Biofisica + Basi di Fisiologia

Trasduzione e stato metabolico della cellula

Molti processi di trasduzione recettoriale possono interferire con lo stato di attivazione di enzimi e proteine di cruciale importanza nel definire lo stato metabolico della cellula.

Recettori tirosinchinasici e intracellulari sono spesso in grado di interferire con le varie tappe del ciclo cellulare, o possono guidare complessi programmi di crescita e specializzazione cellulare o di morte programmata.

Complesse regolazioni, per lo più guidate da proteine di interazione con la matrice extracellulare o con altre cellule, integrine CAM permettono e guidano la migrazione delle cellule, nonché l'emissione e la guida di prolungamenti cellulari.

Le risposte funzionali delle cellula si riducono in generale alla modulazione della secrezione o della contrazione di strutture citoscheletriche.

Trasporti di membrana

GENERALITÀ

Le cellule sono immerse in un ambiente, costituito da plasma e liquido cellulare.

interstiziale.La composizione salina del plasma è molto simile a quella del liquido interstiziale e, presenta un'elevata concentrazione di sodio mentre le cellule sono in grado di mantenere un ambiente intracellulare osmoticamente identico, ma diverso per composizione da quello extracellulare, con elevate concentrazioni di potassio. PLASMA: 3,4 L - LIQUIDO INTERSTIZIALE: 10,6 L - LIQUIDO INTRACELLULARE: 28 L. TOTALE = 42 L Il sodio (Na+), il cloro (Cl-) e il bicarbonato (HCO3-) sono più concentrati negli ambienti extracellulari. Il potassio (K+), i fosfati e gli anioni organici (proteine) sono più concentrati nel citoplasma. Il calcio (Ca2+) ha una concentrazione di 2,5 mM nel plasma e nel liquido extracellulare, mentre nel citoplasma la concentrazione di calcio libero è di 0,1 picoM. Il calcio nelle cellule si trova all'interno di organuli membranosi che hanno il ruolo di depositi intracellulari. Ogni aumento di concentrazione di calcio nelcitoplasma rappresenta un segnaleIl calcio citoplasmatico può attivare.capace di modificare il metabolismo cellulareenzimi, innescare la contrazione muscolare, promuovere l'esocitosi o favorire la liberazione di calcio dai depositi intracellulari.proteineLe si trovano , mentre sono principalmente nel plasma e nel citoplasma.quasi assenti nel liquido interstiziale MEMBRANA PLASMATICA E MOVIMENTI DI IONI E MOLECOLE La membrana plasmatica è l'elemento che delimita e caratterizza la cellula e riveste una notevole importanza strutturale e funzionale. Essa serve a circoscrivere lo spazio intracellulare e a includere il materiale cellulare e rappresenta la barriera attraverso la quale avvengono e sono regolati gli scambi di materia, energia e informazione con l'ambiente extracellulare e le altre cellule. La cellula è infatti un sistema termodinamico aperto. Tutte le membrane plasmatiche sono costituite per la maggior parte da lipidi e proteine e da una ridottaquantità di carboidrati. I lipidi più abbondanti sono ifosfolipidi. La membrana plasmatica è costituita da un doppio strato fosfolipidico nel quale possono essere immerse numerose proteine periferiche e integrali di membrana, che possono avere funzione di recettore, enzima, trasportatore, proteina strutturale o marcatore di identificazione. La composizione chimica della membrana plasmatica permette il passaggio attraverso di essa, per semplice diffusione, solo delle molecole lipofile. Le particelle cariche, come gli ioni, e quelle idrofile, come il glucosio, non possono permeare liberamente la membrana plasmatica. Le proteine che permettono alle varie sostanze non lipofile di passare da un lato all'altro della membrana sono classificate come canali e trasportatori. I canali includono canali idrici e canali ionici, mentre i trasportatori possono essere carrier, trasportatori attivi primari (pompe) o trasportatori attivi secondari.

trasporto può richiedere o meno l'apporto di energia

trasporti attivi e trasporti passivi

TRASPORTO PASSIVO:

Diffusione regolata: La sostanza attraversa la membrana tramite un poro proteico (canale) secondo gradiente di concentrazione (ΔC0) o elettrochimico (ioni).

Diffusione facilitata: il trasportatore (carrier) lega la molecola da trasportare nel compartimento dove è più concentrata e la trasporta, sempre secondo gradiente di concentrazione, all'altro lato della membrana

TRASPORTO ATTIVO:

trasporti attivi trasportano sostanze controgradiente di concentrazione.

Trasporti attivi primari: l'energia necessaria per il trasporto viene fornita dall'idrolisi dell'ATP - i trasportatori sono chiamati anche pompe ATPasiche.

Trasporti attivi secondari: l'energia necessaria per il trasporto viene fornita indirettamente dall'energia potenziale contenuta nei gradienti di concentrazione degli ioni

generati dalle pompe. Data la disomogenea distribuzione intra ed extra cellulare degli ioni, l'organismo si trova in uno stato di disequilibrio chimico. Grazie alla presenza delle acquaporine, proteine integrali di membrana che lasciano passare l'acqua, in presenza di differenze di osmolalità delle soluzioni intra ed extra cellulari si verifica un rapido flusso osmotico d'acqua tra la soluzione più diluita verso quella più concentrata, che determina una modifica del volume cellulare.

