Appunti di fisiologia umana

Fisiologia cellulare

Come funziona la cellula

La membrana plasmatica è una barriera selettiva (cioè che permette il passaggio solo di alcune sostanze) che funge da involucro della cellula, separando il citoplasma dal liquido extracellulare.

Questa sua funzione permette di mantenere l’omeostasi cellulare e concorre a mantenere le diverse concentrazioni di sostanze all'interno e all'esterno della cellula.

L’interno della cellula è infatti dotato di alcuni ioni e cationi mentre all'esterno ne troviamo altri, o quantomeno gli stessi.

Struttura della membrana

La membrana cellulare è formata da un bylayer fosfolipidico nel quale sono immerse le proteine di membrana che sono di due tipi:

• Intrinseche attraversano interamente la membrana.
• Estrinseche si trovano solo sulla faccia della membrana.

Le proteine della membrana possono essere suddivise in sottoclassi in base alla loro funzione:

• Costituiscono pori o canali, posti a cavallo della membrana la cui chiusura conferisce alla membrana un criterio di selettività. Tali strutture, dotate di capacità elettrica, permettono il passaggio di ioni attraverso la membrana. Questo fenomeno è facilitato dalla differenza di potenziale ai lati del bylayer.
• Costituiscono strutture recettoriali specifiche per ormoni, neurotrasmettitori, farmaci….
• Costituiscono strutture enzimatiche di membrana.
• Costituiscono proteine strutturali con funzione di stabilizzare la membrana.

Essendo la membrana una struttura lipidica, può essere permeata solo da sostanze lipofile. Il passaggio di ioni è reso possibile dalla presenza di:

• Canali ionici: strutture formate da sub unità in grado di modificare il loro orientamento spaziale. Possono pertanto aprirsi e chiudersi, permettere o meno il passaggio di uno ione all'interno o all'esterno a seguito di:
  • Una variazione di potenziale di membrana (canali voltaggio dipendenti).
  • Legame con mediatore (canali chimici).

Esistono canali permeabili ad un determinato ione ed alcuni permeabili a più tipi.

Le cellule, pur essendo strutture singole, operano in sinergia con le cellule circostanti alle quali sono connesse tramite giunzioni quali:

• Desmosomi tipici degli strati cutanei.
• Tight junctions: giunzioni strette.
• Gap junctions: tipiche dell'apparato gastroenterico.

Recettori

Un recettore è una molecola che lega in modo definito, specifico, e con elevata affinità, un mediatore endogeno o un farmaco.

In base alla loro localizzazione si dividono in:

a) Recettori di membrana trasducono il segnale portato da mediatori idrofilici (che quindi non attraversano la membrana). Trasducono il segnale generando:

• Modificazioni biofisiche.
• Generazioni di secondi messaggeri.

b) Recettori intracellulari traducono il segnale portato da mediatori lipofilici (diffondono attraverso la membrana) come ormoni e farmaci steroidei. Interagiscono con tratti specifici del genoma, inducendo modificazioni dell'espressione genetica e quindi della composizione proteica della cellula.

Recettori di membrana

• Canale - ligando: proteine intrinseche dotate di:
  • Un sito di legame.
  • Un canale chiuso da un'apertura meccanica (a molla).

Quando la molecola segnale si lega al sito di legame, il canale si apre permettendo il passaggio di ioni (bidirezionale).

• Recettori enzimatici: possiedono un sito di legame che, se stimolato, provoca l'attivazione di un enzima intracellulare (à risposta interna). Non hanno meccanismi meccanici.
• Recettori metabotropici (accoppiati a proteina G): il legame del ligando sul sito di legame causa l'apertura del canale che attiva la proteina G che, a sua volta, attiverà una reazione enzimatica.

Recettore à proteina G à proteina G à enzima.

Tale funzionamento enzimatico è molto più lento e complesso degli altri ma permette una regolazione fine e modulata.

• Integrine: canali legati a proteine di ancoraggio a loro volta collegate al citoscheletro che viene alterato in caso di attivazione (indotta dal legame-recettore).

Meccanismi di trasporto

Può avvenire:

• Senza attraversamento di membrana, ossia attraverso vescicole che inglobano la sostanza e ne permettono il passaggio attraverso la membrana (endocitosi ed esocitosi). Esempio: neurotrasmettitori che passano in sinapsi.
• Con attraversamento di membrana:
  • Diffusione semplice.
  • Diffusione facilitata.
  • Canali – ligando.
  • Recettori enzimatici.
  • Recettori di membrana.
  • Recettori metabotropici.
  • Interagine.
  • Recettori.
  • Recettori intracellulari.

