali  ionici.  

65  

ARvità  dei  canali  ionici  •  I   canali   ionici   sono   prominenH   nel   sistema  nervoso,   nel   quale   presiedono   alla   trasmissione  dell’impulso  e  alla  conduzione  sinapHca.  

•  Tu@avia,   sono   componenH   chiave   in   molH  processi   biologici,   che   richiedono   rapidi  cambiamenH   cellulare,   come   avviene   nella  contrazione   della   muscolatura   (scheletrica,  cardiaca  e  liscia),  nel  trasporto  di  nutrienH  e  ioni  delle  cellule  epiteliali,  nell’aRvazione  dei  linfociH  T  e  nel  rilascio  di  insulina,  da  parte  delle  β-­‐cellule  del  pancreas.  

66  

Neuroni  

•  Il  compito  fondamentale  di  un  neurone  è  di  ricevere,  condurre  e  trasme@ere  un  segnale.  Per  svolgere  tale  funzione,   il   neurone   ha   una   forma   estremamente  allungata.  

•  Di   solito   gli   assoni   conducono   un   solo   segnale   dal  corpo  cellulare  alla  periferia,  mentre  i  dendriH  hanno  il   compito   di   ricevere  molH   segnali   (anche   100.000)  dagli  assoni  di  altre  cellule  nervose.  

67  

Neurotrasmissione  

•  Nonostante  queste  differenze,   la  modalità  con  cui  si  trasme@e   il   segnale   è   la   stessa   e   consiste   in  cambiamenH   di   potenziale   ele@rico   a@raverso   la  membrana  plasmaHca  del  neurone.  

•  La  comunicazione  del  segnale  si  verifica  mediante  la  diffusione   del   cambiamento   di   potenziale   da   una  parte  all’altra  della  cellula.  

68  

Potenziale  d’azione  e  canali  

•  Essendo   i   neuroni   molto   lunghi,   il   cambiamento   di  potenziale  diminuisce  in  funzione  della  distanza.  

•  Dunque,   mentre   i   piccoli   neuroni   conducono   il  segnale   in  modo  passivo,   per   la   lunga  distanza   (che  può   arrivare   al  metro)   c’è   bisogno   di   un   sistema   di  amplificazione   aRvo,   denominato   “potenziale  d’azione”,  il  quale  perme@e  la  diffusione  dell’impulso  con  velocità  anche  di  100  metri/secondo  e  più.  

•  Il  potenziale  d’azione  è   la  dire@a  conseguenza  delle  proprietà  dei  canali  caHonici  voltaggio-­‐dipendenH.    

69  

Canali  voltaggio-­‐dipendenH  

•  I   primi   a   essere   scoperH   e   cara@erizzaH   sono   staH   i  canali   ionici   voltaggio-­‐dipendenH,   trovaH   nei   tessuH  muscolare  e  nervoso.  

•  Sono   così   denominaH,   in   quanto   l’apertura   e   la  chiusura  si   verificano   in   risposta  ai   cambiamenH  del  potenziale  di  membrana  o  voltaggio.    

70  

Depolarizzazione  •  La   membrana   plasmaHca   di   tu@e   le   cellule   ele@ricamente  

eccitabili,   quali   i   neuroni,   le   cellule   muscolari,   endocrine   e  ovariche,  conHene  canali  caHonici  voltaggio-­‐dipendenH.  

•  Tali  canali  sono  responsabili  dei  potenziali  d’azione.  •  Quando   il   potenziale   d’azione   si   propaga   lungo   l’assone,   il  

potenziale   di   membrana   (voltaggio)   varia   (all’interno   della  cellula  da  -­‐70  mV  a  +50  mV  (rispe@o  allo  0  mV  dell’esterno),  per  poi  ritornare  a  -­‐70  mV.  

•  Questo   fenomeno   è   denominato   “depolarizzazione”   della  membrana.    

71  

Auto-­‐organizzazione  

•  Nei  neuroni  e  nelle  cellule  muscolari,  uno  sHmolo  che  provoca  sufficiente  depolarizzazione  obbliga  i  canali   del   Na+   voltaggio-­‐dipendenH   ad   aprirsi   e  fare   entrare   ioni   Na+   all’interno,   seguendo   il  gradiente  ele@rochimico.  

•  Questo   flusso   di   carica   posiHva   depolarizza  ulteriormente  la  membrana,  aprendo  un  maggior  numero   di   canali   del   Na+,   con   aumento   della  depolarizzazione,   che   si   auto-­‐alimenta,   fino   a  raggiungere  i  50mV.  

72  

Ripolarizzazione  

•  A   questo   punto,   quando   la   forza   di   diffusione  ele@rochimica  arriva  quasi  allo  zero,  i  canali  del  Na+  si   inaRvano,   chiudendosi   rapidamente,   mentre   si  aRvano   quelli   del   K+,   che   contribuiscono   a  ripolarizzare   la   membrana,   con   la   fuoriuscita   dello  ione  dalla  cellula.  

•  La   cineHca   dei   canali   del   K   mostra   una   velocità   di  diffusione  inferiore  a  quella  dei  canali  del  Na+.  

73  

CanalopaHe  

•  Anche   i   canali   K   voltaggio-­‐dipendenH   possono  inaRvarsi,  a@raverso  i  20  aminoacidi  N-­‐terminali  del  canale.  

•  InfaR,  qualora  ci  fosse  un’alterazione  della  sequenza  in  questa  regione,  l’inaRvazione  è  abolita.  

•  Un   fenomeno   del   genere   è   descri@o   anche   per   i  canali  del  Na+.  

74  

Modello  ball  &  chain  •  Quando   la  membrana   si   depolarizza,   il   canale   si  apre  e  comincia  a  condurre  ioni.  

•  Se   la   depolarizzazione   si   manHene,   il   canale  aperto  ado@a  una  conformazione   inaRva,  per   la  quale   il   poro   è   occluso   da   una   “palla”   di   20  aminoacidi  N-­‐terminali.  

•  La   palla   è   legata   al   canale   da   una   catena  polipepHdica,  come  una  catena.  

•  Questo  modello,   denominato   “ball   and   chain”   è  descri@o  sia  per   i  canali  del  K+,  sia  per  quelli  del  Na+.  

75  

Ruolo  della  mielina  

•  Gli   assoni   di   molH   neuroni   dei   vertebraH   sono  ricoperH  da  uno  strato  di  mielina,   la  quale  aumenta  molto  il  tasso  di  conduzione  del  potenziale  d’azione.  

•  Nella   sclerosi   mulHpla   la   distruzione   della   mielina  comporta   un   ritardo   di   conduzione,   le   cui  conseguenze  cliniche,  a  livello  neurologico,  risultano  drammaHche.    

76  

Glia  

•  La   mielina   è   prodo@a   dalla   glia,   ossia   da   cellule   di  Schwann   nei   nervi   periferici   e   dagli   oligodendrociH  nel  sistema  nervoso  centrale.  

•  La  cellula  gliale  ricopre   l’assone  a  spirale,  con   la  sua  membrana   plasmaHca,   in   modo   tale   che   la  dispersione   della   corrente   del   nervo   sia   rido@a   al  minimo.    

77  

La   mielina   si   interrompe   regolarmente   in   alcuni   punH,  denominaH  “nodi  di  Ranvier”,  dove  si  concentrano  quasi  tuR   i   canali   del   Na+.   Poiché   queste   regioni   hanno   una  eccellente   capacità   di   cablaggio,   una   depolarizzazione  del la   membrana,   a   un   nodo,   diffonde   quasi  immediatamente   e   passivamente   l’impulso   al   nodo  successivo.    

78  

Trombosi  

•  Un   esempio   sulla   importanza   dei   canali   Ca++   nel  segnale   intracellulare   è   dato   dalla   trombosi  cerebrale.  

•  La  morte  dei  neuroni,  in  questo  caso,  sembra  dovuta  a  una  eccessiva  concentrazione   intracellulare  di   ioni  Ca++,   che   si   verifica   improvvisamente   in   un  momento  inappropriato.    

79  

Gradiente  ionico  insufficiente  

•  L’apporto  di  sangue  e,  quindi,  di  ossigeno,  in  caso  di  trombosi,  diventa  insufficiente.  

•  In   questo   caso   i   neuroni   perdono   il   potenziale   di  membrana,  in  quanto  non  sono  in  grado  di  produrre  sufficiente  energia  in  forma  di  ATP,  per  mantenere  il  gradiente  ionico  tra  interno  ed  esterno.  

80  

Glutammato  e  Ca++  

•  La   morte   dei   neuroni,   inoltre,   determina   la  fuoriuscita  di  neurotrasmeRtori,  tra  cui  sopra@u@o  il  glutammato,  il  quale  si  lega  ai  suoi  rece@ori.  

•  Questo   legame   sHmola,   nelle   cellule   circostanH,   il  rilascio  di  grandi  quanHtà  di  calcio,   il  quale  diffonde  all’interno   degli   organuli,   mediante   l’apertura   dei  canali  intra-­‐membranari.  

81  

Radicali  di  O2  

•  I   neuroni   rispondono   ad   alH   livelli   di   calcio   nel  citoplasma   con   l’aumento   del   metabolismo   e  muoiono   per   la   produzione   di   molecole   ossidaHve,  che  danneggiano  definiHvamente  le  membrane.  

•  Tra   le   membrane   troviamo   anche   le   vescicole   di  trasporto  ionico,  il  cui  danno  contribuisce  a  generare  un  ulteriore  incremento  di  calcio.    

82  

Modalità  di  apertura  

•  canali   voltaggio-­‐dipendenH,   quali   del   sodio   e   del  potassio,   presenH   sopra@u@o   sugli   assoni   e   i   nervi  terminali;  

•  canali   ligando-­‐dipendenH   extracellulari,   quali   i  rece@ori   del   GABA,   glicina   e   NMDA,   di   cui   molH  aRvaH  da  neurotrasmeRtori  (ligandi);  

•  canali   ligando-­‐dipendenH   intracellulari,   che  includono  il  CFTR  e  altre  molecole  della  famiglia  ABC  (ATP-­‐binding   casse@e),   come   i   canali   coinvolH   nella  percezione   sensoriale,   quelli   del   calcio,   AMP/GMP  ciclico  e  fosfaHdil-­‐inositolo.    

83  

Altri  canali  

•  A  quesH   tre   gruppi   vanno  aggiunH  altri   in   via  di   definizione,   come   i   canali   sensoriali  meccanici  e  quelli  regolaH  dal  volume.  

•  Un   quinto   gruppo   è   considerato   una  miscellanea  e  include  le  giunzioni  GAP,  i  canali  della  gramicidina  e  di  varie  tossine  di  inseR.  

84  

CFTR  •  Il   CFTR   (CysHc   Fibrosis   Transmembrane   conductance  Regulator)  è  un  gene  che  codifica  per  una  proteina  di  1480   amminoacidi,   situata   sulla   membrana   cellulare  delle  cellule  epiteliali,   la  cui  funzione,  normalmente,  è  quella   di   trasportare   il   cloro   a@raverso   le   membrane  cellulari   a   livello   della  membrana   apicale   delle   cellule  epiteliali   di   vie   aeree,   pancreas,   intesHno,   ghiandole  sudoripare,   ghiandole   salivari   e   vasi   deferenH.   Lo  squilibrio   ionico   è   causato   da   un'alterazione   della  secrezione  da  parte  delle  cellule  epiteliali  di  ioni  cloro  e  un   conseguente   maggior   riassorbimento   di   sodio   e  acqua  e  si  verifica  in  caso  di  mutazione  in  omozigosi,  la  cui  conseguenza  è  la  fibrosi  cisHca.    

85  

Canali  voltaggio-­‐dipendenH  •  Sono   staH   scoperH   e   cara@erizzaH   per   primi,   nel  tessuto  nervoso  e  muscolare.  Il  nome  deriva  dalla  loro  risposta  ai  cambiamenH  di  potenziale  delle  membrane.    Al   fine   di   condurre   un   impulso   ele@rico,   è   necessario  che   i   canali   di   sodio,   potassio   e   calcio   si   aprano   e  chiudano  precisamente  al  momento  giusto.  

•  Quando  il  potenziale  d’azione  si  diffonde  nel  neurone,  il   potenziale   di   membrana,   che   è   esso   stesso   un  segnale   a@uale,   balza   velocemente   in   tu@a  l’estensione   dell’assone   da   -­‐70  mV   (posto   all’interno,  rispe@o  a  0  mV  dell’esterno)  a  +50  mV,  per  poi  tornare  a  -­‐70  mV.    

86  

Canali  NaV  

•  Sono   cosHtuiH   da   una   famiglia   di   9  componenH.  

•  Ogni  componente  è  cosHtuito  da  un  pepHde  di  oltre   4000   AA,   che   forma   4   sub-­‐unità   α   o  domini   (I-­‐IV),   ciascuna   comprendente   sei  segmenH  transmembrana  (S1-­‐S6).  

•  Queste   proteine   sono   assemblate   con   sub-­‐unità   ausiliarie   β,   ognuna   delle   quali  a@raversa  la  membrana  una  sola  volta.  

•  Tu@e  le  sub-­‐unità  sono  altamente  glicosilate.    87  

Nav  e  neuroni  

•  I   canali   del   sodio   sono   responsabili   del   potenziale  d’azione   dei   neuroni,   mentre   quelli   del   potassio  (voltaggio-­‐dipendenH)   contribuiscono   a   ristabilire   il  potenziale  di  membrana  a  riposo.  

•  Inoltre,   i   canali   del   sodio   si   disaRvano   più  velocemente,  rispe@o  a  quelli  del  calcio.  

88  

Canali  K+  •  Come   i   canali   del   cloro,   hanno   il   compito   di  ridurre   i   potenziali   d’azione  e  quindi  perme@ere  la  ripolarizzazione  della  cellula.  Sono  cosHtuiH  da  4  sub-­‐unità  α  di  membrana,  che  formano  pori  e  4  sub-­‐unità  β  citoplasmaHche.  

•  Le   4   sub -­‐un i t à   α   hanno   6   segmenH  transmembrana,   ognuno   dei   quali   omologo   ai  singoli  domini  dei  canali  sodio.  

•  Da   no ta re ,   che   l a   capsa i c i na   b locca  seleRvamente   i   canali   ionici   del   potassio   nella  lingua.  

89  

Canali  K+  •  Come   i   canali   del   cloro,   hanno   il   compito   di  ridurre   i   potenziali   d’azione  e  quindi  perme@ere  la  ripolarizzazione  della  cellula.  Sono  cosHtuiH  da  4  sub-­‐unità  α  di  membrana,  che  formano  pori  e  4  sub-­‐unità  β  citoplasmaHche.  

•  Le   4   sub -­‐un i t à   α   hanno   6   segmenH  transmembrana,   ognuno   dei   quali   omologo   ai  singoli  domini  dei  canali  sodio.  

•  Da   no ta re ,   che   l a   capsa i c i na   b locca  seleRvamente   i   canali   ionici   del   potassio   nella  lingua.  

