Membrane e trasporti passivi

Membrane e trasporti

Anatomia e fisiologia

Anatomia: studio della struttura degli organi del corpo umano.

Fisiologia: parte dalla struttura del corpo umano, studio delle funzioni vitali degli organismi.

Anatomia (struttura) ⇔ Fisiologia (funzione). Strettamente correlate.

La fisiologia è una scienza integrata in quanto studia il comportamento degli organismi a vari livelli di complessità: dalle molecole alle cellule, all’organismo, a popolazioni di animali adattati a particolari condizioni ambientali.

Esempio di movimento

• Livello di organismi
• Livello di sistemi di organi
• Livello di popolazione
• Livello dei tessuti
• Livello molecolare

Gli strumenti utilizzati microscopicamente sono i microscopi; il livello macroscopico non necessita strumentazione.

Principio di August Krogh

Per ogni problema fisiologico vi è un modello animale più idoneo su cui verificare le proprie ipotesi (è più facile).

Lo studio della fisiologia è affrontato sulla base di principi chimico-fisici. Per questo è necessario un approccio riduzionista (semplificare il sistema). Da questo deriva la tendenza a scomporre l’organismo in parti: organi, tessuti, cellule, componenti subcellulari, molecole.

Fisiologia cellulare

La cellula

La cellula come sistema aperto.

• Trasporti di membrana
• Trasportatori e canali ionici
• Potenziale di diffusione, di equilibrio e di membrana

I tessuti

• Tessuto epiteliale
• Tessuto neuronale
• Tessuto muscolare
• Tessuti connettivi

Concetti di fisiologia cellulare

La cellula è la base dello studio della fisiologia umana in quanto unità funzionale dell’organismo. I primi organismi unicellulari sono nati in un ambiente intracellulare ed esterno acquoso. La membrana cellulare delimita l’interno dall’esterno. Attraverso la membrana avvengono tutti gli scambi di sostanze e di informazioni (i recettori).

Nel passaggio dagli ambienti salmastri alla vita terrestre le caratteristiche dell’ambiente interno sono cambiate radicalmente. La cellula ha necessità di mantenere costanti tali caratteristiche, a fronte della variabilità dell’ambiente esterno ⟹ utilizza l’omeostasi.

Omeostasi

Omeostasi: capacità di mantenere costanti le condizioni della cellula e dell’organismo al variare dell’ambiente. Nel caso in cui la cellula non sia in grado di fare ciò, si attua una situazione di scompenso, la base delle patologie!

Le membrane biologiche e il trasporto di membrana

Ciò che distingue una cellula dall’ambiente esterno è la membrana cellulare. Dal punto di vista fisico la cellula è un sistema aperto: scambia continuamente sia materia che energia con l’ambiente esterno per poter sopravvivere e mantenere le sue caratteristiche e la sua funzione. Questo lo fa sfruttando le membrane cellulari.

La membrana cellulare

La membrana cellulare: doppio strato lipidico che è un fluido bi-dimensionale, e la fluidità è fondamentale per la permeabilità, i processi di trasporto e le attività enzimatiche o meno delle proteine immerse nel doppio strato lipidico.

Lipidi: Fosfolipidi: hanno un ruolo fondamentale nel dettare la struttura della membrana plasmatica. Dotati di una testa polare (all’esterno) e di una coda apolare (all’interno). Queste code sono formate da catene idrocarburiche di lunghezza variabile e possono essere sature o insature. Queste catene sono fondamentali per definire la permeabilità della membrana.

Glicolipidi

• Glicosfingolipidi: lipidi di membrana modificati dall’aggiunta di carboidrati. I glicolipidi si localizzano di più sul lato extracellulare.

Effetti

• Hanno un effetto protettivo sulla membrana apicale su cui sono esposti
• Hanno un effetto elettrico importante: modulano il campo elettrico e la concentrazione di ioni
• Isolamento elettrico: nella mielina
• Adesione cellulare

Colesterolo

Colesterolo: principale sterolo di membrana. Formato da un gruppo OH polare, 4 anelli sterolici e una corta catena di acidi grassi.

Funzione

• Limita la mobilità laterale dei fosfolipidi
• Controlla la fluidità delle membrane
• Diminuisce la permeabilità dell’acqua

Caratteristiche delle membrane biologiche

Le membrane biologiche sono estremamente eterogenee: sono caratterizzate da piccoli domini arricchiti di colesterolo e sfingolipidi, lipid rafts. ⟹ Ai lipidi si riconosce la funzione strutturale di membrana e la funzione di segnale (Diacilglicerolo, IP3, acido arachidonico).

L’altra componente della membrana sono le proteine di membrana. La percentuale di proteine e il tipo di proteine sono i fattori che contribuiscono maggiormente a dettare la funzione della cellula in questione.

In base alla struttura

• Integrali
• Periferiche
• Ancorate a lipidi

In base alla funzione

• Proteine strutturali (citoscheletro, giunzioni, molecole di adesione)
• Enzimi
• Canali ionici e trasportatori
• Recettori che trasducono segnali

Unità di misura dei soluti

MOLE: 6 x 10²³ atomi o molecole.

PESO di una sostanza: peso molecolare (PM) x N moli.

MOLARITÀ: N di moli/L di solvente (acqua).

EQUIVALENTI (Eq/L): quantità di soluto ionizzato (moli x valenza)/L.

pH: -log [H⁺].

OSMOLARITÀ (Osm/L): N particelle osmoticamente attive nelle quali un soluto si dissocia/L di solvente.

1 mole glucosio = 1 Osm, 1 mole NaCl = 2 Osm.

OSMOLALITÀ (Osm/kg): N particelle osmoticamente attive nelle quali un soluto si dissocia/Kg di solvente.

Ambiente intracellulare vs. extracellulare

L’ambiente intracellulare è diverso da quello extracellulare: alcuni ioni sono divisi diversamente all’interno e all’esterno: il K⁺ è più concentrato all’interno della cellula e il Na⁺ è più concentrato all’esterno. Le cellule sono immerse nel liquido interstiziale che ha la stessa composizione ionica del plasma (eccezione grosse proteine presenti solo nel plasma).

Il trasporto

L’equazione generale del trasporto:

(i) Il flusso di una sostanza in soluzione libera è direttamente proporzionale alla forza che lo genera: J_i = K_i x F_i (Eq di Teorell)

J_i = flusso =