Fisiologia cellulare, Appunti di Fisiologia

Scarica Fisiologia cellulare e più Appunti in PDF di Fisiologia solo su Docsity! 4-10-2019 FISIOLOGIA 2 FISIOLOGIA CELLULARE Che funzioni ha una membrana plasmatica? Ha la funzione di separazione dell’ambiente intra ed extra cellulare. A una funzione di regolazione degli scambi con l’ambiente esterno, infatti attraverso la membrana plasmatica possono passare gli ioni, i nutrienti, possono essere eliminati i cataboliti, e possono essere rilasciati prodotti di secrezione. La membrana è importante per la comunicazione cellulare, infatti al di sopra della membrana abbiamo delle proteine, quindi dei recettori che hanno la capacità di legare il ligando e permettere attraverso questo legame una trasduzione del segnale all’interno della cellula, quindi attivare all’interno della cellula dei secondi messaggeri e generare una risposta. Un’altra funzione è quella strutturale infatti alcune proteine della membrana sono importanti per l’ancoraggio e tramite queste è possibile creare ancoraggio con le proteine del citoscheletro e stabilire la forma delle cellule, in più permettere il legame con altre cellule attraverso delle giunzioni specializzate oppure delle giunzioni di tipo occludenti. Le giunzioni occludenti le troviamo a livello delle cellule epiteliali, in più sono occluse quindi permettono solo il passaggio di acqua o di ioni attraverso il passaggio attraverso la via paracellulare. Giunzioni ancoranti, sono quelle che troveremo nei cardiomiociti in cui abbiamo una struttura, la formazione di un desmosoma che stabilisce una certa resistenza in queste cellule, ed è importante nelle cellule del cuore per la contrazione di questo. Giunzioni comunicanti, che troviamo a livello delle sinapsi, la formazione di questa struttura prende il nome di connessone formata da due parti, due emiconnessoni presenti sulla cellula 1 e sulla cellula 2(cellula pre e postsinaptica), l’apertura di questo connessone crea un passaggio di corrente da una cellula ad un’altra. Questo tipo di struttura le ritroviamo nelle cellule nervose e nelle cellule muscolari cardiache in questo modo si ha una propagazione della corrente elettrica attraverso tutte le cellule. STRUTTURA DELLA MEMBRANA PLASMATICA E’ stata definita nel 1972 da Singer e Nicolson, costituita da un doppio strato di fosfolipidico in cui i lipidi presentano una testa idrofila e una coda idrofoba, le teste sono rivolte verso i compartimenti acquosi extracellulari e intracellulari, mentre le code sono rivolte le une verso le altre a creare uno strato di isolamento. In più a livello della membrana sono inserite delle proteine, proteine che possono essere definite intrinseche cioè inserite nel doppio strato fosfolipidico o estrinseche che formano le glicoproteine, quindi abbiamo la presenza di colesterolo a livello della membrana. I lipidi possono muoversi nel doppio strato lipidico. I fattori che determinano la fluidità della membrana sono la lunghezza degli acidi grassi, il grado di insaturazione degli acidi grassi, le caratteristiche polari del lipide e la presenza del colesterolo. A livello della membrana maggiore attenzione la diamo alle proteine di membrana, circa 1/3 delle proteine è codificata dal DNA. La proteina intrinseca in realtà è quella che può essere estrapolata dai lipidi di membrana, mentre nel caso della proteina estrinseca l’utilizzo di detergenti chimici pesanti permette di eliminare la proteina ma distrugge quel pezzo di membrana proprio perché in realtà le proteine intrinseche presentano dei tratti che si inseriscono nel doppio strato fosfolipidico, infatti si parla di proteine transmembrana. Le proteine di membrana possono essere o che fungono da canale a livello della membrana o delle proteine carrier che permettono il trasporto di molecole più grandi. Nel caso delle proteine canale abbiamo un canale inserito a livello della membrana plasmatica, quindi abbiamo una porzione extracellulare e una porzione intracellulare. Il canale è un canale che può essere aperto o regolato e mette in collegamento attraverso un poro acquoso il compartimento extracellulare con quello intracellulare. Nel caso della proteina carrier questa permette il passaggio, attraverso delle modifiche conformazionali, di molecole più grandi. (Es. proteine che trasportano il glucosio a livello delle cellule da un compartimento all’altro). Altre proteine sono le pompe ioniche, come ad esempio la pompa sodio-potassio. Un’altra funzione delle proteine è quella di fungere da recettori, questi sono proteine transmembrana che legano da un lato il ligando e questo legame attiva degli eventi intracellulari che portano all’effetto finale