Appunti di fisiologia cellulare, linea A-L

Mlfisiologia cellulare

La fonte principale di energia nel nostro organismo è l’ATP. Usiamo questa energia per compiere lavoro interno per mantenere l’ordine. La cellula è un ambiente estremamente ordinato. Non abbiamo un’efficienza del 100%. La gran parte dell’energia viene spesa come calore. Es: brividi meccanismi messi in atto per generare calore fondamentali per far avvenire le reazioni all’interno del nostro organismo.

La sorgente energetica principale è il glucosio che contiene l’energia nei legami che viene usata per produrre ATP. È la sorgente di energia per eccellenza.

Membrana plasmatica

Doppio strato lipidico. Teoria del mosaico fluido (1970): doppio strato lipidico estremamente fluido/mobile. Il passaggio delle molecole attraverso alla membrana avviene grazie alla fluidità della membrana.

Componenti della membrana

Lipidica: componente maggiore, uguale in tutte le cellule.

Proteica: selettiva, specifica per ogni cellula.

• Lipidi-fosfolipidi: ruolo puramente strutturale, grazie alla loro natura antipatica (testa polare glicerolo + gruppo fosfato + generalmente colina) e coda apolare costituita da acidi grassi in numero variabile che costituisce il core della membrana. Il numero di atomi di carbonio delle catene di acidi grassi è molto regolare (circa 12-20 C per la membrana biologica). La presenza di doppi legami induce maggiore mobilità dei lipidi e maggiore possibilità per le proteine di avere cambiamenti conformazionali. Distribuiti sia sul lato intra che extra cellulare. Il principale è la fosfatilcolina. Queste molecole possono muoversi lateralmente, ruotare su se stesse, scambiarsi (movimento detto flip-flop).
• Glicolipidi: importante componente zuccherina. Normalmente si trovano sul foglietto sul lato extracellulare. Hanno un effetto protettivo proteggendo le molecole dall’azione di enzimi digestivi o cambiamenti di pH. Effetti elettrici. Modulano il campo elettrico e la concentrazione di ioni -> spiega la capacità delle cellule neuronali di generare impulsi elettrici. Hanno un ruolo importante nell’isolamento elettrico nella mielina. Ruolo nell’adesione cellulare. Componente più preponderante in alcune molecole che in altre, fornisce caratteristiche aggiuntive.
• Colesterolo: principale sterolo della membrana. Formato da una piccola testa polare contenente il gruppo OH, 4 anelli sterolici e una corta catena di acidi grassi (coda). Ha un ruolo fondamentale: limita la mobilità laterale dei fosfolipidi, controlla la fluidità della membrana e diminuisce la permeabilità all’acqua. Nel globulo rosso permeabilità alta (tanto colesterolo), nel rene permeabilità all’acqua molto bassa (tanto colesterolo). Più colesterolo c’è, più la membrana è rigida.

Queste molecole tendono ad associarsi tra di loro formando delle "zattere lipidiche". In queste strutture si accumulano recettori, trasportatori, canali ionici. Strutture non rigide ma estremamente dinamiche. I lipidi hanno anche ruolo di segnale.

Proteine

Componente variabile da cellula a cellula e da membrana a membrana.

• Globuli rossi 49%
• Mielina neuroni 18%
• Membrana mitocondriale interna e reticolo sarcoplasmatico: aumenta di molto.

La componente proteica aumenta dove la membrana ha funzione enzimatica. Dove ha funzione di isolante diminuisce. Dal punto di vista strutturale:

• Integrali: attraversano più volte la membrana plasmatica.
• Periferiche: ancorate al citoscheletro/lipidi, estremamente importanti. Importante per arricchirle in domini specifici della membrana plasmatica. Es a livello della sinapsi sono presenti numerosi recettori -> più efficaci se sono concentrati in un dominio.

Dal punto di vista funzionale:

• Proteine strutturali
• Enzimi
• Recettori che trasducono segnali: permettono alle cellule di comunicare tra loro
• Canali e trasportatori: mediano trasporto delle sostanze

Trasporti attraverso le membrane

L’osmolarità: numero particelle osmoticamente attive nella quale si dissocia un soluto in un solvente, espressa in osm/L. Es: glucosio non si dissocia -> 1 osm/L. NaCl -> 2 osm per L (Na⁺ - Cl^-).

