Fisiologia

Daniela Garstea fisiologia

Proprietà delle membrane biologiche: meccanismi di trasporto

Il corpo umano è organizzato a livelli. Si parte dai livelli micro e si arriva ai livelli macro. Si parte dagli atomi per poi arrivare alle cellule, per arrivare ai tessuti, poi agli organi e infine agli apparati. Diversi apparati costituiscono la totalità dell'organismo. Ogni organo e tessuto ha una sua funzione specifica. Diversi apparati e organi vanno a funzionare in sinergia tra di loro. Fra i diversi sistemi c'è integrazione e sinergia per svolgere le funzioni.

La fisiologia è lo studio delle funzioni degli esseri viventi. All'interno della fisiologia c'è la branca della fisiopatologia che va a considerare le funzioni degli esseri viventi quando siamo in condizioni di patologia. La fisiologia studia l'omeostasi. L'omeostasi è un equilibrio dinamico. All'interno del nostro organismo possono esserci delle variazioni:

• Esterne di tipo ambientale (es: in un ambiente freddo il nostro corpo va ad attuare delle risposte)
• Interne possono essere rappresentate da diversi fattori come la genetica (per esempio, delle mutazioni possono avvenire per genetica). Le variazioni interne causano effetti nei circuiti cerebrali. Questi circuiti vanno incontro ad un'aumentata attività elettrica.

Il nostro corpo cerca di reagire alle variazioni, ma in condizioni fisiopatologiche non riesce a ricreare una situazione di equilibrio omeostatico e bisogna intervenire farmacologicamente dove possibile. Le variazioni producono una perdita dell'omeostasi e il nostro organismo cerca di compensare. Se la compensazione avviene con successo viene ristabilita l'omeostasi.

Esempio omeostasi: controllo della temperatura corporea

Il nostro corpo ha un set della temperatura di circa 37,2°. Se l'omeostasi è alterata viene percepita come uno stimolo ai recettori. I recettori inviano le info all'ipotalamo e quest'ultimo va a dare delle info a degli organi effettori. L'ipotalamo è il centro di controllo della temperatura. Nello specifico gli effettori possono essere i vasi sanguigni o le ghiandole sudoripare. Viene aumentata la sudorazione e la vasodilatazione dei vasi. Se la temperatura è sotto i 37.2° lo stimolo va ai recettori che mandano info al centro di controllo. Gli effettori andranno ad agire sulle ghiandole sudoripare, sul muscolo scheletrico e sui vasi. Verrà quindi ridotta la sudorazione. Inoltre, verrà diminuito il flusso ematico nella pelle.

All'interno del corpo ci sono ambienti interni ed esterni. All'interno della cellula c'è un ambiente cellulare che è racchiuso dalla membrana plasmatica. La membrana è formata da un doppio strato fosfolipidico e ha la funzione di protezione. I liquidi, per passare da una parte all'altra, devono attraversare la membrana plasmatica. La membrana plasmatica è la barriera tra l'ambiente intracellulare e quello esterno. Il liquido extracellulare fa da tampone tra il liquido dentro le cellule e quello dell'ambiente esterno. I liquidi corporei, quindi, sono presenti nell'ambiente intracellulare (2/3 del volume di acqua corporea) e nell'ambiente extracellulare (1/3) da una membrana plasmatica.

• Liquido interstiziale si trova tra sistema circolatorio e le cellule
• Plasma è il liquido all'interno dei vasi sanguigni. È la matrice liquida del sangue.

Le sostanze che si spostano dentro e fuori dal liquido intracellulare devono attraversare la membrana cellulare. Le sostanze che, invece, si muovono tra il liquido interstiziale e il plasma devono attraversare l'epitelio in delle zone deputate allo scambio.

I compartimenti corporei, invece, sono in una condizione di squilibrio chimico. La membrana plasmatica è una barriera selettiva. All'interno della cellula abbiamo una bassa concentrazione di sodio e un'elevata concentrazione di potassio.

