Fisiologia generale, appunti integrati

FISIOLOGIA

VEDI APPUNTI 6/03 e 8/03: introduzione e omeostasi

TRASPORTO

Attraverso una membrana cellulare



Il trasporto attraverso una membrana cellulare può essere:

PASSIVOnon richiede apporto di energia, usa energia potenziale

 immagazzinata nel gradiente di concentrazione

Diffusione semplice: movimento passivo di molecole prive di carica lungo

 il loro gradiente di concentrazione, che cessa con il raggiungimento

dell’equilibrio dinamico. La diffusione semplice riguarda molecole piccole

e lipofile o acqua.

E’ regolato dalla legge di Fick.

Mediato da proteine

 Possono essere: proteine carrier o proteine canale.

Le proteine canale sono aperte su entrambi i lati della membrana e

sono pieni di liquido. Il trasporto è più veloce delle proteine carrier.

Alcuni sono aperti sempre, altri sono controllati e aprono il cancello solo

in particolari condizioni (Es. canali voltaggio-dipendenti, canali operati

meccanicamente o chimicamente)

- Canale ionico: specifici per uno ione o possono consentire

passaggio di ioni simili per dimensione o carica.***

- Acquaporine: canali per l’acqua. Possono agire sia da canale che da

carrier.

Diffusione facilitataLe proteine carrier (o trasportatori) si legano a

substrati e lo trasportano senza formare mai una connessione netta tra i

liquidi ai due lati della membrana. Spostano piccoli ioni e acqua. Possono

essere carrier uniporto o cotrasportatiri, divisi in simporto e

antiporto.

Il cambiamento di conformazione che deve avvenire le rende più lente dei

canali.

Possono partecipare sia a trasporto attivo che passivo. Nel trasporto

passivo (es. GLUT) trasportano zuccheri e amminoacidi e il trasporto

termina quando si raggiunge l’equilibrio.

ATTIVOrichiede apporto di energia da ATP o gradiente di concentrazione

 creato grazie a ATP.

Mediato da proteine

 - Trasporto attivo primarioATP. I trasportatori sono in questo caso

pompe

delle , con funzione ATPasica.

Es. pompa sodio potassio che fa entrare 3 Na+ e fa uscire 2 K+.

- Trasporto attivo secondariodipende dal trasporto attivo primario

e dal gradiente da esso creato grazie a ATP.

Es. il sodio crea gradiente nel Na+ - glucosio (SGLT) e glucosio

entra contro gradiente.

Vescicole (endocitosi, esocitosi, fagocitosi)



Epiteliale

 L’epitelio è caratterizzato da una polarità per cui possiamo individuare una membrana

apicale a contatto con il lume, e una basolaterale a contatto con il LEC.

il trasporto attraverso un epitelio può essere:

Trasporto paracellulare

 Trasporto transcellulareaccoppiamento di più tipi di trasporto cellulare,

 bisogna attraversare diverse membrane cellulari. Anche vescicolare.

Es glucosio riassorbito a livello renale da SGLT e GLUT.

Es canali NKCC

*** I canali ionici sono spesso controllati dall’attivazione di un recettore-canale.

Quando un ligando extracellulare (primo messaggero) lega questa proteina, il canale

si apre modificando la permeabilità della cellula a un certo ione. Alcuni sono invece

collegati a recettori accoppiati a proteine G, pertanto quando il ligando lega questa

proteina, il canale si apre. Altri ancora NON sono associati ad alcun recettore di

membrana ma sono voltaggio-dipendenti, cioè si aprono direttamente ad un

cambiamento di potenziale di membrana, o sono azionati meccanicamente da

pressione o tensione applicata alla membrana.

FISIOLOGIA (12/03)

Canali ionici

Concentrazione elettroliti in ambiente intracellulare e extracellulare.

K+ fattore 1:10

Ca2+ fattore 1:10 alla meno 4

Proteine che trasportano ioni o passano attraverso un canale ionico.

