Appunti Fisiologia I

Fisiologia I

Organizzazione della cellula

Le parti principali che la costituiscono sono il nucleo e il citoplasma, possiamo inoltre osservare una membrana nucleare che divide il nucleo dal citoplasma e una membrana cellulare o citoplasmatica che invece divide il citoplasma dall’ambiente extracellulare.

Le diverse sostanze che compongono la cellula costituiscono nel loro insieme il protoplasma:

• Acqua: è il principale mezzo liquido delle cellule, rappresenta il 70-85% della massa cellulare, fatta eccezione per le cellule adipose.
• Ioni: nella cellula gli ioni (elettroliti) importanti sono rappresentati da Potassio, Magnesio, bicarbonato e in minore quantità Calcio, Sodio e Cloro. Sono necessari ad attivare alcuni meccanismi di controllo cellulare.
• Proteine: dopo l’acqua, le proteine sono le componenti più abbondanti, si possono classificare in proteine strutturali e proteine funzionali. Le proteine strutturali si trovano sotto forma di lunghi filamenti che vanno a costituire il citoscheletro, mentre le proteine funzionali hanno una caratteristica forma tubulo-globulare e svolgono primariamente funzione di enzimi. Le proteine a differenza dei lipidi possono invece essere soggette solamente a 2 tipologie di movimenti (rotazione e diffusione laterale).
• Lipidi: particolarmente importanti sono i fosfolipidi e il colesterolo, essi sono praticamente insolubili in acqua e perciò vengono utilizzati per formare la membrana cellulare e le membrane di organuli intracellulari. I lipidi, dotati di un grande dinamismo, possono andare incontro a tre tipologie di movimenti (rotazione, diffusione laterale e flip flop).
• Carboidrati: svolgono un ruolo strutturale assai modesto, mentre hanno un ruolo di primaria importanza per la nutrizione cellulare. Una piccola quantità di carboidrati è anche immagazzinata nelle cellule sotto forma di glicogeno, un polimero insolubile del glucosio.

La membrana cellulare anche detta membrana citoplasmatica è costituita per il 55% da proteine, per il 25% da fosfolipidi, per il 13% da colesterolo, per il 4% da altri lipidi e per il 3% da carboidrati.

Il doppio strato lipidico di cui è costituita la membrana è impermeabile alle comuni sostanze idrosolubili, come ioni, glucosio e urea; è invece permeabile alle sostanze liposolubili quali alcol, ossigeno e anidride carbonica che possono attraversare la membrana con facilità. Le molecole di colesterolo di cui la membrana è costituita contribuiscono invece oltre che a determinare il grado di permeabilità anche quello di fluidità della membrana.

La fluidità di membrana dipende da: il tipo di lipide, la temperatura, la transizione di fase (i doppi strati vanno incontro a transizione di fase, un fenomeno per cui possono “fondere” o “congelare” al di sopra o al di sotto di determinate temperature; se la membrana si irrigidisce viene meno la comunicazione tra interno ed esterno), la lunghezza del lipide (più corte sono, meno interagiscono fra loro, maggiore sarà la fluidità) e la saturazione del lipide (più sono insature, meno potranno disporsi a stretto contatto, maggiore sarà la fluidità).

Le proteine associate alla membrana cellulare possono essere di due tipi, le proteine integrali e le proteine periferiche. Le integrali attraversano la totalità dello spessore della membrana, mentre quelle periferiche sono attaccate soltanto ad una delle superfici della membrana senza attraversarla da un lato all’altro.

1 Fisiologia I

Molte proteine integrali costituiscono la struttura di canali tramite i quali acqua e ioni possono diffondere tra il liquido extra-cellulare e quello intra-cellulare. Altre proteine integrali agiscono da proteine trasportatrici (carrier) e in taluni casi, queste proteine trasportatrici possono anche trasportare sostanze in senso opposto rispetto ai loro gradienti elettrochimici: quest’ultimo tipo di trasporto viene definito attivo.

Le proteine integrali di membrana possono anche costituire recettori per composti chimici idrosolubili, quali per esempio gli ormoni peptidici. L’interazione dei recettori di membrana con specifici ligandi provoca cambiamenti conformazionali nella proteina recettoriale, tale processo induce interazioni tra recettore e proteine citoplasmatiche che agiscono come secondi messaggeri.

