Fisiologia

La membrana cellulare

La membrana cellulare delimita l'intera cellula, fungendo da barriera e contenendo all'interno i vari organuli. Formata da un doppio strato fosfolipidico, che la rende impermeabile all'acqua. Separa il liquido intracellulare (LIC) dal liquido extracellulare (LEC, somma del liquido interstiziale e del plasma). La composizione del LIC e del LEC viene sempre mantenuta stabile, grazie all'impermeabilità della membrana. Questa è una barriera selettiva.

Componenti della membrana

• Molecole di colesterolo, che donano fluidità ed evitano che lo strato membranale risulti rigido;
• Proteine, che si dividono in estrinseche ed intrinseche. Quest'ultime attraversano tutta la membrana plasmatica, le estrinseche si dispongono solo sulla superficie.

La membrana cellulare, quindi, è a modello a mosaico fluido, perché possiede questa capacità di muoversi e deformarsi a seconda delle necessità.

Le variazioni omeostatiche e il feedback

Una variazione interna ed esterna implicherà una variazione dell'omeostasi. Omeostasi definisce la capacità di autoregolazione degli esseri viventi. Se l'organismo non riesce a compensare presenterà una patologia. L'omeostasi è controllata da meccanismi a feedback negativo o positivo. Il primo aiuta a mantenere la stabilità di un sistema, contrastando i cambiamenti dell'ambiente esterno. Il secondo amplifica la possibilità di evoluzione dell'anomalia.

Un esempio di feedback positivo è quello che controlla la secrezione dell'LH. L'ormone stimola la secrezione degli estrogeni, che stimola, a sua volta, il rilascio di altri LH e così via. Un'eccessiva produzione di estrogeni fa sì che venga introdotto un nuovo elemento, capace di arrestare il rilascio di LH. Anche il processo di termoregolazione corporea è regolato da un processo a feedback negativo.

Un feedback negativo, in generale, funziona così:

• Rilevazione anomalia
• Integrazione informazioni
• Attivazione meccanismi di ripristino
• Ripristino valore del parametro

La regolazione sia a breve termine che a lungo termine; può essere di tipo locale o di tipo generale.

La membrana come sede di fenomeni elettrici

La membrana è sede di fenomeni elettrici. Essa è infatti dotata di un potenziale di membrana, uno squilibrio elettrico che si viene a creare fra il LIC e il LEC, a causa della differenza di quantità di ioni disciolti in ciascun liquido. È possibile osservare come alcuni ioni si trovino o solo all'interno della cellula o solo all'esterno, e creino squilibrio elettrochimico.

• Na⁺: Molto concentrato nel LEC;
• Cl^-: Molto concentrato nel LEC;
• K⁺: Molto concentrato nel LIC;
• HCO₃^-: Ione bicarbonato, più nel LEC;
• Proteine: Al pH fisiologico dell'organismo, le proteine si trovano in forma ionizzata negativa. Esse influiscono così come anioni. Sono concentratissime nel LIC.

In ogni compartimento è presente un equilibrio elettrico, dato dal fatto che il numero di anioni e di cationi si bilanciano. Tra compartimento e compartimento c'è sempre una differenza quantitativa totale di ioni. Questo è necessario per il fenomeno dell'osmosi. La differente concentrazione di ioni fra i vari compartimenti permette la diffusione osmotica dell'acqua da maggior gradiente di concentrazione a minore.

Le proteine di membrana e i differenti meccanismi di trasporto membranale

Le proteine di membrana possono essere di due tipologie:

• Proteine che fungono da canali. Queste possono essere o sempre aperte o regolate da sistemi di apertura-chiusura. Il flusso che viene a crearsi è detto flusso passivo perché è un flusso che sfrutta leggi fisiche e il gradiente di concentrazione.
• Carrier. Non formano mai un canale aperto. È un tipo di trasporto che segue le leggi della diffusione ma sfrutta una proteina di trasporto. Flussi attivi. Il carrier può essere uniporto (una molecola), simporto (due molecole) e antiporto (due molecole, ma in direzione una opposta all'altra; utilizzo di ATP).

Flussi ionici transmembranali

I flussi ionici avvengono secondo due meccanismi:

• Flussi ionici passivi, per diffusione, attraverso canali ionici, sempre secondo gradiente di concentrazione.
• Flussi ionici attivi, mediati da un carrier. Avvengono sia secondo gradiente che contro gradiente di concentrazione.