Differenza tra canali e trasportatori (pompe):

Non c’è mai comunicazione tra interno e esterno con la pompa

 Velocità: il canale è più veloce della pompa



Canale ionico dà flusso di ioni

Canali ionici PROTEINE INTEGRALI DI MEMBRANA che sviluppano un PORO ACQUOSO

che può aprirsi o cambiare conformazione. Amminoacidi carichi si allineano

permettendo l’apertura del poro. Flusso di ioni a seconda del gradiente elettrochimico

dello ione stesso.

Chiusi: non permettere flusso ionico

 Aperti: permettere flusso ionico

 Inattivati



Si studiano con tecniche elettrofisiologiche che permettono di misurare i gradienti di

potenziale (correnti) tra un capo e l’altro posizionando elettrodi ai due lati della

membrana (uno di riferimento) registrando correnti microscopiche date dall’apertura e

dalla chiusura di pochi canali o correnti macroscopiche di tutta la cellula.

Si vedono cambiamenti di corrente con delle piccole onde quadre che indicano quando

i canali sono aperti/chiusi.

Classi di canali:

Passivi (sempre aperti)

 Ligando dipendenti (recettori) importanti nella trasmissione del segnale tra

 cellule nervose. Canale chiusosito di legame esterno che lega il ligando e apre

il poro portando al passaggio dello ione.

Voltaggio dipendenti sensore per il voltaggio, cambia conformazione

 Dipendenti da stiramento: hanno strutture di ancoraggio nella membrana

 che quando viene stirata, i canali sentono lo stiramento e si aprono. Sensibilità

tattile per la pressione provoca stiramento nelle membrane cellulari, canali

sensibili allo stiramento fanno si che i neuroni sensoriali ci facciano sentire la

sensazione di pressione.

Dipendenti da secondi messaggeri intracellulari che vanno a cambiare le

 proprietà della struttura amminoacidica del canale stesso

Caratteristiche dei canali:

I canali sono mediamente selettivi. La selettività dipende dal filtro di selettività.

Ione idratato ha una certa dimensione, diametro finale dipende dalla sua idratazione.

Dimensioni diverse a seconda degli ioniSELETTIVITA’ PER DIMENSIONE

Motivi strutturali

-sensore del voltaggio soprattutto per canali ionici voltaggio dipendenti. Struttura

proteica formata da amminoacidi carichi che percepiscono la differenza di potenziale

tra i due lati della membrana

-gate o cancello, legato ai sensori del vontaggio, determina apertura o chiusura

-filtro di selettività (dimensione dello ione)

-inattivante particelle

-siti fosforilazione

-poro

Parametri che caratterizzano canali ionici chiusi, aperti o inattivanti (sembrano

chiusi)

Applico un cambiamento di voltaggio per far si che si attivino i canali.

Se rimane chiuso pur dando io l’ordine di essere apertoinattivato

FUNZIONE DI INATTIVAZIONEparticella inattivantesequenza di tre amminoacidi,

anch’esso sensore del voltaggio che per un voltaggio troppo positivo blocca passaggio.

Plot di idrofobicità

Alto parte idrofoba, basso parte idrofila.

Canale aperto a potenziale negativocanali per il potassio, importanti per l’instaurarsi

del potenziale di membrana. Si chiudono a potenziali positivi e non fanno passare

corrente

Grafico corrente voltaggio

X: potenziale di membrana

Y: corrente

Servono a stabilizzare il potenziale di membrana a potenziali neg fanno uscire K+

cioe cariche positive.

Hanno N e C terminali

Canali funny: canali cationici (permeabili ai cationi) non totalmente selettivi: passano

sia Na+ che K+. Determina variazioni ritmiche nel potenziale di membrana di alcune

cellule. Determinano andamento oscillatorio del potenziale della cellula Pacemaker del

nodo seno atriale e del nodo atrio ventricolare.