I carboidrati della membrana possono invece essere associati a proteine e lipidi sotto forma di glicoproteine o glicolipidi; altri carboidrati denominati proteoglicani, principalmente formati da molecole di carboidrati legate a piccoli nuclei proteici, sono debolmente attaccati alla superficie esterna della cellula.

Pertanto la cellula presenterà spesso un rivestimento lasso di carboidrati, che prende il nome di glicocalice. Le molecole di carboidrati associate alla membrana plasmatica svolgono diverse importanti funzioni:

• Molte di esse sono cariche negativamente il che conferisce alle cellule una carica globale di superficie di segno negativo.
• Il glicocalice di alcune cellule si attacca al glicocalice di altre (adesione substrato).
• Molti carboidrati di membrana agiscono come recettori di ormoni come l’insulina.
• Riconoscimento cellulare.

Chemiotassi

La chemiotassi è determinata dalla comparsa nei tessuti di particolari sostanze dette sostanze chemiotattiche. La maggior parte delle cellule (corpi cellulari, batteri…) si muove verso la fonte di una sostanza chemiotattica, spostandosi, cioè, da un’area dove essa è presente a più bassa concentrazione verso un’altra a concentrazione più elevata. In tal caso si parla di chemiotassi positiva dovuta a sostanze chemio-attraenti, la condizione opposta è invece definita chemiotassi negativa ed è dovuta a sostanze chemio-repellenti (per esempio il macrofago, migra per diapedesi verso cataboliti prodotti dal batterio X fagocitosi). →

Il trasporto attraverso la membrana

Il passaggio di ioni e molecole attraverso la membrana cellulare, avviene secondo uno dei due meccanismi fondamentali: la diffusione e il trasporto attivo. Per diffusione si intende un movimento molecolare del tutto casuale (movimenti browniani), mentre per trasporto attivo si intende il movimento di ioni o di altre sostanze attraverso la membrana in combinazione con una proteina trasportatrice che fa muovere le sostanze contro-gradiente. Quest’ultimo processo richiede un apporto energetico addizionale.

• Diffusione → O2, CO2, piccole molecole non polari, lipidi.
• Trasporto operato da proteine → Glucosio, H2O, molecole polari, Ioni (H+, Na+, K+, Ca++: sono solvatati, ovvero circondati da molecole di H20, perciò caratterizzati da un impedimento sterico maggiore).

2 Fisiologia I

Entrano nella cellula attraverso:

• Proteine canale: singlepass, poro idrofilo (altamente specifico per ioni solvatati), trasporto rapido;
• Proteine carrier: multipass, cambio conformazione, trasporto lento.

La diffusione attraverso la membrana cellulare può avvenire mediante due distinti processi, la diffusione semplice e la diffusione facilitata. La diffusione semplice consiste nel movimento di molecole o di ioni direttamente attraverso la membrana (se la sostanza è liposolubile) oppure attraverso proteine canale (se la sostanza è idrosolubile). La diffusione facilitata richiede l’interazione con una proteina trasportatrice che agevola il passaggio delle molecole o degli ioni attraverso la membrana, combinandosi chimicamente con essi. L’acqua stessa non è solubile nei lipidi della membrana, ma passa molto bene attraverso canali proteici che penetrano l’intero spessore della membrana, le cosiddette acquaporine che permettono il passaggio rapido e selettivo dell’acqua.

I canali proteici hanno due importanti caratteristiche:

• Sono spesso selettivamente permeabili a determinate sostanze, tale selettività è dovuta alle caratteristiche del canale, quali il diametro, la forma e la natura delle cariche elettriche.
• Molti di essi possono essere aperti o chiusi mediante porte che possono essere regolate da diverse tipologie di stimoli. I meccanismi di apertura e di chiusura delle porte consentono il controllo della permeabilità dei canali.

Tali meccanismi sono 2 fondamentalmente:

• Porte voltaggio-dipendenti (voltage gating) → in questi casi le porte di questi canali sono mantenute chiuse fino a una variazione nella carica globale della cellula. Questo processo si trova alla base dell’origine dei potenziali di azione nel Sistema Nervoso.
• Porte ligando-dipendenti (ligand gating) → in questi casi invece la porta si apre in seguito al legame tra un sito attivo presente a livello del canale e un ligando. Tale legame induce un cambiamento conformazionale del canale stesso che si traduce in un’apertura delle porte ligando-dipendenti.
• Stress activated → attivati da forza meccanica (muscolo liscio).

