Presentazione di PowerPoint

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Canali Voltaggio-dipendenti per il Ca2
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La struttura molecolare dei canali del Ca2 è nel
suo insieme del tutto simile a quella dei NaV,
sebbene (piccole) differenze nelle sequenze
cambino profondamente la selettività, il gating e
la sensibilità ai farmaci.
Le subunità alfa sono costantemente associate a
subunità accessorie, in numero maggiore di quelle
del Na a2, ß, ? e d.
I canali del Ca VD sono tutti bloccati (pur con
sensibilità diverse) dal Cadmio (Cd2) e dai
metalli pesanti (Ni2, Co2 e La3).
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Organizzazione strutturale dei canali del Ca VD
Subunità a1 4 domini omologhi (I-IV), con 6
segmenti transmembrana ciascuno Subunità b
intracellulare, costituita da più a
eliche Subunità a2d in giallo le regioni
idrofobiche I siti di interazione tra le
subunità sono indicati da frecce bipolari.
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Classificazione in base alle proprietà
elettrofisiologiche a) Canali LVA
(low-voltage-activated (-70mV) avendo una
spiccata inattivazione voltaggio-dipendente, sono
stati chiamati canali T (transient). Sono
sensibili allamiloride.
b) Canali HVA (high-voltage-activated
(-30m/-20V) hanno uninattivazione molto più
lenta.
Poi sè visto che si tratta di una famiglia
comprendente molti membri, che sono stati
indicati da lettere (P, Q, R ecc.)
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(No Transcript)
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I diversi sottotipi di canali del Ca inattivano
in maniera differente
a1C (L)
a1E (R)
a1G (T)
50 ms
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Possibile modello di inattivazione VD dei canali
del Ca Il linker intracellulare tra i domini I e
II potrebbe agire da particella inattivante che
fisicamente occluderebbe il poro del canale
interagendo, almeno in parte, con le regioni S6
dei domini II e III del canale. La subunità b del
canale del Ca si associa con il linker tra i
domini I-II modificando le proprietà
dellinattivazione essa potrebbe interagire sia
con la subunità a1 che con la membrana.
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Possibile modello di inattivazione Ca-dipendente
dei canali del Ca Unelevata concentrazione di Ca
intracellulare innesca linattivazione dei canali
di tipo L. Il sensore per il Ca sarebbe una
molecola di calmodulina (CaM). CaM è
costitutivamente legata al complesso del canale.
Linattivazione avverrebbe tramite uninterazione
Ca-dipendente della CaM legata con un motivo
IQ-simile sulla coda carbossilica di a1C. È
possibile che un meccanismo analogo intervenga
anche a livello dei canali N, P/Q ed R (Peterson,
Neuron, 1999).
CHIUSO
APERTO
INATTIVATO
Ca2
Voltaggio

• Nello stato chiuso (iperpolarizzato) laccesso
  della CaM alla regione IQ-simile è ridotto.
• Nello stato aperto (depolarizzato) la CaM legata
  ha un rapido accesso al dominio IQ-simile.
• Laccumulo di Ca2 sulla bocca interna del canale
  porta allattivazione Ca-dip. della CaM.
• Linterazione di CaM-Ca2 con la regione
  IQ-simile induce linattivazione del canale.