Cellule muscolari in grado di generare potenziali

Cellule del nodo seno-atriale e cellule del nodo atrio-ventricolare hanno potenziale

oscillante determinato dalla presenza di questi canali Funny.

Canali voltaggio dipendenti: sensore del voltaggio, quando potenziale della cellula

cambia, si aprono.

Cellule tendono a stare al loro potenziale normale dato dalla differenza di

concentrazione tra gli ioni ext e int (-60 mV).

-depolarizzazione (da -70 a valori più vicini allo zero) canali selettivi

-iperpolarizzazione (da -70 a valori più negativi)

Filtro di selettività per carica (carico positivamente se devono entrare cariche

negative e viceversa).

Sensore del voltaggio: sequenza amminoacidica che a seconda della differenza di

potenziale ruota (come tappo di bottiglia con cavatappi).

Canali voltaggio-dipendenti:

Per il sodio cellule del muscolo scheletrico e cardiaco (miocardio, parete

 nelle

muscolare atrio e ventricolo No cellule dei nodi, e assoni).

Cinetica di attivazione e disattivazione rapidissima. Appena do stimolo di

voltaggio il canale si apre e poi non fa più passare ioni nonostante lo stimolo

continui (stato inattivato, meccanismo che protegge dalla tetanizzazione,

eccessiva stimolazione delle cellule e produzione eccessivo voltaggio). Canali

del sodio fortemente sensibili all’inattivazione. Particella voltaggio dipendente

chiude il canale

Per il potassio diverse classi e funzioni. Meno inattivazione che nel sodio.

 Per il calcio importanti perché 4 ho ordini di grandezza di differenza delle

 concentrazione interna e esterna. GRADIENTE ELETTROCHIMICO MOLTO

ELEVATO, ingresso di calcio proporzionalmente molto maggiore di quello del

sodio, gradiente di calcio molto maggiore.

Calcio è un messaggero fondamentale per i segnali metabolici.

Alta o bassa soglia di attivazione:

Transienti

 Lunga durata



Canali ligando-dipendenti: cambiamento conformazionale della proteina che passa

da uno stato chiuso a uno aperto. Chiamati anche recettori ionotropi e si trovano

principalmente nelle terminazioni nervone (neruore-neurone o neurone- cellula

bersaglio).

Neurotrasmettitori: acetilcolina, serotonina, GABA, glicina, glutammato, ATP.

Classi: recettori che si legano a ligandi, canali anionici o cationici (filtro per ioni positivi

o negativi).

Recettori con anello cisteinico, formati da 5 subunita indipendenti, ciascuna

formata da 4 segmenti (domini) transmembrana (M1, M2, M3, M4). Loop intracellulare

tra segmenti M3 e M4. Chiamati Cis-loop receptors

1. Recettori nicotinici (in particolare quello muscolare) famiglia di recettori per

acetilcolina rilasciata sul muscolo scheletrico dai motoneuroni (neuroni

colinergici che producono acetilcolina). Rispondono alla nicotina (da cui il

nome).

Muscolarestoricamente più studiato, si trova nei muscoli scheletrici di tutti gli

 organismi animali

Neuronale



Pentameri (subunita uguali)

omopentamenti (subunità diverse)

eteropentameri

2. Recettori GABA espressi in larga parte nel SNC, bersaglio di molti farmaci



(benzodiazepine, barbiturici, anestetici, apertura modificata anche da alcol e

ormoni steroidei).

Mediano la trasmissione inibitoria nel SN, la quale serve al controllo omeostatico

per il funzionamento del cervello, prevenzione per le crisi epilettiche.

Controparte del GABA nel SNC è rappresentata dal glutammato (rilasciato dalle

cellule che riescono a produrlo e immagazzinarlo cioè cllule piriamidali SNC) e a

funzione ---- ligando dipendenti con filtro di selettività cationico.

