Distribuzione e composizione dei liquidi corporei

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1 Distribuzione e composizione dei liquidi corporei

2 Cavità principali del corpo umano Dee Unglaub Silverthorn, Fisiologia umana 2010 Pearson Italia S.p.A

3 Organizzazione generale dell organismo: un visione semplificata

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5 Compartimenti liquidi dell organismo

6 Compartimenti liquidi del corpo 8% 25% 67% 1,5% (liquido transcellulare)

7 Contenuto in cationi ed anioni dei liquidi corporei

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10 Misura degli spazi idrici (Principio di diluizione di un tracciante) C Q V V Q C Q = quantità del tracciante. V = volume spazio idrico. C = concentrazione tracciante. Q 1 C1 V1 V 2 Q C 2 2 Q 2 Q 1 Volume idrico totale Volume idrico extracellulare Volume plasmatico V 2 C 1 C V H 2 O ossido di deuterio Inulina Blu Evans Urea Tiocianato Albumina iodinata Antipirina

11 LA MEMBRANA CELLULARE e I CANALI IONICI

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13 Prove dell esistenza della membrana I coloranti entrano difficilmente nelle cellule, ma se vengono microiniettati, colorano rapidamente il citoplasma. Una soluzione ipertonica provoca perdita di acqua dalla cellula, mentre una ipotonica la rigonfia (W. Pfeffer). Se si aumenta la pressione di turgore endocellulare oltre un certo limite la cellula esplode.

14 Modelli della membrana plasmatica

15 Evidenziazione delle membrane plasmatiche al microscopio elettronico (1960)

16 Il metodo del criodecapaggio ha permesso la visualizzazione della struttura fine della membrana superficiale (1970)

17 Modello a mosaico fluido

18 Funzioni generali di una membrana cellulare Isolamento fisico Regolazione degli scambi con l ambiente Comunicazione tra cellula e ambiente Supporto strutturale

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21 I lipidi di membrana Fosfolipide Colesterolo

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23 Organizzazione dei lipidi in doppio strato 1925 E. Gorter e F. Grendel 1925 Fricke A C 4 l A = area della membrana = costante dielettrica dei lipidi (6) l = spessore della membrana (50 Å) C = capacità della membrana (1 Farad cm -2 ) Studio della diffrazione ai raggi X della mielina, delle membrane degli eritrociti e dei bastoncelli hanno mostrato una struttura a doppio strato lipidico. Al microscopio elettronico lo spessore della membrana è risultato pari a 70 Å.

24 Fosfolipidi di membrana Dee Unglaub Silverthorn, Fisiologia umana 2010 Pearson Italia S.p.A

25 Formazione del doppio strato fosfolipidico

26 Formazione delle micelle

27 Fluidità del doppio strato lipidico Spettroscopia a risonanza elettronica di spin (ESR).

28 Fluidità del doppio strato lipidico

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30 CARBOIDRATI : I carboidrati di membrana sono generalmente polimeri del glucosio legati alle proteine di membrana (glicoproteine) oppure ai lipidi di membrana (glicolipidi). Essi si trovano esclusivamente sulla superficie esterna della cellula, dove formano uno strato protettivo detto glicocalice. Le glicoproteine sulla superficie della cellula svolgono un ruolo chiave nella risposta immunitaria dell organismo. Un esempio è dato dai gruppi sanguigni ABO, che vengono determinati dal numero e dalla composizione degli zuccheri legati agli sfingolipidi della membrana dei globuli rossi.

31 40% nel monostrato esterno della membrana delle cellule accessorie del sistema nervoso (glia e cellule di Schwann). I glicolipidi Glicolipidi neutri Gangliosidi

32 Zattere lipidiche (lipid raft) Funzione: Segregazione di proteine, Contenuto informazionale degli antigeni di superficie Mantenimento dell asimmetria funzionale delle cellule polarizzate Trasduzione del segnale Ingresso in cellula di molti virus (HIV) Sfingolipidi (in arancione) Fosfatasi alcalina placentare (in giallo)

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34 Proteine della membrana plasmatica Proteine integrali di membrana (proteine intrinseche o di transmembrana) Interazioni idrofobiche con l interno. Proteine associate (proteine periferiche o estrinseche). Interazioni elettrostatiche con le proteine integrali o con i fosfolipidi.

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36 * Da un punto di vista strutturale, le proteine di membrana vengono suddivise in tre categorie : proteine intrinseche, proteine estrinseche e proteine ancorate a lipidi. PROTEINE INTEGRALI : le molecole di queste proteine sono costituite da catene polipeptidiche particolarmente lunghe e variamente convolute, che attraversano più volte il doppio strato lipidico interamente, tramite domini strutturali ad α elica.

37 Struttura delle proteine transmembranali Segmento transmembrana

38 Grafico di idropatia (indice d idropatia)

39 Associazione delle proteine al doppio strato fosfolipidico Associazione a fosfatidil-inositolo Interazioni non covalenti ad altre proteine Singola elica eliche multiple Associazione covalente a lipidi

40 PROTEINE PERIFERICHE : le molecole di queste proteine sono prive di caratteristiche anfipatiche e non attraversano l intero spessore della membrana cellulare. Si legano debolmente a proteine transmembranali o alle regioni polari dei fosfolipidi, sia sul versante extracellulare (proteine di superficie, che sono spesso glicosilate), sia sul versante intracellulare. Le proteine di superficie hanno spesso carattere di enzimi capaci di operare specificamente su substrati che vengano in contatto direttamente con la membrana stessa (ad esempio, nelle cellule dell epitelio intestinale). Le proteine periferiche sul lato intracellulare possono svolgere funzione enzimatica, regolatrice o strutturale. PROTEINE ANCORATE ai LIPIDI : queste proteine sono legate covalentemente a code lipidiche che si inseriscono nel doppio strato, in entrambi i lati della tela fosfolipidica.

