Fisiologia domande e risposte esame

Fisiologia gruppo I: membrane e trasporti

Acqua e canali per l'acqua

Le proteine di canale sono subunità proteiche a forma di cilindro che formano un poro. Il passaggio attraverso le proteine canale è limitato all'acqua e agli ioni, e queste prendono il nome dalla sostanza alla quale permettono il passaggio. I canali per l'acqua sono costituiti da una proteina detta acquaporina. Il trasporto dell'acqua è un tipo di trasporto passivo. Esistono poi più di 100 canali per gli ioni (canale Na+, K+, Ca²⁺, Cl-).

La selettività di un canale è determinata dalla grandezza della molecola, quindi è il diametro del poro e la carica elettrica degli amminoacidi che lo compongono a determinare il passaggio o meno. Ad esempio, se un canale ha carica positiva, le molecole positive saranno respinte; se la molecola ha carica opposta, il passaggio è consentito.

Le proteine canale sono come porte: lo stato di apertura o chiusura del canale è determinato da zone della proteina che li compongono, che agiscono come "cancelli" oscillanti. I canali per l'acqua sono canali lassi, vale a dire che sono aperti per la maggior parte del tempo. Invece, i canali a cancello non sono sempre aperti e per questo regolano il passaggio in maniera più selettiva.

• Regolati chimicamente
• Regolati meccanicamente
• Voltaggio dipendenti

Ormoni steroidei

Gli ormoni steroidei vengono sintetizzati a partire dal colesterolo, che si trova nelle ghiandole endocrine in vacuoli di deposito sotto forma di esteri del colesterolo. Gli steroidei sono lipofili e non vengono depositati in granuli di secrezione ma lasciano la cellula seguendo il gradiente di concentrazione tra interno ed esterno della membrana cellulare, potendo attraversare quest'ultima molto facilmente.

Gli ormoni steroidei sono legati a proteine vettrici poiché, essendo derivati del colesterolo, non sono molto solubili nei liquidi corporei, sangue incluso. Questo legame con proteine vettrici allunga l'emivita degli ormoni, così che nel sangue è sempre presente una certa quantità di un dato ormone. Gli ormoni agiscono sulla cellula a seguito del legame tra ormone e il suo specifico recettore. Le proteine vettrici sono lipofobe, quindi rimangono fuori dalla membrana cellulare.

I recettori degli ormoni steroidei sono o nel citoplasma o nel nucleo. Il complesso recettore-ormone deve agire come fattore di trascrizione legandosi al DNA, attivando o reprimendo la trascrizione di uno o più geni. Questa attivazione è trascritta su mRNA la cui traduzione produce nuove proteine per i processi cellulari. Tra il legame ormone-recettore e la traduzione per le nuove proteine trascorre un tempo di circa 90 minuti, ecco perché le vie riflesse veloci non sono mediate da ormoni steroidei.

Ossigeno: trasporto passivo

Il trasporto passivo comprende diffusione semplice, diffusione facilitata e osmosi. Nel trasporto passivo denominato diffusione semplice, le sostanze diffondono attraverso le membrane senza che le cellule compiano alcun lavoro (cioè senza consumare energia): le particelle si spostano spontaneamente da una zona dove sono più concentrate a una dove sono meno concentrate. Questo movimento, che avviene naturalmente sfruttando la differenza di concentrazione tra due zone, viene definito “movimento secondo gradiente”, cioè movimento che segue la differenza fino a quando viene eliminata e le due zone risultano omogenee.

Piccole molecole non polari diffondono facilmente attraverso il doppio strato fosfolipidico della membrana. Ne sono un esempio l'ossigeno molecolare (O₂, essenziale per il metabolismo) e il diossido di carbonio (CO₂, un prodotto di rifiuto metabolico).

Ione sodio

I canali per il sodio sono canali voltaggio dipendenti. Questo tipo di canali ha due cancelli detti di attivazione e di inattivazione che aprono o chiudono i canali per il Na+. Essi sono molto importanti nella generazione e conduzione dei segnali elettrici. I canali per il Na sugli assoni vengono aperti dalla depolarizzazione della membrana.

Quando un neurone si trova in potenziale di riposo, il cancello è chiuso, quindi Na non entra all'interno della cellula; il cancello di inattivazione sul versante citoplasmatico è aperto. Quando la membrana si depolarizza vicino al canale, il cancello di attivazione si apre ed Na entra secondo il gradiente elettrochimico. L'ingresso di cariche positive depolarizza ulteriormente, generando un circuito a retroazione positiva. I cancelli rimangono aperti fino a che uno stimolo esterno non ripolarizzi di nuovo la membrana. L'importante proprietà di avere un doppio cancello permette al segnale elettrico di andare in una sola direzione lungo l'assone.

