Membrane Biologiche Caratteristiche delle membrane biologiche 1. Le membrane sono strutture a foglio che formano setti di separazione tra compartimenti con composizione diversa tra loro. 2. Sono costituite principalmente da lipidi e proteine (1:4-4:1); contengono carboidrati legati sia ai lipidi che alle proteine. 3. I lipidi sono molecole relativamente piccole e formano spontaneamente strati bimolecolari in mezzo acquoso. Costituiscono una barriera che impedisce il flusso di molecole polari. 4. Proteine specifiche mediano funzioni caratteristiche della membrana in cui si trovano. 5. Le membrane sono aggregati non-covalenti fluidi. 1
Proprietà dei fosfolipidi Il doppio strato lipidico è per lo più impermeabile agli ioni Idrofobiche O 2, CO 2, N 2 Piccole, polari, neutre H 2 O, Urea, glicerolo Grandi, polari neutre Glucosio, saccarosio Ioni H +, Na +, HCO 3-, K + Ca 2+, Cl -, Mg 2+ 2
Caratteristiche del trasporto attraverso doppio strato lipidico Proteine Recettoriali 3
Canali Costituiscono un poro nella membrana che permette il passaggio di ioni, cioè trasferimento di cariche. I canali sono selettivi Canali regolati 1. Voltaggio-dipendenti 2. Chemio-dipendenti 3. Meccano-dipendenti 4
Trasportatori Diffusione semplice: sostanze permeabili 5
Diffusione facilitata L entità della diffusione dipende dal numero dei trasportatori (fattore limitante) Necessità di un gradiente di concentrazione. Al raggiungimento dell equilibrio la diffusione si arresta Trasporto del glucosio 6
Sinporto sodio-glucosio: trasporto attivo secondario POMPE: trasporto attivo primario contro gradiente 7
Endocitosi mediata da recettore e esocitosi 8
FAGOCITOSI Meccanismo utilizzato dai fagociti per distruggere agenti infettanti quali batteri e altre particelle estranee Transcitosi: endotelio capillare 9
La permeabilità selettiva delle membrane biologiche dà origine a compartimenti (intracellulare e extracellulare) chimicamente e elettricamente differenti (disequilibrio chimico), ma con la stessa concentrazione totale di soluti. mm Na + K + Cl - HCO - 3 grandi anioni proteine Liquido intracellulare Liquido extracellulare 10 140 140 5 5 35 10 35 190 0 Le cellule viventi utilizzano energia per mantenere il disequilibrio chimico ma sono in equilibrio osmotico (cioè l acqua è distribuita omogeneamente) Diffusione dell acqua: pressione osmotica L acqua è il solvente per tutta la materia vivente e si sposta liberamente tra le cellule e il liquido extracellulare Volumi dei vari compartimenti per un uomo di 70 Kg (25 anni) 60% del peso corporeo è dovuto all acqua 10
Tonicità: dipende dalla concentrazione dei soluti non diffusibili Equilibrio osmotico Equilibrio osmotico tra liquido intracellulare e liquido extracellulare (e plasma) mm Na + K + Cl - HCO 3 - grandi anioni proteine Liquido intracellulare Liquido extracellulare 10 140 140 5 5 35 10 35 190 0 Ma non c è equilibrio chimico!!!! E le cariche elettriche? 11
COMPOSIZIONE CHIMICA DELLA CELLULA K + è lo ione (catione) prevalente nella cellula Na + è lo ione (catione) prevalente nel liquido extracellulare Cl - è lo ione (anione) prevalente nel liquido extracellulare Ioni fosfato e proteine (anioni) sono prevalenti nella cellula SQUILIBRIO ELETTRICO TRA cellula e liquido extracellulare Potenziale di membrana a riposo L equilibrio osmotico NON richiede che le specie ioniche nel liquido intra/extra siano uguali. La presenza nelle membrane cellulari di canali ionici selettivi non regolati induce una ineguale distribuzione degli ioni tra liquido intracellulare ed extracellulare. Questa differenza di composizione è mantenuta attraverso l attività di pompe ioniche proteiche (Na + -K + -ATPasi) ESEMPI: Fibra muscolare: -90 mv Globulo rosso: -10 mv Adipociti: -40 mv Cellule gliali: -75 mv 12
La membrana cellulare (isolante) consente una separazione di cariche Doppio strato lipidico Presente una pompa Equilibrio osmotico, elettrico e chimico Si forma un gradiente elettro-chimico e si mantiene l equilibrio osmotico La presenza di canali conferisce permeabilità selettiva alla membrana 13
Il potenziale di membrana a riposo è dovuto principalmente al Potassio Cellule nervose e muscolari: da -40 a -90 mv Potenziale elettrochimico Energia potenziale posseduta da una mole di ioni in funzione della loro concentrazione e del potenziale elettrico Permette di confrontare il contributo relativo del: gradiente chimico (concentrazione dello ione) e del gradiente ellettrico (carica dello ione) 14