Classificazione in base all'uso di energia

1. Trasporto passivo.
2. Trasporto attivo.

Trasporto passivo

Non richiede dispendio energetico.

Esempi:

Diffusione: fenomeno per il quale soluti disciolti in solvente, tendono a spostarsi seguendo gradiente di concentrazione per raggiungere una condizione di equilibrio. La diffusione dipende da:

• Gradiente di concentrazione.
• Dimensioni delle particelle.
• Spessore della membrana da attraversare.

La velocità di diffusione sarà inversamente proporzionale alla dimensione della molecola.

Osmosi: la differenza di concentrazione ai capi della membrana provoca il passaggio di H₂O dalla soluzione più diluita a quella più concentrata.

Liquidi intra ed extracellulare possono essere:

• Isotoniche.
• Ipertoniche.
• Ipotoniche.

Diffusione facilitata: basata sul gradiente di concentrazione, mai necessaria di carrier (strutture enzimatica o proteica). Questo meccanismo è specifico, cioè solo determinate sostanze vengono trasportate da un determinato carrier.

Esempio: la penetrazione del glucosio negli eritrociti.

L'insulina è il carrier del glucosio per attraversare la membrana.

Questo processo richiede inoltre che aumenta la permeabilità della membrana al glucosio.

Filtrazione: passaggio di acqua e soluti per differenza di pressione idrostatica.

Esempio: filtrazione glomerulare in cui la pressione sanguifera spinge le piccole molecole oltre la barriera capillare.

Trasporto attivo

Dispendio energetico fornito dall'ATP della cui scissione dei radicali fosforici genera 7 kcal/mole.

Utilizza vettori (carrier). Il trasporto grazie all'uso di ATP può avvenire:

• Contro gradiente di concentrazione.
• Di pressione.
• Di potenziale elettrico (nelle cellule nervose).

I carrier richiesti possono essere:

• Mobile: si sposta da una parte all'altra della membrana.
• Fisso: fisso in un punto, ma può esporre il suo sito attivo da una parte poi dall'altra. Tale fenomeno si verifica anche:
  • A livello della membrana mitocondriale.
  • Del reticolo endoplasmatico.

Esempi di trasporto attivo:

Pompe ioniche: possono “pompare” ioni all'esterno o all'interno della cellula contro gradiente di concentrazione o elettrico.

Le pompe ioniche più importanti sono:

• Pompa sodio potassio: trasporta ioni dentro sodio (3) verso l'interno e potassio (2) all'esterno. Crea una differenza di potenziale determinando una negatività all'interno e positiva all'esterno. Viene attivata da un aumento anche minimo di ioni sodio nell'ambiente intracellulare.

Questa pompa interviene in molti processi quali:

• Trasmissione dell'impulso nelle fibre nervose e muscolari.
• Attività secretoria ghiandolare.
• Mantenimento del volume cellulare: infatti il trasporto di sodio all’esterno provoca anche la fuoriuscita di H₂O.

• Pompa del sodio: permette di mantenere all'interno della cellula concentrazione di calcio molto inferiori all’esterno.

È ubicata:

• Nella membrana cellulare (con la detta funzione).
• Nel citoplasma ove ne promuove l'ingresso nei canalicoli del reticolo sarcoplasmatico e nei mitocondri. È particolarmente attiva a livello renale e intestinale.

Esocitosi: immissione nel liquido extracellulare di prodotti di secrezione o di scarto. È il principale meccanismo di ghiandole endocrine rilasciando ormone.

Endocitosi: due aspetti sono:

• Fagocitosi: interiorizzazione da parte di una cellula di particelle di dimensioni anche notevoli, quali altre cellule e/o batteri.
• Pinocitosi: assunzione di piccole quantità di fluido extracellulare e delle sostanze in esso disciolte. Il suo scopo è, appunto, quello di incamerare materiali il cui ingresso sarebbe altrimenti impossibile.

