Fisiologia I - diffusione semplice e facilitata

Trasporto passivo e pressione elettrostatica

Avendo parlato in precedenza dell'osmosi, occorre precisare che anche in questo tipo di trasporto di sostanze all'interno della cellula, si può parlare di pressione elettrostatica, in quanto possono essere trasportati anche ioni, quindi delle particelle cariche.

I vari tipi di trasporto passivo sono:

• Diffusione semplice: che sfrutta il principio del gradiente di concentrazione e le particelle che adoperano questa modalità di trasporto attraversano spontaneamente il doppio strato lipidico della membrana cellulare.
• Diffusione facilitata (con proteine vettrici - dette anche trasportatrici - e canale) fa sì che si trasportino particelle nello spazio, ma con l'ausilio di un mezzo che permetta questo trasporto di sostanze. Occorre però distinguere una proteina vettrice da una canale:

- Proteine canale: sono dei canali (o pori) idrofili che si formano all'interno delle proteine integrali di membrana o all'interno di un gruppo di proteine. Sono

dei canali molto selettivi che possono cambiare la loro conformazione e la maggior parte di essi permettono il passaggio di un solo e particolare tipo di ione o sostanza. Questi canali possono essere sempre aperti o chiusi e vengono detti "a cancello" e la modalità per cui si aprono o chiudono permettono la classificazione in: canali voltaggio dipendenti (la cui conformazione dipende dalle differenze di cariche ioniche sui due versanti di membrana), canali ligando dipendenti (la cui conformazione dipende dal legame del canale con alcune sostanze che possono legarsi alla superficie esterna od interna del canale stesso) e canali meccanico dipendenti (che cambiano conformazione a seconda delle forze meccaniche applicate alla membrana). - proteine vettrici: sono detti anche trasportatori ed a differenza delle proteine canale, queste non sono integrali, bensì si trovano su uno dei due lati della membrana. L'elemento che deve essere trasportato si lega al trasportatore.che provoca un cambiamento conformazionale della proteina che espone la particella all'altro versante di membrana, verso cui andrà. La diffusione facilitata mediante proteine vettori presenta un limite entro cui si va in saturazione, come nel caso del trasporto di glucosio all'interno delle cellule ematiche. Questi tipi di trasporto avvengono sempre secondo gradiente e senza l'ausilio di energia esterna fornita dall'organismo, a differenza del trasporto attivo, che è contro gradiente di concentrazione e che dunque provoca un dispendio di energia. Il trasporto attivo si accoppia con l'idrolisi di ATP, ma non è l'unico elemento che può essere idrolizzato. Le fasi del più famoso esempio di trasporto attivo, ossia la pompa sodio-potassio, sono sei e si può iniziare a descriverle da quella che si preferisce: 1) gli ioni sodio si legano alla proteina all'interno della membrana; 2) l'ATP viene idrolizzata e il gruppo fosfato

trasferito alla proteina;

si ha così un cambiamento conformazionale della proteina stessa;

gli ioni sodio così sono espulsi all'esterno della cellula mentre gli ioni potassio si legano alla proteina;

il gruppo fosfato viene allontanato;

la proteina così ritorna al suo stadio originario e gli ioni potassio vanno all'interno della cellula.

Il trasporto attivo con relativa idrolisi di ATP costituisce un tipo di trasporto primario, tuttavia esiste anche un trasporto secondario, detto cotrasporto: esso si avvale del trasporto primario per trasportare altre piccole molecole o ioni contro gradiente, permettendo l'equilibrio fisiologico del sistema.

Un esempio di trasporto secondario è quello del glucosio nel lume dell'intestino: si sfrutta la Na+/K+-ATPasi all'interno della membrana plasmatica laterale e basale che pompano gli ioni sodio all'esterno, e dato che questi ioni tendono a diffondere verso il loro naturale gradiente, tale

tendenzaviene sfruttata dalle cellule epiteliali per attuare il cotrasporto di glucosio dentro la cellula, sempre contro gradiente. Per molecole più grandi invece si sfruttano i processi di esocitosi ed endocitosi, due fenomeni analoghi ed opposti che prevedono la secrezione di vescicole che permettono di trasportare le molecole, per mezzo della fusione vescicola-membrana che poi fa riversare il prodotto in esse contenuto all'esterno od all'interno della cellula. Parliamo ora dei neuroni che sono un tipico esempio di membrana eccitabile. È formato essenzialmente da tre elementi: il corpo cellulare, dendriti ed assoni. I neuroni sono molto diversi a seconda di dove si trovano e della funzione che esplicano. Abbiamo i neuroni unipolari, bipolari, multipolari e pseudounipolari (sono stati spiegati coi piedi, consiglio di vedere istologia). Le proteine canale sono assenti nelle zone dendritiche ed assoniche e si hanno dei canali voltaggio-dipendenti sull'assone, mentrequelli ligando dipendenti si trovano sui dendriti e parzialmente sul corpo cellulare. (spiegazione molto esaustiva, non c'è che dire -.-") Ora parliamo di una tecnica, chiamata "patch clamp". Si tratta di una tecnica per monitorare la corrente ionica che passa in un singolo canale e si nota come reagisce la cellula del canale voltaggio-dipendente. Occorre far la distinzione tra clamp-voltage e clamp-current. Il primo è quando varia sia il voltaggio sia la corrente, correlate per la legge di Ohm, il secondo avviene quando si forza la corrente. Il primo modello di questi studi sul potenziale di membrana furono eseguiti da Hodgkin e Huxley sull'assone di calamaro gigante, così grande da non essere leso dalle apparecchiature dell'epoca. La membrana cellulare si può associare ad un circuito elettrico, si parte dal potenziale di riposo (che non è una fase di stasi, ma serve per i meccanismi omeostatici per far sì che si resti

