La diffusione di ioni attraverso canali ionici ed il potenziale di membrana

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1 La diffusione di ioni attraverso canali ionici ed il potenziale di membrana Cl Ca Gluc Pi Cl Ca macromolecole (es. proteine, acidi nucleici) SPECIE IONICHE leakage channels (K ) Iigand gated channel (Na,K,Ca,Cl) voltage gated channel (K,Na,Ca,H) Il potenziale di membrana dipende da: 1) [ione] in e [ione] out 2) La permeabilità della membrana (canali) 3) Mantenimento di [ione] in (pompe) pump (Ptype ATPase) (K,Na,Ca,H) (not Cl) transporter (sin, antiport) Il potenziale di membrana e utilizzato: 1) in cellule eccitabili per propagare un segnale 2) in quelle noneccitabili come fonte di energia per il trasporto di metaboliti

2 La diffusione attraverso canali ionici ed il potenziale di membrana I CANALI IONICI sono proteine allosteriche di membrana in genere composte da più subunità L attivazione comporta una TRANSIZIONE da uno stato CHIUSO a uno stato APERTO (GATING) con formazione di un poro acquoso che permette il passaggio degli ioni Possono mediare grandi flussi di ioni (10 8 ioni/s) sono responsabili di risposte cellulari veloci (μsec) Cratteristiche fondamentali 1. Si attivano (aprono) e disattivano (chiudono) in risposta a stimoli specifici 2. Conducono ioni attraverso la membrana in direzione del gradiente chimico 3. Selezionano gli ioni che conducono 4. Possono essere regolati (es. mediante fosforilazione) P

3 Meccansimi di gating ed effetti cellulari I canali ionic possono essere attivati da: Segnali extracellulari (IONOTROPICI) stimoli chimici (Ormoni, Neurotrasmettitori) LIGAND GATING Segnali intracellulari (METABOTROPICI) (secondi messaggeri) variazioni di potenziale della membrana VOLTAGE GATING stimoli meccanici (es. recezione di suoni) MECHANICAL GATING L apertura/chiusura : determina variazioni nel potenziale di membrana che può determinare la produzione di secondi messaggeri intracellulari che può determinare la secrezione (di neurotrasmettitori, ormoni) RISPOSTE CELLULARI Sulla cellula recettrice Su cellule adiacenti o lontane

4 Potenziale di membrana Tutte le cellule presentano una DIFFERENZA DI POTENZIALE tra i due lati della membrana plasmatica ( E m o V m ) (misurata in millivolt mv) In cellule animali quiescenti il resting V m è negativo e varia da 40 a 90 mv In cellule attivate V m è generato da Ione [intracell] [extracell] gradiente K 140 (mm) 4 35 Na Ca 2 < Cl Gradiente ionico ( [specie ioniche] in e out) Permeabilità selettiva della membrana (CANALI) In una cellula permeabile ad un solo ione: V m coincide con il potenziale di equilibrio elettrochimico di quello ione membrana impermeabile nessun flusso di ioni membrana permeabile solo a K flusso netto di K la membrana sviluppa un V m negativo flusso di K

5 POTENZIALE DI EQUILIBRIO L equazione di Nernst permette di calcolare il potenziale di equilibrio (E) di uno ione (X) E X = (RT/zF) ln[x] out / [X] in (equazione di Nernst) R = costante dei gas = (J K 1 mol 1 ) F = costante di Faraday = x 10 4 (C mol 1 ) z = valenza dello ione ( = 1 per K, 1 per Cl, 2 per Ca) T = temperatura assoluta per T = 293K (20 C) e con z = 1, RT/zF = 25.2 mv, e ln x = log x E X = 58 log [X] out /[X] in mv ( NB a 37 ) Esempio: se la membrana è permeabile solo a K [K] in = 0.14 M [K] out = M In queste condizioni: E K = 58 mv log[k] out /[K] in = 58 mv log(0.004/0.14) 90 mv E K = 90 mv (è negativo)