Proteine di membrana e trasportatori

Le proteine di membrana, dette trasportatori, possono essere suddivise in due categorie:

• Proteine canale: generano corridoi pieni di acqua che collegano direttamente i due compartimenti intra ed extracellulare. Hanno un tipo di trasporto molto veloce ma non sono selettive.
• Proteine carrier: si legano ai substrati che trasportano ma non creano mai una connessione diretta tra i due compartimenti. I carrier sono aperti o su un lato o sull'altro della membrana, ma non simultaneamente come i canali. I carrier sono più lenti ma il loro trasporto è più selettivo e può includere lo spostamento di molecole più grandi rispetto a quelle trasportate dai canali.

Fluidità della membrana

In condizioni fisiologiche, sia le molecole lipidiche sia quelle proteiche in esse immerse sono in grado di muoversi all'interno del proprio monostrato della membrana cellulare. Nel 1972 è stato proposto ed accettato il modello a mosaico fluido da Singer e Nicolson.

I principali fattori che determinano la fluidità della membrana cellulare sono, oltre alla temperatura:

• Lunghezza degli acidi grassi
• Grado di insaturazione degli acidi grassi delle code dei fosfolipidi
• Caratteristiche della testa polare
• Concentrazione del colesterolo nella membrana

Le molecole di colesterolo sono essenzialmente idrofobiche e si inseriscono tra le teste idrofiliche dei fosfolipidi. Esse contribuiscono a rendere la membrana plasmatica impermeabile a piccole molecole solubili in acqua e mantengono la membrana flessibile in un ampio intervallo di temperature.

Lipidi raft

I lipidi raft sono costituiti da sfingolipidi, questi sono più lunghi dei fosfolipidi e sporgono al di sopra di essi, dando luogo a porzioni specializzate della membrana dette lipid raft. Nelle zattere lipidiche si concentrano in particolare colesterolo, sfingolipidi e particolari proteine di membrana.

Inizialmente si pensava che i lipid raft fossero costituiti da proteine periferiche, ossia proteine che non attraversano l'intero spessore della membrana. In realtà i lipid raft sono descritti come proteine ancorate a lipidi.

Tipi di proteine di membrana

Le proteine di membrana possono essere debolmente o strettamente legate alla membrana. Ogni cellula presenta 10-15 tipi di proteine di membrana.

• Integrali o transmembrana: si estendono attraverso l'intera membrana e sono fortemente legate ad essa attraverso alfa eliche di amminoacidi non polari che con i fosfolipidi generano interazioni non covalenti. Infatti, per rimuovere una proteina transmembrana, bisognerebbe distruggere l'intera membrana. Sono classificate in base al numero di segmenti transmembrana che possiedono, e possono arrivare fino a 12.
• Periferiche: non attraversano completamente lo spessore della membrana, si legano debolmente a proteine che la attraversano o alle regioni polari dei fosfolipidi. Alcuni esempi sono enzimi e proteine strutturali.
• Ancorate a lipidi: sono legate covalentemente a code lipidiche che attraversano il doppio strato o a sfingolipidi come i lipid raft.

Costituzione della membrana plasmatica

La membrana plasmatica è costituita principalmente da proteine e lipidi. I lipidi della membrana formano una barriera tra citoplasma e liquido extracellulare. Esistono 3 tipi di lipidi nella membrana cellulare:

• Fosfolipidi: costituiti da un nucleo di glicerolo e due catene di acidi grassi da un lato e un gruppo fosfato dall’altro. La testa glicerolo fosfato della molecola è polare, quindi idrofila, mentre la coda di acidi grassi è non polare, quindi idrofoba. Quando si trovano in soluzione acquosa, questa loro natura nel disporsi crea il doppio strato fosfolipidico con la parte idrofilica verso il citosol e l’ambiente extracellulare e la parte idrofoba tra le teste. I fosfolipidi sono i principali componenti delle membrane biologiche.
• Sfingolipidi: contengono anch’essi code di acidi grassi mentre le loro teste possono essere fosfolipidi o glicolipidi.
• Colesterolo: molecole essenzialmente idrofobiche, si inseriscono tra le teste dei fosfolipidi e contribuiscono a rendere le membrane permeabili a piccole molecole solubili in acqua e mantengono la membrana flessibile in un ampio intervallo di temperature.

