fisiologia 2014-2015 di bracotti francesco

N° 3431

FISIOLOGIA 2014-2015

DI BRACOTTI FRANCESCO

Centro stampa Copysprinter – Stampa Autorizzata dall’autore 1 di 410


OPROFESSORE

INTERNO

Dipartimento di Scienza e Tecnologia del Farmaco

Facoltà di Farmacia

FISIOLOGIA GENERALE

Prof.

Carbone

a.a. 2014/2015



Introduzione 1

Orario: (6 ore settimanali di teoria, più esercitazioni a metà e fine corso per un totale di 65 ore di teoria + 10 ore di esercitazioni)

Martedì 2 ore

Giovedì 2 ore

Venerdì 2 ore

Esami (scritto e orale): 8 appelli Fine Gennaio Metà Luglio Metà Febbraio Inizio Settembre Inizio Giugno Fine Settembre Fine Giugno Inizio Ottobre

Prove in itinere: una a metà e l'altra alla fine del corso (frequenza obbligatoria)

Avvisi e appunti: vedi sito della Facoltà di Farmacia

Ricevimento studenti: Lunedì pomeriggio

Per informazioni: Dip. di Scienza e Tecnologia del Farmaco Lab di Fisiologia Cellulare e Neuroscienze

Molecolari (PhyNe), Corso Raffaello 30 E-mail: [email protected]

Web-site : http://www.personalweb.unito.it/emilio.carbone/

Propedeuticità: Si consiglia di superare gli esami di Anatomia e Biologia; meglio se si supera anche Fisica e Chimica Generale

Non esiste alcuna propedeuticità imposta dal C.C.S.

Introduzione 2

Fisiologia Generale

Laurea Magistrale in Farmacia (2° anno)

Prof. Carbone Emilio Dipartimento di Scienza e Tecnologia del Farmaco

Lab di Fisiologia Cellulare e Neuroscienze Molecolari

Corso Raffaello 30, 10125-Torino

Obiettivi formativi: Il corso intende fornire le basi molecolari e cellulari del

funzionamento dei diversi organi che compongono il corpo umano utilizzando le

nozioni di Biologia, Fisica e Chimica apprese negli anni precedenti. Il corso è al 2°

semestre e comprende 65 ore di lezione frontali e 10 ore di attività di ripasso,

spiegazioni ed esercitazioni alle prove scritte in itinere per un totale di 10 CF. Il corso è

propedeutico agli insegnamenti di Farmacologia e Patologia svolti negli anni successivi.

Requisiti: Si raccomanda di aver superato gli esami di Anatomia, Biologia Generale e

Fisica.

Esame: Prova orale. Si prevedono due prove in itinere valide come esame finale.

I Modulo (30 ore di lezione)

Neurofisiologia

Fisiologia delle membrane - Le membrane cellulari: proteine di membrana e fosfolipidi. La

diffusione. Osmosi e osmolarità. Diffusione di ioni attraverso membrane: l’equilibrio di Gibbs-

Donnan, i gradienti stazionari ionici e le pompe ioniche. Trasporto passivo di membrana: diffusione

semplice, facilitata e attraverso canali ionici. Trasporto attivo: le pompe Na+/K+, H+/K+, la Ca2+-

ATPasi e l’H+-ATPasi. Cotrasporto e controtrasporto. Endocitosi ed esocitosi. Le giunzioni

intercellulari: comunicanti e serrate. Trasporto ionico attraverso epiteli.

(5 ore di lezione)

Elettrofisiologia della membrana cellulare - Proprietà passive di membrana: capacità e

resistenza. Equilibri chimici: il potenziale elettrochimico, la legge di Nernst, il potenziale di riposo e

l’equazione di Goldmann. Le basi molecolari del potenziale d’azione: l’ipotesi del sodio e il modello

di Hodgkin-Huxley. Il “voltage-clamp” ed il “patch-clamp”. Canali ionici voltaggio-dipendenti: i

canali del Na+, K+ e Ca2+. Canali ionici attivati da recettori.

(7 ore)

Il sistema nervoso - Struttura del neurone. Potenziale graduato e propagazione elettrotonica.