90  

CaV  

•  Sono   raggruppaH   in   una   famiglia   di   10   membri:  ognuno  assembla  sub-­‐unità  α2δ,  β  e  γ.  

•  Hanno   il   compito   di   accoppiare   l’eccitazione  muscolare  alla  contrazione  e  l’eccitazione  neuronale  al  rilascio  di  trasmeRtori,  quindi  trasdurre  il  segnale  ele@rico   che   ricevono,   in   segnale   chimico   verso  l’esterno.  

•  Alcuni  sono  coinvolH  nella  secrezione  esocrina  o  nel  flusso  di  altri  ioni.    

91  

Tipi  di  CaV  

•  Secondo   uno   schema   ele@rofisiologico   sono  cara@erizzaH  i  tre  diversi  Hpi.  

•  Il  Hpo  L   (long-­‐lasHng,  ad  azione  prolungata)   si   trova  nella   muscolatura   striata   (anche   nel   cuore)   e  perme@e   l’entrata   del   Ca++   nel   citoplasma   dal  reHcolo   endoplasmaHco,   la   cui   conseguenza   è   la  contra@ura   il   canale   L  è  disaRvato  dalla  prolungata  concentrazione  di  Ca++  intracellulare.    

92  

CIC  

•  Il  dogma  della  biologia  stru@ura/funzione,  che  esprime  il  nesso  tra  organizzazione  stru@urale  di   una   proteina   e   una   specifica   funzione  biologica   sembra   non   avere   senso   per   le  proteine  della  famiglia  Canali  al  Cloro  (ClC).  

93  

Cl-­‐  prevalente  

•  Tali   canali   consentono   il   flusso   anioni   diversi,  secondo   un   gradiente   ele@rochimico,   ma   il   Cl−  rappresenta   l'anione   permeante   più   abbondante   in  condizioni  fisiologiche.  

•  Possono   essere   voltaggio-­‐dipendenH,   oppure  ligando-­‐dipendenH  o  essere  aRvaH  da  altri  fa@ori.  

94  

CIC-­‐n  

•  Nelle   cellule   di   mammifero   la   famiglia   dei   canali   al  cloro   è   cosHtuita   da   nove  membri.   Il   nome   di   ogni  membro  è  indicato  dalla  sigla  “ClC-­‐n”  dove  “n”  varia  da  0  a  8.  

•  Le   proteine   che   appartengono   a   questa   famiglia  hanno   diversi   ruoli   nella   membrana   o   nelle  membrane   di   comparHmenH   intracellulari.   I   canali  appartenenH   a   questa   famiglia   possiedono   10-­‐12  domini  trasmembrana.  

95  

Dimeri  funzionali  

•  QuesH  canali   sono  dimeri,   in  cui   ciascun  monomero  possiede  un  poro.  

•  Ambedue   i   componenH   del   d imero   sono  indipendenH   tra   loro   e   ognuno   di   essi   può  trasportare  gli  ioni  a@raverso  la  membrana.  

•  Nel  caso  del  Na+  e  del  K+,   invece,   il  canale  funziona  solo  se  sono  presenH  tuR  i  componenH.  

96  

Tre  loci  

•  un   sito   interno   (alla   cellula),   ove   si   trovano  molecole  d'acqua  

•  un  sito  centrale  privo  di  acqua  e  dove  si  lega  il  Cl−    

•  un  sito  esterno.  

97  

Glutammato  

•  Il   sito   esterno   è   molto   interessante,   in   quanto  occupato  da  un  gruppo  negaHvo  di  glutammato,  che  ha  la  funzione  di  tenere  chiuso  o  aperto  il  passaggio  lungo   il   poro,   in   base   alla   rotazione   della   catena  laterale.  

•  Per   la   prima   volta   si   dimostra,   quindi,   che   un   solo  aminoacido  è  responsabile  del  fenomeno  di  apertura  e  chiusura  del  poro.    

98  

Funzioni  dei  canali  Cl-­‐  

•  La   funzione   dei   canali   al   cloro   è  molto   eterogenea,  poiché   intervengono   nella   regolazione   del   volume  cellulare,   nel   trasporto   trans-­‐epiteliale   e   nella  regolazione  dell’eccitabilità  ele@rica.  

•  In  contrasto  con  i  canali  caHonici,  non  sono  coinvolH  nell’inizio  o  nella  diffusione  dello  sHmolo  eccitatorio.  

99  

Depolarizzazione  

•  La   concentrazione   di   questo   ione   è   molto   più   alta  all’esterno,  piu@osto  che  all’interno  della  cellula.  

•  In   questo   caso,   l’afflusso   di   Cl-­‐   verso   l’interno   è  impedito   dal   potenziale   di   membrana,   che   risulta  negaHvo  in  condizioni  di  riposo.  

•  Quando   la   cellula   si   depolarizza,   invece,   l’apertura  dei   canali   del   Cl-­‐   tende   a   tamponare   la   carica  ele@rica.  

100  

CFTR  

•  Come   accennato,   i   canali   CFTR   (CysHc   Fibrosis  Transmembrane   Regulator)   sono   proteine   di   1480  aminoacidi,   situate   sulla   membrana   degli   epiteli  secretori,  che  perme@ono  il  trasporto  del  cloro.  

•  Nella  fibrosi  cisHca,  dovuta  a  mutazione  del  gene,  si  determina   un’alterata   secrezione   di   ioni   cloro   e   un  conseguente  maggior  riassorbimento  di  Na+  e  acqua.  

101  

Iodium  

•  Lo  iodio  blocca  i  canali  CFTR.  •  Al  contrario,   la  fosforilazione  dovuta  alla  proteinchinasi  A   e   il   legame   con  ATP  ne  perme@ono  l’aRvazione.  

102  

Tossine  canali  •  I  canali   ionici  si  trovano  sulla  superficie  delle  cellule  e,  quindi,   sono   accessibili   facilmente   a   molte   piccole  molecole,   quali   le   tossine   inie@ate   nel   sangue   e   nel  fluido   linfaHco  da   inseR  e   animali   velenosi,   quali   api,  scorpioni,  serpenH,  etc.  in  quesH  casi,  le  tossine  legano  e   inibiscono   dire@amente   i   canali   ionici,   con   effeR  drammaHci  sulla  funzione  nervosa  e  muscolare.  

•  la  α-­‐agatossina  del  ragno  “agelenopsis  aperta”  blocca  il  rece@ore   NMDA   del   sodio,   mentre   la   ω-­‐agatossina  dello  stesso  inse@o  blocca  nAChR  (rece@ore  nicoHnico  per  l’aceHlcolina)  del  calcio.    

103  

Canali  ligando-­‐dipendenH  

•  Anche   conosciuH   come   rece@ori   metabotropici,  hanno   la   parHcolarità   di   legare   piccole   molecole  (ligandi,  ossia  1°  messaggeri),   che  ne  perme@ono   la  funzione.  

•  Il  legame  con  il  1°  messaggero  determina  un  cambio  conformazionale   nella   stru@ura   della   proteina  canale,   che   perme@e   l’apertura   e   il   conseguente  flusso  di  ioni  a@raverso  la  membrana.  

104  

Trasmissione  sinapHca  

•  I  segnali  neuronali  sono  trasmessi  da  cellula  a  cellula  in  siH  specializzaH  di  conta@o,  denominaH  “sinapsi”.  

•  A  questo  livello  la  trasmissione  è  indire@a,  poiché  le  cellule   pre-­‐   e   post-­‐sinapHche   sono   ele@ricamente  isolate   una   dall’altra   da   uno   spazio,   denominato  “solco”.  

105  

Neurotrasmissione  

•  Un  cambiamento  di  potenziale  ele@rico,  nella  cellula  pre-­‐sinapHca,   induce   il   rilascio   di   piccole   molecole,  denominate   “neurotrasmeRtori”,   presenH   in  apposite  vescicole  all’interno  della  membrana.  

•  I   neurotrasmeRtori   diffondono   rapidamente   nel  solco   e   si   legano   ai   canali   ionici   ligando-­‐dipendenH  della  cellula  post-­‐sinapHca.  

106  

Cambio  di  potenziale  

•  In   seguito   i   canali   si   aprono   momentaneamente   in  risposta   al   legame   del   neurotrasmeRtore,  producendo   un   brusco   cambio   nella   permeabilità  della  membrana.  

•  A   differenza   dei   canali   voltaggio-­‐dipendenH,   quelli  sensibili   al   ligando   non   rispondono   dire@amente   al  potenziale  di  membrana.  

•  È   proprio   la   loro   apertura   a   generare   il   cambio   di  potenziale.  

107  

SeleRvità  alta  

•  I   canali   ionici   ligando-­‐dipendenH   mostrano   una  seleRvità   molto   alta   per   i   neurotrasmeRtori,   in  quanto  si  comportano  da  rece@ori  specifici.  

•  In  più,  sono  seleRvi  anche  nei  confronH  della  carica  ionica,   lasciando   passare   ioni   della   stessa   carica,  a@raverso  la  membrana  plasmaHca.  

•  QuesH   due   aspeR   determinano   la   natura   della  risposta  post-­‐sinapHca.  

108  

Conseguenze  polari  

•  In   tal   modo,   i   neurotrasmeRtori   possono   essere  eccitatori  o  inibitori.  

•  Quelli  eccitatori  aprono   i   canali   caHonici,   inducendo  un   afflusso   di   Na+,   che   depolarizza   la   membrana  post-­‐sinapHca  e  genera  il  potenziale  d’azione.  

•  Di   contro,   i   neurotrasmeRtori   inibitori   aprono   i  canali  di  Cl-­‐  e  K+,  sopprimendo  i  segnali  eccitatori.  

109  

Dipende…  

•  MolH   neurotrasmeRtori   possono   essere   sia  eccitatori,  sia  inibitori.  

•  Ciò   dipende   dalla   localizzazione   del   solco  sinapHco  e  dal  Hpo  di  rece@ori  cui  si  legano  e  dalle  condizioni  ioniche  che  incontrano.  

110  

AceHlcolina  

•  L’aceHlcolina,   ad   esempio,   può   trasme@ere   un  segnale  eccitatorio  o  inibitorio,  a  seconda  del  legame  con  il  rece@ore.  

•  Di  solito,  comunque,  l’aceHlcolina,  il  glutammato  e  la  serotonina   sono   usaH   per   una   trasmissione  eccitatoria,   mentre   GABA   e   glicina   per   una  trasmissione  inibitoria.  

111  

Rimozione  neurotrameRrore  

•  Subito   dopo   il   legame   con   il   rece@ore,   il  neurotrasmeRtore   può   essere   distru@o   da   specifici  enzimi   nel   solco   sinapHco,   oppure   riassorbito   dal  neurone   pre-­‐sinapHco   (quindi   riuHlizzato)   e/o   dalla  glia  circostante.  

•  La  rapida  rimozione  assicura   la  precisione  spaziale  e  temporale  del  segnale  a  livello  della  sinapsi.  

112  

Differenze  

•  Si   comprende   bene,   da   quanto   de@o,   che   il  segnale   indire@o   trasmesso   dalle   sinapsi  chimiche  è  molto  più  versaHle  e  ada@abile  di  quello   dovuto   all’accoppiamento   dei   nexus  delle  sinapsi  ele@riche  tra  due  cellule  nervose.  

113  

Canali  vari  

•  Ad   esempio,   un   parHcolare   canale,   legando  l’aceHlcolina,   si   apre   e   perme@e   il   flusso   del  sodio,  mentre  un  altro  canale  si  chiude.  

•  Questa   differenza   di   effe@o   dipende   dalla  localizzazione  del  canale  ionico.  

•  Canali   di   questo  Hpo   includono  nAChR   (nicoHnic  Acetylcholine   receptor),   i   rece@ori   del  glutammato,   i   rece@ori   P2X   ATP-­‐dipendenH  (rece@ori  purinici)  e  il  rece@ore  di  GABA/A.  

114  

Rece@ori  metabotropici  •  Poiché  i  due  neuroni  sono  separaH  da  un  spazio  per  far  passare   il   segnale  ele@rico  è  necessario  che   il   segnale  ele@rico  sia  trasformato  in  segnale  chimico  

•  Qu e s H   m e d i a t o r i   c h i m i c i   s o n o   d e fi n i H  neurotrasmeRtori   che   sono   molecole   immagazzinate  all’interno   di   vescicole   presenH   nei   bulbi   terminali  dell’assone  

•  Quando   arriva   un   potenziale   d’azione   nel   terminale  pre-­‐sinapHco,   le   molecole   di   neurotrasmeRtore  vengono   rilasciate   nello   spazio   sinapHco   dove  riconoscono   specifici   rece@ori   presenH   sulla  membrana  post-­‐sinapHca.  

115  

Cambiamento  di  potenziale  

Il   legame   del   neurotrasmeRtore   determina   un  cambiamento   del   potenziale   di   membrana  della  cellula  postsinaptca  

Se   induce   depolarizzazione,   la   trasmissione   di  segnale  ele@rico  sarà  di  Hpo  eccitatorio    

Se   induce   iperpolarizzazione,   la   trasmissione   di  segnale  ele@rico  sarà  di  Hpo  inibitorio    

Il   segnale   sinapHco   termina   quando   il  neurotrasmeRtore   è   degradato   da   enzimi   o  ca@urato   dalla   cellula   presinapHca   per  riuHlizzarlo   116  

Processo  auto-­‐organizzato  

•  I   neurotrasmeRtori   sono   secreH   nello   spazio  sinapHco   con   un   meccanismo   di   esocitosi   e  immagazzinaH   in   vescicole   a   livello   del  terminale   pre-­‐sinapHco   de@e   vescicole  neurosecretorie,  che  dopo  il  segnale  ele@rico,  si   fondono   alla   membrana   plasmaHca   e   il  neurotrasmeRtore  è  rilasciato  nello  spazio  

•  Questo  meccanismo  è  dipendente  da  Ca++.   Il  segnale   ele@rico   di   depolarizzazione,  determina   apertura   di   canali   del   Ca-­‐voltaggio  dipendenH.  

•  L’entrata  di   calcio  nel   terminale  pre-­‐sinapHco  i n du ce   l a   f u s i o ne   d e l l e   v e s c i c o l e  neurosecretorie   con   la   membrana   e   il  definiHvo  rilascio  del  neurotrasmeRtore  

117  

Giunzione  neuromuscolare  

•  L’nAchR   è   un   canale   del   sodio  membranario,  che   si   aRva,   quando   si   lega   un   ligando  nicoHnico  come  l’aceHlcolina.  

•  Si  trova  nelle  cellule  nervose  e  muscolari.  •  Quando  si  apre,  lascia  passare  i  caHoni  (sodio,  potassio   e   calcio),   depolarizzando   la  membrana  citoplasmaHca.  

•  In   questo   modo   si   possono   aRvare   i   canali  voltaggio-­‐dipendenH   e   s i   ver ifica   la  contrazione.   118  

Rece@ore  Ach  alla  giunzione  

•  È   l’esempio  di   canale   ionico   ligando-­‐dipendente  più  studiato.  

