Fisiologia - Fisiologia delle cellule eccitabili

Fisiologia generale degli apparati

Programma:

Fisiologia cellulare 1

La membrana cellulare: struttura ed organizzazione

Doppio strato lipidico, costituito per la maggior parte da fosfolipidi e proteine.

• Protegge gli organelli cellulari dall’ambiente esterno.
• Permette il trasporto di nutrienti/messaggeri molecolari prodotti dal metabolismo cellulare.

Spessore della membrana: circa 8 nanometri.

Fosfolipidi

Molecole anfipatiche: testa idrofilica (polare), coda idrofobica (apolare).

Chimicamente è costituito da: glicerolo + gruppo fosfato + R (gruppo che caratterizza lo specifico fosfolipide).

Es. il principale fosfolipide della membrana è la colina.

La struttura polare ha caratteristiche idrofile, quindi è una struttura che ama stare a contatto con l’ambiente acquoso, viceversa le due catene di acidi grassi (le code) sono apolari, quindi idrofobe.

Quando abbiamo dei fosfolipidi in ambiente acquoso avranno la tendenza a formare un bilayer (doppio strato) dove le teste sono esposte verso l’acqua mentre le code sono rivolte all’interno.

Questo è l’elemento che caratterizza la membrana cellulare: doppio strato fosfolipidico.

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Il doppio strato:

• È permeabile a tutte le molecole lipofile (che derivano dai lipidi) o anche ai gas che si sciolgono bene nei lipidi.
• È impermeabile al passaggio di tutti gli elementi polari o di grosse dimensioni.

Le sostanze citate per ultime possono attraversare il doppio strato solo grazie all’ausilio di specifiche proteine (canali trasportatori).

Le proteine di membrana

Possono essere suddivise in due grandi categorie:

• Estrinseche: legate debolmente alla superficie della membrana plasmatica, possono essere sul versante extracellulare o su quello citoplasmatico.
• Integrali: attraversano completamente lo spessore del doppio strato lipidico.

Es: questa proteina attraversa con dei segmenti transmembrana per 7 volte il doppio strato fosfolipidico. Casi di questo tipo prevedono la formazione di loop o anse di collegamento dei segmenti transmembranici.

Esse possono essere extracellulari o intracellulari.

I canali e i trasportatori sono proteine integrali.

Tipologie di proteine di membrana

1. Proteine strutturali: in particolare tutte le proteine che sono in interazione col citoscheletro, ma anche proteine di adesione cellulare.
2. Enzimi.
3. Recettori.
4. Trasportatori.
5. Canali.

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Permeabilità e trasporto di sostanze attraverso la membrana: trasportatori e canali ionici

Proteine canale

Proteine integrali della membrana.

La membrana è spessa 8 nanometri, loro sono alti 10 nanometri.

I canali possono essere divisi in due grandi categorie:

• Canali passivi: di fatto non sono dotati di un meccanismo di chiusura ma sostanzialmente sono dei pori che rimangono sempre aperti.
• Canali attivi: normalmente questi canali rimangono chiusi; a seguito di un opportuno stimolo a cui sono selettivamente sensibili vanno incontro all’apertura (stimoli = segnali chimici, meccanici, elettrici).

A seconda dello stimolo a cui selettivamente rispondono si ha una classificazione.

I canali veicolano il passaggio attraverso la membrana di H₂O, ioni e molecole solo a favore del gradiente elettrochimico.

I canali sono degli elementi fondamentali per il trasporto facilitato, la cosiddetta diffusione facilitata.

Proteine trasportatrici carriers

Sono anch’esse proteine integrali della membrana.

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Riescono a trasportare degli elementi, ioni o piccole molecole, eseguendo un lavoro più complesso.

Necessitano di legare con una specifica stechiometria un numero limitato di elementi trasportabili (es. 1 singolo ione alla volta, in altri casi possono essere legati più ioni o molecole ma sempre un numero piccolo).

In seguito avviene una transizione conformazionale della proteina trasportatrice.

Il meccanismo di trasporto è meno efficace rispetto a quello messo in atto dal canale: i trasportatori muovono qualche migliaio di molecole o ioni al secondo a differenza dei canali che muovono centinaia di milioni di molecole al secondo.