Propagazione di impulsi nervosi: la conduzione saltatoria. La sinapsi elettrica e chimica. Potenziali

pre- e post-sinaptici. Sinapsi inibitorie ed eccitatorie. Neurotrasmettitori e recettori. Vescicole pre-

sinaptiche e la natura quantica del rilascio vescicolare. La neurosecrezione: ruolo del calcio. Vari tipi

di neurotrasmettitori e loro azione. L’integrazione sinaptica. Plasticità e facilitazione sinaptica.

(6 ore)



Introduzione 3

I meccanismi sensoriali - Caratteristiche dei trasduttori sensoriali. Recettori fasici e tonici.

Legge di Weber e Fechner. Il sistema somato-sensoriale. Meccanocettori: tipi e funzioni. Le vie

meccanosensoriali. Il dolore: recettori, iperalgesia, riflesso assonico. Il dolore riferito. La "gate" del

dolore. L’occhio e la formazione dell’immagine retinica. I fotorecettori e loro risposta alla luce: i

canali attivati dal cGMP, la trasducina e il ciclo della rodopsina. L’organizzazione retinica: cellule

bipolari, orizzontali, amacrine e ganglionari. Cellule a centro ON e a centro OFF. La corteccia e

l’organizzazione visiva. L’orecchio: la coclea e la propagazione delle onde sonore. L’apparato

vestibolare: struttura e funzione. Chemocettori: il sistema gustativo e olfattivo.

(6 ore)

I muscoli - Il muscolo scheletrico: struttura e funzione. La contrazione muscolare: slittamento dei

ponti trasversi e curva tensione-lunghezza, il ruolo del calcio e dell’ATP. L’accoppiamento

eccitazione-contrazione: i tubuli T, il reticolo sarcoplasmatico e il calcio intracellulare. Biofisica del

muscolo scheletrico: contrazione isometrica e isotonica, elementi contrattili in serie e in parallelo. La

scossa muscolare e il tetano. Unità motorie.. Il muscolo cardiaco: contrazione e potenziali d’azione

cardiaci. Il muscolo liscio: contrazione e regolazione neuroormonale dei muscoli vasali e viscerali.

(6 ore).

II Modulo (35 ore di lezione)

Fisiologia degli Organi e dei Sistemi

Il cuore - Composizione del sangue. Le parti costituenti il circolo. Il miocardio: struttura,

generazione e propagazione dell’eccitamento. Foci ectopici e fenomeni di rientro. I potenziali

d’azione cardiaci. Ruolo del Ca2+ nell’accoppiamento eccitazione-contrazione. Controllo nervoso

dell’attività cardiaca: modulazione muscarinica e b-adrenergica. Il centro vasomotorio.

L’elettrocardiogramma: misura e significato. La pompa cardiaca: e i toni cardiaci. Il ciclo P-V e il

lavoro cardiaco. Controllo della gettata cardiaca. La legge di Starling e il controllo estrinseco

ormonale. Dinamicità cardiaca durante stimolazione simpatica.

(5 ore)

Il sistema vascolare - Emodinamica: resistenza di un condotto e legge di Poiseuille. Il sistema

arterioso: la pressione arteriosa, la resistenza periferica, la compliance arteriosa e il polso pressorio.

Controllo arteriolare locale, nervoso e ormonale. La microcircolazione e i capillari. L'endotelio

vasale come regolatore di flusso. Le vene. I barocettori, il centro vasomotore e il controllo della

pressione arteriosa. Effetti della gravità. Aspetti fisiologici dell'ipertensione.

(6 ore)

Introduzione 4

Fisiologia della respirazione - Struttura e funzione del sistema respiratorio. La meccanica

respiratoria. La pressione alveolare e pleurica. Fattore tensioattivo e legge di Laplace. Il lavoro

respiratorio. Volumi e capacità polmonari. Ventilazione alveolare e fisica degli scambi gassosi. La

membrana respiratoria. Capacità di diffusione polmonare e rapporto ventilazione-perfusione. La

circolazione polmonare e bronchiale. PO2 e PCO2 alveolare e cellulare. Trasporto di O2: l’emoglobina

e la mioglobina. Curva di dissociazione O2-emoglobina: effetto Bohr, della temperatura e del 2-3

DPG. Trasporto di CO2: l’effetto Haldane, l’anidrasi carbonica e l’effetto Hamburger. Capacità

tampone dell'H2CO3/HCO3-. Stati di acidosi e di alcalosi. Controllo della respirazione: i centri bulbo-

pontini, i recettori di stiramento polmonare e i chemocettori. Regolazione del pH plasmatico.