•  Il  canale  si  apre  temporaneamente  per   il  rilascio  del  neurotrasmeRtore,   dal   nervo   terminale   alla  giunzione   neuro-­‐muscolare,   ossia   la   sinapsi   chimica  che  perme@e  la  contrazione  dei  muscoli.  

•  Si  trova  sia  nei  neuroni,  sia  nelle  cellule  muscolari.  

119  

•  I l   rece@ore   situato   nel   muscolo  scheletrico   è   composto   da   5   polipepHdi  transmembrana,  2  di  un  Hpo  e  3  diversi,  codificaH,   pertanto,   da   4   geni   separaH,  ma  simili  nella  sequenza.  

•  Le  due  catene  idenHche  rappresentano  il  sito  di  legame  dell’aceHcolina.  

•  Tale   legame   induce   un   cambio  conformazionale   del   pentamero,   che  apre  il  canale  ionico.    

120  

Stru@ura  del  rece@ore  

•  Le   5   sub-­‐unità   del   rece@ore   sono  organizzate   come  un   cerchio,   che   forma  un   canale   transmembrana   di  carica  negaHva  da  entrambe  le  terminazioni.  

•  La  carica  negaHva  esclude   il  passaggio  di  anioni,  ma  favorisce  quello  di  Na+  e  K+,  con  una  quota  minore  di  Ca++.  

121  

SeleRvità  di  carica  

•  A   differenza   di   quanto   si   verifica   per   la   forte  seleRvità   dei   canali   voltaggio-­‐dipendenH,   i   canali  delle   sinapsi   chimiche   perme@ono   il   flusso   di   ioni  diversi,  anche  se  tuR  con  carica  posiHva  (Na+,  K+,  Ca++).  

•  Quando   il   potenziale   di   membrana   della   cellula  muscolare  è  a  riposo,  la  forza  di  flusso  per  K+  è  quasi  zero,   poiché   il   gradiente   ele@rico   negaHvo   è  bilanciato  dal  gradiente  di  concentrazione.  

122  

Flusso  

•  Per   Na+,   invece,   il   gradiente   di   voltaggio   e  quello   di   concentrazione   indirizzano   lo   ione  verso  l’interno.  

•  Lo  stesso  si  verifica  per  Ca++,  con  la  differenza  che   la   sua   concentrazione   extracellulare   è  molto  più  bassa  di  quela  di  Na+.  

123  

Depolarizzazione  

•  Pertanto,   l’apertura   del   rece@ore   di   aceHlcolina  determina  un  grande  afflusso  di  Na+  verso   l’interno  (molto   meno   quello   di   Ca++),   il   cui   risultato   è   la  depolarizzazione   di   membrana,   che   segnala   al  muscolo  lo  sHmolo  alla  contrazione.  

•  In   questo   caso   l’afflusso   interno   di   Na+   è   notevole,  con  circa  30.000  ioni/millisecondo  per  ogni  canale.  

124  

ARvazione/inaRvazione  

•  L’apertura   del   canale   si   manHene   fino   a   quando   la  concentrazione  di  Ach  è  sufficiente.  

•  Quando   tale   concentrazione   diminuisce,   per   idrolisi  da   parte   dell’enzima   aceHlcolinesterasi,   il   rece@ore  torna  allo  stato  di  riposo,  ossia  di  chiusura.  

•  Inoltre,   se   la   presenza   del   neurotrasmeRtore  persiste,   per   una   eccessiva   sHmolazione   nervosa,   il  canale  si  inaRva.  

125  

Canali  Ca++  

•  Gli  ioni  Ca++  rivestono  un  ruolo  molto  importante  in  tu@e   le   aRvità   cellulari   e   nella   regolazione   di  numerosi  processi  biologici.  

•  Questo   ruolo   è   svolto   mediante   la   variazione   di  concentrazione   intracellulare   dello   ione,   la   quale  regola   la   contrazione   muscolare,   il   rilascio   di  neurotrasmeRtori  e  degli  ormoni,  la  differenziazione  cellulare,  fino  alla  corre@a  espressione  dei  geni.    

126  

Ca++  

•  I   canali   Ca++   sono   proteine   integrali   di   membrana,  che   conducono   i   caHoni   a@raverso   la   membrana  plasmaHca  delle  cellule.  

•  Sono  classificaH  in  base  all’innesco  che  apre  il  canale  per   quesH   ioni,   come   il   cambiamento   del   voltaggio  (canali   del   calcio   voltaggio-­‐dipendenH),   oppure   il  legame   di   un   neurotrasmeRtore   extracellulare  (ligando)   al   canale   (canali   del   calcio   ligando-­‐dipendenH).  

127  

In  generale  

•  I   canali   del   calcio   sono   proteine   integrali   di  membrana,  che  formano  canali   ionici  e  conducono   i  caHoni  del  calcio  a@raverso  la  membrana  plasmaHca  delle  cellule.  

•  Sono  classificaH  in  base  all’innesco  che  apre  il  canale  per   quesH   ioni,   come   il   cambiamento   del   voltaggio  (canali   del   calcio   voltaggio-­‐dipendenH),   oppure   il  legame   di   un   neurotrasmeRtore   extracellulare  (ligando)   al   canale   (canali   del   calcio   ligando-­‐dipendenH).    

128  

HVA  del  Ca++  

•  Gli  HVA  del  Ca++  possono  essere  di  Hpo  L,  P/Q,  N,  R.  •  I   canali  di  Hpo  L   si   trovano   in  quasi   tuR   i   tessuH,   si  aRvano   molto   rapidamente   a   potenziali   molto  distanH  da  quello  di  riposo  (circa  la  metà  si  apre  a  -­‐15  mV)   e   si   inaRvano   lentamente,   in   base   alla  concentrazione   intracellulare   di   Ca++   (non   dal  voltaggio).  

129  

Canali  vari  

•  I  canali  P/Q  (sensibili  a  una  sostanza  chiamata  ω-­‐Aga  IVA),   N   (da   neurone)   e   R   (resistenH   alle   tossine)   si  aRvano   per   potenziali   intermedi   tra   T   e   L   e   si  inaRvano   sia   per   il   potenziale,   sia   per   la  concentrazione  intracellulare  di  Ca++.  

•  La   loro   funzione   è   legata   al   ri lascio   del  neurotrasmeRtore.  

130  

LVA  

•  Gli  LVA  sono  i  canali  di  Hpo  T  (da  transiente,  ossia  la  corrente   i  Ca++  a  bassa  soglia)  e  contribuiscono  alla  genesi  del  potenziale  d’azione,  abbassando   la   soglia  di  innesco  della  iperpolarizzazione.  

•  Si   aRvano   e   inaRvano   rapidamente   e   hanno   una  soglia  di  aRvazione  molto  bassa  (-­‐  60-­‐65  mV),  molto  vicina  al  potenziale  di  riposo.  

131  

Canali  Ca+  ligando-­‐dipendenH  

•  Sono   cosHtuiH   da   sub-­‐unità   proteiche   extracellulari,  le  quali  legano  dire@amente  i  neurotrasmeRtori.  

•  In   questa   categoria   troviamo   i   rece@ori   ionotropi  nicoHnici,  GABA/A,  glicina  e  NMDA.  

•  Da   notare   che   i   rece@ori   NMDA   per   il   glutammato  sono   antagon i zzaH   da l l a   concent raz ione  extracellulare  di  ioni  Mg++.  

132  

Ruolo  dei  canali  

•  Nei   canali   ligando-­‐dipendenH   il   Ca++   è   importante  per   il   rilascio   del   neurotrasmeRtore,   piu@osto   che  per  generare  il  potenziale  d’azione.  

•  InfaR,   la   depolarizzazione   è   maggiormente   legata  alle  correnH  di  Na+  e  K+,  che  hanno   intensità  10-­‐20  volte  superiore  a  quella  di  Ca++.    

133  

InaRvazione  

•  L’inaRvazione   di   tali   canali   avviene   lentamente,  in   quanto   rimangono   aperH   per   tu@a   la   durata  della  depolarizzazione  pre-­‐sinapHca  (quelli  del  Na+  sono,  invece,  inaRvaH  molto  presto).  

•  Questo   evento   si   verifica,   in   quanto   la  concentrazione  di  ioni  Ca++  all’interno  del  canale  è  molto  bassa   (10-­‐8  M)   e  dunque  non  esiste  un  reale  potenziale  di  inversione.  

•  Ossia,  una  corrente  di  uscita  vera  e  propria  non  è  osservabile.  

134  

InaRvazione  da  Ca++  

•  Tale  fenomeno  è  dovuto  agli  stessi  ioni  Ca++.  •  A   seguito   della   depolarizzazione   di   membrana,   a  parHre  dal  potenziale  di  riposo  (-­‐60  mV),  la  corrente  raggiunge  un  picco,  per  poi  tornare  verso  lo  zero  con  un  andamento  lento.  

•  Quando  al  Ca++  è  sosHtuito   il  BARIO,  si  ha   lo  stesso  raggiungimento  del  picco,  ma  non  il  ritorno  allo  zero.  

135  

Significato  

•  Ciò  significa  che  l’inaRvazione  è  dovuta  al  Ca++,   il   quale   ha   la   proprietà   di   legare   bene   le  proteine,  dunque  anche  quelle  dei  canali.  

•  Tale   legame,   che   si   verifica   sulla   superficie  interna   del la   membrana,   determina  l’inaRvazione  dei  canali  stessi.    

136  

Modalità  

•  Nelle  immediate  vicinanze  della  bocca  interna,  appena  il  canale  si  apre,  il  Ca++  si  accumula  in  un  dominio.  

•  Quando   la   concentrazione   dello   ione   è  massima,  il  Ca++  si  lega  alle  proteine  e  blocca  il  canale  con  un  andamento  lento.    

137  

EvenH  sinapHci  

•  La   trasmissione   sinapHca   si   verifica   mediante   la  liberazione   di   un   neurotrasmeRtore   dal   neurone  pre-­‐sinapHco   a   livello   delle   terminazioni   pre-­‐sinapHche.  

•  All’arrivo  di  un  potenziale  d’azione,  Ca++  entra  nelle  terminazioni  pre-­‐sinapHche  a@raverso  i  canali.    

138  

Esocitosi  

•  L’aumento  di  concentrazione  intracellulare  di  ioni  Ca++   determina   la   fusione   delle   vescicole   con   la  membrana  pre-­‐sinapHca.  

•  Avvenuta   la   fusione,   il  neurotrasmeRtore  è   liberato  nella   fessura   sinapHca,   ossia   la   zona   di   separazione  tra  i  neuroni  pre-­‐  e  post-­‐sinapHci.  

•  Tale   processo   è   definito   esocitosi   e   si   compie   in   60  secondi.  

139  

Esocitosi  

•  I  neurotrasmeRtori  entrano  nelle  vescicole,  le  quali   sono   condo@e   verso   le   zone   aRve,  presso   la   membrana   plasmaHca,   la   cui  depolarizzazione   provoca   l’aRvazione   dei  canali  Ca++.  

•  La  concentrazione  di  Ca++  vicino  alle  vescicole  aumenta  da  0,1  µM  a  1-­‐100  µM.  

•  Il   legame   dello   ione   con   le   proteine   che  conne@ono  vescicole  e  membrana  provoca   la  fusione  e  la  esocitosi  del  neurotrameRtore.     140  

Claritrina  

•  A  questo  punto,  una  proteina  che  copre  le  vescicole,  denominata  clatrina,  perme@e  il  sequestro  di  Ca++  in  eccesso  e   si   ristabilisce   la   concentrazione  dello   ione  allo  stato  di  riposo  (fenomeno  ATP-­‐dipendente).  

•  In  questo  modo  i  terminali  assonici  possono  di  nuovo  rispondere  all’arrivo  di  un  nuovo  potenziale  d’azione.  

141  

Trasmissione  rapida  

•  Per   la   trasmissione   rapida   del   segnale,   la   maggior  parte   dei   neuroni   centrali   uHlizza   rece@ori,   che  aRvano  dire@amente   i  canali   ionici,  ossia   i   rece@ori  ionotropici.  

•  I   sistemi   di   comunicazione   fra   neuroni   del   sistema  nervoso  centrale  sono  piu@osto  complessi.  

142  

Interazioni  

•  Le   cellule   ricevono   connessioni   sinapHche   da  cenHnaia   di   neuroni,   i   quali,   a   loro   volta,   ricevono  impulsi  sia  eccitatori,  sia  inibitori.  

•  In  più,   le  afferenze  sui  singoli  neuroni  sono  mediate  da   numerosi   neurotrasmeRtori,   ognuno   dei   quali  può  modificare  l’aRvità  d  dei  diversi  canali  ionici.    

143  

Efficacia  dello  sHmolo  

•  Infine,   le   afferenze   sinapHche   di   ogni   singolo  neurone   pre-­‐sinapHco   non   sono   sempre   risoluHve  della  trasmissione.  

•  Facendo   l’esempio   del   motoneurone,   infaR,   è  necessario   che   almeno   100   neuroni   eccitatori   pre-­‐sinapHci   siano   aRvaH   contemporaneamente,   per  evocare   una   risposta   innescante   un   potenziale  d’azione  della  cellula  motrice.  

144  

Modellamento  inibitorio  

•  A  loro  volta,  i  potenziali  sinapHci  inibitori  possono,  se  sufficientemente   ampi,   ostacolare   la   somma   delle  aRvità   eccitatorie   e   impedire   alla   membrana   di  raggiungere   la   soglia,   anche   per   le   cellule   nervose  spontaneamente  aRve.  

•  Questa   aRvità   inibitoria   è   denominata   “ruolo   di  modellamento  della  inibizione”.    

145  

Rece@ori  del  glutammato  

•  Il   principale   neurotrasmeRtore   eccitatorio   del  cervello  e  midollo  spinale  è  il  glutammato.  

•  I   rece@ori   di   questo   aminoacido   possono   essere   di  due  Hpi:  i  canali  ionotropici  (aRvaH  dire@amente)  e  i  canali   muscarinici   (metabotropici,   che   aRvano  l’accesso  ai  canali  tramite  un  secondo  messaggero).    

146  

Differenze  funzionali  

•  I   rece@ori   ionotropici   del   glutammato   sono   di   tre  Hpi:  AMPA,   kainato  e  NMDA   (AMPA  e   kainato   sono  anche  chiamaH  non-­‐NMDA).  

•  La  loro  azione  è  sempre  di  natura  eccitatoria,  mentre  l’aRvazione  dei   rece@ori  metabotropi  può  produrre  sia  eccitazione,  sia  inibizione.  

147  

NMDA  

•  I  rece@ori  NMDA  controllano  i  canali  per  Ca++,  Na+  e  K+.  

•  La   permeabilità   a   ioni   Ca++   è   5-­‐10   volte  superiore  a  quella  di  Na+  e  K+.  