La diffusione facilitata è anche conosciuta con il nome di diffusione mediata da un trasportatore, in quanto una sostanza trasportata secondo questa modalità diffonde attraverso la membrana per azione di una specifica proteina trasportatrice che facilita la diffusione della sostanza da un lato all’altro della membrana. La diffusione facilitata presenta una differenza molto importante rispetto alla diffusione semplice: mentre la velocità di diffusione attraverso una canale aperto aumenta proporzionalmente alla concentrazione della sostanza che diffonde, nella diffusione facilitata, la velocità tende ad un valore massimo che non può essere superato. Ciò è dovuto alla saturazione delle proteine trasportatrici specifiche per una determinata sostanza.

3 Fisiologia I

Come sappiamo la concentrazione di determinati ioni è maggiore nello spazio intra-cellulare o in quello extra-cellulare, più nello specifico lo ione potassio è abbondante all’interno del citosol, mentre ioni quali calcio, sodio e cloro sono più abbondanti nell’ambiente extra-cellulare. Il mantenimento di tale equilibrio è dovuto al trasporto attivo che causa un movimento contro gradiente. Tra le sostanze che vengono trasportate mediante trasporto attivo abbiamo ioni, alcuni zuccheri e la maggior parte degli amminoacidi. Esistono due tipologie di trasporto attivo che si distinguono per la fonte di energia utilizzata:

• Trasporto attivo primario → Nel trasporto attivo primario l’energia è ottenuta direttamente dalla degradazione dell’ATP.
• Trasporto attivo secondario → In questo tipo di trasporto attivo invece l’energia deriva da un processo di immagazzinamento energetico sotto forma di un gradiente di concentrazione di altri ioni, quest’ultimo generato a sua volta da un trasporto attivo primario.

Un esempio di trasportatore attivo è la Pompa Na+/K+ che trasferisce ioni sodio all’esterno e ioni potassio all’interno della cellula. Questa pompa è responsabile del mantenimento delle differenze di concentrazione del sodio e del potassio tra un lato e l’altro della membrana cellulare e contribuisce a instaurare un potenziale elettrico negativo all’interno delle cellule. Questa pompa è costituita da due subunità, α e β.

Della subunità β non si conosce ancora perfettamente la funzione ma si pensa che abbia una funzione di ancoraggio, mentre della subunità α si conoscono tre caratteristiche importanti per la funzione della pompa:

• Possiede tre siti di legame per gli ioni Na+ sulla porzione della proteina che si estende verso l’interno della cellula.
• Possiede due siti di legame per gli ioni K+ sulla porzione esterna della proteina.
• La porzione interna della proteina possiede attività ATPasica.

Funzionamento della pompa Na+/K+:

• Tre ioni sodio e una molecola di ATP si legano alla pompa sodio-potassio: il sodio nei suoi siti di legame, mentre l’ATP nella porzione con attività ATPasica.
• L’idrolisi dell’ATP in ADP provoca un cambiamento conformazionale della proteina di membrana.
• Gli ioni sodio vengono liberati all’esterno della membrana e la nuova forma del canale permette il legame di due ioni potassio.
• Il rilascio del gruppo fosfato riporta il canale alla sua forma originaria.
• A questo punto i due ioni potassio sono rilasciati all’interno della cellula.

4 Fisiologia I

La pompa Na+/K+ è particolarmente importante nel controllo del volume cellulare, sappiamo infatti che le cellule sono costituite per la maggior parte da proteine e altre sostanze organiche, delle quali la maggior parte sono di carica negativa. Talune sostanze attrarrebbero un’elevata concentrazione di ioni positivi all’interno della cellula, a sua volta quest’elevatissima concentrazione di ioni all’interno delle cellule attrarrebbe per osmosi acqua. Ciò si tradurrebbe in un aumento spropositato del volume cellulare fino alla completa lacerazione dei tessuti.

Quando la cellula inizia a gonfiarsi, la pompa sodio-potassio si iper-attiva per ripristinare le concentrazioni ottimali di Na+ e K+ all'interno della cellula. La pompa trasferirà quindi all'esterno un numero ancora più elevato di ioni sodio e, per effetto osmotico, anche acqua.

