Appunti di Fisiologia generale

Fisiologia trasporti di membrana

La membrana plasmatica delimita strutturalmente le cellule del nostro organismo e rappresenta l’unica parte della cellula che si trova a diretto contatto con il mezzo extracellulare. Questa non è solo il confine della cellula ma è anche una barriera selettiva attraverso la quale devono avvenire gli scambi in maniera regolata con l’ambiente extracellulare e con le altre cellule negli organismi pluricellulari utili alla sopravvivenza della cellula. Gli scambi possono riguardare il passaggio di materia (soluti o acqua) o il passaggio di energia termica (ovvero calore che si libera dalle reazioni chimiche che costituiscono il metabolismo delle nostre cellule). La membrana permette lo scambio di calore grazie al suo piccolo spessore. Altri scambi sono quelli di informazioni che permettono la comunicazione intercellulare: molecole segnale vengono rilasciate da una cellula e vanno a dire qualcosa ad una specifica cellula che è in grado di recepire quella molecola segnale e dare una risposta all’interno della cellula.

Membrane degli organuli intracellulari

Oltre alla membrana plasmatica vediamo le membrane che delimitano gli organuli intracellulari: Nucleo, Mitocondri, Lisosomi, Apparato di Golgi e Reticolo endoplasmatico. La membrana che li circonda è simile a quella plasmatica, infatti vediamo che l’ambiente a livello degli organuli è diverso rispetto a quello presente nel citosol proprio grazie a questa.

Struttura di membrana

L’unità strutturale delle membrane biologiche è costituita dal bilayer lipidico; ovvero fosfolipidi di membrana che si dispongono in modo da formare due foglietti: la testa polare (costituita da glicerolo, acido fosforico e una molecola molto polare) rivolta verso l’interno della cellula e la coda apolare (costituita da 2 acidi grassi) rivolta verso il citoplasma. I fosfolipidi di membrana possono essere di diverso tipo sfingolipidi e fosfogliceridi. Questi differiscono per lo scheletro, in uno abbiamo la sfingosina e nell’altro glicerolo. Presente nella membrana è anche il colesterolo che incide sulla fluidità della membrana e la rende, alla nostra temperatura interna e costante, fluida il giusto affinché possano avvenire gli scambi. Esistono delle zone in cui la quantità di colesterolo è maggiore rispetto alle altre e queste sono le zone che sono costituite dagli sfingolipidi (ovvero le zattere di membrane o raft) poiché gli sfingolipidi hanno un punto di fusione molto elevato (46°C) alla nostra temperatura interna di 37°C questi si troverebbero allo stato di gel se non fosse per la quantità di colesterolo che è presente all’interno di queste zattere.

Queste zattere sono importanti anche per il contenuto proteico:

• Proteine transmembrana che attraversano completamente il bilayer lipidico: hanno una struttura secondaria ad alfa elica che gli permette di permanere in un ambiente idrofobico, i gruppi R idrofili in questa struttura sono rivolti all’interno mentre quelli idrofobici all’esterno in modo che possano interagire con le parti apolari dei fosfolipidi di membrana. Altre proteine transmembrana possono avere una struttura a beta-barile.
• Proteine periferiche sono quelle che sono a contatto solo con uno dei due foglietti della membrana plasmatica o degli organuli. Vengono ancorate ai foglietti grazie ad una modifica post-traduzionale, ovvero sono proteine che sono state accoppiate a degli acidi grassi che fungono da ancore mediante le quali le proteine possono ancorarsi ad uno dei foglietti di membrana. Si può altrimenti contattare una proteina transmembrana, in questo modo la proteina periferica riesce a permanere in uno dei due foglietti.

Per quanto riguarda i domini di una proteina, essi si formano con il folding, ovvero il ripiegamento delle proteine o ripiegamento proteico, è il processo di ripiegamento molecolare attraverso il quale le proteine ottengono la loro struttura tridimensionale. I domini di una proteina sono un’unità globulare o fibrosa formata da catene polipeptidiche ripiegate in più regioni compatte con le quali costituiscono divisioni della struttura terziaria. Sono zone distinguibili della proteina ma unite da segmenti flessibili di catene polipeptidiche.

