I canali dipendenti per gli aminoacidi

Che cosa sono i canali aminoacidi-dipendenti

Nel sistema nervoso centrale la comunicazione rapida tra neuroni si basa su canali ionici che si aprono in risposta al legame con un neurotrasmettitore di natura aminoacidica. I principali sono il glutammato, che è il grande neurotrasmettitore eccitatorio del cervello, e gli aminoacidi inibitori come il GABA e la glicina. Questi canali appartengono alla famiglia dei recettori ionotropici: il recettore e il canale ionico coincidono nella stessa proteina, così che il legame del trasmettitore provoca quasi istantaneamente l’apertura del poro.

La velocità è la loro caratteristica distintiva. A differenza dei recettori che agiscono tramite messaggeri intracellulari, e che impiegano frazioni di secondo o più, i canali aminoacidi-dipendenti rispondono in pochi millisecondi. Questa rapidità è ciò che consente al cervello di elaborare segnali sensoriali in tempo reale, di coordinare i movimenti e di sostenere le rapide sequenze di attivazione che stanno alla base dei processi cognitivi.

Le quattro proprietà che definiscono un canale

Numerose caratteristiche distinguono questi canali l’uno dall’altro e ne definiscono le funzioni all’interno del cervello. Quattro proprietà, in particolare, ne riassumono il comportamento e permettono di prevedere quale effetto produrrà l’apertura del canale in un dato neurone.

Farmacologia

La farmacologia di un canale descrive quali trasmettitori lo influenzano e quali sostanze, naturali o farmacologiche, interagiscono con i suoi siti di legame. È la proprietà che ci dice a quale segnale il canale risponde e su quali bersagli possono agire i farmaci. Lo studio della farmacologia ha permesso di classificare i canali del glutammato in sottotipi distinti, riconosciuti proprio dalle molecole capaci di attivarli o bloccarli selettivamente.

Cinetica

La cinetica riguarda l’andamento temporale del processo: la velocità con cui il trasmettitore si lega e quella con cui il canale si apre e poi si chiude. È la cinetica a determinare la durata dell’effetto del canale. Un canale dalla cinetica rapida genera una risposta breve e netta, ideale per la trasmissione di segnali precisi; un canale dalla cinetica più lenta produce una risposta prolungata, che può sommarsi nel tempo e contribuire a fenomeni come la plasticità sinaptica.

Selettività ionica

La selettività indica quali ioni il canale lascia passare ed è forse la proprietà più importante dal punto di vista funzionale. È la selettività ionica a stabilire se l’apertura del canale produce eccitazione o inibizione del neurone: i canali che lasciano entrare ioni positivi come il sodio tendono a eccitare la cellula, mentre quelli permeabili agli ioni negativi come il cloro tendono a inibirla. La selettività determina inoltre se il calcio penetra nella cellula in quantità rilevante, un fatto cruciale perché il calcio non è solo un portatore di carica ma anche un potente messaggero intracellulare.

Conduttanza

La conduttanza misura quanti ioni attraversano il canale quando è aperto, cioè la sua capacità di far fluire corrente. Permette di valutare la grandezza dell’effetto prodotto da una singola apertura. Una conduttanza elevata significa che ogni canale aperto sposta molte cariche e genera un segnale ampio; una conduttanza bassa produce effetti più contenuti. Insieme al numero di canali presenti e alla loro probabilità di apertura, la conduttanza fissa l’intensità complessiva della risposta sinaptica.

Dalla struttura molecolare alla funzione

Tutte queste proprietà sono il risultato diretto della struttura molecolare dei canali stessi. La sequenza degli aminoacidi che compongono la proteina determina la forma del poro, la carica delle sue pareti, la disposizione dei siti di legame e i meccanismi che governano l’apertura e la chiusura. Piccole differenze nella composizione delle subunità si traducono in canali con farmacologia, cinetica, selettività e conduttanza diverse.

