Fisiologia

Trasporto del glucosio

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 possa 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.

Fattori che influenzano il potenziale di membrana

• Varie distribuzioni degli ioni all’interno della membrana.
• 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.

Potenziale di equilibrio elettrochimico

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:

• Una soluzione è il potenziale di equilibrio elettrochimico, è necessario che la membrana sia permeabile.
• 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.

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.

Mettendo 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 indefinitamente nel tempo.

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 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 = -FELETTRICA CHIMICA.

Per togliere il segno meno invertiamo i termini del rapporto e troviamo la nostra incognita RTEk = 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.

Estensioni dell'analisi di Nerst

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. 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.