determinato dal legame con il ligando. Altra tipologia che possiamo trovare sono ad esempio i canali ionici attivati da un ligando. Il canale può essere un canale passivo dove si ha il passaggio degli ioni attraverso gradiente di concentrazione, invece nel caso del canale ionico attivato da ligando questo canale ha la particolarità di aprirsi soltanto in seguito al legame con il ligando, in questo caso è il recettore nicotilico dell’acetilcolina. Quindi questo recettore presenta diverse subunità inserite a livello della membrana plasmatica e quando il ligando 2 molecole di acetilcolina si legano ai siti specifici presenti su questo recettore, il canale si apre e quindi passano gli ioni. In questo caso abbiamo bisogno del legame con la molecola per aprire il canale. Un’altra tipologia sono i canali voltaggio-dipendenti sono quei canali che vengono attivati in seguito alla variazione del voltaggio di membrana. Un tipo di questi canali sono i canali del sodio voltaggio-dipendenti questi canali hanno 4 diverse subunità, ogni subunità ha 6 tratti trans membrana, in più un tratto è quello definito sensore del voltaggio, quindi se varia il potenziale della membrana viene attivato questo canale, il canale si apre e c’è il passaggio di ioni. Quindi da un lato possiamo avere canal che non hanno bisogno di nessuna regolazione dall’altro possono essere regolati o da cambiamenti di potenziali di membrana o dalla presenza di un ligando per quel determinato tipo di canale. Questi canali sono importanti per capire cosa succede a livello della membrana. Abbiamo detto che la nostra membrana plasmatica è costituita da un doppio strato fosfolipidico, questa in realtà crea una barriera di permeabilità, attraverso la membrana in realtà passano molecole quali: Gas (ossigeno e anidride carbonica), che attraversano la membrana senza il bisogno di trasportatori, attraverso processo di diffusione (non regolato). Molecole di tipo idrofobiche, piccole molecole polari (acqua, etanolo), grandi molecole polari (glucosio) o molecole carrier (proteine che non riescono a passare senza l’aiuto di trasportatori). Due proprietà che influenza la capacità di attraversare la membrana sono: la solubilità nei lipidi e il diametro. Possiamo avere processi di tipo: passivi e attivi. Nel caso del processo passivo, sarà un trasporto che non richiede utilizzo di energia. Nel caso del processo attivo, sarà un trasporto che impiega energie. In più il trasporto passivo lo possiamo distinguere in: concentrazione più bassa rispetto ad un’altra. Perché è importante anche questo concetto, per definirne un altro cioè quello della tonicità quel comportamento che assume una cellula all’interno di una soluzione. TRASPORTI MEDIATI Molecole di grandi dimensioni hanno bisogno di trasporti mediati per attraversare la membrana. Questo tipo di trasporto è anche importante perché assicura ad alcune molecole, ad alcune proteine di restare all’interno delle cellule e quindi contribuire a quelle che sono le attività metaboliche delle cellule. I trasporti mediati sono dei trasporti che permettono il trasferimento di piccole sostanze attraverso la membrana, oppure nel caso in cui la molecola è molto grande abbiamo bisogno di un altro tipo di trasporto ovvero quello vescicolare. Le proteine di membrana che consentono il passaggio di molecole non liposolubili possono essere:  Proteine canale che generano tra l’ambiente extra e intra cellulare un corridoio pieno di acqua attraverso il quale passano le molecole secondo gradiente di concentrazione. In questo caso la velocità maggiore di 106 ioni/sec è un passaggio non selettivo.  Proteine carrier, in questo caso a proteina deve avere un sito di legame per la molecola da trasportare. Deve essere mobile attraverso il doppio strato fosfolipidico. La proteina carrier trasporta la molecola alla velocità più bassa 103 – 105 . Possono trasportare molecole più grandi rispetto ai canali sempre secondo gradiente di concentrazione. Trasporti mediati passivi, diffusione facilitata (glucosio, amminoacidi). Avvengono solo in favore di gradiente e non richiedono apporto di energia. Trasporti mediati attivi, avvengono contro gradiente e utilizzano ATP. Si classificano a loro volta in: a) Trasporti attivi primari (pompa sodio-potassio, pompa calcio) che operano esclusivamente su Sali inorganici e traggono energia dalla scissione dell’ATP. Il carrier ha sempre un ATPasi. b) Trasporti attivi secondari (trasporto sodio/glucosio, controtrasporto sodio/idrogeno) Sono sempre dei trasporti accoppiati. Diffusione facilitata Trasporto tramite proteina carrier si divide in uniporto se in realtà viene trasportato soltanto un soluto attraverso quel trasportatore. Oppure possiamo parlare di trasporto accoppiato quindi in simporto se entrambe le molecole vanno nella stessa direzione, antiporto se trasportati in direzione opposta. Nella diffusione facilitata abbiamo: Specificità: il carrier trasporta solo una molecola o gruppi di molecole molto simili (Es. GLUT trasportano solo mannosio, galattosio e fruttosio). 