Distribuzione dei soluti nei compartimenti corporei

Nel plasma c'è un'elevata concentrazione di proteine. Queste non riescono a passare l'endotelio per finire nei capillari. Le proteine sono molto grandi e grosse e, non riuscendo a superare l'endotelio, rimangono nel plasma. Liquido interstiziale e plasma hanno una composizione ionica identica, ma differiscono per il contenuto di proteine (> nel plasma). I soluti dotati di carica elettrica (ioni Na⁺, K⁺, Cl^- e HCO₃^-) sono distribuiti differentemente tra LIC e LEC: questo crea uno squilibrio elettro-chimico tra LIC e LEC. Quindi, tra i due compartimenti abbiamo uno stato stazionario dinamico. Le composizioni di ioni sono differenti nei due spazi.

Membrana plasmatica

Va a determinare lo squilibrio tra i due compartimenti. Attraverso la membrana plasmatica alcune sostanze riescono a passare liberamente, altre, invece, come le grosse molecole, non riescono a diffondere a meno che un meccanismo di trasporto non venga messo in azione. Piccole molecole possono passare attraverso proteine canale. Le proteine, invece, non riescono a passare attraverso i meccanismi di trasporto. Per il loro spostamento c'è bisogno di meccanismi di esocitosi ed endocitosi.

Trasporto

Ci sono due tipologie di trasporto:

• Attivo richiede energia per far sì che ioni e sostanze vengano trasportati da un compartimento ad un altro
• Trasporto in vescicole attivo
  • Esocitosi
  • Endocitosi
  • Fagocitosi
• Mediato da proteine:
  • Diretto o trasporto attivo primario (ATP)
  • Indiretto o trasporto attivo secondario (gradiente di concentrazione creato dall'ATP)
• Passivo non si richiede energia
  • Diffusione semplice da minor concentrazione a maggior concentrazione
  • Mediato da proteine:
    • Diffusione facilitata: entrano in gioco delle proteine che sono localizzate all'interno della membrana plasmatica e favoriscono l'ingresso o l'uscita di determinate sostanza. Sfrutta il gradiente di concentrazione
    • Canale ionico: sfrutta il gradiente elettrochimico (la differente concentrazione tra un compartimento e l'altro) degli ioni e le differenti cariche elettriche.
    • Acquaporine

Processi passivi

Diffusione semplice: passano per diffusione semplice alcuni gas (O₂, CO₂) e sostanze liposolubili (colesterolo, trigliceridi). Le molecole si spostano da aree a maggiore concentrazione verso quelle a minor concentrazione. Maggiore è la differenza di concentrazione tra i due compartimenti e maggiore sarà la forza che permetterà alle molecole di spostarsi da un compartimento all'altro. Questo meccanismo non richiede energia e avviene sfruttando i gradienti di concentrazione, da una concentrazione maggiore ad una minore. Ci sono diversi fattori che influenzano la velocità di diffusione e questi sono l'entità del gradiente (maggiore è la differenza a livello di concentrazione a livello dei compartimenti e maggiore sarà la forza consentita alle molecole che permette loro di spostarsi da un compartimento all'altro). Inoltre, è influenzata anche dalla presenza di proteine canale.

Osmosi: l'acqua si muove per osmosi tra interno ed esterno della cellula. L'acqua fluisce dal compartimento dove c'è minor concentrazione verso quello a maggior concentrazione. Il fine è quello di ricreare un equilibrio dinamico. L'osmosi non richiede energia. L'acqua si sposta verso il compartimento con maggiore concentrazione di soluti. Le soluzioni che si formano si dicono isosmoticge; hanno, cioè, la stessa concentrazione. L'osmosi continua finché il gradiente non viene eliminato.

Diffusione facilitata: passano zuccheri semplici, aminoacidi. Non richiede energia, dipende da proteine trasportatrici di membrana (carrier). Questo meccanismo è in favore del gradiente di concentrazione. Vi è un cambio conformazionale della proteina trasportatrice di membrana. Questo cambio conformazionale consente il passaggio della molecola trasportata senza però mettere in collegamento i due compartimenti.