Questa relazione tra struttura e funzione spiega l’enorme varietà di canali presenti nel cervello. Modificando l’assemblaggio delle subunità, lo stesso neurotrasmettitore può attivare canali dal comportamento molto differente in regioni diverse del sistema nervoso. È questa modularità a permettere al cervello di adattare con precisione la trasmissione veloce alle esigenze di ciascun circuito.

Perché contano per salute e malattia

Essendo coinvolti in funzioni così diffuse, dai sistemi sensoriali alla memoria, i canali aminoacidi-dipendenti sono implicati in molte patologie. Un’eccitazione eccessiva mediata dal glutammato può danneggiare i neuroni, un fenomeno che contribuisce ai danni dell’ischemia cerebrale e di alcune malattie degenerative. Alterazioni della trasmissione mediata da questi canali sono inoltre studiate in relazione all’epilessia, al dolore cronico e a vari disturbi cognitivi. Per questo essi rappresentano bersagli privilegiati nella ricerca di nuovi farmaci.

I principali canali del glutammato e degli aminoacidi inibitori

Tra i canali aminoacidi-dipendenti, quelli attivati dal glutammato sono i protagonisti della trasmissione eccitatoria veloce e si distinguono in sottotipi con proprietà diverse. Alcuni si aprono e si chiudono molto rapidamente, lasciando passare soprattutto ioni positivi come il sodio, e generano risposte brevi e nette adatte alla trasmissione precisa dei segnali. Altri hanno una cinetica più lenta e una selettività che consente un ingresso rilevante di calcio: proprio per questo sono associati a fenomeni di plasticità sinaptica, cioè ai meccanismi con cui le connessioni tra neuroni si rafforzano o si indeboliscono e che si ritiene siano alla base dell’apprendimento e della memoria.

Sul versante opposto agiscono i canali attivati dagli aminoacidi inibitori, GABA e glicina, che sono selettivi per ioni negativi come il cloro. La loro apertura tende a calmare il neurone anziché eccitarlo, contrastando l’azione del glutammato. L’equilibrio dinamico tra questi canali eccitatori e inibitori, tutti appartenenti alla stessa grande famiglia dei recettori ionotropici, è ciò che mantiene l’attività cerebrale entro limiti funzionali e impedisce che l’eccitazione si propaghi in modo incontrollato.

Domande frequenti

Quali neurotrasmettitori attivano i canali aminoacidi-dipendenti?

I principali sono aminoacidi: il glutammato, che è il maggiore neurotrasmettitore eccitatorio del sistema nervoso centrale, e gli aminoacidi inibitori GABA e glicina. Sono questi segnali a legarsi al recettore, provocando l’apertura rapida del canale e quindi la trasmissione sinaptica veloce.

Che differenza c’è tra un canale eccitatorio e uno inibitorio?

La differenza dipende dalla selettività ionica. I canali che lasciano entrare ioni positivi, come il sodio, depolarizzano il neurone e tendono a eccitarlo; quelli permeabili a ioni negativi, come il cloro, tendono a inibirlo. È quindi il tipo di ione che attraversa il poro, non il fatto che il canale si apra, a stabilire se l’effetto è di eccitazione o di inibizione.

Perché l’ingresso di calcio è considerato così importante?

Perché il calcio non è solo un portatore di carica ma anche un messaggero intracellulare che innesca numerose reazioni nella cellula. Quando un canale permette un ingresso rilevante di calcio, può avviare processi che vanno oltre il semplice segnale elettrico, contribuendo a fenomeni come la plasticità sinaptica e, se eccessivo, anche a danni cellulari.

Perché da questi canali derivano differenze così marcate tra neuroni?

Perché le loro proprietà dipendono dalla struttura molecolare, e in particolare dalla combinazione di subunità che li compongono. Variando l’assemblaggio, lo stesso trasmettitore può attivare canali con farmacologia, cinetica, selettività e conduttanza diverse, generando comportamenti molto differenti in regioni distinte del cervello.