I trasportatori possono effettuare un processo di:

• Trasporto facilitato: muovere ioni e molecole a favore di gradiente.
• Trasporto attivo: processo di trasporto contro gradiente elettrochimico, utilizzando ATP.

Canali ionici

Sono proteine di membrana, ad alto peso molecolare, da cui dipende l’eccitabilità di membrana: il potenziale a riposo (negativo), capacità di generare il potenziale d’azione, i potenziali postsinaptici eccitatori ed inibitori del neurone e del muscolo liscio e striato.

Sono proteine ubiquitarie, espresse da tutte le cellule.

Integrate nella membrana.

Importanti per:

• Farmacologia: sono il bersaglio di numerosi farmaci.
• Patologia: alterazioni fisiopatologiche dovute a mutazioni o alterazioni della funzionalità legate alla possibilità che questi canali ionici vengano in qualche modo influenzati negativamente con il legame con tossine.

Es. il veleno di certi serpenti è composto da neuropeptidi che hanno come bersaglio principale i canali ionici.

Membrana:

• Doppio strato lipidico (8 nm di spessore).
• Completamente impermeabile agli ioni in assenza di proteine.

Proprietà dei canali ionici

• Permettono diffusione passiva facilitata di ioni/H₂O/piccole molecole.
• Flusso rapidissimo (10⁶-10⁸ ioni/sec) che passa attraverso a ioni di diametro 0,4-0,8 nm.
• Riconoscono e selezionano gli ioni.
• Se passivi sempre aperti, se attivi si aprono in risposta a stimoli diversi.

Ci sono canali ionici più grandi, come per esempio quelli formati dai connessioni nelle sinapsi elettriche che possono permettere il passaggio non solo di ioni ma anche di piccole molecole e in questo caso parliamo di canali ionici.

Classificazione dei canali ionici

In base al meccanismo di «gating»: meccanismo che porta il canale dallo stato chiuso allo stato aperto.

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• Passivi, «non gated»: canali passivi o di riposo (Vmriposo: es. canali K+). Canali di fatto sempre aperti. Importanti per spiegare come mai tutte le cellule in stato di riposo hanno un potenziale di membrana negativo: questo perché tutte le cellule possiedono sulla propria membrana un abbondante numero di canali passivi permeabili selettivamente al potassio.
• Attivi, «gated»: stato aperto/stato chiuso. Sono normalmente allo stato chiuso ma se stimolati da una specifica forma di energia a cui loro sono selettivamente sensibili passano allo stato aperto.

A loro volta classificabili in:

1. Voltage-gated ion channels: canali che si aprono in risposta a variazioni del potenziale di membrana. Tipicamente si aprono a fronte di una depolarizzazione di membrana (da potenziale negativo si ha un potenziale positivo). Esistono, a livello del cuore ad esempio, canali voltage gated che si aprono a seguito di un’iperpolarizzazione. In generale questo tipo di canale è molto importante perché vengono chiamati in causa quando parliamo di eccitabilità di membrana. Lo stimolo elettrico dà l’energia necessaria al passaggio dallo stato chiuso allo stato aperto, questo è dovuto alla particolare composizione della sequenza amminoacidica che caratterizza questa proteina canale: gli amminoacidi che formano queste proteine hanno cariche positive. Con la positivizzazione del citoplasma abbiamo gli amminoacidi che formano la proteina canale che non sono più in una configurazione energetica stabile, avendo positività all’interno della cellula queste strutture vanno incontro ad una repulsione delle cariche dello stesso segno e tendono a spostarsi verso l’esterno. Questo spostamento conferisce una transizione conformazionale che porterà il canale ad aprirsi.
2. Ligand-gated channels: attivati da uno stimolo chimico. Dotati di un sito recettoriale: dopo che il recettore si è legato al sito il canale varia la sua conformazione sterica permettendo il passaggio. Il ligando può anche essere intracellulare, ligando citoplasmatico. La maggior parte dei ligand-gate si attivano per legame del recettore canale con un ligando extracellulare o intracellulare. Se i canali hanno sito recettoriale e struttura canale: in un unico elemento proteico: ligand-gate o ionotropici; in più elementi proteici: ligand-gate metabotropici: il recettore lega il ligando, si attiva, proteina G attiva una cascata, il canale si apre. 6 Chiamati in causa quando parleremo di trasmissione sinaptica chimica.
3. Mechanosensitive ion channels: attivati da stress meccanico. La forma di energia che porta il canale dallo stato chiuso allo stato aperto è lo stress meccanico (= distensione o contrazione) a cui va incontro la membrana in cui il canale è inserito. Tutti i neuroni sensoriali della sensibilità somatica (es. tatto) utilizzano questa tipologia di canali.
4. Temperature-gated channels: attivati a seguito della variazione della temperatura, sono canali molto importanti per la sensibilità. Vengono più propriamente definiti come polimodali, ovvero non sono attivati solo da una specifica temperatura ma anche da un legame con uno specifico ligando. Es. i canali TRPV1 sono attivati da una temperatura in un range di 50 gradi, la sensazione che abbiamo quando vengono attivati questi canali è di un calore intenso che sconfina nel dolore. Questo canale è anche attivato dalla capsaicina (contenuto nel peperoncino rosso) e dall’elicina (contenuto nell’aglio); entrambi questi due elementi quando vanno ad attivare i canali TRPV1 danno una forte sensazione di alta temperatura.

