Fisiologia cellulare 4, Dispense di Fisiologia

Scarica Fisiologia cellulare 4 e più Dispense in PDF di Fisiologia solo su Docsity! Fisiologia: fisiologia cellulare 4 27 settembre 2019 Docente: Ilaria Rivolta Canali ionici e meccano-trasduzione Tutti gli esseri viventi (anche nello spettro evolutivo, dai più semplici ai più complessi) sono in grado di meccano-trasdurre, ossia sono sensibili agli stimoli meccanici. Questo è un processo che permette di trasformare gli stimoli meccanici (esterni o interni all’organismo) in stimoli chimici ed elettrici, in modo da ottenere una risposta che permetta di mantenere l’omeostasi dell’organismo, quindi di adeguarsi alle nuove necessità a cui l’organismo viene sottoposto. Gli stimoli possono essere, ad esempio, il tatto (qualsiasi cosa che eserciti una pressione sul nostro corpo) come stimolo esterno, la pressione e il flusso ematico come stiamolo interno. L’esempio più classico è la meccano-trasudazione del segnale uditivo, nella percezione uditiva è coinvolta la coclea, che se stritolata presenta cellule cigliate che poggiano sulla membrana basale e sopra di esse c’è la momentanea tettoia. Le onde della linfa spostano spostano la membrana tettoia (la fanno oscillare, scivola poi sulle ciglia) e facendo cambiare posizione alle ciglia (le ciglia non sono tutte lingue gialle, c’è uno più lungo al quale sono collegate tutte le altre tramite l’Inter proteici) che deflettono, ma essendoci i linker, questa viene percepita come tensione sul linker che si esercita sul ciglio successivo. Tutta questa tensione (che viene percepita dalla membrana plasmatica) innesca l’apertura di canali di potassio, quindi parte la trasudazione del segnale. Un altro esempio è quello dello shear stress, che è una forma di pressione tangenziale che si esercita sul vaso da parte del fluido che ci scorre all’interno. Visto che il fluido scorre all’interno del vaso, si esercita un attrito tangenziale sulla parete del vaso (shear stress) che dipende da: una costante, dal flusso (Q), dalla densità del fluido che stia e scorrendo (Più è denso, maggiore è l’attrito che esercita) ed è inversamente proporzionale al raggio alla terza potenza. Quindi quanto più è piccolo il diametro del vaso, tanto maggiore sarà questa forza e viceversa. Quindi qualsiasi variazione nel flusso ematico che porta un cambiamento nella viscosità o nella densità o nella velocità fa aumentare lo shear stress, quindi la cellula cerca di aumentare il raggio del vaso facendo tornare l’attrito al valore iniziale, a fronte di una variazione di shear stress si genera una risposta che permetta la dilatazione delle pareti del vaso facendo diminuire l’attrito. Il sensing di tutto ciò è svolto dalle cellule endoteliali, che presentano proteine che percepiscono queste variazioni e reagiscono producendo ossido nitrico, che retrodiffonde nelle cellule della muscolatura liscia del vaso permettendo così la sua dilatazione. La meccano-trasduzione di fatto può coinvolgere un’ampia gamma di strutture, ad esempio il glicocalice (si presenta sulla parte esterna della cellula, quindi a contatto con l’ambiente extracellulare), le proteine di coesione tra le cellule (connessine, proteine di adesione, quando una cellula inizia a spostarsi, la forza viene trasmessa attraverso queste proteine all’altra cellula comportando così una risposta), il citoscheletro (qualsiasi tensione esercitata sulla membrana viene tradotta dalle proteine del citoscheletro, che collega la membrana plasmatica a quella nucleare, quindi un evento che può accadere sia nella matrice extracellulare che 1 Fisiologia: fisiologia cellulare 4 27 settembre 2019 Docente: Ilaria Rivolta sulla membrana plasmatica può comportare uno stiramento di questa che quindi la trascina con sé la membrana nucleare generando più spazio nel nucleo, di conseguenza la cromatina può cambiare il suo stato di avvolgimento). La meccano-trasduzione allora può sia comportare una riposta molto rapida (produzione di ossido nitrico) sia una risposta più lenta influenzando la trascrizione genica. Le forze esercitate su una cellula allora possono essere percepite dalla matrice extracellulare, dalle proteine integrali di membrana, dal citoscheletro, attivare i canali stretch attivati e, una volta fatto ciò, dar luogo a variazioni di correnti ioniche (Na+,Ca++) o modificare l’espressione di alcuni fattori (sempre grazie al calcio). I canali stretch attivati sono inseriti in membrana e hanno legami sia con l’ambiente extracellulare, sia con il citosol (citoscheletro), per cui qualsiasi deflezione, esterna o interna che sia, genera ripercussioni sull’attività del canale; anche forze esercitate dai lipidi stessi hanno questa capacità. Queste ultime sono dette forze tangenziali e possono: aumentare la pressione che i lipidi