Fisiologia - Fisiologia delle cellule eccitabili

Fisiologia generale (degli apparati)

Programma:

FISIOLOGIA CELLULARE 1

LA MEMBRANA CELLULARE: STRUTTURA ED ORGANIZZAZIONE

Doppio strato lipidico, costituito per la maggior parte da fosfolipidi e proteine

 Protegge gli organelli cellulari dall’ambiente esterno

 Permette il trasporto di nutrienti/messaggeri molecolari prodotti dal

 metabolismo cellulare

Spessore della membrana circa 8 nanometri



Fosfolipidi

Molecole anfipatiche: testa idrofilica (polare)

 coda idrofobica (apolare)



chimicamente è costituito da: glicerolo + gruppo fosfato + R

(gruppo che caratterizza lo specifico

fosfolipide)

es. il principale fosfolipide della membrana è la colina

la struttura polare ha caratteristiche idrofile, quindi è una struttura che ama stare a

contatto con l’ambiente acquoso, viceversa le due catene di acidi grassi (le code) sono

apolari, quindi idrofobe.

Quando abbiamo dei fosfolipidi in ambiente acquoso avranno la tendenza a formare un

bilayer (doppio strato) dove le teste sono esposte verso l’acqua mentre le code sono

rivolte all’interno.

Questo è l’elemento che caratterizza la membrana cellulare doppio strato

fosfolipidico

Il doppio strato: 2

è permeabile a tutte le molecole lipofile (che derivano dai lipidi) o anceh ai gas

 che si sciolgono bene nei lipidi

è impermeabile al passaggio di tutti gli elementi polari o di grosse dimensioni



Le sostanze citate per ultime possono attraversare il doppio strato solo grazie

all’ausilio di specifiche proteine (canali trasportatori).

LE PROTEINE DI MEMBRANA

Possono essere suddivise in due grandi categorie:

estrinseche legate debolmente alla superficie della membrana plasmatica,

possono essere sul versante extracellulare o su quello citoplasmatico

integrali attraversano completamente lo spessore del doppio strato lipidico

es: questa proteina attraversa con dei segmenti transmembrana per 7 volte il doppio

strato fosfolipidico. Casi di

questo tipo prevedono la

formazione di loop o anse di

collegamento dei segmenti

transmembranici.

Esse possono essere

extracellulari o intracellulari.

I canali e i trasportatori sono

proteine integrali.

TIPOLOGIE DI PROTEINE DI MEMBRANA:

1. Proteine strutturali in particolare tutte le proteine che sono in interazione col

citoscheletro, ma anche proteine di adesione cellulare

2. Enzimi

3. Recettori

4. Trasportatori

5. Canali 3

PERMEABILITA’ E TRASPORTO DI SOSTANZE ATTRAVERSO LA MEMBRANA:

TRASPORTATORI E CANALI IONICI

PROTEINE CANALE

Proteine integrali della membrana

La membrana è spessa 8 nanometri, loro sono alti 10 nanometri

I canali possono essere divisi in due grandi categorie:

canali passivi di fatto non sono dotati di un meccanismo di chiusura ma



o sostanzialmente sono dei pori che rimangono sempre aperti

canali attivi normalmente questi canali rimangono chiusi



o a seguito di un opportuno stimolo a cui sono selettivamente sensibili vanno in

contro all’apertura

(stimoli= segnali chimici, meccanici, elettrici)

A seconda dello stimolo a cui selettivamente rispondono si ha una

classificazione

I canali veicolano il passaggio attraverso la membrana di H₂0, ioni e molecole solo a

favore del gradiente elettrochimico.

I canali sono degli elementi fondamentali per il trasporto facilitato, la cosiddetta

diffusione facilitata.

PROTEINE TRASPORTATRICI (CARRIERS)

Sono anch’esse proteine integrali della membrana

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Riescono a trasportare degli elementi, ioni o piccole molecole, eseguendo un lavoro

più complesso.

Necessitano di legare con una specifica stechiometria un numero limitato di elementi

trasportabili (es 1 singolo ione alla volta, in altri casi possono essere legati più ioni o

molecole ma sempre un numero piccolo).

In seguito avviene una transizione conformazionale della proteina trasportatrice.

Il meccanismo di trasporto è meno efficacie rispetto a quello messo in atto dal canale:

i trasportatori muovono qualche migliaio di molecole o ioni al secondo a differenza dei

canali che muovono centinaia di milioni di molecole al secondo.

