Fisiologia – Appunti completi e schematici per l’esame

STRUTTURA DELLA MEMBRANA PLASMATICA

MEMBRANA CELLULARE: è formata da un DOPPIO STRATO LIPIDICO (è formato da molecole grasse

idrofobe): strato isolante che impedisce il passaggio di acqua e di sostanze idrosolubili.

Vi sono dei canali che mettono in comunicazione l’ambiente intracellulare ed extracellulare.

AMBIENTE INTERNO: CARICA POSITIVA

AMBIENTE ESTERNO CARICA NEGATIVA

La membrana tiene separati i 2 ambienti anche elettricamente.

Tra i 2 stradi lipidici c’è anche una parte proteica (in giallo nella slide).

PROTEINE DI MEMBRANA

POMPE IONICHE: sono uno tipo di strutture che permettono il trasferimento

di IONI attraverso la membrana cellulare, mediato da specifiche proteine

(sono strutture che richiedono una spesa energetica).

RECETTORI DI MEMBRANA: sono proteine che si trovano a livello della membrana plasmatica o a livello

del citosol della cellula (quindi all'interno della cellula stessa; recettore transmembrana). Il recettore ha il

compito di riconoscere una sostanza esogena o endogena e provocare, dopo il riconoscimento, una

risposta biologica all'interno della cellula (per esempio gli ormoni viaggiano nel torrente circolatorio, ma

agiscono solo sulle cellule che hanno determinati recettori).

PROTEINE CANALE: proteine che attraversano la membrana cellulare e che, congiuntamente con le pompe

ioniche, modulano il potenziale di membrana.

PROTEINE TRASPORTATRICI: un trasportatore di membrana è un POLIPEPTIDE transmembrana in grado di

mediare il trasporto di IONI o molecole polari di medie dimensioni (amminoacidi o nucleotidi) all'interno

della CELLULA.

PROTEINE TRANSMEMBRANA

Sono interne, esterne e tra la membrana.

LIQUIDO EXTRACELLULARE--> carica positiva per l’abbondanza del sodio e

del cloro (povero di potassio e di fosfati).

LIQUIDO INTRACELLULARE--> carica negativa per l’abbondanza di fosfati e di

potassio (povero di sodio e cloro)

DIFFUSIONE O TRASPORTO PASSIVO

Non richiede una spesa energetica.

Le particelle si muovono sfregando sulla membrana plasmatica permettendo

l’uscita di sostanze dalla cellula. In questo caso il gradiente di concentrazione

si modifica fino ad ottenere un equilibrio di gradiente (dentro--> maggiore/ fuori--> minore).

TRASPORTO ATTIVO

Richiede una spesa energetica.

Il trasporto attivo è il trasporto di molecole attraverso la membrana plasmatica mediato da una proteina

transmembrana detta trasportatrice contro gradiente di ENERGIA; ciò genera un aumento della

CONCENTRAZIONE (ad esempio, per permettere l’ingresso di ulteriore potassio all’ interno della cellula;

specificamente in questo caso si utilizzano delle pompe).

Esistono due tipi di forze:

-FORZE CHIMICHE--> GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE;

-FORZE ELETTRICHE--> POTENZIALE DI MEMBRANA; vi è infatti una differenza di distribuzione della carica

tra l’ambiente interno ed esterno della cellula.

Se vi sono entrambe le forze si parla di GRADIENTE ELETTROCHIMICO.

TRASPORTO PASSIVO SEMPLICE

DIFFUSIONE SEMPLICE attraverso la membrana: è un tipo di passaggio attraverso la membrana cellulare

che non richiede l'utilizzo di proteine canale o di proteine carrier (solitamente sono piccole molecole che

sfruttano questa modalità di passaggio). Nella diffusione semplice vi è alta LIPOSOLUBILITA' per

OSSIGENO, AZOTO, CO2 e ALCOL (la LIBOSOLUBILTA’ dell’anidride carbonica è la più elevata), mentre vi è

bassa LIPOSOLUBILITA' per UREA e GLUCOSIO, un po' di più per il GLICEROLO e impossibile per gli IONI e

le MOLECOLE POLARI. Il glucosio ha una LIPOSOLUBILITA' minore, per questo motivo per essere assorbito è

richiesto l’intervento di sostanze come l’insulina.