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Canali voltaggio-dipendenti per il Ca2 di tipo
L I canali L o recettori per le
di-idro-piridine (DHP, come la Nifedipina ola
nimodipina) hanno unenorme importanza in
Fisiologia. Sono tipici del muscolo scheletrico,
ma sono presenti anche nel cuore () e nel
sistema nervoso. Hanno uninattivazione più o
meno lenta, che è anche Ca-dipendente. () il
bloccante Verapamil viene impiegato nella cura
della tachicardia parossitica
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Canali VD per il Ca2 di tipo L nel muscolo
scheletrico
Nel muscolo scheletrico, i canali L sono
addensati nei tubuli trasversi del reticolo
sarcoplasmatico, dove funzionano da sensori del
voltaggio. Sono accoppiati (con lansa di
connessione II-III) ad altri canali del Ca2
(Ca-dipendenti) presenti nei tubuli longitudinali
del ret.sarc., detti recettori della Ryanodina.
Si attiva così un il rilascio di Ca che attiva
con grande rapidità (per feedback positivo)
lapparato contrattile.
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Modello per il rilascio voltaggio-dipendente del
Ca2
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Canalopatie dove sono coinvolti canali del Ca2 VD
Si è osservato che la paralisi periodica
ipokaliemica, che si manifesta con debolezza
muscolare che compare alladolescenza, è
associata a mutazioni del gene del canale L
(cromosoma 1). I segmenti S4 dei domini II o IV
hanno meno Arg (quindi i canali hanno minor
sensibilità al voltaggio) e linattivazione è più
rapida. E comprensibile che queste
caratteristiche riducano il rilascio
intracellulare di Ca2.
Si pensa che mutazioni del gene del RYR
(cromosoma 19) siano la causa della ipertermia
maligna unanomala risposta allanestesia
generale con alotano e succinilcolina
(convulsioni muscolari dovute ad un aumentato
rilascio di Ca2 intracellulare, aumento della
temperatura corporea, squilibrio idrosalino) che
risulta fatale in 1 caso su 20.000. La situazione
è recentemente migliorata grazie alla diagnosi
precoce ed alluso del dantrolene, che inibisce
il rilascio di Ca2 da parte del ret.sarc.
Può essere interessante ricordare che la
mutazione è presente in tutti i maiali domestici
(mentre manca nei porci selvatici) che presentano
sensibilità allalotano. E probabile che la
mutazione sia stata selezionata
(inconsapevolmente) dagli allevatori perché si
accompagna ad aumento della massa muscolare.
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Canali VD per il Ca2 di tipo L nel muscolo
cardiaco
Accoppiamento EC Cardiaco (Ca2-induced-Ca2-relea
se)
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Canali VD per il Ca2 di tipo L nel muscolo liscio
Nel muscolo liscio, il ret.sarc. è praticamente
assente. Qui lattivazione dellapparato
contrattile (non organizzato in sarcomeri) è
totalmente dipendente dal Ca2 che entra
attraverso i canali L della membrana plasmatica.

• Il fenomeno dellaccoppiamento eccitazione ?
  contrazione nei tessuti muscolari illustra bene
  la doppia importanza dei canali del Ca2
• fanno entrare nella cellula ioni con carica
  positiva (similmente ai NaV)
• fanno anche comparire nella cellula un vero e
  proprio secondo messaggero (gli ioni Ca2) che ha
  uno straordinario potere regolatore di molti
  processi intracellulari

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Canali voltaggio-dipendenti per il Ca2 di tipo N
e P/Q nellesocitosi
Un altro esempio di enorme importanza funzionale
è l esocitosi regolata di vescicole (v.
rilascio di insulina) in tutte le cellule
secernenti (vedi LIBRO)
Un caso particolarissimo di esocitosi regolata
è la liberazione di vescicole contenenti
neurotrasmettitore nella trasmissione sinaptica.
Qui operano canali N (per neuronal, bloccati
dall ?-Conotossina), che sono esclusivi del SNC,
ma anche canali P (da Purkinje, bloccati dall
?-Agatossina, i quali sono presenti sia nel SNC
che nel cuore) e canali Q ed R ltdipende dalla
sinapsigt, per i quali non è noto alcun bloccante
specifico.
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Eventi pre-simnaptici
Questi canali sono addensati nelle terminazioni
presinaptiche, dove sono essenziali per il
rilascio di neurotrasmettitore.
In particolare sono presenti al centro delle zone
attive alle quali sono ancorate le vescicole
sinaptiche pronte al rilascio (pool di
rilascio). Le zone attive sono formazioni del
citoscheletro altamente ordinate, visibili in
freeze fracture dal versante citoplasmatico della
membrana presinaptica). In corrispondenza delle
zone attive, i lipidi della membrana sono
organizzati a formare dei rafts (zattere).
Larrivo del pda e la conseguente
depolarizzazione della membrana presinaptica apre
i canali del Ca2 .
. ed il Ca2 fa scattare un complesso sistema di
controllo (sul quale possono agire molte tossine
batteriche e veleni animali). La fusione delle
vescicole promossa dal Ca2 è preceduta da fasi
preliminari
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• Docking (attracco)
• La T. botulinica è il veleno più potente che si
  conosca
• La sua dose letale è talmente bassa che ne
  basterebbe meno di 1 grammo per eliminare tutta
  la specie umana !
• Anche la T.tetanica agisce sul sistema di
  controllo della liberazione di vescicole
  sinaptiche

