Appunti di fisiologia umana

FISIOLOGIA CELLULARE

COME FUNZIONA LA CELLULA

La membrana plasmatica è una barriera selettiva (cioè che permette il passaggio solo di alcune sostanze) che funge di

involucro della cellula, separando il citoplasma dal liquido extracellulare.

Questa sua funzione permette di mantenere l’omeostasi cellulare e concorre a mantenere le diverse concentrazioni di

sostanze all'interno e all'esterno della cellula.

L’Interno della cellula è infatti dotato di alcuni ioni e cationi mentre all'esterno ne troviamo altri, o quantomeno gli stessi.

STRUTTURA DELLA MEMBRANA: la membrana cellulare è formata da un bylayer fosfolipidico nel quale sono immerse le

proteine di membrana che sono di due tipi:

Intrinseche attraversano interamente la membrana

à

• Estrinseche si trovano solo sulla faccia della membrana.

à

•

Le proteine della membrana possono essere suddivise in sottoclassi in base alla loro funzione:

Costituiscono pori o canali, posti a cavallo della membrana la cui chiusura conferisce alla membrana un criterio di

• selettività. Tali strutture, dotate di capacità elettrica, permettono il passaggio di ioni attraverso la membrana.

Questo fenomeno è facilitato dalla differenza di potenziale ai lati del bylayer.

Costituiscono strutture recettoriali specifiche per ormoni, neurotrasmettitori, farmaci….

• Costituiscono strutture enzimatiche

• membrana.

Costituiscono proteine strutturali con funzione di stabilizzare la

•

Essendo la membrana una struttura lipidica, può essere permeata solo da sostanze lipofile. Il passaggio di ioni e reso

possibile dalla presenza di:

Canali ionici strutture formate da sub unità in grado di modificare il loro orientamento spaziale. Possono

à

• pertanto aprirsi e chiudersi permettere o meno il passaggio di uno ione all'interno o all'esterno a seguito di:

una variazione di potenziale di membrana (canali voltaggio dipendenti)

§ legame con mediatore (canali chimici)

§

Esistono canali permeabili ad un determinato ione ed alcuni permeabili a più tipi.

Le cellule, pur essendo struttura singole, operano in sinergia con le cellule circostanti alle quali sono connesse tramite

giunzioni quali:

Desmosomi tipici degli strati cutanei

à

• Tight junctions Giunzioni strette

à

• Gap junctions Tipiche dell'apparato gastroenterico

à

•

RECETTORI

Un recettore è una molecola che lega in modo definito, specifico, e con elevata affinità, un mediatore endogeno o un

farmaco

In base alla loro localizzazione si dividono in:

a) Recettori di membrana trasducono il segnale portato da mediatori idrofilici (che quindi non attraversano la

à

membrana). Trasducono il segnale generando:

modificazioni biofisiche

• generazioni di secondi messaggeri

•

b) Recettori intracellulari traducono il segnale portato da mediatori lipofilici (diffondono attraverso la

à

membrana) come ormoni e farmaci steroidei. Interagiscono con tratti specifici del genoma, inducendo

modificazioni dell'espressione genetica e quindi della composizione proteica della cellula.

Recettori di membrana

Canale - ligando proteine intrinseche dotate di:

à

• un sito di legame,

- un canale chiuso da un apertura meccanica (a molla).

-

Quando la molecola segnale si lega al sito di legame, il canale si apre permettendo il passaggio di ioni (bidirezionale)

Recettori enzimatici Possiedono un sito di legame che, se stimolato, provoca l'attivazione di un enzima

à

• intracellulare (à risposta interna). Non hanno meccanismi meccanici.

Recettori metabotropici (accoppiati a proteina G) il legame del ligando sul sito di legame causa l'apertura del

à à

• Canale che attiva la proteina G che, a sua volta, attiverà una reazione enzimatica. 1

Recettore proteina G proteina G enzima.

à à

Tale funzionamento enzimatico è molto più lento e complesso degli altri ma permette una regolazione fine e

modulata.

Integrine Canali legati a proteine di ancoraggio a loro volta collegate al citoscheletro che viene alterato in caso di

à

• attivazione (indotta dal legame-recettore).

MECCANISMI DI TRASPORTO

Può avvenire:

Senza attraversamento di membrana, ossia attraverso vescicole che inglobano la sostanza e ne permettono il

§ passaggio attraverso la membrana (endocitosi ed esocitosi).

