Appunti completi di Fisiologia umana

Fisiologia 28 aprile 2020

La membrana plasmatica

Dalle proprietà della membrana dipendono le caratteristiche delle caratteristiche eccitabili. La membrana è costituita da un doppio strato di fosfolipidi, molecole con teste polari e code apolari, formate da catene carboniose. Le code non hanno cariche elettriche e le loro interazioni sono determinate dalla presenza dell’acqua all’esterno, che interagisce con le teste. Oltre ai fosfolipidi ci sono anche dei glicolipidi, caratterizzati da una parte lipidica e da una catena di polisaccaridi che sporge verso il mezzo extracellulare.

In questa tela fosfolipidica sono inserite anche delle proteine, che permettono la differenziazione delle cellule. Queste proteine sono o intramembranali (es. canale ionico), o periferiche, e sono ancorate alla tela da ancore lipidiche. La maggior parte delle proteine sono glicosidate dalla parte che sporge nel mezzo extracellulare, formando così all’esterno una membrana polisaccaridica detta, glicocalice.

Le membrane sono selettive in merito alle sostanze che le attraversano. Le vie di permeazione delle membrane sono tre:

• La tela fosfolipidica, permette l’attraversamento alle sostanze che sono liposolubili, e sprovviste di cariche elettriche indipendentemente dalle dimensioni. Queste si sciolgono nella tela e passano attraverso la membrana per diffusione per gradiente di concentrazione, o diffusione semplice. Attraverso essa possono passare per esempio l’urea, le sostanze apolari, oppure piccole molecole polari ma non cariche, come l’etanolo. Il coefficiente di permeabilità di una sostanza che attraversa la tela è determinato dal coefficiente di ripartizione olio-acqua della sostanza. (Legge di Fick). Questo è un modo empirico per descrivere il modo con cui la sostanza passa dall’acqua alla sostanza fosfolipidica costituita dall’olio; si va a calcolare quanta sostanza si scioglie nell’olio e quanta sostanza si scioglie nell’acqua, dopodiché si calcola il rapporto. Più una sostanza è liposolubile più il coefficiente di ripartizione è maggiore.
• I canali transmembranari, proteine che permettono l’attraversamento agli ioni. Alcuni sono molto selettivi, quindi può attraversare un solo ione specifico. Inoltre alcuni ioni sono troppo grandi per attraversare i canali transmembranari.
• Proteine trasportatrici, che utilizzano l’energia per trasportare le molecole contro gradiente di concentrazione. L'acqua, per esempio, non riesce a passare attraverso la membrana fosfolipidica, e utilizza specifici canali, le acquaporine.

Classificazione di trasporti transmembrana

• Trasporti in forma libera, riguardano la diffusione nella matrice fosfolipidica per gradiente di concentrazione.
• Trasporti per proteine transmembranarie (trasportatori), riguardano sia la migrazione di ioni attraverso i canali ionici per gradiente elettrochimico, sia i trasporti mediati da proteine che legano le sostanze e le trasportano oltre la membrana; questi ultimi trasporti sono la diffusione facilitata, i trasporti attivi secondari e attivi. Mentre tutti gli altri sono trasporti passivi che avvengono in virtù di un gradiente di concentrazione, i trasporti attivi richiedono dispendio energetico da parte delle cellule.

Tela fosfolipidica

Diffusione nella matrice fosfolipidica. Il gradiente di concentrazione C1-C2, dà il coefficiente di ripartizione olio-acqua β. Più β è elevato più elevato è il gradiente di concentrazione, quindi maggiore facilità di passaggio della sostanza. La permeabilità dipende però anche dallo spessore della membrana. (Legge di Fick)

Diffusione non ionica

È un tipo particolare di diffusione attraverso la tela. Fa passare le sostanze che diventano idrosolubili e non possono tornare indietro. Riguarda basi deboli o acidi deboli, che una volta passate la tela si dissociano.

Canali transmembrana

Diffusione ionica nei canali di membrana. I canali ionici sono proteine cave, attraverso i quali possono passare gli ioni. Avviene per gradiente di concentrazione, o meglio gradiente elettrochimico, quindi C1 è maggiore di C2, e lo ione passa attraverso il canale. Questi canali sono molto piccoli, di poco più grandi degli ioni che li attraversano, per cui questi ioni possono attraversarli solo in singola fila (diffusione di tipo ristretto). Non vale quindi più la legge di Fick per trovare il flusso diffusivo.