Modello a mosaico fluido

Agli inizi degli anni '70, micrografie al microscopio elettronico di criofratture hanno rilevato la disposizione tridimensionale dei lipidi e delle proteine dentro la membrana cellulare. Singer e G.L. Nicolson nel 1972 proposero il "modello a mosaico fluido". I fosfolipidi sono disposti a doppio strato in modo tale che le "teste" idrofile siano rivolte verso le soluzioni acquose e le "code" idrofobe nascoste all'interno della membrana. Le proteine sono inserite in e attraverso il doppio strato fosfolipidico.

Acquaporina e osmosi

L'acqua attraversa le membrane biologiche grazie alla presenza di proteine canale che formano corridoi sempre aperti; per questo motivo i canali dell'acqua sono detti lassi e sono formati da una proteina detta acquaporina. Attraverso i canali passano principalmente ioni ed acqua. Il movimento avviene secondo gradiente di concentrazione, dalla zona a minore concentrazione verso quella a maggiore concentrazione per diluire quest'ultima. Questo processo è detto osmosi ed è un tipo di trasporto passivo senza consumo di energia da parte della cellula.

Trasporto attivo e passivo

Il riassorbimento di acqua e soluti nel lume tubulare avviene attraverso meccanismi di trasporto attivo. Il filtrato che arriva nel tubulo contorto prossimale ha infatti la stessa pressione osmotica del sangue e quindi il riassorbimento non potrebbe avvenire attraverso meccanismi di gradiente di concentrazione. Le cellule tubulari devono quindi attivare meccanismi di trasporto attivo per creare gradienti di concentrazione o elettrochimici. Il trasporto attivo secondario dipendente dal sodio è responsabile del riassorbimento di molte sostanze, tra cui il glucosio. Il glucosio è trasportato contro il suo gradiente di concentrazione da un cotrasportatore SGLT (Na-glucosio) utilizzando come energia quella del movimento del sodio secondo gradiente elettrochimico, mentre nel versante basolaterale il sodio esce dalla cellula tramite una Na/K ATPasi, mentre il glucosio diffonde all'esterno attraverso un trasportatore GLUT per la diffusione facilitata.

Trasporto attivo primario e secondario

Trasporto attivo primario: utilizza ATP come fonte di energia. Infatti, molti trasportatori attivi primari sono detti ATPasi. Le ATPasi sono enzimi che idrolizzano ATP in ADP e P inorganico liberando nel processo energia utilizzabile. La Na/K ATPasi è una pompa molto importante in fisiologia.

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. Il movimento delle molecole può essere nella stessa direzione (simporto) o in direzioni opposte (antiporto).

Trasporto mediato (diffusione facilitata)

È un trasporto mediato da proteine in cui non è necessaria alcuna sorgente di energia esterna per spostare molecole attraverso la membrana. La diffusione facilitata ha le stesse proprietà della diffusione semplice, ossia le molecole si muovono lungo il loro gradiente di concentrazione. Il movimento si ferma al raggiungimento dell'equilibrio.

Trasporto del glucosio

Il glucosio può diffondere sia attraverso la diffusione facilitata attraverso il trasportatore denominato GLUT sia attraverso un meccanismo di trasporto attivo secondario attraverso un trasportatore detto SGLT. In questo trasporto attivo, sia il Na che il glucosio si legano al trasportatore SGLT sul versante extracellulare. Il Na si lega per primo determinando un cambiamento conformazionale della proteina che aumenta l'affinità del sito legante per il glucosio. Quando questo si lega, la proteina trasportatrice cambia nuovamente conformazione aprendosi verso il versante del citosol. Il sodio viene rilasciato secondo gradiente e quando viene rilasciato, la proteina abbassa l'affinità per il glucosio e questo viene rilasciato insieme al sodio nel citosol, ma secondo il suo gradiente di concentrazione. Questo tipo di trasporto del glucosio è necessario quando il glucosio deve essere assunto dall'ambiente esterno.

Legge di Fick sulla diffusione

La legge di Fick sulla diffusione afferma che:

Area x Gradiente concentrazione x Permeabilità / Spessore della membrana = Velocità di diffusione

La permeabilità di membrana è il fattore più complesso della legge perché è influenzato da diversi fattori:

• Dimensioni della molecola
• Liposolubilità della molecola
• Composizione dello strato lipidico che la molecola deve diffondere

Al crescere delle dimensioni della molecola diminuisce la permeabilità della membrana. Al crescere della liposolubilità della molecola aumenta la permeabilità. Variazioni nella composizione della molecola influiscono sulla diffusione; ad esempio, una più alta concentrazione di colesterolo ritarda il passaggio della molecola attraverso la membrana. Nella maggior parte dei casi, invece, lo spessore è una costante e quindi nella legge può essere omesso, quindi la legge diventa:

Velocità di diffusione / Area = Gradiente di concentrazione x Permeabilità

Questa legge descrive il flusso, il quale è la velocità diffusione per unità di superficie di una membrana.