Nella membrana plasmatica (non in quelle degli organuli) troviamo, oltre alle proteine, i carboidrati: catene oligosaccaridiche (glicoproteine o glicolipidi) disposte a livello del foglietto esterno della membrana plasmatica che costituiscono il glicocalice. Il glicocalice svolge funzione di protezione della membrana, ma presenta anche gli antigeni di superficie che sono necessari per riconoscere quali cellule fanno parte di un organismo e quali di un altro organismo. Si hanno antigeni di superficie per i gruppi sanguigni (importanti nelle trasfusioni), vi è il complesso di istocompatibilità maggiore (importanti quando si fanno i trapianti). Il glicocalice è importante inoltre anche per la sua funzione per quanto riguarda l’adesione temporanea tra una cellula e un’altra. Spermatozoi e cellula uovo che si incontrano, aderiscono temporaneamente grazie al glicocalice.

Scambi attraverso la membrana plasmatica

Nella membrana plasmatica possono avvenire:

• Scambi di materia, cioè passaggi di soluti (molecole nutritive, gas respiratori, ioni, ormoni, ecc..) e acqua.
• Scambi di energia, cioè energia termica (calore che si libera dalle reazioni metaboliche; la membrana grazie al suo piccolo spessore consente gli scambi termici per conduzione).
• Scambi di informazioni, cioè molecole segnale.

Trasporto attraverso la membrana

Il flusso

Contenitore con soluzione acquosa (solvente+soluto) suddiviso in due da una superficie di area determinata. Si definisce flusso delle particelle la quantità di particelle che attraversa l’area della superficie che separa il contenitore in due compartimenti, nell’unità di tempo.

Il flusso delle particelle da un compartimento all’altro può essere uguale o diverso, nel caso in cui il flusso delle particelle verso destra e verso sinistra è uguale allora il flusso netto è pari a 0. In questo caso i due flussi unidirezionali sono quindi uguali e opposti e ciò significa che per quante particelle si spostano da una direzione all’altra, altrettante se ne spostano dalla direzione opposta. Se il flusso delle particelle da un compartimento all’altro è diverso, il flusso netto non c’è.

Intensità del flusso

Affinché le particelle si possano spostare da un compartimento all’altro ci deve essere una forza che le spinge a spostarsi. Questa forza può avere diversa natura: meccanica, chimica o elettrica. Più grande è la forza e maggiore è il flusso delle particelle. Al variare della forza abbiamo tre modalità di flusso principali:

• Flusso di massa: flusso di particelle che si deve ad una forza generata dalla differenza di pressione idraulica che esiste tra regioni diverse di una soluzione (la forza è meccanica). Le particelle si spostano dalla zona in cui vige una pressione idraulica maggiore alla zona in cui vige una pressione idraulica minore. Maggiore è la differenza di pressione idraulica tra i due compartimenti e maggiore sarà la driving force. Viscosità della soluzione e geometria del condotto influenzano questa forza.
• Flusso diffusionale: la forza spingente è generata da una differenza di concentrazione delle particelle nelle regioni diverse di una soluzione (è una forza quindi di natura chimica in quanto si parla di concentrazioni).
• Migrazione in campo elettrico: di particelle che sono elettricamente cariche, ovvero gli ioni. (La forza è di tipo elettrico ed è generata dalla differenza di potenziale elettrico che si stabilisce tra regioni diverse di una soluzione).

L’equazione di Teorell ci dice che l’intensità del flusso è direttamente proporzionale alla forza spingente che causa lo spostamento delle particelle a meno di una costante di proporzionalità che dipende propriamente dalle caratteristiche del soluto e del solvente.

Per quanto riguarda il flusso di massa

Il flusso di massa generato da una forza meccanica in una soluzione acquosa, riguarda tutte le particelle sia di soluto che di solvente, che vengono spinte in massa a spostarsi da una regione a maggiore pressione idraulica verso una a minore pressione idraulica. Un esempio biologico di questo flusso è quello che riguarda il flusso di sangue attraverso i vasi del sistema circolatorio. Il sangue si sposta lungo i vasi grazie al flusso di massa, abbiamo uno spostamento delle particelle contenute nel sangue sostenuto dalla differenza di pressione idraulica.

