Fisiologia cellulare

Fisiologia cellulare

Trasporti passivi di membrana: diffusione

La membrana plasmatica ha una composizione lipidica.

Funzioni della membrana cellulare:

• Struttura
• Mantiene differenze tra ambiente interno ed esterno della cellula → regola scambi di sostanze
• Costituisce interfaccia con ambiente esterno (segnali riconosciuti da recettori)
• Fornisce supporto a enzimi e proteine strutturali (catalisi reazioni, interazioni con altre cellule)

Il trasporto passivo non richiede energia → si distingue in diffusione semplice (sostanza libera che attraversa la membrana) e diffusione facilitata in cui la sostanza deve legarsi per passare la membrana.

Il trasporto attivo richiede energia, ed è di due tipi: primario (pompe ioniche ATP energia) e secondario.

Flusso → due contenitori e soluto attraversa superficie. Se avviene passaggio, ho flusso. Il flusso è il numero di molecole che attraversano unità di superficie mm in unità di tempo s.

Il flusso è determinato da forze che la spingono e queste forze possono essere meccaniche (es. sangue spinto dal cuore), chimiche (differenze di concentrazione) o elettriche (spostamento ioni da una zona all’altra, differenza di potenziale). Le forze spostano le molecole da una zona all’altra.

L'equazione di Teorell afferma che il flusso è uguale a costante ki * forza spingente Xi. Per avere flusso di molecole x non deve essere zero, devo avere una forza che spinga per fare muovere le molecole.

Diffusione → spostamento di molecole da una zona all'altra secondo gradiente di concentrazione, ovvero la differenza di concentrazione in due compartimenti. La cellula va dalla zona più concentrata a quella meno concentrata, non richiede energia.

Si arriva a una concentrazione di equilibrio. Le molecole di sale in un bicchiere si spostano in zone dove è meno concentrata, le molecole si muovono per agitazione termica e le molecole si spostano continuamente. Inizialmente le molecole vanno da un'area all'altra, ma poi inizia anche il movimento contrario, fino a raggiungere l’equilibrio. Non c’è flusso 0 perché le molecole continuano comunque a spostarsi.

Se c'è flusso netto, c'è una differenza di concentrazione; altrimenti ci sono due flussi che si bilanciano → legge di Fick.

Il trasporto passivo, che non ha bisogno di energia, permette alle molecole di muoversi da area più a meno concentrata.

La diffusione è più rapida se:

• La membrana è più sottile, è inversamente proporzionale (es. alveoli polmonari)
• È più veloce a alte temperature perché c'è maggiore agitazione
• Su distanze più brevi
• Per molecole più piccole

Il flusso della membrana in parete cellulare: Pi è coefficiente di permeabilità della membrana * C1, che è il gradiente di concentrazione della membrana.

Fi = Pi (C1-C2)

p = Kdm/dx

dx è lo spessore della membrana

Kdm è il coefficiente di diffusione della sostanza nel materiale costitutivo della membrana e dipende da:

• Dimensioni della molecola che diffonde
• Liposolubilità della sostanza
• Composizione dello strato lipidico attraverso cui la sostanza diffonde

Più è liposolubile, meglio attraversa la membrana e ha un'alta Kdm; sostanze idrosolubili hanno bassa Kdm e quindi attraversano poco la membrana.

Il coefficiente di permeabilità P esprime la velocità con cui una sostanza può attraversare la membrana cellulare.

La diffusione semplice avviene per molecole liposolubili, vitamine (A, D, E, K) e ormoni steroidei come cortisolo.

Glucosio è idrofobo, non è liposolubile e non passa facilmente. Per attraversare la membrana, servono molecole che lo facilitano.

Alone di solvatazione → molecole idrofile in soluzione vengono circondate da molecole di acqua, che prendono il nome di alone di solvatazione → sfavorevole dal punto di vista energetico. Passano la membrana con trasportatori o canali ionici.

Trasporto dell’acqua: osmosi

Il trasporto dell’acqua attraverso la membrana avviene per osmosi → diffusione delle molecole d’acqua da soluzione più diluita (= maggiore concentrazione di acqua) a soluzione più concentrata (minore concentrazione di acqua).