L’osmolalità (osm/Kg). La concentrazione di soluti nell’ambiente intracellulare ed extracellulare è diversa.

L’osmolarità nelle soluzioni intra ed extracell è uguale: 300 milli osmoli perché l’acqua si sposta all’equilibrio. L’ambiente extracellulare quando si parla dell’organismo in toto comprende anche il plasma. Plasma: concentrazione ioni uguale all’ambiente extracell. Differenza -> quantità di proteine. Le grosse proteine sono contenute all’interno dei vasi. La cellula è in grado di generare differenze di concentrazione tramite meccanismi di trasporto. Tale differenza genera un gradiente -> utile per compiere lavoro di trasporto/segnali/movimento. 30% delle riserve per generare questo lavoro di trasporto. Il pH di queste soluzioni è neutro.

L'equazione generale del trasporto

La cellula genera e mantiene queste differenze di concentrazioni attraverso il lavoro di trasporto. Il flusso di una sostanza (i) in una soluzione libera è direttamente proporzionale alla forza che lo genera:

I = K * F (Eq di Teorell)
I = flusso
K = costante di proporzionalità, dipende dalle caratteristiche del soluto (mobilità della sostanza in esame, dimensioni ecc..) o dalle caratteristiche della membrana biologica
F = forza motrice, è la forza che sposta una molecola di materiale. Le forze di interesse in questo caso sono dei gradienti di concentrazione.

Gradiente di concentrazione: il flusso va dove l’ambiente è più concentrato a dove è meno.
Gradiente elettrico: differenza di potenziale che si genera a cavallo della membrana => insieme generano il gradiente elettrochimico.
Gradiente pressorio: fa muovere il sangue attraverso i capillari.

L’energia che si traduce in lavoro è:

• Parte dell’energia liberata dal sistema -> trasporto passivo
• Fornita dal metabolismo -> trasporto attivo

Trasporto passivo

- Utilizza energia cinetica posseduta dalle molecole.
- Le molecole si muovono secondo il loro gradiente chimico, elettrico o di pressione.
- Es: il glucosio è più concentrato nell’ambiente extracellulare che nell’ambiente intracellulare. È presente quindi un gradiente di concentrazione. Mosso da questo gradiente il glucosio si sposta passivamente dall’ambiente extra all’ambiente intracell.
- In generale prende nome di diffusione.

Proprietà della diffusione

• Le molecole diffondono da una zona a maggiore concentrazione verso zone a più bassa concentrazione poiché ogni molecola presenta la sua energia cinetica, continuano a muoversi e questo movimento è quello più probabile.
• Più grande è la differenza di concentrazione, maggiore è la velocità delle molecole che diffondono.
• La diffusione è direttamente proporzionale alla temperatura.
• La diffusione è inversamente proporzionale alla dimensione molecolare -> incontra attrito. Equazione: Lo spostamento di una molecola dalla zona 1 alla zona 2 dipende dalla concentrazione C1 e da una costante DJ1-2 = D x [C1]. La velocità del flusso è massima all’inizio ma quando la molecola si sposta da 1->2 la velocità diminuisce fino ad arrivare all’equilibrio.
• Il lavoro di diffusione procede finché c’è un gradiente e raggiunge sempre un equilibrio dinamico: non c’è flusso netto da un lato all’altro, ma le molecole posseggono ancora la loro energia cinetica -> un ugual numero di molecole si sposta da 1->2 e da 2->1. Il flusso netto è nullo. J NETTO = J1-2 – J2-1 = deltaX (C1-C2).
• La diffusione è un processo che funziona bene a breve distanza -> meccanismo usato per trasportare sostanze fuori-dentro la membrana plasmatica. È molto lento invece su lunga distanza.

Trasporto attivo

Per generare attività di trasporto devo fornire energia attraverso ATP. Entrambe queste attività devono essere presenti in un organismo. Trasporti passivi -> dissipano energia. Attivi -> generano un gradiente. Gli scambi tra ambiente interno ed esterno avvengono attraverso la membrana. La diffusione attraverso la membrana è un po’ più complicata rispetto alla diffusione in un sistema aperto. La membrana è di natura lipidica. La diffusione può essere di due tipi:

• Semplice: avviene attraverso il core lipidico della membrana plasmatica.
• Facilitata: per avvenire ha bisogno dell’ausilio di alcune proteine (trasportatori e canali ionici). Sempre secondo gradiente.