DIFFUSIONE SEMPLICE attraverso le PROTEINE CANALE: formano dei

piccolissimi pori idrofili nella membrana, che i soluti attraversano per

diffusione.

-SELETTIVITA’: in base alla dimensione, idratazione e alle cariche nette (gli

ioni si muovono all’ interno di “nuvole” d'acqua). Ad esempio, il potassio

anche se idratato è più piccolo del sodio, per cui in questo caso c’è una

selezione.

-GATING: è un meccanismo di apertura/chiusura del canale (nella figura il

GATING è la pallina da tennis).

TRASPORTO PASSIVO FACILITATO La DIFFUSIONE FACILITATA o TRASPORTO

PASSIVO FACILITATO è il movimento di molecole

attraverso la membrana cellulare tramite

particolari proteine integrate nella membrana

cellulare che formano dei canali. Nella diffusione

facilitata le molecole attraversano la membrana

liberamente, secondo gradiente (da una zona a

maggiore concentrazione ad una a minor

concentrazione), ma, al contrario della diffusione

semplice, le molecole sono aiutate da proteine

di trasporto, che ne facilitano e velocizzano il

passaggio.

Questo tipo di passaggio richiede un cambio strutturale del canale in modo tale che non vi sia mai un

contatto diretto tra interno ed esterno; è aperto o da una parte o dall’altra.

1. GRAFICO TRASPORTO PASSIVO 1. Diffusione semplice--> segue un andamento

diretto (linea retta a 45 gradi).

2. Nella DIFFUSIONE TRAMITE CANALI

l’andamento non è sempre diretto, infatti

raggiunto un determinato punto la velocità

non aumenta più poiché i canali si possono

parzialmente saturare.

3. Nella DIFFUSIONE FACILITATA non c’è modo di

aumentare la velocità poiché il canale è già saturo;

occorre che ci sia un cambiamento di posizione da

parte del canale per riprendere velocità.

TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO

Si tratta di una tipologia di trasporto nella quale l'energia viene fornita direttamente dall'idrolisi di una

molecola di ATP; ciò permette lo spostamento di ioni e molecole anche contro gradiente. Vi è, dunque,

una spesa energetica.

Un esempio di trasporto attivo primario è la POMPA SODIO-POTASSIO; essa viene utilizzata per ristabilire

l’equilibrio di sodio e potassio. Il suo funzionamento consiste nello sfruttare l'idrolisi di una molecola di

ATP (ADP +monofosfato) per spostare contro gradiente 3 ioni di sodio dall’interno all'esterno della cellula

e 2 ioni di potassio nel senso opposto e quindi dall'esterno all'interno della cellula. La pompa SODIO-

POTASSIO crea uno sbilanciamento delle cariche, infatti:

AMBIENTE INTERNO--> NEGATIVA;

AMBIENTE ESTERNO POSITIVA.

Si dice che è ELETTRONGENICA poiché fa insorgere differenze di potenziale elettrico.

TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO

Nel trasporto attivo secondario o indiretto il trasporto di una sostanza è reso possibile dal trasporto

primario di un'altra (la spesa viene consumata dalla

pompa e dal gradiente generato dalla pompa stessa).

Il glucosio si lega a 2 atomi di sodio (sodio-

dipendente) ed entra nella cellula a seguito di una

modificazione conformazionale dovuta dal legame. Il

trasportatore riesce dunque ad immagazzinare

glucosio nella cellula contro il suo gradiente di

concentrazione.

ESEMPI DI TRASPORTATORI:

GLUT 1: trasportatore di glucosio/galattosio con il sodio;

GLUT 2: trasportatore solo di glucosio.

CANALI IONICI:

Gli ioni non possono attraversare la membrana plasmatica, pertanto vi è la presenza di canali ionici che

controllano, in modo generalmente selettivo, il flusso di ioni che entra ed esce dalla cellula secondo il

gradiente di concentrazione.

