Appunti di Fisiologia su membrana cellulare e trasporti

OSMOLARITÀ

La concentrazione totale dei soluti (osmoticamente attivi) in una soluzione viene detta osmolarità.

Es.

-una soluzione che contiene una mole di soluto in dissociato per litro si dice che ha una concentrazione osmolare

(1OsM).

-una soluzione che contiene 0,1 M di glucosio e 0,1 M di saccarosio è una soluzione 0,2 osmolare, poiché contiene 0,2

osmoli di soluto.

NB. L’osmolarità di una soluzione non dipende solo dalla concentrazione dei soluti, ma anche dalla loro capacità di

ionizzarsi e dal loro grado di ionizzazione.

Es. Se si considera una completa ionizzazione di NaCl in acqua, una soluzione contenente 150mM di NaCl conterrà ioni

a una concentrazione 300mM e di conseguenza la soluzione avrà un’osmolarità di 300 mOsM.

Quando si parla di osmolarità una mole di soluto viene detta osmole(OsM).

Spesso in fisiologia si usano le milliosmoli (mOsM), poiché in genere l’osmolarità di un organismo è di 280/296 mOsM

per litro.

Due soluzioni della stessa osmolarità si dicono isoosmotiche fra loro.

Una soluzione la cui osmolarità è maggiore di un’altra è detta iperosmotica.

Una soluzione la cui osmolarità è minore di un’altra è detta ipoosmotica.

TONICITÀ

La tonicità è la concentrazione extracellulare dei soluti non permeanti rispetto a quella del liquido intracellulare.

La tonicità di una soluzione, a differenza della sua osmolarità, è definita in base al comportamento di cellule o tessuti

immerse in una determinata soluzione.

Una soluzione si dice isotonica se non altera il volume cellulare (quindi se una cellula viene inserita in una soluzione

isotonica, non si rigonfia né si restringe).

Una soluzione si dice ipertonica se provoca il raggrinzimento della cellula (Shrinking).

Una soluzione si dice ipotonica se provoca il rigonfiamento cellulare (Swelling).

Questi effetti di restringimento o di rigonfiamento sono dovuti al movimento di acqua attraverso la membrana cellulare

in risposta alle differenze di osmolarità tra citoplasma e liquido extracellulare.

Osmolarità e tonicità COINCIDONO se la membrana è permeabile solo all’acqua e impermeabile a tutti i soluti.

Osmolarità e tonicità NON COINCIDONO se la soluzione contiene molecole permeabili attraverso la membrana.

COEFFICIENTE DI RIFLESSIONE MEMBRANALE

La selettività di una membrana a un soluto trasportato passivamente è definita dal coefficiente di riflessione σ.

σ = 1 le particelle non attraversano la membrana.

σ = 0 le particelle attraversano la membrana come l’acqua.

CLASSIFICAZIONE DEI TRASPORTI

Trasporto = modalità di scambio di sostanze attraverso una membrana cellulare

Per mantenere il disequilibrio chimico ed elettrico tra il citoplasma e il liquido extracellulare, la cellula trasporta

attraverso la membrana, ioni e molecole verso l’interno o l’esterno, per mezzo di vari meccanismi. Alcuni di questi

permettono ad alcune particelle (molecole idrofobiche che non interagiscono con l’acqua) di attraversare la membrana

cellulare liberamente (senza l’interposizione di trasportatori). Altre molecole, polari, non possono attraversare il doppio

strato fosfolipidico, perché nel passaggio dovrebbero liberarsi dell’alone di solvatazione (molecole di acqua che

circondano la molecola in quanto attratte dalla polarità di tale molecola). Queste sostanze attraversano la membrana

grazie alla presenza di proteine di trasporto e canali ionici.

Classificazione dei meccanismi di trasporto:

- Diffusione semplice attraverso il doppio strato lipidico (le molecole lipofile possono diffondere attraverso

il doppio strato fosfolipidico)

Come visto sopra, La legge di Fick assume una forma più semplice quando si considera la diffusione di molecole

attraverso una membrana: J = P (C1-C2), dove P indica la costante di permeabilità di una molecola attraverso la

membrana e racchiude in se gli altri parametri (D, A, x). D∙A∙K

P =

* x

D = coefficiente di diffusione della sostanza nel materiale costitutivo della membrana.

K (β) = coefficiente di ripartizione olio/acqua.

x = spessore della membrana.

A=area della sezione di scambio

• La velocità di diffusione dipende dalla capacità della molecola che diffonde di sciogliersi nello strato lipidico della

membrana (più la particella è idrofobica, più facilmente attraversa il doppio strato fosfolipidico);

• Il tasso di diffusione attraverso una membrana è direttamente proporzionale all’area della superficie di scambio

(maggiore è la superficie di scambio, maggiore è la velocità di diffusione);

• Il tasso di diffusione attraverso una membrana è inversamente proporzionale allo spessore della membrana.

- Diffusione attraverso canali ionici di membrana

Ioni e piccole molecole cariche non possono attraversare la membrana a causa della loro forte polarità. Perciò il loro

trasporto è mediato da proteine di membrana (canali ionici). Le proteine canale sono costituite da una o più sub unità

proteiche i cui componenti attraversano ripetutamente il doppio strato fosfolipidico e si distribuiscono in modo da

formare un poro acquoso nella membrana.

