Gli scambi tra cellula ed
ambiente
Equilibrio osmotico
Squilibrio chimico
Squilibrio elettrico
Equilibrio dinamico
Lo scopo dell’omeostasi è
mantenere l’equilibrio dinamico
dei compartimenti corporei.
Flusso e driving force
Il flusso di un soluto è la quantità di esso che attraversa l’area
unitaria di una superficie nell’unità di tempo.
Flusso unidirezionale e totale
Flusso molare unidirezionale (moli/cm2 · sec).
j1
n = numero di particelle
2
n
= —————
N·A· t
N = numero di Avogadro (6,023
Flusso totale (Js)
Js =
j1
2
- j2
1
Principio della indipendenza dei flussi.
1023)
Modalità di flusso in una soluzione acquosa
• Flusso di massa
– Driving force = differenza di pressione
• Diffusione
– Driving force = differenza di concentrazione
• Migrazione in campo elettrico
– Driving force = differenza di potenziale elettrico
Flusso massivo
Flusso di massa , in cui la driving
force (forza spingente) è generata
da una differenza di pressione
idraulica tra regioni diverse della
soluzione.
Jm = km (P1 – P2)
km= coefficiente di permeabilità
massiva o idraulica.
Pori idrici > 50 Å
Epiteli
Endoteli
Filtrazione
Solvent drag = sostanze
disciolte trascinate insieme
all’acqua.
Jf = kf ΔP
Ff = flusso transmembranale
kf = coefficiente di filtrazione membranale
Migrazione in un campo elettrico
Fe = z ke · (Va – Vc)
z ke = conduttività
Elettrodiffusione
Fed = kd (C1 – C2) + z ke · (V1 – V2)
Equazione di
Nernst-Planck
Diffusione
La diffusione, in cui la forza spingente è generata da una differenza di
concentrazione di particelle in zone diverse della soluzione.
La diffusione ha 6 proprietà
• È un processo passivo che utilizza energia cinetica del
movimento molecolare;
• Le molecole si muovono da un’area a concentrazione
maggiore verso un’area a concentrazione minore;
Equilibrio diffusionale
•Il movimento netto di molecole si verifica fino a quando la
concentrazione diventa uguale ovunque;
• È rapida su brevi distanze ma è molto più lenta su
grandi distanze
• È direttamente correlata alla temperatura
• Il tasso di diffusione è inversamente correlato alla
dimensione molecolare
Seconda legge di Fick
Il tempo impiegato da una particella per diffondere cresce con
il quadrato della distanza.
__
( x)2 = 2 D t relazione di Einstein
D = kd
Legge di Fick
(Ca - Cb)
J = D · A ———————
x
RT
D = coefficiente di diffusione = ———————
N (6
r)
R = costante dei gas
T = temperatura assoluta
N = numero di Avogadro (6,023
= viscosità del mezzo
r = raggio della molecola
1023)
Osmosi
La pressione idraulica necessaria per
annullare la diffusione osmotica
dell’acqua viene chiamata pressione
osmotica (mmHg) della soluzione.
Osmosi
Legge di Vant’Hoff
= n R T /V
= pressione osmotica
T = temperatura assoluta
n = numero di moli formati dalla
dissociazione di una molecola di
soluto
V = volume di soluzione
R = costante dei gas
Coefficiente osmotico
=nRT
/V
= coefficiente osmotico
Osmolarità
Osmolarità = numero di particelle (ioni o molecole
intere) per litro di soluzione (OsM o osmol/L).
1 mole di soluto = 1 osmolare (1 OsM)
0,1 M di glucosio + 0,1 M saccarosio = 0,2 osmolare (0,2 OsM)
1 M NaCl · 2 ioni per ogni molecola di NaCl = 2 osmolare (2 OsM)
1 OsM = 22,4 atm = 17 400 mmHg = 231 000 mm H2O = 0,515 C aumento P.E. =
1,86 C diminuzione P.C. = 3,2 % NaCl.
