Fisiologia

Dinamiche di membrana

Compartimenti liquidi dell'organismo

Il corpo umano è costituito da acqua che si sposta un po’ per diffusione tra le cellule e il liquido extracellulare e in parte utilizza canali specifici. Il compartimento intracellulare contiene il 67% di acqua corporea e il restante 33% è diviso tra il liquido interstiziale e il plasma. Il contenuto di acqua come percentuale del peso corporeo totale varia per età e sesso.

Poiché le membrane sono impermeabili agli ioni, questi ultimi attraversano le membrane utilizzando proteine di trasporto che sono responsabili della loro diversa distribuzione nei compartimenti liquidi dell’organismo. In particolare, la sodio-potassio ATPasi sposta nel citoplasma due ioni potassio e pompa fuori dalla cellula tre ioni sodio. Il sodio, il cloro e il bicarbonato sono più concentrati nel liquido extracellulare. Il potassio è più concentrato all’interno della cellula. Le proteine e altri anioni si trovano nel plasma e nella cellula. In quest’ultima conferiscono una carica negativa. Il calcio è concentrato nel liquido extracellulare anche se in alcune cellule è concentrato nel reticolo endoplasmatico e mitocondri nella cellula.

La distribuzione non uniforme degli ioni genera uno squilibrio elettrico noto come potenziale di riposo.

Il liquido corporeo di tutto l’organismo è distribuito in due compartimenti: il liquido extracellulare e il liquido intracellulare; a sua volta il liquido extracellulare si divide in liquido interstiziale e plasma sanguigno. Vi è anche un altro piccolo compartimento di liquido detto liquido transcellulare che comprende i liquidi sinoviale, pleurico, peritoneale, pericardico, intraoculare e il liquido cerebro-spinale; quest’ultimo è di solito considerato un tipo di liquido extracellulare specializzato, anche se in alcuni casi la sua composizione può variare in modo marcato rispetto a quella del plasma o del liquido interstiziale.

Omeostasi

Il termine omeostasi è usato dai fisiologici per indicare il mantenimento di condizioni pressoché costanti nel mezzo interno. Praticamente tutti gli organi e i tessuti del corpo svolgono funzioni che contribuiscono al mantenimento di tale costanza.

Trasporti di membrana

Barriera lipidica e proteine di trasporto della membrana cellulare

La struttura della membrana cellulare che ricopre esternamente tutte le cellule dell’organismo consiste quasi per intero in un doppio strato lipidico, ma contiene anche numerose molecole proteiche, molte delle quali attraversano tutto lo spessore della membrana. Il doppio strato lipidico non è miscibile né con il liquido extracellulare né con quello intracellulare e costituisce pertanto una barriera che si oppone al passaggio delle molecole di acqua e delle sostanze idrosolubili tra i due compartimenti liquidi. Tuttavia, alcune sostanze possono penetrare questo doppio strato lipidico per entrare o uscire dalla cellula passando direttamente attraverso la matrice lipidica stessa della membrana: si tratta prevalentemente di sostanze lipofile.

Le molecole proteiche presenti nella membrana sono caratterizzate, invece, da proprietà di trasporto completamente differenti e con le loro strutture molecolari interrompono la continuità del doppio strato lipidico, costituendo perciò una via alternativa di passaggio attraverso la membrana cellulare. La maggior parte di esse può pertanto svolgere la funzione di proteina di trasporto; ne esistono di diversi tipi e funzionano in modi diversi. Alcune, definite proteine canale, contengono spazi acquosi che si estendono attraverso tutta la molecola, permettendo al loro interno il libero movimento di alcuni ioni o molecole. Altre, definite proteine trasportatrici o proteine carrier, si combinano dapprima con le sostanze destinate a essere trasportate e poi, mediante modificazioni conformazionali della struttura proteica, operano il trasferimento di queste sostanze verso l’altro lato della membrana. Sia le proteine canale sia le proteine trasportatrici sono in genere altamente selettive nei confronti del tipo o dei tipi di molecole o ioni ai quali consentono il passaggio attraverso la membrana.

Alcune proteine carrier trasportano solo un tipo di molecola e sono noti come carrier uniporto. Una proteina che sposta più di un tipo di molecola per volta è detta cotrasportatore. Se le molecole trasportate si muovono nella stessa direzione, in uscita dalla cellula o in entrata, le proteine trasportatrici sono chiamate carrier simporto. Se le molecole sono trasportate in direzioni opposte, le proteine carrier sono carrier antiporto.

