Appunti completi di Fisiologia umana

FISIOLOGIA

28 APRILE 2020

LA MEMBRANA PLASMATICA

Dalle proprietà della membrana dipendono le caratteristiche delle

caratteristiche eccitabili. La membrana è costituita da un doppio strato di

fosfolipidi, molecole con teste polari e code apolari, formate da catene

carboniose. Le code non hanno cariche elettriche e le loro interazioni

sono determinate dalla presenza dell’acqua all’esterno, che interagisce

con le teste. Oltre ai fosfolipidi ci sono anche dei glicolipidi,

caratterizzati da una parte lipidica e da una catena di polisaccaridi che

sporge verso il mezzo extracellulare. In questa tela fosfolipidica sono

inserite anche delle proteine, che permettono la differenziazione delle

cellule. Queste proteine sono, o intramembranali (es. canale ionico), o

periferiche, e sono ancorate alla tela da ancore lipidiche. La maggior

parte delle proteine sono glicosidate dalla parte che sporge nel mezzo

extracellulare, formando così all’esterno una membrana polisaccaridica

detta, glicocalice.

Le membrane sono selettive in merito alle sostanze che le attraversano.

Le vie di permeazione delle membrane sono 3:

1. La tela fosfolipidica, permette l’attraversamento alle sostanze che

sono liposolubili, e sprovviste di cariche elettriche

indipendentemente dalle dimensioni. Queste si sciolgono nella tela

e passano attraverso la membrana per diffusione per gradiente di

concentrazione, o diffusione semplice. Attraverso essa possono

passare per esempio l’urea, le sostanze apolari, oppure piccole

molecole polari ma non cariche, come l’etanolo. Il coefficiente di

permeabilità di una sostanza che attraversa la tela è determinato dal

coefficiente di ripartizione olio-acqua della sostanza. (LEGGE DI

FICK). Questo è un modo empirico per descrivere il modo con cui

la sostanza passa dall’acqua alla sostanza fosfolipidica costituita

dall’olio; si va a calcolare quanta sostanza si scioglie nell’olio e

quanta sostanza si scioglie nell’acqua, dopodichè si calcola il

rapporto. Più una sostanza è liposolubile più il coefficiente di

ripartizione è maggiore.

2. I canali transmembranari, proteine che permettono

l’attraversamento agli ioni. Alcuni sono molto selettivi, quindi può

attraversare un solo ione specifico. Inoltre alcuni ioni sono troppo

grandi per attraversare i canali transmembranari

3. Proteine trasportatrici, che utilizzano l’energia per trasportare le

molecole contro gradiente di concentrazione.

L’acqua per esempio, non riesce a passare attraverso la membrana

fosfolipidica, e utilizza specifici canali, le acquaporine.

Classificazione di trasporti transmembrana

1. Trasporti in forma libera, riguardano la diffusione nella matrice

fosfolipidica per gradiente di concentrazione.

2. Trasporti per proteine transmembranarie (trasportatori), riguardano

sia la migrazione di ioni attraverso i canali ionici per gradiente

elettrochimico, sia i trasporti mediati da proteine che legano le

sostanze e le trasportano oltre la membrana; questi ultimi trasporti

sono la diffusione facilitata, i trasporti attivi secondari e attivi.

Mentre tutti gli altri sono trasporti passivi che avvengono in virtù

di un gradiente di concentrazione, i trasporti attivi richiedono

dispendio energetico da parte delle cellule.

TELA FOSFOLIPIDICA

Diffusione nella matrice fosfolipidica

Gradiente di concentrazione C1-C2, dà il coefficiente di ripartizione

olio-acqua β. Più β è elevato più elevato è il gradiente di concentrazione,

quindi maggiore facilità di passaggio della sostanza. La permeabilità

dipende però anche dallo spessore della membrana. (LEGGE DI FICK)

Diffusione non ionica

E’ un tipo particolare di diffusione attraverso la tela. Fa passare le

sostanze che diventano idrosolubili e non possono tornare indietro.

Riguarda basi deboli o acidi deboli, che una volta passate la tela si

dissociano.

CANALI TRANSMEMBRANA

Diffusione ionica nei canali di membrana

I canali ionici sono proteine cave, attraverso i quali possono passare gli

ioni. Avviene per gradiente di concentrazione, o meglio gradiente

elettrochimico, quindi C1 è maggiore di C2, e lo ione passa attraverso il

canale. Questi canali sono molto piccoli, di poco più grandi degli ioni

che li attraversano, per cui questi ioni possono attraversarli solo in

singola fila (diffusione di tipo ristretto). Non vale quindi più la legge di

Fick per trovare il flusso diffusivo.