Diffusione semplice

Solo poche molecole possono attraversare il core lipidico:

• Piccole molecole di natura lipidica
• Gas
• Molecole d’acqua: si insinuano tra i lipidi -> motivo per cui tutte le soluzioni hanno la stessa osmolarità. Per controllare/rallentare il passaggio dell’acqua si aumenta il colesterolo.
• È possibile solo per le molecole che si sciolgono nello strato lipidico (coefficiente di ripartizione olio/acqua).

Es: glicerolo coeff di ripartizione basso; uretano coeff. Alto:

• La permeabilità per il glicerolo è bassa.
• Permeabilità uretano alta.

Spessore membrana e ampiezza della superficie: maggiore è la superficie e minore è lo spessore della membrana, maggiore sarà il flusso.

Legge della diffusione di Fick: permette di calcolare la velocità del flusso (J) quando sono note le concentrazioni nei due compartimenti (C1-C2) e la permeabilità di una molecola attraverso la membrana. Il coefficiente angolare della retta è la permeabilità. Legge di Fick -> il flusso è maggiore, maggiore è l’area.

Es: intestino usa una serie di stratagemmi per aumentare la superficie:

• Pliche aumenta sup di volte
• Ogni plica caratterizzata da villi: amplifica sup di 25-30 volte.
• Enterociti: microvilli amplificano sup di 400 volte.

Es2: polmone composto da tanti alveoli: trasporto di gas da polmoni a capillari diffusione semplice. Dipende da spessore e area. La struttura ad alveoli aumenta superficie di scambio (A grande). Spessore: a livello della barriera ematoaerea è piccolissimo. Infatti gli enterociti sono cellule piatte molto sottili a contatto con endotelio della membrana (Delta X piccolo) => amplifica flusso.

Es3: animale che ha freddo si raggomitola. Flusso di calore promosso da area elevata. Quando è freddo vogliamo minimizzare il flusso di calore diminuendo l’area => La legge di Fick regola i flussi passivi e la natura si è adeguata in modo da rispondere alla legge di Fick. Il tutto è formalizzato da delle equazioni.

Diffusione facilitata

Utilizzata da ioni e piccole molecole organiche (glucosio, amminoacidi). Può avvenire attraverso:

• Canali ionici: mettono in comunicazione gli ambienti separati dalla membrana e permettono il passaggio selettivo di ioni. Contemporaneamente accessibili dal lato extracellulare a quello intracellulare. Tipici degli ioni (non esiste per il glucosio). L’unica molecola che passa attraverso un canale (acquaporina) ionico è l’acqua. Il canale ionico è una molecola complessa, spesso formata da più subunità, che crea un poro acquoso attraverso cui passano gli ioni secondo:
  • Gradiente di concentrazione
  • Gradiente elettrico a cavallo di membrana dovuto allo spostamento delle cariche degli ioni
  Nel complesso si tratta di gradiente elettrochimico.

Struttura dei canali ionici

Proteina integrale di membrana costituita da:

• Un vestibolo largo attraverso cui lo ione idratato può accedere facilmente per diffusione.
• Un filtro di selettività più stretto che forma il poro vero e proprio e seleziona gli ioni in base alla carica degli amminoacidi che ne rivestono la parete e al diametro dell’apertura.

Gli ioni devono deidratarsi per poter permeare e si spostano da un sito all’altro in fila indiana e il trasporto è estremamente rapido. Alcuni canali sono sempre aperti e la selezione avviene ad opera del canale stesso; altri canali sono normalmente chiusi e si aprono solo in risposta ad alcuni stimoli.

Tipi di canali a cancello

Dal punto di vista funzionale i canali si distinguono in base alla:

• Selettività:
  • Canali con alta selettività: canali del Na⁺, canali del K⁺, canali del Cl^- (nei neuroni).
  • Canali con selettività intermedia: canali dei cationi (Na⁺, K⁺), ecc.
  La selettività di un canale è strettamente determinata dal tipo di cariche nette (positive o negative) che formano le pareti del foro di permeazione.
• Modalità di attivazione: i canali a cancello sono normalmente chiusi. Si aprono in risposta a segnali:
  • Elettrici (potenziale di membrana): tipico di tutte le cellule eccitabili (neuronali e muscoli). Si attiva quando cambia il potenziale di membrana.
  • Chimici (ligandi intracell: normalmente è un messaggero secondario, quando cambia la concentrazione all’interno della cellula il canale si apre o extracell).
  • Meccanici: lo stimolo è meccanico es stiramento delle membrane. Quando tocchiamo la superficie si deforma l’epidermide. Deformandosi determina lo stiramento delle membrane plasmatiche dei recettori tattili -> cambia il potenziale di membrana -> si genera corrente -> si aprono i canali.
  • Termici

