Fisiologia

Fisiologia. 13/10

Come funzionano e cosa sono le cellule eccitabili?

Le cellule eccitabili sono le cellule che formano i muscoli ma non solo il muscolo scheletrico.

Tratteremo la biofisica delle cellule eccitabili e parleremo dei segnali elettrici.

Le cellule muscolari, i neuroni parlano tra di loro attraverso segnali elettrici: se una cellula si contrae è perché ha ricevuto o ha generato un segnale elettrico.

Quindi noi andremo a vedere quali sono i meccanismi alla base della genesi dei segnali elettrici.

Per cellula eccitabile si definisce una cosa ben specifica: è una cellula che è capace di modificare nel tempo, in base all’arrivo di determinati stimoli, il proprio potenziale di membrana.

Le cellule, quindi, hanno un potenziale di membrana ossia hanno una differenza di potenziale tra l’esterno e l’interno della membrana plasmatica ossia del rivestimento che identifica la cellula. Il potenziale è come una batteria che si misura in millivolt. Normalmente per la maggior parte delle cellule non eccitabili questo valore di potenziale di membrana è costante nel tempo ossia se la batteria ha x millivolt quella rimane sempre uguale nel tempo indipendentemente da ciò che succede.

Tutte le cellule del nostro corpo hanno un potenziale di membrana. E tutte le cellule non eccitabili fanno sì che questo potenziale di membrana sia sempre costante nel tempo.

Le cellule eccitabili hanno una marcia in più: questo potenziale può cambiare nel tempo in seguito all’arrivo di determinati stimoli quali l’arrivo di molecole piuttosto che altre cose.

Le cellule eccitabili, quindi, sono i neuroni per eccellenza ma anche le cellule muscolari sia del muscolo scheletrico, attaccato alle ossa che serve per il nostro movimento, sia del muscolo cardiaco, volontario, e con il muscolo liscio, involontario.

Per studiare la biofisica delle cellule eccitabili dobbiamo soffermarci su 4 punti:

• Trasporti di membrana.
• Potenziale di membrana.
• Potenziali graduati e potenziali d’azione.
• Trasmissione sinaptica.

Trasporti di membrana

Che cos’è la membrana plasmatica?

La membrana plasmatica è una sorta di barriera che separa fisicamente una cellula dal resto. Dobbiamo pensare una cellula come un insieme di cose compartimentalizzate all’interno di questa barriera della membrana plasmatica e che la isola dall’ambiente esterno. Questo isolamento non deve essere un isolamento totale perché la cellula ha una propria identità ma non può essere isolata dall’ambiente esterno, non saremmo un organismo. Tutti gli organi interagiscono tra di loro perché le cellule interagiscono tra di loro. Quindi la membrana plasmatica non è semplicemente un muro che separa l’interno della cellula dall’esterno, ma è una barriera che preserva l’identità cellulare e al tempo stesso le consente lo scambio di informazioni con l’esterno da e verso l’esterno. Dunque, la membrana plasmatica isola la cellula, le dà una forma ma al tempo stesso le consente di comunicare con l’esterno.

Come fa la membrana plasmatica ad isolare la cellula?

Il liquido intracellulare ha una composizione completamente diversa da quello che è il liquido extracellulare. Di base c’è l’acqua ma cambia la composizione.

In particolare, ciò che cambia è la quantità della natura di particolari molecole, ma non sono molecole, chiamate ioni quali per esempio il sodio. Abbiamo quindi atomi che hanno acquisito o perso cariche. La quantità e la natura di questi ioni è diversa tra l’interno e l’esterno della cellula.

Come si isola l’acqua da una parte e dall’altra? Devo metterci una barriera impermeabile all’acqua tramite elementi idrofobi, per esempio, i lipidi che per definizione sono idrofobi, basta vedere una goccia di olio che nell’acqua galleggia e non si miscela.

Quindi la mia barriera contiene lipidi però se contenesse solo lipidi questa barriera respingerebbe in tutto e per tutto l’acqua quindi la natura ha costruito una particolare barriera che noi chiamiamo fosfolipide. È una molecola particolare che ha delle code di idrocarburi di lipidi che respingono l’acqua però presente delle teste polari idrofiliche dove ci sono dei fosfati. Succede che lo strato fosfolipidico nella parte della coda respinge l’acqua ed è idrofobica mentre la parte della testa attira l’acqua ed è idrofilica. Se io prendessi un po' di fosfolipidi e li buttassi in acqua questi interagiscono e fanno sì che tutte le code si mettano una verso l’altra e tutte le teste verso fuori.