B) Priming (preparazione) La latratossina, il
principio attivo del veleno della Vedova Nera,
provoca la liberazione spontanea ed incontrollata
delle vescicole
C) allarrivo del pda si ha la fusione
Ca-dipendente (Fusion, preceduta dalla
formazione di un poro attraverso il quale passerà
il neurotrasmettitore), che consente lesocitosi
delle vescicole ancorate alle zone attive (pool
di rilascio).
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La trasmissione sinaptica
La combinazione del neurotrasmettitore con i
propri recettori presenti nella membrana
postsinaptica consentirà la trasmissione
sinaptica (una depolarizzazione EPSP nelle
sinapsi eccitatorie o un iperpolarizzazione
IPSP nelle sinapsi inibitorie)
Ma questa è una storia che riguarda i canali
chemio-dipendenti
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Ruolo dei canali del Ca2 al di fuori delle zone
attive della membrana pre-sinaptica
Canali VD per il Ca2 (solitamente del tipo L)
sono anche presenti nella membrana presinaptica
al di fuori delle zone attive (A). La loro
attivazione (B) serve a distaccare le vescicole
del pool di deposito dai filamenti di actina
del citoscheletro, quindi a rifornire il pool di
rilascio.
Lo schema C illustra il processo in maggior
dettaglio. Anche in questo caso si mette bene
in evidenza il ruolo del Ca2 come secondo
messaggero intracellulare !
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Zone attive della placca neuro-muscolare
Le zone attive della placca neuromuscolare
(anchesse visibili in freeze fracture dalla
faccia citoplasmatica della membrana
presinaptica) sono organizzate in modo diverso..
Sono delle strisce altamente organizzate,
ognuna delle quali assomiglia ad una serie di
costole articolate su di una colonna
vertebrale, ma lintervento dei canali del Ca2
(visibili assieme ai pori di fusione dalla faccia
della m. presinaptica che dà verso la fessura
sinaptica) nel rilascio di acetilcolina () è
concettualmente identico.
() nelle sinapsi centrali il neurotrasmettitore
eccitatorio è quasi sempre l acido glutamico
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Movimenti (compreso il battito cardiaco),
sensazioni, pensieri, emozioni (tutte le funzioni
del sistema nervoso dipendenti dalla trasmissione
sinaptica) . avvengono grazie alla presenza di
un complesso sistema di canali ionici che abbiamo
appena cominciato ad esaminare.
Naturalmente, si tratta di una condizione
necessaria (queste funzioni sono impedite o
compromesse se i canali ionici vengono messi
fuori uso)
ma non sufficiente, cioè i canali ionici, per
essere utili, devono operare in un contesto
altamente ordinato di membrane, trasporti attivi,
organuli intracellulari, collegamenti
intracellulari, ecc
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Lingresso di Ca2 depolarizza la cellula
Il fondamentale ruolo del Ca2 come messaggero
intracellulare non deve far dimenticare che si
tratta di un catione, e che il suo ingresso in
cellula per apertura di canali voltaggio-dipendent
i avrà degli effetti elettrici sul potenziale di
membrana. In prima approssimazione, è prevedibile
che questo ingresso determinerà una
depolarizzazione.
Ma cè di più infatti lingresso di cariche
positive attraverso canali VD attivati dalla
depolarizzazione, in modo del tutto analogo a
quanto avviene nel caso del Na (A, ma a
differenza di quanto avviene per i canali del K,
B), può facilmente diventare autorigenerativo e
dar luogo a veri e propri potenziali dazione al
Ca2.
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La presenza di canali del calcio aumenta
leccitabilità neuronale
gCa aiuta a raggiungere la soglia
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Ruolo dei canali voltaggio-dipendenti per il Ca
nel PdA cardiaco (tessuto di lavoro)
Solitamente lingresso di Ca2 attraverso canali
VD accompagna (e prolunga) i pda al Na. E il
caso delle fibrocellule muscolari scheletriche,
ma soprattutto delle fibrocellule muscolari
cardiache.
Qui lingresso di Ca2 non solo potenzia
leffetto del Na nella fase iniziale del pda
(depolarizzazione ed overshoot), ma perdura anche
quando i canali del Na si sono inattivati
(linattivazione dei canali del Ca2 cè, ma è
incompleta), dando luogo ad un lungo plateau.
Domanda ma se durante il plateau entrano cariche
positive sotto forma di ioni Ca2, perché il pdm
si mantiene costante ltattorno allo zerogt ?
Risposta perché durante il plateau la corrente
entrante di Ca2 è esattamente controbilanciata
da una corrente uscente di K ltattraverso canali
al K che incontreremo tra brevegt
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Questo lunghissimo plateau del pda cardiaco è
funzionalmente importante per due buone
ragioni a) il Ca2 che entra attraverso i canali
