Appunti di Fisiologia cellulare

Fisiologia cellulare

Ambiente acquoso e omeostasi

Tutti i trasporti avvengono in ambiente acquoso, perché il 70% del nostro corpo è costituito di acqua. L'acqua in parte viene assorbita, oppure viene eliminata attraverso urine, sudorazione e respirazione. L'omeostasi fa sì che non ci sia guadagno (tanta ne entra, tanta ne esce).

Volume d'acqua totale nel corpo umano

Della totalità di acqua (40L), la maggior parte è nel volume intracellulare (27-30L, circa 40%), mentre il volume extracellulare è diviso in due parti: il volume interstiziale (11-13L, circa 15%) e il volume plasmatico (3-3.5L, circa 5%).

Membrane e composizione dei soluti

Tra i compartimenti intracellulari ed extracellulari sono presenti le membrane semipermeabili, mentre tra volume interstiziale e plasmatico sono presenti gli endoteli dei vasi. I compartimenti si distinguono in base alla composizione dei soluti: il potassio è l'unico che ha concentrazione alta all'interno della cellula (140 mM) e bassa all'esterno (4 mM). Il sodio (14 mM dentro, 140 mM fuori), il cloro (4 mM dentro, 108 mM fuori) e il calcio si comportano al contrario. Le proteine sono molto concentrate intracellularmente e sono quasi assenti nell'extracellulare.

Diffusione e legge di Fick

La diffusione è il passaggio di molecole da dove sono più concentrate a dove sono meno concentrate. È un meccanismo passivo. Le molecole che possono attraversare liberamente le membrane sono: gas, molecole piccole e non cariche. Il flusso diffusivo da un compartimento all'altro è proporzionale alla concentrazione della molecola nei compartimenti di partenza secondo la Legge di Fick: J ∝ A × P × ΔC, dove J è il flusso, A è l'area di diffusione (membrana), P è il coefficiente di permeabilità, e ΔC è la differenza di concentrazione.

Condizioni dell'equazione di Fick

• Non ci devono essere variazioni di concentrazioni nel tempo e nello spazio (stato stazionario).
• Problema degli strati rimescolati: quando si ha una membrana ad alta permeabilità, il passaggio di molecole avviene molto velocemente e risulta impossibile mantenere costante la concentrazione intorno alla membrana che quindi risulta diversa sui due lati.

Massimizzazione della diffusione

Nelle vie aeree massimizziamo la diffusione dell'ossigeno e di CO₂ tramite l'aumento dell'area, l'aumento dello spessore e il mantenimento della differenza di concentrazione grazie alla ventilazione e alla circolazione sanguigna.

Legge di Henry

La concentrazione di un gas disciolto è uguale ad una relazione che vede il prodotto della solubilità per la pressione parziale di ossigeno. Solubilità (S) × Pressione parziale dell'ossigeno (P_O2).

Ossigeno e emoglobina

La pressione parziale dell'ossigeno è bassa, quindi per avere più ossigeno viene utilizzata l'emoglobina, che è in grado di legare 4 molecole di ossigeno. A livello polmonare, la scarsa solubilità dell'ossigeno fa sì che bisogna mantenere una differenza di concentrazione molto elevata per uno scambio efficace.

Diffusione facilitata

La diffusione facilitata è un processo di trasporto che include pori/canali e trasportatori. Il poro/canale mette direttamente in comunicazione gli ambienti separati da membrana, mentre il trasportatore no. La differenza tra poro e canale è che il poro è sempre aperto mentre il canale è regolato da un meccanismo di gating.

Canali e diffusione

Un canale è una proteina di membrana caratterizzata da un numero variabile di subunità (2/4 segmenti per membrana), con α-eliche all'interno che formano il passaggio e loop di collegamento che sono sede di regolazione. La diffusione può sempre essere scomposta nei due flussi unidirezionali ma bidirezionali secondo l'Equazione di Ussing.

Condizioni dell'equazione di Ussing

• I flussi devono essere determinati solo dalle concentrazioni dei soluti (altri elementi non devono interferire).
• I flussi unidirezionali devono essere indipendenti gli uni dagli altri.
• Il movimento unidirezionale deve avere sempre lo stesso coefficiente di permeabilità.
• Se i pori sono molto grandi, non si considera solo la differenza di concentrazione ma anche la pressione idrostatica.

Diffusione semplice e facilitata

La diffusione semplice è un trasporto passivo e non coinvolge proteine, non può essere regolato e maggiore sarà il gradiente, maggiore sarà il flusso. Non è saturabile. La diffusione facilitata è mediata da canali, sempre a trasporto passivo, coinvolge una proteina, può essere regolato e non è saturabile.

Selettività dei canali

La selettività di un canale dipende dalla forma e dimensione (che dipendono dall'elemento che deve passare nel canale), e dall'interazione con alcuni amminoacidi. Primo livello di selettività: rapporto tra quantità di carica e dimensione dello ione (densità di carica). Secondo livello di selettività: se i legami di coordinazione hanno la stessa lunghezza di quelli che lo ione forma con le molecole di acqua.