(7 ore)

La funzione renale - I liquidi corporei. Struttura del rene: il nefrone e il circolo renale. La

filtrazione glomerulare: pressioni e regolazione. Clearance renale: l’inulina, la creatinina e il PAI.

Clearance del glucosio. Formazione e composizione dell’urina: meccanismi molecolari di

riassorbimento e secrezione dei tubuli renali. Riassorbimento di Na+, Cl-, H2O, glucosio e

aminoacidi. Meccanismi di concentrazione dell’urea. Escrezione di urea, Na+ e K+. Riassorbimento

del Na+ mediante l’aldosterone. L’ansa di Henle e il meccanismo di moltiplicazione in

controcorrente. La macula densa e il sistema renina-angiotensina-aldosterone. Regolazione del

volume plasmatico e del liquido extracellulare: l’ADH, i volumocettori e gli osmocettori.

Regolazione del pH plasmatico: secrezione di H+, riassorbimento e formazione di HCO3-.

Riassorbimento ed escrezione di K+ e Ca2+. Alterazione dell’equilibrio acido-base, stati di alcalosi ed

acidosi, tamponi fosfato e ammonio. Il riflesso della minzione. L'emodialisi.

(6 ore)

Il sistema endocrino - Gli ormoni: sintesi, rilascio e meccanismo d’azione. Cellule secretorie. I

secondi messaggeri. Il sistema ipotalamo-ipofisario. Gli ormoni della neuroipofisi: ADH e ossitocina.

Gli ormoni dell’adenoipofisi: GH, prolattina, TSH, ACTH, LH e FSH. Le ghiandole surrenali.

Ormoni della midollare e l’azione delle catecolamine. Ormoni della corticale: glucocorticoidi,

mineralcorticoidi e steroidi sessuali. La tiroide e gli ormoni tiroidei. Il pancreas endocrino: l’insulina,

il glucagone e la somatostatina. Gli ormoni sessuali. L’apparato riproduttivo maschile e femminile.

(5 ore)

L’apparato gastrointestinale - I movimenti dell'apparato gastrointestinale. I plessi mioenterici

e sottomucosi. L'elettrofisiologia del muscolo liscio: sincronismi e modulazione della contrazione.

La masticazione e la deglutizione. Il riflesso esofageale. Movimenti meccanici dello stomaco.

Controllo dello svuotamento gastrico. Il riflesso del vomito. Motilità dell'intestino tenue e crasso:,

riflessi intestinali, regolazione ormonale e nervosa. La saliva e la secrezione salivare. La digestione

nello stomaco: il succo gastrico e il muco. Meccanismi di produzione e secrezione dell'HCl. Fasi

della secrezione gastrica. Produzione e secrezione di pepsina. Fasi e regolazione della secrezione

pancreatica. Il fegato: la bile e i sali biliari.. Secrezione degli acidi e pigmenti biliari. Funzioni del

fegato. Digestione e assorbimento dei carboidrati nell'intestino tenue. Digestione delle proteine. Il

fegato: funzione epatica, secrezione della bile e vie biliari. Assorbimento di amino acidi, H2O ed

elettroliti. Digestione e assorbimento di lipidi. Assorbimento del Ca2+.

(6 ore)



Introduzione 5

Testi consigliati:

• Carbone, Cicirata & Aicardi, Fisiologia: dalle

molecole ai sistemi integrati, EdiSES (1a ediz, 2009)

• Germann & Stanfield, Fisiologia, EdiSES (4a ediz, 2012)

• Klinke & Sibernagl, Fisiologia, EdiSES (3a ediz, 2012)

• Purves, Augustine, ….. Neuroscienze, Zanichelli

Introduzione 6

INTRODUZIONE ALLA

FISIOLOGIA GENERALE



Introduzione 7

L’assone gigante del calamaro e il neurone mielinato dell’uomo

- nei neuroni di mammiferi,

ogni 1-1,5 mm di guaina

mielinica si nota

un’interruzione di 2-3 mm

(nodo di Ranvier)

- la zona non protetta dalla

guaina è “eccitabile”

(produce potenziali d’azione)

