Fisiologia generale - Appunti

Attivati dal voltaggio: es. canali ionici di K+, Ca2+, Na+, Cl-.

– Attivati da un ligando esterno: es. colinergico nicotinico. Possono essere cationici (Na-K, Na-Ca-

– K) o anionici (Cl-)

Attivati da un ligando interno: ovvero i messaggeri intracellulari

– Attivati da uno stimolo meccanico: tipo stiramento. Sono meccanorecettori.

–

Diffusione anomala (Trasporto facilitato): la permeabilità è elevata per la presenza di proteine carriers che

permettono il passaggio di sostanze che non possono diffondere liberamente attraverso la membrana. Anche

in questo caso il movimento è secondo gradiente, ma dato il numero finito di proteine carriers, quando la

sostanza raggiunge concentrazioni elevate si ha saturazione.

L'interazione delle sostanze col carrier è specifica; sostanze con caratteristiche affini competono per lo stesso

carrier.

La specificità dell'interazione degli zuccheri col carrier dipende dai valori di Km che sono minimi per il

Destrosio e crescono passando dagli aldoesosi (glucosio, mannosio, galattosio) agli aldopentosi (xilosio,

arabinosio, ribosio, lixosio), e dalle forme D alle forme L. Il grado di inibizione reciproca dipende

dall'affinità del carrier per lo zucchero; così in presenza di destrosio il trasporto di tutti gli zuccheri risulta

fortemente inibito, mentre il trasporto di destrosio è inibito dal mannosio, inibito in parte da galattosio,

xilosio e arabinosio, mentre è indifferente alla presenza di sorbosio e levulosio (2 chetosi).

Cinetica del trasporto facilitato: la velocità con cui il glucosio viene trasportato segue una cinetica di

saturazione descritta da:

Equazione di Michaelis-Menten: è una stima dell'affinità del carrier per il glucosio

v0 = Vmax [S]/ Km + [S]

dove Vmax è il trasporto massimo, e Km è la concentrazione di glucosio alla quale la velocità di trasporto è

½ Vmax.

Modello del carrier mobile: le molecole carrier si legano alla molecola da trasportare su un versante della

membrana, migrano sul versante opposto, dove liberano la molecola trasportata.

Modello del Flip-Flop: la proteina trasportatrice, ancorata alla membrana, ha un carattere bistabile, cioè

esiste in 2 stati in cui i siti di legame per la molecola da trasportare sono esposti alternativamente sui due

versanti opposti della membrana.

Trasporto del glucosio: le diverse isoforme delle glucosio-permeasi sono adattate alla funzione delle

cellule. Ad esempio l'isoforma presente nelle cellule nervose (GLUT3) ha una Km bassa; nell'ambito

fisiologico della glicemia il trasporto di glucosio nelle cellule nervose è sempre vicino al massimo, le cellule

nervose non devono essere sensibili alle variazioni della glicemia.

L'isoforma delle cellule β del pancreas (GLUT2) ha una Km elevata; nell'ambito fisiologico della glicemia, il

trasporto di glucosio varia significativamente e come conseguenza le cellule β secernono insulina (ormone

ipoglicemizzante) in funzione della concentazione extracellulare di glucosio.

La membrana è anche responsabile del potenziale transmembranario.

Equilibrio Elettrochimico e Potenziale di Membrana

Potenziale di Membrana: ai 2 lati della membrana plasmatica di tutte le cellule esiste una differenza di

potenziale con l'interno negativo rispetto all'esterno. Il potenziale di membrana è dovuto alla ineguale

distribuzione di ioni ai due lati di una membrana selettivamente permeabile, ed è mantenuto per la presenza

sulla membrana di pompe ioniche.

Potenziale di equilibrio: ai 2 lati della membrana si stabilisce l'equilibrio quando il lavoro chimico Wc

necessario per trasportare il K+ contro il gradiente di concentrazione è uguale al lavoro elettrico We

necessario per trasportarlo contro il gradiente elettrico.