Diffusione delle molecole

La diffusione delle molecole non cariche: maggiore è la concentrazione in un compartimento, maggiore è il flusso. La diffusione delle molecole cariche: dipende dal gradiente di concentrazione + gradiente elettrochimico.

Equazione di Nernst

Calcolo della situazione di equilibrio: Equazione di Nernst. Relazione tra il potenziale e il potenziale di equilibrio: Δμ potenziale elettrochimico, RTln C_α/C_β potenziale chimico, zF(E_α - E_β) potenziale elettrico.

Condizioni di equilibrio

• Se una molecola è non carica (z = 0), allora l'equilibrio si raggiunge quando la sua concentrazione è uguale da entrambi i lati della membrana.
• Se una molecola è carica ma la differenza di potenziale è zero, l'equilibrio è determinato solo dalla concentrazione.
• Se sia il gradiente elettrico che quello chimico sono diversi da zero, l'equilibrio si trova solo quando i due termini sono uguali ma di segno opposto.

Driving force

Formula semplificata: driving force V_m - E_x. Driving force: direzione preferenziale del flusso di uno ione. Cationi (+): se V_m - E_x < 0, flusso da fuori a dentro; se > 0, flusso da dentro a fuori. Anioni (-): se < 0, flusso da dentro a fuori; se > 0, flusso da fuori a dentro.

Trasporto attivo

Esistono delle proteine responsabili del trasporto attivo:

• Proteine classe P
• Proteine classe F e V
• Proteine ABC

Proteine classe P

Le classe P sono le più comuni, sono chiamate così perché sono proteine che devono essere fosforilate per svolgere la loro funzione. Sono la pompa sodio-potassio, la pompa del calcio e le pompe protoniche H⁺.

Pompa sodio-potassio

La pompa sodio-potassio (3 Na escono, 2 K entrano): Espone i siti di legame per il sodio vuoti, i quali si legano e provocano idrolisi di ATP. Avviene un cambiamento conformazionale che fa uscire il sodio dalla cellula. Sono liberi i siti di legame del potassio, che si lega e rimane intrappolato all'interno finché una molecola non si lega e il potassio viene rilasciato. Ricomincia il ciclo. L'ouabina è una molecola tossica che inibisce l'attività della pompa.

Proteine di classe F e V

Le proteine di classe F e V: le V si trovano in compartimenti intracellulari, come golgi, lisosomi, endosomi, mentre le F si trovano nei mitocondri (ATP sintetasi). Non è necessaria la fosforilazione della proteina.

FOF1 (ATP sintetasi)

Formata da una serie di subunità a livello della membrana che sono collegate al dominio F1. È formato da subunità alfa, beta, gamma e epsilon che possono ruotare. Ogni rotazione di 120° produce una molecola di ATP, perciò una rotazione di 360° ne produce 3. Il consumo è di 4 protoni ogni molecola di ATP, di cui 3 vengono utilizzati per la rotazione di F1, mentre il quarto viene utilizzato dal mitocondrio per trasportare fosfato inorganico.

Proteine ABC

I trasportatori ABC sono formati da due domini transmembrana che formano il canale e due nucleotide-binding domain (NBD) che idrolizzano l'ATP. Appartengono a questa categoria le MDR e la CFTR. MDR (multidrug resistant protein): specificità bassa, trasportano ioni, molecole organiche e farmaci. Sono importanti per la resistenza ai chemioterapici e antibiotici. L'espressione di questa proteina si trova a livello dell'endotelio nei vasi della barriera ematoencefalica. MDR1 si trova over espresso in popolazioni di cellule tumorali. CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator): stessa struttura dei trasportatori ABC ma ha anche una subunità regolatoria. È un canale al cloro. Il dominio regolatorio può essere fosforilato e rende accessibile i due NBD. La fosforilazione deve essere di entrambe le subunità regolatorie presenti nei due NBD, altrimenti "flickery opening", il canale si apre ma non resta aperto in modo stabile (long opening).

Trasporto attivo indiretto (o secondario)

Il trasporto attivo indiretto (o secondario) è il trasporto di molecole contro gradiente, sfruttando l'energia del trasporto secondo gradiente di un'altra molecola, il cui gradiente normalmente è stato generato sfruttando ATP.

Esempio: la pompa sodio-potassio genera gradiente sfruttando ATP. Il gradiente di sodio che entra può essere usato nel trasporto attivo indiretto per accoppiare il trasporto di sodio secondo gradiente, con il trasporto di un altro ione contro gradiente.

Cotrasporto

Ne esistono di due tipi:

• Simporto: le molecole vengono trasportate nella stessa direzione.
• Antiporto: le molecole vengono trasportate in direzione opposta.

Cotrasportatori Na/K/Cl e K/Cl (NKCC1 e 2)

NKCC1 sfrutta il cotrasporto del sodio, porta gli ioni cloro verso l'interno, mentre K/Cl lavora al contrario, cioè sfrutta il gradiente del potassio e porta fuori il cloro.