La legge di Vant’ Hoff riguarda la pressione osmotica (pi greco) di una soluzione: RTiM, dove R è la costante dei gas, T è la temperatura assoluta, M è la concentrazione molare del soluto e i è il fattore che tiene conto del grado di dissociazione del soluto.

Nel tubo ad U, la zona B ha più molecole di soluto → esercita più pressione osmotica → richiama acqua da A.

L’osmolarità di una soluzione è un modo di esprimere la concentrazione tenendo conto del numero di particelle in soluzione (proprietà colligativa).

Osmolarità = molarità per numero di particelle. Una soluzione 1 M di saccarosio ha osmolarità e molarità 1 x n particelle in cui saccarosio dissocia 1 = 1.

Sale (CaCl₂) dissocia in tre particelle (Ca, Cl, Cl) → Se ho soluzione 2 mol di saccarosio e soluzione 0,5 mol di cloruro di calcio, quale ha maggiore osmolarità? Saccarosio, perché è 2, l’altro 0,5.

Le cellule devono essere immerse in soluzione con osmolarità simile a quella che si trova nella cellula.

Acqua non attraversa da sola la membrana, ha bisogno di canali ovvero strutture proteiche con poro acquoso interno che permette passaggio di H₂O e ioni idrofili. I canali si chiamano acqua porine, sono canali tetramerici costituiti da 4 sub-unità che si dispongono attorno a un poro centrale. Sono trans-membrana nella membrana dove creano poro da cui l'acqua può passare.

Acqua-porine non sono uguali in tutti i tessuti:

• AQP1 → ubiquitaria, più diffusa
• AQP2 → importante livello renale (per formazione di urina)
• AQP... → specifiche ad altri livelli a seconda della loro struttura

Possono essere regolate nella loro espressione nella membrana da un ormone.

Il nostro organismo è in equilibrio osmotico → acqua si può muovere liberamente tra interno ed esterno cellula a seconda del gradiente osmotico. Se liquido extracellulare ha concentrazione diversa, l’acqua si muove per portare pari i livelli di concentrazione → spostamento immediato tra interno-esterno attraverso le acqua porine.

Globuli rossi in concentrazioni a diversa tonicità:

• Ipotonica → soluzione ha osmolarità più bassa rispetto alla soluzione all'interno della cellula. L'acqua si muove con flusso netto perché osmolarità dentro e fuori sono diverse. L’acqua va da fuori a dentro, fuori ci sono meno particelle rispetto all’interno. Problema è che il volume cambia, la cellula si rigonfia e oltre un certo livello c’è lisi e morte cellulare.
• Ipertonica → troppi soluti e poca acqua, l’acqua si muove dall’interno verso l’esterno, la cellula si raggrinzisce. L’acqua abbandona la cellula.
• Isotonica → non succede nulla.

L'organo che ne soffre di più è il cervello → intossicazione di acqua (mal di testa, vomito, nausea, capogiro, svenimento) dopo corsa i neuroni si rigonfiano e non funzionano più.

Distribuzione ioni intra-extra cellulare

Nella cellula c’è più potassio, fuori c’è più sodio e cloro. Per mantenere la neutralità si hanno A- dentro, anioni organici proteine che restano all’interno della cellula senza muoversi.

Osmolarità soluzione mammiferi isotonica è di 300 mOsm.

Se osmolarità del liquido extracellulari diminuisce < controllo rapido. Le cellule si sanno difendere, buttano fuori i soluti attraverso trasporto attivo. Ha incamerato acqua e la espelle in modo indiretto rendendo osmolarità fuori maggiore che dentro < meccanismo più lento. Deve rimettere a posto le cose → aumenta la produzione di urine. I reni producono urine più diluite in modo da eliminare acqua incamerata in eccesso.

Aumento osmolarità liquidi interstiziali → mangio troppo sale, l'acqua esce perché c’è più sale fuori che dentro → avvizzimento delle cellule. Vengono introdotti soluti seguiti da H₂O → modo che hanno per riaggiustare.

Poi a livello del rene si producono urine meno diluite perché acqua va trattenuta per ripristinare equilibrio idrosalino.

