Fisiologia generale per scienze biologiche

Canali sodio-bicarbonato

Simporto 1:1 (verso l'interno)

Simporto 1:2 (verso l'interno)

Simporto 1:3 (verso l'esterno)

E molti altri

Nei neuroni c'è un trasportatore che porta due ioni bicarbonato all'interno sfruttando il gradiente del sodio = NBC. Alcuni lo estrudono. Possono essere o non essere elettrogenici. Il bicarbonato può essere quindi introitato o estruso a seconda delle necessità della cellula.

35 FISIOLOGIA GENERALE

I modi di riconoscere in una certa cellula tutti questi tipi di trasportatori sono:

• Inibitori più o meno specifici (esempio derivati dello stilbene come SITS e DIDS) usati molto nei trasportatori anionici. Sono irreversibili e sono particolarmente affini con i canali del cloro
• L'alterazione di pH dipende dal potenziale di membrana: fa capire se il trasporto è elettrogenico o meno
• Dipendenza dal sodio extracellulare
• Dipendenza da bicarbonato stesso o cloruro

Perché

ci sono così tanti trasportatori?• Se si hanno trasportatori con caratteristiche diverse si può regolare in modo indipendente funzioni che solo in parte sono sovrapposte. Per esempio regolare il pH con ingresso/uscita di protoni o bicarbonato è diverso. Quest'ultimo infatti generalmente è legato al metabolismo della CO2, mentre il flusso di H+ può essere legato a quello di calcio o di NTs ecc.• Alcuni trasportatori funzionano in condizioni diverse (anche trasportatori dello stesso tipo). Per esempio l'antiporto sodio-protoni della glia e del rene non funziona quando il pH è inferiore a 6.9 (succede durante ischemia). Il pH diventa più acido, la cellula non riceve più ossigeno, va in glicolisi e produce acidi. Con un antiporto che non funziona non si può liberare tutto l'acido prodotto. Intervengono a questo punto i trasportatori del bicarbonato che dipendono dal sodio.• Alcune funzioni non sonoesterno, mentre il sodio esterno sarà maggiore di quello interno. Questa differenza di concentrazioni crea un potenziale di membrana che permette il passaggio selettivo degli ioni attraverso canali ionici. Il controllo del volume cellulare è fondamentale per il corretto funzionamento delle cellule. Le cellule devono mantenere un equilibrio osmotico con l'ambiente circostante, in modo da evitare la perdita o l'accumulo eccessivo di acqua. Per regolare il volume cellulare, le cellule utilizzano diversi meccanismi. Uno di questi è la regolazione del pH intracellulare. Il pH è una misura dell'acidità o alcalinità di una soluzione e deve essere mantenuto entro un range stretto per garantire il corretto funzionamento delle cellule. I processi di controllo dell'osmolarità sono responsabili del mantenimento dell'equilibrio tra il volume di acqua e la concentrazione di soluti all'interno delle cellule. Questi processi includono l'assorbimento e l'escrezione di acqua e soluti attraverso la membrana cellulare. In conclusione, il controllo del volume cellulare e la regolazione del pH sono processi fondamentali per il corretto funzionamento delle cellule.esterni, come gli anioni organici, la situazione è diversa. In questo caso, la cellula deve bilanciare la presenza di questi anioni organici all'interno. Un sistema analogo a una cellula è quello in cui all'interno si trovano 140 mM di K+ bilanciati da 100 mM di anioni e 40 mM di cloro, mentre all'esterno la concentrazione di cloruro e di potassio è sempre 140 mM. La situazione è bilanciata dal punto di vista osmolare, cioè c'è lo stesso numero di particelle tra interno ed esterno, ma non c'è equilibrio di Donnan. Se la cellula ha canali per potassio e cloro, ci sarà un flusso di KCl dall'esterno all'interno che tenderà a portare la cellula verso l'equilibrio di Donnan. Gli anioni interni non aumentano né diminuiscono, mentre le concentrazioni di potassio e cloruro aumentano. Supponendo di riuscire a raggiungere l'equilibrio di Donnan, si perderebbe la condizione di equilibrio osmotico. In un sistema di controllo passivo, senza meccanismi di trasporto attivo, se ci sono ioni non permeanti nei vari esterni, come gli anioni organici, la situazione sarà diversa.compartimenti (es. anioni organici rinchiusi all'interno), non c'è modo di avere tutte le quantità in equilibrio. La cellula, per bilanciare il flusso osmotico, può decidere di sintetizzare una parete rigida oppure trasportare in modo attivo ioni per bilanciare le differenze interne che non si possono modificare per via degli ioni non permeanti. 37 FISIOLOGIA GENERALE Esempio cellula con: Interno - 140 mM anioni organici - 145 mM potassio - 5 mM cloruro Esterno - 140 sodio - 145 cloruro - 5 potassio Se si blocca la pompa sodio-potassio, per gradiente il sodio tende a entrare (nelle cellule ce n'è pochissimo). Tuttavia, il potassio esce, per cui ci sarebbe un bilancio. In realtà, succede che il cloruro è molto lontano dall'equilibrio: quindi, se il sodio che entra è bilanciato dal potassio, se entra il cloruro che negativizza il potenziale (secondo gradiente), per essere bilanciato dovrà portare con sé.

altro sodio. Infatti gli anioni organici sono intrappolati all'interno. La cellula tenderà a "gonfiarsi"

Quando la cellula non si gonfia? Quando per esempio è poco permeabile all'acqua (astrociti)

Perché le cellule hanno la necessità di tali meccanismi?