• Nei neuroni immaturi: maggiore espressione di Na/K/Cl, Cl si accumula all'interno e si crea un gradiente di cloro verso l'esterno.
• Nell'adulto: maggiore espressione di K/Cl, Cl si accumula all'esterno e si crea un gradiente di cloro verso l'interno.

Recettori GABA

I recettori GABA sono canali per il cloro. Se si somministra GABA nel neurone immaturo, spingeranno cloro all'esterno (si depolarizza la cellula) e porterà ad un effetto eccitatorio. Al contrario, nell'adulto il gradiente è verso l'interno e quindi avrà effetto inibitorio.

Antiporti

Antiporti: scambiatori sodio-calcio a livello cardiaco, scambiatore bicarbonato-cloro per pH, trasportatore degli anioni organici per assorbimento dei composti organici.

Trasportatore sodio-glucosio

Perché funzioni deve esserci sia il legame con il sodio sia con il glucosio:

• Se all'esterno non c'è sodio, allora non c'è trasporto di glucosio.
• Se c'è sodio, c'è assorbimento di glucosio. Man mano che il tempo passa il gradiente andrà a dissiparsi e così diminuisce anche l'assorbimento di glucosio. Il gradiente del sodio quindi deve essere generato da trasporto attivo.

Trasporto dell'acqua e osmosi

Il trasporto dell'acqua avviene tramite acquaporine. Hanno sensibilità molto elevata, è necessaria una differenza di concentrazione molto piccola. Alcune vengono espresse dai tessuti, altre subiscono regolazione ormonale (esempio: nel rene con la vasopressina). Possono andare incontro a mutazioni e dare origine a patologie (diabete insipido, rene policistico).

Osmosi e pressione osmotica

Osmosi: movimento secondo gradiente dell'acqua, da dove è più concentrata a dove è meno concentrata. La pressione osmotica è la pressione che occorre applicare affinché il passaggio di solvente avvenga.

Tonicità e effetto di Gibbs-Donnan

Tonicità: isotonicità 300mOs (nel sangue). Effetto di Gibbs-Donnan: è l'equilibrio passivo (in cui la diffusione di ioni avviene senza utilizzo di energia) a cui arriva un gradiente di specie ioniche separate da una membrana dove una specie non è diffusibile attraverso essa.

Equazione di Goldman-Hodgkin-Katz

L'equazione di Goldman-Hodgkin-Katz permette di definire la corrente dello ione x che si muove attraverso membrana (nelle cellule reali). In una fibra muscolare il potenziale di riposo è -90mV. Il potenziale di riposo della membrana è influenzato prevalentemente dalla permeabilità al potassio. Questo è dato anche dalla alta permeabilità della membrana per il potassio e bassa per il sodio (25:1).

Equilibrio ionico e potenziale di riposo

Sarà presente un equilibrio in cui le correnti saranno bilanciate, quindi ci sono sia correnti entranti di sodio che correnti uscenti di potassio. Il numero maggiore di canali per il potassio fa sì che il potenziale di riposo vada a stabilizzarsi in condizione di equilibrio (-60mV) più vicino al potenziale di equilibrio del potassio (-90mV). Questo sistema funziona grazie alla presenza della pompa sodio-potassio, cioè un sistema che permette di mantenere la separazione delle cariche e mantenere specifiche concentrazioni in ambiente intra ed extra cellulare.

Driving force delle correnti ioniche

Driving force: differenza tra il valore del potenziale di riposo della membrana (V_m) e il valore del potenziale di Nernst per lo ione considerato (V_df = V_m - V_eq).

• Considerando un catione: se la driving force ha segno positivo, la corrente sarà outward, cioè diretta verso l'esterno.
• Se la driving force ha segno negativo, la corrente sarà inward, cioè diretta verso l'interno.
• Il contrario è per gli anioni.

Equazione di Goldman

Calcolare la permeabilità di membrana per ogni singolo ione. Nella maggior parte delle cellule lo ione cloro è all'equilibrio, quindi si può ignorare nella equazione. Si chiama b il rapporto P_Na/P_k. Il valore che si ottiene viene chiamato potenziale di inversione, perché è quel valore del potenziale di membrana in cui la somma delle correnti ioniche è pari a 0.

Driving force di sodio e potassio

Driving force del sodio: -92 mV - (+63 mV) = -155 mV verso l'interno. Driving force del potassio: -92 mV - (-102 mV) = +10 mV verso l'esterno.

Condizioni per il resting potential

• Elevata permeabilità al potassio: La membrana deve avere un'elevata permeabilità al potassio grazie alla presenza di canali ionici passivi.
• Polarizzazione negativa: L'impermeabilità della membrana cellulare agli anioni causa una polarizzazione negativa nel lato interno della membrana.
• Bassa permeabilità al sodio.
• Pompa Na/K: La pompa deve mantenere costante la concentrazione degli ioni.
• Il contributo del cloro deve essere trascurabile.

Comportamento della membrana

Fornire ad una membrana una "onda quadra": La membrana non segue esattamente il comportamento dell'onda. Aumenta lentamente, raggiunge un plateau e decresce esponenzialmente. È presente una relazione lineare che si instaura tra il voltaggio e il comportamento della membrana.