Canalele ionice - Canale de ioni

CANALE IONICE. CANALOPATII

I.1.Introducere

Canalele ionice sunt componente obligatorii ale tuturor structurilor membranelor din lumea vie.Suntem inca departe de cunoasterea completa a tuturor tipurilor si subtipurilor de canale ionice membranare existente in natura.cu toate acestea eforturile cercetarilor din ultimii ani au reusit sa preciyeye structura, functiile si patologia unora dintre ele 1]

Identificarea si izolarea canalelor ionice a fost posibila datorita nanotehnicilor moderne de investigare a universului celular.

Printre acestea se numara si cele de microelectrofiziologie intracelulara, care au permis separarea si analiza curentilor transmembranari generati de jocurile ionice de o parte si de alta a membranei, precum tehnica patch-clamp ce permite determinarea fluctuatiilor ionice dintr-un fragment de membrana continand chiar si un singur canal ionic.

Marcajul radioactiv al unor specii de ioni, au permis stabilirea selectivitatii canalelor si cartografierea lor. De semenea si avansatele tehnici imunologice au adus numeroase precizari legate de structura si localizarea diferitelor canale, iar cercetarile farmacologice, prin descoperirea unor substante capabile sa blocheze/deblocheze activitatea diferitelor specii de canale ionice, au constituit momente de cotitura in progresul canalologiei 1]

Prin intermediul descoperirilor privitoare la canalele ionice si canalele de apa, laureatii Premiului Nobel, Peter Agre si Mackinnon au contribit la cunoasterea legilor fundamentale in chimie privind functionarea celulelor. Acestia ne-au deschis ochii spre o fantastica familie a masinii celulare: canale,pereti si valve, toate fiinda necesare in functionarea celulei. Orice presiune asupra celulei se rezolva daca peretii acesteaia permit trecerea lichidului apos 2]

In momentul actual cercetatorii se afla la inceputurile descrierilor canalelor ionice, la inceputurile intelegerii mecanismelor lor de functionare, sunt la debutul explorarilor legate de originea si diversificarea filogenetica acestora, iar patologia pe care ele o determina de abia a inceput sa fie descifrata 2]

2.Scurt istoric

Canale de ioni

Primul fizician-chimist german Wilhem Ostwald (Premiul Nobel pentru chimie 1909) a propus in 1890 teoria conform careia semnalele electrice masurate in tesutul viu pot fi cauzate de traversarea membranei celulei de catre ioni , idee care a fost repede acceptata. [2]

Notiuni despre existenta unor tipuri de canale stramte au aparut in 1920. Doi oameni de stiinta britanici, Alan Hodgkin si Andrew Huxely au facut o descoperire majora la inceputul anului 1950 si ca urmare au obtinut Premiul Nobel in Fiziologie sau Medicina in 1963. Ei au aratat ca transportul ionilor prin membranele celulelor nervoase, produce un semnal care converge de la o celula nervoasa la alta ca intr-o intrecere cu stafeta. In primul rand ionii de sodiu si potasiu Na+ si Ka+ , care sunt activi in aceste reactii. [2]

Astfel cu mai bine de 50 de ani in urma au fost bine dezvoltate cunostintele despre rolul central al canalelor de ioni. In acest sens,era evident rolul selectiv al canalului la trecerea ionilor prin canal. La fel, trebuie sa fie posibila deschiderea si inchiderea canalului si uneori sa conduca ionii doar inr-o singura directie. Dar modul in care functioneaza acest aparat molecular a ramas pentru mult timp un mister.[2]

Semnalele electrice masurate in tesutul viu au fost primele observatii sugestive asupra existentei transferului de ioni la nivelul membranei celulare (fizician-chimist german Wilhem Ostwald - ). In anul s-a admis faptul ca acest canal ionic este capabil sa selecteze tipul de ioni, fiind echipat cu un fel de "filtru ionic". [2]