Il flusso ionico passivo segue la Legge della Diffusione di Fick: F = P (C₁ – C₂).

Dipende da:

• Intensità della forza spingente (C₁ – C₂);
• Coefficiente di permeabilità della membrana a un determinato numero di ioni (P_X).

P_X è direttamente proporzionale a F_X.

Il potenziale di membrana

Il potenziale di membrana è la separazione di cariche elettriche ai due lati della membrana plasmatica. Questa differenza in numero di cariche fra LEC e LIC accumula energia sotto forma di gradiente elettrico. La membrana diviene polarizzata (negativa all'interno e positiva all'esterno). Il potenziale di membrana (V_m) corrisponde alla differenza di potenziale fra interno (V_i) e esterno (V_e) della cellula.

V_m = V_i – V_e

Si misura in mV (millivolt) e il valore medio è di -70mV.

Fattori che determinano il potenziale di membrana

• Gradiente di concentrazione;
• Permeabilità selettiva della membrana;
• Pompa Na⁺ - K⁺ (sodio-potassio), che mantiene asimmetrica la distribuzione degli ioni sui lati della membrana, muovendosi anche contro gradiente di concentrazione.

Il potenziale di membrana permette la possibilità di generare segnali elettrici nelle cellule eccitabili e la possibilità di scambiare materiali attraverso la membrana. Il potenziale consiste, in uno stato stazionario fra le concentrazioni ioniche asimmetriche ai due lati della membrana, associato a flussi ionici che si bilanciano continuamente. Un aspetto che spiega perché le cariche negative siano all'interno della cellula, mentre quelle positive all'esterno è dato dall'equilibrio di Gibbs-Donnan.

Nel caso in cui i canali proteici di membrana siano sempre aperti, i vari ioni fluiranno attraverso questi fino a che la concentrazione di ioni all'interno e all'esterno della cellula non sarà la stessa. Nel caso in cui in un compartimento siano presenti anche molecole che non possono passare attraverso i canali ionici, si avrà un aumento di cariche negative in un compartimento e una differenza di potenziale. L'equilibrio di Gibbs-Donnan ci permette di comprendere la causa del fatto che in due compartimenti è presente una perturbazione dell'equilibrio complessivo che provoca un aumento della pressione osmotica, chiamata pressione oncotica.

Equilibrio elettrochimico

In una situazione di equilibrio elettrochimico, le forze chimiche ed elettriche di segno opposto coincidono e i flussi ionici netti sono uguali a 0.

• Potenziale di equilibrio del Na⁺: differenza di potenziale che si avrebbe a cavallo di una membrana se il Na⁺ potesse attraversarla liberamente. Nel caso in cui il flusso ionico di Na⁺ fosse uguale a 0 l'equilibrio sarà di E_Na = +65mV.
• Potenziale di equilibrio del Cl^-: Nel caso in cui il flusso ionico di Cl^- fosse uguale a 0 l'equilibrio sarà di E_Cl = -90mV.
• Potenziale di equilibrio del K⁺: Nel caso in cui il flusso ionico di K⁺ fosse uguale a 0 l'equilibrio sarà di E_K = -85mV.

Per calcolare questi valori è necessario rifarsi all'equazione di Nerst:

• E è il potenziale di equilibrio
• R la costante dei gas
• T la temperatura assoluta
• F la costante di Faraday
• z valenza dello ione

Descrive il potenziale di membrana prodotto da un singolo ione, nel caso ideale che la membrana sia permeabile solo a quello ione. La situazione in realtà è molto diversa: la membrana non è mai permeabile ad una sola tipologia ionica, ma a più di una. Per questo motivo si utilizza l'equazione di Goldmann, una derivazione di quella di Nerst:

• dove P è la permeabilità dello ione.

Potenziale di membrana a riposo

Il potenziale di membrana varia fra -65mV (cellule nervose) e -90mV (muscolari). Il potenziale di membrana medio è di -70mV, a riposo. In questo caso, il Na⁺ si trova più concentrato all'esterno e tende ad entrare per gradiente di concentrazione ed elettrico. Il K⁺ più concentrato all'interno e tende ad uscire sotto l'effetto del gradiente di concentrazione chimico e a rientrare per effetto del gradiente elettrico. Il gradiente elettrico e il gradiente chimico tendono a raggiungere un equilibrio dinamico. Il risultato è un valore medio fra i vari potenziali di equilibrio degli ioni più influenti.