•  Per  questo  moHvo  gli  NMDA  sono  consideraH  veri  e  propri  canali  del  Ca++.  

•  Da   notare   che   l’apertura   di   quesH   canali  richiede   la   glicina   come   cofa@ore   e   dipende  sia  dal  voltaggio,  sia  dal  neurotrasmeRtore.    

148  

Ruolo  di  Mg++  •  Al   potenziale   di   riposo   (-­‐65   mV)   gli   ioni   Mg++  extracellulari   si   legano   con   forza   a   un   sito   del  canale  e  bloccano  il  passaggio  di  corrente.  

•  Le   modificazioni   del   potenziale   di   membrana  modificano   la   conformazione   di   quesH   canali,  mediante   un   sensore   di   voltaggio,   il   quale  determina   l’espulsione   del  Mg++   per   repulsione  ele@rostaHca.  

•  In   questo   modo   Ca++   e   Na+   possono   entrare  nella   cellula.   Ciò   si   verifica   solo   quando   il  glutammato  si  lega  al  rece@ore.  

149  

Tempi  di  risposta  NMDA  

•  Un’altra   importante   cara@erisHca   dei   rece@ori  NMDA   consiste   nella   lentezza   dell’apertura   e   della  chiusura,  in  risposta  al  glutammato.  

•  La  corrente  che   li  a@raversa  raggiunge   il  picco   in  20  ms   e   decresce   in   un   tempo   variabile,   dai   25   ai   125  ms.  

150  

Eccito-­‐tossicità  e  blocco  

•  Il   blocco   dei   rece@ori   NMDA   determina   sintomi  molto   simili   a   quelli   della   schizofrenia,   mentre  elevate   concentrazioni   di   glutammato   possono  risultare   tossiche   per   le   cellule   nervose,   fino   alla  apoptosi.  

•  Questo   secondo   fenomeno   è   denominato  eccitotossicità   del   glutammato   e   dipende   da   un  eccessivo  ingresso  di  Ca++  nei  canali  NMDA.  

151  

Acufeni  e  NMDA  

•  L’eccitotossicità   del   glutammato   è   coinvolta   in  numerosi   processi   patologici,   compresi   quelli   della  coclea,  il  più  comune  dei  quali  è  il  Hnnitus  (acufene).  

•  È  stato  dimostrato  che  l’aRvazione  dei  canali  NMDA,  nel  nervo  udiHvo,  si  verifica  con  un  potenziamento  a  lungo  termine  dell’efficacia  sinapHca.    

152  

Canali  ligando-­‐dipendenH  

•  I   canali   ionici   ligando-­‐dipendenH   per   aceHlcolina,  serotonina,   GABA   e   glicina   contengono   sub-­‐unità  molto  simili  nel  loro  asse@o  molecolare.  

•  Ciò   suggerisce   una   comune   evoluzione   filo-­‐   e   onto-­‐geneHca,   anche   se   la   specificità   e   la   seleRvità  rimangono  disHnte.  

153  

Sub-­‐unità  dei  canali  

•  Le   stesse   sub-­‐unità   di   uno   specifico   canale   possono  variare,   con   diverse   versioni,   codificate   da   geni  diversi.  

•  Ad   esempio,   i   canali   di   aceHlcolina   dei   neuroni  centrali   (a   differenza   di   quelli   muscolari),   sono  formaH   da   2   sub-­‐unità   idenHche   codificate   da  almeno  9  geni  diversi,  con  una  variabilità  che  spiega  le   differenH   funzioni   cellulari,   a   causa   delle   disHnte  condu@anze  ioniche.  

154  

Variabilità  funzionale  

•  La   variabilità   funzionale   dei   rece@ori   ionotropi   ha  permesso,   ormai   da   molto   tempo,   di   studiare  l’azione  di  numerosi  farmaci.  

•  L’esempio  più  conosciuto  è   il  blocco  dei   rece@ori  di  aceHlcolina   con   il   curaro,   per   rilassare   i   muscoli  durante  un  intervento  chirurgico.    

155  

Farmaci  psico-­‐aRvi  

•  Inoltre,   molH   farmaci   usaH   per   l’insonnia,   ansia,  depressione   e   schizofrenia   esercitano   i   loro   effeR  sulle   sinapsi   chimiche,   spesso   con   un   legame   al  canale  ionico.  

•  Le   benzodiazepine,   ad   esempio,   legano   i   rece@ori  GABA,   in   siH   specifici,   potenziandone   l’azione  inibitoria,  mentre  i  barbiturici  perme@ono  l’apertura  dei  canali  del  Cl-­‐.  

156  

Trasmissione  neuro-­‐muscolare  

•  È   una   sequenza   di   5   movimenH   consecuHvi,  cara@erizzaH  dalla  apertura  e  chiusura  dei  differenH  canali  ionici.  

•  Quando   l’impulso   nervoso   raggiunge   il   neurone  terminale,   la   depolarizzazione   della   membrana,   nei  pressi  del  solco,  determina  l’apertura  dei  canali  di  Ca++  voltaggio-­‐dipendenH.    

157  

1°  movimento  

•  La  conseguenza  di  questa  apertura  è  l’afflusso  di  ioni  Ca++,   i   quali   seguono   un   forte   gradiente   di  concentrazione   (1000   volte   più   grande   all’esterno  della  cellula,  rispe@o  all’interno).  

•  L’aumento   di   concentrazione   nel   citosol   induce   il  rilascio  di  aceHlcolina  nel  solco  sinapHco    

158  

2°  movimento  

•  L’aceHlcolina   si   lega   ai   rece@ori   espressi   sulla  membrana   della   cellula   muscolare,   favorendo  l’apertura  dei  canali  ionici  associaH.  

•  Ne   risulta   un   afflusso   di   Na+,   il   quale   provoca   una  depolarizzazione  di  membrana  localizzata    

159  

3°  movimento  

•  La   locale   depolarizzazione   apre   i   canali   Na+  voltaggio-­‐dipendenH,   consentendo   un   maggiore  afflusso   di   ioni,   che   ulteriormente   depolarizza   la  membrana.  

•  In  questo  modo  si  aprono  altri  canali  Na+  voltaggio-­‐dipendenH  viciniori  e  si  verifica  una  depolarizzazione,  che  coinvolge  gradualmente  tu@a  la  membrana  della  cellula  muscolare  

160  

4°  movimento  

•  La   completa   depolarizzazione   aRva   i   canali   Ca++  voltaggio-­‐dipendenH  nelle   regioni   specializzate  della  cellula  muscolare.  

•  Tali  regioni  sono  rappresentate  dai  tubuli  trasversi  T  

161  

5°  movimento  

•  L’apertura   dei   canali   Ca++   provoca   abbondante  rilascio  di  ione,  da  parte  del  reHcolo  sarcoplasmaHco,  nel  citosol.  

•  Il   forte   aumento   di   concentrazione   di   Ca++  determina  la  contrazione  delle  miofibrille  

162  

Sistema  complesso  

•  Nel   sistema   nervoso   centrale   un   singolo   neurone  riceve   impulsi   da   migliaia   di   altri   neuroni   e   può  stringere  sinapsi  con  molte  migliaia  di  altre  cellule.  

•  Diverse   migliaia   di   nervi   terminali,   ad   esempio,  formano   sinapsi   su   un   medio   motoneurone   del  midollo  spinale,  in  modo  che  il  suo  corpo  cellulare  è  quasi  completamente  ricoperto  da  queste.    

163  

Direzione  del  segnale  

•  Alcune   di   queste   sinapsi   trasme@ono   il   segnale   dal  cervello   al   midollo,   mentre   altre   portano  l’informazione  sensiHva  dai  muscoli  o  dalla  cute  

•  Il   motoneurone   può   combinare   l’informazione  ricevuta   da   tu@e   queste   fonH   e   rispondere  producendo   un   potenziale   d’azione   lungo   l’assone,  oppure  rimanere  in  stato  di  riposo.  

164  

PSP  

•  Il   neurotrasmeRtore   rilasciato   su   una   sinapsi  eccitatoria,   infaR,   determina   una   piccola  depolarizzazione   nella   membrana   post-­‐sinapHca,  chiamata   potenziale   post-­‐sinapHco   eccitatorio   (PSP  in  inglese,  ossia  excitatory  postsynapHc  potenHal).  

•  Un   neurotrasmeRtore   rilasciato   su   una   sinapsi  i n i b i to r i a ,   i n vece ,   p rovoca   una   p i c co l a  iperpolarizzazione,   chiamata   potenziale   post-­‐sinapHco  inibitore  (inhibitory  PSP).  

165  

PSP  graduale  

•  La   membrana   dei   dendriH   e   dei   corpi   di   molH  neuroni   contengono   una   relaHva   bassa   densità   di  canali   Na+   voltaggio-­‐dipendenH   e   un   singolo   PSP  eccitatorio  è  di  solito  troppo  blando  per  innescare  un  potenziale  d’azione.  

•  Tu@avia,   ciascun   segnale   afferente   si   rifle@e   in   un  PSP  locale  di  grandezza  graduale,  ossia  aumenta  con  il  diminuire  della  distanza  dal  sito  della  sinapsi.  

166  

Somma  di  PSP  

•  Se   il   segnale   arriva   simultaneamente   a   numerose  sinapsi,  nella  stessa  regione  dell’albero  dendriHco,   il  totale   di   PSP   risulterà   la   somma   dei   PSP   vicini   e  diffonderà  passivamente  sul  corpo  cellulare.  

•  Questo,   essendo   piccolo   a   confronto   con   l’albero  dendriHco,   avrà   un   potenziale   di   membrana  approssimaHvamente   uniforme   ed   è   la   risultante  degli  effeR  di  tuR  i  segnali  afferenH,  in  rapporto  alla  distanza  delle  sinapsi.  

167  

PSP  totale  

•  Il   totale   PSP   del   corpo   cellulare   rappresenta,  pertanto,   la   somma   spaziale   di   tuR   gli   sHmoli  ricevuH.  

•  Se   predominano   quelli   inibitori,   la   membrana   è  iperpolarizzata   e   rimane   in   uno   stato   di   riposo,  mentre  se  predominano  quelli  eccitatori  il  PSP  andrà  verso  una  depolarizzazione.  

168  

Tu@o  sommato  

•  Mentre   la   somma   spaziale   combina   gli   effeR   dei  segnali   ricevuH  da   differenH   siH   della  membrana,   la  somma  totale  associa  gli  affeR  dei  segnali  ricevuH  in  momenH  diversi.  

•  Se  un  potenziale  d’azione  arriva  alle  sinapsi  e  induce  il   rilascio   del   neurotrasmeRtore   prima   che   un   PSP  sia   completamente   decaduto,   il   secondo   PSP   si  aggiunge  a  ciò  che  rimane  del  primo.  

169  

Somma  temporale  

•  Se   molH   potenziali   d’azione   arrivano   in   rapida  successione,   ciascun   PSP   si   aggiunge   ai   precedenH,  provocando   un   singolo   PSP   sostenuto,   la   cui  ampiezza   rifle@e   l’evento   innescante   del   neurone  pre-­‐sinapHco.  

•  L’essenza   della   somma   temporale,   dunque,   traduce  la   frequenza   dei   segnali   afferenH   nell’ampiezza   del  PSP  totale.  

170  

Cumuli  assonali  

•  Nell’assone   i   potenziali   d’azione   iniziano   in   una  r e g i o n e   p r e c i s a ,   d e n om i n a t a   “ c umu l o  assonale”   (axon   hillock),   dove   i   canali   del   Na+  voltaggio-­‐dipendenH   sono   parHcolarmente  abbondanH.  

•  Ma,  per  trasme@ere  il  segnale,  tale  regione  conHene  anche  3  canali  seleRvi  per  K+  e  uno  seleRvo  per  Ca++.  

171  

Canali  K+  ritardaH  

•  Dei   tre   canali   per   K+,   quelli   “ritardaH”   (delayed   K+  channels)   voltaggio-­‐dipendenH,   si   aprono   nel  momento  in  cui  si  inaRvano  i  canali  Na+.  

•  Dunque,   contribuiscono   alla   fase   di   ripolarizzazione  della  membrana.  

•  La   loro   apertura,   che   perme@e   un   efflusso   di   K+,  termina  con  il  ristabilimento  del  potenziale  di  riposo.  

172  

Soglia  dello  sHmolo  

•  Come   si   è   de@o,   la   frequenza   dei   PSP   rifle@e  l’intensità  dello  sHmolo.  

•  Per   raggiungere   una   completa   depolarizzazione,  tu@avia,  il  sistema  dei  canali  del  Na+  e  quelli  ritardaH  del  K+  non  è  sufficiente.  

•  So@o  una  certa  soglia  di  sHmolazione,   la  cellula  non  risponde.    

173  

Canali  K+  precoci  

•  Se   l a   s o g l i a   è   s upe r a t a ,   i n v e ce ,   l a  depolarizzazione  si  compie  rapidamente.  

•  Ciò  si  verifica  mediante  l’apertura  dei  canali  del  K+  “precoci”  (early  K+  channels).  

•  Essi   sono   canali   voltaggio-­‐dipendenH   e   svolgono  il  delicato  compito  di  ridurre  la  sHmolazione  a  un  livello  subito  sopra  quello  richiesto.    

•  In  praHca,  riducono  la  disconHnuità  tra  il  tasso  di  depolarizzazione  e  l’intensità  dello  sHmolo.  

174  

Ada@amento  della  risposta  

•  I l   processo   di   depolarizzazione,   infine,   è  ulteriormente   modulato   da   altri   2   canali   voltaggio-­‐dipendenH,  a  livello  del  cumulo  assonale:  canali  Ca++  e  canali  K+-­‐aRvaH  da  Ca++.  

•  QuesH   svolgono,   insieme,   il   compito  di   a@enuare   la  risposta  della  cellula  a  uno  sHmolo  prolungato.  

•  Tale  compito  è  denominato  “ada@amento”.  

175  

Ca++  accumulo  

•  I   canali  Ca++   in  quesHone  sono  molto   simili   a  quelli  che   mediano   il   rilascio   del   neurotrasmeRtore   dai  terminali  pre-­‐sinapHci.  

•  Si   aprono   quando   il   potenziale   d’azione   si   esprime,  perme@endo   l’entrata   dello   ione   all’interno   del  cumulo  assonico.    

176  

Canali  K+  aRvaH  da  Ca++  

•  I   canali   del   K+-­‐aRvaH   da   Ca++,   invece,   sono  stru@uralmente  e  funzionalmente  diversi  da  qualsiasi  altro  canale  descri@o.  

•  Si   aprono   in   risposta   a   una   aumento   di  concentrazione   di   Ca++   nel   versante   citoplasmaHco  della  membrana  neuronale.    

177  

ARvazione  K+  dal  Ca++  

•  La  loro  azione  è  molto  interessante.  •  Un   forte   sHmolo   depolarizzante,   applicato   per   un  lungo   periodo,   innesca   un   lungo   treno   di   potenziali  d’azione.  