De interes particular a fost gasirea unor canale care admit ionii de potasiu dar nu si pe cei de sodium, chiar daca Na+ sunt mai mici ca K+. De asemenea se banuia rolul atomilor de oxigen in acest proces biochimic. Progresul in acest domeniu de cercetare a devenit posibil doar dupa ce biochimistul, medicul si apoi fizicianul MacKinnon a reusit sa obtina o imagine cu o rezolutie avansata , prin imbunatatirea metodei de analiza cristalografica cu raze X , a canalului de ioni in aprilie , numit KcsA. Cu aceasta imagine putem intelege modul de filtrare a ionilor la nivelul membranelor celulare, vizualizand structura cristalografica a ionilor inconjurati de apa inainte si in spatele filtrului ionic al canalul de ioni. In imaginea prezentata se observa ca ionii de K+ , fiind mai mari, isi pastreaza legaturile cu atomii de oxigen in interiorul canalului ionic, pe cand ionii de Na+, din cauza volumului mic nu-si poate pastra legaturile cu atomii de oxigen,ceea ce le face imposibila inaintarea prin canalul ionic.[2]

Acest proces de filtrare, ce permite trecerea ionilor de potasiu fara consum de energie, este un fel de transport selectiv catalizat de ioni. Celula trebuie de asemenea sa fie in stare sa controleze deschiderea si inchiderea canalelor de ioni. MacKinnon a aratat ca acest lucru este realizat de un « senzor » molecular,care inchide si deschide o poarta de trecere (gate) aflata la capatul inferior al canalului. Senzorii sunt specifici tipului de semnal. Prin conectarea diferitilor senzori la canalele de ioni,natura a creat canale care corespund la un numar larg de semnale diferite.[2]

Canalul de selectie a ionilor

In cursul anului 1970 a fost arat ca acest canal de ioni este capabil sa admita doar un singur tip de ioni, pentru ca acesta este echipat cu un fel de "filtru ioni".

De interes particular a fost gasirea unor canale care admit ionii de potasiu dar nu si pe cei de sodiu- chiar daca ionii de sodiu sunt mai mici ca ionii de potasiu. A fost suspectat faptul ca atomii de oxigen au jucat un rol important in proteine ca substituient pentru moleculele de apa cu care ionii de potasiu se inconjoara in solutia de apa si de care trebuie sa se elibereze in timp ce intra in canal. [2]

Dar progresul care a urmat cu aceasta ipoteza a fost dificil- ceea ce era necesar acum obtinerea unei imagini de rezolutie inalta care la acel moment se putea obtine numai prin cristalografia de raze X . Problema a fost dificultatea de a determina structura membranei proteice si a canalelor de ioni cu aceasta metoda. Membrana proteinei din plante si animale este prea complicata si dificil de a lucra cu ea in comparatie cu cea din bacterii. Folosind canalul proteic bacterian, care seamana partial cu canalele ionice umane, s-a incercat inaintarea pe aceasta directie de cercetare,multi cercetatori lucrand fara rezultatul scontat. Rezultate pozitive au venit dintr-o directie neasteptata. Roderick MacKinnon, dupa ce a studiat biochimia, s-a intors la medicina si s-a calificat ca doctor in medicina[2].

Dupa ce a lucrat ca fizician cativa ani, a devenit din ce in ce mai interesat de canalele de ioni si a inceput sa faca cercetari in domeniu: «  Cariera mea a inceput efectiv la varsta de 30 de ani », a recunoscut el. Dar cariera lui s-a terminat repede. Realizand faptul ca obtinerea unei imagini de rezolutie mai buna reprezinta punctul forte al solutionarii problemei legate de cunoasterea modului de functionare a canalului de ioni, el decide sa invete fundamentele cristalografiei de raze X pentru a reusi sa imbunatateasca acuratetea imaginii. Au trecut doar cativa ani pana cand toata comunitatea de cercetatori sa poata vizualiza o structura a unui canal de ioni. Aceasta a fost in aprilie 1998.[2]

Primul canal de ioni descris atom cu atom

In 1998 MacKinnon a determinat prima structura de rezolutie ridicata a unui canal de ioni numit KcsA. MacKinnon a descoperit pentru prima data cum functioneaza canalele de ioni la nivel atomic. [2]

Filtrul de ioni, care admite ionii de potasiu si ii stopeaza pe cei de sodiu ,putand fi studiat acum in detaliu. Nu numai ca a fost posibil dupa mult timp sa intelegem cum ionii trec prin canal,dar pot fi de asemenea vazuti in structura cristalina- inconjurati de molecule de apa chiar inainte sa intre in filtrul de ioni, direct in filtru, si cand ei intalnesc apa in cealalta parte a filtrului. MacKinnon poate explica de ce ionii de potasiu sunt admisi in filtru iar cei de sodiu nu: pentru ca distanta intre ionii de potasiu si atomii de oxigen in filtru este aceeasi cu distanta dintre ionii de potasiu si atimii de oxigen in moleculele de apa din jurul ionilor de potasiu cand acestia sunt in afara filtrului.[2]

