Fisiologia generale, appunti integrati

Fisiologia: introduzione e omeostasi

Trasporto attraverso una membrana cellulare

Il trasporto attraverso una membrana cellulare può essere:

Trasporto 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. È 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 li 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 cotrasportatori, 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.

Trasporto attivo

Richiede apporto di energia da ATP o gradiente di concentrazione creato grazie a ATP.

Mediato da proteine

• Trasporto attivo primario: utilizza ATP. I trasportatori sono in questo caso pompe 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)

Trasporto 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 a un cambiamento di potenziale di membrana, o sono azionati meccanicamente da pressione o tensione applicata alla membrana.

Fisiologia: 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 sono 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 con 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.

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 voltaggio, 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 sì che si attivino i canali. Se rimane chiuso pur dando io l’ordine di essere aperto è 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 negativi fanno uscire K+ cioè 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) porta a 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 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 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 (neurone-neurone o neurone-cellula bersaglio).

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

• Recettori che si legano a ligandi, canali anionici o cationici (filtro per ioni positivi o negativi).
• Recettori con anello cisteinico, formati da 5 subunità 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 (subunità 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 piramidali SNC) e funzione ---- ligando dipendenti con filtro di selettività cationico. Non sono cis-loop receptors perché 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, dipendono dal legame con neurostramettito e glutammato e anche dal voltaggio. Sono attivati da legame con il ligando e dal cambiamento della polarizzazione del potenziale di membrana. NMDA-R importanti perché 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 devono stare vicine, fa ancorare al citoscheletro delle cellule stesse.

Sinapsi glutammatergica (la più diffusa nel SNC), più molecole coinvolte (quelle che tengono insieme le sinapsi, e quelle che legano recettori al citoscheletro della cellula stessa).

Selettività cationica: cambiamento di potenziale della cellula da -70 mV (potenziale di equilibrio dello ione potassio, potenziale a cui il potassio ha un flusso entrante 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 perché sente forza elettrochimica, tende a far tornare il potenziale della cellula più negativo.

Canali per acetilcolina e glutammato sono aslettivi 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: 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 ictus 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 informazioni: da corpo cellulare (cono di emergenza dell’assone) fino all’assone. Incontra un altro neurone (sinapsi).

Esempio di 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 all’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-Hodgkin-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...

Pompa Na/K oltre a creare squilibrio di concentrazione crea squilibrio di cariche e contribuisce alla negatività 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 funzione