6 Potenziale di equilibrio per i principali ioni permeanti Ione [intracell] [extracell] gradiente K 140 (mm) 4 35 Na Ca 2 < Cl E K = RT/zF ln [K] out /[K] in = 58mV log 0.14/0.04 E K = 90 mv (z = 1) E Na = RT/zF ln [Na] out /[Na] in = 58mV log 0.14/0.01 E Na = 67 mv (z = 1) E cl = RT/zF ln [Cl] in /[Cl] out = 58mV log 0.004/0.115 E Cl = 85 mv (z = 1) E ca = RT/zF ln [Ca] out /[Ca] in = 29mV log / E Ca = 189 mv (z = 2)

7 Effetto congiunto deli ioni permeanti sul potenziale di membrana Equazione di Goldman Hodgkin Katz E K = 90 mv E Na = 67 mv E Cl = 85 mv dove P X = permeabilità relativa dello ione X per quella cellula Quando una o più specie ioniche si distribuiscono sui due lati della membrana cellulare, ciascuna tenderà a spostare il valore del potenziale al valore del suo potenziale di equilibrio elettrochimico. Tanto più la membrana è permeabile (P X ) ad una specie ionica, tanto maggiore sarà l effetto che quella specie eserciterà nello spostare il valore del potenziale. Tanto più saranno espressi canali specifici per un dato ione nella membrana, tanto maggiore sarà l efetto che eserciterà nello spostare il valore del potenziale Nelle cellule, la permeabilità più elevata è quella del potassio (leakage channels)

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9 Il potenziale di membrana è una fonte di energia E M (resting potential) = 90 mv: E Na = 67mV: la forza elettromotrice fornita dal Na ΔE = E M E NA = {90 (67)} = 157mV Questa forza è utilizzata per energizzare trasportatori Na/glucosio ed Na/AA cotrasporto Na /glucosio (GLUT5 nell epitelio intestinale) cotrasporto Na /aminoacidi (tutti i tessuti) trasporto attivo che non richiede ulteriore energia metabolica E K = 90 mv Ripolarizzazione Iperpolarizzazione K Na K Na E Na = 67 mv depolarizzazione Ca 2 E Ca = 189 mv depolarizzazione Cl Cl E Cl = 85 mv Iperpolarizzazione Il flusso di ioni ha però l effetto di fare variare il potenziale di membrana, che deve essere poi ripristinato (es. dalla pompa Na/K ATPasi)

10 Esercizio: l iperkaliemia (elevata concentrazione ematica di K ) può derivare dall abuso di diuretici. Supponiamo che [K ] extracellulare salga da 4 a 20mM, mentre quella intracellulare rimanga a 140mM. Supponiamo, inoltre, che la membrana cellulare contenga solo canali passivi per il K (semplificazione). 1) Quale sarà E M in questa condizione? 2) Quale sarà la variazione rispetto al normale E K fisiologico? 3) Quali saranno le conseguenze (es. assorbimento intestinale di zuccheri e AA)? 1) E K = RT/zF ln[k] out /[K] in ricordando che a 37 RT/zF log = 61.5 mv E K = 61.5 log(0.02/0.14) = 52,3 mv NB solo canali K quindi E M E K 2) E K = 90mV (52,3) = 37,7mV E M 3) In condizioni fisiologiche E M E Na = {90 (67)} = 157mV (f.e.m Na) In condizioni di iperkalamia E M E Na = {52,3 (67)} = 119,3mV riduzione al 76% L accumulo intestinale di zuccheri e di AA diminuirà del 24%

11 Recettori ionotropici La risposta cellulare dipende dal TIPO di RECETTORE espresso RECETTORI IONOTROPICI (il RECETTORE è il CANALE stesso) Permeabili ai cationi Permeabili agli anioni Recettori nicotinici per AcCh Na, K (& Ca 2 ) Recettori per il GABA Cl Recettori il Glutammato Na, K (& Ca 2 ) Recettori della Glicina Cl Recettori la Serotonina Na, K (& Ca 2 ) I canali ionici dissipano il gradiente dello ione trasportato ed è necessario ristabilirlo con un movimento attivo opposto. Per Na e K questo è mediato dalla pompa ATPasica Le cellule ECCITABILI (SNC) consumano molto ATP per sostenere l attività della pompa e mantenere il potenziale di membrana. Il loro metabolismo è quasi esclusivamente AEROBIO (maggior rendimento energetico) per soddisfare questa necessità