(L) della membrana plasmatica attiverà il
Ca-activated Ca-release del reticolo
sarcoplasmatico, quindi la contrazione del cuore
b) mantenendo depolarizzata la membrana, la rende
ineccitabile per tutta la sua durata (perché
mantiene inattivati i canali del Na). In altre
parole durante il plateau, il cuore si trova in
uno stato di refrattarietà assoluta, quindi per
tutta la durata della contrazione (della sistole)
non può essere nuovamente eccitato.
La situazione è molto diversa da quella che si ha
nel muscolo scheletrico, nel quale la
refrattarietà assoluta termina ancor prima che
inizi la contrazione.
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Il muscolo scheletrico infatti (per fortuna !) è
tetanizzabile, cioè le singole scosse possono
sommarsi tra loro fino alla completa fusione,
producendo un aumento della forza
contrattile. Di fatto, la maggior parte delle
nostre contrazioni sono dei tetani.
Il cuore invece (per fortuna !) non è
tetanizzabile qualunque stimolo ectopico è
inefficace per tutta la durata della sistole (I),
e può produrre una seconda contrazione
(extrasistole) solo mentre il cuore si sta
rilasciando.. Ma qui stiamo uscendo dal seminato
!
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Potenziali dazione al Ca2 nelle cellule
pacemaker cardiache
Non mancano esempi di pda sostenuti solo
dallingresso autorigenerativo di Ca2, come il
gigantesco pda delle cellule del Purkinje del
cervelletto, evocato dalla stimolazione delle
fibre rampicanti (attivazione di canali P). Un
altro esempio funzionalmente molto rilevante è
quello del miocardio di conduzione (tessuto
pacemaker del cuore).
Questi pda al Ca2 si generano spontaneamente (o
meglio, per effetto dellautomatismo tipico del
pacemaker), e poi si propagano a tutte le
fibrocellule del miocardio di lavoro (che di per
sé resterebbero in riposo). Queste, eccitate,
genereranno i pda provvisti di plateau che
abbiamo visto prima.
Curiosamente, nel miocardio di conduzione il
contributo del Na non manca perché i canali del
Na siano assent. questi ci sono, ma non entrano
in gioco perché sono sempre inattivati (nel
tessuto pacemaker, il potenziale di membrana non
diviene mai sufficientemente negativo da
rimuoverne linattivazione).
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Interazione tra canali T e canali f
Lesempio del pda (al Ca2) del pacemaker
cardiaco ci offre lopportunità di parlare di un
altro tipo di canali voltaggio-dipendenti i
canali f (funny), espressi anche in molti
neuroni autoritmici del SNC (dove vengono
chiamati canali h)
I canali del Ca2 di tipo L (e T) sostengono il
pda, ma per essere attivati necessitano di una
depolarizzazione della membrana. Questa, nelle
cellule autoritmiche, avviene spontaneamente e
si chiama prepotenziale. Nel tessuto pacemaker,
il prepotenziale (e con esso lautomatismo
cardiaco) è generato dallapertura dei canali-f .
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Modulazione dei Canali f
Di grande importanza è la modulazione
(variazione della sensibilità al voltaggio) dei
canali f operata dallorto- e dal para-simpatico
tramite i rispettivi neurotrasmettitori ltnoradrena
lina(adrenalina) ed acetilcolinagt.
Modulando i canali f, lorto- ed il
para-simpatico regolano la frequenza cardiaca
(!!), come se fossero luno lacceleratore e
laltro il freno di unautomobile.
Questi neurotrasmettitori agiscono su recettori
accoppiati a proteine-G e fanno rispettivamente
aumentare e diminuire il livello intracellulatre
di AMPc. I canali f sono voltaggio-dipendenti,
ma anche chemio-dipendenti (dal versante
intracellulare), una condizione tuttaltro che
infrequente.
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Correnti T neuronali e spikes al Ca2
Vhold-90 mV
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Attività ritmica spontanea in un neurone talamico
Bursts di PdA dovuti allinterazione della
corrente di Ca2 IT con la corrente pacemaker
entrante Ih
1 s
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La struttura dei canali HCN
Appartengono alla classe dei canali HCN canali
cationici attivati dalliperpolarizzazione.
Vengono attivati alla fine di ogni pda, quando la
membrana si iperpolarizza.
La loro apertura genera una corrente entrante
che, depolarizzando la membrana, produce il
prepotenziale, quindi il pda successivo.

• Una subunità presenta
• 6-DTM come i canali Kv
• S4 riconosciuto come sensore del voltaggio per
  l'elevata presenza di residui carichi
  positivamente
• motivo GYG nel linker S5-S6, tipico del filtro
  di selettività dei canali Kv
• nel C-terminale è presente un dominio CNB come
  nei canali CNG
• si pensa che i canali siano formati da TETRAMERI
  come i canali Kv

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