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42 Legame tra proteine e lipidi di membrana Legame carbamidico Legame tioeterico

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44 Funzioni delle proteine di membrana Elementi strutturali Enzimi Recettori Trasportatori (canali o carrier)

45 Proteine strutturali Le proteine strutturali di membrana hanno diversi ruoli: 1 - legare la membrana al citoscheletro 2 - formare le giunzioni con le cellule adiacenti 3 - collegare le cellule alle proteine della matrice

46 Gli enzimi

47 I recettori. Queste proteine fanno parte del sistema di trasmissione di segnali chimici. Ogni recettore è specifico per un determinato ligando. Proteine di trasporto. Le proteine di trasporto sono fondamentali per gli scambi tra citosol e matrice extracellulare. Si classificano solitamente in due tipi: canali e carriers.

48 Canali. Solitamente i canali possiedono una apertura centrale che è controllata o meno da un meccanismo che ne permette la chiusura. L apertura o la chiusura del canale può essere controllata da molecole, da voltaggio o meccanicamente Carrier. Queste proteine legano molecole specifiche e le trasportano attraverso la membrana con meccanismi che prevedono cambiamenti conformazionali della proteina stessa.

49 Caratteristiche dei canali ionici L apertura dei canali ionici influenza l equilibrio chimico ed elettrico della cellula determinando flussi di ioni che generano modificazioni rapide del suo potenziale transmembrana. Possono essere aperti chiusi inattivati Pori intramembrana Selettività Permeabilità

50 Selettività dei canali ionici I canali ionici possono avere elevata selettività per una determinata specie ionica o permettere il passaggio di diversi tipi di ioni (Na +, K + e Ca 2+ ). Gli ioni sono circondati da una corona di molecole di H 2 O (solvatazione), la cui dimensione è proporzionale alla concentrazione della carica elettrica ionica. Ione con raggio atomico piccolo maggiore concentrazione carica maggiore solvatazione Carica: Na+ = K+ Dimensioni (raggio atomico): Na + < K + Idratazione (raggio solvatazione): Na + > K +

51 Selettività dei canali ionici Dimensioni ioniche Carica dello ione Energia di idratazione Diametro del poro

52 La selettività dipende da uno specifico filtro molecolare, costituito da residui aminoacidici polari (regione P), che stabiliscono legami labili con lo ione. Lo ione lascia una parte rilevante di molecole di H2O, si lega per un tempo brevissimo (< s) al sito specifico e attraversa il canale spinto dal gradiente elettrochimico.

53 Canale del K +

54 Selettività del canale del K + e del Na +

55 Canali presenti nelle membrane cellulari: Passivi: sempre aperti, il flusso ionico è determinato dalla forza elettrochimica esistente tra i due versanti della membrana. Coinvolti nella genesi del potenziale di membrana. Ad accesso variabile: possiedono un meccanismo che ne regola l apertura a seguito di stimoli specifici di natura elettrica (voltaggio-dipendenti), chimica (ligando-dipendenti) o meccanici. Responsabili dell insorgenza di segnali elettrici nelle cellule eccitabili Canale sempre aperto Canale a cancello: solitamente chiusi si aprono in risposta ad un fattore specifico

56 La direzione del flusso ionico dipende dal gradiente elettro-chimico esistente ai lati della membrana: Gradiente di concentrazione (forza chimica) Differenza di potenziale elettrico (forza elettrica)

57 Canali ionici passivi (Na +, K + ) (non-gated channels) Leakage = flusso ionico

58 Permeabilità dei canali ionici Apertura e chiusura dei canali ionici ad accesso variabile Canali ionici aperti da ligandi. Canali ionici aperti da fosforilazione. Canali ionici aperti dal voltaggio (voltaggiodipendenti). Canali ionici aperti da stiramento. Canali ionici delle gap junction.

59 Canali ionici aperti dal voltaggio (Na +, K + e Ca 2+ ) Questi canali possiedono una porzione particolarmente sensibile alle variazioni del voltaggio (sensore). Il movimento delle cariche di questa zona sembra responsabile dell apertura del cancello di attivazione.

60 Canali ionici aperti da ligandi Sono canali il cui stato di apertura è regolato da un segnale chimico (es. neurotrasmettitore) Recettore-canale dell acetilcolina

61 Pur perdurando lo stimolo specifico che determina l apertura del canale, il transito degli ioni è impedito. Chiusura del canale ad opera dello stesso stimolo che lo ha aperto. Dipendenza dal voltaggio: Il perdurare delle modificazioni del voltaggio causa un cambiamento conformazionale di una regione del canale (canale del Na+). Dipendenza dallo ione: Lo ione trasportato si lega al canale bloccandolo (canali del Ca 2+ ). Inattivazione Dipendenza dalla defosforilazione Un canale dallo stato aperto può passare a quello chiuso o refrattario. Una volta inattivato torna allo stato aperto solo se passa attraverso lo stato chiuso.

62 Giunzioni comunicanti (gap)

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