LA CELLULA ED I TRASPORTI ATTRAVERSO LA MEMBRANA PLASMATICA

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1 LA CELLULA ED I TRASPORTI ATTRAVERSO LA MEMBRANA PLASMATICA

2 LA FUNZIONE E IL PROCESSO La funzione di un sistema o evento fisiologico è il perché il sistema esiste. Il processo indica la modalità attraverso la quale accadono gli eventi, cioè il come di un sistema. Ruolo della fisiologia è integrare funzione e processo in un quadro coerente.

3 VARIABILITA AMBIENTALE E OMEOSTASI un cambiamento esterno innesca un cambiamento interno innesca una reazione Le risposte coordinate dell organismo, che hanno la finalità di mantenere la stabilità interna, rientrano in un processo chiamato omeostasi. L omeostasi e la regolazione dell ambiente interno sono principi centrali della fisiologia. L alterazione dei meccanismi omeostatici si ripercuote negativamente sul normale funzionamento dell organismo. lo stato normale Ripristina o tende a ripristinare

4 GLI AMBIENTI INTERNO ED ESTERNO La coordinazione delle risposte dell organismo a stimoli esterni richiede che le cellule del corpo comunichino tra loro rapidamente e con efficienza. La comunicazione tra cellule utilizza segnali chimici. Il sistema nervoso aumenta la velocità di comunicazione cellulare. L integrazione e la coordinazione delle risposte ha luogo nel sistema nervoso e nelle cellule endocrine e immunitarie. I processi biologici richiedono un continuo rifornimento di energia.

5 LA LEGGE DELL EQUILIBRIO EQUILIBRIO DI MASSA La quantità di sostanza o di energia nel corpo rimane costante, l introito deve essere bilanciato da un uguale perdita Quantità totale di sostanza x presente nell organismo = entrate + produzione - perdite La velocità di produzione, di introduzione e di eliminazione è espressa come flusso di massa Flusso di massa (quantità/minuto) = concentrazione (quantità/volume) x flusso di volume (volume/minuto) L equilibrio di massa permette di mantenere costanti le concentrazioni di alcune sostanze, quali l ossigeno e l anidride carbonica, l acqua, i sali, lo ione idrogeno

6 LA CELLULA RAPPRESENTA LA BASE DI PARTENZA NELLO STUDIO DELLA FISIOLOGIA UMANA IN QUANTO VA CONSIDERATA L UNITA FUNZIONALE PER IL CORRETTO MANTENIMENTO DELLA OMEOSTASI.

7 DISTRIBUZIONE DELL ACQUA NEI COMPARTIMENTI IDRICI

8 LA STRUTTURA DELLA MEMBRANA PLASMATICA PERMETTE: - SCAMBI DI SOSTANZE TRA CELLULE - SCAMBI DI SOSTANZE TRA CELLULE ED AMBIENTE ESTERNO I PRICIPALI COMPONENTI DELLA MEMBRANA PLASMATICA SONO 1. FOSFOLIPIDI: sono formati da una testa di glicerolo fosforilato e da due code di acidi grassi. 2. GLICOLIPIDI 3. COLESTEROLO 4. PROTEINE

9 Le membrane biologiche: Struttura Sono costituite da lipidi e proteine I fosfoplipidi in ambiente acquoso tendono a disporsi in doppio strato perché sono anfipatici (testa idrofila e coda idrofoba)

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11 Modello a mosaico fluido Modello a mosaico fluido (Singer e Nicolson, 1972): doppio strato fosfolipidico fluido nel quale si muovono le proteine (modello dinamico)

12 Le membrane plasmatiche sono simili a cristalli liquidi: i fosfolipidi sono disposti ordinatamente con teste all esterno e code all interno, le code idrocarburiche sono in continuo movimento Le proteine sono libere di ruotare e di muoversi lateralmente all interno di un singolo strato La membrana si comporta da fluido bidimensionale La fluidità deve essere ottimale

13 Fluidità della membrana Dipende dalla componente lipidica (i grassi insaturi aumentano la fluidità impedendo le interazioni fra i lipidi) Il colesterolo (nelle cellule animali) ed altri steroidi (nelle cellule vegetali) sono idrofobi, ma hanno un ossidrile che può interagire con le teste idrofile dei fosfolipidi. A basse T fungono da spaziatori (aumentando la fluidità) Ad alte T stabilizzano la membrana aumentando le interazioni con la parte idrocarburica vicina alla testa fosfolipidica