Trasporti mediati passivi: diffusione facilitata

Caratteristiche:

• Riguardano sostanze polari
• Avvengono tramite proteine trasportatrici
• Trasportano sostanze secondo gradiente di concentrazione (passivi non hanno bisogno di energia) o contro gradiente (attivi hanno bisogno di energia)
• Contraddistinti da specificità, saturazione, competizione (simili a enzimi)

Specificità: un trasportatore è specifico per una molecola o per un grappolo di proteine simili, es. GLUT specifico solo per zuccheri a sei atomi di carbonio.

Competizione: il trasportatore per glucosio può portare anche altri zuccheri come galattosio. La differenza la fa l'affinità, vince il glucosio se sono presenti in abbondanza. L'affinità è la capacità di legare il substrato.

Al variare della concentrazione del glucosio varia il grado di competizione. Più aumenta la concentrazione di glucosio fuori dalla cellula e più aumenta la velocità di trasporto del glucosio. La velocità di trasporto è il numero di molecole che attraversano la membrana nell’unità di tempo.

Se ho glucosio e galattosio, la velocità di trasporto non è come quando avevo glucosio da solo, la velocità di trasporto è più bassa.

Inibitore competitivo → si lega al trasportatore e impedisce l’attività, es. maltosio. Il trasportatore non porta più la molecola e non riesce a trasportare le molecole per cui era stato predisposto.

Saturazione: non ci sono più trasportatori disponibili, ovvero il trasportatore è saturo. Se aumento il numero delle molecole fuori dalla cellula ne entreranno di più, ma questo non va avanti all’infinito! Perché i trasportatori si sono saturati. La velocità di rapporto è limitata dal numero di trasportatori disponibili. Esistono meccanismi di regolazione per cui posso aumentare trasportatori nella membrana. A livello ormonale possono essere prodotti nuovi trasportatori, questo è un meccanismo di sicurezza che avviene in condizioni fisiologiche. In condizioni patologiche non avviene così, come si vede nel rene, è il caso del diabete.

Se glucosio dovesse diffondere per diffusione semplice impiegherebbe tempo lungo e non raggiungerebbe equilibrio. Se si usa membrana di trasportatori per glucosio il trasporto è più efficiente e rapido, si raggiunge prima l’equilibrio.

Tipi di trasporto mediato

Il trasporto mediato può essere:

• Uniporto (si trasporta una sola molecola alla volta)
• Simporto (sposta due o più substrati/molecole nella stessa direzione attraverso la membrana)
• Antiporto (due molecole vengono trasportati in direzione opposta)
• Cotrasportatori (trasportano più molecole contemporaneamente)

Il trasporto mediato passivo o diffusione facilitata è usato da tutte le cellule dei tessuti per attingere molecole nutritizie dal mezzo extra-cellulare e riversarvi i metaboliti. Avviene secondo gradiente di concentrazione.

Esempio con il glucosio

D-glucosio è una molecola polare perché ha gruppi OH e quindi non attraversa facilmente la membrana, ha bisogno di trasportatori GLUT1.

Entrata di glucosio nelle cellule per esigenze metaboliche:

• Assorbimento di glucosio a livello intestinale e riassorbimento a livello renale
• Cellule β del pancreas: secrezione insulina che serve per fare entrare il glucosio nelle cellule

Trasportatori GLUT legano glucosio dal lato in cui è più concentrato. Glucosio si lega dal lato interno della cellula e il trasportatore cambia conformazione, il glucosio si trova nel lato interno della cellula e viene liberato all’interno di essa. Si parla di trasporto passivo all’interno della cellula. Non è infinito, a un certo punto si arresta ovvero quando le concentrazioni fuori e dentro sono uguali e non c'è più un gradiente. Questo perché il trasportatore non può più legare glucosio nella parte più concentrata perché le parti sono uguali.

Es. Porta girevole, io sono glucosio. Molecola GLUT è fatta da 12 segmenti disposti in cerchio. Su questi segmenti ci sono siti in cui si aggancia GLUT. All’interno c'è un ambiente idrofilo che favorisce il passaggio del glucosio nella membrana. Glucosio si trova nel lato opposto e viene poi liberato.

