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 si 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 da 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 cosa 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 si che tutte le

cose 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

difronte 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 difronte 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 cose 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 e 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 è 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 si 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 cosi 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 grazia 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 si 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 poichè 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 iodico, 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 moviment