La pompa è inoltre definita di per sé elettrogenica, ovvero in grado di generare una differenza di potenziale elettrico attraverso la membrana cellulare. Questo perché espelle verso l’esterno tre cariche positive (3 ioni sodio) e ne recupera soltanto due (2 ioni potassio); avremo pertanto un accumulo di cariche positive all’esterno della cellula con conseguente generazione di una carica negativa intra-cellulare. Quando gli ioni sodio vengono trasportati al di fuori delle cellule mediante trasporto attivo primario si stabilisce un forte gradiente di concentrazione all’esterno della cellula e una concentrazione più bassa all’interno. Questo gradiente rappresenta una riserva di energia, poiché questa energia di diffusione del sodio può essere accoppiata al trasporto di altri ioni sia in forma di sinporto che antiporto.

Potenziale di membrana e di azione

Il potassio entra per neutralizzare la carica negativa neutralizzare la carica negativa. Le proteine sono dei polianioni (portano molteplici cariche negative) della cellula; il potassio che della cellula; il potassio che entra crea un elevato gradiente che non si diffondono attraverso la membrana equilibrandosi con entra crea un elevato gradiente di concentrazione all’interno e di concentrazione all’interno e l’esterno, questo determina la necessità di riarrangiare, secondo dunque comincia a diffondere regole opportune, il corredo ionico dei due compartimenti per quanto vero l’esterno. Il potassio vero l’esterno. Il potassio smette di uscire dalla cellula riguarda quegli ioni in grado di diffondere attraverso la membrana. Di smette di uscire dalla cellula quando si eguagliano le forze quando si eguagliano le forze conseguenza a cavallo della membrana di tutte le cellule vive abbiamo create dall’uscita del potassio e create dall’uscita del potassio e una differenza di potenziale denominata differenza di potenziale l’entrata del sodio. Questo equilibrio è raggiunto a -70mV transmembrana a riposo. Le cellule eccitabili a differenza delle altre (equilibrio trasmembrana). (equilibrio trasmembrana). (non eccitabili) hanno la peculiarità di rispondere ad un opportuno stimolo con una variazione del potenziale di membrana a riposo generando un potenziale d’azione.

A causa dell’elevato gradiente di concentrazione del potassio all’interno della cellula, taluni ioni hanno una forte tendenza a diffondere verso l’esterno. Così facendo essi portano all’esterno cariche positive generando quindi una condizione di elettropositività all’esterno della cellula e una condizione di elettronegatività all’interno della cellula, dovuta agli anioni che restano all’interno della cellula e che non possono diffondere verso l’esterno insieme al potassio. Se la differenza di potenziale tra l’ambiente extracellulare e quello intracellulare supera un determinato valore che per il Potassio è di circa -94 mV (potenziale di diffusione) non può avvenire un ulteriore processo di diffusione (la negatività è all’interno della membrana della fibra). Nel caso del Sodio invece il potenziale di diffusione è uguale a +61 mV (la positività è all’interno della membrana della fibra).

Si osserva, quindi, che una differenza di concentrazione di ioni attraverso una membrana a permeabilità selettiva può generare un potenziale di membrana.

5 Fisiologia I

Il potenziale di membrana delle grosse fibre nervose oscilla intorno ai -90 mV, ovvero quando non trasmettono impulsi nervosi e si trovano nello stato di “riposo”; i fattori che determinano il livello di questo potenziale di riposo sono i seguenti:

• Pompa Na+/K+ o Na+/K+ ATPasi.
• Diffusione del K+ attraverso i canali per il potassio.
• Diffusione del sodio attraverso la membrana della fibra nervosa.
• La presenza di acidi nucleici che come sappiamo hanno di per sé carica negativa.

N.B. In media il potenziale di riposo oscilla tra i -60/-70 mV mentre è notevolmente più basso nelle cellule anucleate come per esempio i globuli rossi.

I potenziali di azione sono invece rapide variazioni nel potenziale di riposo che si propagano lungo la membrana delle fibre nervose, cioè segnali nervosi (seguono il principio del tutto o nulla: solo se sussistono le condizioni necessarie perché ciò avvenga, altrimenti il segnale non si propaga affatto). Ogni potenziale di azione inizia con una repentina variazione del normale valore negativo di riposo a un valore positivo per poi terminare con una variazione che ripristina il valore negativo originario. Fasi del potenziale di azione:

• Fase di riposo → precede l’insorgenza del potenziale di azione, possiamo pertanto osservare un potenziale di ri