CANALI IONICI: STRUTTURA, FUNZIONI, TIPOLOGIE - BIOLOGIA - 2025

I canali ionici sono strutture a membrana cava che formano canali o pori che attraversano lo spessore della membrana e comunicano l'esterno della cellula con il suo citosol e viceversa; alcuni possono avere un sistema di cancello che ne regola l'apertura.

Questi canali sono riempiti d'acqua e controllano il passaggio di ioni specifici da un lato all'altro della membrana. Sono costituiti da proteine ​​tipiche delle membrane cellulari che formano strutture tubolari cilindriche che le attraversano in larghezza.

Formazione aperta e chiusa di un canale ionico (Fonte: Efazzari via Wikimedia Commons)

I meccanismi di trasporto attraverso queste membrane possono essere ampiamente classificati in trasporto passivo o attivo. I passivi sono quelli che consentono il passaggio delle sostanze a favore dei loro gradienti di concentrazione, mentre quelli attivi richiedono il consumo di energia, poiché muovono le sostanze contro i loro gradienti di concentrazione.

I canali ionici costituiscono un meccanismo di trasporto passivo che può essere classificato in base alla loro specificità, cioè in base al tipo di ione che lasciano passare, o in base al modo in cui si aprono o si chiudono.

La funzione principale di questi sistemi di trasporto a membrana è quella di consentire il passaggio regolato di sostanze dentro o fuori le cellule e quindi mantenere le concentrazioni intracellulari di ioni e altre sostanze.

La presenza di membrane cellulari e canali ionici è essenziale per il mantenimento delle differenze di concentrazione tra i mezzi intracellulari ed extracellulari, che è rilevante da molti punti di vista.

I canali ionici, in particolare quelli dipendenti dal ligando, sono molto importanti in farmacologia e medicina, poiché molti farmaci possono imitare le funzioni dei ligandi naturali e quindi legarsi al canale, aprendolo o chiudendolo, a seconda dei casi.

Altri farmaci sono in grado di bloccare il sito di legame e quindi impedire l'azione del ligando naturale.

Struttura

La struttura dei canali ionici è costituita da specifiche proteine ​​transmembrana che hanno una forma tubolare e lasciano un poro o foro che consente la comunicazione tra l'interno e l'esterno della cellula o tra i compartimenti intracellulari (organelli).

Ogni canale ionico coinvolge una specifica proteina di membrana strutturale e sono stati descritti più di 100 geni che codificano canali ionici specifici.

Per il canale del sodio, ad esempio, sono stati descritti 10 geni chiamati SCN che codificano differenti proteine ​​distribuite in differenti tessuti con particolari funzioni e strutture.

Allo stesso modo, è stato descritto un numero considerevole di geni che codificano per diverse proteine ​​che compongono canali del potassio che appartengono a famiglie diverse e hanno meccanismi di attivazione, apertura e inattivazione differenti.

Struttura proteica di un canale ionico

Tipicamente, un canale ionico funzionale associato a una membrana è composto dall'assemblaggio da 4 a 6 subunità polipeptidiche simili (omo oligomeri) o differenti (eterooligomeri) che formano un poro centrale tra di loro.

Schema delle subunità di membrana di un canale ionico (Fonte: Efazzari via Wikimedia Commons)

Ogni subunità varia in base alle caratteristiche e proprietà del canale, poiché molte sono specifiche per determinati ioni e hanno meccanismi di apertura e chiusura diversi.

Alcuni canali sono costituiti da un'unica catena polipeptidica organizzata in motivi ripetuti che attraversano più volte lo spessore della membrana e funzionano come l'equivalente di una subunità proteica.

Oltre a queste subunità, note in letteratura come subunità α, alcuni canali ionici hanno anche una o più subunità ausiliarie (ß o γ) che ne regolano l'apertura e la chiusura.

La specificità di ciascun canale è correlata al diametro del poro formato dalle proteine ​​transmembrana e dalle catene laterali (─R) degli amminoacidi che le compongono.

In questo modo, ci sono canali che lasciano passare solo sodio, potassio, ioni calcio e così via, poiché le catene laterali funzionano come un "setaccio".

Caratteristiche strutturali aggiuntive

Un'altra caratteristica importante di molti canali sono le porte. I canali con queste proprietà possono aprirsi o chiudersi contro i cambiamenti locali che si verificano nel microambiente della membrana che circonda il canale.