14 Proteine integrali e periferiche Proteine integrali: sono saldamente legate alla membrana, sono anfipatiche, alcune attraversano una o più volte tutta la membrana (proteine transmebrana) Proteine periferiche: sono associate alla superficie interna o esterna della membrana, spesso legate alle porzioni esposte delle proteine integrali; possono essere facilmente rimosse

15 Funzione delle proteine di membrana Ancoraggio (integrine) Trasporto passivo Trasporto attivo Attività enzimatica Attività recettoriale e trasduzione del segnale Riconoscimento cellulare Giunzione intercellulare

16 Le membrane biologiche sono selettivamente permeabili Sono permeabili a molecole idrofobe e di piccole dimensioni e impermeabili a quelle polari Sono permeabili a molecole di acqua (polari ma piccole), ai gas (CO2, O2, N2), ad altre molecole piccole polari (glicerolo), molecole grandi apolari (idrocarburi) Sono permeabili a ioni, zuccheri, AA grazie alle proteine di trasporto (carrier e proteine canale)

17 DIFFUSIONE SEMPLICE C1 C2 La diffusione semplice è il risultato del movimento termico casuale di molecole La diffusione netta del soluto costituisce il flusso (J) e dipenderà dalle variabili seguenti: -gradiente di concentrazione (C1 - C2) - coefficiente di ripartizione (K) - coefficiente di diffusione (D) - spessore della membrana (d) - superfice disponibile per la diffusione (A)

18 Coefficiente di diffusione

19 La prima legge di Fick della diffusione dm/dt=d x A/d x (c1-c2) Dove m = massa della sostanza t = tempo La Permeabilità (P) riunisce le caratteristiche della membrana e della sostanza che diffonde, per cui la legge di Fick diventa dm/dt = P x A x Δc

20 La Diffusione netta J = P x A x Dc nella quale La diffusione netta è direttamente proporzionale al gradiente di diffusione

21 Cinetica della diffusione Quanto maggiore è la superficie della membrana tanto maggiore è l efficienza della diffusione. Quanto minore è lo spessore della membrana tanto maggiore è l efficienza della diffusione. Quanto maggiore è il coefficiente di diffusione della molecola nella membrana tanto maggiore è l efficienza della diffusione La permeabilità della membrana plasmatica ad una particolare sostanza aumenta con l aumentare della liposolubilità della sostanza. K rappresenta il coefficiente di ripartizione OLIO DI OLIVA/ACQUA. A parità di K, la permeabilità della m. a due composti diminuisce con l aumentare del PM.

22 Le sostanze che diffondono liberamente attraverso la membrana plasmatica sono: - acqua - anidride carbonica - ossigeno - etanolo - urea - sostanze liposolubili Al contrario la membrana plasmatica è difficilmente attraversabile - dagli zuccheri - da molecole con cariche elettriche - dai piccoli ioni

23 COMPOSIZIONE APPROSSIMATIVA DEI LIQUIDI EXTRACELLULARE E INTRACELLULARE

24 OSMOSI Osmosi: flusso di acqua che si ha attraverso una membrana semipermeabile a causa della differenza di concentrazione di un soluto

25 OSMOLARITA Osmolarità: concentrazione di particelle osmoticamente attive in una soluzione in cui

26 PRESSIONE OSMOTICA Pressione osmotica (P): la forza di spinta dovuta al flusso osmotico di acqua o meglio la forza esercitata sul pistone per controbilanciare il flusso di acqua da 2 a 1.

27 Due soluzioni separate da una membrana semimpermeabile possono essere isotoniche, ipertoniche o ipotoniche Una cellula in un mezzo ISOTONICO (NaCl 0.9%) è in equilibrio osmotico In un mezzo IPERTONICO (Na Cl 1.3%) cede acqua all ambiente e si raggrinzisce In un mezzo IPOTONICO (NaCl 0.6%) la cellula acquista acqua dall ambiente e si rigonfia fino a scoppiare (lisi osmotica)

28 Trasporto carrier-mediato Si suddivide in DIFFUSIONE FACILITATA e TRASPORTO ATTIVO in base a caratteristiche particolari e alla richiesta di energia

29 DIFFUSIONE FACILITATA La diffusione passiva avviene secondo gradiente di concentrazione (movimento netto di particelle: Conc.> Conc.<) utilizzando l energia immagazzinata dal gradiente. Il processo è spontaneo. Nella diffusione facilitata, la membrana è resa permeabile a sostanze idrofile (ioni e molecole polari) grazie alla presenza di proteine canele e carrier. Il trasporto è sempre secondo gradiente, ma va a saturazione.