Esempio: neurotrasmettitori che passano in sinapsi

Con attraversamento di membrana

§ diffusione semplice e

- diffusione facilitata

- canali – ligango

à recettori enzimatici

à

RECETTORI DI MEMBRANA recettori metabotropici

à interagine

à

RECETTORI RECETTORI INTRACELLULARI

CLASSIFICAZIONE IN BASE ALL'USO DI ENERGIA

1. Trasporto passivo

2. Trasporto attivo

TRASPORTO PASSIVO richiede dispendio energetico

àNon

Esempi: Fenomeno per il quale soluti disciolti in solvente, tendono a spostarsi seguendo gradiente di concentrazione per

DIFFUSIONE raggiungere una condizione di equilibrio. La diffusione dipende da:

gradiente di concentrazione,

- dimensioni delle particelle,

- spessore della membrana da attraversare.

-

La velocità di diffusione sarà inversamente proporzionale alla dimensione della molecola

La differenza di concentrazione ai capi della membrana provoca il passaggio di H O dalla soluzione più diluita a

OSMOSI 2

quella più concentrata.

Liquidi intra ed extracellulare possono essere :

isotoniche,

- ipertoniche,

- ipotoniche

-

DIFFUSIONE Basata sul gradiente di concentrazione, mai necessaria di carrier (strutture enzimatica o proteica). Questo

meccanismo è specifico, cioè solo determinate sostanze vengono trasportate da un determinato carrier.

FACILITATA Esempio la penetrazione del glucosio negli eritrociti.

à

L'insulina è il carrier del glucosio per attraversare la membrana.

Questo processo richiede inoltre che aumenta la permeabilità della membrana al glucosi

FILTRAZIONE Passaggio di acqua e soluti per differenza di pressione idrostatica.

Esempio filtrazione glomerulare in cui la pressione sanguifera spinge le piccole molecole oltre la barriera

à

capillare

TRASPORTO ATTIVO Dispendio energetico fornito dall'ATP della cui scissione dei radicali fosforici genera 7 kcal/mole.

à

Utilizza vettori (carrier). Il trasporto grazie all'uso di ATP può avvenire:

contro gradiente di concentrazione,

- 2

di pressione,

- di potenziale elettrico (nelle cellule nervose).

-

I carrier richiesti possono essere:

mobile si sposta da una parte all'altra della membrana,

- à

fisso fisso in un punto, ma può esporre il suo sito attivo da una parte poi dall'altra. Tale fenomeno si verifica anche:

- à a livello della membrana mitocondriale e

§ del reticolo endoplasmatico.

§

Esempi di trasporto attivo:

POMPE possono “pompare” ioni all'esterno o all'interno della cellula contro gradiente di concentrazione o

IONICHE elettrico.

Le pompe ioniche più importanti sono:

Pompa sodio potassio trasporta ioni dentro sodio (3) verso l'interno e potassio (2) all'esterno.

à

• crea una differenza di potenziale determinando una negatività all'interno e positiva all'esterno

punto viene attivata da un aumento anche minimo di ioni sodio nell' ambiente intracellulare.

Questa pompa interviene in molti processi quali:

Trasmissione dell'impulso nelle fibre nervose e muscolari.

- Attività secretoria ghiandolare.

- Mantenimento del volume cellulare: infatti il trasporto di sodio all’esterno provoca anche la

- fuoriuscita di H O

2

Pompa del sodio permette di mantenere all'interno della cellula concentrazione di calcio molto

à

• inferiori all’esterno.

E’ ubicata:

Nella membrana cellulare (con la detta funzione)

- Nel citoplasma ove ne promuove l'ingresso nei canalicoli del reticolo sarcoplasmatico e nei

- mitocondri. È particolarmente attiva a livello renale e intestinale

ESOCITOSI Immissione nel liquido Extracellulare di prodotti di secrezione o di scarto. È il principale meccanismo di

ghiandole endocrine rilasciando ormone

ENDOCITOSI due aspetti sono:

FAGOCITOSI da parte di una cellula di particelle di dimensioni anche notevoli,

àinteriorizzazione

• quali altre cellule e/o batteri.

PINOCITOSI assunzione di piccole quantità di fluido extracellulare e delle sostanze in esso

à

• disciolte. Il suo scopo è, appunto, quello di incamerare materiali il cui ingresso sarebbe altrimenti

impossibile.

CLASSIFICAZIONE IN BASE A CHI USA L'ENERGIA

Di conseguenza sono di

Trasporto attivo

1. Primario la sostanza trasportata è direttamente coinvolta nel consumo energetico

à

Esempio: POMPA SODIO POTASSIO

2. Secondario sono molecole intermedie (che non entrano nella cellula) che spendono energia e permettono

àci

l'ingresso ad altre molecole.

