LA CELLULA ED I
TRASPORTI ATTRAVERSO
LA MEMBRANA
PLASMATICA
LA FUNZIONE E IL PROCESSO
•
La funzione di un sistema o evento fisiologico è il “perché” il
sistema esiste.
• Il processo indica la modalità attraverso la quale accadono gli
eventi, cioè il “come” di un sistema.
• Ruolo della fisiologia è “integrare” funzione e processo in un
quadro coerente.
VARIABILITA’ AMBIENTALE E OMEOSTASI
un cambiamento
esterno
•
innesca
un cambiamento
interno
•
innesca
•
una reazione
Le risposte coordinate dell’organismo, che
hanno la finalità di mantenere la stabilità
interna, rientrano in un processo chiamato
omeostasi.
L’omeostasi e la regolazione dell’ambiente
interno sono principi centrali della fisiologia.
L’alterazione dei meccanismi omeostatici
si ripercuote negativamente sul normale
funzionamento dell’organismo.
Ripristina o tende a ripristinare
lo stato
normale
GLI AMBIENTI INTERNO ED ESTERNO
•
•
•
•
•
La
coordinazione
delle
risposte
dell’organismo
a stimoli esterni
richiede che le cellule del corpo
comunichino tra loro rapidamente e con
efficienza.
La comunicazione tra cellule utilizza
segnali chimici.
Il sistema nervoso aumenta la velocità
di comunicazione cellulare.
L’integrazione e la coordinazione delle
risposte ha luogo nel sistema nervoso e
nelle cellule endocrine e immunitarie.
I processi biologici richiedono un
continuo rifornimento di energia.
LA LEGGE DELL’EQUILIBRIO DI MASSA
•
La quantità di sostanza o di energia nel corpo rimane costante,
l’introito deve essere bilanciato da un’uguale perdita
Quantità totale di sostanza x presente nell’organismo = entrate + produzione perdite
•
La velocità di produzione, di introduzione e di eliminazione è espressa
come flusso di massa
Flusso di massa (quantità/minuto) = concentrazione (quantità/volume) x flusso di
volume (volume/minuto)
•
L’equilibrio di massa permette di mantenere costanti le
concentrazioni di alcune sostanze, quali l’ossigeno e l’anidride
carbonica, l’acqua, i sali, lo ione idrogeno
LA CELLULA RAPPRESENTA LA BASE DI
PARTENZA NELLO STUDIO DELLA FISIOLOGIA
UMANA IN QUANTO VA CONSIDERATA L’UNITA
FUNZIONALE PER IL CORRETTO
MANTENIMENTO DELLA OMEOSTASI.
DISTRIBUZIONE DELL’ACQUA NEI
COMPARTIMENTI IDRICI
LA STRUTTURA DELLA MEMBRANA PLASMATICA
PERMETTE:
- SCAMBI DI SOSTANZE TRA CELLULE
- SCAMBI DI SOSTANZE TRA CELLULE ED AMBIENTE
ESTERNO
I PRICIPALI COMPONENTI DELLA MEMBRANA PLASMATICA SONO
1. FOSFOLIPIDI: sono formati da una testa di glicerolo fosforilato e da
due code di acidi grassi.
2. GLICOLIPIDI
3. COLESTEROLO
4. PROTEINE
Le membrane biologiche: Struttura
• Sono costituite da lipidi e proteine
• I fosfoplipidi in ambiente acquoso
tendono a disporsi in doppio strato
perché sono anfipatici (testa idrofila e
coda idrofoba)
Modello a mosaico fluido
Modello a mosaico fluido (Singer e
Nicolson, 1972): doppio strato
fosfolipidico fluido nel quale si
muovono le proteine (modello
dinamico)
• Le membrane plasmatiche sono simili a cristalli
liquidi: i fosfolipidi sono disposti ordinatamente
con teste all’ esterno e code all’ interno, le code
idrocarburiche sono in continuo movimento
• Le proteine sono libere di ruotare e di muoversi
lateralmente all’interno di un singolo strato
• La membrana si comporta da fluido
bidimensionale
• La fluidità deve essere “ottimale”
Fluidità della membrana
•
•
•
•
Dipende dalla componente lipidica (i grassi insaturi aumentano
la fluidità impedendo le interazioni fra i lipidi)
Il colesterolo (nelle cellule animali) ed altri steroidi (nelle cellule
vegetali) sono idrofobi, ma hanno un ossidrile che può interagire
con le teste idrofile dei fosfolipidi.