Le esigenze sono diverse:

• organismi soggetti a notevoli stress osmotici (esempio chi vive negli estuari o nelle acque salmastre). La salinità dell'acqua marina è di circa il 30%, mentre nell'acqua dolce 0,5%. Lo shock osmotico dovuto a tale differenza è di 25 atm (molto alto)
• Anche negli osmoregolatori che regolano l'osmolarità intra ed extracellulare è presente una certa variabilità nell'osmolarità
• Epiteli dopo assunzione di acqua
• Globuli rossi in organi come il rene
• Alterazioni patologiche (negli endoteli e barriera ematoencefalica)
• Condizioni indotte (in operazione sul cuore si aumenta il potassio)

extracellulare e si abbassa la temperatura sanguigna, causando variazione di osmolarità)

• Inoltre la cellula può variare il suo volume non in seguito a variazioni dell'osmolarità esterna ma per ragioni fisiologiche (esempio ciclo cellulare o migrazioni, quando cellule tumorali si infilano nei tessuti).

MODELLO DEL LINFOCITA

Risponde al cambiamento di osmolarità nell'ambiente extracellulare

Ordinata = volume cellulare diviso per volume della cellula a riposo. Supponiamo che dopo 10 minuti si mette la cellula in un mezzo ipotonico (il volume cellulare in quell'istante è 1), passivamente ci sarà un ingresso di acqua che fa gonfiare la cellula: prima fase passiva. Continuando nel tempo la cellula recupererà il suo volume iniziale. Si studia questo processo fisiologicamente, in vivo.

Il processo di ristabilizzazione del volume è la DIMINUZIONE REGOLATIVA DEL VOLUME. È regolativa perché la cellula mette in moto

un meccanismo che regola il volume fino a quando non torna in condizioni fisiologiche. In un primo momento la cellula perderà acqua, diminuendo il volume. Questo suggerisce che inizialmente la cellula aveva perso soluti per cercare di rendere l'osmolarità più simile a quella esterna. La perdita del volume è causata da perdita di acqua (la sua osmolarità interna sarà maggiore). A questo punto la cellula però andrà incontro a un aumento regolativo che la riporta allo stato di isosmolarità definitivamente. Affinché ci sia un controllo di volume di questo tipo sono necessari: - Sensore del volume: meccanismo che percepisca il cambiamento del volume. - Successivamente questo meccanismo deve mettere in moto sistemi di segnalazione che regolino i meccanismi di trasporto che permettano alla cellula di far revertire la situazione. Possono dipendere da calcio, fosforilazione, lipidi. - Effettori: canali etrasportatori che regolano i flusso aumentando e diminuendo l'osmolarità interna ed esterna per bilanciarle 38 FISIOLOGIA GENERALE Le risposte regolative sono piuttosto lente, il che suggerisce una modificazione della concentrazione dei soluti, che è un processo che richiede tempo. La cellula può:

• Degradare o sintetizzare macromolecole (soluti)
• Alterare i processi di trasporto

Ci sono evidenze che entrambi i meccanismi avvengano, ma quelli di trasporto sembrano essere i più diffusi. Il sensore della variazione di volume può essere:

• Stiramento della membrana per via del ringonfiamento della cellula, il che provoca alterazione conformazionale di proteine di membrana (canali ionici TRP, recettori come FGFR, ecc)
• Cambiamento nella concentrazione di qualche soluto (se la cellula fa entrare acqua si diluisce)
• Alterazione nell'interazione di diverse proteine di membrana sia tra di loro che con citoscheletro o con proteine

della matrice extracellulare

• Cambiano anche le proprietà elettromeccaniche in modo da indurre segnali
• Alterazione delle concentrazioni di ioni o della forza ionica in generale

Il meccanismo più rapido implica trasportatori sia ionici che di trasporto organico. Il meccanismo più comune di diminuzione di volume è uscita di KCl. La driving force maggiore è il potassio che si trascina dietro il suo contro-ione cloruro. L'osmolarità interna diminuisce causando perdita di acqua. Il meccanismo contrario invece è l'ingresso di NaCl, a volte accompagnata da tessuti organici. I vari canali sono attivati in maniera differente. RVD NEI MAMMIFERI EFFLUSSO INIZIALE DI K+ e Cl-

• Attivazione di canali per K+ con un meccanismo poco chiaro, probabilmente per fosforilazione o per legame con ioni calcio
• Apertura di canali del cloro: VRAC (volume regulated Cl- channels). Questi canali hanno a che fare con altre funzioni, come depolarizzazione o

iperpolarizzazione a seconda di Ecl e Vrest• KCC = cotrasporto K+ e Cl- attivato da defosforilazione

EFFLUSSO SUCCESSIVO DI OSMOLITI

In una fase successiva ci può essere l'uscita di molecole organiche grazie all'azione di carriers. Le molecole possono essere ad esempio zuccheri e aa (questi grazie anche a taurina) oppure polioli. L'acqua segue osmolaricamente. Il contributo dei soluti organici è probabilmente dovuto al fatto che è meglio che la cellula non alteri la composizione ionica oltre certi limiti. Non è infatti semplice ripristinare il patrimonio ionico (può essere molto dispendioso), inoltre molti elementi della cellula funzionano grazie alla forza ionica.

FLUSSO DI BICARBONATO

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ERVI NEI MAMMIFERI

INGRESSO INIZIALE DI NACL

Per l'aumento invece prevale l'ingresso di NaCl. Aprendo i canali di sodio e cloro entra molto fortemente il sodio per via del gradiente. Esso si porta dietro il cloruro. Aum