Gli scambi tra cellula ed ambiente
Equilibrio osmotico Squilibrio chimico Squilibrio elettrico Equilibrio dinamico Lo scopo dell omeostasi è mantenere l equilibrio dinamico dei compartimenti corporei.
Flusso e driving force Il flusso di un soluto è la quantità di esso che attraversa l area unitaria di una superficie nell unità di tempo.
Flusso unidirezionale e totale Flusso molare unidirezionale (moli/cm 2 sec). n j 1 2 = N A t n = numero di particelle N = numero di Avogadro (6,023 10 23 ) Flusso totale (J s ) J s = j 1 2 - j 2 1 Principio della indipendenza dei flussi.
Modalità di flusso in una soluzione acquosa Flusso di massa Driving force = differenza di pressione Diffusione Driving force = differenza di concentrazione Migrazione in campo elettrico Driving force = differenza di potenziale elettrico
Flusso massivo Flusso di massa, in cui la driving force (forza spingente) è generata da una differenza di pressione idraulica tra regioni diverse della soluzione. J m = k m (P 1 P 2 ) k m = coefficiente di permeabilità massiva o idraulica. Pori idrici > 50 Å Epiteli Endoteli
Filtrazione Solvent drag = sostanze disciolte trascinate insieme all acqua. J f = k f ΔP F f = flusso transmembranale k f = coefficiente di filtrazione membranale
Migrazione in un campo elettrico F e = z k e (V a V c ) z k e = conduttività Elettrodiffusione F ed = k d (C 1 C 2 ) + z k e (V 1 V 2 ) Equazione di Nernst-Planck
Diffusione La diffusione, in cui la forza spingente è generata da una differenza di concentrazione di particelle in zone diverse della soluzione.
La diffusione ha 6 proprietà È un processo passivo che utilizza energia cinetica del movimento molecolare; Le molecole si muovono da un area a concentrazione maggiore verso un area a concentrazione minore;
Equilibrio diffusionale Il movimento netto di molecole si verifica fino a quando la concentrazione diventa uguale ovunque;
È rapida su brevi distanze ma è molto più lenta su grandi distanze È direttamente correlata alla temperatura Il tasso di diffusione è inversamente correlato alla dimensione molecolare
Seconda legge di Fick Il tempo impiegato da una particella per diffondere cresce con il quadrato della distanza. ( x) 2 = 2 D t relazione di Einstein D = k d
Legge di Fick (C a - C b ) J = D A x RT D = coefficiente di diffusione = N (6 r) R = costante dei gas = viscosità del mezzo T = temperatura assoluta r = raggio della molecola N = numero di Avogadro (6,023 10 23 )
Osmosi
La pressione idraulica necessaria per annullare la diffusione osmotica dell acqua viene chiamata pressione osmotica (mmhg) della soluzione. Osmosi Legge di Vant Hoff = n R T /V = pressione osmotica T = temperatura assoluta n = numero di moli formati dalla dissociazione di una molecola di soluto V = volume di soluzione R = costante dei gas
Coefficiente osmotico = n R T /V = coefficiente osmotico
Osmolarità Osmolarità = numero di particelle (ioni o molecole intere) per litro di soluzione (OsM o osmol/l). 1 mole di soluto = 1 osmolare (1 OsM) 0,1 M di glucosio + 0,1 M saccarosio = 0,2 osmolare (0,2 OsM) 1 M NaCl 2 ioni per ogni molecola di NaCl = 2 osmolare (2 OsM) 1 OsM = 22,4 atm = 17 400 mmhg = 231 000 mm H 2 O = 0,515 C aumento P.E. = 1,86 C diminuzione P.C. = 3,2 % NaCl. 1 milliosmole (1 mosm) = 1/1000 di 1 osmole Liquido intracellulare ed extracellulare ~ 300 mosm (280 296 mosm) Isoosmotiche = soluzioni che hanno la stessa osmolarità. Iperosmotica = soluzione la cui osmolarità è maggiore di un altra. Ipoosmotica = soluzione con minore osmolarità di un altra.
Tonicità Tonicità = concentrazione extracellulare dei soluti non permeanti rispetto a quella del liquido intracellulare. Soluzione salina isotonica (fisiologica) = 0,9 % NaCl (300 mosm) Soluzione isotonica = non altera il volume cellulare. Soluzione ipertonica = provoca il raggrinzimento della cellula (Shrinking). Soluzione ipotonica = provoca il rigonfiamento cellulare (Swelling).
Coefficiente di riflessione membranale (σ) oss = teor σ = 1 le particelle non attraversano la membrana. σ = 0 le particelle attraversano la membrana come l acqua. Δπ s = Δπ σ
Classificazione dei trasporti Trasporto = modalità di scambio di sostanze attraverso una membrana cellulare
Diffusione semplice attraverso il doppio strato lipidico La velocità di diffusione dipende dalla capacità della molecola che diffonde di sciogliersi nello strato lipidico della membrana; Il tasso di diffusione attraverso una membrana è direttamente proporzionale all area della superficie di scambio; Il tasso di diffusione attraverso una membrana è inversamente proporzionale allo spessore della membrana. Le molecole lipofile possono diffondere attraverso il doppio strato fosfolipidico
Permeabilità della membrana cellulare J = P (C 1 C 2 ) P = coefficiente di permeabilità della sostanza x (cm/sec) D A K P x = D = coefficiente di diffusione della sostanza nel materiale costitutivo della membrana. K ( ) = coefficiente di ripartizione olio/acqua. x x = spessore della membrana.