A basse T fungono da spaziatori (aumentando la fluidità)
Ad alte T stabilizzano la membrana aumentando le interazioni
con la parte idrocarburica vicina alla testa fosfolipidica
Proteine integrali e periferiche
• Proteine integrali: sono saldamente legate alla
membrana, sono anfipatiche, alcune attraversano
una o più volte tutta la membrana (proteine
transmebrana)
• Proteine periferiche: sono associate alla superficie
interna o esterna della membrana, spesso legate alle
porzioni esposte delle proteine integrali; possono
essere facilmente rimosse
Funzione delle proteine di membrana
Ancoraggio (integrine)
Trasporto passivo
Trasporto attivo
Attività enzimatica
Attività recettoriale e trasduzione del
segnale
Riconoscimento cellulare
Giunzione intercellulare
Le membrane biologiche sono
selettivamente permeabili
• Sono permeabili a molecole idrofobe e di piccole
dimensioni e impermeabili a quelle polari
• Sono permeabili a molecole di acqua (polari ma
piccole), ai gas (CO2, O2, N2), ad altre molecole
piccole polari (glicerolo), molecole grandi apolari
(idrocarburi)
• Sono permeabili a ioni, zuccheri, AA grazie alle
proteine di trasporto (carrier e proteine canale)
DIFFUSIONE SEMPLICE
C1
•
•
C2
La diffusione semplice è il risultato del movimento termico casuale di molecole
La diffusione netta del soluto costituisce il flusso (J) e dipenderà dalle variabili
seguenti:
-gradiente di concentrazione (C1 - C2)
- coefficiente di ripartizione (K)
- coefficiente di diffusione (D)
- spessore della membrana (d)
- superfice disponibile per la diffusione (A)
Coefficiente di diffusione
La prima legge di Fick della diffusione
dm/dt=D x A/d x (c1-c2)
Dove
m = massa della sostanza
t = tempo
La Permeabilità (P) riunisce le caratteristiche della membrana e
della sostanza che diffonde, per cui la legge di Fick diventa
dm/dt = P x A x Δc
La Diffusione netta
J = P x A x Dc
nella quale
La diffusione netta è direttamente proporzionale al
gradiente di diffusione
Cinetica della diffusione
•
•
•
•
•
Quanto maggiore è la superficie della membrana tanto maggiore è
l’efficienza della diffusione.
Quanto minore è lo spessore della membrana tanto maggiore è
l’efficienza della diffusione.
Quanto maggiore è il coefficiente di diffusione della molecola nella
membrana tanto maggiore è l’efficienza della diffusione
La permeabilità della membrana plasmatica ad una particolare
sostanza aumenta con l’aumentare della liposolubilità della
sostanza.
K rappresenta il coefficiente di ripartizione OLIO DI OLIVA/ACQUA.
A parità di K, la permeabilità della m. a due composti diminuisce
con l’aumentare del PM.
Le sostanze che diffondono
liberamente attraverso la
membrana
plasmatica sono:
- acqua
-
anidride carbonica
ossigeno
etanolo
urea
sostanze liposolubili
Al contrario la membrana
plasmatica è difficilmente
attraversabile
- dagli zuccheri
- da molecole con cariche elettriche
- dai piccoli ioni
COMPOSIZIONE APPROSSIMATIVA DEI LIQUIDI
EXTRACELLULARE E INTRACELLULARE
OSMOSI
Osmosi: flusso di acqua che si ha attraverso una membrana semipermeabile
a causa della differenza di concentrazione di un soluto
OSMOLARITA’
Osmolarità: concentrazione di particelle osmoticamente attive in una soluzione
in cui
PRESSIONE OSMOTICA
Pressione osmotica (P): la forza di spinta dovuta al flusso osmotico di acqua o
meglio la forza esercitata sul pistone per controbilanciare il flusso di acqua
da 2 a 1.
Due soluzioni separate da una membrana semimpermeabile
possono essere isotoniche, ipertoniche o ipotoniche
•
•
•
Una cellula in un mezzo ISOTONICO (NaCl 0.9%) è in equilibrio
osmotico
In un mezzo IPERTONICO (Na Cl 1.3%) cede acqua all’ ambiente e si
raggrinzisce
In un mezzo IPOTONICO (NaCl 0.6%) la cellula acquista acqua dall’
ambiente e si rigonfia fino a scoppiare (lisi osmotica)
Trasporto carrier-mediato
• Si suddivide in DIFFUSIONE FACILITATA e
TRASPORTO ATTIVO in base a caratteristiche
particolari e alla richiesta di energia
DIFFUSIONE FACILITATA
La diffusione passiva avviene
secondo gradiente di concentrazione
(movimento netto di particelle:
Conc.>→ Conc.<) utilizzando l’
energia immagazzinata dal gradiente.