- difficile da usare per studiare

le proprietà della “membrana

eccitabile” (diametro della

fibra 5-10 mm)

oligodendrocita

nodo di Ranvier

- spesso in Fisiologia Generale si studiano sistemi biologici di

animali che appartengono a specie diverse dall’uomo

- per esempio, la maggior parte dei neuroni centrali e periferici dei

mammiferi sono mielinati

- A differenza dei neuroni di mammifero, i neuroni periferici

del calamaro (Loligo Pealis) possiedono un assone

“gigante” del diametro di 500-1000 mm e lungo 7-8 cm

diametro 500-1000 mm

- L’utilizzo dell’assone “gigante” di calamaro (diametro

500-1000 mm) ha permesso negli anni 1950-70 un notevole

sviluppo delle basi della moderna elettrofisiologia

- Ha permesso di capire la genesi del potenziale d’azione,

l’esistenza dei canali ionici, pompe ioniche e scambiatori di

membrana



Francesco Bracotti

Typewriter

Bisogna capire come funziona l'organismo, a livello di organo, di cellule dell'organo e specialmente a livello delle molecole delle cellule dell'organo. Tutto ciò che sappiamo dell'organismo viene dalla cellula di base, seppur tutto ciò necessiti di una tecnologia altissima.

Introduzione 9

Il “feedback” in fisiologia

- Il “feedback” positivo porta invece il sistema lontano

dall’equilibrio e causa fenomeni autorigenerativi, esplosivi,

autocatalici (es. potenziale d’azione, svuotamento di una cavità

corporea,…) oppure a stati patologi che peggiorano nel tempo

- Il “feedback” negativo permette il controllo accurato e veloce

(con minimo errore) di una grandezza vitale per l’organismo: pH,

[Ca2+], temperatura, pressione arteriosa, osmolarità, …..

Introduzione 10

Controllo a “feedback neuronale” della pressione arteriosa (Pa)

Pa



Francesco Bracotti

Typewriter

All'interno del nostro corpo abbiamo dei sistemi di feedback: degli amplificatori controllano un valore di x che se, minore o maggiore, stimola una risposta dal sistema che interviene su esso (annullando la discrepanza).

Francesco Bracotti

Typewriter

Fisiologicamente il sistema feedback neuronale controlla ad esempio la pressione arteriosa: abbiamo a livello delle carotidi un sistema che ci misura sempre la pressione (sensibile alla dilatazione e alla restrizione dei vasi). I barocettori, di fronte ad un aumento della pressione arteriosa, mandano un segnale ai centri bulbo-pontini che controllano le innervazioni simpatiche e parasimpatiche nel cuore e le innervazioni simpatiche nelle arteriole: bisogna calmare il cuore, stimolare il sistema parasimpatico, cambiare la forza e la frequenza di contrazione e agire sui vasi.

Introduzione 11 Minor produzione di urina

Maggior riassorbimento

di H2O



Francesco Bracotti

Typewriter

Per controllare pressione arteriosa e osmotica si può usare oltre ad un sistema neuro-ormonale, un sistema che regoli la quantità di acqua nel nostro corpo (+ acqua > pressione, se si perdono liquidi la pressione arteriosa scende): ci sono osmocettori a livello del talamo e barocettori a livello dell'arco aortico che mandano segnale all'ipotalamo (può rilasciare ADH e la vasopressina comincia a succhiare acqua dalle urine con conseguente minor produzione di urina). Questo sistema a differenza dell'altro, veloce, è più lento e occupa svariate ore.

Trasporti_1 1

LA MEMBRANA CELLULARE

Trasporti_1 2

La struttura della cellula



Le membrane 1 3

Fingerprints delle membrane biologiche

spessore: 70-100 Ao (7-10 nm)

ultrastruttura con colorazione trilaminare composta da:

lipidi (fosfolipidi, glicolipidi, steroli)

proteine (integrali, periferiche)

carboidrati (catene glucidiche)

forte asimmetria e dinamicità dello strato interno ed esterno

barriera selettiva alla permeabilità di ioni e molecole

La membrana plasmatica separa l’interno della cellula

dall’ambiente esterno

Le membrane 1 4

Evoluzione dell’idea dello doppio strato lipidico



Francesco Bracotti

Typewriter

Bisogna ricordare dalla biologia le cose essenziali delle membrane biologiche: sottilissime (spessore di 7-10 nm), composte da doppio strato e da lipidi, proteine e carboidrati. Le membrane sono determinanti nello studio della fisiologia. È composta da un doppio strato con dentro proteine che possono essere: integrali, periferiche e ancorate ai lipidi (le prime due sono fondamentali per tutto il nostro organismo).

