Fisiologia

AS∗∆ C

√

t∗ pm

Trasporto secondo un gradiente elettrico

Il movimento di ioni viene influenzato dalla loro carica elettrica. Tra due compartimenti adiacenti

una differenza di carica elettrica genera un gradiente elettrico che favorisce il movimento di ioni

verso la regione carica di segno opposto. E' un metodo di trasporto passivo perché non richiede una

spesa energetica, però soltanto gli ioni capaci di attraversare la membrana plasmatica saranno in

grado di muoversi secondo il gradiente elettrico.

Trasporto mediato attraverso la membrana

Le grandi molecole, scarsamente liposolubili, come le proteine , il glucosio e gli amminoacidi, non

sono in grado di attraversare la membrana plasmatica da sole, essendo troppo grandi per i canali e

incapaci di sciogliersi nel doppio strato lipidico. Questa impermeabilità assicura che le grandi

proteine intracellulari polari non escano dalla cellula e continuino a svolgere le loro funzioni di

sostegno della vita. Però la cellula a sua volta deve essere dotata di meccanismi che permettano a

queste grandi molecole di entrare nella cellula stessa, e contemporaneamente di portare all'esterno

rifiuti metabolici e prodotti della secrezione, come ormoni proteici idrosolubili. Per questa ragione le

cellule impiegano due meccanismi per effettuare questi processi di trasporto selettivo: 103

• Trasporto mediato da trasportatori, in grado di trasferire piccole molecole idrosolubili

attraverso la membrana

• Trasporto vescicolare, per trasferire grandi molecole e particelle plurimolecolari tra il LEC ed il

LIC Trasporto mediato da trasportatori

I trasportatori, o molecole trasportatrici, sono proteine trans membrana che hanno la capacità di

invertire la propria conformazione in modo che siti specifici di legame possano essere esposti

alternativamente sia verso l'interno che l'esterno della membrana plasmatica. Il meccanismo avviene

in 4 tappe:

1. La molecola da trasportare si attacca al sito di legame all'interno del trasportatore su un versante

della membrana

2. Il trasportatore inverte bruscamente la sua conformazione in modo che lo stesso sito sia esposto

all'altro versante della membrana

3. Dopo aver traslocato da un versante all'altro della membrana, la molecola trasportata si stacca

dal trasportatore

4. Dopo il distacco della molecola il trasportatore inverte la propria conformazione e torna a quella

iniziale

I sistemi di trasporto mediati presentano tre caratteristiche importanti che determinano il tipo e la

quantità di materiale che può essere traslocato attraverso la membrana:

• Specificità: ogni proteina trasportatrice è specializzata nel trasportare una sostanza specifica.

• Saturazione: in una data membrana plasmatica è disponibile un numero limitato di siti di legame

di un trasportatore per una specifica sostanza, per cui esiste un limite, detto Trasporto massimo

(Tm), raggiunto il quale il trasportatore è saturo e la quantità di sostanza trasportata è massima.

La saturazione dei trasportatori è un fattore limitante la velocità.

• Competizione: parecchi composti simili possono competere tra loro per legarsi ai siti dello

stesso trasportatore , diminuendo così la quantità di ciascuna sostanza trasportata.

Il trasporto mediato da trasportatori assume due forme, a seconda che si debba fornire o no

energia per portare a termine il processo:

• Diffusione facilitata, che non richiede energia

• Trasporto attivo, che richiede energia

Diffusione facilitata

Utilizza un trasportatore per favorire il trasferimento di una particolare sostanza attraverso la

membrana plasmatica, da una zona ad alta concentrazione ad una zona a bassa concentrazione.

Questo processo è passivo perché non richiede energia ed avviene secondo un gradiente di

concentrazione. L'esempio più importante di diffusione facilitata è il trasporto di glucosio dal sangue

alle cellule. La concentrazione di glucosio nel sangue è molto più alta che nei tessuti a seguito della

alimentazione, per cui esiste un gradiente di concentrazione per la diffusione netta del glucosio nei

tessuti. Il glucosio però è incapace di diffondersi da solo attraverso la membrana, perché essendo

polare non è liposolubile ed è troppo grande per attraversare i canali. I siti di legame del trasportatore

specifico per il glucosio intervengono legandosi alle molecole. Questo legame determina un

repentino cambiamento della conformazione del trasportatore che inverte la conformazione

esponendo la molecola al versante opposto della membrana, per poi staccarsi. La velocità di

diffusione facilitata come sappiamo dipende ed è limitata dalla saturazione dei siti di legame dei

trasportatori. Trasporto attivo

Anche il trasporto attivo implica l'impiego di trasportatori per trasferire una sostanza attraverso la

membrana, ma in questo caso il trasportatore trasferisce la sostanza contro il suo gradiente di

concentrazione. Un esempio tipico è la captazione di iodio da parte delle cellule della tiroide dal

sangue. Il sangue ha una concentrazione di iodio molto inferiore a quella della tiroide, per cui il

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passaggio di iodio dal sangue alla tiroide richiede un trasporto attivo con spesa di energia, sotto

forma di ATP. Il trasportatore ha attività ATPasica in quanto scinde il gruppo fosforico terminale

dalla molecola di ATP per dare ADP più un gruppo fosforico inorganico (Pi). Successivamente il

gruppo fosforico si lega al trasportatore determinando un cambiamento nella conformazione del

trasportatore che così esporrà la molecola trasportata nel versante opposto, quello ad alta

concentrazione, della membrana plasmatica. Seguirà poi un processo di de fosforilazione, cioè il

distacco del gruppo fosforico dal trasportatore.

