Fisiologia

Il trasduttore e la trasduzione del segnale biologico

Un trasduttore è un dispositivo che converte un segnale da una forma in un'altra. Nei sistemi biologici, le proteine di membrana agiscono come trasduttori. Essi convertono il messaggio portato dalle molecole segnale extracellulari in messaggi intracellulari che evocano una risposta.

Lo schema base di una via biologica di trasduzione del segnale può essere suddiviso nelle seguenti tappe:

1. Una molecola segnale extracellulare (il primo messaggero) si lega a un recettore di membrana, attivandolo.
2. Il recettore di membrana attivato attiva a sua volta le proteine alle quali è associato e avvia la cascata di secondi messaggeri.
3. L'ultimo secondo messaggero della cascata agisce sui bersagli intracellulari per creare una risposta.

Le vie di trasduzione più rapide modificano il flusso di ioni attraverso canali. I recettori più semplici sono costituiti da canali ionici controllati da ligando. La maggior parte di questi recettori è costituita

Darecettori di neurotrasmettitori localizzati nel tessuto nervoso e nei muscoli. L'attivazione di un recettore-canale evoca la risposta intracellulare più rapida. Quando un ligando extracellulare si lega alla proteina recettore-canale, un cancello nel canale si apre o si chiude, modificando così la permeabilità della cellula a un dato ione. Un aumento o una diminuzione della permeabilità a uno ione determina il rapido cambiamento del potenziale di membrana della cellula, segnale elettrico che va a modificare proteine voltaggio-sensibili.

Distribuzione di acqua e soluti: osmosi e tonicità

Osmosi e tonicitàLa distribuzione di soluti nell'organismo dipende dal fatto che una sostanza possa attraversare le membrane cellulari. L'acqua, al contrario, è in grado di muoversi liberamente dentro e fuori da quasi tutte le cellule del corpo attraversando i canali ionici riempiti di acqua e speciali canali per l'acqua creati dalla

proteina acquaporina. Il corpo umano è costituito soprattutto da acqua. L'acqua è la molecola più importante nel corpo umano perché è il solvente per tutta la materia vivente. Senza l'acqua la vita come la conosciamo non può esistere.

Nel corpo umano non è possibile stabilire in maniera corretta quanta acqua sia presente; tuttavia, in fisiologia si parla spesso di valori standard per le funzioni fisiologiche basati su un uomo di 70 kg.

L'uomo di riferimento di 70 kg ha il 60% del suo peso corporeo totale, ovvero 42 kg, sotto forma di acqua. Ogni kilogrammo di acqua ha un volume di un litro, per cui l'acqua corporea totale è 42 litri.

Le donne adulte hanno meno acqua per kilogrammo di massa corporea rispetto agli uomini, perché hanno più tessuto adiposo. Le grandi gocce lipidiche nel tessuto adiposo occupano la maggior parte della cellula, sostituendo il citoplasma che è più acquoso.

Anchel'età influenza il contenuto di acqua nel corpo. I bambini hanno relativamente più acqua degli adulti e il contenuto dell'acqua diminuisce con l'aumentare dell'età dopo i 60 anni.

L'organismo è in equilibrio osmotico. L'acqua è in grado di muoversi liberamente tra le cellule e il liquido extracellulare, e si distribuisce fino a che le concentrazioni di acqua sono uguali in tutto il corpo: ovvero, fino a che l'organismo non si trovi in uno stato di equilibrio osmotico. Il movimento di acqua attraverso una membrana in risposta a un gradiente di concentrazione di soluto è detto osmosi. Nell'osmosi, l'acqua si sposta per diluire la soluzione più concentrata. Appena le concentrazioni si uguagliano, lo spostamento netto di acqua si ferma.

La tonicità di una soluzione descrive la variazione di volume di una cellula. Tonicità è un termine fisiologico usato per descrivere una

soluzione e come tale soluzione potrebbe influenzare il volume cellulare se la cellula viene posta nella soluzione e le viene consentito di raggiungere l'equilibrio. Se una cellula situata nella soluzione acquista acqua e si gonfia, si dice che la soluzione è ipotonica rispetto alla cellula. Se la cellula perde acqua e si restringe quando è messa in soluzione, la soluzione è detta ipertonica. Se la cellula in soluzione non cambia di volume, la soluzione è detta isotonica. Segnali elettrici nei neuroni Il tessuto nervoso e quello muscolare sono considerati tessuti eccitabili per la loro capacità di produrre e propagare rapidamente segnali elettrici in risposta a uno stimolo. Il potenziale di membrana Il potenziale di membrana è la differenza di potenziale elettrico a cavallo della membrana cellulare dovuta ad una diversa distribuzione ionica ai due lati della membrana. Il potenziale di membrana (negativo all'interno della cellula) nellecellule eccitabili (cellule nervose e muscolari) prende il nome di potenziale di riposo poiché caratterizza lo stato di riposo. L'esistenza della differenza di potenziale implica una diseguale distribuzione di cariche elettriche (ioni) tra interno ed esterno e suggerisce che la membrana si comporti come una barriera con permeabilità selettiva che separa due soluzioni (liquido intracellulare e liquido extracellulare) a composizione chimica diversa. Il potenziale di membrana è dovuto ad un movimento di quattro ioni rappresentati dallo ione potassio, lo ione sodio, lo ione calcio e lo ione cloro. Lo ione potassio è concentrato all'interno della cellula ed è permeabile. Sodio, calcio e cloro sono più concentrati nel liquido extracellulare e la cellula è poco permeabile ad essi a riposo. Due fattori che influenzano il potenziale di membrana sono: i gradienti di concentrazione dei diversi ioni attraverso la membrana e