Le membrane cellulari sono selettivamente permeabili

Sebbene molte sostanze si muovano liberamente all’interno di un compartimento organico, lo scambio tra i compartimenti intracellulare ed extracellulare è limitato dalla membrana cellulare. Se una sostanza entra o meno in una cellula è un evento che dipende dalle proprietà della membrana cellulare e della sostanza stessa. Le membrane cellulari sono selettivamente permeabili; il che significa che alcune molecole possono attraversarle e altre no.

La composizione di lipidi e proteine di una determinata membrana determina quali molecole possono entrare nella cellula e quali ne possano uscire. Se una membrana permette a una sostanza di attraversarla, si dice che questa è permeabile a tale sostanza. Se una membrana non permette a una sostanza di attraversarla, la membrana è detta impermeabile a quella sostanza.

Esistono due metodi per descrivere il modo in cui le molecole attraversano le membrane. Il trasporto passivo non richiede apporto di ulteriore energia oltre all’energia potenziale immagazzinata nel gradiente di concentrazione. Il trasporto attivo richiede immissione di energia da qualche sorgente esterna, come il legame fosfato ad alta energia dell’ATP.

Il trasporto attivo sposta sostanze contro il loro gradiente di concentrazione

Il trasporto attivo è un processo che sposta le molecole contro il loro gradiente di concentrazione: cioè da un’area a più bassa concentrazione verso una a concentrazione più elevata. Invece di creare uno stato di equilibrio, dove la concentrazione delle molecole è uguale in tutto il sistema, il trasporto attivo genera uno stato di disequilibrio, rendendo la differenza di concentrazione più pronunciata. Muovere le molecole contro il gradiente di concentrazione richiede un contributo di energia esterna che deriva direttamente o indirettamente dal legame fosfato ad alta energia dell’ATP.

Il trasporto attivo può essere suddiviso in due tipi. Nel trasporto attivo primario (diretto), l’energia necessaria a spingere le molecole contro il loro gradiente di concentrazione deriva direttamente dal legame fosfato ad alta energia dell’ATP. Il trasporto attivo secondario (indiretto) utilizza energia potenziale immagazzinata nel gradiente di concentrazione di una molecola per spingere altre molecole contro il loro gradiente di concentrazione. Tutti i trasporti attivi secondari dipendono in definitiva dal trasporto attivo primario, perché i gradienti di concentrazione che guidano il trasporto secondario sono generati utilizzando energia dall’ATP.

Trasporto attivo primario

Dal momento che il trasporto attivo primario utilizza ATP come fonte di energia, molti trasportatori attivi primari sono noti come ATPasi. La pompa sodio-potassio è probabilmente la proteina di trasporto più importante nelle cellule animali, perché mantiene i gradienti di concentrazione di Na⁺ e K⁺ attraverso la membrana cellulare. Il trasportatore è disposto nella membrana cellulare in modo tale da pompare 3 Na⁺ fuori dalla cellula e 2 K⁺ nella cellula per ogni molecola di ATP consumata. In alcune cellule l’energia necessaria per spostare questi ioni utilizza il 30% di tutto l’ATP prodotto dalla cellula.

Trasporto attivo secondario

Il gradiente di concentrazione del sodio, con un’elevata concentrazione di Na⁺ nel liquido extracellulare e una bassa concentrazione all’interno della cellula, è una sorgente di energia potenziale che la cellula può utilizzare per altre funzioni. I trasportatori di membrana che utilizzano l’energia potenziale immagazzinata nei gradienti di concentrazione per spostare molecole sono chiamati trasportatori attivi secondari.

Il trasporto attivo secondario usa l’energia cinetica di una molecola che si muove lungo il suo gradiente di concentrazione per spingere altre molecole contro il loro gradiente di concentrazione. Le molecole cotrasportate possono andare nella stessa direzione attraverso la membrana (simporto) o in direzioni opposte (antiporto). I sistemi di trasporto attivo più comuni sono guidati dal gradiente di concentrazione del sodio. Nel momento in cui il Na⁺ si sposta all’interno della cellula, esso può portare con sé una o più molecole, oppure può scambiarsi con molecole che escono dalla cellula.