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. Questo effetto è detto inibizione competitiva (Es. Glucosio e galattosio). Saturazione: Il trasporto facilitato raggiunge la saturazione quando tutti i siti di trasporto dei carrier sono occupati. Trasporto attivo Richiede energia tramite idrolisi di ATP. Questa idrolisi è necessaria perché le molecole si muovono contro gradiente di concentrazione. Trasporto primario usa direttamente ATP come ad esempio la pompa sodio potassio mentre i trasporti secondari utilizzano l’energia del trasporto primario. Struttura della pompa sodio-potassio E’ costituita da una subunità alfa che è più grande ed una subunità beta che è più piccola e permette la localizzazione della pompa a livello della membrana ed è sempre una proteina che possiede 10 tratti transmembrana, con una porzione intracellulare che possiede un sito di fosforilazione, sito di legame per Pompa sodio-potassio, guardando questa cellula vedremo una concentrazione di sodio extracellulare pari a 145 mM e di potassio 4 mM, mentre la concentrazione intracellulare di sodio è di 12 mM e quella di potassio di 140 mM. Quindi abbiamo una concentrazione di sodio maggiore all’esterno della cellula rispetto all’interno e una concentrazione di potassio minore all’esterno della cellula e maggiore all’esterno. La pompa sodio-potassio opera quindi sulla membrana pompano 3 ioni sodio all’esterno e due ioni potassio all’esterno, questo tipo di trasporto permette di mantenere questa diversa concentrazione degli ioni. In condizioni normali in realtà il sodio si potrebbe muovere dall’esterno verso l’interno e il potassio dall’interno verso l’esterno, invece con la pompa sodio-potassio li facciamo muovere in direzione opposta contro il suo gradiente di concentrazione. l’ATP e una porzione extracellulare. Sono state identificate molte isoforme di entrambe le subunità ma, a parte la caratterizzazione cinetica e la distribuzione tissutale, si sa poco sulla loro differente importanza fisiologica. La pompa ci permette di mantenere il potenziale di riposo di una cellula, ci da la possibilità di far insorgere un potenziale d’azione. In più ci permette, la concentrazione di sodio, di mantenere il volume di una cellula. Meccanismo: Essendo un trasporto mediato deve avere dei siti di legame per il sodio (3) e per il potassio (2). Il carrier deve cambiare conformazione e aprirsi nel versante extracellulare, in questo caso deve utilizzare ATP. Il sodio una volta rilasciato all’esterno si lega ai siti di legame in potassio, nuovamente c’è fosforilazione della proteina si riapre nel versante intracellulare e rilascia il potassio intracellulare. La velocità di scambio della pompa sodio potassio è in funzione della concentrazione di sodio e di potassio. Aumenta o diminuisce la concentrazione verrà regolata diversamente l’apertura. E’ una pompa elettrogenica. Il trasporto è altamente selettivo per il sodio e per il potassio ma la sostituzione del sodio con il litio può bloccare la pompa. Il magnesio può essere un cofattore dell’attivazione della pompa sodio- potassio. Ci sono alcuni farmaci che agiscono sul funzionamento della pompa come nel caso dell’insufficienza cardiaca dove vengono utilizzate la digitossina o la digossina che vanno a bloccare la pompa sodio-potassio. E poi alcuni veleni possono bloccare la sintesi dell’ATP e quindi alterarne il funzionamento. Importanza fisiologica: Il trasporto ionico esercitato dalla pompa crea e mantiene 1. Un gradiente elettro-chimico attraverso la membrana plasmatica. Questa funzione è cruciale per mantenere un flusso direzionale di fluido ed elettroliti attraverso gli epiteli. 2. Il potenziale di membrana delle cellule è la base dell'eccitabilità nelle cellule nervose e muscolari. 3. Il trasporto attivo del sodio fuori dalla cellula, e la conseguente creazione di un gradiente chimico del sodio, è la forza spingente per molti trasporti mediati da trasportatori (sia diffusione facilitata che trasporti attivi secondari) che importano nella cellula glucosio, aminoacidi e altri nutrienti essenziali. 4. Il trasporto attivo del sodio da un lato all'altro della cellula epiteliale determina il riassorbimento osmotico dell'acqua. Questo fenomeno è particolarmente evidente nel lume dell'intestino e nel tubulo renale.