Per quanto riguarda il flusso diffusionale

Premessa alla diffusione:

Nei fluidi le particelle si muovono continuamente per effetto dell’agitazione termica. Il loro moto dipende dalla loro massa e dalla temperatura (=mobilità particelle). Nel loro moto le particelle rimbalzando si urtano, su urtano cambiando continuamente direzione del moto (moto casuale) la distanza percorsa dalle particelle in direzione rettilinea è piccolissima. In una soluzione acquosa sia le particelle di soluto che di acqua sono mosse da un moto casuale. Il flusso diffusionale dei soluti ha una driving force di natura chimica. Il flusso diffusionale dei soluti e dei solventi è governato dalla prima e dalla seconda legge di Fick.

Nei fluidi le particelle si muovono continuamente per effetto dell’agitazione termica, questo dipende dalla massa delle particelle e dalla temperatura. Maggiore è la temperatura e maggiore è l’agitazione termica che produce. Massa e temperatura caratterizzano quindi la mobilità delle particelle. Questo moto è un moto casuale che fa sì che queste particelle si urtino cambiando continuamente la loro direzione. Ciò implica che ogni particella percorrerà solo una piccola distanza in direzione rettilinea e questo influenzerà l’andamento temporale di un flusso diffusionale. Nel nostro caso sia il soluto che il solvente sono mossi da un moto casuale sostenuto dall’agitazione termica.

Flusso diffusionale dei soluti: i soluti si spostano in base alla loro concentrazione nel contenitore dove la loro concentrazione è minore.

Prima legge di Fick:

L’intensità del flusso di particelle di soluto che con il loro moto casuale escono da un contenitore nell’unità di tempo t, sarà proporzionale alla concentrazione di soluto nei due contenitori e dipenderà inoltre dalla massa delle particelle e dalla temperatura.

Domanda: Quanto è veloce un flusso diffusionale di soluti? Ce lo dice la seconda legge di Fick, mentre la prima ci descrive l’intensità del flusso diffusionale. La seconda legge dice che il tempo necessario affinché ad una certa distanza dalla sorgente della diffusione la concentrazione del soluto raggiunga un determinato livello, cresce con il quadrato della distanza. Il soluto diffonde dalla zona di diffusione verso le zone vicine a minore concentrazione con moto casuale. La diffusione su scala macroscopica è un fenomeno lento a causa della frequenza delle collisioni tra le particelle che rendono bassa la velocità media delle particelle in una sola direzione. La direzione rettilinea della particella infatti è molto piccola, quindi le particelle di soluto si spostano molto lentamente per diffusione. Sbattono una contro l’altra e cambiano continuamente la direzione.

A livello del nostro organismo i flussi diffusionali avvengono in scala microscopica e quindi il flusso non risulta essere così lento come quando lo si osserva in scala macroscopica in quanto le distanze da percorrere sono molto brevi.

Flusso diffusionale dei solventi: Osmosi

Si parla di flusso osmotico dell’acqua. Questo a differenza dei soluti non segue le concentrazioni delle molecole di solvente. Ovvero l’acqua non si sposta in base alla sua concentrazione, ma si sposta in base alla concentrazione del soluto. Le molecole si spostano dalla zona a minore concentrazione di soluti verso la regione in cui c’è una maggiore concentrazione di soluti. L’acqua si sposta andando a diluire la soluzione che ha una maggiore concentrazione di soluti. Dalla iposmotica (con più bassa concentrazione di soluti) si sposta verso la soluzione iperosmotica (con più alta concentrazione di soluti) fino a quando le due soluzioni non saranno isosmotiche. L’osmolarità è il numero di particelle per unità di volume. Quando due soluzioni sono isosmotiche, ovvero hanno lo stesso numero di particelle, allora non ci sarà flusso netto nullo.

La forza che determina il flusso diffusionale dell’acqua riferita all’unità di superficie prende il nome di pressione osmotica. Per definire questa grandezza, ovvero la pressione osmotica, si utilizza l’osmometro: costituito da una colonna manometro collegata a due recipienti suddivisi da una membrana permeabile solo all’acqua. L’acqua si sposta verso la soluzione acquosa andando a riempire la colonna manometro fino a quando questa andrà ad esercitare una pressione idrostatica che andrà a controbilanciare il flusso osmotico dell’acqua. La misura della pressione idrostatica rappresenta la misura della pressione osmotica che volevamo misurare. Ogni soluzione ha una propria pressione osmotica in quanto la pressione osmotica di una soluzione è funzione dell’osmolarità, ovvero del numero di particelle presenti in soluzione per unità di volume.

