Canali del potassio

I canali del potassio sono un gruppo eterogeneo di proteine ​​legate alla membrana cellulare, le cui funzioni supportano una vasta gamma di processi biologici regolando la secrezione di ormoni e neurotrasmettitori e stabilendo il potenziale della membrana plasmatica cellulare.

I canali del potassio che facilitano selettivamente il flusso di potassio attraverso un gradiente elettrochimico e partecipano al controllo del potenziale di membrana e dell’eccitabilità cellulare oltre a diverse funzioni cellulari come la regolazione del volume cellulare, la proliferazione, la migrazione cellulare, l’angiogenesi e l’apoptosi.

Tra i canali ionici, i canali del potassio sono quelli più ampiamente distribuiti in quasi tutti i regni della vita e sono presenti in quasi tutti gli organismi viventi e in diverse famiglie di virus e controllano il trasporto degli ioni potassio in efflusso e in afflusso nelle cellule.

I canali del potassio si sono evoluti per svolgere ruoli diversi a seconda del tipo di cellule, ma hanno mantenuto caratteristiche chiave che sono conservate in tutta la famiglia dei canali del potassio ovvero la loro elevata selettività. Alcuni canali del potassio mostrano una preferenza fino a 1000 volte maggiore per gli ioni K⁺ , rispetto a ioni più piccoli come Na⁺ e Li ⁺.

Classi di canali del potassio

Esistono quattro classi di base di canali del potassio che forniscono funzioni essenziali associate alla membrana, tra cui l’impostazione e la modellazione dei potenziali d’azione e la secrezione ormonale ovvero: canali del potassio

attivati dal calcio che accoppiano l’aumento della concentrazione intracellulare di dello ione calcio all’iperpolarizzazione del potenziale di membrana

con raddrizzatore interno che consentono allo ione potassio di muoversi più facilmente all’interno piuttosto che all’esterno della cellula

con dominio a due pori o dominio a pori tandem che conducono correnti di ioni potassio verso l’esterno, mantengono il potenziale di membrana a riposo e modulano la ripolarizzazione del potenziale d’azione

voltaggio-dipendente che svolgono un ruolo importante in una varietà di processi cellulari, tra cui il funzionamento delle cellule eccitabili, la regolazione dell’apoptosi, la crescita e la differenziazione cellulare, il rilascio di neurotrasmettitori e ormoni e il mantenimento dell’attività cardiaca.

Potenziale di membrana

A differenza delle proteine ​​di trasporto, le proteine-​​canale formano pori idrofili attraverso le membrane. Una classe di proteine-​​canale che si trova praticamente in tutti gli animali forma giunzioni comunicanti tra due cellule adiacenti e ogni membrana plasmatica contribuisce in egual misura alla formazione del canale, che collega il citoplasma delle due cellule.

La maggior parte delle proteine ​​canale nella membrana plasmatica delle cellule animali e vegetali che collegano il citosol all’esterno della cellula hanno pori stretti e altamente selettivi che possono aprirsi e chiudersi e sono specificamente interessate al trasporto di ioni inorganici.

Pertanto, la funzione di questi canali ionici è quella di consentire a specifici ioni inorganici, principalmente di diffondersi rapidamente lungo i loro gradienti elettrochimici attraverso il doppio strato lipidico. La capacità di controllare i flussi ionici attraverso questi canali è essenziale per molte funzioni cellulari.

Un potenziale di membrana si verifica quando c’è una differenza nella carica elettrica sui due lati di una membrana, dovuta a un leggero eccesso di ioni positivi rispetto a quelli negativi da un lato e a un leggero deficit dall’altro. Tali differenze di carica possono derivare sia dal pompaggio elettrogenico attivo sia dalla diffusione passiva di ioni.

La maggior quantità del potenziale di membrana del mitocondrio è generato da pompe elettrogeniche dello ione H⁺ nella membrana interna mitocondriale. Le pompe elettrogeniche generano anche la maggior parte del potenziale elettrico attraverso la membrana plasmatica nelle piante e nei funghi. Nelle tipiche cellule animali, tuttavia, i movimenti ionici passivi sono quelli che contribuiscono maggiormente al potenziale elettrico attraverso la membrana plasmatica.

La pompa sodio-potassio mantiene stabile la concentrazione di questi due ioni metallici ai due lati opposti della membrana plasmatica e permette quindi di trasportare contro gradiente di concentrazione ioni Na⁺ all’esterno della cellula e ioni K⁺ all’interno di essa e aiuta quindi a mantenere un equilibrio osmotico attraverso la membrana cellulare animale mantenendo bassa la concentrazione intracellulare di Na⁺.

Poiché all’interno della cellula c’è una scarsa quantità di ioni Na⁺, devono essere introdotti altri cationi per bilanciare la carica trasportata dagli anioni che si trovano nella cellula. A causa della presenza di questi canali, una forza elettrica esercitata da un eccesso di cariche negative che attraggono K⁺ nella cellula bilancia la tendenza di K⁺ a fuoriuscire lungo il suo gradiente di concentrazione.

Canali del potassio voltaggio-dipendente

Le strutture atomiche dei canali del potassio voltaggio-dipendente che sono state determinate dalla cristallografia a raggi X, hanno fornito le prime immagini dettagliate dei canali ionici dipendenti dal voltaggio. I canali del potassio voltaggio-dipendente appartengono a una famiglia di proteine caratterizzata dalla presenza di una subunità formante pori con una topologia a sei segmenti transmembrana in cui gli ultimi due segmenti, collegati da un insieme di pori che costituiscono il poro di permeazione ionica.

Nei canali del potassio quattro subunità porose formano una struttura tetrame rica che circonda un percorso di conduzione centrale in cui si trovano tre elementi funzionali: un poro di conduzione ionica in cui risiede la selettività ionica, un sensore di tensione che rileva i cambiamenti nel campo elettrico transmembrana, e una o più porte che si aprono e si chiudono in risposta alla tensione.

Nei canali del potassio sono state trovate tre possibili porte di cui una di attivazione situata sulla faccia citoplasmatica del poro di permeazione all’estremità dell’elica transmembrana S6, un poro del filtro di selettività a livello del filtro di selettività stesso e una porta di inattivazione in grado di chiudere il poro dalla faccia citoplasmatica.

I primi due meccanismi di controllo sono collegati a riarrangiamenti conformazionali dei sensori di tensione, che forniscono le proprietà di attivazione e di inattivazione di tipo C ai canali del potassio mentre il terzo meccanismo conferisce il comportamento di inattivazione rapida di tipo N.

I filtri di selettività, i sensori di tensione e la maggior parte degli elementi di gating dei canali del potassio si trovano all’interno della porzione transmembrana del nucleo del canale, ad eccezione delle porte citoplasmatiche stesse e dell’accoppiatore sensore-porta.

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