Astfel ionul de potasiu poate aluneca in filtru fara rezistenta. Oricum ionul de sodiu care este mai mic decat cel de potasiu nu poate trece prin canal. Aceasta din cauza ca nu se potriveste printre atomii de oxigen in filtru si in consecinta ramane in solutia de apa. Abilitatea canalului de a permite ionului de potasiu sa paraseasca apa si sa-i dea voie fara nici o schimbare sa treaca, fara consum de energie ,este un fel de transport selectiv catalizat de ioni. Celula trebuie de asemenea sa fie capabila sa controleze deschiderea si inchiderea canalelor de ioni. MacKinnon a aratat ca aceasta este infaptuita printr-o poarta la capatul canalului care este deschisa si inchisa de un « senzor molecular ». [2]

Acest senzor este situat aproape de poarta. Fiecare senzor reactioneaza un tip de semnal, de exemplu : o crestere in concentratie a ionilor de calciu, o tensiune electrica pe membrana celulei sau producerea unui semnal molecular de un anumit tip. Prin conectarea de senzori diferiti la canalele de ioni, natura a creat canale care raspund la un numar mare de semnale diferite.[2]

II. CANALE IONICE

1.DEFINITIE

Canalele ionice pot fi definite ca structuri membranare proteice canaliculare, hidrofile, prezente in structura tuturor membranelor organismelor vii, care contin cel putin un segment (TMS) in alfa helix ce perforeaza membrana, si a caror principala functie consta in realizarea pasajului 'liber' sau 'conditionat'(poarta) al unor ioni si/sau molecule cu structura simpla/complexa, fara a necesita pentru aceasta consum energetic.

Canalele ionice pot fi definite din punctul de vedere al mai multor domenii:fiziologie, biologie celulara, biologie moleculara si bineinteles din punctul de vedere al biofizicii.

FIZIOLOGIE FIZIOPATOLOGIE

Canalele  ionice  (CI)  sunt  proteine  care  formeaza  pori  prin  membranele
celulare.  Orice  canal  prezinta  doua  stari,  inchis  si  deschis.  Deschiderea  CI
permite  trecerea  pasiva  a  ionilor,  prin  gradient  electrochimic.  Ca  urmare,  CI
permit  si  controleaza  fluxul  transmembranar  pasiv  de  ioni  si  au  roluri
preponderente  in  numeroase  functii  celulare:  excitatie,  transmisie  sinaptica,
transductia  informatiei,  secretie  si  contractie.  Alaturi  de  aceste  mari  functii,  in
care  implicarea  canalelor  este  stabilita  clar,  se  sustine,  fara  cunoasterea  exacta
a  modului  de  actiune,  interventia  CI  in  diviziunea  si  in  diferentierea  celulara,
in  adeziunea  si  moartea  programata  (apoptoza)  a  celulelor  si  in  raspunsul
imunitar.  Totodata,  CI  sunt  implicate  direct  sau  indirect  in  unele  stari
patologice  ca:  scleroza  in  placi,  mucoviscidoza,  miotoniile  si  anumite
cardiopatii.  O  serie  de  observatii  sugereaza  rolul  CI  in  procesele  de
cancerogeneza,  in  metastazele  canceroase  si  in  unele  demente.  Deoarece  se
stie  ca  o  serie  de  boli  umane  sunt  consecinta  mutatiilor  unor  gene  codante  ale
CI  este  posibil  ca  si  alte  boli,  tulburari  metabolice  sau  de  comportament  sa  fie
consecinta  disfunctiei  CI  sau  ale  unor  mutatii  necunoscute.  Bolile  determinate
de  alterarea  functiilor  sau/si  structurii  CI  au  fost  denumite  canalopatii.  Este
posibil  ca  unele  canalopatii  sa  reprezinte  explicatii  noi  pentru  boli  vechi,  deja
descrise.  Patologia  in  relatie  cu  CI  a  condus  la  dezvoltarea  unor  clase  noi  de
medicamente  avand  ca  tinta  de  actiune  CI.