All’aumentare della concentrazione di una sostanza aumenta il flusso ma fino ad un certo punto: quando la concentrazione è troppo alta non ci sono abbastanza canali quindi il flusso non aumenta.

Trasportatore

Molecola più complessa. Deve interagire con la proteina. Va incontro a delle modificazioni conformazionali. Alternativamente accessibili sul lato extracellulare e intracellulare. La molecola trasportata deve legarsi alla proteina carrier -> si genera una modificazione conformazionale -> la sostanza può spostarsi sul lato intracellulare. Questi tipi di trasportatori sono generalmente uniporti perché trasportano una sola molecola. I substrati sono molteplici: piccole molecole organiche (amminoacidi, glucosio, nucleotidi, metaboliti). Il trasporto avviene secondo gradiente in entrambe le direzioni. La direzione (dentro o fuori) è dettata dal gradiente:

• Se una molecola è più concentrata all’interno il flusso va dall’interno -> esterno.
• Se una molecola è più concentrata fuori flusso esterno -> interno.

Questo sistema è più lento del precedente perché richiede un’interazione tra sostanza da trasportare e proteina carrier e un cambiamento conformazionale.

Punto di vista cinetico

(confronto tra diffusione semplice e facilitata) Tutti i trasportatori mediati da carrier si distinguono per il fatto che esiste un limite di saturazione al di sopra della quale la concentrazione non aumenta più. La legge di Fick non è più valida: equazione di Michaelis Menten. Tiene conto della concentrazione del trasportatore ma anche della concentrazione del carrier.

[S] = concentrazione di substrato
Jmax = flusso massimo. Costante tipica di ogni cellula in quel momento che tiene conto del numero dei trasportatori e della velocità con cui avvengono le modificazioni conformazionali che rendono possibile il trasporto.
Km = costante di Michaelis Menten. Rappresenta la concentrazione del substrato alla quale il flusso è la metà del massimo possibile. Spiega l’affinità della molecola carrier per il suo substrato. Prende il nome di affinità. Questo tipo di trasporto è simile all’attività enzimatica.

Proprietà del trasporto facilitato

• Saturazione: il flusso è proporzionale alla concentrazione del substrato fino a quando tutti i trasportatori sono saturati.
• Specificità: c’è un’interazione diretta tra carrier e molecola trasportata. Esistono trasportatori per glucosio, per amminoacidi (acidi, basici, neutri) ecc. Il più noto è quello per il glucosio perché esiste in tutte le cellule. Ogni cellula ha diverse esigenze nel trasporto del glucosio quindi esiste una grande famiglia di trasportatori GLUT all’interno della quale sono presenti più isoforme che trasportano perlopiù esosi e possono essere più o meno selettivi.
• Competizione: ES i trasportatori del glucosio trasportano anche galattosio. Il galattosio è un inibitore competitivo che si lega al trasportatore GLUT nello stesso sito del glucosio e può essere trasportato al suo posto. Cineticamente questo si manifesta con un aumento del Km e di conseguenza con una riduzione dell’affinità.
• Regolazione: nei sistemi biologici la diffusione facilitata è altamente regolabile attraverso 2 modalità:
  • Cambiare numero di trasportatori (aumenta Jmax): Es molti ormoni steroidei aumentano il numero delle proteine trasportatrici (implica trascrizione). Un altro metodo è la ridistribuzione: spesso le proteine carrier si trovano sia sulla membrana plasmatica che in vescicole di esocitosi (vicino alla membrana) in forma inattiva. In risposta ad un segnale (messaggero secondario) le vescicole si fondono con la membrana plasmatica aumentando il numero di proteine trasportatrici sulla membrana. Questo processo è rapido ed è utilizzato per il controllo del trasporto del glucosio negli organi di riserva (fegato, muscoli).
  • Cambiare affinità (aumentando l’affinità aumenta Jmax): es fosforilazione della proteina carrier.