•  Ciascun  potenziale  perme@e  un  brusco  afflusso  di  Ca++,   a@raverso   gl i   specifici   canal i ,   la   cui  concentrazione   raggiunge  un   livello   tale,   da   aprire   i  canali  K+  dipendenH  da  Ca++.  

178  

Perdita  della  risposta  

•  L’aumento   della   permeabilità   al   K+   rende   la  membrana   sempre   meno   responsiva   a l la  depolarizzazione   e   aumenta   il   ritardo   tra   un  potenziale  d’azione  e  il  successivo.  

•  In   tal   modo,   un   neurone   conHnuamente   sHmolato  diventa  gradualmente  meno  sensibile  a  uno  sHmolo  costante.  

179  

Canali  ionici  di  apprendimento  e  memoria  

•  Tali  canali  sono  dislocaH  in  molte  sinapsi  del  sistema  nervoso  centrale.  

•  Possono   essere   voltaggio-­‐dipendenH   e   ligando-­‐dipendenH  e  rappresentano   il   sito  d’azione  di  molte  sostanze   psicoaRve,   come   la   fenciclidina,   un  derivato   di   sintesi   della   piperidina,   usata   come  allucinogeno.  

180  

Ippocampo  

•  Nel   cerve l lo   de i   mammifer i ,   l a   reg ione  del l ’ ippocampo   è   deputata   a l la   funzione  dell’apprendimento.  

•  Quando  la  zona  è  distru@a  da  entrambi  i  laH,  l’abilità  nel  formare  nuove  memorie  è  ampiamente  perduta,  sebbene  permangano  quelle  a  lungo  termine.  

181  

LTP  

•  Inoltre,  alcune  zone  dell’ippocampo  vanno  incontro  a  marcate   alterazioni   funzionali,   qualora   siano  ripetutamente  sHmolate.  

•  Mentre  singoli  e  occasionali  potenziali  d’azione  nelle  cellule   pre-­‐sinapHche   non   lasciano   tracce   durature,  una   breve   ma   ripeHHva   sequenza   provoca   il  “potenziamento   a   lungo   termine”   (LTP,   long-­‐term  potenHaHon).  

•  Secondo  questo  fenomeno,  le  cellule  post-­‐sinapHche  rispondono   in  maniera   esagerata,   anche   per   singoli  potenziali  d’azione  nei  neuroni  pre-­‐sinapHci.  

182  

Memoria  

•  L’effe@o  dura  ore,  giorni  o  seRmane,  a   seconda  del  numero  e  della  intensità  degli  sHmoli  ripeHHvi  e  si  riferisce  a  un  aumento  a  lungo  termine  nella  trasmissione   del   segnale   tra   due   neuroni  sHmolaH  in  maniera  sincrona.  

•  È   un   parHco lare   processo   fis io log ico ,  cara@erizzato   da   una   serie   di   modificazioni  molecolari   indo@e   da   una   sHmolazione   tetanica  sulla  funzione  e  sulla  microstru@ura  di  una  o  più  sinapsi.    

183  

PlasHcità  

•  Solo   le  sinapsi  aRvate  mostrano  LTP,  mentre  quelle  rimaste   a   riposo   sulla   stessa   cellula–post-­‐sinapHca  non  risultano  coinvolte.  

•  In   più,   qualora   la   cellula   sHa   ricevendo  uno   sHmolo  ripeHHvo   su   un   gruppo   di   sinapsi,   anche   un   singolo  potenziale   d’azione   su   un’altra   sinapsi   della   sua  superficie  andrà  incontro  a  LTP.  

184  

NMDA  

•  Il   potenziamento   a   lungo   termine   rifle@e   il  comportamento   di   una   parHcolare   classe   di   canali  ionici   ligando-­‐dipendenH   nella   membrana   post-­‐sinapHca,  ossia  i  canali  del  glutammato.  

•  Nell’ippocampo,   come   altrove,   molte   delle   correnH  depolarizzanH,   responsabili   di   PSP   eccitatori,   sono  veicolate   da   quesH   canali,   in   modo   parHcolare   gli  NMDA.  

185  

Condizioni  

•  Tali   rece@ori   si   aprono   solo   quando   sono  simultaneamente  soddisfa@e  due  condizioni.  

•  La   prima   è   ovvia   e   si   evidenzia   nel   legame   canale/neurotrasmeRtore.  

•  La   seconda   condizione,   per   la   quale   la   membrana  deve   essere   fortemente   depolarizzata,   è   necessaria  per   il   rilascio   di   Mg++,   che   normalmente   blocca   il  canale  in  condizioni  di  riposo.  

186  

Apprendimento  

•  I   rece@ori   NMDA   sono   criHci   per   la  generazione  di  LTP.  

•  InfaR,   in   presenza   di   antagonisH   seleRvi,   gli  LTP  non   si   formano,  anche   se   la   trasmissione  sinapHca  ordinaria  conHnua.  

•  Un   animale   tra@ato   con   tali   antagonisH  mostra   evidenH   deficit   di   apprendimento,  nonostante   il   suo   comportamento   generale  rimanga  quasi  inalterato.    

187  

Ca++  NMDA  

•  Il   funzionamento   dei   rece@ori   NMDA   è   stato  osservato  a  livello  molecolare.  

•  L’apertura   di   quesH   canali,   altamente   permeabili   a  Ca++,  comporta  un  massiccio  afflusso  di   ioni,   i  quali  agiscono  come  mediatore   intracellulare  nella  cellula  post-­‐sinapHca,   innescando   una   cascata   di   evenH  responsabili  della  formazione  di  LTP.  

188  

Canali  ligando-­‐dipendenH  intracellulari  

•  È  il  caso  dei  rece@ori  accoppiaH  a  proteine  G  (GPCRs,  G   Protein   Coupled   Receptors),   i   quali   si   aprono   e  chiudono   indire@amente,   mediante   cascate  enzimaHche,   come   quelle   che   conducono   alla  formazione  di  GMP-­‐ciclico  

•  In  sostanza,  sono  canali  aRvaH  da  2°  messaggero.    

189  

Funzioni  sensoriali  

•  Alcuni   di   quesH   rece@ori   sono   in   grado   di  cambiare   la   funzione   del   canale   agendo  dire@amente  sulla  chiusura/apertura.  

•  Ad   esempio,   forze   meccaniche,   quali   la  sensazione   taRle   e   sonora,   possono   essere  converHte   dire@amente   in   segnali   ele@rici,   in  quanto  agiscono  dire@amente   sulla   apertura  del  canale.  

•  Le  risposte  allo  sHmolo  visivo  e  olfaRvo,   invece,  sono  aRvate  indire@amente,  a@raverso  GPCRs.  

190  

Esempio  

•  Ad  esempio,  i  canali  intracellulari  del  potassio  hanno   un   flusso   interno   alla   cellula   e   sono  coinvolH   in   importanH   processi   fisiologici,  quali   l’aRvità   di   pacemaker   nel   cuore,   la  secrezione   di   insulina   e   l’assorbimento   del  potassio  nelle  cellule  gliali.  

191  

Nella  figura,  le  membrane  sono  contrassegnate  in  viola,  mentre  gli  ioni  calcio  in  grigio.  Ca++  mostra  parHcolari  localizzazioni  all’interno  della  cellula,  comportandosi  come  2°  messaggero,  mediante  il  flusso  nei  canali  ionici.  In  più,  fornisce  segnali  ai  canali  degli  altri  ioni  coinvolH  nella  aRvazione  funzionale  della  cellula.  

192  

Difensine  

•  Data  l’importanza  del  mantenimento  di  un  ambiente  chimico   sempre   costante,   all’interno   della   cellula,  non  sorprende  che  i  canali  ionici  siano  staH  associaH  a  un  sistema  di  difesa  (sarebbe  meglio  inquadrarlo  in  un  sistema  omeostaHco).  

•  Le   cosidde@e   “difensine”,   ad   esempio,   sono   piccoli  pepHdi,   che   praHcano   dei   fori   sulle   membrane   di  ba@eri  e  altri  patogeni,  ma  funzionano  anche  da  veri  e  propri  canali  ionici.  

193  

Bcl-­‐2  

•  RecenH   osservazioni   tesHmoniano   del   ruolo   di   altre  proteine,  nella  formazione  di  canali  ionici.  

•  Una   di   queste   è   la   proteina   bcl-­‐2,   regolatrice  dell’apoptosi,   la   quale   forma   dei   pori   nelle  membrane   lipidiche,   con   canali   caHonici   seleRvi   ad  aRvità  anH-­‐apoptoHca.  

194  

Mitocondri  •  La   maggior   parte   dei   membri   della   famiglia   Bcl  possiede   un   dominio   trans-­‐membrana,   che   ne  perme@e   la   localizzazione   a   livello   delle  membrane   cellulari,   in   parHcolare   nella  membrana  esterna  del  mitocondrio.  

•  Bcl-­‐2  può  formare  canali  a  livello  della  membrana  mitocondriale  e   riveste  presumibilmente   il   ruolo  di  regolatore  dei  flussi  di  Ca++,  prevenendo,  tra  le  altre   cose,   la   dissipazione   del   potenziale   di  membrana  mitocondriale,   i   cui   risultato   finale   è  la  inibizione  della  apoptosi.  

195  

Alzheimer  

•  Sulla   stessa   linea   di   ricerca,   è   stato   dimostrato   che  anche   le   placche   di   β-­‐amiloide,   nella   malaRa   di  Alzheimer,   formano   canali   per   la   fuoriuscita   del  calcio.  

•  Ciò  determina  un   rapido  processo  di  degenerazione  neuriHca,   le   cui   conseguenze   ricadono   sul  comportamento  e  sulle  funzioni  cogniHve.  

196  

Eosinofili  

•  Anche   gli   eosinofili   possono   esprimere   sulla   loro  superficie  una  grande  varietà  di   canali   ionici,   i   quali  rivestono  un  ruolo  importante  nella  regolazione  delle  aRvità  cellulari,  durante  i  processi  infeRvi.  

•  Durante  la  fagocitosi  degli  agenH  patogeni,  si  osserva  un  flusso  di  protoni  H+  dai  rispeRvi  canali  ionici  degli  eosinofili,   molto   efficiente   per   la   stessa   funzione  fagociHca.  

197  

Canali  ionici  e  dolore  

•  Il  dolore  ha   la  funzione  di  proteggere   il  corpo  da  un  pericolo   e   perme@e   di   iniziare   il   processo   di  guarigione  dei  tessuto  danneggiaH.  

•  Il   dolore   cronico,   tu@avia,   rimane   una   delle   più  importanH   sfide   della   clinica,   sopra@u@o   per   la  rido@a   qualità   della   vita,   con   la   quale   i   pazienH  devono  confrontarsi.  

198  

Dolore  come  canalopaHa  

•  Numerose  evidenze  idenHficano  il  dolore  come  vere  e   proprie   canalopaHe,   anche   nel   caso   di   dolore  cronico.  

•  InfaR,   le   proprietà   biofisiche   dei   canali   ionici  riescono   a   spiegare   l’eccitabilità   nociceRva,   sia  periferica,   sia   viscerale,   la   quale   è   sostenuta   da   un  parHcolare  Hpo  di  neuroni,  denominaH  “nocice@ori”.  

199  

Tali   neuroni   veicolano   la   sensazione  dolorifica,  mediante   i   potenziali   d’azione,  dalla  periferia  al  sistema  nervoso  centrale,  lungo   i   corni   posteriori   del   midollo  spinale.  

Nocice@ori  

200  

SHmoli  nocice@ori  

•  I   corpi   dei   nocice@ori   si   trovano   all’interno  delle   radici   dorsali   dei   gangli   e   arrivano,   con  terminazioni  libere,  ai  tessuH  periferici.  

•  Queste   terminazioni   rispondono   agli   sHmoli  nocivi  o  al  danno  Hssutale,  mediante  specifici  rece@ori.  

201  

Ruolo  dei  canali  ionici  

•  La   risposta   delle   terminazioni   nervose   si   evidenzia  con  una  depolarizzazione,   la  quale  aRva   i  canali  del  Na+  voltaggio-­‐dipendenH.  

•  Subito   dopo   i   canali   del   K+   si   aprono   e   aRvano   la  ripolarizzazione   della   membrana,   inducendo   la  chiusura  dei   canali  del  Na+,  che   ritornano  allo   stato  di  riposo.    

202  

Glutammato  

•  Questo   processo   si   propaga   di   segmento   in  segmento,   lungo   l’assone,   fino   alle   sinapsi   con   i  neuroni  di  secondo  ordine  dei  corni  dorsali.  

•  L’entrata   del   Ca++,   mediante   i   rispeRvi   canali  voltaggio-­‐dipendenH,   innesca   i l   ri lascio   di  neurotrameRtori,  quali   il   glutammato,  dai   terminali  pre-­‐sinapHci.  

203  

Corteccia  

•  Il  glutammato  aRva  i  rece@ori  (AMPA,  NMDA  e  rece@ori  metabotropici  del  glutammato)  sui  terminali  post-­‐sinapHci  del  midollo.  

•  Ciò   perme@e   la   trasmissione   del   segnale,  mediante  le  vie  ascendenH,  fino  alla  corteccia.  

204  

Esperienza  dolorosa  

•  I   tempi   di   aRvazione   e   inaRvazione   del   potenziale  d’azione  dipendono  dal  Hpo  di  canale  coinvolto.  

•  Nei   nocice@ori,   che   preferenzialmente   esprimono  canali   del   Na+   con   cineHca   lenta,   la   risposta  dolorifica   allo   sHmolo   tende   a   essere   amplificata,  aumentando  l’esperienza  soggeRva  del  dolore.    

205  

CanalopaHe  del  dolore  

•  Molte  forme  di  canalopaHe  del  Na+,  anche  acquisite,  sono   dovute   a   una   alterata   aRvazione   e  inaRvazione   del   potenziale   d’azione,   da   cui   risulta  una  risposta  alterata  allo  sHmolo.  

•  La   gran   parte   delle   informazioni   sulla   nozione   di  dolore   come   canalopaHa   derivano   da   malaRe  geneHche,  che  coinvolgono   i  canali  del  Na+  e  anche  del  Ca+  voltaggio-­‐dipendenH.  

206  

Dolore  geneHco  

•  Lo  studio  del  dolore  di  origine  geneHca  ha  permesso  di  ampliare  le  informazioni  sulle  cause  e  la  diffusione  del   sintomo,   indicando,   peraltro,   la   possibilità   di  individuare  nuovo  farmaci  anH-­‐dolorifici.  

•  I   lavori   sui   topi   transgenici,   in   parHcolare,   hanno  permesso   di   approfondire,   a@raverso   i   canali   ionici,  la   conoscenza   sulle   modalità   con   cui   si   genera   e  diffonde  il  dolore.    

207  

Eritermalgia  ereditaria  •  La  prima  malaRa  geneHca  a  essere  descri@a  è  la  eritermalgia   ereditaria,   a   cara@ere   autosomico  dominante,  sul  gene  SCN9A  posto  sul  cromosoma  2q,  con  alterazioni  delle  sub-­‐unità  α  dei  canali  Na+  voltaggio-­‐dipendenH.  