BIOLOGIE CELULARA

Prima  consecinta  a  unei  schimbari  de  activitate  a  CI  este  geneza  unui
curent  si  a  unei  variatii  de  potential  transmembranar.  Aceste  efecte  in  cazul
celulelor  excitabile  se  propaga  pe  toata  suprafata  celulara,  in  celelalte  cazuri
semnalele  fiind  localizate  doar  intr­un  punct  al  celulei.  In  toate  cazurile,  o
modificare  de  activitate  a  canalelor  ionice  se  traduce,  intr­un  timp  mai  lung
sau  mai  scurt,  prin  schimbarile  concentratiilor  intra­  sau  extracelulare.  Aceste
modificari  de  concentratie  reprezinta,  in  general,  legaturi  directe  intre  CI  si
functiile  celulare.  CI  prin  intermediul  fluxurilor  ionice  si/sau  variatiile  de
potential  membranar  sunt  considerate  ca  vectori  ai  unui  semnal  ionic.  De
aceea,  se  inregistreaza  sau  se  studiaza  pe  termen  mediu  (secunde  -  ore),  fie
modificarile  concentratiilor  ionice,  fie  consecintele  acestora:  modificarea
volumului  celular  sau  a  activitatilor  enzimatice.  Evident,  in  mod  sistematic  se
tine  seama,  pe  de  o  parte,  de  structura  si  proprietatile  CI  si,  pe  de  alta  parte,  de
lantul  reactiilor  fizico­chimice  cuprinse  intre  modificarile  concentratiilor
ionice  si  modificarile  unei  anumite  functii   celulare.  In  plus,  trebuie  luate  in
consideratie  diferitele  sisteme  de  transport  ionic (transportori,  pompe)prezente  in  celula, ca  si  interactiunile  acestora  cu  CI. [3]

BIOLOGIE MOLECULARA

Utilizarea  tehnicilor  de  fiziologie,  biofizica  si  biologie  celulara  permite cunoasterea  modului  de  functionare  a  CI  si  a  rolurilor  acestora.  Aceste  studii nu  furnizeaza, insa,  date  asupra  structurii  si  geneticii canalelor  ionice. "Disectia"  CI  se  realizeaza prin  tehnici  de  biologie  moleculara:  clonare, secventare  si  mutatie  dirijata  utilizand  anticorpi.  Totodata,  prin  asocierea  unor tehnici  de  fiziologie  si  biofizica  se  incearca  determinarea  unui  anumit  situs  al unui  canal (aminoacid  sau  grup  de  aminoacizi) responsabil  de  o  anumita functie.  In  prezent este  cunoscuta  structura  moleculara  a  mai multor  CI, indeosebi  a  celor  specifice  pentru  Na  ,  K  si  Ca 

BIOFIZICA

Un canal ionic repreinta o rezistenta (r) la nivelul caruia se poate disipa un curent (i).Ca regula generala canalele ionice sunt deschise sau inchise si ca urmare conductanta lor poate avea doua valori γ sau 0. Conductanta γ este caracteristica unui anumit tip de canal, in conditii date de temperatura si de mediul ionic.

Curentul care traverseaza un singur canal (curent elementar) se prezinta pe inregistrare ca o treapta rectangulara si poate fi pus in evidenta prin metoda patch-clamp.Aceasta metoda este cea mai directa metoda de a investiga functionalitatea canalelor ionice si inregistreaza curentul care trece prin canalul deschis sau masoara schimbarile produse in membrana potentiala. Este un experiment tehnic care face posibila masurarea conductantei prin canalul ionic si este extrem de importanta pentru studiul functionalitatii canalelor ionice 4]

2.CLASIFICAREA CANALELOR IONICE

O posibila clasificare a canalelor ionice poate fi facuta dupa felul in care se deschid.Cateva canale ionice sunt deschise de un stimul electric altele de un stimul chimic, iar altele mecanic.