Quindi se io prendessi un mucchietto di fosfolipidi e li buttassi in acqua ciò che otterrei è quello che io chiamo una micella: questa non può essere una cellula perché dentro l’acqua per definizione non ci può stare essendo le code idrofobiche.

Nella mia concezione di cellula io ho acqua internamente ed esternamente e per ottenere ciò non metto uno strato di fosfolipidi ma ne metto due uno di fronte all’altro. In questo modo io internamente ho materiale idrofobico che interagisce una con l’altra perché le code apolari possono tranquillamente interagire tra loro e le teste polari che possono interagire con l’acqua, sono messe una di fronte all’altra: una che affaccia nel versante intracellulare e una nel versante extracellulare. A questo punto ho costruito la membrana plasmatica che definisco come doppio strato fosfolipidico.

Anche l’acqua è una molecola particolare perché è una molecola che di base è elettricamente neutra nel complesso ma è una molecola polarizzata perché per come sono messi idrogeno e ossigeno è vero che ho tante cariche positive quante negative e il complesso fa zero però queste cariche sono dislocate nello spazio e quindi è come se fosse una molecola bipolare: neutra nel complesso ma non nella singola parte specifica.

La cellula ha ragione di esistere non se è un elemento isolato indipendente dall’esterno ma se può comunicare con l’esterno.

Ma cosa si comunica con l’esterno?

Si comunica ioni. Uno ione deve avere la possibilità di passare da una parte all’altra della cellula.

Il fatto che ci sia acqua sia dentro che fuori la cellula è un fattore non indifferente perché lo ione è un atomo carico. Nel momento in cui io butto uno ione dentro l’acqua lo ione non rimane isolato nell’acqua, ma l’acqua, che è una molecola polare da punto di vista della carica, si va a disporre intorno a questo ione andando a formare un guscio d’acqua che riveste lo ione, non esiste lo ione a secco nell’acqua ma la carica dello ione attira a sé l’acqua che forma un guscio che si muove in maniera solidale con lo ione. Se il mio ione è rivestito d’acqua, può lo ione passare attraverso la membrana plasmatica? No, perché interagisce tranquillamente con le teste polari ma poi questo guscio viene bloccato dalle code idrofobiche, quindi, è impossibile per uno ione passare attraverso la membrana plasmatica.

Come faccio a fare questi scambi da una parte all’altra?

La membrana plasmatica non è fatta solo del doppio strato fosfolipidico ma ci sono anche altre strutture ancorate alla membrana plasmatica come particolari proteine che riescono a formare delle zone di passaggio da una parte all’altra. Ma anche tramite altri meccanismi.

Quanti tipi di trasporti possiamo avere?

A guidare il movimento è un passaggio all’interno di una differenza di potenziale, gradiente, variazione di qualcosa. Questo passaggio avviene senza dispendio di energia. Tutti i trasporti che avvengono senza dispendio di energia vengono chiamati trasporti passivi, movimento di qualcosa da una parte all’altra che avviene grazie all’esistenza di un gradiente senza consumo attivo di energia.

I movimenti che avvengono con dispendio di energia vengono chiamati trasporti attivi, contro gradiente.

Dunque, non posso avere un trasporto passivo sempre e solo e soltanto perché l’energia nessuno me la regala. Per aver determinato il gradiente che mi fa muovere passivamente qualcosa, io devo necessariamente aver speso energia. È un ciclo continuo.

I trasporti attivi e passivi si dividono in sottofamiglie.

Il trasporto passivo lo dividiamo in 3 tipologie:

• Diffusione semplice.
• Diffusione facilitata.
• Attraverso canali ionici.

1. Diffusione semplice

Una molecola si sposta da una parte all’altra in base alla sua concentrazione. Una molecola si muove da dove è più concentrata a dove è meno concentrata. Inizialmente ho un gradiente, piano piano si arriva ad un equilibrio. Questo dipende da due fattori: dalla differenza di concentrazione e da quanto è facile il passaggio. Maggiore è la differenza di concentrazione, più rapido sarà il flusso; minore è l’impedimento che io do alla diffusione, maggiore sarà il flusso.