Il passaggio degli ioni attraverso i canali è un passaggio complesso in

quanto ci sono diversi fattori che influenzano il processo. Innanzitutto

gli ioni che si trovano sia nel mezzo intracellulare che extracellulare

sono a contatto con l’acqua, e sono rivestiti da un alone di solvatazione;

sono quindi circondati da questi gusci che dipendono dalle dimensioni

dello ione ( più piccolo è lo ione, maggiore è l’alone di solvatazione), e

ciò gioca un ruolo importante nel passaggio degli ioni. Lo ione quando si

presenta al canale lo passa in forma anidra, perdendo il suo alone di

solvatazione; poiché gli aloni non sono uguali questo meccanismo di

disidratazione dello ione è differente per ognuno, e soprattutto ioni

differenti possono attraversare canali differenti.

Molti canali ionici sono estremamente selettivi; lasciano passare solo

alcune specie ioniche. Questo è legato al meccanismo con cui i canali

selezionano gli ioni eliminando gli aloni. Un esempio sono i canali

voltaggio dipendenti (presenti nelle cellule che generano potenziali

d’azione); essi presentano 4 subunità che si assemblano formando il

canale. Queste subunità si compongono di 5 segmenti α-elica. L’ansa P,

particolarmente importante governa la selettività del canale ionico.

L’azione delle anse determina il passaggio, e queste anse sono rivolte

verso il lume cellulare. Nel filtro di selettività avviene il processo di

eliminazione dell’alone di solvatazione. Se per esempio nel canale dello

ione potassio si presentasse lo ione sodio, l’alone di quest’ultimo

verrebbe solo parzialmente eliminato, non permettendo quindi il

passaggio ad esso.

Differenti canali ionici

I canali sono modulabili, cioè sono provvisti di porte (gates) capaci di

aprire e chiudere i canali. In base a questi gates e al potenziale di

membrana che c’è ai capi, esistono diversi tipi di canali ionici (canali

voltaggio dipendente, canale chemio dipendente, canale meccano

sensibile).

Canali idrici: le acquaporine

L’acqua non passa nè attraverso gli ioni nè attraverso la tela

fosfolipidica, ma attraverso le acquaporine canali specifici deputati al

passaggio di acqua. Ne esistono all’incirca 200 diversi, ma hanno una

struttura generale: 6 segmenti transmembranali ad α-elica che

attraversano la tela fosfolipidica, il gruppo iniziale NH2 e il gruppo

finale COH sono all’interno della cellula. Di grande rilievo sono le anse

B ed E all’interno della tela fosfolipidica, formate da 3 amminoacidi:

asparagina, prolina e alanina, che rappresentano gli amminoacidi che,

formano il poro attraverso cui passa l’acqua per osmosi, quindi per

diffusione passiva (da dove ci sono più sali a dove ce ne sono meno). Il

canale è diviso in due unità speculari M1 ed M2.

Le acquaporine si differenziano per numero di amminoacidi, per la

selettività all’acqua, ai sali mercuriali, per la regolazione operata dalla

fosforilazione (PKA, proteina che determina la fosforilazione degli

amminoacidi), per la sensibilità all’ADH, ormone che regola il

passaggio dell’acqua (ad esempio nel rene), e infine per il tipo di tessuto

o organo in cui vengono espressi preferenzialmente.

TRASPORTO MEDIATO DA PROTEINE DI MEMBRANA

Tutti i trasporti descritti precedentemente sono trasporti passivi. Le

proteine, o trasportatori, trasportano sostanze che hanno carica elettrica o

sono troppo grandi per attraversare i canali ionici. I sistemi di trasporto

sono uniporto, quando trasferiscono una sola sostanza (es. proteine che

trasportano ione calcio o H+), simporto (coporto) se ne trasferiscono due

nello stesso senso, oppure contro-trasporto (antiporto), due in due sensi

opposti.

I carriers mobili

Quando ancora non si conoscevano i trasportatori, si credeva che le

sostanze si legassero a un carrier, qualcosa di indefinito, formando il

complesso SX, liposolubile, che passa dall’altra parte della membrana.

Questa è stata la prima ipotesi, tuttavia grazie ad essa sono state studiate

e introdotte le proprietà del trasporto mediato;

● La specificità, il carrier si lega solo a specifiche sostanze che sono

affini ad esso.