La permeabilità della membrana a quegli ioni. Il potenziale di membrana è il risultato del flusso di entrambe le specie ioniche. La corrente dello ione sodio verso l'interno, determinata da una elevata forza elettrochimica ed una bassa permeabilità, è esattamente uguale e contraria alla corrente dello ione potassio diretta verso l'esterno, determinata da una modesta forza elettrochimica e da una elevata permeabilità. Il mantenimento dei gradienti di concentrazione, alla base della genesi del potenziale di membrana, è assicurato dalla pompa sodio/potassio-ATPasi che, portando fuori dalla cellula tre ioni sodio e dentro due ioni potassio, determina una leggera negatività (elettrogenica). L'uso di uabaina, inibitore della pompa, determina dissipazione dei gradienti di concentrazione. Il potenziale di membrana a riposo di una cellula eccitabile è determinato da:

• Elevata permeabilità della membrana allo ione potassio,

dovuta alla presenza di canali passivi, che consentono l'uscita di ioni sodio sotto la spinta di un forte gradiente di concentrazione contrastato dal gradiente elettrico. Impermeabilità della membrana agli anioni proteici che, rimanendo all'interno della cellula, determinano la polarizzazione negativa del versante interno della membrana. Scarsa permeabilità della membrana allo ione sodio che ne riduce l'ingresso nonostante la forte spinta determinata dal gradiente elettrico e di concentrazione. Azione della pompa sodio-potassio che contrasta il modesto flusso entrante di ioni sodio e la conseguente fuoriuscita di ioni potassio mantenendo inalterati i rapporti di concentrazione degli ioni a cavallo della membrana. I fattori che influiscono sul potenziale di membrana sono: I gradienti di concentrazione degli ioni sodio, cloro e calcio i quali sono concentrati nel liquido extracellulare. Il gradiente dello ione potassio, piùconcentrato. La permeabilità di membrana a questi ioni è fondamentale per il potenziale di membrana. Se la permeabilità ad uno ione varia, il potenziale di membrana cambia di conseguenza. Se la cellula diventa improvvisamente permeabile ad essi e gli ioni entrano nella cellula, la differenza di potenziale cambia. Se entrano ioni calcio o sodio, la cellula si depolarizza e la differenza di potenziale si riduce. Se invece entra l'ione cloro, la cellula si iperpolarizza. L'uscita di ioni potassio dalla cellula iperpolarizza la cellula perché aumenta la differenza di potenziale di membrana. Il potenziale cambia in risposta al movimento di uno dei quattro ioni. Se la cellula diventa improvvisamente permeabile ad essi, la differenza di potenziale cambia. Se aumenta la permeabilità degli ioni calcio o sodio e questi ioni entrano nella cellula seguendo il gradiente di concentrazione, la cellula si depolarizza perché la differenza di potenziale si riduce a causa della riduzione del gradiente elettrochimico.

conseguenza dell'aumento di cariche positive all'interno della cellula; se entra lo ione cloro la cellula si iperpolarizza perché incrementa la separazione di carica elettrica a cavallo della membrana per via dell'incremento di carica negativa all'interno della cellula e quindi aumenta la differenza di potenziale di membrana.

Se esce lo ione potassio dalla cellula, quest'ultima si iperpolarizza perché aumenta la differenza di potenziale di membrana in quanto il ione potassio, muovendosi verso l'esterno della cellula seguendo il gradiente di concentrazione, determina la perdita di cariche positive all'interno della cellula con un incremento di cariche negative.

L'equazione di Nernst permette di calcolare il potenziale di membrana per un singolo ione.

Tutte le cellule viventi hanno una differenza di potenziale di membrana a riposo che rappresenta la separazione della carica elettrica a cavallo della membrana cellulare. Due fattori

influiscono sul potenziale di membrana:

• L'ineguale distribuzione degli ioni a cavallo della membrana. In condizioni normali, il sodio, il cloro e il calcio sono più concentrati nel liquido extracellulare che nel citoplasma. Il potassio invece è più concentrato nel citoplasma che nel liquido extracellulare.
• La differente permeabilità della membrana a questi ioni. La membrana cellulare a riposo è molto più permeabile al potassio rispetto che al sodio o al calcio. Perciò il potassio è l'ione che contribuisce maggiormente al potenziale di membrana a riposo.

L'equazione di Nernst descrive il potenziale di membrana prodotto se la membrana fosse permeabile a un solo ione. Per qualsiasi ione, questo potenziale di membrana viene definito potenziale di equilibrio dello ione e si calcola come: E = log(ione zione esterno / ione interno)

Quando nell'equazione di Nernst usiamo le concentrazioni intracellulari ed extracellulari

un altro fattore che contribuisce al potenziale di membrana a riposo.