Fisiologia: studio delle
funzioni e
dell’attività coordinata di cellule, tessuti ed organi.
La Cellula
M em brana
nucleo
citoplasm a
uomo:100000 miliardi
200 tipi diversi
D im ensioni
Form a
Struttura interna
Funzione
Costituenti base
¬H 2O 70-80%
¬Elettroliti
¬Proteine 10-20%
¬Lipidi 20%
¬Carboidrati 1%
O rganuli cellulari
Le strutture m em branarie
della cellula
Im pediscono la com m istione del
contenuto dei singoli organuli con
il citoplasm a e con il liquido extracellulare.
M em brana:
• cellulare o plasm alem m a 5%
• nucleare
• del reticolo endoplasm atico 50%
• dei m itocondri
• dei lisosom i
• dell’apparato di Golgi
La m em brana plasm atica
Spessore=7-10 nm
La m em brana plasm atica
Com posizione:
• proteine 55%
• fosfolipidi 25%
• colesterolo 13%
• altri lipidi 4%
• carboidrati 3%
Le proteine di m em brana
Soprattutto glicoproteine
¬Integrali
¬Periferiche
• Proteine canale (pori)
• Proteine carrier
• Enzim i
I lipidi di m em brana
D oppio strato di fosfolipidi
Etanolamina
Serina
Colina
Inositolo
Sfingom ielina: l’unico fosfolipide che
non deriva dal glicerolo.
sfingosina
fosfocolina
fosfato
acido grasso
colina
M odello a “M osaico Fluido”: interazioni
non covalenti→m olecole libere di m uoversi
(rari flip-flop)
D iffusione laterale
Flip-flop
flessione rotazione
colesterolo
Fondam entale per fluidità
I carboidrati di m em brana:
il glicocalice
• 90% glicoproteine
• 10% glicolipidi
Funzioni:
•
•
•
•
Carica –
A desione tra cellule diverse
Recettori per altre m olecole
Recettori per il riconoscim ento im m unitario
Il citoplasm a
Il citoplasm a e' la sostanza viscosa
com presa tra la m em brana cellulare
e l'involucro nucleare. E' form ata da
acqua, sali m inerali e sostanze organiche → citosol.
A l suo interno sono localizzati gli
organuli.
Gli organuli cellulari
N ucleo
m em brana
nucleolo
nucleoplasm a
M icrotubuli
M em brana
plasm atica
Centrioli
Vescicola
Golgi
R.E.L R.E.R
Lisosom a
M itocondri
Il reticolo endoplasm atico
ribosom i RER
REL
Rete continua distrutture tubulari
interconnesse con vescicole piatte
secrezione
•M em brana
•Sviluppo ≠ a seconda del tipo cellulare
•Com unica con il nucleo
RER
Sintesi
proteica
REL
Sintesi
lipidi
L’apparato di Golgi
• Elaborazione
• Sintesi
I lisosom i
I perossisom i
I m itocondri
• D a nutrienti e O 2
A TP
• D N A m itocondriale
Il nucleo
• Centrale di controllo della cellula
• Sede del
DN A
I processi di trasporto
attraverso la m em brana cellulare
• M em brane→
→barriere selettive
• Liquido extracell. ? liquido intracell.
• Proteine di trasporto
• proteine canale
• proteine trasportatrici
Trasporti nella m em brana cellulare
Trasporti in form a
libera
Trasporti m ediati
M igrazione
D iffusione
D iffusione
nella m atrice in canali
fosfolipidica m em branari facilitata
PA SSIVI
Trasporto
attivo
prim ario
Trasporto
attivo
secondario
A TTIVI
D iffusione
Cenni fisico-chim ici:
D iffusione attraverso la
m em brana cellulare
D iffusione
sem plice
D iffusione
facilitata
D iffusione attraverso la
m em brana cellulare
1) Sem plice
-liposolubili:
O 2, N 2, CO 2,
alcool
-non liposolubili:
H 2O , urea
2) Facilitata
glucosio
am inoacidi
Proteine canale
• Selettivam ente
perm eabili
• M olte presentano
porte (gate)
Selettività: legata a diam etro, form a
e natura cariche elettriche
Canali del sodio
Canali del potassio
Ione Ragg.anidro Ragg.idrato Strato idrico
A ngstrom
N a+
K+
N H 4+
Cl-
0,98
1,33
1,45
1,8
2,91
1,88
1,89
1,92
1,93
0,55
0,44
0,12
A pertura e chiusura delle porte
• Porte voltaggiodipendenti
• Porte a controllo
chim ico
Il m etodo del “patch-clam p”
m olti individui sono concentrati su una
spiaggia
se il passaggio a quella vicina è libero
Bam bini e lottatori di sum o
D iffusione facilitata
• M ediata da un trasportatore
glucosio
vari m onosaccaridi
am inoacidi
Insulina può aum entare fino a 20 volte la
velocità di diffusione del glucosio
m ol t e s os t an z e, t u t t avi a, n on pos s on o
at t r aver s ar e l a
m em br an a s en z a u n
“ ai u t o” s peci al e...