I trasportatori possono effettuare un processo di:

Trasporto facilitato muovere ioni e molecole a favore di gradiente

Trasporto attivoProcesso di trasporto contro gradiente elettrochimico, utilizzando ATP

CANALI IONICI

Sono proteine di membrana, ad alto peso molecolare, da cui dipende l’eccitabilità di

membrana: il potenziale a riposo (negativo), capacità di generare il potenziale

d’azione, i potenziali postsinaptici eccitatori ed inibitori del neurone e del muscolo

liscio e striato.

Sono proteine ubiquitarie, espresse da tutte le cellule.

Integrate nella membrana.

Importanti per:

farmacologia sono il bersaglio di numerosi farmaci

 patologia alterazioni fisiopatologiche dovute a mutazioni o alterazioni della

 funzionalità legate alla possibilità che questi canali ionici vengano in qualche

modo influenzati negativamente con il legame con tossine

es. il veleno di certi serpenti è composto da neuropeptidi che hanno come bersaglio

principale i canali ionici

Membrana:

doppio strato lipidico (8 nm di spessore)

 completamente impermeabile agli ioni in assenza di proteine



Proprietà dei canali ionici:

• permettono diffusione passiva facilitata di ioni/H2O/ piccole molecole

• flusso rapidissimo (106-108ioni/sec) che passa attraverso a ioni di diametro 0,4-0,8

nm

Ci sono canali ionici più grandi, come per esempio quelli formati dai connessioni nelle

sinapsi elettriche che possono permettere il passaggio non solo di ioni ma anche di

piccole molecole e in questo caso parliamo di canali ionici

• riconoscono e selezionano gli ioni

• se passivi sempre aperti, se attivi si aprono in risposta a stimoli diversi

CLASSIFICAZIONE DEI CANALI IONICI

in base al meccanismo di «gating» meccanismo che porta il canale dallo stato chiuso

allo stato aperto 5

Passivi, «non gated» canali passivi o di riposo (Vmriposo:

 es. canali K+)

Canali di fatto sempre aperti

Importanti per spiegare come mai tutte le cellule in stato di

riposo hanno un potenziale di membrana negativo: questo

perché tutte le cellule possiedono sulla propria membrana un

abbondante numero di canali passivi permeabili

selettivamente al potassio

Attivi, «gated» stato aperto/stato chiuso



Sono normalmente allo stato chiuso ma se stimolati da una

specifica forma di energia a cui loro sono selettivamente sensibili

passano allo stato aperto

a loro volta classificabili in:

1. Voltage-gated ion channels canali che si aprono in risposta a

variazioni del potenziale di membrana

Tipicamente si aprono a fronte di una depolarizzazione di

membrana (da potenziale negativo si ha un potenziale positivo).

Esistono, a livello del cuore ad esempio, canali voltage gated che si

aprono a seguito di un’iperpolarizzazione.

In generale questo tipo di canale è molto importante perché

vengono chiamati in causa quando parliamo di eccitabilità di

membrana.

Lo stimolo elettrico da l’energia necessaria al passaggio dallo stato

chiuso allo stato aperto, questo è dovuto alla particolare

composizione della sequenza amminoacidica che caratterizza

questa proteina canale: gli amminoacidi che formano queste

proteine hanno cariche positive.

Con la positivizzazione del citoplasma abbiamo gli amminoacidi

che formano la proteina canale che non sono più in una

configurazione energetica stabile, avendo positività all’interno

della cellula queste strutture vanno incontro ad una repulsione

delle cariche dello stesso segno e tendono a spostarsi verso

l’esterno. Questo spostamento conferisce una transizione

conformazionale che porterà il canale ad aprirsi

2. Ligand-gated channels attivati da uno stimolo chimico

Dotati di un sito recettoriale: dopo che il recettore si è legato al sito

il canale varia la sua conformazione sterica permettendo il

passaggio.

Il ligando può anche essere intracellulare, ligando citoplasmatico.

La maggior parte dei ligand-gate si attivano per legame del

recettore canale con un ligando extracellulare o intracellulare.

Se i canali hanno sito recettoriale e struttura canale:

in un unico elemento proteicoligand- gate

o ionotropici

in più elementi proteiciligand- gate metabotropici: il

o recettore lega il ligando, si attiva, proteina G attiva

una cascata, il canale si apre

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Chiamati in causa quando parleremo di trasmissione sinaptica

chimica

3. Mechanosensitive ion channels attivati da stress meccanico

La forma di energia che porta il canale dallo stato chiuso allo stato

aperto è lo stress meccanico (=distensione o contrazione) a cui va

incontro la membrana in cui il canale è inserito.