esercitano sulla proteina (profilo pressorio sull’alfa elica); le perpendicolari non vengono prese in considerazione poichè non hanno rilevanza a questo fine. Qualsiasi molecola lipofila, che quindi entra nel doppio strato, altera questo profilo pressorio; se supponiamo che la molecola si intercali tra i lipidi entrando, lo strato non è più planare ma assume una forma convessa. Questi canali hanno un’attivazione polimodale, ossia possono essere attivati da diversi stimoli: stretch, stimoli chimici, ecc... I principali canali possono essere divisi in 4 sottogruppi: • K2p: canale di potassio con 2 pori. È formato da 4 subunità (come tutti canali ionici), hanno 2 pori (cannocchiale). Hanno diversi nomi, ma concentriamo l’attenzione su uno in particolare: TREK-1 è espresso in maniera a abbondante in cervello e cuore, lo stiramento che lo attiva può essere dato da una variazione del volume extracellulare. Se all’esterno aumenta l’osmolarità, dalla cellula esce acqua, quindi questa si raggrinzisce, questo canale fa ridurre la corrente che passa attraverso di esso, fa ridurre la probabilità di apertura di questo canale. Se invece l’osmolarità extracellulare si abbassa rispetto a quella interna, la cellula acquista acqua, la membrana si rilassa maggiormente e la corrente aumenta, ossia aumenta la probabilità che questo canale sia aperto. È modulato dal citoscheletro e dalla sua integrità, in particolare da una sola delle sue subunità (microtubuli e actina). Ciò è stato scoperto con la tecnica cell attached, prima hanno misurato la corrente che passava in questo canale e notarono che il suo valore era molto basso. Allora hanno staccato la pipetta dalla cellula distruggendo l’ambiente integro della cellula portando via il patch di membrana, in questo caso hanno notato che la corrente aumentava improvvisamente, quindi il canale si attiva. 2 Fisiologia: fisiologia cellulare 4 27 settembre 2019 Docente: Ilaria Rivolta dall’aldosterone. A livello dell’epitelio polmonare si trova sul lato luminale di entrambi i tipi di cellule (pneumociti di tipo 1 e 2). Dato che il lume deve essere sempre rivestito da un sottile strato d’acqua (film a base d’acqua in realtà) per preservare l’umidità dell’epitelio che potrebbe sbeccarsi e morire e per poter garantire la distensione dell’alveolo stesso. Lo shear stress è dato dal flusso d’aria che entra ed esce dall’alveolo (aumento e riduce il suo volume) e dal movimento del polmone in generale (rispetto al fluido che lo riveste: liquido pleurico). Affinché gli alveoli siano aperti e ampi è necessario avere un sottile strato di fluido, che resta tale solo se che la velocità di secrezione sia uguale a quella di riassorbimento del liquido. Si è notato che somministrando amiloride il flusso tra l’alveolo e l’interstizio è bloccato, viene meno il riassorbimento; il fluido viene prodotto, ma non viene riassorbito. ENaC svolge allora un ruolo fondamentale poichè riassorbendo sodio, fa riassorbire anche l’acqua, garantendo la sottigliezza dello strato del film. Si è inoltre notato che in condizioni di ipossia viene meno la stechiometria fisiologica di questo canale, quindi perde la sua selettività per il sodio e l’acquista per un’altra molecola. In caso di ipossia allora il canale non è più selettivo per il sodio, immette nella matrice extracellulare potassio e ciò determina una perdita di acqua. Aumenta quindi in deltaX (legge di Fick), quindi l’ossigeno ci mette più tempo ad arrivare nei capillari peggiorando la condizione di ipossia che, a sua volta determina una minore selettività del canale. Quindi si entra in un circolo vizioso che porta alla fine ad edema. in ipossia si ha inoltre una permeabilità della membrana, quindi c’è uno travaso di acqua dai capillari verso la matrice extracellulare, che fa aumentare il deltaX. Oggi si sa che tutta una serie di canali ionici (che si pensava fossero dipendenti solo da uno stimolo) sono anche sensibili agli stimoli meccanici Meccano-canalopatie Le canalopatie sono patologie che coinvolgono i canali ionici o proteine legate al loro funzionamento (epilessie, aritmie cardiache, patologie del tessuto muscolare scheletrico), queste nello specifico sono dovute ad alterazioni di canali ionici dovuto a stimoli meccanici.. Esempi sono: aritmie, ipertensione, glaucoma, arteriosclerosi (essendo rigido il vaso non è in grado di rispondere in maniera corretta agli sbalzi pressori), distrofie muscolari e il rene policistico (il gene mutato nel rene policistico si associa a dei canali di calcio, quindi se non è in membrana non permette al canale del calcio di posizionarsi bene e di funzionare fisiologicamente). Per le ragioni espresse in precedenza riguardo le molecole lipofile (modificano lo stato pressorio), bisogna stare attenti alle controindicazioni di questi farmaci, che possono causare come effetti collaterali aritmie ad esempio. Canali voltaggio dipendenti Sono canali con struttura a tetramero, quindi è costituto da quattro subunità, che sono fisicamente distinte (cioè effettivamente 4) nei canali di potassio, mentre in quelli per il sodio e calcio le subunità sono date da un solo mRNA (quindi un sono gene) che codifica per una sola catena polipeptidica (sono omologhe le simil-subunità). 