Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad Mauro Tonellato
Canali del Potassio

Molecola del Mese di Febbraio 2003

Introduzione
Tutte 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 degli ioni potassio al suo interno e poi, nel momento desiderato, il potassio può essere rilasciato attraverso dei canali di membrana producendo una grande variazione nel potenziale di membrana che viene sentita in tutta la cellula. Questo processo viene 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 e 1f6g). I due esempi più noti di canali ionici in azione si incontrano nella contrazione muscolare (che è provocata dal rilascio di ioni calcio), e nella segnalazione nervosa (che è provocata da un complesso 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 portare indietro 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, permettendo agli ioni potassio di uscire e ristabilire così 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 vicini 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 1bl8, mostra la porzione del filtro di un canale del potassio (di batterio) visto dall'alto. E' composto di 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 sopra 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 come una striscia grigia, inoltre sono state rimosse due catene delle quattro catene dei 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 strutturali.
Nei due semplici canali batterici mostrati qui sopra, le porzioni proteiche inferiori del filtro che sono collegate al cancello ne possono far attorcigliare le quattro catene chiudendo o aprendo il canale. La figura di sinistra mostra il canale chiuso (file PDB 1k4c con dominio cancello preso dal file PDB 1f6g) mentre quella di destra mostra il canale aperto (file PDB 1lnq).
La struttura cristallina del canale chiuso ha molti ioni potassio nel filtro, mostrati qui sopra in verde, mentre la struttura del canale aperto non ne contiene nessuno.
I canali più complessi delle cellule nervose, che si aprono quando sentono un aumento del voltaggio a cavallo della membrana, 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 Scorpione

I canali ionici svolgono un ruolo critico nella trasmissione degli impulsi nervosi, quindi ogni blocco di questi canali può avere effetti 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. L'esempio mostrato qui, charybdo-tossina (file PDB 2crd), attacca i canali del potassio e ne blocca la funzione nella segnalazione nervosa. La superficie della proteina è coperta di amminoacidi carichi positivamente, mostrati in azzurro, 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, due sono visibili qui in giallo, che mantengono la proteina nella sua forma tridimensionale velenosa.





Esploriamo 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 a destra, tratta dal file PDB 1k4c. Per maggiore chiarezza sono mostrate solo due delle quattro catene proteiche, una per ogni lato del canale. Le piccole 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 disfarsi di queste molecole d'acqua. Il filtro funziona così: le dimensioni del canale sono progettate per imitare questi gusci di 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. Sono legati in modo molto più forte dal loro normale guscio di molecole d'acqua rispetto a quando si trovano all'interno del poro, quindi gli ioni sodio non possono passare con facilità attraverso i canali del potassio.




Queste immagini sono state create con Chime (vedi chimica al computer). Anche voi potete creare immagini simili scaricando i file PDB dell'articolo, decomprimendoli e poi lanciandoli con Internet Explorer (se avete scaricato il plug-in Chime)



Bibliografia


Yellen, 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.