Classificazione in base a chi usa l'energia

Di conseguenza sono di trasporto attivo:

1. Primario: la sostanza trasportata è direttamente coinvolta nel consumo energetico. Esempio: pompa sodio potassio.
2. Secondario: sono molecole intermedie (che non entrano nella cellula) che spendono energia e permettono l'ingresso ad altre molecole. Esempio: simporto sodio/glucosio: il glucosio deve essere trasportato all'interno della cellula ma è il sodio che porta l'energia e permette l'ingresso attivando il canale presente sul sito d'aggancio che ruota portando sia sodio che glucosio all'interno. Quindi il glucosio entra senza spendere energia.

Differenza di potenziale

Le cellule che possiedono canali sono dette cellule eccitabili, ossia cariche elettricamente polarizzate diversamente tra interno ed esterno della cellula.

A riposo una cellula eccitabile carica negativamente.

Le cellule eccitabili umane sono:

• Neuroni.
• Cellule muscolari.

Canali ionici: macromolecole proteiche che hanno la possibilità di chiudersi e aprirsi.

Quando sono aperti permettono il passaggio di ioni. Possono essere:

• Passivi: sono sempre aperti, sprovvisti di un “cancello” e costituiti da due sub-unità che si guardano ed attuano la selezione ionica ma permettendo sempre il passaggio al relativo ione. Sono responsabili del potenziale di riposo perché in condizioni di riposo sono gli unici che permettono il passaggio.
• Accesso variabile: hanno un “cancello” la cui apertura permette il passaggio di ioni. Necessita di stimoli per aprirsi. Quando riceve l'impulso il cancello si apre e permette un notevole passaggio di ioni facendo variare la polarità della cellula à potenziale d'azione.

Esiste anche uno stato intermedio detto stato di inattivazione. Si tratta dello stadio, subito dopo l'attivazione e prima della chiusura del cancello. In questo stadio viene chiuso un “cancello secondario” che non permette il passaggio di ioni.

Lo stato di inattivazione è raggiunto velocemente, mentre per tornare a quello di riposo ci verrà più tempo.

Quando ci si trova nello stato di inattivazione, un nuovo stimolo NON causerà alcuna risposta.

Potenziale di riposo à apertura cancello e inizio del potenziale di azione à stato di inattivazione à ritorno.

I canali ad accesso variabile possono essere di tre tipi:

1. Canali voltaggio-dipendenti: rispondono a stimoli elettrici in seguito a variazione del potenziale di membrana.
2. Canali regolati da ligandi: aprono il cancello in seguito allo stimolo di molecole chimiche (ligandi).
3. Canali regolati da stimoli meccanici: la molecola che trasporta energia è in grado di far cambiare la conformazione del canale.

Canali del sodio

• Bassa soglia di attivazione: i cancelli si aprono immediatamente a seguito di un impulso elettrico. Sono i primi ad aprirsi.

Il sodio, che è sempre più concentrato fuori dalla cellula, entrando porterà cariche positive causando la depolarizzazione.

• Hanno una rapida cinetica di inattivazione cioè si attiva velocemente. Dopo l'apertura del cancello, entra molto velocemente sodio ma, grazie ad una temporizzazione, dopo brevissimo tempo si inattivano.

Mentre il potenziale d'azione è in corso, la refrattarietà assoluta che assume il canale, impedisce sovrapposizioni di potenziale. La breve durata del potenziale d'azione rende possibile nuove depolarizzazione dopo breve tempo.

Canali del calcio

Si aprono per secondi, dopo quelli del sodio. Possono essere:

• Ad alta soglia di attivazione (canali L): necessitano di una marcata depolarizzazione del aprirsi (-20 mV). Rappresentano la maggioranza dei canali calcio della cellula.
• A bassa soglia di attivazione (canali T): si attivano tra i -65 mV e -50 mV. Generano un fugace ingresso di ioni calcio. Poco presenti.

Canali del potassio

Si aprono per ultimi, sono poco sensibili all’impulso elettrico iniziale, infatti sono responsabili della fase di ripolarizzazione.

Potenziale di membrana

Il potenziale di membrana è differenza di energia potenziale elettrica tra il versante interno e quello esterno. È misurato in mV. È generato dalla distribuzione asimmetrica di cationi e anioni dovuta alla loro diversa diffusibilità e all'intervento delle pompe ioniche.

Di norma il versante interno, in condizioni di riposo, è più elettronegativo rispetto all'esterno.

Nelle cellule nervose il potenziale di membrana a riposo è circa -70 mV. Questo potenziale può modificarsi fino a invertirsi (potenziale d'azione) nei neuroni e nelle cellule muscolari (cellule eccitabili).