Tonicità di una soluzione

Si valuta andando ad osservare il comportamento di una cellula immersa in una soluzione, ad esempio un globulo rosso. Quando questo viene immesso in soluzione può variare o meno la sua forma.

• Se in soluzione non c’è alcuna modificazione della forma allora la soluzione la possiamo definire come isotonica. Ciò significa che la nostra soluzione rispetto al citoplasma del globulo rosso, non ha una differenza di osmolarità tale da determinare un flusso osmotico di acqua entrante o uscente che andrebbe a modificare la forma del globulo rosso.
• Se invece il globulo rosso si gonfia, il globulo rosso avrà il citoplasma a maggiore osmolarità rispetto alla soluzione e quindi l’acqua entrerà al suo interno. La soluzione sarà quindi ipotonica.
• Se il globulo rosso cambia forma e diventa una piccola palla grinzosa allora significherà che l’acqua è uscita verso la soluzione acquosa e che quindi la soluzione risulta essere ipertonica.

Il cambiamento sarebbe permanente solo se la membrana della cellula non avesse la capacità di compensare questo cambiamento di volume grazie al trasporto di soluti ai quali è permeabile. Mettendo un globulo rosso in soluzione ipotonica, la cellula si gonfia, ma può essere solo una condizione transitoria in quanto la membrana della cellula è permeabile ai soluti che possono a questo punto uscire dalla cellula seguiti dall’acqua. In questo modo la cellula si sgonfierà. Se la membrana è impermeabile a determinati soluti e si trova in una soluzione molto ipotonica allora andrà a lisarsi. La tonicità di una soluzione dipende quindi solo dai soluti a cui la membrana è impermeabile.

Migrazione in campo elettrico

Forza elettrica che riguarda il flusso delle particelle cariche, ovvero gli ioni. Il flusso viene calcolato nell’unità di tempo. All’interno di un contenitore poniamo acqua e KCl, ovvero cloruro di potassio che in soluzione si dissocia nei due ioni. Nel contenitore vengono poi posti due elettrodi (anodo + e catodo -). Gli ioni si spostano verso gli elettrodi di segno opposto, gli ioni positivi (cationi) verso il catodo e gli ioni negativi (anioni) verso l’anodo. Ai capi degli elettrodi viene applicata una differenza di potenziale in modo da creare un campo elettrico che determini lo spostamento degli ioni negativi e positivi.

Immaginiamo di suddividere il contenitore con una superficie ideale in due compartimenti. Attraverso questa superficie ideale si stabilisce quindi un flusso di particelle cariche nell’unità di tempo e si può andare così a misurare la migrazione in campo elettrico. La migrazione in campo elettrico viene descritta dalla legge di Ohm che ci dice che il flusso in campo elettrico è uguale alla differenza di potenziale applicata ai due elettrodi moltiplicata per la costante di proporzionalità che in questo caso ci indica la conduttività della soluzione e la concentrazione e le caratteristiche (valenza e dimensioni) degli ioni e la loro mobilità.

Elettrodiffusione

Per quanto riguarda gli ioni presenti nei liquidi all’interno del nostro corpo dobbiamo tenere in considerazione l’azione sia della forza chimica che della forza elettrica. Gli ioni infatti si spostano uscendo ed entrando nelle cellule in base a queste due forze dovute alla concentrazione degli ioni (legge di Fick) e al potenziale presente a livello delle membrane (legge di Ohm) che agiscono simultaneamente. Queste due forze potrebbero essere opposte oppure concordanti. Gli ioni si spostano secondo gradiente elettrochimico che è la risultante delle due forze. Il flusso degli ioni dovrà quindi essere descritto da una legge che consideri entrambe le forze che agiscono simultaneamente su di essi: questa legge è data dall’equazione di Nernst-Planck della elettrodiffusione. Questa prevede che il flusso di ioni spinti simultaneamente da un gradiente di concentrazione e da un gradiente elettrico è pari alla somma dei flussi che si avrebbero solo per il gradiente di concentrazione e solo per il gradiente elettrico.

Le membrane biologiche

Sono barriere di permeabilità, è permeabile sia ai soluti che all’acqua in modo diverso. Il fatto che la membrana sia costituita dal bilayer lipidico pone una selettività nei confronti delle particelle di soluto che si definiscono idrofobiche o apolari o liposolubili. Tutte le molecole idrofobiche o liposolubili possono attraversare tranquillamente la membrana, mentre le pa...