1 milliosmole (1 mOsM) = 1/1000 di 1 osmole
Liquido intracellulare ed extracellulare ~ 300 mOsM (280 – 296 mOsM)
Isoosmotiche = soluzioni che hanno la stessa osmolarità.
Iperosmotica = soluzione la cui osmolarità è maggiore di un’altra.
Ipoosmotica = soluzione con minore osmolarità di un’altra.
Tonicità
Tonicità = concentrazione extracellulare dei soluti non permeanti
rispetto a quella del liquido intracellulare.
Soluzione salina isotonica (fisiologica) = 0,9 % NaCl (300 mOsM)
Soluzione isotonica = non
altera il volume cellulare.
Soluzione ipertonica =
provoca il raggrinzimento
della cellula (Shrinking).
Soluzione
ipotonica
=
provoca il rigonfiamento
cellulare (Swelling).
Coefficiente di
riflessione
membranale (σ)
oss
=
————
teor
σ = 1 le particelle non
attraversano la membrana.
σ = 0 le particelle
attraversano la membrana
come l’acqua.
Δπs = Δπ · σ
Classificazione dei trasporti
Trasporto = modalità di scambio di sostanze attraverso una membrana
cellulare
Diffusione semplice attraverso il doppio strato
lipidico
• La velocità di diffusione dipende dalla capacità della molecola che
diffonde di sciogliersi nello strato lipidico della membrana;
• Il tasso di diffusione attraverso una membrana è direttamente
proporzionale all’area della superficie di scambio;
• Il tasso di diffusione attraverso una membrana è inversamente
proporzionale allo spessore della membrana.
Le molecole lipofile possono diffondere attraverso il doppio
strato fosfolipidico
Permeabilità della membrana cellulare
J = P · (C1 – C2)
P = coefficiente di permeabilità
della sostanza x (cm/sec)
D·A·K
Px = ———
x
D =
coefficiente di diffusione della
sostanza nel materiale costitutivo della
membrana.
K ( ) = coefficiente di ripartizione
olio/acqua.
x = spessore della membrana.
Permeabilità membranale agli anelettroliti
Cinetica di non saturazione
Esempi di sostanze lipofile:
•gas (CO2, O2, NO, CO, N2),
•ormoni (steroidei, tiroidei),
•vitamine (A, D, E, K),
•farmaci (cortisone, ac acetil salicilico)
•etanolo.
Diffusione attraverso i canali ionici di membrana
Diffusione ristretta
Acido salicilico pK= 3,5
Diffusione non ionica
Chinina pK= 8,4
NH3
(A)
out
HA
H+ + A -
(B)
membrana
out
in
HA
HA
A- + H +
H + + A-
H+
membrana
in
HA
A- + H+
Caratteri generali dei trasporti mediati
Saturazione
Tm
Inibizione competitiva
Trasporti accoppiati
Uniporto
Cotrasporto
Trasporti mediati passivi
Nei trasporti mediati
passivi l’affinità dei ―siti
di legame‖ per le
particelle non cambia ai
due lati della membrana.
- Possono avvenire solo in favore di gradiente.
- Non richiede apporto di energia di origine
metabolica.
Modello del ―flip-flop‖
Trasporti passivi
Diffusione facilitata
GLUT (Glucose Transporter) = proteina di 40-60 kDa costituite
da 12 segmenti di transmembrana.
GLUT1-GLUT5 e GLUT7.
Diffusione facilitata
Trasporti mediati attivi
Nei trasporti mediati attivi ―i siti
di legame‖ modificano la loro
affinità per le particelle ai due lati
della membrana.
-Possono avvenire anche contro-gradiente di concentrazione.
-Richiedono apporto di energia.
- Sono arrestati dalle condizioni che alterano la normale
attività metabolica.
Modello del ―flip-flop‖
Trasporti attivi
Trasporto attivo
Primario (Pompe ioniche)
Trasporto contro gradiente di ioni inorganici (Na+, K+, Ca2+, H+).