Exista de asemenea si clasificari neomologate.O astefel de clasificare este cea care tine cont de numarul subunitatilor ce compun canalul ionic in cauza. Astfel descriu canale ionice formate dintr-o singura unitate(monomeri), 2 subunitati(dimeri) etc.pana la cele formate din 5 subunitati (pentameri) sau 6 subunitati (hexameri).La randul lor, subunitatile pot fi identice (homomeri) sau diferite (heteromeri). O alta clasificare neomologata este si cea care are in prim plan aspectele legate de permeabilitatea canalelor. Permeabilitatea canalelor ionice este una dintre cele mai importante proprietati ale acestora. Permeabilitatea ionica prin lumenul canalicular, poate fi nestanjenita, fiind dictata doar de diferente de concentratie de o parte si de alta a membranei: 'canale fara poarta'. Alteori, accesul substantelor prin lumenul canalicular necesita implinirea anumitor conditii fara de care pasajul nu este posibil datorita interpunerii unei asa-numite 'porti'. In aceasta situatie este vorba de 'canale ionice cu poarta' 1]

Asadar din punctul de vedere al permeabilitatii portii canalele ionice pot fi clasificate in: canale ionice ' fara poarta' si canale ionice 'cu poarta'. Din cea de a doua categorie fac parte mai multe tipuri de canale ionice: voltaj -dependente, receptor- dependente, Ca-dependente, fosforil-dependente, protein-activate, mecano-dependente, volum-activate, reward.

De asemenea exista si clasificari in care accentul se pune pe mecanismele de activare a canalelor ionice:

1. Canale activate prin depolarizare

2. Canale activate prin hiperpolarizare

3. Canale activate si modulate prin legarea unui mesager secund sau a unui metabolit intracelular

4. Canale activate si reglate prin fosforilare dependenta de un mesager secund

5. Canale activate de proteinele G (unii receptori pentru neurotransmitatori)

6. Canale activate de stimularea mecanica, osmotica, fotonica.

O alta clasificare este cea care are in vedere specificitatea si conductanta canalelor ionice. Din acest punct de vedere canalele ionice pot fi :

1. Canale cu conductanta inalta 100-220 pS (picoSiemens)

2. Canale cu conductanta medie 20-100 pS

3. Canale cu conductanta scazuta 2-20 pS

Canalele ionice se mai pot clasifica si din puncul de vedere al selectivitatii acestora: Selectivitatea este proprietatea canalului de a permite numai anumitor compusi sa traverseze lumenul canalicular. Din acest punct de vedere canalele ionice pot fi :

1. Canale ionice selective pentru ioni: anioni Cl-, cationi monovalenti (Na+, K+) si bivalenti Ca 2+

2.Canale ionice selective pentru molecule simple (glucoza, inozitol etc)

3. Canale ionice selective pentru molecule complexe (ADN-ul viral, hormoni)

Bineinteles canalele ionice au si o clasificare dupa numarul porilor pe care il formeaza:

1. Canale cu un singur por format din patru subunitati identice (canale homo-tetramerice pentru K+)

2. Canale cu un singur por format din cinci subunitati identice sau diferite (canalele receptor dependente GABA si Ach)

3. Canale cu doi pori, cate unul pentru fiecare monomer al dimerului (canalele pentru clor CLC)

4. Canale cu patru pori cate unul pentru fiecare subunitate (tetramerii aquaporinelor).

.STRUCTURA SI FUNCTIONALITATEA CANALELOR IONICE

Cele mai intensiv studiate canale ionice sunt cele care permit trecerea Na+, K+, Ca 2+. In ceea ce priveste conformatia lor si modalitatea de deschidere.Se poate spune ca toate canalele ionice voltaj-dependente au pori largi ce formeaza subunitati care se afla in membrana.aceste subunitati sunt α-subunitati ce contin un por central prin care ionul trece ca raspuns al schimbarii de voltaj. Pe langa subunitatea α este normal ca, canalele ionice sa contina si subunitati acessoare care pot fi citoplasmatice sau extracelulare. In general acestea au o functie importanta in modelarea conductantei principale a subunitatilor.

Sub aspect functional canalele ionice prezinta trei proprietati majore: selectivitate, permeabilitate si directie de transport.