Diffusione

Nei liquidi dell’organismo tutti gli ioni e le molecole, dell’acqua e delle sostanze in soluzione, sono in costante movimento; ogni particella si muove seguendo una sua propria e distinta direzione. Questo continuo movimento molecolare nei liquidi o nei gas si definisce diffusione. La diffusione può essere definita come il movimento di molecole da un’area a concentrazione più elevata delle stesse verso un’altra a concentrazione più bassa.

La diffusione è il movimento passivo di molecole prive di carica lungo il loro gradiente di concentrazione dovuto al movimento molecolare casuale. La diffusione è più lenta su lunghe distanze e per grandi molecole. Quando la concentrazione delle molecole che diffondono è la stessa in tutto il sistema, il sistema ha raggiunto l’equilibrio chimico, nonostante il movimento casuale delle molecole continui.

Diffusione attraverso la membrana cellulare

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 attraverso un’apertura della membrana o spazi intermolecolari, senza alcuna interazione con proteine trasportatrici presenti nella membrana stessa. La velocità di diffusione è determinata dalla quantità di sostanza disponibile, dalla velocità del movimento e dal numero e dalle dimensioni delle aperture nella membrana cellulare attraverso le quali le molecole o gli ioni possono muoversi.

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 e trasferendoli sotto questa forma attraverso la membrana.

Diffusione facilitata

La diffusione facilitata viene anche definita diffusione mediata da un trasportatore, in quanto una sostanza trasportata secondo questa modalità diffonde attraverso la membrana utilizzando una specifica proteina trasportatrice che facilita la diffusione della sostanza da un lato all’altro della membrana.

Trasporto vescicolare

Le cellule utilizzano due processi base per importare grandi molecole e particelle: la fagocitosi e l’endocitosi.

La fagocitosi forma vescicole utilizzando il citoscheletro

La fagocitosi è il processo mediato da actina attraverso il quale una cellula avvolge un batterio o altre particelle in una grande vescicola limitata da membrana detta fagosoma. Il fagosoma si stacca dalla membrana cellulare e si muove verso l’interno, dove si fonde con un lisosoma, i cui enzimi digestivi distruggono il batterio. La fagocitosi richiede energia dall’ATP per il movimento del citoscheletro e per il trasporto delle vescicole all’interno della cellula. Nell’uomo la fagocitosi avviene solo in alcuni tipi di globuli bianchi, detti fagociti, specializzati nel mangiare batteri e altre particelle estranee.

L’endocitosi forma vescicole più piccole

L’endocitosi, il secondo meccanismo attraverso il quale le grandi molecole o particelle possono entrare nelle cellule, differisce dalla fagocitosi per due aspetti importanti. Primo, nell’endocitosi la superficie della membrana forma un incavo piuttosto che protrudere verso l’esterno. Secondo, le vescicole che si formano dall’endocitosi sono molto più piccole. Inoltre, in una certa misura l’endocitosi è costitutiva, cioè è una funzione essenziale che ha luogo sempre. Al contrario, la fagocitosi deve essere stimolata dalla presenza di una sostanza da ingerire.

L’endocitosi è un processo attivo che richiede energia dall’ATP. Può non essere selettiva, permettendo al liquido extracellulare di entrare nella cellula, un processo detto pinocitosi, oppure può essere altamente selettiva, permettendo solo a molecole specifiche di entrare nella cellula.

L’esocitosi rilascia molecole troppo grandi per le proteine di trasporto

L’esocitosi è il processo opposto all’endocitosi. Nell’esocitosi le vescicole intracellulari si muovono verso la membrana cellulare, si fondono con essa e infine rilasciano il loro contenuto nel liquido extracellulare. Le cellule usano l’esocitosi per esportare grandi molecole lipofobiche, come le proteine sintetizzate nella cellula, e per eliminare gli scarti dalla digestione intracellulare prodotti dai lisosomi.

La comunicazione intercellulare

Negli ultimi anni, la quantità di informazioni sulla comunicazione intercellulare è cresciuta rapidamente grazie ai progressi delle tecnologie utilizzate nella ricerca. Le vie di ricezione dei segnali che un tempo apparivano piuttosto semplici e dirette si sono poi rivelate reti informatiche incredibilmente complesse.