CANALI IONICI

I canali ionici sono, tipicamente costituite da più proteine integrali di membrana subunità, che alloggiano un poro acquoso attraverso il quale possono passare gli ioni. Tramite i canali ionici il flusso di ioni attraverso la membrana plasmatica è più elevato che per i trasporti attivi primari e secondari, dell'ordine di milioni di ioni al secondo per canale. Esistono diversi tipi di canali ionici, raggruppati in famiglie sulla base

Dei geni che li codificano e distinti in relazione alle specie ioniche permeanti e al meccanismo di apertura. I principali ioni coinvolti sono sodio, potassio, calcio e cloro. Il gating può dipendere dal valore del potenziale di membrana, dall'apertura e/o chiusura del canale di membrana, dall'interazione con specifici ligandi e dalla tensione della membrana plasmatica.

I canali ionici sono presenti in tutte le cellule e sono responsabili di varie funzioni essenziali tra cui la regolazione del potenziale di membrana, la formazione del potenziale d'azione, l'esocitosi e il controllo del volume cellulare. I canali ionici sono il bersaglio di molte tossine naturali e diversi farmaci.

Tipi di canali ionici:

• Canali ionici voltaggio-dipendenti: l'apertura dipende dal valore del potenziale di membrana.
• Canali ionici ligando-dipendenti: l'apertura dei canali dipende dall'interazione del canale con uno specifico ligando.

membrana è la differenza di carica elettrica tra l'interno e l'esterno della cellula. Questo potenziale di membrana è fondamentale per il funzionamento delle cellule eccitabili, come i neuroni e le cellule muscolari. I canali ionici meccano-attivati sono canali ionici presenti sulla membrana plasmatica che si aprono in risposta a una tensione meccanica. Questi canali sono sempre aperti e permettono il passaggio degli ioni attraverso la membrana. I canali ionici di leakage sono un tipo di canali ionici che sono sempre aperti e permettono il passaggio degli ioni attraverso la membrana in modo non selettivo. Il potenziale di membrana è la differenza di potenziale elettrico tra l'interno e l'esterno della cellula. Questo potenziale di membrana è fondamentale per l'eccitabilità cellulare, cioè la capacità delle cellule di generare un segnale bioelettrico transiente. Nei neuroni e nelle cellule muscolari, questo segnale prende il nome di potenziale d'azione e permette la trasmissione delle informazioni attraverso lunghe distanze. In conclusione, il potenziale di membrana e i canali ionici sono fondamentali per l'eccitabilità cellulare e la trasmissione delle informazioni nelle cellule eccitabili.

La membrana è In condizioni di riposo le cellule non sono attive mantenuto costante per lungo tempo e prende il nome di potenziale di riposo. Per si intende una variazione del potenziale di membrana verso depolarizzazione valori meno negativi; mentre modifica il potenziale di l’iperpolarizzazione membrana verso valori più negativi.

POTENZIALE DI MEMBRANA requisiti affinché si possa generare un potenziale di membrana I sono l’esistenza di concentrazioni differenti degli ioni all’interno e all’esterno della cellula e la. Sugli ioni, che sono particelle presenza di canali ionici sulla membrana plasmatica cariche, possono agire sia forze chimiche, come il gradiente di concentrazione, sia elettriche.

I primi studi effettuati su un sistema semplificato a due compartimenti separati da un setto semipermeabile, la cella di concentrazione, hanno dimostrato che se la membrana fosse permeabile a un solo ione si formerebbe un potenziale di membrana che corrisponde

All'equilibrio elettrochimico dello ione permeante. Persua stessa natura un equilibrio elettrochimico rimane stabile nel tempo, è indipendente dal grado di permeabilità della membrana per lo stesso ione e si calcola utilizzando la legge di Nernst. Per avvicinarsi il più possibile al modello fisiologico della cellula è stato introdotto il sistema di Donnan che prevede la presenza di due ioni permeanti, il potassio e il cloro, e, in un compartimento, di grossi anioni, che invece non possono attraversare la membrana e che rappresentano le proteine intracellulari cariche. Anche in queste condizioni si origina un equilibrio elettrochimico negativamente (equilibrio di Donnan), identico per i due ioni permeanti, che sarà quindi stabile nel tempo e che dipende strettamente dagli ioni permeanti e dalle loro concentrazioni nei due compartimenti. La somma delle concentrazioni degli ioni nel compartimento in cui è presente l'anione non permeante è

maggiore di quellacalcolata nell'altro compartimento e questo dà origine a un fenomeno noto come effetto Donnan.

In realtà dati sperimentali hanno dimostrato che la membrana plasmatica è permeabile, sebbene in misura molto inferiore, anche agli ioni sodio e calcio e che il potenziale di membrana non corrisponde al potenziale di equilibrio. In questa condizione, chiamata elettrochimico di nessuno ione stato stazionarionessuno ione si trova al proprio equilibrio elettrochimico e quindi gli ioni si muovono continuamente attraverso la membrana plasmatica, creando flussi di corrente ionica diretti verso l'interno.