Diffusione semplice e facilitata

Nelle membrane biologiche, la diffusione semplice è limitata alle sole molecole lipofile. La maggior parte dei soluti attraversa la membrana con l'aiuto di proteine attraverso un meccanismo di trasporto facilitato/mediato. Questo può essere passivo e spostare le molecole secondo il loro gradiente di concentrazione (diffusione facilitata) attraverso canali o carrier caratterizzati da specificità dei carrier, competizione e saturazione degli stessi.

Se il trasporto richiede energia come ATP o un'altra sorgente per spostare le molecole contro il loro gradiente, il processo è detto trasporto attivo, che può essere primario o secondario. Molecole molto grandi attraversano la membrana attraverso meccanismi di fagocitosi, un processo mediato da molecole di actina che avvolgono la molecola da inglobare in una struttura detta fagosoma. Molecole molto grandi possono entrare nella cellula attraverso meccanismi di endocitosi che crea vescicole più piccole; nel caso di endocitosi di liquidi, il processo è detto pinocitosi e ha bisogno di ATP. Esocitosi rilascia le molecole nel liquido extracellulare, richiede energia come la pinocitosi ma è un meccanismo costitutivo di molte cellule come quelle dell'epitelio intestinale o delle cellule caliciformi.

Gruppo II: Trasduzione del segnale

Proteine recettoriali e trasporto mediato

Il trasporto mediato da proteine è svolto da due gruppi di proteine integrali: trasportatori e recettori. Le proteine recettoriali di membrana fanno parte dei sistemi di trasmissione dei segnali chimici dell'organismo. Il legame tra un ligando e il suo recettore induce generalmente un altro evento a livello di membrana, come ad esempio l'attivazione di un enzima. I recettori sono molto importanti nei meccanismi di trasporto vescicolare e per dare inizio a risposte cellulari.

Ormoni proteici/peptidici

Gli ormoni proteici/peptidici non derivano dalle proteine. Essi vengono sintetizzati a partire da un proormone inattivo, che passando attraverso il complesso del Golgi viene scisso da enzimi che creano frammenti di peptidi attivi e frammenti peptidici addizionali. Questi vengono secreti attraverso vescicole secretorie che si accumulano e vengono rilasciate all'occorrenza. Essendo proteici, questi ormoni sono solubili nel plasma e quindi per essere trasportati alla cellula bersaglio non necessitano di molecole vettrici, però sono lipofobi.

Gli ormoni peptidici, per questo motivo, si legano a recettori sulla superficie cellulare. Il complesso ormone-recettore innesca la risposta cellulare per mezzo di un sistema di trasduzione del segnale. La maggior parte degli ormoni peptidici agisce utilizzando cAMP come secondo messaggero (adenilato ciclasi-AMPc accoppiato alle proteine G). I cambiamenti innescati dagli ormoni peptidici dopo il legame con il proprio recettore comprendono l'apertura o la chiusura di canali di membrana e la modulazione di enzimi metabolici o di proteine di trasporto.

Gli ormoni steroidei, invece, derivano dal colesterolo e sono prodotti in pochi organi dell'organismo come la midollare del surrene. Essendo derivati del colesterolo, essi non sono solubili nel plasma, quindi per essere trasportati necessitano di proteine vettrici che li proteggono dalla degradazione allungando la loro emivita; al contrario degli ormoni peptidici, sono lipofili e quindi attraversano tranquillamente la doppia membrana. La destinazione finale del complesso recettore-ormone è il nucleo, dove il complesso agisce come fattore di trascrizione, legandosi al DNA e attivando o reprimendo la trascrizione di uno o più geni. Dai geni attivati è trascritto nuovo mRNA, che dirige la sintesi di nuove proteine. Si usa dire che gli ormoni che alterano la trascrizione genica hanno un effetto genomico sulla cellula bersaglio. La risposta degli ormoni steroidei è più lenta proprio perché dirigono la sintesi nuove proteine.

Recettori associati alle proteine G

I recettori associati alle proteine G attraversano la membrana 7 volte. La coda citoplasmatica della proteina recettore è associata a una molecola detta proteina G. I ligandi per questi recettori includono ormoni, fattori di crescita, molecole olfattive e neurotrasmettitori. Le proteine G sono dette G perché legano nucleotidi guanosinici.