Fisiologia Generale - trasporto cellulare (1/5)

CA= C K CB= C K

e p i p

2 Ks: coefficiente di Bunsen, è basso per l’ossigeno e alto per la CO perchè molto solubile

2 Appunti di Fisiologia Generale

5

Permeabilità della membrana

: è la velocità alla quale una sostanza attraversa passivamente la

membrana

Grafico di Collander

Se la molecola è lipidica aumenta la permeabilità in uguale proporzione alla sua solubilità in olio.

K = [soluto] del lipide/[soluto]in H O

p 2

Eccezioni: componenti con alta permeabilità ma bassa solubilità nei lipidi (

es. H O, CO e NO

)

2 2

La solubilità nei lipidi è data dalla capacità delle molecole di formare ponti a H: se formano ponti ad H

legano più strettamente le molecole d’acqua e abbassano la solubilità nella fase lipidica e quindi la

permeabilità della membrana

es. Gli scambi respiratori avvengono per diffusione semplice grazie alla permeabilità delle superfici

respiratorie. dove V è la ventilazione

(P -P ) pressioni parziali (legge di Henry)

2 1

Kk costante di diffusione

La ventilazione indica che i parametri possono essere modificati per aumentare/diminuire gli scambi

gassosi, dato che né la solubilità dei gas né il coefficiente di diffusione possono variare di molto

l’organismo cerca di mantenere alta la variazione di pressione per aumentare gli scambi.

Il coefficiente di diffusione per CO e O è molto simile (dipende dalle dimensioni), ciò che varia

2 2

notevolmente è la solubilità: la CO ha una solubilità 30 volte maggiore rispetto a quella dell’O .

2 2

Gli scambi CO /O avvengono nelle stesse strutture: la CO esce facilmente e diffonde velocemente in

2 2 2

atmosfera perché presente solo allo 0,03%

L’ossigeno invece è facilitato a sciogliersi perchè ha una concentrazione parziale in atmosfera attorno

al 20%

I Gradienti

La cellula è facilitata a mantenere determinati gradienti grazie alle sostanze polari che non

attraversano le membrane e che devono passare attraverso proteine di membrana.

I gradienti possono essere di tipo:

1. chimico

: dato dalla differenza di concentrazione ai lati della membrana

2. elettrico

: dato dalla differenza di potenziale elettrico attraverso la membrana

Trasporto accoppiato (utilizza i trasportatori)

○ uniporto: trasporta una sola sostanza

○ simporto: trasportano due sostanza dallo stesso lato e contemporaneamente

○ antiporto: trasportano due sostanza dal lato opposto e contemporaneamente

● Trasporto passivo

: si ha la diffusione semplice attraverso la membrana, può avvenire

attraverso

○ canali acquosi, pori della membrana: la molecola non lascia mai la fase acquosa

○ canali ionici: proteine integrali di membrana costituite da numerose sub unità che

circondano una parte interna permeabile a determinate molecole. Lasciano fluire in

forma passiva gli ioni. Appunti di Fisiologia Generale

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○ Proteine trasportatrici (carrier) che si combinano e mediano il passaggio della

molecola mascherando i gruppi polari (detta diffusione facilitata)

○ Mediato da permeasi o carriers: la proteina espone il sito in maniera fluttuante

all’interno/esterno in maniera casuale, tutto è governato dalla probabilità che avvenga

la transizione (non c’è dispendio di energia, il trasporto può subire un’inversione)

Modello di Michaelis Menten I diversi tipi di trasportatori rispondono a diversi valori dei

parametri

es. GluT1 ha un’alta specificità per il D-glucosio (K =1,5mM)

0,5

rispetto a L-glucosio (K =3mM)

0,5

dove J: flusso analogo alla velocità

K : costante di semisaturazione, è la concentrazione di

0,5

glucosio esterno in cui il flusso è semimassimale

Nel sangue la concentrazione di glucosio è

attorno ai 4mM mentre nei neuroni c’è una

concentrazione maggiore: il neurone presenta

un trasportatore che prende il glucosio con più

efficienza rispetto al trasportatore del fegato.

Differenza tra diffusione e uso di un trasportatore: aumentando la concentrazione esterna nella

diffusione si ha un aumento indefinito del flusso mentre con l’utilizzo del trasportatore il flusso

raggiunge un massimo dettato dal numero di trasportatori attivi presenti.

● Trasporto Attivo

: avviene consumando energia. Nell’organismo lo stato stazionario mostra

concentrazioni stabili ma non all’equilibrio, queste concentrazioni sono mantenute da pompe

ioniche.Queste pompe funzionano per molecole dotate di carica il cui trasporto viene

influenzato sia dal gradiente di concentrazione che dal gradiente elettrico.

Caratteristiche principali:

○ Avviene contro gradiente di concentrazione

○ La pompa ha un elevato grado di selettività

○ Alcune funzionano ad antiporto ionico Appunti di Fisiologia Generale

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○ Alcune compiono un lavoro elettrico producendo un flusso netto di carica, sono dette

3

Reogeniche

○ Possono essere inibite selettivamente da agenti bloccanti

4

○ Seguono la cinetica di Michaelis e Menten

Il trasporto attivo si divide in:

1. Trasporto attivo primario → viene consumata energia nella molecola stessa con

attività ATPasica.

