Lezione 7 Fisiologia generale

INT

Vi sono tre meccanismi di espulsione dello ione calcio:

- Pompa Ca-ATPasi PMCA;

- Pompa Ca-ATPasi SERCA;

- Trasporto sodio-calcio o Scambiatore Na/Ca, l’unico che non usa in maniera diretta ATP, ma è

comunque un trasporto attivo. 2+ +

Lo scambiatore Na/Ca è in grado di espellere 1 Ca contro gradiente, mentre porta 3 Na lungo gradiente

all’interno della cellula, ciò fa di esso un cotrasporto di tipo antiporto ed un trasporto elettrogenico,

perché portando fuori 2 cariche positive, mentre 3 entrano nella cellula, il trasporto modifica il potenziale

di membrana. Espresso particolarmente in cellule nervose e muscolari(regola processi come la liberazione

di neurotrasmettitori e la contrazione cardiaca).

2+ -7

Lo scambiatore si attiva solo quando la [Ca ] sale oltre il limite soglia di 700nM(7·10 M), infatti in

INT

2+

condizioni di riposo il controllo della [Ca ] è svolto dalle pompe sopra mensionate.

Un’altra caratteristica pecuniaria del trasporto attivo secondario del Ca è la possibile bidirezionalità di esso,

in funzione del rapporto tra potenziale di membrana(E potenziale – E potenziale ) e potenziale di

INT EST

inversione dello ione (il potenziale di membrana al quale lo ione non ha flusso ne verso l’interno ne verso

l’esterno della membrana): se la loro differenza è negativa(come nelle cellule eccitabili in stato di riposo) il

2+ 2+ +

Ca viene espulso; in caso contrario, il canale richiama Ca estrudendo Na all’esterno. In altre parole:

➢ IPERPOLARIZZAZIONE DI MEMBRANA _______ ESPULSIONE _______ DEPOLARIZZAZIONE

2+

(potenziale di membrana più negativo) IONI Ca

➢ DERPOLARIZZAZIONE DI MEMBRANA ___ RICHIAMO _______ REPOLARIZZAZIONE

2+

(potenziale di membrana più positivo) IONI Ca (non sono sicuro questa parola esista) 2+

Come tutti gli altri, il trasporto attivo secondario di Ca

dipende indirettamente dall’idrolisi di ATP. La pompa

Na/K è il “primo movens” di tutti i trasporti attivi +

secondari, in quanto essa determina la bassa [Na ] e

INT

ciò fornisce l’energia necessaria a tali trasporti. Però la

pompa Na/K può essere bloccata da

Ouabaina o dalla Digitossina (un farmaco con azioni

+

simili) e si osserva un aumento della[Na ] , tra le

INT

conseguenze:

• blocco dell’antiporto Na/Ca;

• in una cellula cardiaca l’aumento della forza di

contrazione(infatti la digitossina è usata nei

farmaci per la terapia all’insufficienza cardiaca).

Un effetto analogo a tali sostanze si ha bloccando la

sintesi di ATP.

Esperimento

Per verificare come nell’assone di calamaro (cellula gigante, fino a 1mm di diametro), ipotesi:

2+

1. La membrana cellulare sia permeabile al Ca

2+ +

2. Che la [Ca ] sia strettamente legata al [Na ]

INT EXT

2+

Per monitorare la concentrazione del [Ca ] alla cellula è possibile usare equorina, una sostanza che

INT

diventa più o meno luminescente a seconda di tale parametro. Iniettandola quindi dentro la cellula è

2+

possibile registrare [Ca ] nel tempo attraverso dei fotodiodi che registrano la luminescenza nel citosol

INT

esprimendola in intensità di corrente (più è alta e più è luminosa la cellula).

Un altro concetto fondamentale prima di

procedere è lo stato stazionario, avviene

2+

quando la [Ca ] è mantenuta costante

INT

per l’equilibrio tra flusso attivo in uscita ed

ingresso passivo in entrata(spoiler: la

2+

membrana è permeabile al Ca , che segue il

gradiente di concentrazione).