A seconda del tipo di canale, questi cambiamenti possono essere meccanici, termici (cambiamenti di temperatura), elettrici (cambiamenti di tensione) o chimici (legame di un ligando).

Tuttavia, nei cosiddetti canali ionici passivi, che sono quelli che rimangono aperti e consentono il passaggio specifico di determinati ioni, queste strutture non hanno gate o sono sensibili ai ligandi o ad altri tipi di stimoli.

In altri canali ionici, che sono sensibili alla presenza o al legame di ligandi, esiste un sito di legame per il ligando sia sul lato extracellulare che verso il citosol cellulare e in questi casi i pori o canali hanno una porta che può essere aperta o chiusa secondo lo stato del suo ligando.

Secondo meccanismo messenger per apertura o chiusura canali

Nel caso di avere un sito ligando nella porzione intracellulare, questi canali di solito hanno secondi messaggeri come ligandi. Un esempio di canali ionici che vengono aperti o chiusi da meccanismi di secondo messaggero è quello dei recettori olfattivi:

Le molecole di profumo si legano ai loro recettori sul lato extracellulare. Questi recettori, a loro volta, sono attaccati a una proteina G attivata che, a sua volta, attiva la proteina adenil ciclasi che forma il cAMP, che è un secondo messaggero.

Il cAMP si lega a un sito di legame intracellulare di alcuni canali del calcio, che si traduce nella sua apertura e nell'ingresso del calcio nella cellula.

Come se fosse un effetto domino, il calcio si lega ad un sito ligando di un altro canale del cloro, che genera la sua apertura e l'uscita di questo ione, provocando la depolarizzazione della cellula olfattiva.

È importante sottolineare che i cambiamenti generati dai ligandi o gli stimoli che influenzano i canali ionici corrispondono a cambiamenti conformazionali delle proteine ​​che costituiscono la struttura del canale.

In altre parole, i cambiamenti conformazionali che possono spostare una porta e chiudere o aprire un canale non sono altro che l'avvicinamento o l'allontanamento delle subunità proteiche che lo compongono.

Altri meccanismi di attivazione e inattivazione

Alcuni canali, in particolare i canali dipendenti dalla tensione, possono entrare in uno stato refrattario durante il quale la stessa variazione di tensione che li ha attivati ​​ora non li attiva più.

Ad esempio, nei canali del calcio voltaggio-dipendenti, la variazione di tensione apre il canale e il calcio entra e, una volta all'interno della cellula, lo stesso ione si lega a un sito di legame del canale del calcio e il canale del calcio si chiude. .

Un'altra forma di inattivazione reversibile del canale del calcio che spiega la sua refrattarietà dopo l'attivazione è la defosforilazione del canale dovuta all'aumento della concentrazione interna di calcio.

Cioè, un canale del calcio può essere irreversibilmente inattivato a causa della presenza di concentrazioni patologicamente elevate dello ione, che mediano il reclutamento di enzimi di clivaggio da altre proteine ​​attivate dal calcio.

I canali con ligando possono entrare in uno stato refrattario se esposti al loro ligando per lungo tempo, questo meccanismo viene chiamato desensibilizzazione.

Farmaci, veleni e tossine possono influenzare la regolazione dei canali ionici, chiudendoli o mantenendoli aperti o, in alcuni casi, occupando la sede del ligando e interferendo così con la sua funzione.

Caratteristiche

I canali ionici hanno una molteplicità di funzioni, dirette o indirette.

- Sono responsabili della regolazione del flusso di ioni attraverso il plasma e le membrane organellari di tutte le cellule.

- Consentono l'esistenza di un controllo sulle concentrazioni intracellulari dei diversi ioni.

- Nei neuroni e nelle cellule muscolari, i canali ionici controllano le variazioni del potenziale di membrana che si verificano durante i potenziali d'azione e durante i potenziali postsinaptici delle cellule effettrici.

- I canali del calcio che generano flussi netti di calcio nello spazio intracellulare sono responsabili dell'attivazione di numerosi enzimi e proteine ​​che partecipano a molti processi metabolici.

- Allo stesso modo, l'aumento del calcio dovuto all'aumento del suo trasporto avvia il meccanismo di rilascio dei neurotrasmettitori nello spazio sinaptico dei neuroni.