All'esterno della cellula alte concentrazioni di Na⁺ e Cl^-.

All'interno della cellula alte concentrazioni di K⁺ e di proteine che in condizioni di pH normali espongono cariche negative (anioni proteici).

La differenza di concentrazione dei diversi ioni ai lati della membrana definisce un gradiente di concentrazione per ogni ione (gradiente chimico) che ne consente la diffusione.

In condizioni di riposo la membrana ha alta permeabilità per il K⁺ (canali passivi) e permeabilità scarsa, o assente, per il Na⁺ e gli altri ioni. Gli anioni proteici non possono uscire per le dimensioni. Il flusso ionico, però, è controllato da un secondo fattore, detto gradiente elettrico che regola la diffusione secondo le cariche degli ioni.

La combinazione dei due gradienti è detto gradiente elettrochimico.

NB: se K⁺ non avesse carica positiva, tenderebbe ad uscire fino a raggiungere l'equilibrio di concentrazione. Viceversa, man mano che il potassio esce, un elevato numero di cariche negative (legate agli anioni proteici indiffusibili), tengono a richiamarlo all'interno.

La presenza interna di cariche negative e di gradiente chimico favorevole, attira Na⁺. Il flusso è favorito dalla scarsa presenza di suoi canali passivi.

A lungo andare, l'ingresso di Na⁺ andrebbe a neutralizzare la carica negativa interna: è impedito dalla pompa ATPasica.

L'equazione di Nernst permette di calcolare il potenziale di equilibrio elettrochimico per ogni ione diffusibile.

Rappresenta il valore del potenziale di membrana in grado di controbilanciare il gradiente chimico consentendo di mantenere costanti nel tempo le concentrazioni intra ed extracellulari:

E = RT/ZF X Log.n. CEF/C1

Potenziale di equilibrio elettrochimico. Costante dei gas. Temperatura assoluta in gradi Kelvin. Valenza dello ione. Costante di Faraday. Concentrazione esterna dello ione. Concentrazione interna dello ione.

Questa formula non è veritiera: bisogna considerare la permeabilità della membrana allo ione. Il contributo della permeabilità è preso in considerazione dall'equazione di Goldman:

V = RT/F X Log.n. (PK [K⁺] + (PKNa [Na⁺] + (Pcl [cl^-])) / (PK [K⁺] + (PKNa [Na⁺] + (Pcl [cl^-]))

Potenziale di membrana. Costante dei gas. Temperatura. Costante di Faraday.

Dall’equazioni si ricava che il valore del potenziale di membrana tende sempre ad avvicinarsi a quello del potenziale di equilibrio elettrochimico dello ione maggiormente diffusibile.

E = RT/zF ln [i]_est/[i]_int

Potenziale di azione: versione provvisoria. Vedi anzi alla fine del documento (allegato A)

Variazione transitoria del potenziale di membrana in grado di propagarsi lungo la membrana delle cellule eccitabili. Ciò è reso possibile grazie alla presenza di canali voltaggio/dipendenti per Na⁺ e K⁺ à segnale à conduzione cellula nervosa.

Inizio: apertura transitoria canali voltaggio-dipendenti selettivi per Na⁺. Nel neurone sono localizzati nella membrana dell'assone (in particolare nel cono assonico).

Cosa succede: l'apertura provoca l'ingresso di Na⁺. Si possono verificare due situazioni:

1. Se il numero di canali aperti e gli ioni sono sufficienti per raggiungere un valore di almeno -45 mV (potenziale soglia) si genera il potenziale d'azione.
2. Se il potenziale-soglia non è raggiunto, il PA non si genera.

Conclusione: in 2/4 millesimi di secondo si può raggiungere un valore di +30 mV. Se succede:

• I canali voltaggio-dipendente Na⁺ si chiudono.
• I canali voltaggio dipendente K⁺ si aprono.

In tali condizioni, gradiente elettrico e chimico sono favorevoli all'uscita di K⁺ con la diretta perdita di cariche positive à ripolarizzazione.

L'eccesso di Na⁺ dentro, e K⁺ fuori, è stabilizzata dalla pompa sodio potassio.

Nel periodo immediatamente dopo (1-2 millisecondi) al valore di picco del PA (+30 mV) la membrana è incapace di generare un altro PA (periodo refrattario assoluto) in quanto i canali Na⁺ non sono subito pronti.

Dopo questo periodo, que