Il passaggio degli ioni attraverso i canali è un passaggio complesso in quanto ci sono diversi fattori che influenzano il processo. Innanzitutto gli ioni che si trovano sia nel mezzo intracellulare che extracellulare sono a contatto con l’acqua, e sono rivestiti da un alone di solvatazione; sono quindi circondati da questi gusci che dipendono dalle dimensioni dello ione (più piccolo è lo ione, maggiore è l’alone di solvatazione), e ciò gioca un ruolo importante nel passaggio degli ioni. Lo ione quando si presenta al canale lo passa in forma anidra, perdendo il suo alone di solvatazione; poiché gli aloni non sono uguali questo meccanismo di disidratazione dello ione è differente per ognuno, e soprattutto ioni differenti possono attraversare canali differenti.

Molti canali ionici sono estremamente selettivi; lasciano passare solo alcune specie ioniche. Questo è legato al meccanismo con cui i canali selezionano gli ioni eliminando gli aloni. Un esempio sono i canali voltaggio dipendenti (presenti nelle cellule che generano potenziali d’azione); essi presentano 4 subunità che si assemblano formando il canale. Queste subunità si compongono di 5 segmenti α-elica. L’ansa P, particolarmente importante governa la selettività del canale ionico. L’azione delle anse determina il passaggio, e queste anse sono rivolte verso il lume cellulare. Nel filtro di selettività avviene il processo di eliminazione dell’alone di solvatazione. Se per esempio nel canale dello ione potassio si presentasse lo ione sodio, l’alone di quest’ultimo verrebbe solo parzialmente eliminato, non permettendo quindi il passaggio ad esso.

Differenti canali ionici

I canali sono modulabili, cioè sono provvisti di porte (gates) capaci di aprire e chiudere i canali. In base a questi gates e al potenziale di membrana che c’è ai capi, esistono diversi tipi di canali ionici (canali voltaggio dipendente, canale chemio dipendente, canale meccanosensibile).

Canali idrici: le acquaporine

L’acqua non passa né attraverso gli ioni né attraverso la tela fosfolipidica, ma attraverso le acquaporine canali specifici deputati al passaggio di acqua. Ne esistono all’incirca 200 diversi, ma hanno una struttura generale: 6 segmenti transmembranali ad α-elica che attraversano la tela fosfolipidica, il gruppo iniziale NH2 e il gruppo finale COH sono all’interno della cellula. Di grande rilievo sono le anse B ed E all’interno della tela fosfolipidica, formate da 3 amminoacidi: asparagina, prolina e alanina, che rappresentano gli amminoacidi che, formano il poro attraverso cui passa l’acqua per osmosi, quindi per diffusione passiva (da dove ci sono più sali a dove ce ne sono meno). Il canale è diviso in due unità speculari M1 ed M2.

Le acquaporine si differenziano per numero di amminoacidi, per la selettività all’acqua, ai sali mercuriali, per la regolazione operata dalla fosforilazione (PKA, proteina che determina la fosforilazione degli amminoacidi), per la sensibilità all’ADH, ormone che regola il passaggio dell’acqua (ad esempio nel rene), e infine per il tipo di tessuto o organo in cui vengono espressi preferenzialmente.

Trasporto mediato da proteine di membrana

Tutti i trasporti descritti precedentemente sono trasporti passivi. Le proteine, o trasportatori, trasportano sostanze che hanno carica elettrica o sono troppo grandi per attraversare i canali ionici. I sistemi di trasporto sono uniporto, quando trasferiscono una sola sostanza (es. proteine che trasportano ione calcio o H⁺), simporto (coporto) se ne trasferiscono due nello stesso senso, oppure contro-trasporto (antiporto), due in due sensi opposti.

I carriers mobili

Quando ancora non si conoscevano i trasportatori, si credeva che le sostanze si legassero a un carrier, qualcosa di indefinito, formando il complesso SX, liposolubile, che passa dall’altra parte della membrana. Questa è stata la prima ipotesi, tuttavia grazie ad essa sono state studiate e introdotte le proprietà del trasporto mediato:

• La specificità, il carrier si lega solo a specifiche sostanze che sono affini ad esso.
• La saturazione, se la concentrazione della sostanza è bassa vengono occupati solo alcuni carriers quindi la sostanza viene trasportata da una parte all’altra della membrana continuamente. Se invece la concentrazione è molto elevata vengono occupati tutti i carriers e quindi avviene una saturazione, cioè viene sempre trasportata la stessa quantità di sostanza.
• La competizione, le sostanze competono per il carrier che opera il trasporto; vengono trasportate per prime le sostanze che hanno maggiori affinità.