Condizioni da rispettare 1. Legge di conservazione della carica elettrica (l organismo è elettricamente neutro). 2. Cariche opposte si attraggono, mentre cariche dello stesso tipo si respingono. 3. La separazione delle cariche richiede energia. 4. La concentrazione osmotica degli ioni e delle molecole in soluzione nel citoplasma deve essere uguale a quella del liquido extracellulare Na + /K + -ATPasi Le variazioni del potenziale di membrana sono dovute a flussi ionici dovuti all apertura di canali regolati selettivi che provocano variazioni nelle condizioni di equilibrio. Il ripristino delle condizioni iniziali è dovuto all attività della pompa Na/K ATPasi. Questa pompa è definita elettrogenica, in quanto trasporta 3 ioni sodio dal citoplasma al liquido extracellulare e 2 ioni potassio nella direzione opposta. 15
Membrane eccitabili Capaci di sviluppare variazioni del potenziale di riposo (segnali) grazie alla presenza di canali selettivi regolati. Tali segnali elettrici possono essere di due tipi, a seconda della distribuzione e del tipo di canale regolato presente in membrana: Potenziali locali Potenziali propagati Potenziali locali Potenziali propagati Si trasmettono con decadimento di segnale Sono graduati La loro durata è comparabile a quella degli stimoli che li generano Sono sommabili Non presentano refrattarietà Sono caratterizzati da un elevata velocità di propagazione Hanno intensità (ampiezza) costante Sono segnali transitori Non sono sommabili Presentano refrattarietà, ma sono caratterizzati da una frequenza di scarica 16
SOMA Comunicazione tra cellule del sistema nervoso e tessuti bersaglio Cono di insorgenza Dendriti: ricevono segnali in entrata Assoni: trasmettono segnali in uscita Nervo: insieme di assoni Sinapsi: regione di comunicazione tra due cellule. Costituita da: terminale presinaptico, fessura sinaptica, membrana post-sinaptica I neuroni 17
Cellule nervose Meccanismi di trasmissione del segnale: Conduzione assonale Trasmissione sinaptica Sinapsi: Elettriche o Chimiche I segnali inviati possono essere di due tipi: eccitatori inibitori Comunicazione tra cellule I segnali-messaggi possono essere: elettrici o chimici Il messaggio deve avere le seguenti caratteristiche: 1. Contenere informazione 2. Essere indirizzato 3. Essere trasmesso a una velocita definita Tipo Elettrico Chimico contenuto positivo (+) o negativo (-) varieta di messaggeri indirizzamento velocita poco versatile; richiede rete di distribuzione molto rapido la struttura dei messaggeri contiene l indirizzo: selettivo trasporto per diffusione o come fluido di massa 18
I potenziali locali si generano a livello della sinapsi Caratteristiche dei potenziali locali 1. Si trasmettono con decadimento di segnale; 2. Sono graduati; 3. Sono di durata comparabile allo stimolo che li ha generati; 4. Sono sommabili; 5. Non presentano refrattarietà 19
Sono sommabili 20
Potenziali propagati o d azione Quando non c è sommazione: Quando c è sommazione: Potenziali d azione Canali voltaggio-dipendenti selettivi: si aprono in risposta a una variazione del potenziale di membrana di entità pari al valore richiesto dal canale per aprirsi (= valore soglia del potenziale) 21
Caratteristiche dei potenziali d azione 1. Si trasmettono mantenendo l ampiezza di segnale; 2. Si propagano ad alta velocità; 3. Sono transitori; 4. NON sono sommabili; 5. Presentano refrattarietà 6. Caratterizzati da frequenza di scarica Confronto tra potenziali graduato d azione Tipo di segnale In entrata Segnale di conduzione Dove Canali ionici coinvolti Ioni coinvolti Intensità del segnale Innesco Caratteristiche peculiari Dendriti e soma Chemio o meccanodipendenti Na + (depolarizzante) K +, Cl - (iperpolar.) Graduata Flusso ionico attraverso canali Non è richiesto uno stimolo minimo Sommabili Dalla zona trigger lungo l assone Voltaggio-dipendenti Na +, K + (depol.) Costante Potenziale graduato sovrasoglia Non sommabili Refrattarietà 22
Propagazione del potenziale d azione lungo l assone Il potenziale locale sopra-soglia L entrata di Na + depolarizza la membrana e si aprono altri canali per l Na + Conduzione saltatoria in assoni mielinizzati 23