•  I   pazienH   soffrono   di   dolori   brucian,  intermi0en,   e   arrossamento   delle   estremità,  innescaH   dal   calore   o   dall’esercizio   fisico,   che  migliorano   solo   immergendo   le   estremità   in  acqua   molto   fredda,   la   quale   conduce   a   lesioni  cutanee  invariabilmente.  

208  

Dolore  parossisHco  estremo  

•  Una  seconda  forma  è  il  dolore  parossis,co  estremo,  a  cara@ere  autosomico  dominante,  anch’essa   legata  a  mutazione  SCN9A,  la  quale  si  manifesta  nella  prima  infanzia   ed   è   legata   ad   alterazione   dei   canali   Na+  voltaggio-­‐dipendenH.  

•  Il   dolore   è   episodico,  bruciante   ed   è   avverHto  nella  regione  ano-­‐re@ale  o  a@orno  gli  occhi  e  nella  regione  so@o-­‐mandibolare.    

209  

Insensibilità  congenita  

•  Un’altra   forma   è   l’insensibilità   congenita   al   dolore,  che   si   evidenzia   alla   nascita,   mentre   le   altre  percezioni  sensoriali  rimangono  inalterate.  

•  Anche   in   questo   caso,   i   disturbi   sono   dovuH   a  mutazione   geneHca   di   SCN9A,   che   riguarda   i   canali  del  Na+  voltaggio-­‐dipendenH.    

210  

Emicrania  emiplegica  familiare  

•  L’emicrania   emiplegica   familiare,   a   cara@ere  autosomico   dominante,   si   presenta   con   aura   ed   è  associata  a  grave  debolezza  motoria  (emiplegia).  

•  In   questo   caso   il   gene   coinvolto,   CACNL1A4   del  cromosoma  19p3,  determina  mutazioni  dei  canali  del  Ca+   voltaggio   dipendenH,   non   escludendo   la  possibilità   che   anche   mutazioni   dei   canali   Na+  possano  rivesHre  un  ruolo  importante.    

211  

SCN9A  

•  Le   Na+   canalopaHe,   coinvolte   nelle   mutazioni   del  gene   SCN9A,   possono   essere   associate   anche   ad  altre   patologie   non   stre@amente   geneHche,   quali  osteoartrite,  epilessia  e  convulsioni  febbrili.  

•  Altre   implicazioni   riguardano   forme,   quali   il   dolore  episodico,   la   miotonia   e   la   paralisi   periodica,   che  hanno  invece  un  più  probabile  impianto  ereditario.    

212  

Interazioni  acquisite  

•  Partendo  dalla  geneHca,  pertanto,  molH  studi  si  sono  concentraH  sul  ruolo  dei  canali  ionici  nella  genesi  del  dolore  dovuto  a  patologie  acquisite.  

•  In   quesH   casi,   l’alterato   funzionamento   dei   canali  può   essere   la   conseguenza   di   una   interazione  ambientale   di   varia   origine   (infeRva,   iatrogena   e  traumaHca).  

213  

Tipi  di  dolore  

•  So@o   questo   aspe@o,   è   stato   dimostrato   che   il  dolore   viscerale   e   il   dolore   infiammatorio   sono  sostenuH   da   una   iper-­‐espressione   dei   canali   Na+  voltaggio-­‐dipendenH.  

•  Un’altra   interessante   osservazione   riguarda   i   canali  Ca++   nei   neuroni   periferici   danneggia,,   che   poi  rappresentano   i   siH   d’azione   di   analgesici,   quali  gabapenHn  e  pregabalin.    

214  

Dolore  diffuso  

•  Il   dolore   è   uno   dei   più   diffusi   disturbi,   che   colpisce  circa  il  6%  della  popolazione.  

•  La  canalopaHe,  considerate  ormai  tra  i  più  importanH  fa@ori  patogeneHci,   sono  quindi  di   grande   rilevanza  clinica,   sopra@u@o   per   la   possibilità   di   individuare  nuove  strategie  terapeuHche  sui  canali  ionici.  

215  

Purinoce@ori  e  vanilloidi  

•  Molte   conoscenze   derivano   dagli   studi   sulla  delezione  di  geni,  che  codificano  per  i  canali  nei  topi.  

•  I   canali   caHonici   espressi   dalle   cellule   del   sistema  immunitario  (purinoce@ori,  P2X7)  mostrano  un  ruolo  primario  nella  soglia  del  dolore  mutevole.  

•  In   più,   sono   staH   consideraH   altri   fa@ori,   quali   la  trasduzione   sensoriale   (regolata   dai   rece@ori  vanilloidi,   TRVP1),   la   regolazione   della   eccitabilità  neuronale  da  parte  dei  canali  K+,  la  propagazione  del  potenziale   d’azione   per   i   canali   Na+   e   il   rilascio   dei  neurotrasmeRtori,  mediante  i  canali  Ca++.  

216  

QuesHoni  di  terapia  

•  La  percezione  del  dolore  è  un   importante  evento  di  sopravvivenza.  

•  Comunque,   le   sindromi   dolorose   di   scarsa   uHlità  fisiologica,   come   quelle   che   risultano   dalle  infiammazioni  croniche  o  dal  danno  neuronale,  sono  tanto  comuni,  quanto  difficili  da  tra@are.    

217  

QuesHoni  irrisolte  

•  Le  due  maggiori  classi  di  analgesici,  quali  i  FANS,  che  agiscono   sul   metabolismo   dell’acido   arachidonico   e  gli   oppioidi,   che   agiscono   sui   sistemi   rece@oriali  accoppiaH  alle  proteine  G,  hanno  una  indubbia  uHlità  ma  anche  notevole  effeR  avversi.  

•  La  ricerca,  pertanto,  punta  molto  sulla  individuazione  di   nuovi   farmaci,   che   agiscono   sui   canali   ionici,  sopra@u@o   nel   dolore   neuropaHco   e   in   quello  intra@abile.    

218  

Esempi  

•  Un  esempio  è  dato  dal  gabapenHn/pregabalin,  che   limitano   il   traffico   e   la   espressione   dei  canali  Ca++  voltaggio-­‐dipendenH.  

•  Un   altro   esempio   è   fornito   dal   ziconoHde,  uHlizzato  come  antagonista  dei  canali  N  del  Ca++.  

219  

Trasduzione  sensoriale  

•  La   famiglia   dei   rece@ori   vanilloidi   (TRP,   transient  receptor   potenHal)   è   un   so@ogruppo   di   canali  caHonici  non  seleRvi,  implicata  in  molH  aspeR  della  sensibilità.  

•  Tali   rece@ori   possono   essere   aRvaH   da   acidi,  eicosanoidi,   calore,   freddo   e   anche   pressione  meccanica   sui   neuroni   e   sono   responsabili   di  molte  risposte  cellulari  come  l’apoptosi,   la  proliferazione  e  l’angiogenesi.    

220  

Espressione  vanilloide  

•  L’espressione  dei  rece@ori  vanilloidi  non  è  limitata  ai  neuroni  sensoriali.  

•  InfaR,   sono   presente   anche   in   molH   tessuH   non  neuronali   come   i   cheraHnociH   dell’epidermide,  l’urotelio  della  vescica  e   il  muscolo   liscio,   il   fegato,   i  granulociH  polimorfonucleaH,  i  macrofagi,  i  mastociH  e  le  cellule  dell’epitelio  delle  vie  respiratorie.    

221  

Nuclei  vanillici  

•  I   canali   caHonici   TRPV1   e   TRPV2   sono   aRvaH   da  diversi  sHmoli  come  acidi,  protoni  extracellulari,  alte  temperature,   tossine   di   piante   e   agonisH   vanilloidi,  così  definiH  per  la  presenza  nella  loro  stru@ura  di  un  nucleo   vanillinico,   come   nella   capsaicina   ossia   il  principio  aRvo  del  peperoncino.  

•  Oltre   alla   capsaicina,   molH   altri   composH   naturali  irritanH  sono  in  grado  di  aRvare  i  rece@ori  vanilloidi.    

222  

Trasduzione  TRPV1  

•  Il   processo   di   trasduzione   aRvato   dalla  capsaicina   è   idenHco   a   quello   indo@o   dalle  alte  temperature.  

•  I   canali   TRPV1   si   aprono  e  perme@ono  a  una  corrente   di   Ca++,   che   depolarizza   il   neurone,  di  penetrare  e  generare  un  segnale  ele@rico,  il  quale  si  propaga  fino  al  cervello.  

223  

Eccitazione/inibizione  

•  I  rece@ori  vanilloidi  esercitano  un’azione  bifasica  sui  nervi   sensoriali,   cioè   dapprima   vi   è   una   eccitazione  seguita  da  un  durevole  periodo  refra@ario.  

•  L’esposizione   alla   capsaicina   porta   prima   una  sensazione   di   bruciore   e   in   seguito   un   periodo   di  analgesia,  in  cui  il  neurone  non  riesce  a  rispondere  a  sHmoli  nociceRvi  di  diversa  natura.    

224  

Dolori  vanilloidi  

•  La   delezione   di   TRPV1   e   TRPV4   determina   la  mancanza  di  dolore  da  sHmolazione  infiammatoria  e  meccanica,  rispeRvamente,  nei  topi  transgenici.  

•  Nell’uomo,   invece,   la   mutazione   di   TRPV4   non  provoca  aumento  del  dolore,  bensì  alla   sindrome  di  Charcot-­‐Marie,  associata  a  perdita  dei  nervi  periferici  e   ad   anomalie   scheletriche,  mentre   la  mutazione  di  TRPV1   determina   dolore   paross is,co   da  affaHcamento.    

225  

Rece@ori  purinergici  

•  I   canali   caHonici   dei   rece@ori   purinergici   ATP-­‐dipendenH   nei   neuroni   sensiHvi   (P2X3)   e   nella  microglia   sono   associaH   alla   sensazione   del   calore,  alla  allodinia  meccanica  e  al  deficit  di  dolore  acuto.  

•  I  topi  P2X7-­‐null,  infaR,  sono  incapaci  di  rispondere  al  danno  Hssutale  con  il  dolore.    

226  

NaV1.7  

•  Il  canale  Na+  voltaggio-­‐dipendente  NaV1.7,  espresso  nel   sistema   nervoso   periferico,   è   associato   a  numerose  sindromi  dolorose  ed  è  codificato,  come  si  è   visto,   dal   gene   SCN9A,   la   cui   mutazione   è  responsabile   della   eritermalgia   e   della   sindrome   da  dolore  parossisHco.  

•  La   delezione   di   NaV1.7   nei   topi,   tu@avia,   blocca   il  dolore   meccanico   e   a@enua   quello   infiammatorio,  ma  non  il  dolore  neuropaHco.    

227  

Canali  K+  

•  Anche   la   perdita   di   funzione   dei   canali   K  v o l t a g g i o -­‐ d i p endenH ,   c o i n v o l H   n e l l a  ripolarizzazione,   può   indurre   i   neuroni   a   essere  iper-­‐eccitabili.  

•  Da   ciò   consegue   una   maggiore   sensibilità   agli  sHmoli   dolorifici   e   a   una   minore   sensibilità   agli  analgesici.  

•  So@o  questo  aspe@o  risultano  molto  importanH  i  canali   della   famiglia   Kv7,   Kv1   e   Kir3.1,   Kir3.2  (canali  K  accoppiaH  a  proteina  G).  

228  

CaV  

•  Sebbene   le   canalopaHe   suggeriscano   un   ruolo  centrale,  nella  genesi  del  dolore,  da  parte  dei  canali  voltaggio-­‐dipendenH,  anche  i  canali  del  Ca++  e  le  loro  sub-­‐unità   associate   al   rilascio   di   neurotrasmeRtori  vanno   inclusi   nella   trasmissione   dello   sHmolo  dolorifico.  

•  Ad  esempio,   i   topi  Cav2.1-­‐null  mostrano  una  rido@a  manifestazione   del   dolore,   come   evidenziato   dalla  allodinia  meccanica,  nel  danno  da  costrizione  cronica  del  nervo  sciaHco.    

229  

Dolore  neuropaHco  

•  Alla   base   di   questo   fenomeno   sta   la   diffusa  espressione   di   Cav2.1   nelle   radici   dei   gangli   dorsali,  nel   midollo   spinale   e   nel   midollo   rostrale   ventro-­‐mediale  (midollo  allungato),  dove  controlla  il  rilascio  di  trasmeRtori  eccitatori  e  inibitori.  

•  Anche   Cav2.2   interviene   nel   dolore   neuropaHco   e  infiammatorio,  sia  acuto,  sia  cronico,  come  Cav2.3.  

230  

Emicrania  

•  È   una   forma   severa   di   cefalea,   a   eHologia   ancora  sconosciuta,   che   colpisce   circa   il   18%  delle  donne  e  circa  il  6%  degli  uomini.  

•  Partendo   dalle   considerazioni   sulle   forme   di  emicrania   emiplegica   familiare,   si   è   cominciato   a  osservare  il  ruolo  dei  canali   ionici  anche  nelle  forme  non   geneHche,   sopra@u@o   per   Cav2.1,   Na+/K+  ATPasi   (sub-­‐unità   α2)   e   NaV2.1,   uHlizzando   ancora  una  volta,  i  modelli  di  topi  transgenici.    

231  

Epilessia  

•  La   disfunzione   dei   canali   ionici   è   una   ben  moHvata  causa   di   epilessia,   nelle   rare   forme   geneHche   a  trasmissione  mendeliana.  

•  Tu@avia,   sono   numerosi   gli   esempi   di   canalopaHa  acquisita   nei   modelli   animali,   in   cui   l’epilessia   è  prodo@a  a  seguito  di  lesioni  cerebrali.  

232  

Epilessia  

•  Mediante   tecniche   di   ele@rofisiologia,   sono   staH  messi   a   punto   interessanH   studi,   che   coinvolgono   i  dendr iH   de i   neu ron i ,   ne l l a   co r tecc i a   e  nell’ippocampo.  

•  InfaR,   i   dendriH   apicali   dei   neuroni   piramidali  rappresentano   la   gran   parte   della   superficie  neuronali  e  quindi  la  maggioranza  dei  canali  ionici.    

233  

PlasHcità  epileRca  

•  L’osservazione   dei   canali   dendriHci   ha   dimostrato  una   notevole   plasHcità   nella   loro   localizzazione   e,  sopra@u@o,  la  proprietà  di  indurre  epilessia.  

•  L’iper-­‐eccitabilità,   a   questo   livello,   può   anche  condurre   allo   sviluppo   e   al   mantenimento   di   uno  stato  epileRco.  

234  

Flusso  di  Ca++  

•  Il   flusso   di   Ca++   cellule   regola   molH   segnali  intracellulari,  il  rilascio  di  neurotrasmeRtori  e  quindi  la  contrazione  muscolare.  