Wc = R * T * Ln( [K+]'/[K+]'' ) We = z * F * (E'' – E')

Wc = We ===> R * T * Ln( [K+]'/[K+]'' ) = z * F * (E'' – E')

da cui: Equazione di Nerst: (E' – E'') = E = (R * T)/(z * F) * Ln( [K+]''/[K+]' )

Nel caso di una cellula muscolare di un vertebrato, in cui [K+]' = 140 mM e [K+]° = 2.5 mM, la ddp ai 2 lati

della membrana è:

Ek = (R * T)/F * Ln( [K+]°/[K+]' ) = 0,0257 * Ln (2,5 mM/ 140 mM) = -0,103 V

Esempio: “Quanti ioni K+ devono diffondere attraverso la membrana per generare una ddp di -100

mV?”

Carica sulla membrana: 10^-6 Farad/cm^2 * 0,1 V = 10^-7 C/cm^2

Numero di moli di ioni per unità di superficie di membrana: Q/F = 10^-7 cm^-2/96500 C/mol = 10^-12

mol/cm^2

Numero di ioni per unità di superficie: 10^-12 * 6,02 * 10^23 = 6 * 10^11 ioni/cm^2

Cellula sferica di vertebrato di raggio r= 25 μm, [K+]i= 140 mM

V= 4/3 p r3= 6.5 x 10-8 cm3 S = 4 p r2= 7.8 x 10-5 cm2 S/V= 3/r = 3/(2.5*10-3cm) 1000

Numero di ioni che diffondono attraverso la superficie: 6 * 10^11 ioni/cm^2 * 7,8*10^-5 cm^2 = 4,7 *

10^7

Numero di cationi K+ della cellula: 1,4*10^-4 mol/cm^3 * 6,5*10^-8 cm^3 * 0,8 * 6,02*10^23 ioni/mol =

4,4*10^12

Il numero di ioni che diffondono è perciò una frazione trascurabile (4,7*10^7/4,4*10^12 = 10^-5) rispetto al

numero di ioni contenuti nella cellula, confermando il principio di elettroneutralità.

Condizioni per l'equilibrio: se perturbiamo la condizione di equilibrio di una sostanza, il suo flusso

modifica la concentrazione interna finchè non si raggiunge l'equilibrio. Le condizioni per l'equilibrio sono:

le soluzioni interne ed esterne devono essere elettricamente neutre

– equilibrio osmotico

– non ci deve essere alcun flusso netto per ciascun ione

–

Equilibrio di Donnan: se ho 2 soluzioni equimolari di KCl e in una sostituisco 40 mM di KCl con 40 mM

del sale KA, esso si dissocia in K+ e A-. La membrana è impermeabile a A- ma non a K+ e Cl-. Cl- diffonde

per gradiente di concentrazione generando una ddp che favorisce la migrazione di K+ per gradiente elettrico.

La diffusione di KCl si interrompe quando il flusso di ioni genera una ddp uguale ai 2 lati della membrana.

L'equazione di Nerst per i 2 ioni all'equilibrio deve dare quindi lo stesso potenziale elettrico.

[K+]° * [Cl-]° = [K+]'*[Cl-]' Regola di Donnan

Viene quindi prodotta una ddp di potenziale transmembranario stabile nel tempo. La concentrazione totale

degli ioni diffusibili K+ e Cl- è maggiore dal lato in cui si trova lo ione non diffusibile A-:

[K+]' + [Cl-]' > [K+]° + [Cl-]°

Nel compartimento dello ione non diffusibile è presente quindi una maggiore pressione osmotica e questo

non soddisfa l'equilibrio osmotico ed è quindi incompatibile con le cellule animali. Si può avere equilibrio

ionico ed osmotico se oltre all'anione indiffusibile all'interno, esiste un catione indiffusibile all'esterno:

[K+]' + [Cl-]' + [A-]' = [K+]° + [Cl-]° + [Na+]°

Potenziale di diffusione: la membrana che separa le 2 soluzioni ha permeabilità diversa alle 2 specie

ioniche. In questo caso si genera una ddp detta potenziale di diffusione.