Selectivitatea canalului ionic este acea proprietate care confera acestuia capacitatea de a tria ,adica de a permite trecerea prin lumenul sau doar a unor specii ionice sau substante cu structura moleculara simpla. Aceasta proprietate este rezultatul unei bariere de selectivitate, care s-a dovedit a fi determinata de configuratia electrochimica a stratului molecular care participa la formarea lumenului canalicular. De obicei indiferent de tipul de canal ionic selectivitatea scade proportional cu cresterea temperaturii 1]

Permeabilitatea canalului ionicreprezinta capacitatea acestuia de a deveni permisiv transportului de ioni si de asigura un anumit flux, un anumit debit. Aceasta proprietate face referire la mecanismele de permeabilizare canaliculara si la viteza si cantitatea de ioni ce traverseaza canalul, raportat la unitatea de timp 1]

Directia de transport a ionilor sau compusilor cu molecula simpla, reprezinta capacitatea canalului de a imprima un anume sens sau directie de curgere curentilor substantelor de pasaj. Sensul de parcurgere al canalului de catre o substanta sau ion poate fi:

- din exteriorul celulei in citoplama acesteia;

- din citoplasma in exteriorul celulei;

- din citoplasma in interiorul organitelor celulare;

- din organitele celulare in citoplasma;

- in ambele sensuri, intre citoplasma si matricea organitelor celulare ;

- in ambele sensuri intre citoplasma si mediul extracelular.

Directia de transport a substantelor prin canalele ionice este guvernata atat de legile difuziunii si a osmozei cat si de compozitia electrochimica a peretilor canaliculari 1]

4. TIPURI DE CANALE IONICE

4.1 CANALE IONICE DE NA+

Canalele de sodiu sunt reprezentate compuse din 2000 de aminoacizi cu doua subunitati: α si β. Canalele voltaj dependente de sodiu are subunitatile α impartite pe patru domenii care sunt asemanatoare si contin 6-α helix segmente transmembranare (S1-S6). In fiecare domeniu senzorul de voltaj este localizat in segmentul S4 care contine sarcina electrica pozitiva in fiecare a treia pozitie. Fiecare din cele patru subunitati transmembranare contin 6 amioacizi de arginina incarcate pozitiv care au un rol important in deschiderea canalelor. In cazul depolarizarii membranei aceste sarcini electrice se misca spre exteriorul structurii canalelor si astfel se deschide canalul.Un operator dintre S5 si S6 este incorporat intr-o regiune membranara a canalului pentru a forma un filtru de ioni selectivi la sfarsitul extracelular al porilor. Gruparile amino si carboxil contribuie si acestea la fata interna a canalelor de sodiu. Structura acestor canale a fost confirmata de experimente biochimice si electrofiziologice.

Alte tipuri de canale ionice pot fi liganzi in asociatie cu receptori de acetilcolina. Na+ intra in celule modificand diferentele de potential dintre cele doua fete ale membranei.

O prima functie a canalelor de sodiu este aceea de a propaga potentiale de actiune, fapt descoperit de Hodgkin si Huxley.Canalele de sodiu se gasesc de obicei in regiuni anatomice specifice, ce sugereaza faptul ca pot fi utilizate pentru anumite functii. Sunt canale de sodiu care predomina in sistemul nervos central si periferic, in muschii scheletici sau in tesutul cardiac. Canalele de sodiu trebuie sa fie reglate pentru a face membrana sa fie excitabila si de asemenea trebuie sa fie si un prag de voltaj deasupra caruia potentialul sa fie produs 5]

4.2 CANALE IONICE DE K+

Canalele de potasiu sunt cele mai variate si cea mai complexa familie de canale ionice. Acest tip de canal ionic de o proteina transmembranara cu sase domenii si o singura subunitate, dar si 620 de aminoacizi. Se gasesc in muschi si nervi , dar cea mai mare conductanta a canalelor de potasiu se gaseste in reticulul sarcoplasmatic. Canalele de K+ deschise pot fi: voltaj dependente, ATP dependente sau dependente de proteina G 4]

Deschiderea canalelor de K+ voltaj dependente , depinde de interactiunile dintre senzorul voltaj si poarta voltaj senzitiva din interiorul porilor. Odata depolarizati, poarta incarcat pozitiv din canalele proteice se deplaseaza in exterior. Regiunea canalelor care contin majoritatea acestor sarcini, constituie senzorul voltaj, adica domeniul transmembranar S4. in timp ce S4 se deplaseaza spre exterior, poarta se deschide si lasa ionii sa treaca prin pori.[6]