Non sono cis-loop receptors perche sono tetrameri 4 subunità, ciascuna con 3

domini trans membrana e un loop che non attraversa completamente la

membrana, entra e riesce.

Recettori non-NMDAdipendenti dal legame con glutammato

Recettori NMDAmolto permeabili al Calcio, dioendono dal legame con

neurostramettitoe gluttamato e anche dal voltaggio. Sono attivati da legammo con il

ligando e dal cambiamento della polarizzazione del potenziale di membrana

NMDA-R importanti perche fanno passare il calcio (importante per convertire segnale

elettrico in segnale metabolico) e sono anch’essi bersagli di sostanze come Zn e

farmaci.

Come fanno i recettori a stare nel punto in cui due neuroni possono comunicare?

Si trovano nelle sinapsi o placche per le giunzioni neuromuscolari, punto in cui

neurotrasmettitore viene rilasciato.

Esistono una serie di molecole che fanno ancorare i due pezzi delle molecole che

distrofina

devono strae vicine, fa ancorare al citoscheletro delle cellule stesse.

Sinapsi glutammatergica (la più diffusa nel SNC), più molecole coinvolte (quelle che

tengono insieme le sinpasi, e quelle che legano recettori al citoscheletro della cellula

stessa).

Selettività cationica cambiamento di potenziale della cellula da -70 mV (potenziale di

equilibrio dlelo ione potassio, potenziale a cui il potassio ha un flusso emtrante e

uscente uguale, flusso netto=0).

Potenziale di equilibrio dello ione dato dalla legge di Nernst.

K potenziale di equilibrio -90mV, per il sodio +55 mV.

Na per gradiente chimico ha una forte tendenza ad entrare. Se sono al potenziale di eq

del K+ e apro un canale permeabile ad entrambi abbiamo che Na entra in modo

massivo perché K no. Spostamento verso l’alto del potenziale di membrana, entrata

massiva di cariche positive.

Se mi avvicino al potenziale di eq del Na, k inizia ad uscire dalla cellula perche sente

forza elettrochimica, tende a far tornare il potenziale della cellula più negativo.

Canali per acetilcolina e glutammato sono aselettivi per K e Na

Selettività anionica dipende dai trasportatori che sono attivi. Importanti nella

neurotrasmissione e negli equilibri renali, sono bersaglio di due importanti farmaci

diuretici che come prima applicazione hanno quello del controllo della pressione

sanguigna.

Trasportatori elettroneutri:

KCC2porta fuori K e Cl. Porta fuori Cl utilizzando energia del K e la sua tendenza ad

uscire dalla cellula (driving force), grazie allo squilibrio dato dalla pompa Na/K. Porta

fuori le cariche nella stessa quantità, 1 K e 1 Cl, non porta a squilibri di carica

NKCC1 porta fuori 1 K, 1 Na, 2 Cl.

Trasporto attivo secondario

In situazioni patologiche o fasi dello sviluppo ci sono difficoltà a esprimere questi due

trasmettitori (iperespressione NKCC1, depolarizzazione della cellula)

Trasmissione inibitoria diventa eccitatoria.

FISIOLOGIA 13/03 NEURONI E SISTEMA NERVOSO

Neuronicompito di mediare impulsi, derivano dalla cresta neurale. Si sviluppano nel

feto. Non sono in grado di replicarsi. Origine SOLO dalle cellule staminali neuronali,

avviene anche nell’individuo adulto (plasticità cerebrale –apprendimento-, epitelio

olfattorio –nel naso, neuroni dell’olfatto hanno vita breve e vengono rigenerati a

partire da un gruppo di cellule staminali neuronali-).

Non possono riparare danno.

Neuroni muoiono a causa di una patologia (vedi Hictus e malattie degenerative).

Cellule polarizzate:

Soma (corpo)nucleo e organelli

 Assone (prolungamento lungo e sottile)

 Dendriti



Funzioni:

hanno potenziale di membrana che può variare (da valori molto positivi a valori molto

negativi).