Trasporti_1 5

Evidenze sperimentali del doppio strato lipidico

membrana plasmatica vista al microscopio elettronico

si osservano due righe scure separate da una chiara (ultrastruttura trilaminare)

esterno

interno

70-100 Ao

fotografia al microscopio elettronico della guaina mielinica che circonda una fibra nervosa (sezione trasversa).

• si osservano tre righe (due chiare e una

scura)

Trasporti_1 6

CH3

CH3

CH3

N+

CH2CH2

O

C CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH3

O

O

O-

O P O

O

OCH2

CH

CH2

C CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH3

I fosfolipidi

Glicerolo-3-P:

Acido fosfatidico: (1,2 dipalmitoilglicerolo 3-P)

fosfatidilcolina: (lecitina)

colina

Testa polare

legame

fosfodiestere

O

C CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH3

O

O

O-

O-

P O

O

OCH2

CH

CH2

C CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH3

O

O-

O-

P O

OH

OHCH2

CH

CH2

1

2

3

Catena idrofobica



Trasporti_1 7

Catena satura

Altri fosfolipidi

L’acido fosfatidico può essere anche esterificato con:

etanolamina

serina

inositolo

fosfatidil etanolamina (cefalina)

fosfatidil serina

fosfatidil inositolo

Gli acidi grassi possono essere saturi o poli-insaturi:

Catena insatura

(doppio legame trans)

NH3+CH2 CH2

COO-

NH3+CH2 CH

HOH

H OH

H

H

OH

OH

H

H

OH

CH3CH3

CH3CH3

CH3

CH3

30o Catena insatura

(doppio legame cis)

Proprietà dei fosfolipidi in soluzione

micella

doppio

strato

fosfolipide

= molecola

anfipatica

Testa polare

coda

idrofobica

liposomi

(nanosfere)

in soluzione acquosa i fosfolipidi si separano dalla fase acquosa (forza entropiche)

formano micelle, doppi strati lipidici planari o liposomi (self-assembling)



Trasporti_1 9

“Drug-delivery” attraverso liposomi

farmaco liposolubile

nel doppio strato

farmaco cristallizzato

In fase acquosa

doppio strato

anticorpo

Strato protettivo

di catene di

carboidrati

Trasporti_1 10

colesterolo

molecola compatta,rigida e idrofobica, con un gruppo OH polare in C-3

Altri lipidi di membrana

gruppo polare

colesterolo e fosfolipidi in

membrana

CH3

CH3

CH3CH3

CH3

OH



11

Il modello a mosaico fluido di Singer & Nicolson

proposto nel 1972 , è il modello di membrana cellulare attualmente considerato valido

ipotizza la membrana come un mosaico di proteine incluse in modo discontinuo in un doppio strato lipidico fluido

1- proteine come entità

globulari con una parte idrofobica immersa nel d.s. lipidico e una parte idrofilica esposta all’acqua

2- tre tipi di proteine: integrali di membrana

periferiche

ancorate ai lipidi

4- natura fluida: lipidi e proteine sono in grado di spostarsi lateralmente

3- molte proteine possiedono uno o più segmenti

transmembrana

formati da α-eliche

Trasporti_1 12

Evidenze sperimentali a favore del modello a “mosaico liquido”

Fotografia al microscopio elettronico ottenute con la tecnica del “freeze etching”

(criodecapaggio)

La membrana è divisa nella parte centrale e le particelle chiare esposte hanno un diametro di 50-80 Ao

La digestione con un enzima proteolitico causa una perdita progressiva delle particelle chiare indicando che sono “proteine integrali”

inserite nel doppio strato lipidico



Francesco Bracotti

Typewriter

Le proteine all'interno della cellula sono alte, all'esterno non tanto.

Trasporti_1 13

L’esperimento di Gorter & Grendel (1925) che ha dimostrato l’esistenza del doppio strato lipidico

Misurare la superficie occupata dai lipidi che formano la membrana cellulare. Verificare se lo strato di lipidi è doppio: Slipidica = 2Scellulare

Scopo

Cellule Eritrociti privi di emoglobina (Hb).