Il processo è spontaneo.
Nella diffusione facilitata, la membrana
è resa permeabile a sostanze idrofile
(ioni e molecole polari) grazie alla
presenza di proteine canele e carrier. Il
trasporto è sempre secondo gradiente,
ma va a saturazione.
ESEMPIO DI DIFFUSIONE FACILITATA: TRASPORTO
DEL GLUCOSIO TRAMITE CARRIER
Il carrier del glucosio negli
eritrociti è la Glucosiopermeasi.
Il trasporto avviene secondo
il
gradiente
di
concentrazione mantenuto
dalla conversione del GLU
in GLU 6P (che non può
attraversare la membrana
plasmatica essendo carico).
Indirettamente,
per
mantenere il gradiente di
concentrazione
del
glucosio, si utilizza ATP
necessario
alla
fosforilazione
Trasporto attivo primario
utilizza l’energia dell’idrolisi di ATP per trasportare ioni contro gradiente di concentrazione
elevata specificità
può trasportare un solo tipo di ione o possono essere scambiati ioni diversi sui due lati della
membrana
può essere elettrogenico o elettroneutro
permette il mantenimento di gradienti di concentrazione stabili ai lati della membrana cellulare
TRASPORTI ATTIVI PRIMARI
H+
Pompa Na+/K+
3Na+/2K+
(1 ATP)
Pompa K+/H+
4H+/4K+
Pompa del Ca2+
2Ca2+
Pompa del H+
2H+
TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO: POMPA Na/K
Pompa sodio-potassio: è
una proteina. di membrana
che trasporta attraverso la
membrana plasmatica 2
K+ e 3 Na+ contro il loro
gradiente di
concentrazione.
A cavallo della membrana
si stabilisce così un
gradiente elettrochimico
(differenza di
concentrazione e di carica
elettrica) che genera il
potenziale di membrana.
Trasporti attivi secondari
• i trasporti attivi secondari trasferiscono molecole non
permeabili attraverso la membrana plasmatica oppure
contro gradiente utilizzando come fonte di energia i
gradienti ionici creati dai trasporti attivi primari
• non richiedono ulteriore energia metabolica
TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO sodio dipendente
• sfrutta il gradiente del Na+
• vengono scambiati: glucosio, amino acidi, prodotti
• invertendo il gradiente di Na+ si invertono i flussi.
•
•
•
Cotrasporto Na-glucosio (intestino e
rene))
Cotrasporto Na-aminoacidi (intestino)
Cotrasporto Na-K-2Cl
•
•
metabolici, ioni
Controtrasporto Na-H (rene)
Controtrasporto Ca-Na (muscolo)
Cotrasporto sodio glucosio.
Le cellule dell’ endotelio
intestinale assorbono il glucosio
dal lume intestinale mediante
cotrasporto sodio/ glucosio. La
pompa Na/K genera il gradiente
elettrochimico per il sodio,
mediante l’utilizzo di ATP.
Il glucosio, mediante diffusione
facilitata passa dalla cellula
epiteliale alsangue.
Esempi di trasporti attivi secondari
non Na+-dipendenti:
L’antiporto Cl-/HCO3-
a.c.
FUNZIONE:
- eliminazione del bicarbonato prodotto dalla cellula,sfruttando il gradiente del ClERITROCITI:
- nei globuli rossi del sangue venoso si producono grandi quantità di HCO3
dall’idratazione della CO2. HCO3- esce secondo gradiente per contro-trasporto del ClCELLULE DELLA MUCOSA INTESTINALE:
- membrana luminale (intestino crasso): gli ioni Cl - entrano, HCO3- passa nel lume
intestinale.
Trasporto attivo secondario:
antiporto Na/Ca
TRASPORTO ATTRAVERSO LE MEMBRANE CELLULARI
Tipo di trasporto
Attivo o
Passivo
Mediato
Richiesta
da carrier di
energia
Dipendente dal
gradiente del
sodio
Diffusione
Passivo
No
No
No
Diffusione facilitata
Passivo
Si
No
No
Trasporto attivo
primario
Attivo
Si
Si,
diretta
No
Cotrasporto
Attivo
secondario
Si
Si,
indiretta
Si. I soluti si
muovono nella
stessa direzione
degli ioni Sodio
attraverso la
membrana
plasmatica
Controtrasporto
Attivo
secondario
Si
Si
Si. I soluti si
muovono in
direzione opposta
degli ioni Sodio
attraverso la
membrana
plasmatica