+ + + +

es. pompa Na /K . Ad ogni ciclo consuma un ATP ed espelle 3Na introducendo 2 K contro

+

gradiente di concentrazione. Il numero di ioni Na pompati all’esterno eguaglia il numero di ioni

che diffondono mantenendo così il flusso netto nullo.

2. Trasporto attivo secondario → non consuma direttamente ATP ma usa l’energia

indirettamente dissipando il gradiente di concentrazione prodotto dal trasporto attivo

+

primario. Utilizza gli accoppiatori che possono essere di simporto (es. Na /zuccheri o

+ 2+ + +

a.a.) o di antiporto (Na /Ca o Na /H )

+ + + +

es. Na /H : sfrutta il gradiente del Na per estrudere H e controllare il pH

+ 2+ 2+

Na /Ca : con stechiometria 3:1 estrude Ca che se presente in concentrazione eccessiva

risulta tossico.

NB: nella cellula è favorito l’ingresso di ioni positivi poichè al suo interno c’è una carica negativa

Potenziale di Membrana

Il potenziale tra due punti è l’energia che si deve spendere per portare una carica da un punto all’altro.

Il potenziale di membrana Vm è dato da V -V

i 0

Il potenziale a riposo della cellula è -70 mV e perciò all’interno ci saranno valori negativi

(Vm muscoli: -85 mV, cellule di coltura: -60mV)

Depolarizzazione

: diminuzione della negatività di potenziale di membrana (entrano cariche positive

nella cellula)

Iperpolarizzazione: aumento della differenza di potenziale attraverso la membrana, il potenziale

diventa più negativo Potenziale di Equilibrio: potenziale

al quale lo ione si trova in uno stato di

equilibrio elettrochimico ovvero in uno

stato in cui il gradiente di

concentrazione dello ione è

controbilanciato dal potenziale

elettrico

3 Reogeniche: creano una corrente elettrica trasmembrana, se misurabile sul voltaggio attraverso la

membrana sono dette elettrogeniche

4 cinetica di Michaelis-Menten

: descrive l'andamento della velocità di una reazione catalizzata da

enzimi, al variare dellaconcentrazione del substrato e dell'enzima.Il modello spiega come

all'aumentare anche di poco della concentrazione del substrato disponibile all'enzima (di

concentrazione supposta costante), la velocità della reazione aumenti vertiginosamente fino al

raggiungimento di un massimo. In questo punto la reazione ha raggiunto la velocità massima possibile

semplicemente perché è presente tanto substrato da saturare tutto l'enzima presente in soluzione

Appunti di Fisiologia Generale

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Perchè il potenziale è sensibile a [K+] ?

0

Bernstein suggerì che la membrana agisca come un elettrodo: ponendola in mezzo a due celle con

concentrazioni ioniche diverse questa ne media il passaggio perchè semipermeabile al potassio

+ +

Semplificando il discorso, se considero solo i canali aperti K , gli ioni K risultano controbilanciati dagli

-

ioni Cl +

A livello teorico: nel lato esterno ci sono meno ioni K perchè questi si spostano per diffusione fino ad

eguagliare le concentrazioni interno/esterno

+

In realtà: K fluisce poco perchè, non essendo seguito dal controione, porta una carica che crea una

differenza di potenziale → si crea una “carica” positiva all’esterno della membrana e una negativa

all’interno.

Quando il flusso netto è pari a zero il processo si ferma (flusso intra→extra = extra→intra)

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Il potenziale all’equilibrio E è detto Potenziale di Nerst

(k)

Energia ceduta per portare lo ione secondo gradiente: zFVm

Energia spesa per portare lo ione contro gradiente:

Dato che all’equilibrio le due energie sono uguali diventa:

da cui ricavo che: Equazione di Nerst

Valori fisiologici

+

[K ] = 4mM

0

+

[K ] = 140 mM

i

E = -90mV

k

Il potenziale di Nerst è il principio su cui si basa il pHametro (fissata la concentrazione interna dello

ione H posso ricavare il pH esterno)

Nella cellula, si trovano raramente ioni con potenziale all’equilibrio: si hanno differenze di

concentrazione nulle ma localmente è carica

Se non si fissano le due concentrazioni lo ione disporrà in maniera che il suo potenziale di equilibrio

equivalga al potenziale di riposo della cellula (cellula come elettrodo) ovvero senza trasportatori attivi

gli ioni si distribuiscono passivamente secondo il potenziale di membrana → il potenziale di equilibrio

e di riposo dipendono solo dalla concentrazione dello ione esterno.

es. cellule della glia con potenziale di riposo a

-75mV

se diminuisco il potassio esterno, il numeratore

dell’equazione di Nerst diminuisce e il potenziale

diventa più negativo (iperpolarizza)

se aumenta il potassio esterno,il potenziale diventa

meno negativo (depolarizza)

All’aumentare della concentrazione esterna il

potenziale tende a zero

5 Ek: potenziale di equilibrio del potassio Appunti di Fisiologia Generale

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Ad una certa concentrazione si ha una deviazione dal potenziale teorico: le concentrazioni effettive

sono molto diverse a seconda dei tipi di organismo ma il rapporto tra le concentrazioni è molto simile

in tutti gli organismi + + +

Togliamo le semplificazioni: oltre ai canali K aperti devo considerare anche i canali Na /K

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L’E = -90 mV e l’ E =+60 mV, considero un V = -65mV

k Na R

Il potassio esce per cercare di portare la cellula vicino al suo valore di E , Na invece ha un potenziale

k

molto lontano