Esempio: simporto sodio/glucosio il glucosio deve essere trasportato all'interno della cellula ma è il sodio che

à

porta l'energia e permette l'ingresso attivando il canale presente sul sito d'aggancio che ruota portando sia sodio

che glucosio all'interno. Quindi il glucosio entra senza spendere energia.

DIFFERENZA DI POTENZIALE 3

Le cellule che possiedono canali sono dette cellule eccitabili, ossia cariche elettricamente polarizzate diversamente tra

interno ed esterno della cellula.

A riposo una cellula eccitabile carica negativamente.

Le cellule eccitabili umane sono:

neuroni,

• cellule muscolari.

•

CANALI IONICI macromolecole proteiche che hanno la possibilità di chiudersi e aprirsi.

à

Quando sono aperti permettono il passaggio di ioni. Possono essere:

PASSIVI sono sempre aperti, sprovvisti di un “cancello” e costituiti da due sub-unità che si guardano ed attuano

à

• la selezione ionica ma permettendo sempre il passaggio al relativo ione.

Sono responsabili del potenziale di riposo perché in condizioni di riposo sono gli unici che permettono il passaggio.

ACCESSO VARIABILE hanno un “cancello” la cui apertura permette il passaggio di ioni. Necessita di stimoli per

à

• aprirsi. Quando riceve l'impulso il cancello si apre e permette un notevole passaggio di ioni facendo variare la

polarità della cellula potenziale d'azione.

à

Esiste anche uno stato intermedio detto è stato di inattivazione. Si tratta dello stadio, subito dopo l'attivazione e

prima della chiusura del cancello. In questo stadio viene chiuso un “cancello secondario” che non permette il

passaggio di ioni. à

Lo stato di inattivazione è raggiunto velocemente, mentre per tornare a quello di riposo ci verrà più tempo

Quando ci si trova nello stato di inattivazione, un nuovo stimolo NON causerà alcuna risposta.

à à

POTENZIALE DI RIPOSO APERTURA CANCELLO E INIZIO STATO DI INATTIVAZIONE

stimolo DEL POTENZIALE DI AZIONE

RITORNO

I possono essere di tre tipi:

CANALI AD ACCESSO VARIABILE

1. rispondono a stimoli elettrici in seguito a variazione del potenziale di

CANALI VOLTAGGIO-DIPENDENTI à

membrana

2. aprono il cancello in seguito allo stimolo di molecole chimiche (ligandi

CANALI REGOLATI DA LIGANDI )

à

3. la molecola che trasporta energia è in grado di far cambiare la

CANALI REGOLATI DA STIMOLI MECCANICI à

conformazione del canale

CANALI DEL SODIO

Bassa soglia di Attivazione i cancelli si aprono immediatamente a seguito di un impulso elettrico.

à

• Sono i primi ad aprirsi.

Il sodio, che è sempre più concentrato fuori dalla cellula, entrando porterà cariche positive causando la

depolarizzazione

Hanno una rapida cinetica di inattivazione cioè si attiva velocemente. Dopo l'apertura del cancello , entra

à

• molto velocemente sodio ma, grazie ad una temporizzazione, dopo brevissimo tempo si inattivano.

Mentre il potenziale d'azione è in corso, la refrattarietà assoluta che assume il canale, impedisce sovrapposizioni di

potenziale. La breve durata del potenziale d'azione rende possibile nuove depolarizzazione dopo breve tempo.

CANALI DEL CALCIO

Si aprono per secondi, dopo quelli del sodio. Possono essere:

ad alta soglia di attivazione (canali L) necessitano di una marcata depolarizzazione del aprirsi (-20 mV).

à

• Rappresentano la maggioranza dei canali calcio della cellula.

A bassa soglia di attivazione (canali T) si attivano tra i -65 mV e -50 mV . Generano un fugace ingresso di ioni

à

• calcio. Poco presenti.

CANALI DEL POTASSIO

Si aprono per ultimi, sono poco sensibili all’impulso elettrico iniziale, infatti sono responsabili della fase di ripolarizzazione

4

POTENZIALE DI MEMBRANA differenza di energia potenziale elettrica tra il versante interno e quello esterno. È

à

misurato in mV. È generato dalla distribuzione asimmetrica di cationi e anioni dovuta alla loro diversa diffusibilità e

all'intervento delle pompe ioniche.

Di norma il versante interno, in condizioni di riposo, è più elettronegativo rispetto all'esterno.

Nelle cellule nervose il potenziale di membrana a riposo e circa -70 mV. Questo potenziale può modificarsi fino a invertirsi

(potenziale d'azione) nei neuroni e nelle cellule muscolari (cellule eccitabili).