Potenziali d’azione (più o meno ravvicinati, raggruppati in oscillazioni vicine (burst), in

modo sincrono tra neuroni diversi, o fenomeni più lenti e isolati a seconda dei segnali

d’ingresso del neurone e delle sue caratteristiche di integrazione del segnale).

Flusso delle info da corpo cellulare (CONO DI EMERGENZA DELL’ASSONE) fino

all’assone. Incontra un altro neurone (SINAPSI).

ES. NEUROTRASMISSIONE MEDIATA DA SINAPSI CHIMICHE

Sinapsi (contatto reale o non reale) danno conversione segnale elettrico in un segnale

chimico (liberazione neurotrasmettitore) e di nuovo segnale elettrico nel neurone

sottostante

TRASMISSIONE ELETTROCHIMICA

Tutto ciò prevede che ci sia un cambiamento di cariche all’interno e esterno della

membrana. Misuriamo attraverso un elettrodo di registrazione e uno di riferimento

collegati a un amplificatore operazionale. Li mettiamo nella stessa soluzione (NON

PASSA CORRENTE, NO DIFFERENZA DI POTENZIALE). Calo elettrodo nella cellula e

scopro che la differenza di potenziale è circa -70 mV (potenziale di riposo della

cellula). Chiamo questa differenza di potenziale GRADIENTE ELETTRICO.

Potenziale di equilibrio in cui l’interno è più iperpolarizzato (negativo) dell’esterno,

dato dalla pompa sodio potassio che mantiene un gradiente ionico, e all’impossibilità

di altri ioni di muoversi attraverso la membrana.

Flusso degli ioni K

Equazione di Nernst

Ex=RT/zF ln [X]ext/[X]int

Dipende dalla temperatura

Squid giant axon = assone gigante di calamaro, struttura grande che ha

permesso negli anni ’50 di inserire all’interno degli elettrodi. Ha concentrazione int e

ext diverso da umani (vivono in ambiente marino).

POTENZIALE A RIPOSO si calcola con l’equazione di Goldman-Hodgink-Katz (GHK)

che tiene conto SOLO degli ioni principali (gli altri sono poco concentrati)

Tiene conto di Na, K, Ca (concentrazione che si aggirano tra 10 e 100(?) millimolare.

Inserisce fattori moltiplicativi che ci danno la permeabilità dello ione di cui stiamo

parlando, possibilità dello ione di passare nella membrana.

E=RT/zf ln Pk[K+]fuori/Pk[K+]dentro + Pk[Na+]fuori/Pk[Na+]dentro +

Pk[Ca+]fuori/Pk[Ca+]dentro

Potenziale si avvicina a quello del potassio poiché semplificazione…

Il valore negativo del potenziale di riposo attraverso la membrana cellulare dipende

dai seguenti fattori:

… vedi foto slide

Pompa Na/K oltre a creare squilibrio di concentrazione crea squilibrio di cariche e

CONTRIBUISCE ALLA NEGATIVITA’ ALL’INTERNO DELLA MEMBRANA CELLULARE.

Scoperta ‘’elettricità animale’’ alla fine del 1700, Galvani teorizza elettricità animale e

Volta riesce ad utilizzarla per caricare le pile. Dimostrato nell’800.

Si scopre che NON è COSTANTE, cambiamenti forti a seconda di quanto si riesce a

perturbare il sistema.

Potenziale di riposo (situazione di equilibrio) può essere modificato modificando le

concentrazioni.

Do impulso di corrente che mi cambia equilibrio delle cariche.

Risposta arriva a potenziali molto positivi e poi scende molto rapidamente.

Resistenza (R) (Ohm)

Conduttanza (g) g=1/R misura la permeabilità degli ioni (si misura in siemens)

Legge di Ohm ΔVm= ΔI x R ΔVm=ΔI/g

Zona lipidica funzio