- Pertanto, la funzione dei canali ionici è anche correlata ai meccanismi di comunicazione cellulare.

Generalità di trasporto attraverso la membrana

Come affermato sopra, i meccanismi di trasporto della membrana possono essere attivi o passivi a seconda che consumino o meno energia dalla cellula in cui si trovano. I meccanismi passivi sono classificati in diffusione semplice e diffusione facilitata.

Diffusione semplice

La semplice diffusione permette il passaggio attraverso la struttura fosfolipidica della membrana di molecole liposolubili di piccole dimensioni, con caratteristiche apolari e senza carica.

Così, ad esempio, gas come ossigeno (O2) e anidride carbonica (CO2), etanolo e urea, per citarne alcuni, passano attraverso il loro gradiente di concentrazione.

Diffusione facilitata

La diffusione facilitata è quella facilitata dalle proteine ​​e ci sono due tipi di questo meccanismo di trasporto passivo: canali ionici e proteine ​​di trasporto o proteine ​​trasportatrici.

I canali ionici sono il meccanismo più utilizzato dalle cellule per il trasporto di ioni che non possono passare per semplice diffusione, sia perché hanno una carica elettrica che i fosfolipidi della membrana li respingono, per la loro dimensione e polarità o per qualsiasi altra caratteristica.

La diffusione facilitata dalle proteine ​​trasportatrici viene utilizzata per il trasporto di sostanze più grandi con o senza carica, come il glucosio e altri zuccheri.

Il trasporto attivo della membrana è quello che avviene contro il gradiente di concentrazione del soluto trasportato e richiede il consumo di energia sotto forma di ATP. Tra i trasportatori di questo tipo ci sono le pompe e il trasporto vescicolare.

Un esempio delle pompe è la pompa sodio / potassio, che rimuove tre sodio e introduce due potassio. Ci sono anche le pompe del calcio.

Esempi di trasporto vescicolare sono endocitosi, esocitosi, pinocitosi e fagocitosi; tutti questi meccanismi di trasporto attivi.

Tipi di canali ionici

Da questo punto in poi si farà riferimento ai canali ionici che permettono il passaggio degli ioni attraverso una membrana a favore dei loro gradienti di concentrazione, ovvero sono canali di trasporto passivi.

Generalmente ciascuno di questi canali è specifico per un singolo ione, ad eccezione di pochi canali che consentono il trasporto di coppie di ioni.

Diagramma strutturale di un canale ionico (Fonte: Outslider (Paweł Tokarz) su pl.wikipedia tramite Wikimedia Commons)

Un modo per classificare i canali ionici è raggrupparli in base al meccanismo responsabile della loro apertura. Pertanto, sono stati descritti canali passivi, canali regolati dalla tensione (dipendenti dalla tensione), canali regolati dal ligando e canali regolati dallo stimolo meccanico.

- Canali passivi : sono canali permanentemente aperti e non rispondono a nessun tipo di stimolo; questi sono specifici per alcuni ioni.

- Canali dipendenti dalla tensione : possono aprirsi o chiudersi (a seconda del canale) a fronte di variazioni della tensione di membrana. Sono molto importanti per la segnalazione cellulare, specialmente nel sistema nervoso centrale dei mammiferi.

- Canali ligando-dipendenti : detti anche canali ligando o regolati da ligando, sono ampiamente distribuiti nelle diverse cellule del corpo umano, ma nel sistema nervoso costituiscono quei canali ionici attivati ​​dai neurotrasmettitori e sono essenziali per la trasmissione sinaptica e segnalazione intercellulare.

Esempio di canali ionici dipendenti dal ligando attivati ​​dai neurotrasmettitori sono i canali sodio / potassio attivati ​​dal glutammato.

L'attivazione dei recettori colinergici, in questo caso il legame dell'acetilcolina alla membrana postsinaptica (channel ligand), apre i canali del sodio ligando-dipendenti e consente l'ingresso di questo ione seguendo il suo gradiente di concentrazione.

- Canali regolati da stimoli meccanici : sono canali che possono essere attivati ​​per distensione o pressione. Queste forze meccaniche vengono trasmesse al canale attraverso il citoscheletro e il canale si apre.

Riferimenti

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