● La saturazione, se la concentrazione della sostanza è bassa

vengono occupati solo alcuni carriers quindi la sostanza viene

trasportata da una parte all’altra della membrana continuamente.

Se invece la concentrazione è molto elevata vengono occupati tutti

i carriers e quindi avviene una saturazione, cioè viene sempre

trasportata la stessa quantità di sostanza.

● La competizione, le sostanze competono per il carrier che opera il

trasporto; vengono trasportate per prime le sostanze che hanno

maggiori affinità.

Il modello flip-flop

Questo è il modello per spiegare il passaggio delle sostanze. La sostanza

si lega a dei siti specifici, la proteina cambia conformazione e trasferisce

la sostanza dall’altra parte. E viceversa.

Modelli di trasporto attivo e passivo

Nel trasporto passivo l’affinità della sostanza è la stessa quando è rivolta

sia verso il mezzo extracellulare sia verso il mezzo extracellulare. La

concentrazione intracellulare aumenta nel tempo fino a diventare uguale

a quella extracellulare.

Nel trasporto attivo la sostanza si lega perchè ha un’elevata affinità con

la proteina; quest’ultima cambia di conformazione, e quando si rivolge

al mezzo intracellulare diminuisce l’affinità con la sostanza che e si

stacca. La concentrazione intracellulare diventa superiore a quella

extracellulare. Per modificare l’affinità viene richiesta energia, fornita

dalla scissione di ATP in ADP, così da trasportare la sostanza da dove è

più concentrata a dove è meno concentrata.

FISIOLOGIA

29 APRILE 2020

POTENZIALE DI MEMBRANA

E’ una caratteristica di tutte le cellule, indispensabile per la vita di

queste; una cellula senza potenziale di membrana di riposo non può

sopravvivere. Il segno meno sta a indicare che la faccia interna della

membrana è negativa rispetto al liquido extracellulare, il quale è neutro.

Metodo di misura del potenziale di membrana

Si può misurare utilizzando un microelettrodo di vetro, riempito di

soluzione fisiologica, a contatto con un elettrodo metallico, a sua volta

collegato a un voltmetro che viene poggiato a terra con un elettrodo di

riferimento. Quando il microelettrodo è posto nel liquido, la differenza

di potenziale tra il microelettrodo e l’elettrodo di riferimento è 0.

Quando invece il microelettrodo viene fatto penetrare nella cellula

(l’elettrodo di vetro contiene punte micron), e fatto passare attraverso la

membrana plasmatica, si genera una differenza di potenziale che

rappresenta il potenziale di membrana.

Esempio membrana permeabile solo al K+

Una prima ipotesi avanzata per spiegare il potenziale di membrana è

stata che questo potenziale fosse un potenziale di equilibrio, cioè nel

quale il flusso netto nella membrana è nullo, facendo equilibrio al

gradiente di concentrazione. Ci sono due compartimenti, in uno ci sono

ioni potassio, in uno ioni cloro e sodio; se i canali potassio sono chiusi la

differenza di potenziale tra i due compartimenti è 0. Se invece i canali

sono aperti il potassio passa al comparto due spinto dal gradiente di

concentrazione, generando una differenza di potenziale, con la faccia

rivolta al comparto uno negativa, e la faccia rivolta al comparto due

positiva. Dopo poco tempo si avrà che il flusso netto di ioni che passa

dall’1 al 2 è uguale al flusso di ioni dal 2 all’1, generando un potenziale

di equilibrio.

Calcolo del potenziale di equilibrio

Può essere fatta utilizzando l’equazione di Nernst, in riferimento al

potassio:

EK = RT/zF . logn K+(1) / K+(2)

Potenziale di equilibrio del potassio= RT/zF per il logaritmo naturale

della concentrazione di potassio nel compartimento 1, fratto la

concentrazione di potassio del compartimento 2. RT/zF (18 gradi) è una

costante, dove R è la costante di equilibrio dei gas, T è la temperatura

assoluta, z è la valenza dello ione e F la costante di Farrell, ed è uguale a

0,0058. Tutti gli ioni in soluzione hanno un proprio potenziale di

equilibrio, calcolabile con questa equazione.

Tra tutti, il Cloro è quello che più si avvicina al potenziale di membrana

a riposo, per cui si dice che sia all’equilibrio elettrochimico più o meno,

quindi il suo potenziale di equilibrio coincide quasi al potenziale di

membrana. Comunque viene dimostrato che i due potenziali non

coincidono in quanti per molti ioni i due potenziali sono diversi; c’è uno

squilibrio chimico.