Si stima che il corpo umano sia composto da circa 75000 miliardi di cellule, che affrontano un compito assai arduo: comunicare le une con le altre non solo in modo rapido ma anche scambiando un’enorme quantità di informazioni. Sorprendentemente, ci sono solo due tipi fondamentali di segnali fisiologici: i segnali elettrici e i segnali chimici. I segnali elettrici sono costituiti da variazioni del potenziale di membrana di una cellula. I segnali chimici sono costituiti da molecole secrete da cellule nel liquido extracellulare. Le cellule che rispondono ai segnali elettrici o chimici sono dette cellule bersaglio o bersagli.

I segnali chimici sono responsabili della maggioranza delle comunicazioni fra cellule all’interno dell’organismo.

Meccanismi di comunicazione intercellulare

Nell’organismo vi sono quattro meccanismi fondamentali di comunicazione intercellulare:

• La comunicazione locale utilizza le giunzioni comunicanti, che consentono il trasferimento citoplasmatico diretto di segnali elettrici e chimici tra cellule adiacenti.
• I segnali dipendenti da contatto, che si trasmettono quando molecole sulla superficie di una cellula si legano a molecole di superficie sulla membrana di un’altra cellula.
• I segnali chimici che diffondono attraverso il liquido extracellulare per agire su una molecola vicina.
• La comunicazione a lunga distanza impiega una combinazione di segnali chimici ed elettrici trasportati dalle cellule nervose e di segnali chimici trasportati nel sangue.

Una determinata molecola può agire da segnale in diversi modi.

Le giunzioni comunicanti formano ponti citoplasmatici

La forma più semplice di comunicazione intercellulare è costituita dal trasferimento diretto di segnali chimici ed elettrici attraverso le giunzioni comunicanti, canali proteici che creano ponti citoplasmatici tra due cellule adiacenti. Una giunzione comunicante è formata dall’unione di proteine transmembrana, dette connessine, appartenenti a due cellule adiacenti. L’unione delle connessine crea un canale proteico, il connessone, che è in grado di aprirsi e chiudersi. Quando il canale è aperto, le cellule da esso connesse si comportano come una singola cellula contenente più nuclei.

Quando le giunzioni comunicanti sono aperte, ioni e piccole molecole, come aminoacidi e ATP, diffondono direttamente dal citoplasma di una cellula al citoplasma della cellula accanto. Le molecole più grandi non possono passare attraverso le giunzioni comunicanti. Inoltre, le giunzioni comunicanti sono l’unico mezzo attraverso il quale segnali elettrici possono passare direttamente da una cellula all’altra. Il passaggio di molecole attraverso le giunzioni comunicanti può essere modulato o completamente arrestato.

I segnali dipendenti da contatto richiedono il contatto tra due cellule

In alcuni casi, la comunicazione intercellulare richiede un legame tra le molecole di superficie di cellule adiacenti. Questo tipo di trasmissione del segnale dipendente da contatto si osserva nel sistema immunitario e durante la crescita e lo sviluppo, come quando le cellule nervose emettono lunghi prolungamenti che devono accrescersi dalla regione assiale dell’organismo fino alle lontane estremità distali degli arti in fase di sviluppo.

La comunicazione locale usa segnali sia paracrini sia autocrini

La comunicazione locale si realizza tramite segnali paracrini e autocrini. Un segnale paracrino è una molecola che agisce sulle cellule che si trovano nelle immediate vicinanze della cellula secernente. Se un segnale chimico agisce sulle medesime cellule che lo hanno secreto, esso è detto segnale autocrino. In alcuni casi, una molecola può agire sia come segnale autocrino che come segnale paracrino.

Le molecole segnale paracrine e autocrine raggiungono le cellule bersaglio diffondendo nel liquido interstiziale. Poiché la distanza è un fattore limitante per la diffusione, il campo d’azione dei segnali paracrini è limitato alle cellule adiacenti. Un buon esempio di segnale paracrino è quello dell’istamina, una molecola rilasciata da cellule danneggiate.

La comunicazione a lunga distanza può essere elettrica o chimica

Tutte le cellule possono rilasciare segnali paracrini, ma la comunicazione a lunga distanza è per lo più a carico dei sistemi endocrino e nervoso. Il sistema endocrino comunica utilizzando gli ormoni, segnali chimici secreti nel sangue e distribuiti a tutto il corpo dal sistema circolatorio. Gli ormoni vengono in contatto con la maggior parte delle cellule dell’organismo, ma solo quelle che possiedono specifici recettori sono in grado di rispondere.