Canali ionici copia.pptx

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 extracellulare e 2° messaggero intracellulare. •  Il risultato della trasduzione del segnale è la risposta biologica della cellula. 2 Classificazione •  Hpo 1, collegaH a canali ionici o ionotropici; •  H p o 2 , a c c o p p i a H a p r o t e i n e G o metabotropici; •  Hpo 3, accoppiaH a Hrosinochinasi; •  Hpo 4, citoplasmaHci o nucleari. 3 •  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. 4 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 d e p o l a r i z z a z i o n e ( e c c i t a z i o n e d e l l a membrana) o iperpolarizzazione (inibizione della membrana). 5 •  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. 6 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. 7 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. 8 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. 9 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. 10 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. 11 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. 12 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. 13 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. 14 Cara@erisHche generali 15 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. 16 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. 17 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. 18 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. 19 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. 20 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
+. 21 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. 22 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. 23 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. 24 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. 25 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. 26 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. 28 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. 29 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. 30 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”. 31 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. 32 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. 33 Cara@erisHche dei canali •  Il tasso di trasporto di ioni, a@raverso il canale, è molto elevato, circa 100 milioni al secondo (o più); •  il passaggio si verifica con un gradiente ele@rochimico, che è funzione della concentrazione e del potenziale di membrana, senza ausilio di supporto energeHco. 34 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. 35 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. 36 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 q u a l i , i n t a l m o d o , p e r m e @ o n o l a comunicazione dei loro citoplasmi. 37 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 38 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. 39 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 40 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. 41 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. 42 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. 45 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. 50 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 51 Basi molecolari di seleRvità di un canale K+ nei confronH del K+ rispe@o al Na+ K+ in H2O
K+ nel poro
Na+ in H2O
Na+ nel poro
Gli ioni K + , idraH in soluzione, perdono le molecole di H2O quando passano a@raverso il 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. 52 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 extracellulare (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 s u l t a n o i n a R v a H , o s s i a r e f r a @ a r 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 della 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. •  L e 4 s u b -­‐ u n i t à α h a n n o 6 s e g m e n H transmembrana, ognuno dei quali omologo ai singoli domini dei canali sodio. •  D a n o t a r e , c h e l a c a p s a i c i n a b l o c c a 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. •  L e 4 s u b -­‐ u n i t à α h a n n o 6 s e g m e n H transmembrana, ognuno dei quali omologo ai singoli domini dei canali sodio. •  D a n o t a r e , c h e l a c a p s a i c i n a b l o c c a 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 dimero 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 •  Q u 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. 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 si verifica 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 •  Il 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. •  T a l e l e g a m e i n d u c e u n c a m b i o conformazionale del pentamero, che 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 rilascio 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 s o n o a n t a g o n i z z a H d a l l a c o n c e n t r a z i o n e 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 i n t e r n a d e l l a m e m b r a n a , d e t e r m i n a 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 t o r i a , i n v e c e , p r o v o c a u n a p i c c o 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 o m i n a t a “ c u m u 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 •  S e l a s o g l i a è s u p e r a t a , i n v e c e , 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 •  Il 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 gli specifici canali, 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 m e m b r a n a s e m p r e m e n o r e s p o n s i v a a l l a 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 •  N e l c e r v e l l o d e i m a m m i f e r i , l a r e g i o n e dell’ippocampo è deputata alla 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 u n p a r H c o l a r e p r o c e s s o fi s i o l o g i c o , 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 Nocice@ori Tali neuroni veicolano la sensazione dolorifica, mediante i potenziali d’azione, dalla periferia al sistema nervoso centrale, lungo i corni posteriori del midollo spinale. 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 il rilascio 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 T R P V 1 d e t e r m i n a d o l o r e p a r o s s i s , c o d a 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 e n d e n H , 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 d e n d r i H d e i n e u r o n i , n e l l a c o r t e c c 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, susceRbilità alla 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 Ca 2+ 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 d e l l a g l i a n e l l a p r o d u z i o n e d i c i t o c h i n e 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 i n c o p e , v e r H g i n i , d o l o r e t o r a c i c o , 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 v o l t a g g i o e r i d u c e a n c h e l a v e l o c i t à 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