•  Piccoli  cambiamenH  delle  proprietà  biofisiche  o  della  espressione   dei   canali   possono   condurre   a   seri  disturbi   cronici   a   vari   livelli   (reHna,   cuore,   muscoli  scheletrici).  

235  

Ca++  e  cuore  

•  La  regolazione  del  flusso  di  Ca++  nel  miocardio  è  un  processo   chiave,   che   influisce   sulla   eccitabilità   e   la  contrazione  cardiache.  

•  Alcune  malaRe  degeneraHve,  quali  la  coronaropaHa,  sono   associate   alla   dis-­‐regolazione   del   Ca++  intracellulare,   con   la   possibilità   di   generare  disfunzione  contraRle  e  aritmie.  

236  

Studio  delle  mutazioni  

•  Lo   studio   delle   mutazioni   ha   permesso   di  comprendere  meglio   la  patogenesi  di   alcune   forme,  come   nella   tachicardia   ventricolare   polimorfa  catecolaminergica,   nella   quale   sono   implicaH   geni  (come  il  rece@ore  della  ryanodina  e  la  calsequestrina  2),  che  regolano  il  rilascio  di  Ca++  intracellulare.  

•  Altri   importanH   esempi   riguardano   la   sindrome   di  Timothy,  la  sindrome  di  Brugada,  dovute  a  mutazioni  Cav  e  la  ripolarizzazione  precoce,  dovuta  a  mutazioni  KCNH2,  KCNJ2  e  KCNQ1.  

237  

Sindrome  di  Timothy  

•  Rara   malaRa   mulH-­‐sistemica,   cara@erizzata   da  allungamento   del   tra@o  QT   all’ECG,   dita   dei   piedi   e  delle  mani  palmaH,  sella  nasale  infossata,  orecchie  a  bassa   a@accatura,   mascella   ipoplasica,   labbro  superiore  soRle  e  traR  auHsHci.  

•  Sono   staH   descriR   meno   di   20   casi.   È   dovuta   a  mutazioni   del   gene   CACNA1C   ed   è   ereditata   come  cara@ere  autosomico  dominante.    

238  

Sindrome  di  Brugada  

•  Cara@erizzata   da   sopra-­‐slivellamento   del   tra@o   ST  nelle   derivazioni   destre   (V1-­‐V3),   BBD   completo   o  incompleto,   susceRbil ità   al la   tachiaritmia  ventricolare   e   alla   morte   improvvisa,   in   assenza   di  difeR  evidenH  del  miocardio.  

•  Sintomi  nella  terza-­‐quarta  decade  di  vita,  sopra@u@o  nei  maschi,  con  sincope  a  riposo  o  nel  il  sonno.  

•  In   alcuni   casi,   la   tachicardia   non   si   interrompe  spontaneamente  e  può  causare  la  morte  improvvisa.  Possono  essere   interessaH   i   geni:   SCN5A,  CACNA1C,  CACNB2,  SCN1B  e  SCN3B.  

239  

Ripolarizzazione  precoce  

•  Elevazione   del   punto   J   (giunzione   tra   il   complesso  QRS   e   l’inizio   del   tra@o   ST)   è   stata   considerata   per  anni  un  reperto  innocuo.  

•  In   recenH   studi   la   presenza   di   questo   pa@ern   in  derivazioni   diverse   da   V1-­‐V3   (specialmente   nelle  derivazioni   inferiori   e   laterali),   è   stata   associata   ad  una  maggiore   vulnerabilità   a   sviluppare   fibrillazione  ventricolare.    

240  

SQTS  

•  Individui  affeR  da  SQTS   lamentano  frequentemente  palpitazioni   e   possono   avere   sincopi   (perdita   di  coscienza)  apparentemente  inspiegabili.  

•  Le  mutazioni  nei  geni  KCNH2,  KCNJ2  e  KCNQ1  sono  la  causa  della  Sindrome  del  QT  breve.  

•  QuesH   geni   codificano   per   proteine-­‐canale,   che  perme@ono   il   passaggio   di   potassio   dall'interno  all'esterno  delle  cellule  e  viceversa.  

•  Nel  cuore  quesH  canali  hanno  un  ruolo  fondamentale  nel  mantenimento  del  ritmo  normale.  

241  

Sindrome  del  QT  breve  

•  Le   mutazioni   nei   geni   KCNH2,   KCNJ2   e   KCNQ1  incrementano   l'aRvità   dei   canali,   che   cambiano   il  flusso  degli  ioni  di  potassio  tra  le  cellule.  

•  Questa   alterazione   nel   trasporto   ionico   modifica   la  maniera  nella  quale  ba@e  il  cuore,  cara@erizzando  un  ritmo   cardiaco   anormale,   Hpico   della   Sindrome   del  QT  breve.    

242  

SQTS  

•  A   causa   dell'ereditarietà   a   cara@ere   autosomico  dominante,   la   maggior   parte   dei   soggeR   ha   una  storia   familiare  di  morte   improvvisa   in  età  giovanile  (anche   nell’infanzia),   palpitazioni,   o   fibrillazione  atriale.  

•  La  SQTS  è  associata  ad  un   incremento  del   rischio  di  morte   cardiaca   improvvisa,   per   la   maggior   parte  dovuta  a  fibrillazione  ventricolare.  

243  

Timothy  e  Brugada  

•  Le  mutazioni  del  gene  Cav1.2  sono  responsabili  delle  alterazioni  ele@rocardiografiche  (QT  prolungato,  con  aritmie  fatali)  nella  sindrome  di  Timothy,  dovute  a  un  incremento  funzionale  del  canale  Ca++.  

•  Di   contro,   nella   sindrome   di   Brugada,   la  mutazione  determina   una   perdita   di   funzione   (QT   rido@o,   con  morte  improvvisa).    

244  

Sindrome  complessa  

•  I  pazienH  con  sindrome  di  Timothy,   inoltre,  soffrono  di   una   disfunzione   mulH-­‐organo,   legata   alla   estesa  distribuzione   dei   canali,   sopra@u@o   a   livello  neurologico,   con   ritardo   mentale,   auHsmo,  depressione,  schizofrenia  e  disturbi  bipolari.  

•  Tali   pazienH   vanno   anche   incontro   a   infezioni  ricorrenH,   per   il   coinvolgimento   del   sistema  immunitario.  

245  

CalciopaHe  

•  I  canali  Ca++  regolano  i  sistemi  biologici  a  ogni  livello,  dal   potenziale   di   membrana   al   trasporto   di   caHoni,  dalle   chinasi   ai   fa@ori   di   trascrizione,   al   punto   che  sono  numerosi  gli  autori,   che  parlano  di  calciopaHe,  in   caso   di   alterazione   nella   omeostasi   intracellulare  del  caHone.  

•  Il   flusso   di   Ca++   nella   cellula   si   verifica   sia   per  l’entrata   dall’ambiente   esterno,   sia   per   la  mobilizzazione   interna,   sopra@u@o   dal   reHcolo  endoplasmaHco  e  dai  mitocondri.    

246  

Neuro-­‐psichiatria  

•  Le   calciopaHe   sono   considerate,   ormai,   uno   dei   più  importanH   fa@ori   patogeneHci   di   malaRe  neurodegeneraHve   e   neuropsichiatriche,   spesso   in  forma  poligenica.  

•  Anche   le   forme   monogeniche,   quali   epilessia,  auHsmo,  atassia  ed  emicrania,   sono  da   ricondurre  a  iper-­‐eccitabilità   Hssutale   nervosa,   susceRbile   a  periodiche  compensazioni.  

247  

NaV  neurologico  

•  Queste  alterazioni  coinvolgono  anche  i  canali  NaV.  •  L’iperfunzione  di  quesH  canali,  ad  esempio,  dovuta  a  mutazione   NaV.1.1   è   la   causa   primaria   di   epilessia  generalizzata   e   di   convulsioni   febbrili,   mentre   la  ipofunzione   dello   stesso   canale   genera   epilessia  mioclonica,   sopra@u@o   nella   forma   intra@abile  dell’infanzia.  

248  

Dolore  cronico  e  parossisHco  

•  In   quesH   casi,   la   perdita   seleRva   delle   correnH   di  sodio   determina   una   rido@a   neurotrasmissione  GABAergica,   che   conduce   a   iper-­‐eccitabilità  glutamatergica.  

•  Al   contrario,   una   iperfunzione   NaV   provoca   dolori  parossisHci   estremi,   non   soltanto   nelle   forme  geneHche   già   viste,  ma   anche   nei   disturbi   acquisiH,  specialmente  nel  dolore  cronico  .  

249  

Autoimmunità  

•  Il   ruolo   delle   risposte   immunitarie   nei   disturbi  della   giunzione   neuro-­‐muscolare   è   dimostrato  dalla   presenza   di   anHcorpi   verso   il   rece@ore   di  aceHlcolina,   chinasi  muscolo-­‐specifiche   e   verso   i  canali  Ca++  voltaggio-­‐dipendenH.  

•  Le   malaRe   conosciute   sono   la   myastenia   (anH-­‐Ach-­‐R)  e  la  sindrome  di  Lambert-­‐Eaton  (anH-­‐CaV).  Più  recentemente,  sono  staH  idenHficaH  anHcorpi  verso   i   canali   K+   voltaggio-­‐dipendenH   nella  neuromiotonia  acquisita.  

250  

AnH-­‐CaV  

•  AnHcorpi   anH-­‐canale   sono   staH   osservaH   nelle  encefaliH   e   nell’atassia   paraneoplasHca.   Spesso   gli  anHcorpi   anH-­‐Cav,   oltre   che   nella   Lambert-­‐Eaton,  sono   presenH   anche   nel   cancro   del   polmone   a  piccole  cellule.  

•  Ciò  giusHfica  la  nozione  di  risposta  immuno-­‐mediata  paraneoplasHca.  

251  

Lambert-­‐Eaton  

•  MalaRa   neuromuscolare   paraneoplasHca,   nella  quale  una  risposta  immunitaria,  dire@a  contro  un  tumore  polmonare  a  piccole  cellule,  reagisce  con  gli  anHgeni  della  giunzione  neuromuscolare.  

•  InfaR,   qualora   il   tumore   esprima   anHgeni  condivisi   con   il   SN,   provoca   un   danno  neurologico,   per   mimeHsmo   molecolare,   per   la  presenza   di   anHgeni   di   superficie   facilmente  accessibili,   come   ad   esempio   i   canali   Ca++  voltaggio-­‐dipendenH.  

252  

De@agli  terapeuHci  

•  I   lipopolisaccaridi   (LPS)   aRvano  monociH/macrofagi  e   cellule  dendriHche,  mediante   il   legame  con   il   loro  rece@ore,   il   CD14,   situato   sulla   membrana   di   tali  cellule.  

•  Tu@avia,   la   trasduzione   del   segnale,   iniziata   dal  legame   LPS/CD14   è   una   condizione   necessaria   ma  non  sufficiente  alla  aRvazione.  

253  

AnH-­‐CD14  

•  L’evento   criHco   è   stabilito   dalla   sHmolazione   dei  canali   K   ad   alta   condu@anza   aRvaH   da   canali   Ca++  voltaggio-­‐dipendenH  e  denominaH  BK.  

•  Tali  canali  sono  sHmolaH  dai  LPS  con  un’azione  dose-­‐dipendente   e   sono   completamente   inibiH   dalla  presenza  di  anH-­‐CD14.  

254  

Forme  del  lipide  A  

•  Da   tempo   è   stato   osservato   che   esiste   una   chiara  correlazione   tra   la   conformazione   molecolare   del  lipide  A  di  endotossine  e  la  loro  capacità  di  indurre  la  produzione  di  citochine  da  parte  dei  mononucleaH.  

•  InfaR,   la   forma   conica   mostra   un’aRvità   agonista,  mentre   la   forma   cilindrica   esercita   un’azione  antagonista.  

255  

AnH-­‐CD14  

•  Il   segnale   dei   LPS   nei   confronH   delle   cellule  dendriHche   si   esprime   a@raverso   l’aRvazione   dei  canali  BK,  ossia  i  canali  K  ad  alta  condu@anza  aRvaH  dal  Ca++.  

•  Questa   aRvità   biologica,   che   determina   la  produzione  di  citochine  infiammatorie,  è  bloccata  da  anHcorpi   anH-­‐CD14   nelle   colture   dei   mononucleaH,  mediante  inibizione  di  mRna    

256  

BK  canali  

•  Ciò  significa  che  non  esistono  altri  segnali  operaHvi  di  segnali   trans-­‐membrana   nelle   cellule   dendriHche,   al  di  fuori  di  quello  descri@o.  

•  In   più,   un   cambio   della   conformazione   molecolare  del  lipiede  A,  dalla  fase  cilindrica  antagonista  a  quella  conica,   aggiungendo   clorpromazina   alla   coltura,  aumenta   l’aRvità   dei   canali   BK   e   quindi   l’azione  biologica  dei  LPS.  

257  

Canali  K+  alta  condu@anza  

•  I   canali   K+   aRvaH   dal   Ca2+   a   grande  condu@anza   (BK)   sono   diffusamente   presenH  nel  sistema  nervoso.  

•  LocalizzaH   sulla   membrana   pre-­‐sinapHca  determinano   iperpolarizzazione,  quando  sono  aRvaH   dalla   depolarizzazione   e   dall’ingresso  del  calcio.  

258  

Ruolo  BK  

•  Si   riteneva,   per   la   loro   conHguità   con   i   canali   Ca++  voltaggio-­‐dipendenH,   che   agissero   come   un   feed-­‐back  negaHvo  sul  rilascio  di  neurotrasmeRtori.  

•  In   altre   parole,   si   pensava   che   la   loro   funzione  antagonizzasse   gli   effeR   della   depolarizzazione,  anche   se   esistono   prove   sperimentali   che   non   è  sempre  questo  il  loro  ruolo.  

259  

Comunque  ripolarizzazione  

•  E’  ormai  generalmente  acce@ata  l’ipotesi,  che  l’azione   mediata   dai   BK   consista   nel  prolungamento  della  ripolarizzazione.  

•  Tu@avia,   studi   recenH   hanno   evidenziato  modalità  più  complesse.  

260  

Sinapsi  a  lembo  

•  Per   comprendere   il   ruolo   fisiologico   dei   BK,   alcuni  Autori   ne   hanno   studiato   la   fisiologia   a   riposo,  uHlizzando  le  ribbon  synapses  (sinapsi  a  trasmissione  rapida)   dei   bastoncelli   della   reHna   di   salamandra,   i  quali  sono  silenH  in  condizioni  ordinarie.  

•  Nelle   sezioni   di   reHna   ada@ate   al   buio,   la   luce   è   in  grado  di  evocare  correnH  post-­‐sinapHche  eccitatorie  nei  neuroni  di  secondo  ordine.  

261  

Sinergia  BK/Ca++  

•  Gli  antagonisH  dei  BK  determinano  la  soppressione  di  queste  correnH,   inibendo  il  rilascio  del  trasmeRtore  da  parte  dei  bastoncelli.  

