Canali ionici a tensione che sono selettivamente permeabili a ciascuno dei principali ioni fisiologici – Na+, K+, Ca2+ e Cl – sono stati scoperti (Figura 4.4A-D). Infatti, molti geni diversi sono stati scoperti per ogni tipo di canale ionico voltaggio-gated. Per esempio, sono stati identificati 10 geni di canali Na+ umani. Questa scoperta era inaspettata perché i canali Na+ di molti tipi diversi di cellule hanno proprietà funzionali simili, coerenti con la loro origine da un singolo gene. Ora è chiaro, tuttavia, che tutti questi geni di canali Na+ producono proteine che differiscono nella loro struttura, funzione e distribuzione in tessuti specifici. Per esempio, oltre ai canali Na+ rapidamente inattivanti scoperti da Hodgkin e Huxley nell’assone del calamaro, un canale Na+ sensibile al voltaggio che non si inattiva è stato identificato negli assoni dei mammiferi. Come ci si potrebbe aspettare, questo canale dà origine a potenziali d’azione di lunga durata ed è uno dei bersagli degli anestetici locali come la benzocaina e la lidocaina.
Altre risposte elettriche nei neuroni sono dovute all’attivazione di canali Ca2+ voltaggio-gated (Figura 4.4B). In alcuni neuroni, i canali Ca2+ voltaggio-gettati danno origine a potenziali d’azione in modo molto simile ai canali Na+ sensibili al voltaggio. In molti altri neuroni, i canali del Ca2+ possono controllare la forma dei potenziali d’azione generati principalmente dai cambiamenti della conduttanza del Na+. Influenzando le concentrazioni intracellulari di Ca2+, l’attività dei canali Ca2+ regola un’enorme gamma di processi biochimici nelle cellule (vedi capitolo 8). Forse il più importante dei processi regolati dai canali Ca2+ sensibili al voltaggio è il rilascio di neurotrasmettitori nelle sinapsi (vedi capitolo 5). Date queste funzioni cruciali, non è forse sorprendente che siano stati identificati 16 diversi geni di canali del Ca2+. Come i canali Na+, i diversi canali Ca2+ differiscono nelle loro proprietà di attivazione e inattivazione, permettendo sottili variazioni nei processi di segnalazione sia elettrici che chimici mediati dal Ca2+. Di conseguenza, i farmaci che bloccano i canali Ca2+ voltaggio-gati sono particolarmente preziosi nel trattamento di una varietà di condizioni che vanno dalle malattie cardiache ai disturbi d’ansia.
La classe più grande e diversificata di canali ionici voltaggio-gati sono i canali K+ (Figura 4.4C). Quasi 100 geni di canali K+ sono ora noti, e questi rientrano in diversi gruppi distinti che differiscono sostanzialmente nelle loro proprietà di gating (Figura 4.5). Alcuni impiegano minuti per inattivarsi, come nel caso dei canali K+ dell’assone del calamaro studiati da Hodgkin e Huxley. Altri si inattivano in pochi millisecondi, come è tipico della maggior parte dei canali Na+ voltaggio-gated. Queste proprietà influenzano la durata e la velocità del potenziale d’azione, con importanti conseguenze per la conduzione assonale e la trasmissione sinaptica. Forse la funzione più importante dei canali K+ è il ruolo che svolgono nel generare il potenziale di membrana a riposo (vedi capitolo 2). Almeno due famiglie di canali K+ che sono aperti a potenziali di membrana iperpolarizzati contribuiscono a fissare il potenziale di membrana a riposo.
Figura 4.5
Diverse proprietà dei canali K+. Diversi tipi di canali K+ sono stati espressi in oociti di Xenopus (vedi Box B), e il metodo del voltage clamp è stato usato per cambiare il potenziale di membrana (in alto) e misurare le correnti risultanti che scorrono attraverso ogni tipo (più…)
Infine, sono stati identificati anche diversi tipi di canali Cl-gated in tensione (vedi Figura 4.4D). Questi canali sono presenti in ogni tipo di neurone, dove controllano l’eccitabilità, contribuiscono al potenziale di membrana a riposo e aiutano a regolare il volume cellulare.