5 Fisiologia: fisiologia cellulare 4 27 settembre 2019 Docente: Ilaria Rivolta Ogni subunità presenta 6 segmenti transmembrana (S1-S6), quindi il canale è un eterotetramero in cui ciascuna subunità presenta 6 segmenti transmembrana. Tra il 5 ed il 6 c’è un loop amminoacido che crea il poro, quindi c’è il filtro di selettività del canale. Il segmento S4 è il sensore del voltaggio, alfa elica molto ricca di cariche positive (lisina o arginina) funziona secondo il modello della sliding helix, ossia: quando si applica uno stimolo depolarizzante (riduce la negatività intracellulare, corrente uscente, la maggior parte di questi canali si apre a seguito di questo stimolo) si ha un accumulo di cariche positive nel citosol, che crea repulsione (4 volte: una per ogni subunità) con il canale determinando la sua apertura. Se il potassio esce, il potenziale della cellula diventa più negativo, quindi si crea una corrente iperpolarizzante, mentre il canale si attiva a seguito di uno stimolo depolarizzante. Infatti se si impone con il voltage clamp un potenziale di -40, si ottiene una corrente piccolina, mentre con un voltaggio di -20, la corrente è più ampia, lo stesso accade con potenziale 0. In questo caso gli ioni potassio escono dalla cellula abbassando il potenziale. I canali esistono in 2 modalità discrete: conduttivo e non conduttivo; lo stimolo del voltaggio fa in modo che il canale, dall’essere chiuso si apre, attivazione del canale. I canali possono esistere sotto due forme: conduttiva e non conduttiva. La variazione del potenziale di membrana fa in modo che il finale, da essere chiuso (sliding helix), si apre, avendo un passaggio tra lo stato conduttivo e non conduttivo-> attivazione. Il canale però quando è aperto si inattiva da solo dopo un po’ di tempo, passa ad un altro stato non conduttivo, uno stato inattivato. Per tornare allo stato chiuso c’è bisogno di riportare il potenziale di membrana a valori negativi, per favorire questa transizione c’è allora bisogno di iperpolarizzare la cellula. Se il canale non passa dallo stato chiuso non può più essere aperto. Se lo stimolo attivante persiste, i canali non possono essere aperti, poichè sono bloccati nello stato inattivato. Il processo di inattivazione può avvenire secondo due modi: • Inattivazione rapida: anche detta di tipo N, si è scoperto che se sl canale di potassio ventina tolto l’Nterminare, perdeva la sua capacità di inattivarsi velocemente. Quindi l’N- terminale funziona come una “palla” che ostruisce il poro, impedendo fisicamente ad altri ioni di utilizzare il canale. Viene anche definita ball and chain per la sua struttura tridimensionale e la sua modalità di azione. Nel canale del sodio questa “palla” si torva la C- terminale • Inattivazione lenta: si è visto che in alcuni canali, pur rimuovendo la ball and chain tramite enzimi proteolitici, il canale è comunque in grado di inattivarsi, ma molto lentamente. Su 6 Fisiologia: fisiologia cellulare 4 27 settembre 2019 Docente: Ilaria Rivolta chiamata di tipo C. Si è visto che richiede che il canale torni nello stato in cui era originariamente, quindi che tutti gli S4 cambino conformazione, per questo motivo è lento. Quando la cellula è a riposo il canale è chiuso, quindi tutti gli S4 sono allineati nel doppio strato fosfolipidico. Nel momento in cui arriva lo stimolo del voltaggio gli S4 scivolano in fuori facendo aprire il canale e permettendo il passaggio di ioni. Se lo stimolo permane nel tempo i canali si inattivano rapidamente, ma gli S4 sono ancora fuori. Si prende il tempo necessario per tornare nello stato chimico chiuso, le S4 ritornano dentro, la ball and chain esce dal poro ed è nuovamente pronta ad essere attivato. La struttura dei canali del sodio e del calcio, pur essendo formati da un solo polipeptide, si riescono a distinguere le subunità. Le subunità alfa del canale sono quelle attraverso cui passano gli ioni, ma il canale ionico in realtà può presentare delle subunità accessorie, ossia proteine più piccole che si associano alla alfa e ne modificano ad esempio la cinetica, lo stato di attivazione, ecc. Nel caso del canale del sodio le subunità sono quelle proteine: una singola proteina con un unico segmento transmembrana (N-terminale molto ampio); quelle del canale del potassio e del calcio sono tantissime e cambiano in base al canale che si va a considerare. 7