Flusso osmotico attraverso la membrana plasmatica:

• Soluzione isotonica = stessa concentrazione
• Soluzione ipotonica = minor concentrazione rispetto alla composizione interna dell'eritrocita
• Soluzione ipertonica = l'acqua esce dall'eritrocita e va verso l'esterno

Processi attivi

• Trasporto attivo
  • Avviene secondo gradiente
  • Richiede energia
  • Può essere di due tipi:
    • Primario: sfrutta l'ATP. Molecola di ATP viene scissa dall'ATPasi in ADP e fosfato inorganico. Questa pompa, quella del sodio potassio, permette l'espulsione di 3 molecole di sodio dalla cellula e porta due molecole di potassio all'interno della cellula. L'ATP permette di mantenere una situazione di equilibrio dinamico all'interno della cellula. La disponibilità di proteine carrier, il substrato e l'ATP condizionano la velocità.
    • Secondario
• Endocitosi richiede energia. Essa è mediata da vescicole. Nell'endocitosi mediata da recettori, sulla membrana plasmatica, sono presenti dei recettori a cui i ligandi vanno a legarsi. Una volta formato il legame ligando-recettore il complesso migra sulla membrana plasmatica fino a raggiungere delle zone che presentano la clatrina. La presenza della clatrina fa sì che venga formata una vescicola che presenta esternamente la clatrina e internamente il doppio strato fosfolipidico. Inoltre, all'interno, troviamo tutti i ligandi legati ai recettori. Quindi, le vescicole, o endosomi, vanno ad interagire nei lisosomi per far sì che venga liberato il contenuto all'interno delle vescicole. La parte di membrana verrà poi riassorbita a livello della membrana plasmatica e andrà a costituire un'altra parte di membrana plasmatica. Questo processo è limitato dal numero di recettori presenti sulla membrana. In aggiunto, è condizionato anche dal numero dei ligandi.
• Pinocitosi trasportano sia liquidi sia piccole molecole. Le sostanze coinvolte sono il liquido extracellulare e le molecole disciolte come nutrienti.
• Fagocitosi grosse particelle vengono inglobate da estroflessioni presenti sulla membrana plasmatica che si chiamano pseudopori.
• Esocitosi vescicole intracellulari contenenti diverse sostanze si fondono con la membrana plasmatica per rilasciare liquidi e solidi nell'ambiente esterno.

Pompa sodio-potassio ATPasi

Il processo prevede l'entrata di 2 ioni potassio nella cellula e l'uscita di 3 ioni sodio. Il sodio è più concentrato a livello extracellulare e il potassio è maggiormente concentrato a livello intracellulare. In generale, attraverso questi canali, il potassio viene riportato all'interno, mentre il sodio all'esterno; questo per far sì che venga mantenuta una differenza tra i due ambienti e, cioè, un differenziale di energia potenziale tra i 2 compartimenti. Per cui, la pompa sodio-potassio mantiene un equilibrio dinamico all'interno della cellula. Quindi, per ciascuna molecola di ATP convertita in ADP, vengono trasportati 3 ioni sodio all'esterno e due ioni potassio all'interno. Per mantenere l'equilibrio, la pompa tende a portare gli ioni all'interno e all'esterno.

La pompa cambia conformazione quando si lega al sodio. Dalla parte opposta al sodio si forma dei siti che legano il potassio.

Trasporto attivo secondario

Il trasporto del glucosio da parte della proteina carrier avviene dopo che la proteina ha legato due ioni sodio. Per cui, 2 ioni di sodio vengono legati e aumenta l'affinità di legame del sito per il glucosio. Quindi, ogni due ioni di sodio legati all'interno del carrier, viene consentito l'ingresso di 1 molecola di glucosio all'interno del citoplasma della cellula. Quindi, alla fine, in 3 cicli si ottengono 3 molecole di glucosio che entrano nel citoplasma e 6 ioni sodio vengono portati all'interno. Questo tipo di carrier sfrutta il gradiente di concentrazione del sodio per trasportare glucosio all'interno della cellula. A questo punto, per far sì che non ci sia uno squilibrio fra i compartimenti interni ed esterni, entra in gioco la pompa sodio potassio. Quindi, gli ioni sodio trasportati all'interno del citoplasma vengono riportati all'esterno tramite il consumo di ATP e contemporaneamente avviene l'ingresso di due ioni potassio all'interno della cellula. L'energia, quindi, non viene sfruttata direttamente dal carrier, ma viene sfruttato il diverso gradiente di concentrazione dello ione sodio tra interno ed esterno e, allo stesso tempo, per far sì che venga mantenuta la concentrazione la pompa sodio-potassio ATPasi fa sì che gli ioni sodio vengano riportati nell'ambiente di provenienza.

Trasportatori di membrana

Dal punto di vista di struttura ci sono diversi tipi di trasportatori di membrana.

