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Canali del potassio |
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Molecola del mese di febbraio 2003 I canali del potassio consentono il passaggio di ioni potassio, ma bloccano gli ioni sodio che sono più piccoli  IntroduzioneTutte le cellule sono circondate da una membrana che separa i liquidi interni dall'ambiente circostante. Le membrane sono delle barriere efficaci sia per le grandi molecole come proteine e DNA, sia per i piccoli ioni e questo permette non solo di proteggere l'ambiente interno della cellula, ma anche di sfruttare le differenze di concentrazione ionica tra l'interno e l'esterno della membrana per generare rapidamente dei segnali. Per esempio, una cellula può innalzare il livello di ioni potassio al suo interno e poi, al momento desiderato, può rilasciare il potassio attraverso i canali di membrana producendo una grande variazione nel potenziale elettrico di membrana che viene sentita in tutta la cellula. Questo processo è usato in tutti i tipi di cellule, nei batteri, nelle piante e negli animali. Qui a lato è mostrato un canale di membrana specializzato nel lasciar passare solo ioni potassio (file PDB 1k4c sopra e 1f6g sotto). I due esempi più noti di canali ionici si incontrano nella contrazione muscolare (provocata dal rilascio di ioni calcio), e nella segnalazione nervosa (provocata da un flusso di ioni sodio e potassio). Canali ionici nella segnalazione nervosa Quando annusiamo un fiore e riconosciamo che si tratta di una rosa, o tocchiamo un oggetto caldo e immediatamente ritraiamo la mano, i nervi del naso o della mano usano il rilascio di ioni per mandare segnali al sistema nervoso centrale e per ricevere la corrispondente risposta. Le cellule nervose si preparano a mandare un segnale concentrando ioni potassio al loro interno e contemporaneamente pompando ioni sodio verso l'esterno per mezzo della pompa sodio-potassio. Questo crea una differenza di potenziale attraverso la membrana cellulare chiamata potenziale di riposo (-60 mV). Sia i canali del sodio che quelli del potassio sono sensibili al voltaggio, cioè si aprono quando il voltaggio aumenta. Quando la cellula nervosa viene eccitata, i canali del sodio si aprono, permettendo al sodio di entrare e aumentando la differenza di potenziale attraverso la membrana (+40 mV). Questo aumento di potenziale ha due conseguenze: 1) provoca l'apertura anche dei canali del potassio, che così può uscire e ristabilire il voltaggio originale di riposo (-60 mV), questo dà alla fibra nervosa la capacità di eccitarsi nuovamente. 2) provoca l'apertura dei canali del sodio immediatamente più a valle lungo il percorso del nervo, e questi a loro volta fanno aprire i canali del sodio ancora più avanti lungo la membrana cellulare. Il risultato è un'ondata di apertura e chiusura di canali che si trasmette velocemente (10 m/s) da un capo all'altro del nervo. I canali ionici si aprono solo per uno o due millisecondi e si richiudono subito dopo, in questo modo disperdono una minima parte degli ioni accumulati (1 su 3000 o 300.000) garantendo così la possibilità di trasmettere segnali molte e molte volte. La pompa sodio-potassio ristabilisce comunque le concentrazioni ioniche iniziali dentro e fuori la cellula. Il segnale nervoso è unidirezionale perché, quando i canali si aprono, possono provocare l'apertura solo dei canali a valle, mentre quelli a monte sono temporaneamente insensibili, un nuovo impulso nervoso può eccitarli solo dopo alcuni millisecondi. Canali del potassio I canali del potassio sono progettati per consentire il flusso dei soli ioni potassio attraverso la membrana, e per impedire il flusso di altri ioni, in particolare di ioni sodio. Questi canali sono composti di due parti: il filtro che seleziona e consente al potassio, ma non al sodio, di passare, e il cancello che apre o chiude il canale in base ai segnali ambientali. La struttura illustrata qui a fianco, file PDB 4lcu, mostra la porzione del filtro di un canale del potassio (di batterio) visto dall'alto. E' composto da quattro proteine identiche che attraversano la membrana cellulare formando un poro selettivo al centro. Gli ioni potassio, verdi, scorrono attraverso il canale ad una velocità di cento milioni di ioni al secondo, molto vicina al valore di uno scorrimento libero, non filtrato. Gli ioni sodio, invece, sono bloccati infatti ne può passare solo uno ogni 10.000 ioni potassio. Studiando la struttura dei canali del potassio si può comprendere come funziona il meccanismo della loro straordinaria efficenza e selettività. . . . . . . . . . . . . .  