•  Andando   oltre,   è   stata   dimostrata   una   sinergia  posiHva   fra   BK   e   canali   Ca++   presso   il   terminale  presinapHco.  

262  

Ossia…  

•  …il  flusso  in  entrata  di  Ca++  aRva  i  BK,  con  uscita  di  K+,  che  accresce  l’aRvità  dei  canali  Ca++.  

•  La   corrente   in   uscita   dei   BK   e   quella   in   entrata   dei  canali   Ca++   approssimaHvamente   si   bilanciano   nel  range   fisiologico   dei   voltaggi   dei   bastoncelli,  consentendo   un’amplificazione   della   trasmissione  sinapHca   senza   modificazioni   del   voltaggio   di  membrana.  

•  Ma,  se  in  queste  condizioni  si  determina  un’ulteriore  depolarizzazione  dei  bastoncelli,  il  BK  agisce  da  freno  e  supera  le  altre  correnH,  iperpolarizzando  la  cellula.    

263  

Tornando  a  CD14  

•  I   Toll-­‐like   receptors   presenH   nel   sistema   nervoso  centrale,   in   parHcolare   TLR4,   rivestono   un   ruolo  centrale   nella   genesi   del   dolore   neuropaHco,   come  dimostrato  con   i  modelli   su   topi,   con   la   transezione  spinale  a  L5.  

•  In   quesH   casi,   anche   il   ruolo   di   CD14   nella   genesi  della  risposta  dolorifica,  mediante  il  legame  con  LPS/TLR4,  assume  una  importanza  fondamentale.    

264  

AnH-­‐CD14  

•  I   topi   CD14-­‐null,   infaR,   mostrano   una   significaHva  diminuzione   del   comportamento   sensoriale  (allodinia   meccanica   e   iperalgesia   termica),   già   dal  primo  giorno  di  transezione  L5.  

•  Ciò  indica  l’azione  nociceRva  della  molecola  CD14,  la  cui   espressione,   sulle   membrane   della   microglia,  aumenta  progressivamente  dal  momento  del  danno,  generando  il  dolore  neuropaHco.  

265  

Infiammazione  e  dolore  

•  Questo   aspe@o   è   importanza   capitale,   in   quanto  tesHmonia   del   ruolo   delle   risposte   innate,   quindi  delle   infezioni,   nella   patogenesi   del   dolore  neuropaHco.  

•  In  parHcolare,  le  risposte  innate  a  livello  del  sistema  nervoso   centrale   e   periferico,   conducono   a   un  comportamento   dolorifico   e   a   forme   di   iper-­‐sensibilità  al  dolore.  

266  

Citochine  e  dolore  

•  Una   teoria   eHologica   accredita   il   coinvolgimento  de l la   g l ia   ne l la   produz ione   d i   c i toch ine  infiammatorie.  

•  Tali  citochine  indurrebbero  l’espressione  dei  comuni  mediatori   del   dolore,   quali   il   glutammato   e   l’ossido  nitrico.  

267  

Carie  

•  Le   analisi   immuno-­‐istochimiche   su   neuroni   umani   e  murini   hanno   dimostrato,   che   una   so@oclasse   di  nocice@ori   sensiHvi   alla   capsaicina   (definiH   dalla  presenza   di   TRPV1   dei   vanilloidi)   esprime   TLR4   e  CD14.  

•  Un   esempio   è   fornito   dalla   co-­‐localizzazione   di  entrambe   le   molecole   nelle   lesioni   cariose   della  polpa  dentale,  come  marcatori  dei  neuroni  periferici  sensiHvi  (neuroni  afferenH  del  trigemino).  

268  

Endotossine/acidi  lipoteicoici  

•  L’aRvazione  del  complesso  TLR4/CD14,  da  parte  dei  LPS  di   gram-­‐  presenH  nel   cavo  orale,   è   il   segnale  di  una  cascata  di  risposte  intracellulari,  che  conducono  alla   esocitosi   di   neuropepHdi   in   periferia   e   alla  neurotrasmissione  nociceRva  centrale.  

•  Questo   processo   può   essere   innescato   anche   dagli  acidi  lipoteicoici  dei  Gram+.  

269  

CorrenH  Hpo  A  del  K+  

•  Le  correnH  Hpo-­‐A  sono  state  descri@e  dapprime  nei  neuroni  dei  molluschi  e  successivamente  in  quelli  dei  vertebraH  e  nel  cuore.  

•  Il  nome  Hpo-­‐A  deriva  dal  Hpico  profilo  delle  correnH  K+   voltaggio-­‐dipendenH,   le   quali   sono   rapidamente  aRvate   da   voltaggi   sub-­‐liminali   e   poi   rapidamente  inaRvate.  

270  

Localizzazione  e  funzione  

•  I   canali   Hpo-­‐A   sono   abbondantemente   espressi   nei  neuroni,  nelle  cellule  muscolari  lisce  e  nel  miocardio.  

•  Nel   sistema   nervoso   tali   correnH   controllano  l’eccitabilità,   l’ingresso   sinapHco   e   il   rilascio   di  neurotrasmeRtore.  

271  

Ruolo  

•  In   molH   neuroni   si   trovano   usualmente   silenH   nel  potenziale   di   riposo   e   si   aRvano   transitoriamente  durante   la   decadenza   del   potenziale,   ritardando   la  depolarizzazione.  

•  Svolgono   il   compito,   dunque,   di   prolungare  l’intervallo  tra  i  potenziali  d’azione  e  di  controllare  la  frequenza  di   innesco  neuronale,   come  strumento  di  inaRvazione.  

272  

Cuore  

•  Le  correnH  Hpo-­‐A  sono  presenH  nei  miociH  di  atrii  e  ventricoli,   dove   sono   chiamate   “correnH   transitorie  in   uscita”   e   presiedono   alla   iniziale   ripolarizzazione  del  potenziale  d’azione  ventricolare.  

•  Sono  anche  presenH  nelle  cellule  muscolari   lisce  dei  vasi,   sebbene   il   ruolo   fisiologico   non   sia   ancora  conosciuto.    

273  

PlasHcità  neuronale  

•  I   canali   K+   Hpo-­‐A   rivestono   un   ruolo   fondamentale  nel   segnale   e   nella   plasHcità   neuronali,   che   deriva  dalla   loro   univoca   localizzazione   cellulare,   dalla  voltaggio-­‐dipendenza  e  dalle  proprietà  cineHche.  

•  Pur  essendo  state   idenHficate  alcune  componenH  di  tali   stru@ure,   non   è   stato   possibile   disHnguerne   le  proprietà  dai  canali  naHvi.  

274  

CD26  

•  Tu@avia,  purificando   i   complessi   canale  K  Hpo-­‐A  dal  cervello   di   ra@o,   è   stato   scoperto   che   uno   dei  cosHtuenH   principali   è   rappresentato   da   una  proteina   stru@uralmente   correlata   alla   dipepHdil-­‐aminopepHdasi,  ossia  il  CD26.  

•  Tale   proteina   è   associata   alle   sub-­‐unità   del   canale  che  formano  i  pori.  

275  

Proprietà  

•  Le  sue  funzioni  sembrano  molteplici.  •  InfaR,  perme@e   il   traffico  dei   canali,   ricosHtuisce   le  proprietà  dei  canali  naHvi  nei   sistemi  di  espressione  eterologa   ed   è   espressa   nel   comparto   somato-­‐dendriHco  dei  neuroni  nel  sistema  nervoso  centrale.  

276  

Fisiopatologia  di  CD26  

•  Nei  pazienH  con  artrite  reumatoide,   il  plasminogeno  si   lega   ai   fibroblasH   della   sinovia   in   modo   dose-­‐dipendente  e  con  alta  affinità  di  legame.  

•  Il   rece@ore   del   plasminogeno   è   composto   da   una  glicoproteina   αIIbβ3   associata   al   CD26,   anche  denominato   dipepHdil   pepHdasi   IV.   il   legame  plasminogeno/rece@ore   induce   un   aumento   della  concentrazione  di  Ca++  libero  nel  citosol.  

277  

AnH-­‐CD26  

•  Anche   la   streptochinasi,  una  proteina  secreta  da  numerose  specie  di  streptococcus  è  un  aRvatore  del   plasminogeno   e   si   lega   ai   fibroblasH   della  sinovia  di  pazienH  con  artrite  reumatoide,  ancora  in  maniera  dose-­‐dipendente  e  con  aumento  di  Ca++  libero  nel  citoplasma.  

•  Tu@avia,   il   suo   legame   non   si   stabilisce   con   il  rece@ore  del  plasminogeno,  bensì  con  la  proteina  associata,   ossia   il   CD26,   a@raverso   una   comune  sequenza  di  6  aminoacidi  (LTSRPA).  

278  

Veratrum  album  

•  La   veratridina,   un   alcaloide   estra@o   dal   veratrum  album,  provoca  la  persistente  apertura  dei  canali  Na+,  durante  la  depolarizzazione  della  membrana.  

•  Il   conseguente   iper-­‐afflusso   di   Na+,   oltre   a  mantenere   la   depolarizzazione,   determina   altri  effeR,   quali   iper-­‐afflusso   di   Ca++,   un   aumento  dell’aRvità  di  pompa  e  l’esocitosi.  

279  

Veratridina  

•  L’azione   della   veratridina   si   manifesta   a@raverso   il  legame  con  la  proteina  canale,  nel  cosidde@o  sito  2,  analogamente   a   quanto   si   verifica   con   un’altra  neurotossina  ben  conosciuta,  la  batracotossina.  

•  Questa   molecola,   estra@a   dalla   rana   dorata  (phyllobates   terribilis),   agisce   come   agonista  completo   del   canale   Na+,   mentre   la   veratridina  funziona  come  agonista  parziale.  

280  

Aconitum  e  altro  

•  Oltre   a   quelle   menzionate,   si   conoscono   numerose  neurotossine   lipo-­‐solubili,   che   influiscono   sui   canali  Na+  voltaggio-­‐dipendenH,  con  azioni  analoghe.  

•  Tra  queste  ciHamo   l’aconiHna  e  gli   inseRcidi  a  base  di  piretro.  Le  conseguenze  cliniche  possono  arrivare  a  morte,  precedute  da  convulsioni  e  paralisi.  

281  

Convulsioni  

•  L’effe@o   convulsivante,   dovuto   al   legame   delle  neurotossine   sopracitate   (compresa   la   veratridina)  con   i   canali   Na+,   è   indo@o   dall’aumento   di  concentrazione  intracellulare  di  Ca++.  

•  Questo   evento   è   stato   dimostrato   con   la   risposta  delle  cellule  piramidali  di  ippocampo  alla  persistente  depolarizzazione,   in   modo   indipendente   dal  rece@ore  ionotropo  del  glutammato.  

282  

Mercurius  solubilis  

•  Sono  staH  studiaH  gli  effeR  di  una  esposizione  acuta  del   mercurio   inorganico   nelle   correnH   ioniche   di  colture  neuronali  di  ippocampo  da  ra@o.  

•  Le  correnH  Ca++  ad  alto  voltaggio  (canali  Hpo  L)  sono  inibite   dal   metallo   in   modo   irreversibile   e   a   basse  concentrazioni  (micromolari).  

283  

Azione  Ca-­‐antagonista  

•  È  importante  comprendere  la  tossicologia  dei  calcio-­‐antagonisH,   per   usare   al   meglio   la   prescrizione   di  farmaci   bloccanH,   quali   il   mercurio   e   altri   metalli   o  metalloidi.  

•  Un  sovradosaggio  di   tali   farmaci   comporta   la   rapida  progressione  di  ipotensione,  bradi-­‐disritmia  e  arresto  cardiaco.    

284  

Esami  diagnosHci  

•  Gli  esami  fisici  includono:  •  bradicardia,   ipotensione,   livello   di   coscienza  depresso,   iperglicemia,   ipokaliemia,   acidosi,  blocco  AV   (nei   vari   gradi),  ogni  Hpo  di  blocco  di   branca   fascicolare,   alterazioni   aspecifiche  del  tra@o  S-­‐T.  

285  

Segni  e  sintomi  tossicologici  

•  Altri   segni   e   sintomi   della   tossicologia   da  calcio  antagonisH  comprendono:  

•  s incope ,   verHg in i ,   do lore   torac i co ,  palpitazioni,   diaforesi,   vampate   di   calore,  debolezza,   edema   periferico,   dispnea,  confusione,   convulsioni,   sbandamento,  cefalea,  nausea  e  vomito.  

286  

Alumina  

•  L’esposizione   sub-­‐cronica   di   alluminio   contrasta   le  capacità  di  apprendimento  e  di  memoria,  durante  lo  sviluppo,  nei  raR  Wistar.  

•  Questo   effe@o,   dovuto   alla   somministrazione   del  metallo  in  acqua  per  90  giorni,  è  legato  alla  inibizione  dei   rece@ori   NMDA   e   alla   riduzione   della  concentrazione  di  Ca++  nei  neuroni  dell’ippocampo.  

287  

AnH-­‐canali  Ca++  

•  D’altra   parte,   l’alluminio   è   considerato   un   fa@ore  patogeneHco   importante   per   numerose   malaRe  neurodegeneraHve.  

•  Ciò  si  verifica  a@raverso  l’alterazione  nella  omeostasi  delle   correnH   Ca++,   nei   canali   voltaggio-­‐dipendenH,  sopra@u@o  a  livello  dei  rece@ori  NMDA.  

288  

Metalli  divalenH  

•  Gli   effeR   dei   metalli   divalenH,   quali   manganese,  rame  e  cobalto,  sulle  correnH  Ca++  ad  alto  voltaggio,  sono   state   studiate   nella   dissociazione   dei   neuroni  piramidali  dalla  corteccia  piriforme  di  ra@o.  

•  Tali   correnH   risultano   inibite   sopra@u@o  dal   rame  e  dal   manganese,   nella   cineHca   di   aRvazione   dei  canali.  

289  

Zinco  

•  Con   le   stesse   tecniche   di   clampaggio   i   medesimi  neuroni  sono  staH  dissociaH    e  so@oposH  all’azione  di  ioni  Zn++.  

•  In   questo   modo,   è   stato   osservato   che   il   metallo  blocca   tuR   i   canali   Ca++,   non   solo   quelli   ad   alto  vo l tagg io   e   r iduce   anche   la   ve loc i tà   d i  ripolarizzazione  della  cellula.  

290  

Zn++  e  Cu++  

•  I   rece@ori   purinergici   P2X4,   espressi   nel   cervello   di  ra@o,  possono  essere   sHmolaH  dall’aggiunta  di  ATP,  con   un   influsso   di   corrente   caHonica   voltaggio  indipendente.  

•  L’aggiunta  di   Zn++  a  dosi  micromolari  determina  un  potenziamento   della   corrente.   Di   contro,   è   stato  dimostrato  che  Cu++  inibisce  tali  rece@ori,  allo  stesso  modo  del  mercurio.  

291