Dunque, se io ho una molecola da una parte tanto concentrata e la stessa molecola da un’altra parte poco concentrata questa si muoverà secondo il gradiente di concentrazione. In termini di membrana plasmatica: se io ho lo stesso ione, tralasciato dalla sua parte carica, all’interno della membrana e poi ho pochi ioni della stessa specie esternamente e abbiamo questa particolare porta che ci permette il passaggio di questa determinata molecola, gli ioni passeranno da dove sono più concentrati a dove sono meno concentrati. Tanto più è la differenza tanto più sarà il flusso.

La velocità di diffusione di queste molecole dipende non solo dalla differenza di concentrazione ma anche dalla temperatura: più la temperatura è alta più questi scambi sono performanti. Nel coefficiente di diffusione non dobbiamo tener conto solo della temperatura ma anche della superficie di scambio. Questi scambi da una parte all’altra che sono guidati dalla differenza di concentrazione e dalla temperatura, dipendono anche dalla superficie attraverso il quale avviene lo scambio: più è larga la superficie di scambio e più lo scambio sarà veloce.

La natura ha ottimizzato questo! Laddove deve massimizzare la velocità degli scambi, massimizza l’area a parità di dimensione. Le porte di passaggio di queste molecole non sono tutte uguali per tutte le molecole: la mia cellula è selettiva e decide quali molecole far entrare. Quindi ora non parliamo più di impermeabilità ma di impermeabilità selettiva.

La mia membrana cellulare ha delle porte che sono specifiche per ogni singola specie che deve andare a considerare e non è detto che queste porte siano necessariamente aperte per tutti quanti. La diffusione semplice prevede che non ci sia impedimento della molecola/ione nell’andare avanti.

2. Diffusione facilitata

Ci possono essere delle condizioni particolari in cui l’impedimento c’è ma noi lo aggiriamo, e questo è il caso della diffusione facilitata. Es: la porta girevole. Vi è un impedimento che divide l’interno dall’esterno e fa una selezione per la specie e per il flusso. La diffusione facilitata è una diffusione in cui c’è un passaggio di molecole da una parte all’altra che avviene sempre mediante gradiente di concentrazione ma con l’unica limitazione che io devo sottostare ai tempi fisici di questo trasportatore che mi consente il passaggio da una parte all’altra.

Questo trasportatore, nel caso pratico, è una proteina che si intercala nella membrana plasmatica che ha possibilità di accogliere ciò che deve trasportare. Una proteina è una catena di amminoacidi, 20 amminoacidi ognuno caratterizzato dalla propria formula chimica, ma ciò che la caratterizza è l’insieme di atomi che caratterizza questo amminoacido fa sì che questo abbia una sua polarità e idrofobia.

Quando vado a costruire la catenella di amminoacidi che forma la proteina tutti questi amminoacidi interagiscono tra di loro e la proteina non rimane una catenella sciolta, ma grazie alle interazioni idrofobiche con l’acqua, elettrostatiche, questa proteina inizia ad avere una propria forma. Se noi questa proteina la inseriamo in un doppio strato fosfolipidico dove ci sono altre interazioni idrofobiche e così via possiamo ottenere un oggetto nella membrana plasmatica che può avere varie forme ad esempio si può aprire a creare un canale o essere chiuso ad impedire un passaggio.

Una molecola che passa attraverso queste proteine aperte esternamente riceve uno ione e nel momento in cui questa molecola si aggancia per fare interazione con questa proteina gli va ad alterare l’equilibrio che aveva raggiunto prima con i suoi elementi amminoacidici e quindi trova un nuovo equilibrio andandosi a modificare dal punto di vista strutturale. Quindi poi la molecola si può staccare e passare all’interno della cellula.

La molecola per poter passare deve semplicemente sottostare ai tempi di questa modifica strutturale. Quindi il passaggio tramite diffusione facilitata segue la stessa legge della diffusione semplice con l’unica limitazione che la velocità è limitata e se io ho tante molecole non tutte riescono ad essere trasportate. Questo è fondamentale perché ci sono alcuni processi che hanno bisogno di una velocità limitata e i trasportatori fanno questo. Ci sono tante molecole che sono trasportate con i trasportatori uno dei più importanti è il glucosio.