- Diffusione facilitata da proteine trasportatrici (passivo)

Alcune molecole polari come zuccheri, amminoacidi, nucleotidi e atri metaboliti diffondono attraverso la membrana

utilizzando specifiche proteine trasportatrici.

Il trasporto mediato da proteine può essere:

UNIPORTO COTRASPORTO:

trasporta singole molecole in una direzione. trasporta più particelle insieme (è obbligatoria la

presenza di entrambe le particelle sui siti del

trasportatore affinché avvenga il trasporto).

si divide in:

- simporto: trasporta nella stessa direzione ioni e

molecole da un lato all’altro della membrana.

- antiporto: trasporta ioni e molecole in direzioni

opposte.

Caratteristiche comuni a tutti i trasporti facilitati da proteine:

~ specificità:il carrier trasporta solo una molecola o un gruppo di molecole molto simili ( il trasportatore ha affinità

solo per un determinato tipo di particelle)

~saturazione: il trasporto facilitato raggiunge saturazione (velocità massima di trasporto) quando la concentrazione del

substrato è sufficientemente elevata da occupare tutti i siti di trasporto del carrier ( quindi se la concentrazione delle

particelle aumenta, il loro trasporto non può più aumentare, in quanto tutti i siti di trasporto sono “occupati”à questo

NON succede nella diffusione semplice, in cui, se si aumenta il gradiente di concentrazione di una particella aumenta

anche il flusso di essa attraverso la membrana.)

~competizione: se due molecole hanno affinità per lo stesso sito di legame del trasportatore, l’occupazione del sito da

parte di una molecola ostacolerà il legame dell’altra (quindi se si aumenterà il gradiente di concentrazione della

particella “competitrice”, il trasporto della molecola “primaria” diminuirà, poiché l’altra entrerà in competizione).

Es. i carrier GLUT sono proteine che legano il glucosio su un lato

della membrana e lo rilascia nel lato opposto dopo aver cambiato

conformazione. Il movimento è perfettamente reversibile, in quanto

l’affinità per il glucosio non varia sui due lati della membrana e la

direzione del trasporto avviene solo secondo gradiente.

- Trasporto attivo attraverso la membrana

Ai lati della membrana cellulare, nello stato di riposo della cellula,

esistono gradienti di concentrazioni ioniche considerevoli. Queste

condizioni di disequilibrio sono mantenute grazie al movimento di ioni

e molecole contro gradiente, attraverso varie forme di trasporto attivo

transmembranale, che richiedono un apporto di energia metabolica (che

nel caso dei processi di membrana, deriva direttamente o indirettamente

dal legame fosfato dell’ATP).

L’energia dell’ATP modifica la conformazione della proteina e

l’affinità della proteina carrier per il ligando si modifica nel passaggio

da un lato all’altro della membrana.

Il trasporto attivo viene suddiviso in:

Ø Trasporto attivo primario

Il trasporto attivo primario utilizza proteine di membrana che cambiano conformazione utilizzando l’energia derivante

dall’idrolisi dell’ATP in ADP e fosfato. Esse sono pompe protoniche e trasportano solo ioni (NON trasportano molecole

organiche, come ad esempio il glucosio)

Esempi:

•pompa + +

Na /K : è una proteina integrale che mantiene stabili i gradienti di concentrazione dei due ioni ai lati della

+ +

membrana ( con un processo di antiporto). Questa pompa scambia 3Na e 2K alla volta e perciò genera una debole

corrente ionica di membrana in uscita (la pompa si dice perciò elettrogenica).

+ +

A ogni ciclo la pompa trasporta tre ioni Na fuori dalla cellula e due ioni K all’interno, consumando una molecola di

+ +

ATP. La pompa ha alta affinità per il Na e bassa per il K nel lato intracellulare. La fosforilazione dei siti di legame

intracellulari dell’ATP induce il cambio di conformazione necessario per permettere il cambio di conformazione

+

necessario per permettere il cambio di direzione della pompa e la liberazione dell’Na nel liquido extracellulare. Nello

+ +

stato fosforilato, la pompa ha alta affinità per il K e bassa per l’Na sul lato extracellulare. In questo modo l’attacco di

+

ioni K viene facilitato, nonostante la sua bassa concentrazione, e l’attacco con tali ioni genera la liberazione sul lato

intracellulare del gruppo fosfato (gruppo derivante dall’idrolisi dell’ATP precedente). La pompa, così defosforilata,

+

ritorna alla sua conformazione iniziale e rilascia ioni K all’interno della cellula.

Questa pompa viene bloccata dai glucosidi cardiaci (digitossina, digossina, ouabaina). Anche i veleni metabolici che

+ +

bloccano la sintesi di ATP a livello della glicolisi bloccano l’attività della pompa Na /K .

• + ++

pompa Ca -ATPasi: è una proteina integrale di membrana con caratteristiche di uniporto e trasporta 2 Ca per ogni

++

molecola di ATP utilizzata. È elettrogenica e ha il ruolo di mantenere bassa la concentrazione di Ca intracellulare. La

pompa del calcio è presente sia sulla membrana cellulare che sulla membrana del reticolo endoplasmatico e

++

sarcoplasmatico e nei mitocondri e aiuta a mantenere basso il livello di Ca citoplasmatico trasportandolo all’interno di

questi organuli.

Sulla membrana cellulare è presente la pompa PMCA e nel reticolo endoplasmatico la pompa SERCA; esse sono due

isoforme proteiche con diverse caratteristiche