Il potenziale di diffusione

Il potenziale di membrana è un potenziale di diffusione, generato da una

differente permeabilità della membrana nei confronti degli ioni e quindi

gli ioni passano attraverso la membrana con differenti velocità,

generando appunto un potenziale.

Nell’esempio A il cloruro di sodio con differenti molarità; i due ioni

tenderanno a passare dentro la cellula spinte dal gradiente. Se

ammettiamo che il cloro è più permeabile vuol dire che ne passa di più

rispetto al sodio, per cui si genera una differenza di potenziale negativa

all’interno e positiva all’esterno. Nel tempo la quantità di sodio e di

cloro che passano saranno uguali, grazie a questa differenza di

potenziale che attira il sodio all’interno. Dopo un certo tempo avremo

che il passaggio netto di ioni sarà nullo.

Nell’esempio B, il sodio è più abbondante nel mezzo 1 e il potassio nel

mezzo 2. La membrana è più permeabile al potassio, per cui questo ione

passerà di più nel comparto 1 rispetto al sodio nel comparto 2 e ciò

genererà una differenza di potenziale ai capi della membrana, con

positiva la faccia del comparto 1 e negativa la faccia del comparto 2.

Questo potenziale tenderà a rallentare il passaggio del potassio e

accelerare quello del sodio fino a che il flusso netto degli ioni non sarà

nullo, e si sarà generato un potenziale di equilibrio.

Calcolo del potenziale di membrana di riposo

Si può calcolare attraverso l’equazione di Goldman che tiene conto del

fattore fondamentale della permeabilità della membrana nei confronti

degli ioni:

Vm = RT/zF . ln (K+)e . PK + (Na)e .

PNa /(K+)i . PK + (Na) i . PNa

Potenziale di membrana a riposo= costante per il logaritmo naturale

della concentrazione di potassio extracellulare per la permeabilità dello

ione potassio più la concentrazione dello ione sodio extracellulare per la

permeabilità dello ione sodio, fratto la concentrazione di potassio

intracellulare per la permeabilità dello ione potassio più la

concentrazione di sodio intracellulare per la permeabilità dello ione

sodio. Tanto più la permeabilità di membrana è elevata per uno ione,

tanto più il potenziale di membrana si avvicina al potenziale di equilibrio

dello ione. E’più permeabile la membrana al potassio per cui il

potenziale di membrana tende ad avvicinarsi al potenziale di equilibrio

del potassio, piuttosto che al sodio.

Modello elettrico della membrana cellulare

RK indica la resistenza della membrana al potassio, mentre il suo

opposto è la conduttanza, o permeabilità, GK della membrana al

Potassio. EK è 102, potenziale di equilibrio del potassio. Il circuito del

potassio è parallelo a quello del sodio, il cui potenziale di equilibrio EK

è 45. Il potenziale di diffusione si stabilisce ai capi della membrana, al

quale il flusso netto degli ioni è nullo, quindi i flussi dei due ioni

attraverso la membrana sono uguali. Calcolare grazie a Ohm.

Calcolo del potenziale di membrana

Vm = ENa . GNa + EK. GK/GNa +GK

Differenza di potenziale di membrana a riposo= potenziale di equilibrio

del sodio per la conduttanza del sodio, più il potenziale di equilibrio del

potassio per la conduttanza del potassio fratto la conduttanza del sodio,

più la conduttanza del potassio.

Azione della pompa Na/K, e flussi ionici passivi

Poiché la permeabilità della membrana al potassio è maggiore di quella

al sodio, lo ione potassio esce più velocemente di quando non entri il

sodio nella cellula; questo genera una differenza di potenziale,

stabilendo un potenziale di diffusione ai capi della membrana che fa sì

che la quantità di potassio che esce si uguale alla quantità di sodio che

entra. Nel tempo però questo potenziale tenderebbe ad annullarsi se si

annulla il gradiente di concentrazione; questo tuttavia non avviene

poiché ogni cellula possiede una proteina, la pompa sodio-potassio, che

mantiene questa distribuzione di ioni eguale tra mezzo extra e

intracellulare, distribuzione responsabile del potenziale di membrana a

riposo. La pompa è accoppiata 3 a uno, espellendo tre ioni potassio per

ogni ione sodio che entra nella cellula, e quindi ha una piccola azione

elettrogenica. Il suo compito è quindi mantenere il gradiente di

concentrazione mantenendo il flusso ionico attraverso i canali, poiché il

potenziale di riposo è dovuto al fatto che i due cana