1)Si inizia immergendo l’assone in una

2+

soluzione con [Ca ] 10 volte più alta di

+

quella fisiologica(112mM) e con [Na ]

fiseologico, così si registra il primo dato di

controllo (di riferimento): lo stato

2+

stazionario con [Ca ] molto più alta

INT 2+

rispetto alla norma causata dall’alta [Ca ] EXT

2+

1)→2) Ora viene cambiata la [Ca ] riportandola ai valori fisiologici, e mantenuta fino alla fine

EXT

+

dell’esperimento, mentre la [Na ] rimane intoccata. Possiamo osservare che in seguito al cambiamento, si è

2+ 2+

verificato un brusco calo di [Ca ] . Ciò dimostra che la membrana è permeabile al Ca e risente del suo

INT 2+

ingresso passivo, in quanto se diminuisco il [Ca ] (ora all’esterno il Ca è meno concentrato, quindi il suo

EXT

2+

flusso in ingresso si riduce), la [Ca ] si riduce di conseguenza. Ma allo stesso tempo, anche il flusso in

INT 2+

uscita piano piano si riduce(perché la membrana si depolarizza se [Ca ] si riduce) raggiungendo un nuovo

INT

stato stazionario (registrato come controllo, punto di riferimento fisiologico). Quindi la prima ipotesi è

verificata. + 2+

2)→3) Dimezzando la [Na ] si osserva un cambiamento verso un nuovo stato stazionario, dove la [Ca ]

EXT INT

+

è aumentata. Ciò accade perché riducendo il gradiente verso l’interno della molecola motore (Na ), si

riduce l’attività dello scambiatore Na/Ca, per cui si ha una diminuzione dell’espulsione di calcio, che porta

2+

ad una più bassa [Ca ] . L’ingresso passivo per ciò piano piano cala, fino allo stato stazionario.

EXT

3)→4) Viene ripetuta esattamente la stessa operazione del precedente punto e si ottengono gli stessi

2+

risultati: un ulteriore aumento della [Ca ] allo stato stazionario.

INT

+ +

4)→5) Sostituendo completamente il Na con il Li nel liquido extracellulare, che non è in grado di sostituire

2+

il sodio nell’antiporto NCX, si raggiungono altissimi livelli di [Ca ] , perché l’attività dello scambiatore si

INT

arresta. +

5)→6) Ritornando al livello fisiologico di [Na ] , si riscontra anche un ritorno al livello fisiologico iniziale di

EXT

2+

[Ca ] misurato nel controllo 2), quindi anche la seconda ipotesi è verificata.

INT + 2+

Energia implicata nel trasporto attivo secondario: scambiatore Na /Ca

DATI(presi da vertebrato):

• Rapporto Na/Ca = 3:1

• ΔV (potenziale di membrana) = -77 mV

M

• 2+

[Ca ] = 0.1 μM

INT

• 2+

[Ca ] = 2 mM

EXT

• +

[Na ] = 9 mM

INT

• +

[Na ] = 140 mM

EXT

• T= 20 °C

ΔG = 8.314 x 293 x ln(2×10-3/1×10-7)+2 x 96500 x (-0.077) = 39 kJ/mol

Ca

ATTENZIONE: al numeratore sempre la concentrazione del lato della membrana dov’è diretta la

molecola, mentre al denominatore il lato da dove parte il trasporto

ΔG = 8.314 x 293 x ln(9×10-3/140×10-3)+1 x 96500 x (-0.077) = -14 kJ/mol

Na +

L’entrata di 3 moli di Na implica ΔG = -42 kJ, così facendo l’energia liberata dall’ingresso di Na è

3Na 2+

maggiore dell’energia necessaria per l’espulsione del Ca .

ALTRICASI:

• L’iperpolarizzazione della membrana a -87 mV porta ΔG a 41 kJ/mol e ΔG a (- 15×3)= -45

Ca Na

kJ/mol aumentando la differenza di energia associata al cotrasporto dei due ioni e di

conseguenza l’espulsione del calcio aumenta.

• La depolarizzazione della membrana a -67 mV porta ΔG a 37 kJ/mol e ΔG a (- 13×3)= -39

Ca Na

kJ/mol riducendo la differenza di energia e quindi l’espulsione del calcio diminuisce.

• Con un potenziale di membrana ≤ -37 mV il trasporto si inverte perché ΔG diventa 31 kJ/mol e

Ca

ΔG (-10×3)= -30 kJ/mol (minore del primo).

Na

Esempio di trasporto attivo secondario: ione Cloruro

-

Vi sono tre meccanismi di trasporto dello ione Cl :

+ + -

- Cotrasporto Simporto Na /K /2 Cl , in cellule renali e del canale digerente. Impiegato

nell’assorbimento di cloruro e di sodio, indispensabile per il mantenimento del volume dei liquidi

organici; + - -

- Cotrasporto Simporto Na / Cl , importante nel controllo della [Cl ] e del V in tutte le cellule;

INT cell

3- -

- Cotrasporto Antiporto HCO / Cl , generalmente si ha l’ingresso di bicarbonato e la fuoriuscita di

cloro, ma può avvenire anche il contrario. .