GLUT si differenziano per struttura e localizzazione e per affinità con glucosio:

• GLUT1 è ubiquitario e molto presente
• GLUT2 nelle cellule β del pancreas, fegato e intestino
• GLUT3 si trova a livello neuronale, porta glucosio nelle cellule neuronali
• GLUT4 è nelle cellule muscolari striate e tessuto muscoloso, regolato da insulina

KM → costante di Michaelis-Menten, è la concentrazione di substrato per cui il flusso è metà del flusso massimo, è inversamente proporzionale all’affinità. Più alta è la KM del trasportatore, minore è la sua affinità per il glucosio. GLUT3 ha KM più bassa e quindi ha una maggiore affinità. GLUT2 ha bassa affinità per il glucosio e si satura solo ad alte concentrazioni di glucosio extra-cellulare → è sensibile a un ampio intervallo di concentrazioni → importante per regolare la secrezione di insulina. Basta quindi una bassa concentrazione per arrivare a grandi valori di glucosio entrante. Utile per la cellula β del pancreas. Più insulina si produce e più c'è cellula di glucosio fuori. Varia gradualmente glucosio quindi varia trasporto lentamente e quindi insulina è graduale e non sproporzionata.

Trasportatori per amminoacidi

Sempre trasporto passivo:

• Coinvolti nel trasporto facilitato (introducono amminoacidi nelle cellule)
• Proteine a 6-14 segmenti trans-membrana (a12: simili a GLUT)
• Vari tipi che trasportano amminoacidi di diverse categorie (acidi, basi, neutri)

Canali ionici: meccanismo di trasporto passivo mediato per ioni

3 proprietà principali:

1. Conducono canali ionici (rapide velocità di conduzione: 100 milioni/secondo) in modo passivo
2. Riconoscono e selezionano ioni specifici
3. Alcuni si aprono e si chiudono in risposta a stimoli specifici

N.B. C'è influenza elettrochimica ovvero gradiente ma anche differenze di potenziale che può esserci all’interno/esterno della membrana.

Tipi di canali:

• Canali sempre aperti che lasciano sempre passare gli ioni, servono per potenziale di riposo
• Canali che si aprono grazie a segnali
• Canali a controllo di legando. Legame con molecola extra o intracellulare (es. ioni calcio si aprono quando dall’interno si lega una molecola di calcio. Oppure molecola ATP)
• Canali voltaggio dipendenti. Es. Potenziale d’azione
• Canali attivati da stiramento della membrana es. sistema sensibilità somatica. Si aprono quando la membrana cellulare subisce deformazioni meccaniche, si possono trovare nelle cellule sensoriali tattili.

Canali ionici sono fatti da subunità proteiche che si dispongono in cerchio attorno a un poro centrale acquoso e idrofilo. Il numero di subunità varia a seconda del tipo di canale ionico. Ci sono subunità accessorie e attorno ci sono subunità associate al canale (subunità β γ).

Selettività dei canali ionici: come fanno i canali a selezionare gli ioni?

All’interno del canale poro c'è un filtro di selettività, in una regione più stretta del poro. Le pareti del poro sono a clessidra e dove è più stretto c'è il filtro di selettività.

In soluzione, gli ioni sono circondati da molecole d’acqua. Parte degli ioni di solvatazione viene persa. Gli ioni sodio hanno legato molecole d’acqua e interagiscono con le pareti del canale. Arrivano con molecole d’acqua, ne perdono un po' perché interagiscono con il filtro dato che il sodio interagisce con atomi del canale. Nella parete di selettività ci sono amminoacidi che espongono atomi carichi negativamente per interagire con molecole positive. Viceversa se voglio interagire e selezionare molecole negative.

Le dimensioni dello ione influenzano il filtro perché lascerà passare uno ione rispetto a un altro. Quindi la selettività dipende da:

• Cariche
• Raggio anidro dello ione
• Grado di disidratazione dello ione

Trasporti mediati attivi

Pompe ioniche e trasporto secondario:

I trasporti mediati non si muovono liberamente, c'è sempre il gradiente che influenza. Si dividono in due categorie:

• Primari: pompe ioniche, energia la prendono dall’ATP
• Secondari: energia la prendono dal movimento passivo di uno ione che si muove secondo gradiente di concentrazione (secondario perché sono secondari al movimento di un altro ione)

Pompe ioniche e trasporto passivo mediato. Stessa affinità nelle due conformazioni. Direzione de...