30 ESEMPIO DI DIFFUSIONE FACILITATA: TRASPORTO DEL GLUCOSIO TRAMITE CARRIER Il carrier del glucosio negli eritrociti è la Glucosiopermeasi. Il trasporto avviene secondo il gradiente di concentrazione mantenuto dalla conversione del GLU in GLU 6P (che non può attraversare la membrana plasmatica essendo carico). Indirettamente, per mantenere il gradiente di concentrazione del glucosio, si utilizza ATP necessario alla fosforilazione

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33 Trasporto attivo primario utilizza l energia dell idrolisi di ATP per trasportare ioni contro gradiente di concentrazione elevata specificità può trasportare un solo tipo di ione o possono essere scambiati ioni diversi sui due lati della membrana può essere elettrogenico o elettroneutro permette il mantenimento di gradienti di concentrazione stabili ai lati della membrana cellulare TRASPORTI ATTIVI PRIMARI H + Pompa Na + /K + Pompa K + /H + Pompa del Ca 2+ Pompa del H + 3Na + /2K + 4H + /4K + 2Ca2+ 2H+ (1 ATP)

34 TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO: POMPA Na/K Pompa sodio-potassio: è una proteina. di membrana che trasporta attraverso la membrana plasmatica 2 K+ e 3 Na+ contro il loro gradiente di concentrazione. A cavallo della membrana si stabilisce così un gradiente elettrochimico (differenza di concentrazione e di carica elettrica) che genera il potenziale di membrana.

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37 Trasporti attivi secondari i trasporti attivi secondari trasferiscono molecole non permeabili attraverso la membrana plasmatica oppure contro gradiente utilizzando come fonte di energia i gradienti ionici creati dai trasporti attivi primari non richiedono ulteriore energia metabolica

38 TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO sodio dipendente sfrutta il gradiente del Na + vengono scambiati: glucosio, amino acidi, prodotti metabolici, ioni invertendo il gradiente di Na + si invertono i flussi. Cotrasporto Na-glucosio (intestino e rene)) Cotrasporto Na-aminoacidi (intestino) Cotrasporto Na-K-2Cl Controtrasporto Na-H (rene) Controtrasporto Ca-Na (muscolo)

39 Cotrasporto sodio glucosio. Le cellule dell endotelio intestinale assorbono il glucosio dal lume intestinale mediante cotrasporto sodio/ glucosio. La pompa Na/K genera il gradiente elettrochimico per il sodio, mediante l utilizzo di ATP. Il glucosio, mediante diffusione facilitata passa dalla cellula epiteliale alsangue.

40 Esempi di trasporti attivi secondari non Na + -dipendenti: L antiporto Cl - /HCO 3 - a.c. FUNZIONE: - eliminazione del bicarbonato prodotto dalla cellula,sfruttando il gradiente del Cl - ERITROCITI: - nei globuli rossi del sangue venoso si producono grandi quantità di HCO 3 dall idratazione della CO 2. HCO 3- esce secondo gradiente per contro-trasporto del Cl - CELLULE DELLA MUCOSA INTESTINALE: - membrana luminale (intestino crasso): gli ioni Cl - entrano, HCO 3- passa nel lume intestinale.

41 Trasporto attivo secondario: antiporto Na/Ca

42 TRASPORTO ATTRAVERSO LE MEMBRANE CELLULARI Tipo di trasporto Attivo o Passivo Mediato da carrier Richiesta di energia Diffusione Passivo No No No Diffusione facilitata Passivo Si No No Dipendente dal gradiente del sodio Trasporto attivo primario Cotrasporto Controtrasporto Attivo Si Si, diretta Attivo secondario Attivo secondario Si Si, indiretta No Si. I soluti si muovono nella stessa direzione degli ioni Sodio attraverso la membrana plasmatica Si Si Si. I soluti si muovono in direzione opposta degli ioni Sodio attraverso la membrana plasmatica

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