I CANALI IONICI possono essere ATTIVI O PASSIVI.

CANALI IONICI ATTIVI:

-DIPENDENTI da DEFORMAZIONI MECCANICHE--> in alcuni nervi sulla cute;

-CHEMICAL DEPENDENT--> canali recettori, dipendono da un recettore che rileva una specifica sostanza

-VOLTAGE DEPENDENT--> si apre e si chiude in base alla differenza di carica tra interno ed esterno

(DIFFERENZA DI POTENZIALE).

CANALI DIPENDENTI DA DEFORMAZIONI MECCANICHE

Un canale si può aprire per DEFORMAZIONE MECCANICA.

C’è un localizzatore situato sulla cute, è un neurone modificato in un suo prolungamento; funziona come

un recettore ed è una specie di cuscinetto. Quando c’è una compressione la membrana plasmatica si

deforma e permette l’ingresso al sodio (gradiente di concentrazione e potenziale). Questa tipologia di

canale NON è sensibile ad una variazione del potenziale di membrana.

CANALI IONICI ATTIVATI CHIMICAMENTE (GATING CHE DIPENDE DA SOSTANZE CHIMICHE)

Tipologia di GATING nella quale la membrana riconosce una particolare sostanza chimica che si lega ad

una proteina. Questi canali sono sempre aperti fino a che il ligando chimico rimane legato al recettore;

NON sono sensibili a variazione del potenziale di membrana.

ESISTONO 2 TIPOLOGIE DI APERTURA DEI CANALI IONICI ATTIVATI CHIMICAMENTE

-APERTURA DIRETTA--> il canale funziona esso stesso da recettore di una sostanza chimica (velocità di

azione rapida).

-APERTURA INDIRETTA--> il canale ionico e la proteina sono disgiunte. Il processo è simile a quello

dell'apertura diretta, ma essendo strutture distinte è necessario che si verifichi una cascata di eventi.

Inoltre, vi è un coinvolgimento di particolari proteine intracellulari chiamate G che scatenano l’azione di

enzimi specifici ovvero le CHINASI che permettono l’apertura del canale.

Il complesso proteico ha doppia funzione:

- FUNZIONE ATTIVATORIA: attiva enzimi chiamati secondi messaggeri. Quest’ultimi vengono poi trasferiti

nel citoplasma;

-FUNZIONE INIBITORIA.

GATING PER MEZZO DEL POTENZIALE DI MEMBRANA

POTENZIALE DI MEMBRANA A RIPOSO

Sia l’interno che l’esterno della cellula sono un ambiente neutro.

Sulla membrana cellulare si forma una batteria elettrica che fa sì che la

cellula diventi un ambiente elettrico.

CANALI IONICI PASSIVI: sono canali aperti specifici per ogni tipologia

ionica. Non è richiesta alcuna spesa energetica (ad esempio i canali del

sodio e del potassio).

Non vi è un uguale concentrazione di canali di sodio e di potassio;

infatti, i canali del potassio sono presenti in quantità maggiore e,

pertanto, quest'ultimo è più permeabile.

POTENZIALE DI MEMBRANA

LEGGE DI OHM:

I= G X E--> descrive un flusso di corrente (ionico perché c’è una carica).

I= E/R--> flusso ionico

G= CONDUTTANZA--> capacità della membrana di permettere il passaggio di ioni, è l'opposto della

RESISTENZA (G=1/R). Dipende:

-dalle dimensioni ione/canale;

-dalla carica dello ione;

-dallo stato di idratazione.

E= DIFFERENZA DI CARICA (più è alta più il flusso è maggiore).

R= RESISTENZA è l‘inverso della CONDUTTANZA, indica quanto il sistema impedisce il passaggio di ioni tra

i due lati della membrana.

POTENZIALE DI MEMBRANA (come si forma)

Il potassio tende ad uscire dalla cellula secondo gradiente; ciò comporta una diminuzione del POTENZIALE

DI MEMBRANA.

Attraverso questi canali il potassio può essere richiamato all’esterno grazie al gradiente elettrico.