12 Il Ca come secondo messaggero SECREZIONE (es. rilascio di altri neurotrasmettitori, ormoni). CONTRAZIONE MUSCOLARE Questi fenomeni biologici diversi hanno un denominatore comune sono controllati da variazioni nella concentrazione intracellulare di Ca 2 [intracell] [extracell] gradiente E Ca Ca 2 < 1 mm 1.8mM mv lo ione Ca 2 è un SECONDO MESSAGGERO è un attivatore allosterico di enzimi e proteine strutturali Il forte gradiente elettrochimico forza un flusso di Ca 2 all interno del citosol attraverso la membrana plasmatica a tutti i valori di E M fisiologici la variazione transiente di Ca 2 è uno dei mezzi utilizzati per trasmettere informazioni all interno della cellula [Ca 2 ] int può transientemente aumentare fino a 25 x10 6 M (2050 volte)

13 Eventi cellulari calciodipendenti Gli eventi celulari che sono modulati da Ca 2 a concentrazioni comprese tra i 200 nm e 25μM ( M) sono molteplici: Fosforilazioni e defosforilazioni (enzimi e proteine strutturali) Modulazione dell attività di alcuni Canali ionici Traffico intracellulare (organuli, vescicole) Interazione con altre vie di trasduzione (es DAG/PK) Modulazione di fattori di trascrizione Espressione genica Contrazione Secrezione Ed hanno molteplici conseguenze fisiologiche: Proliferazione cellulare Fertilizzazione Apprendimento Memoria

14 Un eccessivo aumento di calcio causa la morte cellulare A concentrazioni superiori a 5mM il Ca 2 induce processi che portano a danno e morte cellulare (necrosi o apoptosi) mediante l attivazione di una serie di enzimi Agente dannoso Ca 2 La concentrazione intracellulare di Ca 2 è ATTIVAMENTE CONTROLLATA Antiporto Na /Ca 2 (membrana plasmatica) Ca 2 Ca 2 Ca 2 E Na = 157 mv Aumento [Ca 2 ] citoplasmatico Ca 2 ATPasi (membrana plasmatica PMCA, 1 Ca e reticolo endoplasmico SRCA, 2 Ca )

15 I meccanismi che determinano concentrazione citosolica del calcio VoltageGated Ca 2 Channels (VGCC) (membrana citoplasmatica) High Voltage Activated (HVA) (SOGLIA 20/10 mv) Cinetica LENTA LigandGated Ca 2 Channels (LGCC) (membrana reticolo endoplasmatico) L RE è un sistema continuo di cisterne racchiuse da membrana che si estende per tutta la cellula. Una delle sue molteplici funzioni è quella di accumulare attivamente ioni Ca 2 mediante CaATPasi, sottraendolo dal citoplasma. Il calcio accumulato può diffondere al citoplasma attraverso canali ligandgated strettamente controllati da ligandi citoplasmatici. a) recettore della rianodina. Il ligando è il Ca 2 stesso. b) recettore per l InositoloP 3 (IP3), che è un 2 messaggero per un recettore GPCR (es. per la vasopressina). VGCC, LGCC Ca 2 IN CaATPase, Na/Ca antiport Ca 2 OUT Omeostasi

16 I canali metabotropici Sono spazialmente separati dai recettori metabotropici per i segnali chimici esterni. I recettori metabotropici possono essere di diverso tipo (GPCR, RIEA ecc) 1 messaggero recettore attività enzimatica (effettore primario) 2 messaggero Effettore primario, 2 messaggero o segnale a valle canale attivato (dal lato citoplasmatico) Recettori ionotropici e metabotropici hanno diversi tempi di attivazione, durata e tipo di effetto Ionotropici pochims; Ionotropici effetto localizzato; Ionotropici channelopening metabotropici centinaiadi ms (attiv), secondi/minuti( effetto) metabotropici effettopiùdiffuso. (il 2 messaggerodiffonde ampiamente nel citoplasma). metabotropici channelopening&closing.

17 ii canali metabotropici fanno parte di una risposta integrata X X Ca 2 Ca 2 Ca 2 Ca 2 Ca 2