Pompa Na⁺ - K⁺

Elemento fondamentale per il bilanciamento dei flussi ionici di Na⁺ e K⁺. La pompa effettua un processo attivo di trasporto dei due ioni contro gradiente elettrochimico. Essa utilizza particolari proteine intermembranose. Tre ioni di Na⁺ si legano alla pompa, su siti specifici. L'idrolisi di ATP fornisce energia. La pompa si apre verso l'esterno della cellula e rilascia gli ioni Na⁺ e lega due ioni K⁺. Ogni 3 ioni sodio espulsi, entrano 2 ioni potassio. Pompa elettronegativa.

Un’attività cellulare dipendente dal gradiente di Na⁺: il trasporto di glucosio

Facciamo un esempio per capire a cosa può servire avere, per la cellula, una differenza di concentrazione fra l'interno e l'esterno e come questo possa partecipare allo svolgimento di alcune funzioni cellulari. Possiamo osservare una sezione di tubulo renale. Il tubulo presenta un epitelio monostratificato, con cellule che presentano una membrana luminale (verso il lume, a contatto col liquido prodotto dal rene) e una membrana basale (verso il liquido interstiziale). La presenza del gradiente di sodio sulla membrana luminale, permette il riassorbimento del glucosio. Finché il livello di glucosio nel sangue non raggiunge un certo limite, il sistema di riassorbimento del glucosio è sufficiente per recuperare il glucosio riversato dal rene nel tubulo. Nel caso che il glucosio sia presente in quantità maggiori, viene recuperato diversamente. Il glucosio però è una molecola di grandi dimensioni, che non può attraversare la membrana: deve, quindi, utilizzare un trasportatore. Quest'ultimo sfrutta il gradiente del sodio. L'energia necessaria per trasferire le molecole verso l'interno della cellula viene dal gradiente del sodio. Le molecole di sodio, legandosi al trasportatore, che legano il glucosio, costringono il trasportatore ad effettuare il trasporto verso l'interno della cellula. Il sodio, poi, viene ributtato fuori. Una volta dentro, il glucosio viene portato, grazie ad un altro trasportatore, fuori dalla cellula, dal lato della membrana basale. Quindi nelle cellule dei tessuti eccitabili, la membrana cellulare può alterare i valori del potenziale di membrana, fino a generare dei segnali elettrici di elevata intensità che permettono di svolgere una funzione locale e propagarsi a grandi distanze.

Variazioni del potenziale di membrana

Unità di misura del potenziale di membrana: mV (millivolt). La rappresentazione delle variazioni del potenziale di membrana si può fare utilizzando gli assi cartesiani, in cui sulle ascisse poniamo il tempo (in ms) e sulle ordinate il PdM in mV. Su questa scala utilizziamo la parte negativa, poiché il valore di riposo della cellula è circa -70mV. Per cui, finché il PdM resta stabile, tracciamo una linea che rimane sempre allo stesso valore. Nelle membrane cellulari però si manifestano delle variazioni del PdM. Per esempio, se entrano cariche positive succede che il valore del PdM diminuisce e avviene una depolarizzazione. Se le cariche positive entrate vengono fatte uscire, avviene la ripolarizzazione. Se aumenta il numero di cariche negative presenti all'interno avviene una iperpolarizzazione.

I potenziali graduati

I potenziali di piccola entità vengono chiamati potenziali graduati. Vengono evocati dalla presenza di uno stimolo, che andrà ad alterare il PdM. Lo stimolo è direttamente proporzionale all'ampiezza della variazione del PdM. Le variazioni del potenziale possono essere sia in senso depolarizzante che iperpolarizzante. I potenziali graduati possono anche propagarsi a breve distanza. Le alterazioni elettriche disturbano la situazione elettrica delle zone adiacenti: si dice che il potenziale graduato si propaga a breve distanza, mediante la manifestazione delle correnti elettrotoniche. Queste non sono altro che flussi ionici passivi, sia parallele che trasversali alla membrana. Queste correnti elettrotoniche permettono al PdM di raggiungere zone adiacenti. Con l'aumentare dell'intensità diminuisce l'intensità della corrente elettrotonica.

Il potenziale d'azione e la legge del tutto o nulla

I potenziali graduati sono molto più piccoli del potenziale di azione (PdA). Il potenziale graduato arriva al massimo intorno ai -40mV. Il PdA è un fenomeno, quindi, molto più imponente dei potenziali graduati, nel quale si ha anche un'inversione della distribuzione delle cariche. Anche il PdA è accompagnato da correnti elettrotoniche.