Caso A: Il flusso di Cl- è maggiore di quello del Na+, e l'eccesso di cariche negative sul lato 2 della

membrana genera una ddp che rallenta il flusso degli ioni Cl- e accelera quello degli ioni Na+ fino a che i 2

flussi diventano uguali. Il potenziale di diffusione è la ddp che determina l'uguaglianza dei flussi ionici e

quindi un flusso netto di carica 0. Il potenziale di diffusione così generato è però instabile in quanto tende ad

annullarsi con il ridursi del gradiente di concentrazione tra i 2 compartimenti.

Caso B: il flusso di K+ è maggiore di quello di Na+. Questo provoca un accumulo di cariche negative sul

lato 2 della membrana e quindi una ddp che rallenta il flusso di K+ e accelera quello in direzione opposta di

Na+ fino a diventare uguali. Anche in questo caso il potenziale di diffusione è instabile in quanto si basa su

un equilibrio elettrico ( le 2 correnti ioniche che attraversano la membrana in direzione opposta sono uguali e

quindi il flusso netto di carica è nullo) ma non su un equilibrio chimico (le 2 sostanze sono trasportate da

specie ioniche diverse). Col procedere della diffusione, la differenza di concentrazione dei 2 ioni diminuisce

fino ad annullarsi.

Confronto tra potenziale di equilibrio e di diffusione:

Potenziale di equilibrio: le specie ioniche diffusibili sono all'equilibrio elettrochimico (vale

– l'equazione di Nerst). Il potenziale di membrana coincide con il potenziale di equilibrio di ciascuna

specie ionica diffusibile . Il potenziale di equilibrio si mantiene indefinitamente.

Potenziale di diffusione: le specie ioniche diffusibili NON sono all'equilibrio elettrochimico (non

– vale l'equazione di Nerst). Il potenziale NON coincide con il potenziale di equilibrio di ciascuna

delle specie ioniche diffusibili. Il potenziale di equilibrio non si mantiene indefinitamente.

Equazione di Goldman: nel caso che la membrana sia permeabile a molteplici specie ioniche, tutti gli ioni

diffusibili possono contribuire allo sviluppo della ddp attraverso la membrana. In questi casi non si può

utilizzare il potenziale di Nerst (che vale per un'unica specie alla volta), per cui Goldman propose un modello

quantitativo del potenziale di membrana valido quando più specie ioniche possono attraversare la membrana.

In questa equazione nessuno ione è all'equilibrio; Considerando come P(K), P(Na) e P(Cl) le costanti di

permeabilità relative alle principali specie ioniche nei compartimenti intracellulari e extracellulari; e

considerando [K+]° e [K+]' le concentrazioni di potassio all'esterno e all'interno della cellula, l'equazione

può essere scritta come:

E(ioni) = R*T/z*F * Ln{P(K)*[K+]° + P(Na)*[Na+]° + P(Cl)*[Cl-]'}/{P(K)*[K+]' + P(Na)*[Na+]' +

P(Cl)*[Cl-]°}

In questa equazione si assume che la probabilità che una specie ionica attraversi la membrana sia

proporzionale al prodotto della sua concentrazione su quel lato per la permeabilità della membrana a quel

dato ione.

Es. nelle cellule muscolari di rana, la costante di permeabilità per il sodio è circa 1/100 di quella del potassio

e la membrana è impermeabile al cloro. Per cui l'equazione si riduce a:

E(Na,K) = R*T/z*F * Ln {1*[K+]° + 0,01*[Na+]°}/{1*[K+]' + 0,01*[Na+]'}

Il potenziale diventa stabile quando la somma delle correnti è 0

– I flussi passivi sono bilanciati dal trasporto attivo

– Le variazioni di potenziale delle cellule sono dovute a variazioni di conduttanza.

–

Potenziale di Riposo: in condizioni di equilibrio, ogni cellula che si trovi in uno stato di non eccitazione, o

di riposo, ha una ddp (Vrip) attraverso la sua membrana. Questo potenziale è governato dai canali ionici di