Aprire e chiudere Nei vari tipi di cellule si possono trovare centinaia di canali ionici diversi che servono per una varietà di funzioni diverse. Tutti, però, hanno dei filtri molto simili come quelli visibili qui sotto nella parte superiore delle due strutture. I filtri sono collegati in basso a dei domini specializzati che hanno la funzione di cancello. La membrana cellulare è mostrata in modo schematico con una striscia grigia, inoltre sono state rimosse due catene delle quattro che compongono i filtri di selettività per consentire di vedere l'interno del poro. I domini che fanno da cancello aprono e chiudono il canale in base a vari segnali, come l'aumento di voltaggio o la presenza di particolari molecole di segnalazione. Per aprire e chiudere i canali del potassio vengono utilizzati diversi meccanismi. Nei due semplici canali batterici mostrati qui sotto, le porzioni proteiche inferiori del filtro sono collegate al cancello e ne possono far attorcigliare le quattro catene chiudendo o aprendo il canale. La figura di sinistra mostra il canale chiuso (file PDB 1k4c con un dominio cancello preso dal file PDB a bassa risoluzione 1f6g) mentre quella di destra mostra il canale aperto (file PDB 1lnq). La struttura cristallina del canale chiuso ha molti ioni potassio (verdi) nel filtro, mentre la struttura del canale aperto non ne contiene nessuno. Nelle cellule nervose vi sono canali più complessi, che si aprono quando sentono un aumento del voltaggio a cavallo della membrana. Questi includono una piccola sfera proteica legata al guinzaglio che si può muovere sotto l'azione del campo elettrico per chiudere fisicamente il poro (non illustrata).   Veleno
di scorpioneI canali ionici svolgono un ruolo critico nella trasmissione degli impulsi nervosi e quindi, se vengono bloccati, le conseguenze possono essere molto gravi. Gli scorpioni sfruttano questo fatto per paralizzare le loro prede. Il veleno di scorpione contiene un insieme di potenti neurotossine che si legano ai canali ionici e bloccano il flusso di ioni. La piccola proteina mostrata qui a fianco è la charybdo-tossina (file PDB 2crd) che attacca i canali del potassio e ne blocca la funzione nella segnalazione nervosa. La superficie della proteina è coperta di amminoacidi basici carichi positivamente (lisine e arginine con azoto blu) che legano la tossina alla bocca esposta del poro, chiudendola. Queste tossine, in genere sono piccole proteine molto stabili. La charybdo-tossina è composta solo da 37 amminoacidi, ma contiene ben tre ponti disolfuro (gialli) che mantengono la proteina nella sua forma tridimensionale velenosa. Esplorando la struttura La notevole abilità dei canali del potassio di far passare solo gli ioni potassio è dovuta al filtro di selettività che si trova ad un capo del poro, come si vede nella figura qui sotto (file PDB 4lcu). Per maggiore chiarezza sono mostrate solo due delle quattro catene proteiche, quelle a sinistra e a destra del canale. Le sfere verdi sono ioni potassio che stanno attraversando il filtro di selettività. In soluzione gli ioni potassio sono incapsulati in un guscio di otto molecole d'acqua a forma di cubo, come quello che si trova in basso nella fila di ioni, con gli ossigeni dell'acqua rappresentati da piccole sfere rosse. Per attraversare il filtro di selettività, ogni ione potassio deve uscire da questo guscio di molecole d'acqua. Il filtro funziona perchè le dimensioni del canale sono progettate per imitare questi gusci d'acqua. Gli atomi di ossigeno della proteina che si allineano lungo il poro (rossi) sono orientati verso il centro del canale. Otto di questi atomi di ossigeno circondano ognuno degli ioni potassio e imitano alla perfezione il normale guscio di molecole d'acqua. Durante il trasporto, gli ioni si spostano da un sito di legame al successivo lungo il poro. Dopo che gli ioni potassio hanno attraversato il filtro, vengono ancora circondati dal loro normale guscio di molecole d'acqua. Gli ioni sodio, invece, hanno dimensioni un po' più piccole e quindi non riescono ad interagire correttamente con gli atomi di ossigeno allineati lungo le pareti del poro. Se rimangono nel loro normale guscio di molecole d'acqua, sono legati in modo molto più forte rispetto a quando si trovano all'interno del poro, quindi gli ioni sodio non possono passare con facilità attraverso i canali del potassio. . . . . . . . . . . . . . . . . .   BibliografiaYellen, G. (2002): The voltage-gated potassium channels and their relatives. Nature 419, pp. 35-42. Minor Jr., D.L. (2001): Potassium channels: life in the post-structural world. Current Opinion in Structural Biology 11, pp. 408-414.
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