Trasporto gradiente-limitato.
Pompa di scambio Na+/K+
•Contro-trasporto.
•Elettrogenicità.
•Effetto osmotico.
•Riserva di energia
potenziale.
•ATPasi Na+K+ dipendente.
Proteina transmembranale:
2 subunità α 100 kDa,
2 subunità β 45 kDa.
Inibitori:
Ouabaina.
Glicosidi della
digitale: digitossina , digossina.
Formula di struttura della Digossina
Pompa del calcio
P.M. = 100 kDa
10 segmenti di transmembrana
PMCA = Plasma Membrane
Calcium ATPase
SERCA= Smooth Endoplasmic
Reticulum Calcium ATPase
Tapsigargina (inibitore).
H+/K+ ATPasi
Omeprazolo = inibitore della pompa
Antiulcerosi.
Trasporto attivo
Secondario
Trasporti accoppiati.
Ione motore Na+.
Blocco del trasporto da
parte dei veleni metabolici.
Cotrasporti
controtrasporti.
e
Proteine sprovviste di
attività ATPasica.
Nel cotrasporto lo ione
motore aumenta l’affinità
per la particella trasportata.
Nel
controtrasporto
l’affinità è diminuita.
•Ione motore K+, Cl- o HCO3-
•Carattere di trasporto attivo e
passivo.
Anossia, veleni metabolici (cianuro, dinitrofenolo), abbassamento della
temperatura estinguono il trasporto attivo sia primario che secondario.
Trasporto attivo secondario
SGLT
Sodium-dependent
GLucose
Transporters
1 Glu/ 2 Na+
P.M. = 75 kDa
15 segmenti di
transmembrana
Florizina (inibitore)
SGLT1 epitelio intestinale
SGLT2 tubulo contorto prossimale
SGLT3 molti tipi di cellule, epatociti, fibre
muscolari.
University of Florida football player Chip Hinton
testing out Gatorade in 1965, pictured next to one
of its inventors, James Robert Cade.
Trasporti Na+-dipendenti
Citosi
Trasporto attivo (con consumo di ATP) che prevede la formazione
di vescicole avvolte da membrana che si distaccano dalla
membrana plasmatica (endocitosi) oppure si fondono con essa
(esocitosi).
I meccanismi citotici servono soprattutto per l’introduzione o
l’emissione
di
macromolecole
(proteine,
lipoproteine,
polinucleotidi, polisaccaridi).
•Fagocitosi, vescicole con diametro > di 250 nm;
•Pinocitosi e endocitosi , vescicole con diametro < di 150 nm.
Fagocitosi
• Macrofagi e neutrofili.
• Le vescicole (fagosomi) hanno diametri determinati dalle dimensioni della
particella fagocitata.
• Il processo è scatenato da recettori attivati (recettori per Fc, recettori del
complemento, recettori di oligosaccaridi di superficie).
Pinocitosi
• I macrofagi ingeriscono il 25 % del loro volume ogni ora.
• Ciclo endocitico-esocitico.
• Fosse rivestite di clatrina - vescicole rivestite di clatrina endosomi precoci.
Endocitosi mediata da recettore
Destino dei recettori:
• Il recettore ritorna dallo stesso dominio della membrana da cui
proveniva, es. recettore delle LDL e della transferrina.
• Alcuni recettori procedono fino ai lisosomi dove sono degradati.
Es. recettore dell’EGF.
Esocitosi
•
Vescicole secretorie.
• Le proteine sono soggette a tagli proteolitici durante la formazione delle
vescicole secretorie (encefalina).
• Le vescicole vengono portate vicino alla membrana plasmatica.
• L’aumento di concentrazione del Ca2+ determina la fusione delle vescicole
secretorie con la membrana plasmatica.
• Le membrane sono riciclate.
• Le vescicole sinaptiche si formano dagli endosomi.