3. Diffusione attraverso canali ionici

In questo caso non abbiamo più una molecola qualsiasi ma abbiamo una molecola carica e la molecola carica se si deve muovere, si deve muovere necessariamente grazie all’ausilio di questa particolare proteina che va a creare un canale d’acqua all’interno della membrana plasmatica per consentire a questo ione che si muove solidamente con un guscio d’acqua, di passare da una parte all’altra. Quindi noi abbiamo la catena amminoacidica che riesce a creare un canale pieno d’acqua attraverso il quale lo ione si può muovere.

Lo ione si muove per gradiente di concentrazione ma a questo punto, avendo una carica elettrica, è soggetto anche alle forze di attrazione elettriche. Non vi è solo il gradiente chimico, ma questo diventa gradiente elettrochimico perché noi abbiamo una forza chimica e una forza elettrica che devono equilibrarsi tra di loro. Quindi uno ione positivo in un ambiente negativo si muove tranquillamente, ma uno ione positivo verso un ambiente positivo non è detto che si muova neanche se è tanto concentrato perché bisogna tener conto anche della carica elettrica.

Questo passaggio attraverso canali ionici è velocissimo, riusciamo a far passare anche un miliardo di ioni al secondo, siccome parliamo di ioni parliamo di corrente elettrica: la corrente elettrica generata da un canale ionico può anche essere elevata perché ne muoviamo tantissimi di questi ioni.

Questi canali dobbiamo pensarli come proteine, che hanno una loro interazione elettrostatica/idrofobica, che possono avere uno ione negativo all’interno che impedisce l’entrata degli ioni positivi. Quindi per definizione il passaggio attraverso i canali ionici è selettivo. Noi abbiamo dei canali ionici che fanno passare solo gli ioni positivi e non fanno passare quelli negativi oppure canali ionici che fanno passare solo alcune specie ioniche e non altre. Tutto questo si basa su una serie di fattori.

Cationi verso anioni: io posso avere all’interno di un canale un impedimento di carica e lo ione positivo viene bloccato da un qualcosa positivo all’interno del canale e viene respinto. Per quanto riguarda alcune specie, perché il calcio sì e il sodio o viceversa, dipende dalla valenza dello ione, dalla sua grandezza fisica e da quanto diventa grande nel momento in cui si circonda di acqua poiché gli ioni non sono palline non sono tutti uguali: dunque possiamo avere degli ioni grandi che si circondano di particelle di acqua molto grandi e pertanto sono talmente tanto grandi che non riescono a passare attraverso la porta. Quindi riesco a fare non solo una selettività elettrica ma anche una selettività chimica.

Bisogna ricordare che noi non abbiamo il canale ionico, noi per la singola specie ionica abbiamo una miriade di canali; per quella stessa specie non esiste solo il canale del sodio, ma esistono canali del sodio, potassio ecc. e ognuno funziona secondo le proprie necessità. Io posso avere il canale del sodio ma mica questo canale è sempre aperto, può essere chiuso e poi arriva qualcosa, uno stimolo che gli permette di aprire.

Non c’è solo l’apertura dovuta ad un legame chimico con qualcosa ma ci sono particolari canali che si aprono se cambia il potenziale di membrana e vengono chiamati canali voltaggio dipendenti: ogni qualvolta si apre un canale ionico entrano ioni, scorre corrente, e il potenziale cambia e quindi il canale voltaggio dipendente è qualcosa di complicato perché è una sorta di ridondanza del segnale elettrico.

Le specie ioniche a cui siamo interessati sono 3, 4 = sodio, potassio, e calcio e in parte anche cloro. Il calcio ha un ruolo diverso dal sodio potassio e cloro perché sodio, potassio e in parte cloro regolano il potenziale di membrana invece il calcio no, serve più da messaggero intracellulare tranne che per le cellule muscolari cardiache dove invece partecipa al potenziale di membrana.

Questo gradiente qualcuno deve generarlo quindi non può esistere solo il trasporto passivo ma deve necessariamente esistere il trasporto attivo.

Io posso raggiungere due tipi di equilibrio che mi portano al movimento