Modificarile cisteinei si experimentele legate de asta, indica ca domeniul S4 este foarte aproape de vestibulul exterior. Importanta acestui lucru este sugerata de masurile ce au demonstrat o legatura intre miscarea S4 si lenta inactivare care include o schimbare a conformatiei in vestibulul exterior 6]

Cateva tipuri de dovezi au crescut posibilitatea ca vestibulul exterior si filtru de selectare pot fi si acestea implicate in procesul de activare. In primul rand se stie ca filtru de selectivitate este regiunea dinamica a canalului. In al doilea rand masurile de fluorescenta au demonstrat ca schimbarile conformationale se petrec in vestibulul exterior in timpul activarii, apoi mutagenezele din preajma filtrului de selectie altereaza activarea si se intampla de asemenea si tranzitia deschis- inchis continua sa se intample cand activitatea citoplasmatica este separata de domeniul S4 6]

6. ROLURILE FIZIOLOGICE ALE CANALELOR IONICE

Cantitativ canalele ionice reprezinta o parte mica din toata structura celulara dar rolurile lor fiziologice sunt numeroase si importante.

Canalele ionice regleaza: - potentialul membranar;

- presiunea osmotica ;

- presiunea mecanica;

- concentratiile de Ca , Mg, Na, Cl;

- nucleotidele (ATP ,ADP);

- nucleotidele ciclice ( cAMP, cGMG)

- fosforilarea;

- steroizii;

- agentii farmacologici;

- ph, NO;

Rolurile fiziologice ale canalelor ionice:

1.Depolarizarea si hiperpolarizarea .

2.Actiune biopotentiala.

3.Conductanta

4.Secretia

5.Rol nociceptiv, olfactiv, auditiv, vizual

6.Contractie

7.Secretia fluida a glandelor exocrine

8.Reabsorbtia fluidelor

9.Controlul activitatii enzimatice

10.Controlul intracelular

11.Embriogeneza

12.Controlul citoscheletului

Rolurile canalelor ionice se petrec: - in interiorul celulei - relatia citosol-organite;

- intre mediul fizic extern si organism prin transformarea in semnale vitale a unor fenomene fizice ca emisia unui flux de fotoni sau a unor vibratii sonore;

- in organism comunicarea celula - mediu intern;

- schimbari intercelulare la nivelul sistemului nervos.

III. CANALOPATII

1. DEFINITIE

Canalopatiile se definesc ca afectiuni datorate fie toatalei absente a functiilor fie disfunctiilor canalelor ionice. Acestea reprezinta modificari cantitative sau calitative ale canalelor ionice.

Canalopatiile apar doar atunci cand un numar semnificativ de mare dintr-o familie de canale ionice sunt afectate iar durata de timp corespunzatoare unei anumite disfunctionalitati este suficient de mare astfel incat mecanismele compensatorii sa nu mai fie capabile sa suplineasca defectul. Exista si exceptii asa cum se intampla in cazul unor canalopatii instalate prin disfunctionalitatea unui numar relativ mic de canale ionice, dar care sunt amplasate pe membrana unor celule cu rol functional major.

2.CLASIFICARE

Exista numeroase clasificari ale canalopatiilor. Unele pun accentul pe tipul de canal afectat, altele pe factorii etiologici care determina instalarea canalopatiilor, altele pe mecanismele fiziopatologice implicate in generarea canalopatiilor si mai exista de asemenea clasificari ce au in vedere aspectele legate de tesuturilesi organele interesate.

In general canalopatiile sunt subdivizate si clasificate pe baza canalelor ionice. Majoritatea canalopatiilor genetice neurologice ce afecteaza sistemul nervos periferic si sistemul nervos central sunt cauzate de mutatiile subunitatilor, rezultand disfunctii ale canalelor ionice voltaj-dependente. Exemplele canalopatiilor genetice datorita disfunctiilor canalelor ligand dependente sunt recunoscute, mai ales in sistemul nervos periferic si se desfasoara si in sistemul nervos central. Cele mai multe canalopatii autoimune afecteaza sistemul nervos periferic.John Newsom -Davis a fost o figura reprezentativa in domeniul neuroimunologiei si a combinat foarte multe calitati personale impresionante cu expertize clinice si stiintifice.Primul sau report despre schimbul de plasma in miastenie, din 1970,` a folosit si ca tratament dar si ca experiment pentru a stabili rolul patologic al anticorpilor din disfunctiile neurologice.Urmatoarele investigatii in sindromul miasteniei si neuromiotoniei au arata ca acestea sunt cauzate de anticorpi specifici canalelor ionice. Domeniul canalopatiilor autoimune este in continua dezvoltare cu identificarea unor disfunctii ale anticorpilor incluzandu-le si pe cele care afecteaza sistemul nervos central 7]

In linii mari etiologia canalopatiilor poate fi grupata in: cauze genetice, cauze imunologice, cauze toxice si cauze iatrogene.