+ +

Na Cl

All'esterno della cellula alte concentrazioni di e

à +

K

All'interno della cellula alte concentrazioni di e di proteine che in condizioni di Ph normali espongono cariche

à

negative (anioni proteici).

La differenza di concentrazione dei diversi ioni ai lati della membrana definisce un gradiente di concentrazione per ogni

ione (gradiente chimico) che ne consente la diffusione. +

K

In condizioni di riposo la membrana ha alta permeabilità per il (canali passivi) e permeabilità scarsa, o assente, per il

+

Na

per il e gli altri ioni. Gli anioni proteici non possono uscire per le dimensioni. Il flusso ionico, però, è controllato da un

secondo fattore, detto gradiente elettrico che regola la diffusione secondo le cariche degli ioni.

La combinazione dei due gradienti è detto gradiente elettrochimico.

+

NB Se K non avesse carica positiva, tenderebbe ad uscire fino a raggiungere l'equilibrio di

concentrazione. Viceversa, man mano che il potassio esce, un elevato numero di cariche negative (legate agli anioni

proteici (indiffusibili), tengono a richiamarlo all'interno. +

La presenza interna di cariche negative e di gradiente chimico favorevole, attira Na . Il flusso è favorito dalla scarsa

presenza di suoi canali passivi. +

A lungo andare, l'ingresso di Na andrebbe a neutralizzare la carica negativa interna è impedito dalla pompa

à

ATPasica.

L'EQUAZIONE DI NERNST permette di calcolare il potenziale di equilibrio elettrochimico per ogni ione diffusibile.

Rappresenta il valore del potenziale di membrana in grado di controbilanciare il gradiente chimico consentendo di

mantenere costanti nel tempo le concentrazioni intra ed extracellulari:

costante Temp.Assoluta in Concentrazione

dei gas gradi Kelvin esterna dello ione

E = RT X Log.n. CE

FZ C1

Potenziale di Valenza

equilibrio Costante dello Concentrazione

elettrochimico di Faraday ione interna dello ione

Questa formula non è veritiera: bisogna considerare la permeabilità della membrana allo ione. Il contributo della

permeabilità è preso in considerazione dall'equazione di Goldman

costante Temperatura

dei gas +e +e -

V = RT X Log.n. (PK [K ] +(PKNa [Na ] +(Pcl [cl ] )

+1 +1 -e

F (PK [K ] +(PKNa [Na ] +(Pcl [cl ] )

Potenziale di

membrana Costante

di Faraday

Dall’equazioni si ricava che il valore del potenziale di membrana tende sempre ad avvicinarsi a quello del potenziale di

equilibrio elettrochimico dello ione maggiormente diffusibile.

R

T

i

][

est

E

ln

=

i

zF

i

][

int 5

POTENZIALE DI AZIONE: VERSIONE PROVVISORIA. VEDIA ANZI ALLA FINE DEL DOCUMENTO (ALLEGATO A)

Variazione transitoria del potenziale di membrana in grado di propagarsi lungo la membrana delle cellule eccitabili. Ciò è

+ +

reso possibile grazie alla presenza di canali voltaggio/dipendenti per Na e K segnale conduzione cellula nervosa

à +

à

INIZIO apertura transitoria canali voltaggio-dipendenti selettivi per Na . Nel neurone sono localizzati

nella membrana dell'assone (in particolare nel cono assonico)

+

à

COSA SUCCEDE l'apertura provoca l'ingresso Na . Si possono verificare due situazioni:

1. se il numero di canali aperti e gli ioni sono sufficienti per raggiungere un valore di almeno -

45 mV (potenziale soglia) si genera il potenziale d'azione

2. Se il potenziale-soglia non è raggiunto, il PA non si genera

à

CONCLUSIONE In 2/4 millesimi di secondo si può raggiungere un valore di +30 mV. Se succede:

+

i canali voltaggio-dipendente Na si chiudono

• +

i canali voltaggio dipendente K si aprono

• +

In tali condizioni, gradiente elettrico e chimico sono favorevoli all'uscita di K con la diretta

perdita di cariche positive àripolarizzazione

+ +

L'eccesso di Na dentro, e K fuori, è stabilizzata dalla pompa sodio potassio

Nel periodo immediatamente dopo (1-2 millisecondi) al valore di picco del PA (+30 mV) la membrana è INCAPACE di

generare un altro PA (periodo refrattario assoluto) in quanto i canali Na+ non sono subito pronti.

Dopo questo periodo, que