Tutti i neuroni sensoriali della sensibilità somatica (es. tatto)

utilizzano questa tipologia di canali

4. Temperature-gated channels attivati a seguito della variazione

della temperatura, sono canali molto importanti per la sensibilità.

Vengono più propriamente definiti come polimodali, ovvero non

sono attivati solo da una specifica temperatura ma anche da un

legame con uno specifico ligando.

Es. i canali TRPV1 sono attivati da una temperatura in un range di

50 gradi, la sensazione che abbiamo quando vengono attivati

questi canali è di un calore intenso che sconfina nel dolore. Questo

canale è anche attivato dalla capsaicina (contenuto nel

peperoncino rosso) e dall’elicina (contenuto nell’aglio); entrambi

questi due elementi quando vanno ad attivare i canali TRPV1

danno una forte sensazione di alta temperatura.

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FILTRO SELETTIVITA’ IONICA

In che modo e perché uno specifico canale è in grado di essere permeabile ad una sola

specie ionica.

Prima degli anni 70’ la difficoltà di trovare una spiegazione alla selettività fece

propendere per l’ipotesi del trasportatore.

Solo negli anni ’70 tale ipotesi fu abbandonata, con i primi valori ottenuti per la

velocità di flusso 108ioni/sec, incompatibili con la velocità di trasporto dei trasportatori

(103ioni/sec della pompa Na+/K+).

La nube di idratazione del sodio è maggiore di quella del potassio:

in virtù della sua più alta densità di carica stessa carica ma

è più piccolo

La nube di idratazione è legata al fatto che l’acqua si comporta come un dipolo

elettrico essendo l’ossigeno più elettronegativo dell’idrogeno.

Tutti gli ossigeni sono legati a Na; su Cl avremo una nube di idratazione con tutte le

parziali cariche positive (H) legate allo ione cloro.

Questa diatriba venne risolta in seguito quando scoprirono che…

LA SELETTIVITA’ IONICA si BASA sul RICONOSCIMENTO CHIMICO AA polari sulla

parete interna del poro (vestibolo) costituiscono un vero e proprio sito di legame

selettivo con conformazione tridimensionale adatta per lo ione, caratterizzato da

bassa affinità: molto bassa rispetto a quella che potrebbe avere un enzima per il suo

substrato e da tempi di legame rapidissimi decimi di microsec

Di fatto il legame dello ione con il sito recettoriale permette allo ione di essere

spogliato della nube di idratazione. che lo ingombra.

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Staccandosi dal sito recettoriale, lo ione può muoversi (secondo gradiente

elettrochimico) da un capo all’altro della membrana.

LEGAMI DEBOLI dello ione con i gruppi funzionali carichi posti sulle pareti del

VESTIBOLO del canale fanno si che lo ione abbandoni l’H₂O del suo alone di idratazione

e si libero quindi di muoversi secondo gradiente (certi canali più grandi fanno passare

anche una parte della nube di idratazione).

INTENSITA’ del CAMPO ELETTRICO dello ione in rapporto alla DENSITA’ di CARICHE nel

sito di legame.

Il filtro di selettività ionica nei canali del Ca₂₊ voltaggio dipendenti

È stato identificato a livello di 4

sequenze posizionate in modo tale da far

ritrovare 4 aa identici (glutammato) tutti

coordinati alla stessa altezza.

Il gruppo funzionale terminale è COOH

che in soluzione diventa COO-

Queste 4 cariche negative vanno a

costituire il sito di legame per lo ione

Ca₂₊

MECCANISMI DI APERTURA, CHIUSURA E REFRATTARIETA’ DEI CANALI

(questa trattazione riguarda solamente i canali di tipo attivo)

Una volta che il canale

è aperto non passa

tutto il tempo in una

posizione di apertura

ma può tornare se lo stimolo che lo ha portato all’apertura perdura nel tempo

spontaneamente in una è probabile che lo stato aperto attivo del canale muti in uno

condizione di stato stato chiuso non attivabile refrattario.

Questo stato assume due diversi nomi

DESENSITIZZATO per i canali ligand gate, quindi attivabili da

ligando es. processo di fosforilazione

INA