Fisiologia

GLUT.-

Reazione fra concentrazione intracellulare del glucosio in funzione del tempo

(immagine).

Se noi studiamo questo flusso in una condizione in cui omettiamo il gradiente

del sodio, vedremo che il trasporto c’è (facilitato dai GLUT) esso si arresterà

quando le concentrazioni intra ed extracellulari saranno uguali.

Se invece misuriamo il trasporto di glucosio in una soluzione fisiologica

contenente sodio, vediamo che la concentrazione intracellulare diventerà

molto maggiore di quella extracellulare, in questo caso la cellula accumula

glucosio. TRASPORTO TRANSEPITELIALE

In presenza di una barriera epiteliale sono presenti pompe sodio-potassio sul

lato basale dell’epitelio, che ha il compito di mantenere bassa la

concentrazione di sodio nelle cellule epiteliali, permettendo al sodio stesso di

entrare dal lato del lume nell’epitelio, per poi essere eliminato dalla pompa

dal lato basale.

Il sodio, tramite trasporto secondario, porta con sé anche altre molecole

(trasporto attivo secondario), le quali fanno aumentare la sua

concentrazione nell’epitelio in modo da poter diffondere passivamente nella

lamina basale e quindi nel sangue.

TRASPORTO DI MACROMOLECOLE

Nel nostro corpo sono presenti alcune molecole di grandi dimensioni che

devono attraversare la membrana (es. ormoni).

Tale attraversamento avviene tramite l’inglobamento delle molecole in

vescicole. Può avvenire per:

-Esocitosi: se le vescicole che hanno inglobato la molecola la portano fuori

dalla cellula.

-Endocitosi: se la spingono dentro.

Ad esempio, se un frammento di cibo o un microrganismo tocca la

membrana, viene portato dentro da una vescicola (fagocitosi). Talvolta le

cellule formano in modo causale vescicole che raccolgono tutto ciò che sta

fuori (endocitosi liquida) come fattori idrofili.

Può capitare che l’endocitosi può essere attratta da un recettore (endocitosi

mediata da un recettore o pinocitosi).

Il compito delle vescicole, quindi, non è svolto solamente per favorire il

trasporto di molecole di grandi dimensioni, ma anche di micromolecole.

ESOCITOSI: può essere un meccanismo spontaneo, in cui vi è una

formazione random di vescicole, o controllato da interruttori appositi che in

genere sono a loro volta regolati da ioni calcio.

FLUSSO DI MASSA: Il sangue, dal cuore, si dirige nelle arterie e nei capillari.

L’energia necessaria per compiere questo trasporto è data da un gradiente di

pressione, creato attivamente dal cuore.

In modo del tutto analogo, un gradiente di pressione ci permette di respirare.

POTENZIALI DI MEMBRANA

Iniziamo a parlare di potenziali di membrana a riposo.

Grazie ai trasporti attivi, ambiente esterno e ambiente interno sono

chiaramente diversi.

La conseguenza di tutto questo, vedremo, determina ai due lati di tutte le

cellule una differenza di potenziale di membrana, dovuta al fatto che siccome

il doppio strato fosfolipidico presenta un cuore idrofobico ma due facce

idrofiliche, determina la capacità di accumulare cariche.

Il doppio strato fosfolipidico si comporta quasi come un condensatore: un

cuore isolante e due placche conduttrici.

Uno dei principi è la elettroneutralità, l’ambiente intracellulare e l’ambiente

extracellulare, che sono due soluzioni elettrolitiche, sono elettricamente

neutre; la differenza di potenziale si determina ai due lati (alle facce) del

doppio strato fosfolipidico.

La differenza di potenziale di membrana è presente ai lati di tutte le cellule

(nervose, muscolari, globuli rossi, ecc..).

Nel 99,9% dei casi questa differenza di potenziale è negativa nel lato

intracellulare.

Siccome cellule diverse hanno canali ionici differenti, quello che varia è

l’entità del potenziale di membrana, che però rimane negativo nel lato

intracellulare.

La differenza di potenziale è necessaria perché interferisce con il flusso

ionico, ad esempio il flusso di calcio, importante per i processi di esocitosi, è

agevolato dal fatto che vi è un potenziale di membrana interno negativo.

Ci sono delle cellule dette eccitabili che sono in grado di trasmettere questo

potenziale, dando luogo ad un messaggio elettrico, che serve alle cellule

nervose per comunicare fra di loro.

Il potenziale di membrana dipende da due fattori:

1) Varie distribuzioni degli ioni all’interno della membrana

2) Le cellule sono diversamente permeabili alle varie specie ioniche.

Se cambia il potenziale è perché cambia la permeabilità ionica.

Immagine dove c’è in rosso la membrana e la composizione del liquido extra

e intracellulare, diversi nella loro composizione e concentrazione dei diversi

ioni; la somma però darà lo stesso numero di cariche positive e negative.

Ioni diffusibili da prendere in considerazione: sodio (ambiente extracellulare),

potassio (ambiente intracellulare), cloro (per l’elettroneutralità a livello

extracellulare), anioni proteici (per l’elettroneutralità a livello intracellulare).

Alcune proteine sono impermeabili, non possono penetrare tutta la

membrana, mentre sodio potassio e cloro sono diffusibili.

Dal punto di vista teorico, vi sono due possibilità per cui, partendo da una

diversa distribuzione ionica, si può generare il potenziale ai lati della

membrana.