Il trasportatore infine ritornerà alla sua conformazione iniziale. Le sostanze passeranno quindi da

una regione a bassa concentrazione ad una ad alta concentrazione. Questi meccanismi di trasporto

attivo sono denominati pompe.

il trasporto attivo può essere suddiviso in due tipi.

• Nel trasporto attivo primario (diretto) l'energia per spingere le molecole contro il loro

gradiente di concentrazione ( da valle a monte) deriva direttamente dal legame fosfato ad alta

energia dell'ATP.

• Nel trasporto attivo secondario (indiretto), invece, utilizza l'energia potenziale accumulata nel

gradiente di concentrazione di una molecola per spingere altre molecole contro il gradiente di

concentrazione. Questa energia di "seconda mano" viene chiamata gradiente di concentrazione

ionica Tutti i trasporti attivi secondari, dipendono in ultima analisi dal trasporto attivo primario,

poiché i gradienti di concentrazione che li guidano sono creati utilizzando energia proveniente

dall'ATP. Il meccanismo per entrambi i tipi di trasporto attivo, comunque, sembra simile a quello

della diffusione facilitata. Un substrato per essere trasportato si lega ad un carrier di membrana,

che cambia conformazione rilasciando il substrato nel compartimento opposto. Il trasporto attivo,

però, differisce dalla diffusione facilitata perché il cambiamento di conformazione della proteina

carrier richiede appunto apporto di energia. Un esempio di trasporto attivo secondario, come già

detto, è rappresentato dalle cellule intestinali e renali, che trasportano glucosio ed amminoacidi

trasferendoli da una regione a bassa concentrazione ad una regione ad alta concentrazione (le

cellule intestinali dal lume intestinale al sangue, le cellule renali dai tubuli renali al sangue contro

un gradiente di concentrazione). I trasportatori luminali nelle cellule intestinali e renali sono

detti quindi Cotrasportatori ( o trasportatori secondari) in quanto hanno due siti di legame, uno

+

per lo ione Na e l'altro per la molecola nutriente. 105

106

Elettrofisiologia

Con il termine elettrofisiologia si indica una branca della fisiologia che ha come studio il

funzionamento dell'organismo dal punto di vista elettrico, sia in condizioni fisiologiche normali sia

sotto l'influsso di un potenziale elettrico esterno. In particolare l'elettrofisiologia può essere applicata

al funzionamento elettrico del cuore o al funzionamento elettrico delle cellule. In questo secondo caso

si parla di "elettrofisiologia cellulare".

Potenziale di membrana

Si intende la differenza di potenziale elettrico a cavallo della membrana cellulare ( elettricamente

neutra) dovuta ad una diversa distribuzione di ioni ai due lati della membrana. Questa differenza di

potenziale elettrico si misura in Volt (V), ma poiché il potenziale di membrana è relativamente piccolo,

si usa come unità di misura il Millivolt( mV).

1 mV = (1/1000) x V

L’esistenza della differenza di potenziale implica una differente distribuzione di cariche elettriche

(ioni) tra interno ed esterno della cellula, e suggerisce che la membrana si comporti come una

barriera con permeabilità selettiva, che separa due soluzioni (liquido intra – ed extracellulare) a

composizione chimica diversa. Il valore del potenziale di membrana dipende dal numero di cariche

di segno opposto separate: maggiore è il numero di cariche separate, maggiore è il potenziale. Tutte

le cellule hanno un potenziale di membrana. Le cellule dei tessuti eccitabili, come le cellule nervose

e muscolari, sono in grado di produrre rapide variazioni del loro potenziale di membrana quando

vengono eccitate. Il potenziale di membrana costante delle cellule dei tessuti, sia eccitabili che non

eccitabili, quando non generano segnali elettrici, viene chiamato potenziale di membrana a riposo.

La distribuzione disuguale di un piccolo numero di ioni tra il LIC ed il LEC ed il loro movimento

selettivo attraverso la membrana plasmatica sono responsabili delle proprietà elettriche della

membrana. Nell'organismo le cariche elettriche sono portate da ioni. Le concentrazioni e le

permeabilità relative degli ioni hanno una importanza critica per l'attività elettrica della membrana.

Sappiamo che il Na+ è concentrato maggiormente nel LEC, mentre il K+ maggiormente nel LIC. Gli

-

A sono presenti solo all'interno della cellula, carichi negativamente, poiché la membrana plasmatica

è praticamente impermeabile ad essi.

+ +

Effetto della pompa Na / K sul potenziale di membrana

Circa il 20% del potenziale di membrana viene generato direttamente dalla pompa sodio/potassio.

+ +

Questo meccanismo di trasporto attivo pompa 3 Na per ogni 2K che trasporta dall'esterno verso

+ +

l'interno della membrana. Poiché Na e K sono entrambi ioni positivi, il loro movimento genera un

potenziale di membrana, con l'esterno più positivo che l'interno per il maggior passaggio verso

l'esterno di ioni positi