Canali del sodio, del potassio e del calcio

Gli impulsi nervosi sono costituiti da un’onda di transitoria depolarizzazione / ri-polarizzazione della membrana che attraversa la cellula nervosa, ed è designato un potenziale d’azione. Come abbiamo visto nel capitolo 9, Canali e pompe di sodio e potassio, Alan Hodgkin e Andrew Huxley dimostrarono nel 1952 che un microelettrodo impiantato nell’assone gigante (il lungo processo che emana dal corpo di una cellula nervosa) del calamaro,3 può registrare un tale potenziale d’azione (Hodgkin e Huxley, 1952, Fig. 9.1). Alla soglia di eccitazione, i canali Na + iniziano ad aprirsi, seguiti dalla successiva apertura dei canali K+. Quando gli ioni Na+ entrano, gli ioni K + lasciano la cella. Il risultato è che nel primo ~ 0.5 ms, il potenziale di membrana aumenta dal potenziale di riposo di circa -60 mV a circa + 30 MV. I canali Na + ora diventano refrattari, e non più Na + entra nella cellula, mentre K + continua a lasciare la cellula, causando una rapida ripolarizzazione, che consente al potenziale di membrana di superare il potenziale di riposo (iperpolarizzazione) prima di recuperare al suo valore iniziale. I canali ionici Na+ e K + voltaggio-gated attraverso le membrane assonali creano i potenziali di azione (gradienti essenzialmente elettrochimici) che permettono il trasferimento di informazioni e regolano anche la funzione cellulare.

I neuroni dei mammiferi esprimono un ampio repertorio di canali ionici voltaggio-dipendenti (VDICs), che mostrano una ricchezza di comportamenti di cottura su una vasta gamma di stimoli e frequenze di cottura, garantendo così le proprietà elettriche intrinseche e la rapida elaborazione e trasmissione dei segnali sinaptici nei neuroni dei mammiferi. La maggior parte dei VDICs sono selettivi per gli ioni Na+, K+ e Ca2+ e si trovano in siti specifici nel corpo cellulare neuronale, nei dendriti e negli assoni. Il posizionamento selettivo di specifici tipi di VDIC in posizioni precise nei neuroni dei mammiferi e la loro regolazione dinamica attraverso percorsi di segnalazione locali, consente la complessità della funzione neuronale alla base della funzione cerebrale.

I VDICI di potassio dei mammiferi (canali Kv) sono costituiti da assiemi tetramerici di sei subunità α transmembrana, ciascuna associata a una subunità β ausiliaria. Il genoma umano contiene un totale di geni 40 che codificano le subunità α del canale Kv del potassio. Alcuni di questi geni generano messaggi che sono soggetti a splicing alternativo. Nel cervello dei mammiferi, l’espressione di molte di queste subunità α del canale Kv è limitata ai neuroni, sebbene le cellule gliali possano esprimere un sottoinsieme del repertorio neuronale. I canali Kv hanno tra i più diversi modelli di segregazione subcellulare. I canali Kv1 sono prevalentemente localizzati negli assoni. I canali Kv1 si trovano prevalentemente su assoni e terminali nervosi, i canali Kv2 sui corpi cellulari e sui dendriti, i canali Kv3 nei domini dendritici o assonali, a seconda della subunità e del tipo di cellula e i canali Kv4 sono concentrati nelle membrane dendritiche del corpo cellulare.

Come abbiamo visto nel Capitolo 9, Canali e pompe del sodio e del potassio, i canali del sodio (canali Nav) sono costituiti da una subunità α che forma pori, sufficiente per l’espressione funzionale, associata a subunità β ausiliarie che modificano sia la cinetica che la dipendenza dalla tensione del gating del canale del canale. Sono note nove isoforme del canale Nav dei mammiferi, di cui Nav1.1 e Nav1.3 sono localizzate prevalentemente nei corpi cellulari neuronali e nei dendriti prossimali, dove controllano l’eccitabilità neuronale impostando la soglia per l’iniziazione e la propagazione del potenziale d’azione nei compartimenti dendritici e assonali. Nav1.2 è prevalentemente espresso in assoni non mielinizzati, dove conduce potenziali d’azione. Nav1. 6 è ben visibile nei nodi di Ranvier, dove propaga i potenziali d’azione, e nei segmenti iniziali degli assoni, dove iniziano i potenziali d’azione. La modulazione delle correnti Nav1 è indubbiamente importante in vivo e le mutazioni che alterano sottilmente la funzione del canale Nav1 possono portare a malattie umane di ipereccitabilità come l’epilessia.

I canali del calcio (canali Cav) mediano l’afflusso di calcio nelle cellule neuronali in risposta alla depolarizzazione della membrana, mediando una vasta gamma di processi intracellulari come l’attivazione di enzimi calcio-dipendenti, la trascrizione genica e l’esocitosi / secrezione del neurotrasmettitore. La loro attività è un requisito essenziale per l’accoppiamento dei segnali elettrici nella membrana plasmatica neuronale agli eventi fisiologici all’interno delle cellule. La caratterizzazione biochimica dei canali Cav cerebrali nativi ha rivelato che, oltre alla grande subunità α1 principale, ci sono anche numerose subunità ausiliarie. La subunità α1 è la subunità più grande e principale, contenente il poro di conduzione ionica, il sensore di tensione della membrana e l’apparato di gating. Un certo numero di diverse subunità α1 sono state identificate e caratterizzate nel sistema nervoso dei mammiferi, ciascuna con specifiche funzioni fisiologiche e proprietà elettrofisiologiche e farmacologiche.