Marile grupe de canalopatii sunt:

1.Canalopatii ale muschilor scheletici

2. Canalopatii ale cordului

3. Canalopatii neuronale

4. Alte canalopatii

Un alt aspect legat de canalopatii este cel al duratei manifestarilor clinice. Din acest punct de vedere canalopatiile pot fi permanente sau temporare(episodice) si nu de putine ori cele temporare iau aspectul unor disfunctii sezoniere.

3 MECANISMUL CANALOPATIILOR

Mecanismul disfunctiilor canalelor ionice se manifesta in trei mari directii. Prima directie se refera la blocarea totala a canalului ionic, fapt ce determina absenta oricarei activitati canaliculare,situatie in care manifestarile clinice sunt de mai mica intensitate. Cea de a doua directie este data de disfunctia in exces a functionalitatii canalelor, situatie mai frecvent intalnita in patologie, cand manifestarile sunt de regula cele mai 'zgomotoase'. A treia directie o reprezinta disfunctia in deficit situatie mai rar intalnita.

Evolutia si prognosticul canalopatiilor variaza in functie de etiologie , mecanism fiziopatologic, precocitatea instituirii terapiei etiologice. Unul din cele mai interesante aspecte ale canalopatiilor este reprezentat de faptul ca disfunctiile canalelor ionice determina tablouri clinice mult mai grave decat in cazul blocajelor functionale totale 1]

4.TIPURI DE CANALOPATII

Canalopatii neuromusculare

Intelegerea cu privire la patologia moleculara a canalopatiilor ionice neuromusculare s-a dezvoltat de doua decenii incoace datorita identificarii mai multor gene ce cauzeaza aceste disfunctii. Aceste descoperiri moleculare au usurat identificarea si clasificarea paraliziilor periodice ereditare si a miotonilor. In ciuda celei mai bune intelegeri a patologiei a acestor disfunctii tratamentele curente sunt in favoarea terapiei specifice.Pentru paraliziile periodice diclorfenamida, un inhibitor carbonic, a fost folosit intr-un control pentru a preveni atacurile pacientilor cu paralizii hipocalemice.In cazul miotoniei sau elaborat doar dovezi indirecte pentru tratament spre exemplu un proces controlat al mexiletinei versus placebo 8]

Canalopatii neuronale

Familia canalelor ionice de Ca activeaza diferite potentiale de membrana , care permit intrarea tisulara specifica a Ca. Mutatiile porilor afecteaza voltaj dependenta si produc canalopatii. Schimbari sistematice in hidrofobie in segmentul S6 determina senzitivitatea voltaj. Un model omolog sugereaza ca rezidurile hidrofobe care sunt in toate cele 4 segmente S6 inchid gura canalului interior formand adeziunea punctelor si stabilizand poarta inchisa.Studiile cu privire la stimulare au aratat ca senzorii voltaj si porii sunt structuri unitare independente esentiale 9]

Spre exemplu una din aceste canalopatii este migrena.Migrena este o cefalee cronica caracterizata de episoade de cefalee severa asociata su fenomane de disfunctie a sistemului vegetativ. Si hipersensibilitate la aferente de tipul luminii, sunetului sau la miscarea capului (migrena fara aura).Aceasta este cauzata de disfunctia unui canal ionic de Ca la nivelul nucleilor aminergici ai trunchiului cerebral, nuclei care in mod normal moduleaza impulsurile senzitive si exercita influente neurale asupra vaselor craniene.Exista importante legaturi fiziopatologice intre migrena si epilepsie. Acestea sunt datorate unor mutatii care duc la disfunctia canalelor ionice migrena si epilepsia fiind considerate canalopatii neuronale.[10]