Nella figura, allo stimolo d₁ corrisponde il primo potenziale graduato, che sarà di ampiezza proporzionale all'intensità dello stimolo. Allo stimolo d₂ corrisponde il secondo potenziale graduato. Allo stimolo d₃ corrisponde un potenziale graduato che raggiunge la soglia (-40mV), provocando un PdA. La soglia è un valore di differenza di potenziale, al di sopra del quale viene innescato il PdA. A differenza dei potenziali graduati (sottosoglia), il PdA o avviene tutto, oppure non avviene. Gli stimoli sottoliminari provocano i potenziali graduati. Uno stimolo liminare raggiunge la soglia, innescando un PdA e una serie di processi a catena: lo stimolo liminare scatena un altro stimolo, sovraliminare, che a sua volta ne scatena un altro, e così via. È importante ricordare come, anche se il potenziale graduato supera la soglia di un buon margine, il PdA derivante è sempre uguale. Questo può raggiungere lunghe distanze.

Facendo riferimento alla figura a lato, è possibile vedere come si propaga il potenziale graduato e il PdA. Un potenziale graduato più ampio è associato a correnti più intense. Se ad una certa distanza dal punto di stimolo (precisamente nella zona trigger), il potenziale graduato raggiunge il valore soglia, allora questo provocherà un PdA. Ecco, dunque, qual è il senso di stimoli più forti. Uno stimolo più intenso si disperde a distanze maggiori e nel caso che la zona trigger sia distante, il potenziale graduato derivante da uno stimolo intenso, ha più possibilità di raggiungere la zona trigger con valori ancora sovrasoglia e provocare un PdA.

Sommazione dei potenziali graduati

• Sommazione spaziale: gli effetti degli stimoli che interessano aree adiacenti danno origine a potenziali graduati che si sommano.
• Sommazione temporale: gli effetti degli stimoli che si succedono rapidamente su una regione della membrana danno origine a potenziali graduati tanto ravvicinati nel tempo, che un potenziale successivo si somma al precedente. Un maggiore ravvicinamento implica una maggiore sovrapposizione.

La secrezione di insulina

Quando le cellule del pancreas sono a riposo, non secernono insulina. Quando il glucosio nel sangue aumenta, si vanno a chiudere i canali per il K⁺. La membrana, così, si depolarizza. Questa depolarizzazione fa sì che si aprano i canali voltaggio-dipendenti (dipendono dalla depolarizzazione) per il Ca²⁺, il quale entra nella cellula e stimola la produzione di insulina, per demolire il glucosio.

I canali voltaggio-dipendenti

È importante ricordare che l'insorgere di PdA è possibile solo in quelle cellule eccitabili, le quali presentano una membrana capace di depolarizzarsi e ripolarizzarsi, grazie alla presenza di canali ionici, canali voltaggio-dipendenti. Questi appartengono ad un gruppo più generale di canali, che sono comunque proteine transmembrana. La loro struttura tridimensionale permette il passaggio soltanto ad alcuni tipi di ioni. Un canale voltaggio dipendente presenta una porzione proteica, con delle cariche (positive o negative) distribuite in modo da formare una struttura che presenta un'estremità positiva e una negativa. Facendo riferimento alla parte sinistra della figura, il campo elettrico fa sì che il dipolo si orienti in modo da chiudere il canale. Se cambia la distribuzione delle cariche attorno alle proteine, il dipolo tende ad aprirsi, permettendo il passaggio di ioni.

I canali chemio-dipendenti

Il passaggio fra uno stato aperto e uno stato chiuso è fatto variare dal legame con una particolare molecola chimica. Ogni volta che una molecola chimica si lega ad un recettore specifico sulla proteina, questa cambierà la propria conformazione, aprendo o chiudendo il canale ionico.

Stati dei canali ionici dipendenti

Nella famiglia dei canali ionici dipendenti, esistono:

• Dei canali a 2 stati, canali voltaggio-dipendenti per il K⁺.
• Dei canali a 3 stati, canali voltaggio-dipendenti per il Na⁺. I primi presentano una sola porta, che apre il canale quando variano le condizioni elettriche o chimiche circostanti e lo chiude quando le condizioni ritornano quelle iniziali.

I canali a 3 stati (attivato, chiuso e inattivato) possiedono 2 porte, una all'ingresso del can...