3 I canali ionici Voltaggio‐dipendenti e la trasmissione sinaptica
3.3 I canali ionici del calcio Voltaggio dipendenti
I livelli intracellulari del calcio regolano molti processi cellulari come la trascrizione genica, il differenziamento fenotipico, l’attivazione di enzimi ed in particolare nelle cellule nervose sono implicati nel rilascio del neurotrasmettitore, nella regolazione e morte neuronale (Randall and Tsien, 1995, Scamps et al., 1998). Tutti i canali del calcio (Fig. 16) presentano voltaggio‐dipendenza e sono attivati dalla depolarizzazione. Attraverso essi fluisce una corrente ionica entrante, e possono svolgere nelle membrane delle cellule eccitabili, un ruolo simile a quello del sodio nella genesi del potenziale d’azione. L’attività dei canali voltaggio dipendenti del calcio diventa quindi fondamentale per accoppiare i segnali elettrici a delle ben precise reazioni cellulari (Catterall, 2000b, Catterall et al., 2005, Catterall and Few, 2008). Caratteristica generale dei canali ionici del calcio è la loro bassa conduttanza che, unitamente alla loro relativa scarsità nelle membrane fa sì che la loro attivazione abbia generalmente un effetto limitato sul potenziale di membrana, sicuramente meno importante di quello dei canali del sodio e del potassio. Anche le cinetiche di attivazione e di inattivazione sono meno veloci di quelle dei canali del sodio e di conseguenza le correnti del calcio sostengono generalmente le “componenti lente” delle manifestazioni elettriche cellulari. Un’ultima caratteristica che accomuna i vari tipi di canali ionici per il calcio è quella di essere, pur in diverso grado, bloccati da alcuni cationi bi‐ e tri‐valenti come il cadmio, il nichel e il lantanio. I neuroni possiedono diversi tipi di canali del calcio voltaggio‐dipendenti ed è proprio in relazione alla loro voltaggio‐dipendenza e alle caratteristiche della loro inattivazione che si possono suddividere in due categorie (Carbone and Swandulla, 1989). I canali “low voltage activated” o LVA, sono così chiamati perché vengono attivati già da modeste depolarizzazioni della membrana
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cellulare. Essi presentano una pronta inattivazione voltaggio‐dipendente per cui, al permanere delle depolarizzazione, essi rimangono aperti solo per breve tempo e da qui il nome alternativo di canali T (transienti), (Carbone and Lux, 1987). Questi canali hanno una conduttanza piuttosto bassa e sono numerosi in molti tipi di neuroni ma non in tutti, mancano per esempio nei neuroni dei gangli ortosimpatici. La principale funzione dei canali LVA sembra essere quella di partecipare alla genesi dei potenziali d’azione ed alla modulazione della loro frequenza di scarica. Farmacologicamente questi canali sono più sensibili al nichel che agli altri cationi (Lnenicka and Hong, 1997).
I canali “high voltage activated” o HVA, sono così chiamati perché il loro passaggio allo stato attivo richiede depolarizzazioni membranali relativamente elevate. I canali HVA sono caratterizzati da una conduttanza più elevata rispetto ai canali LVA, dall’essere più sensibili al cadmio rispetto al nichel e dall’essere più permeabili al bario rispetto al calcio (Fox et al., 1987). Per questi canali l’inattivazione è relativamente lenta ed è determinata primariamente dall’innalzamento della concentrazione intracellulare dello ione calcio. Si tratta di un meccanismo autolimitante (feed‐back negativo) che è finalizzato ad impedire che la concentrazione intracellulare del calcio si innalzi al di sopra dei limiti fisiologici. La funzione dei canali HVA è quella di accoppiare i fenomeni elettrici membranali con i vari processi calcio‐ dipendenti che avvengono all’interno della cellula. In base alla sensibilità a diversi bloccanti farmacologici, i canali HVA possono essere ulteriormente suddivisi in:
• canali L, bloccati dai vari tipi di diidropiridine; • canali N, bloccati dall’ω‐conotossina;
• canali P /Q, bloccati dall’ω‐agatossina.