Nel caso del potassio sono 2 flussi controcorrente.

E= POTENZIALE o V

K= POTENZIALE DI EQUILIBRIO PER LO IONE POTASSIO (-90 mV equilibrio del potassio).

Il POTENZIALE DI EQUILIBRIO è il valore che si ottiene quando i due flussi si equivalgono.

Il valore del POTENZIALE DI MEMBRANA generico a riposo è di -70 mV (millivolt).

Anche se in realtà il valore è leggermente più positivo grazie alla presenza del sodio (+60 mV).

L’equilibrio rimane comunque più vicino al valore del potassio perché ci sono molti più canali rispetto a

quelli del sodio.

Risulta importante che tra l’interno e l’esterno della cellula si mantengano cariche diverse; per garantire

ciò interviene la pompa sodio-potassio (trasportatore). La pompa porta fuori il sodio entrato e fa

rientrare il potassio.

Favorisce la differenza di cariche tra interno ed esterno perché svolge funzione ELETTRONGENICA.

EK: EQUILIBRO POTASSIO;

ENa: EQUILIBRIO SODIO;

Em: EQUILIBRIO MEMBRANA.

EQUAZIONE DI NERST--> POTENZIALE DI MEMBRANA IN EQUILIBRIO La prima è una costante.

E= ESTERNO;

I= INTERNO.

L'EQUAZIONE DI GOLDMAN deriva da quella di NERST e indica il POTENZIALE DI MEMBRANA A RIPOSO.

Il cloro, essendo negativo, ha segno opposto rispetto agli elementi positivi.

La P indica la PERMEABILITA’ (dipende dal numero di canali).

La particolarità delle cellule eccitabili riguarda la presenza di una variazione di pochi millisecondi dove il

potenziale da negativo diventa positivo; questo momento si chiama POTENZIALE D’AZIONE.

TRASMISSIONE DEL POTENZIALE D’AZIONE: più sarà elevata la frequenza e maggiore sarà lo stimolo

rilevato.

POTENZIALE D’AZIONE Il neurone è una cellula con una forma originale. Possiede un corpo che

contiene il NUCLEO, è dotato di ramificazioni chiamate DENDRITI che

raccolgono le informazioni che vengono poi elaborate nel corpo dove

viene creata una risposta sotto forma elettrica (POTENZIALE D’AZIONE)

e un prolungamento detto ASSONE.

Il POTENZIALE D’AZIONE, è un fenomeno che si manifesta nei neuroni;

prevede un rapido cambiamento di carica tra l'interno e l'esterno della

loro membrana cellulare. L'esterno è carico positivamente (+), mentre

l'interno è carico negativamente (-). Il POTENZIALE D'AZIONE viene

sviluppato in una zona compresa tra il corpo e l’assone che si chiama MONTICOLO ASSONICO.

L’assone è rivestito da MIELINA e per questo viene detto MIELINIZZATO; questo rivestimento che lo

avvolge, però, non è continuo per la presenza dei NODI di RANVIER. Il POTENZIALE D’AZIONE salta da un

nodo all’altro. Questa modalità di trasmissione è molto veloce.

Il POTENZIALE D’AZIONE arriva fino alle terminazioni sinaptiche che si collegano ai dendriti di un altro

neurone.

SINAPSI: punti di contatto tra neuroni.

2. GRAFICO POTENZIALE D'AZIONE Y= POTENZIALE DI MEMBRANA (mV), parte da -70mV

(condizione di riposo)

X= EVOLUZIONE NEL TEMPO (mV), ha una lunghezza

di 1mS (si verifica quando si allontana dalla

condizione di riposo).

VR: POTENZIALE DI RIPOSO

Tutto il processo richiede circa 4mS.

Il POTENZIALE D’AZIONE modifica rapidamente le

cariche facendo diventare il POTENZIALE DI

MEMBRANA positivo (+60 mV, come il sodio). Questo valore dipende, comunque, dall’intensità dello

stimolo ricevuto.