s os t an z e pol ar i ( acqu a
e pi ccol i i on i ) devon o
i n vece u t i l i z z ar e i can al i per i l pas s aggi o
Glucoso
Acqua
Alcool
al cu n e s os t an z e l i pos ol u bi l i com e
l ’al cool pos s on o at t r aver s ar e i l
“ s i gi l l o” i dr of obo r appr es en t at o
dal l e code apol ar i dei f os f ol i pi di
Velocità netta di diffusione
E’ data dalla differenza tra la velocità di
diffusione di una sostanza nelle due direzioni
D ipende da:
• Perm eabilità di m em brana
• D ifferenza di concentrazione
• D ifferenza di potenziale elettrico
• D ifferenza di pressione
Perm eabilità di m em brana (P)
•Spessore
•Liposolubilità
•N um ero di canali utili
•T em peratura
•PM della sostanza
Coefficiente di diffusione: D =PõA
è legato all’area totale della m em brana
Effetto della differenza
di concentrazione
D iffusione netta
∝
D (Ce-Ci)
Effetto della differenza di
potenziale elettrico
E (in m illivolt)= 61 log C1/C2
Effetto della differenza di
pressione
O sm osi
H 2O
N aCl
Pressione
osm otica
osm osi
O sm osi: m ovim ento netto di acqua
per effetto di una differenza di concentrazione ai due lati della m em brana.
La tendenza dell’acqua a m uoversi può
essere bilanciata da una pressione detta PRESSIO N E O SM O TICA
Si esprim e in atm
mm Hg
La pressione osm otica
Legge di Boile
P = n·RT
V
n = num ero di m olecole
osm oticam ente attive
Legge di Van’t H off
ð = RTC
D ipende dal num ero delle particelle in
soluzione e non dalla m assa.
O gni particella esercita in m edia la stessa
pressione contro la m em brana.
C6H 12O 6
O sm ole
N aCl (N a+ Cl-)
1 M ole = 1
M ole = 2 O sm oli
O sm olarità del plasm a = 300 m O sm
IPO T O N ICA
SO LU ZIO N E
ISO T O N ICA
IPERTO N ICA
Perché una soluzione 0,9%
N aCl (fisiologica) è
isotonica?
PM N aCl = 58
1M = 58 g/l
1O sm =29 g/l
29:3,3 = ~ 9 g/l = 0,9 % N aCl =
300 m O sm
Filtrazione
Processo m ediante il quale l’H 20 e i
soluti perm eabili sono spinti attraverso
una m em brana da un gradiente di pressione idrostatica
Effetto Gibbs-D onnan
Gibbs D onnan
• Principio di elettroneutralità
[cationi]1=[anioni]1
[cationi]2=[anioni]2
• Il Cl- si m uove da
a
poiché in
non
c’è Cl- (gradiente di concentrazione)
• Il guadagno in Cl- in
guadagno in N a+ in
• guadagno in
perdita in
deve essere uguale al
[N a+]1 [Cl-]2 perdita in
-----= ---[N a+]2 [Cl-]1 guadagno in
• [N a+]1 [Cl-]1 = [N a+]2 [Cl-]2
Gibbs D onnan: quantificazione
delle concentrazioni all’equilibrio
• [N a+]2 = 100 m M – x
• [Cl-]2 = 100 m M – x
• [N a+]1 = 100 m M + x
• [Cl-]1 = x
• Poiché [N a+]1 [Cl-]1 = [N a+]2 [Cl-]2
• (100 m M + x) x = (100 m M – x) (100
m M – x)
100x + x2 = 10000-200x + x2
100x + 200x = 10000
300x = 10000
Perciò,all’equilibrio:
• x = 33,3
[Cl-]1 = 33,3 m M
[N a+]1 = 100 + 33,3 = 133,3 m M
[Cl-]2 = 100 – 33,3 = 66,7 m M
[N a+]2 = 100 – 33,3 = 66,7 m M
Considerazioni
A ll’equilibrio:
Tot.
Cl- 33 m M 67 m M 100 m M
N a+ 133 m M 67 m M 200 m M
---------- -------- --------166 m M 134 m M 300 m M
Tot. +
proteine
Perciò:
π1 > π 2
Le cellule viventi contengono
un eccesso di anioni indiffusibili
N e consegue:
1) D istribuzione ineguale tra cationi ed anioni
diffusibili anche in assenza di trasporto
attivo
2) I cationi sono più num erosi all’interno che
all’esterno (pH )
3) T endenza della cellula a rigonfiarsi per gli
effetti osm otici delle alte concentrazioni
cellulari (trasporti attivi)
4) Lo spostam ento degli ioni determ ina un potenziale elettrico
:
L’equilibrio di D onnan è solo un punto di
partenza per analizzare i m eccanism i di
distribuzione degli ioni tra cellula ed
am biente esterno
LA CELLU LA D EVE ESSERE
CO N SID ERA TA U N SISTEM A D O N N A N -SIM ILE
• N ella cellula il trasporto attivo gioca un
ruolo determ inante nella distribuzione
degli ioni
• La m em brana cellulare è un com plesso
dinam ico, non è una m em brana sem iperm eabile perfetta
• Il m ezzo intracellulare non è una soluzione acquosa om ogenea
• N el m odello gli ioni diffusibili sono sup-
posti com pletam ente dissociati, m a nella cellula non è così
Trasporto attivo
• Contro gradiente elettrochim ico
A
L
T
A
Proteina Proteine
canale carrier
EN
E
RG
IA
D iff.