Permeabilità membranale agli anelettroliti Cinetica di non saturazione Esempi di sostanze lipofile: gas (CO2, O2, NO, CO, N2), ormoni (steroidei, tiroidei), vitamine (A, D, E, K), farmaci (cortisone, ac acetil salicilico) etanolo.
Diffusione attraverso i canali ionici di membrana Diffusione ristretta
Diffusione non ionica Acido salicilico pk= 3,5 Chinina pk= 8,4 (A) (B) NH 3 out membrana in out membrana in HA HA HA HA H + + A - A - + H + H + + A - A - + H + H +
Caratteri generali dei trasporti mediati Saturazione T m Inibizione competitiva
Trasporti accoppiati Uniporto Cotrasporto
Trasporti mediati passivi Nei trasporti mediati passivi l affinità dei siti di legame per le particelle non cambia ai due lati della membrana. - Possono avvenire solo in favore di gradiente. - Non richiede apporto di energia di origine metabolica.
Modello del flip-flop Trasporti passivi
Diffusione facilitata GLUT (Glucose Transporter) = proteina di 40-60 kda costituite da 12 segmenti di transmembrana. GLUT1-GLUT5 e GLUT7.
Diffusione facilitata
Trasporti mediati attivi Nei trasporti mediati attivi i siti di legame modificano la loro affinità per le particelle ai due lati della membrana. -Possono avvenire anche contro-gradiente di concentrazione. -Richiedono apporto di energia. - Sono arrestati dalle condizioni che alterano la normale attività metabolica.
Modello del flip-flop Trasporti attivi
Trasporto attivo Primario (Pompe ioniche) Trasporto contro gradiente di ioni inorganici (Na +, K +, Ca 2+, H + ). Trasporto gradiente-limitato.
Pompa di scambio Na + /K + Contro-trasporto. Elettrogenicità. Effetto osmotico. Riserva di energia potenziale. ATPasi Na + K + dipendente. Proteina transmembranale: 2 subunità α 100 kda, 2 subunità β 45 kda.
Inibitori: Ouabaina. Glicosidi della digitale: digitossina, digossina. Formula di struttura della Digossina
Pompa del calcio P.M. = 100 kda 10 segmenti di transmembrana PMCA = Plasma Membrane Calcium ATPase SERCA= Smooth Endoplasmic Reticulum Calcium ATPase Tapsigargina (inibitore).
H + /K + ATPasi Omeprazolo = inibitore della pompa Antiulcerosi.
Trasporto attivo Secondario Trasporti accoppiati. Ione motore Na +. Blocco del trasporto da parte dei veleni metabolici. Cotrasporti controtrasporti. Proteine sprovviste di attività ATPasica. Nel cotrasporto lo ione motore aumenta l affinità per la particella trasportata. Nel controtrasporto l affinità è diminuita. e Ione motore K +, Cl - o HCO 3 - Carattere di trasporto attivo e passivo. Anossia, veleni metabolici (cianuro, dinitrofenolo), abbassamento della temperatura estinguono il trasporto attivo sia primario che secondario.
Trasporto attivo secondario SGLT Sodium-dependent GLucose Transporters 1 Glu/ 2 Na + P.M. = 75 kda 15 segmenti di transmembrana Florizina (inibitore) SGLT1 epitelio intestinale SGLT2 tubulo contorto prossimale SGLT3 molti tipi di cellule, epatociti, fibre muscolari.
University of Florida football player Chip Hinton testing out Gatorade in 1965, pictured next to one of its inventors, James Robert Cade.
Trasporti Na + -dipendenti
Citosi Trasporto attivo (con consumo di ATP) che prevede la formazione di vescicole avvolte da membrana che si distaccano dalla membrana plasmatica (endocitosi) oppure si fondono con essa (esocitosi). I meccanismi citotici servono soprattutto per l introduzione o l emissione di macromolecole (proteine, lipoproteine, polinucleotidi, polisaccaridi). Fagocitosi, vescicole con diametro > di 250 nm; Pinocitosi e endocitosi, vescicole con diametro < di 150 nm.
Macrofagi e neutrofili. Fagocitosi Le vescicole (fagosomi) hanno diametri determinati dalle dimensioni della particella fagocitata. Il processo è scatenato da recettori attivati (recettori per Fc, recettori del complemento, recettori di oligosaccaridi di superficie).
Pinocitosi I macrofagi ingeriscono il 25 % del loro volume ogni ora. Ciclo endocitico-esocitico. Fosse rivestite di clatrina - vescicole rivestite di clatrina - endosomi precoci.
Endocitosi mediata da recettore Destino dei recettori: Il recettore ritorna dallo stesso dominio della membrana da cui proveniva, es. recettore delle LDL e della transferrina. Alcuni recettori procedono fino ai lisosomi dove sono degradati. Es. recettore dell EGF.
Esocitosi Vescicole secretorie. Le proteine sono soggette a tagli proteolitici durante la formazione delle vescicole secretorie (encefalina). Le vescicole vengono portate vicino alla membrana plasmatica. L aumento di concentrazione del Ca 2+ determina la fusione delle vescicole secretorie con la membrana plasmatica. Le membrane sono riciclate. Le vescicole sinaptiche si formano dagli endosomi.