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Filtro selettività ionica

In che modo e perché uno specifico canale è in grado di essere permeabile ad una sola specie ionica.

Prima degli anni 70 la difficoltà di trovare una spiegazione alla selettività fece propendere per l’ipotesi del trasportatore.

Solo negli anni ’70 tale ipotesi fu abbandonata, con i primi valori ottenuti per la velocità di flusso 10⁸ ioni/sec, incompatibili con la velocità di trasporto dei trasportatori (10³ ioni/sec della pompa Na+/K+).

La nube di idratazione del sodio è maggiore di quella del potassio: in virtù della sua più alta densità di carica, stessa carica ma è più piccolo.

La nube di idratazione è legata al fatto che l’acqua si comporta come un dipolo elettrico essendo l’ossigeno più elettronegativo dell’idrogeno.

Tutti gli ossigeni sono legati a Na; su Cl avremo una nube di idratazione con tutte le parziali cariche positive (H) legate allo ione cloro.

Questa diatriba venne risolta in seguito quando scoprirono che...

La selettività ionica si basa sul riconoscimento chimico: AA polari sulla parete interna del poro (vestibolo) costituiscono un vero e proprio sito di legame selettivo con conformazione tridimensionale adatta per lo ione, caratterizzato da bassa affinità: molto bassa rispetto a quella che potrebbe avere un enzima per il suo substrato e da tempi di legame rapidissimi, decimi di microsec.

Di fatto il legame dello ione con il sito recettoriale permette allo ione di essere spogliato della nube di idratazione che lo ingombra.

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Staccandosi dal sito recettoriale, lo ione può muoversi (secondo gradiente elettrochimico) da un capo all’altro della membrana.

Legami deboli dello ione con i gruppi funzionali carichi posti sulle pareti del vestibolo del canale fanno sì che lo ione abbandoni l’H₂O del suo alone di idratazione e sia libero quindi di muoversi secondo gradiente (certi canali più grandi fanno passare anche una parte della nube di idratazione).

Intensità del campo elettrico dello ione in rapporto alla densità di cariche nel sito di legame.

Il filtro di selettività ionica nei canali del Ca²⁺ voltaggio dipendenti

È stato identificato a livello di 4 sequenze posizionate in modo tale da far ritrovare 4 aa identici (glutammato) tutti coordinati alla stessa altezza.

Il gruppo funzionale terminale è COOH che in soluzione diventa COO-.

Queste 4 cariche negative vanno a costituire il sito di legame per lo ione Ca²⁺.

Meccanismi di apertura, chiusura e refrattarietà dei canali

(Questa trattazione riguarda solamente i canali di tipo attivo).

Una volta che il canale è aperto non passa tutto il tempo in una posizione di apertura ma può tornare, se lo stimolo che lo ha portato all’apertura perdura nel tempo spontaneamente, in una condizione di stato; è probabile che lo stato aperto attivo del canale muti in uno stato chiuso non attivabile refrattario.

Questo stato assume due diversi nomi.

Desensitizzato: per i canali ligand gate, quindi attivabili da ligando es. processo di fosforilazione.

INA