• Proteine canale creano un poro pieno d'acqua. Inoltre, permettono il passaggio delle molecole da un ambiente ad un altro in perfetta continuità. Le proteine canale, inoltre, possono essere classificate in 2:
  • Canali controllati: si aprono e si chiudono in risposta a dei segnali specifici. Questi possono essere di tipo elettrico, per esempio. I canali controllati sono in due stati:
    • Aperti: non ci sono "porte". Permettono il passaggio continuo di molecole. Queste possono essere: ioni sodio, potassio o canali per l'acqua.
    • Chiusi: si chiamano anche canali controllati. Si aprono e chiudono in risposta a segnali
  • Canali aperti
• Proteine trasportatrici la differente conformazione delle proteine non consente un collegamento diretto tra interno ed esterno della cellula. Queste possono essere classificate in:
  • Carrier uniporto: trasportano un solo tipo di substrato
  • Carrier simporto: spostano 2 o più substrati nella stessa direzione attraverso la membrana
  • Carrier antiporto: spostano i substrati in direzioni opposte (es: sodio-potassio ATPasi)

Canali ionici di membrana

Le principali caratteristiche sono:

• Sono proteine transmembrana composte da molte subunità
• Consentono il passaggio di cariche (ioni) attraverso la membrana plasmatica
• Il flusso di ioni attraverso i canali è passivo (non richiede energia metabolica)
• Il flusso di ioni dipende da un gradiente elettrochimico
• Consentono il passaggio solo di alcuni ioni, ma non di altri sono, quindi, specifici
• I canali si aprono e si chiudono in risposta a stimoli chimici, elettrici e meccanici. Gli stimoli meccanici possono essere degli stress meccanici legati, per esempio, a differenze di temperatura
• Costituiscono il sito d'azione di droghe, farmaci, veleni e tossine

I canali voltaggio dipendenti vengono aperti in seguito a stimoli e a cambiamenti del potenziale di membrana. Inizialmente il canale è chiuso. Se avviene un potenziale d'azione, una volta raggiunto un certo valore, ovvero di -60 mV, abbiamo l'attivazione del cancello e il sodio può passare dall'ambiente extracellulare a quello intracellulare. Quando, invece, il potenziale raggiunge i +30V, il cancello va a chiudersi e si dice che il cancello è inattivato. Quindi, il canale voltaggio dipendente è in un periodo refrattario. Deve passare un tot di tempo, circa 1 ms, affinché il canale ritorni ad uno stato di chiusura. Chiusura significa che il canale può essere stimolato e, successivamente ad un potenziale d'azione, il voltaggio può nuovamente aprirsi. Quindi, il canale chiuso può essere attivato da uno stimolo. Se il canale è inattivo si può stimolare, ma non permette il passaggio del sodio. Quando è refrattario significa che, nonostante sia sottoposto a stimoli elettrici, non permette il passaggio del sodio. Il cancello rivolto verso il citoplasma si chiude e si instaura una refrattarietà assoluta. In tutti i tipi cellulari, la membrana opera una separazione di cariche tra esterno e interno della cellula. La membrana mantiene un equilibrio dinamico tra gli ioni presenti.

Potenziale di membrana a riposo

A riposo, l'interno della cellula è sempre più negativo dell'esterno. La membrana è un isolante ed è selettivamente permeabile. Permette il passaggio delle molecole in modo selettivo. Quindi, le proteine trasportatrici e i canali di membrana generano un gradiente e questo può essere:

• Elettrico: avviene la separazione di cariche
• Chimico: ci sono differenze di concentrazione

Tra i due lati di una membrana esiste un gradiente elettrochimico. Le cellule restano invece in equilibrio osmotico perché l'H₂O diffonde liberamente. Il gradiente elettrico tra il liquido extra- ed intracellulare si definisce come (differenza di) potenziale di membrana (a riposo). Ricorda che abbiamo più sodio all'esterno e all'interno abbiamo più potassio e anioni. In genere, il potassio va dall'interno all'esterno e all'interno rimangono gli anioni. Perciò, l'interno della cellula è negativo.

• Si definisce potenziale di membrana a riposo la differenza di potenziale attraverso la membrana in assenza di segnale
• Il potenziale di membrana a riposo è dovuto alla separazione di cariche ai due lati della membrana. L'eccesso di cariche + all'esterno e di cariche - all'interno rappresenta solo una parte del potenziale di membrana.