Il modello flip-flop

Questo è il modello per spiegare il passaggio delle sostanze. La sostanza si lega a dei siti specifici, la proteina cambia conformazione e trasferisce la sostanza dall’altra parte. E viceversa.

Modelli di trasporto attivo e passivo

Nel trasporto passivo l’affinità della sostanza è la stessa quando è rivolta sia verso il mezzo extracellulare sia verso il mezzo extracellulare. La concentrazione intracellulare aumenta nel tempo fino a diventare uguale a quella extracellulare.

Nel trasporto attivo la sostanza si lega perché ha un’elevata affinità con la proteina; quest’ultima cambia di conformazione, e quando si rivolge al mezzo intracellulare diminuisce l’affinità con la sostanza che e si stacca. La concentrazione intracellulare diventa superiore a quella extracellulare. Per modificare l’affinità viene richiesta energia, fornita dalla scissione di ATP in ADP, così da trasportare la sostanza da dove è più concentrata a dove è meno concentrata.

Fisiologia 29 aprile 2020

Potenziale di membrana

È una caratteristica di tutte le cellule, indispensabile per la vita di queste; una cellula senza potenziale di membrana di riposo non può sopravvivere. Il segno meno sta a indicare che la faccia interna della membrana è negativa rispetto al liquido extracellulare, il quale è neutro.

Metodo di misura del potenziale di membrana

Si può misurare utilizzando un microelettrodo di vetro, riempito di soluzione fisiologica, a contatto con un elettrodo metallico, a sua volta collegato a un voltmetro che viene poggiato a terra con un elettrodo di riferimento. Quando il microelettrodo è posto nel liquido, la differenza di potenziale tra il microelettrodo e l’elettrodo di riferimento è 0. Quando invece il microelettrodo viene fatto penetrare nella cellula (l’elettrodo di vetro contiene punte micron), e fatto passare attraverso la membrana plasmatica, si genera una differenza di potenziale che rappresenta il potenziale di membrana.

Esempio membrana permeabile solo al K⁺

Una prima ipotesi avanzata per spiegare il potenziale di membrana è stata che questo potenziale fosse un potenziale di equilibrio, cioè nel quale il flusso netto nella membrana è nullo, facendo equilibrio al gradiente di concentrazione. Ci sono due compartimenti, in uno ci sono ioni potassio, in uno ioni cloro e sodio; se i canali potassio sono chiusi la differenza di potenziale tra i due compartimenti è 0. Se invece i canali sono aperti il potassio passa al comparto due spinto dal gradiente di concentrazione, generando una differenza di potenziale, con la faccia rivolta al comparto uno negativa, e la faccia rivolta al comparto due positiva. Dopo poco tempo si avrà che il flusso netto di ioni che passa dall’1 al 2 è uguale al flusso di ioni dal 2 all’1, generando un potenziale di equilibrio.

Calcolo del potenziale di equilibrio

Può essere fatta utilizzando l’equazione di Nernst, in riferimento al potassio:

EK = RT/zF . logn K⁺(1) / K⁺(2)

Potenziale di equilibrio del potassio= RT/zF per il logaritmo naturale della concentrazione di potassio nel compartimento 1, fratto la concentrazione di potassio del compartimento 2. RT/zF (18 gradi) è una costante, dove R è la costante di equilibrio dei gas, T è la temperatura assoluta, z è la valenza dello ione e F la costante di Farrell, ed è uguale a 0,0058. Tutti gli ioni in soluzione hanno un proprio potenziale di equilibrio, calcolabile con questa equazione.

Tra tutti, il Cloro è quello che più si avvicina al potenziale di membrana a riposo, per cui si dice che sia all’equilibrio elettrochimico più o meno, quindi il suo potenziale di equilibrio coincide quasi al potenziale di membrana. Comunque viene dimostrato che i due potenziali non coincidono in quanti per molti ioni i due potenziali sono diversi; c’è uno squilibrio chimico.