La distinzione farmacologica è il miglior criterio usato per distinguere i canali del calcio HVA. Essi presentano infatti caratteristiche differenti per quanto
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riguarda l’attivazione, la conduttanza e la velocità di inattivazione a secondo del tipo di cellule in cui sono presenti. Ad esempio i canali N, nella radice del ganglio dorsale di pollo, hanno una velocità di inattivazione maggiore e una conduttanza che è circa la metà di quella dei canali L. In altri neuroni di mammifero, invece, la conduttanza e la velocità di inattivazione dei canali N risulta essere la stessa di quella dei canali L (Lnenicka and Hong, 1997). Le proprietà biofisiche dei canali P e Q, identificati recentemente, non sono state così ampiamente esaminate come quelle dei canali N ed L. I canali di tipo P, originariamente descritti nelle cellule del Purkinje del ratto, hanno un’attivazione ad un voltaggio più negativo rispetto ai canali N ed L e una più lenta velocità di inattivazione (Mintz et al., 1992). La corrente dei canali di tipo Q, trovata nei granuli di cervelletto di ratto, è simile alla corrente dei canali P, eccetto per la sua più rapida inattivazione (Randall and Tsien, 1995).
Esistono inoltre dei canali del calcio che non risentono dell’effetto di nessun tipo di bloccante degli altri canali del calcio. Questi canali sono detti di tipo R (Resistenti).
In numerosi studi sperimentali, l’ingresso presinaptico di calcio è stato associato principalmente ai canali del calcio di tipo P/Q e N (Qian and Noebels, 2001), anche se è stato riportato il coinvolgimento di altri tipi di canale, in particolare i canali di tipo R (Svoboda and Mainen, 1999). La loro attivazione è guidata dal potenziale di membrana ma dipende molto dallo stato del canale. Alcuni neuroni utilizzano solo un tipo di canale (N o P/Q) altri invece utilizzano i due canali e coinvolgono anche canali di tipo R (Wilson et al., 2001). Tuttavia a livello della corteccia motoria sono state identificate principalmente le componenti N‐, L‐, P/Q, ed R distinte farmacologicamente (Lorenzon and Foehring, 1995). Evidenze sempre più
convincenti suggeriscono che i canali P/Q sono associati a siti di rilascio ad alta probabilità di neurotrasmettitore (Reid et al., 2003). I canali P/Q ed N, in
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presenza di fattori neurotrofici, come per esempio il BDNF, aumentano lʹattività sinaptica, aumentano la loro densità sulle membrane neuronali (Baldelli et al., 2002). Fig. 16 Aspetti strutturali dei canali Ca2+ voltaggio dipendenti. (a) subunità che compongono i canali Ca2+ e (b) topologia della porzione transmembrana della subunità a1. Sono indicati i siti chiave di interazione delle proteine. I cerchi rossi rappresentano i siti chiave di fosforilazione e i simboli + indicano le eliche transmembrana sensibili al voltaggio per ciascun dominio. Le subunità βγ della proteina G possono interagire a livello di una regione formata dall’N‐terminale dei domini I e II dell’ansa intracitoplasmatica, da (Evans and Zamponi, 2006).
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Scopo dello studio
L’ipotesi per cui gli amminoacidi a catena ramificata, valina, leucina e isoleucina, (Branched Chain Amino Acids: BCAA) possano essere coinvolti nella patogenesi della Sclerosi Laterale Amiotrofica (SLA) è alla base di questa tesi.
Sono stati condotti molti studi epidemiologici sulla SLA ed in particolare è stata riscontrata un’aumentata incidenza ed una diminuita età di manifestazione, statisticamente significative, di questa patologia tra i calciatori professionisti (Chiò et al., 2005, Belli and Vanacore, 2005).
Una corretta assunzione dei BCAA è necessaria per una normale crescita e sviluppo e quindi sono importantissimi nell’alimentazione. È stato dimostrato che i BCAA rallentano l’insorgenza della fatica di tipo centrale (Newsholme and Blomstrand, 2006) e che questi promuovono la sintesi proteica (effetto anabolizzante), aumentando la massa muscolare corporea. Per tale ragione questi amminoacidi vengono ampiamente utilizzati come integratori alimentari in ambito sportivo come ad esempio nel gioco del calcio, esercitato a livelli agonistici.
Sono state avanzate diverse ipotesi sul ruolo che queste sostanze hanno nella SLA ed una di queste suggerisce che l’integrazione di alte concentrazioni di BCAA possa determinare, con meccanismi non ancora noti, una maggiore predisposizione a questa patologia (Belli and Vanacore, 2005, Vanacore et al., 2006, Taioli, 2007b).
È noto infatti che un supplemento di BCAA crei un’alterazione dell’attività della trasduzione del segnale delle vie che regolano la trascrizione dei geni coinvolti nella crescita muscolare (Blomstrand et al., 2006), in particolare coinvolgendo il complesso intracellulare dell’mTOR (mammalian target of Rapamycin).