in una posizione di equilibrio). Gli scienziati H-H utilizzarono quest'associazione per vedere le differenze di potenziale di membrana tra esterno ed interno. Se l'elettrodo esplorante va fuori la membrana cellulare, si registra un potenziale pari a zero, mentre se si registra il valore nella membrana, allora il valore è minore di zero, per via delle proteine all'interno del citosol. Dunque, mediante queste tecniche, se gli assoni a riposo sono trattati con una bassa corrente o stimolati con un ago sottile, gli assoni rispondono aprendo i loro canali e si ha un movimento di cariche positive verso l'interno consentendo agli ioni sodio di entrare nella cellula e così facendo il potenziale di membrana si riduce, ossia diventa meno negativo e si ha quella che viene chiamata depolarizzazione. Nella maggioranza dei casi, più forte è uno stimolo, maggiore sarà il numero degli impulsi generati. La cellula può essere inoltre vista come un condensatore,

Ed in questa struttura elettrica si parla di campo elettrico, che attraversa la membrana. Se vi sono i canali di perdita, gli ioni riescono a passare nel circuito ossia la membrana, e si ha così un campo elettrico con separazione di una parte di corrente che passa attraverso i canali di perdita (questo si chiama "modello passivo della membrana" in quanto svolgono la stessa funzione degli elementi passivi di un circuito elettrico). Questo modello passivo della membrana è stato studiato tramite due approcci: il primo prevede la permeabilità della membrana (ossia senza applicare né canali voltaggio-dipendenti o ligando-fungono da "canali di perdita" della cellula stessa ed il secondo si avvale dell'equazione di Nernst, che permette di calcolare a quanto corrisponderebbe il potenziale a riposo di di membrana se vi fosse solamente il dato ione che analizziamo a muoversi ai due capi della membrana.

Si ha dunque: xo xi.Ex = (RT/zxF )ln c /ccon R la costante assoluta dei gas, T è la temperatura in scala Kelvin, z è la valenza dello ioneconsiderato, F è la costante di Faraday (e indica la carica che uno ione monovalente reca con sé edinfatti z*F dà la carica dello ione).L'elettricità compie lavoro. Il lavoro elettrico è la carica spostata dal campo elettrico per il campostesso.Ma la carica altri non è che z*F.Il lavoro (inteso a livello meccanico) di solito è definito come la forza per lo spostamento(vettoriali), ma parlando di cellule si nota che occorre parlare di spostamenti piccolissimi, ragionper cui si utilizza il differenziale, atto a definire piccolissime variazioni di spostamenti, da cui poi sisvolge il calcolo integrale.Parlando ulteriormente di forze, a livello biologico e chimico, si parla di una forza meglio notacome pressione.La pressione è una forza applicata su una superficie e come tale,applicando la formula inversa, si ha che la forza è data dalla pressione per la superficie, ossia: P = F/A intendendo A come superficie (area) F = P*A Tale formula, così come è stata ottenuta, la si inserisce nella formula del lavoro, diventando: L = P*A*s, ma poiché la pressione figura anche nell'equazione di stato dei gas, cioè PV = nRT, si può ulteriormente ottenere una nuova definizione di calcolo della pressione. Che così diventa: nRT/V*A*s ma poiché una superficie moltiplicata per uno spostamento altro non dà che un volume, nel momento in cui si considera uno spostamento infinitesimo si ha che: nRT*ΔV/V e quel calcolo derivato altri non è che il logaritmo di V (in integrazione). L'equazione di Nernst segue una logica: se si ha a che fare con due forze, rispettivamente una chimica e l'altra elettrica, si ha il potenziale di riposo quando si ha un equilibrio tra le due, dunque quando si equivalgono.

Studia sul Gayton, si noterà che l'equazione di Nernst parte con una costante – tale (nota: 61 - per il logaritmo delle concentrazioni senza dire che questo numero si ricava quando in condizioni standard, la forza ricavata dalla formula nRT/V dà circa 61 mV). Sono un' unica forza, ma per le due sopracitate forze in realtà studiarle meglio si preferisce dividerle e parlare dunque di un gradiente chimico e di uno elettrico. Il gradiente chimico dipende solo dalla concentrazione. Se si parla di gradiente elettrico, questo dipende solo dalle cariche. Ovviamente essi non possono essere separati, in quanto ogni carica reca con sé la sua concentrazione. Ritornando alla membrana cellulare e facendo riferimento alla distribuzione delle cariche su di essa, occorre perciò notare la forza elettrica e chimica dei due ioni principali, ossia il sodio ed il potassio. Va all'esterno. Si ha che la forza elettrica riferita al sodio perché il capo della

membrana è negativo