Il potenziale di diffusione

Il potenziale di membrana è un potenziale di diffusione, generato da una differente permeabilità della membrana nei confronti degli ioni e quindi gli ioni passano attraverso la membrana con differenti velocità, generando appunto un potenziale.

Nell’esempio A il cloruro di sodio con differenti molarità; i due ioni tenderanno a passare dentro la cellula spinte dal gradiente. Se ammettiamo che il cloro è più permeabile vuol dire che ne passa di più rispetto al sodio, per cui si genera una differenza di potenziale negativa all’interno e positiva all’esterno. Nel tempo la quantità di sodio e di cloro che passano saranno uguali, grazie a questa differenza di potenziale che attira il sodio all’interno. Dopo un certo tempo avremo che il passaggio netto di ioni sarà nullo.

Nell’esempio B, il sodio è più abbondante nel mezzo 1 e il potassio nel mezzo 2. La membrana è più permeabile al potassio, per cui questo ione passerà di più nel comparto 1 rispetto al sodio nel comparto 2 e ciò genererà una differenza di potenziale ai capi della membrana, con positiva la faccia del comparto 1 e negativa la faccia del comparto 2. Questo potenziale tenderà a rallentare il passaggio del potassio e accelerare quello del sodio fino a che il flusso netto degli ioni non sarà nullo, e si sarà generato un potenziale di equilibrio.

Calcolo del potenziale di membrana di riposo

Si può calcolare attraverso l’equazione di Goldman che tiene conto del fattore fondamentale della permeabilità della membrana nei confronti degli ioni:

Vm = RT/zF . ln (K⁺)e . PK + (Na)e .PNa /(K⁺)i . PK + (Na)i . PNa

Potenziale di membrana a riposo= costante per il logaritmo naturale della concentrazione di potassio extracellulare per la permeabilità dello ione potassio più la concentrazione dello ione sodio extracellulare per la permeabilità dello ione sodio, fratto la concentrazione di potassio intracellulare per la permeabilità dello ione potassio più la concentrazione di sodio intracellulare per la permeabilità dello ione sodio. Tanto più la permeabilità di membrana è elevata per uno ione, tanto più il potenziale di membrana si avvicina al potenziale di equilibrio dello ione. È più permeabile la membrana al potassio per cui il potenziale di membrana tende ad avvicinarsi al potenziale di equilibrio del potassio, piuttosto che al sodio.

Modello elettrico della membrana cellulare

RK indica la resistenza della membrana al potassio, mentre il suo opposto è la conduttanza, o permeabilità, GK della membrana al Potassio. EK è 102, potenziale di equilibrio del potassio. Il circuito del potassio è parallelo a quello del sodio, il cui potenziale di equilibrio EK è 45. Il potenziale di diffusione si stabilisce ai capi della membrana, al quale il flusso netto degli ioni è nullo, quindi i flussi dei due ioni attraverso la membrana sono uguali. Calcolare grazie a Ohm.

Calcolo del potenziale di membrana

Vm = ENa . GNa + EK. GK/GNa +GK

Differenza di potenziale di membrana a riposo= potenziale di equilibrio del sodio per la conduttanza del sodio, più il potenziale di equilibrio del potassio per la conduttanza del potassio fratto la conduttanza del sodio, più la conduttanza del potassio.

Azione della pompa Na/K, e flussi ionici passivi

Poiché la permeabilità della membrana al potassio è maggiore di quella al sodio, lo ione potassio esce più velocemente di quando non entri il sodio nella cellula; questo genera una differenza di potenziale, stabilendo un potenziale di diffusione ai capi della membrana che fa sì che la quantità di potassio che esce si uguale alla quantità di sodio che entra. Nel tempo però questo potenziale tenderebbe ad annullarsi se si annulla il gradiente di concentrazione; questo tuttavia non avviene poiché ogni cellula possiede una proteina, la pompa sodio-potassio, che mantiene questa distribuzione di ioni eguale tra mezzo extra e intracellulare, distribuzione responsabile del potenziale di membrana a riposo. La pompa è accoppiata 3 a uno, espellendo tre ioni potassio per ogni ione sodio che entra nella cellula, e quindi ha una piccola azione elettrogenica. Il suo compito è quindi mantenere il gradiente di concentrazione mantenendo il flusso ionico attraverso i canali, poiché il potenziale di riposo è dovuto al fatto che i due canali.