1) Una soluzione è il potenziale di equilibrio elettrochimico, è necessario che

la membrana sia permeabile. La definizione di potenziale di equilibrio

elettrochimico significa che ci troviamo in una soluzione di equilibrio e

sistema che non ha alcun motivo di allontanarsi da questa situazione.

2) L’altra soluzione è il potenziale di diffusione, che prende in considerazione

più specie ioniche, ci indica che al termine avremo una condizione di stabilità

che non può essere mantenuta in quanto il sistema non è in equilibrio, al fine

di mantenerlo deve variare il sistema.

POTENZIALE DI EQUILIBRIO ELETTROCHIMICO

Due ambienti separati da una membrana, ricordiamo che la membrana

cellulare è selettivamente permeabile.

In questo caso è permeabile al potassio ma non al cloro, i due ambienti sono

riempiti da una soluzione equimolare di cloruro di potassio, non ci sono

gradienti di concentrazione.

In questo caso non si genera un potenziale di membrana, perché la

probabilità che uno ione potassio passi dall’ambiente 1 all’ambiente 2 è

esattamente uguale alla probabilità che uno ione potassio attraverso la

membrana dall’ambiente 2 all’ambiente 1.

Mettiamo invece due soluzioni, di cui una è 10 volte più concentrata dell’altra:

abbiamo che per gradiente di concentrazione, il potassio passa, spinto dal

gradiente, dall’ambiente 1 all’ambiente 2.

Il potassio è carico, quindi passando nell’ambiente 2, da un lato lascia

scoperte le cariche negative nell’ambiente 1, dall’altro aggiunge cariche

positive nell’ambiente 2. Si inizia a determinare una separazione di cariche

che si oppone al passaggio di potassio nell’ambiente 2, allora questa forza

elettrica che si genera raggiungerà un valore uguale e opposto alla forza

ionica.

L’equilibrio si raggiunge quando uno ione passa dall’ambiente 1 all’ambiente

2 spinto dal gradiente di concentrazione e uno ione potassio passa

dall’ambiente 2 all’ambiente 1 spinto da un gradiente elettrico.

Si determina quindi una condizione di equilibrio tra i due controflussi, questo

valore di questa separazione di cariche prende il nome di potenziale di

equilibrio elettrochimico del potassio.

L’equilibrio verrà quindi raggiunto quando le due forze (chimica ed elettrica)

saranno uguali ed opposte.

Il sistema è in equilibrio, quindi la separazione di cariche si mantiene

indefinitivamente nel tempo. (immagine)

L’accumulo di cariche avviene ai due lati del doppio strato fosfolipidico.

La forza di diffusione la misuriamo: RT ln ( [K ] / [K ] ), dove T è la

1 2

temperatura assoluta.

La forza elettrica dipenderà anche da Z (valenza dello ione), F (costante di

Faraday) ed E (potenziale di membrana raggiunto).

Ad equilibrio elettrochimico la F = −F

ELETTRICA CHIMICA

Per togliere il segno meno invertiamo i termini del rapporto e troviamo la

nostra incognita RT

Ek = ln ( [Kesterno] / [Kinterno] )

ZF

Per un determinato rapporto di concentrazione, io posso calcolare il

potenziale di membrana al quale il potassio sarà in equilibrio (Equazione di

Nerst).

Nei libri spesso si assume come temperatura 20°C e quel rapporto si

semplifica ottenendo 58 millivolt.

Donnan, dagli studi di Nerst, ha esteso questa analisi considerando che la

membrana potesse essere permeabile a più di una specie ionica, fermo

restando però che ce ne sia almeno una impermeabile. Il potenziale di

membrana però non rispecchia tanto l’equilibrio di Donnan, ma è comunque

molto importante.

Due soluzioni equimolari, una di cloruro di potassio e l’altra di proteinato di

potassio:

per avvicinarvi alle condizioni reali, il soluto impermeato è il proteinato,

mentre la membrana è completamente diffusibile a potassio e cloro.

In queste condizioni, l’unico che ha la forza per fluire è il cloro, in quanto ha il

gradiente di concentrazione tale da spingerlo dall’ambiente 1 all’ambiente 2.

Il cloro è uno ione negativo, quindi non appena si sposta nell’ambiente 2 lo

carica negativamente, mentre lascia scoperte cariche positive nell’ambiente

1.

La forza elettrica che si va creando si contrappone al flusso di cloro perché lo

respinge, ma questa forza elettrica agisce anche sul potassio, che viene

spinto dall’ambiente 1 e viene attirato nell’ambiente 2 che è negativo.

Non appena il potassio passa per gradiente elettrico sfalsa le concentrazioni,

per cui aumenta la concentrazione di potassio nell’ambiente 2, quindi si

costruisce un gradiente chimico che inizierà a contrapporsi al flusso di

potassio.

L’equilibrio si avrà quando, per un determinato valore di potenziale di

membrana, saranno in equilibrio sia il potassio che il cloro; per ognuno la

forza elettrica e la forza chimica saranno uguali ed opposte.

Riassumendo, il punto è sempre raggiungere l’equilibrio per poi calcolare il

potenziale.

Anche qui possiamo utilizzare l’equazione di Nerst (immagine).

Se prendiamo Z (valenza dello ione), per il potassio è +1, per il cloro è -1.

Allora, se vogliamo semplificare i termini comuni nell’equazione, ci rimane il

segno meno, se vogliamo toglierlo, dobbiamo ancora una volta invertire i

termini del rapporto del cloro, quin