passiva
T RA SPO RTO T RA SPO RTO
PA SSIVO
A TTIVO
B
A
S
S
A
Trasporto attivo
Sono necessarie proteine trasportatrici
ed energia
PRIM A RIO
A TP
SECO N D A RIO
L’energia deriva da
un “im m agazzinam ento
energetico”realizzato
in un T.A . prim ario
Trasporto attivo prim ario
La pom pa sodio-potassio
•T rasferisce ioni N a+ all’esterno della cellula
e fa affluire ioni K+ all’interno
•E’ presente in tutte le cellule dell’organism o
•E’ responsabile del m antenim ento delle differenze di concentrazione del N a+ e del K+
tra esterno ed interno
•E’ responsabile del potenziale elettrico negativo all’interno
•E’ alla base del processo di trasm issione dei
segnali
La pom pa sodio-potassio
α PM 100.000
- ha tre siti recettoriali per
N a+ nella porzione interna
β PM 50.000
ancoraggio
- ha due siti recettoriali per
K+ nella porzione esterna
- la porzione interna ha attività A T Pasica
N a+
K+
La pom pa sodio-potassio
Funzioni:
1) Controllo del volum e cellulare
2) Ruolo elettrogenico
Trasporto attivo prim ario
del calcio
Ca++intracellulare ha concentrazioni 10000
volte inferiori rispetto ad extracellulare
2 pom pe per il Ca++:
1) porta il Ca++ fuori dalla cellula
2) porta il Ca++ dentro ad organuli
Trasporto attivo prim ario
degli ioni idrogeno
M olto im portante a livello di:
• Ghiandole gastriche
• Tubuli distali e dotti collettori del rene
Trasporto attivo secondario
Co-trasporto
o
Sim porto
Controtrasporto
o
A ntiporto
Co-trasporto Sodio-Glucosio
Co-trasporto Sodio-A m inoacidi
5 diverse proteine trasportatrici per gli aa
• Co-trasporto Sodio-Potassio-2 Cloro
• Co-trasporto Potassio-Cloro
Controtrasporto
A ltriesem pi
Ca++ o N a+
con M g++ o K+
Cl- con H CO 3o SO 4-
Sodio-calcio
Na+
Na+
Outside
Ca++
Na+
Na+
Na+ Na+
Ca++
Ca++
Na+ + Na+
Na
Inside
Ca++
Sodio-idrogeno
Na+
Na+
Na+
Trasporto attivo attraverso
epiteli
Endocitosi ed esocitosi
• m olecole e particelle di dim ensioni
rilevanti non possono attraversare la
m em brana nei m odi appena descritti.
•la cellula è tuttavia in grado di
catturare o di espellere tali sostanze attraverso un tipo diverso di
trasporto attivo transm em branario
Esocitosi
ER
GO LGI
VESCICOLE
Endocitosi
Fagocitosi
Pinocitosi
Com e com unicano le cellule?
•Le cellule com unicano tra loro per coordinare le attività dei tessuti e degli organi; la com unicazione riguarda sia cellule
contigue che cellule tra loro distanti.
1) m ediante m essaggielettrici
2) m ediante m essaggichim ici
I m essaggi di natura chim ica possono
venire inviati da una cellula a se stessa
(com unicazione autocrina) o alle cellule
adiacenti (com unicazione paracrina) per
diffusione sem plice, oppure utilizzando
sistem i di secrezione specializzati,
com e le sinapsi (com unicazione nervosa),
oppure ancora rilasciando sostanze nel
sangue (com unicazione endocrina).
generazione→trasm issione→ricezione
Com unicazione chim ica
Endocrina
A utocrina
Paracrina
Epicrina
La risposta
di una cellula
dipende dai sui
recettori
• Legam e specifico
• A lta affinità
Trasduzione del segnale
segnale
IP3
FosfolipasiC
Gprotein
Calcio
Com unicazione tra cellule
A D H ESIO N
JU N CTIO N
T IGH T
JU N CTIO N
GA P
JU N CTIO N
Com unicazione tra cellule
GIU N ZIO N I GA P
Passano ioni,zuccheri,
nucleotidi
Fondam entaliper la
com unicazione
elettrica