Il POTENZIALE D'AZIONE (evento che non può essere fermato) si origina quando viene raggiunto il

POTENZIALE DI SOGLIA cioè -55mV. Ciò accade solo nelle cellule eccitabili.

3. GRAFICO POTENZIALE D’AZIONE IN mS

A: NEURONE

B: CELLULE PEACEMAKER

C: MIOCARDIOCITI DI LAVORO

CANALI IONICI VOLTAGGIO-DIPENDENTE: canali ionici chiusi in condizioni normali, ma che si possono

aprire a seguito di variazioni del potenziale di membrana e sono responsabili della genesi e della

propagazione del potenziale d’azione.

Il SODIO possiede 2 porte (GATE).

I canali del SODIO sono a cinetica rapida quindi, si aprono

rapidamente.

A riposo il canale del sodio è chiuso (il sodio non riesce ad

entrare all'interno della cellula), poi si apre quando arriva al

POTENZIALE DI SOGLIA.

Dopo essersi aperto diventa inattivo, quindi non permette

l’ingresso di sodio nella cellula.

Questa fase dura circa 1mS prima di tornare chiuso. In

questo periodo il neurone non reagisce e si chiama PERIODO

REFRATTARIO.

IL POTASSIO possiede 1 sola porta (GATE)

I canali del potassio sono a cinetica lenta e si aprono più

lentamente.

I canali del potassio a riposo sono chiusi (anche nel periodo

PRE-POTENZIALE) (impediscono al potassio di uscire dalla

cellula).

Si aprono al raggiungimento del POTENZIALE DI SOGLIA (più lento).

Si richiudono direttamente senza inattivarsi. DEPOLARIZZAZIONE: il POTENZIALE di MEMBRANA da

negativo tende a diventare positivo (+)

RIPOLARIZZAZIONE: il POTENZIALE di MEMBRANA dopo

aver raggiunto il picco ritorna al valore di riposo (-)

IPERPOLARIZZAZIONE: il POTENZIALE di MEMBRANA è più

negativo del POTENZIALE di RIPOSO

OVERSHHOT: il POTENZIALE di MEMBRANA diventa

positivo.

4. GRAFICO POTENZIALE D'AZIONE (CONDUTTANZA)

Le curve variano in base alla forma e alla durata.

CONDUTTANZA: g (minuscola) significa CONDUTTANZA

SPECIFICA DI UN DETERMINATO IONE.

La CONDUTTANZA cambia in base al potenziale d’azione.

La CONDUTTANZA del sodio è massima nella fase di salita

verticale del potenziale d’azione.

La CONDUTTANZA del potassio, invece, è massima durante

la fase di ritorno ai valori normali.

Durante la fase che riguarda il POTENZIALE D’AZIONE la

conduttanza del sodio è maggiore rispetto a quella del

potassio.

I valori massimi e minimi si trovano in corrispondenza dei

valori di equilibrio del sodio e del potassio.

5. GRAFICO POTENZIALE D'AZIONE (7 FASI)

1--> fase di riposo

2--> arriva alla soglia

3--> una volta raggiunta la soglia si aprono i canali del sodio

4--> una volta raggiunto il picco, si ha l’inattivazione del sodio e si

aprono i canali del potassio.

5--> i canali del sodio rimangono inattivi oppure iniziano a chiudersi,

mentre quelli del potassio si aprono sempre di più liberando cariche

positive

6--> i canali del sodio tornano chiusi, mentre quelli del potassio sono

ancora aperti; la membrana viene polarizzata verso il valore di

equilibrio del potassio

7--> i canali del potassio si chiudono e si porta il valore della

membrana a condizione di riposo

6.

6. GRAFICO POTENZIALE D'AZIONE (PERIODO REFRATTARIO)

PERIODO REFRATTARIO ASSOLUTO: i canali del sodio sono

inattivi poiché raggiungono il picco (1-2 mS)

PERIODO REFRATTARIO RELATIVO: verso metà della

discesa i canali passano da inattivi a chiusi e poi di nuovo

aperti (1-2 mS).

Il POTENZIALE DI MEMBRANA si trova sot