Metodo 1- Si svuotano gli eritrociti con uno shock ipotonico

(ghosts)

2- Si separano le cellule dal surnatante per centrifugazione

3- Si estraggono i lipidi con solvente organico

H2O e sali

cellule

precipitate

Trasporti_1 14

Risultato Slipidica = 2Stotale cellulare

5- Si disperdono i lipidi su una superficie acquosa:

4- Si calcola Stotale cellulare degli eritrociti in soluzione di cui si conosce la densità:

Stotale cellulare = Scellula x densità x volume

numero di cellule

6- Si spinge la sbarretta in modo da comprimere i lipidi fino a raggiungere il minimo di S occupata. Ciò avviene quando la forza misurata aumenta improvvisamente

7- Si misura la Slipidica



Trasporti_1 15

SOLUTO intracellulare extracellulare

K+ 140 4

Na+ 10 140

Mg2+ 0.8 1.5

Ca2+ <.001 1.8

Cl- 4 115

HCO3- 10 25

HPO2- 95 2

Aminoacidi 8 2

Glucosio 1 5.6

ATP 4 0

Proteine 55 0.2

la membrana agisce come barriera tra i liquidi intracellulare ed extracellulare (vedi tabella)

la membrana permette lo scambio tra cellula e liquido interstiziale di: gas (O2 e CO2), ioni inorganici, grandi molecole organiche (aminoacidi, glucosio, acidi grassi, vitamine) utilizzando vari tipi di trasporto

Concentrazioni (mM) dei soluti nei liquidi intra- ed extracellulari

La membrana cellulare come “separatore” dei liquidi intra- ed extracellulari

Trasporti_1 16

OSMOSI

1o caso – Membrana permeabile al soluto e all’H2O

La Posm genera una Pidrostatica ai capi della membrana

Posm = k1C C = concentrazione del soluto

Posm = k2T T = temperatura

2o caso – Membrana permeabile all’H2O ma non al soluto



Francesco Bracotti

Typewriter

Fondamentale è il controllo ionico a livello della membrana: queste concentrazioni, che esistono in equilibrio (tramite il sistema di pompe attivo), ci servono per generare potenziali elettrici o far funzionare determinati trasportati; si ricorda per il potassio “poco fuori e tanto dentro” (uno degli ioni più pericolosi se si sposta; il potassio è captato da cellule che rilasciano catecolammine e da un sistema di circolo e ormoni che regolano queste cose) mentre per il sodio “alto fuori e basso dentro”; per il calcio si ricorda “basso fuori e bassissimo dentro” e per il cloro valori non troppo distanti dal sodio.

Francesco Bracotti

Typewriter

Per quanto riguarda l'osmosi si ricorda il movimento di acqua e la generazione di una pressione osmotica tanto elevata che può cambiare il volume della cellula (in ambiente iposmotico la cellula si gonfia e viceversa in ambiente iperosmotico).

Trasporti_1 17

Posm = nRT/V

Legge di Van’t Hoff

n = numero di moli R = costante dei gas (0.082 l atm/K mol) T = temperatura (gradi Kelvin) V = volume (litri)

Esempio: La Posm di una soluzione di NaCl 0.1 M a 25o C

(coefficiente di attività del NaCl = 0.78)

- Per la Posm vale la stessa legge dei gas

P = (2 x 0.1 x 0.78) x 0.082 x 298 3.8 atmosfere

Osmolarità e tonicità in biologia

- l’osmolarità di una soluzione fisiologica è circa 0.3 osmol (300 mosmol)

- variazioni di Pext da 0.3 osmol di soluti impermeanti causano spostamenti di H2O da o verso l’interno della cellula con conseguenti diminuzioni o aumenti del volume cellulare

Pext isotonica

ipertonica

ipotonica

Eritrociti:

Osmolarità e tonicità coincidono se i soluti dentro e

fuori della cellula sono impermeanti

Se il soluto dentro o fuori dalla cellula permea attraverso la

membrana, osmolarità e tonicità non coincidono

Nel caso illustrato, una soluzione esterna isoosmotica di urea risulta ipotonica



Trasporti_2 1

I TRASPORTI DI MEMBRANA

Trasporti_2 2

TRASPORTO PASSIVO

• non richiede energia

• avviene secondo gradiente di concentrazione

• tende a dissipare i gradienti di concentrazione

(ioni e molecole passano dal compartimento a maggior concentrazione verso quello a minor concentrazione)

• avviene in tre modi diversi:

1) diffusione semplice

2) diffusione attraverso canali di membrana

3) diffusione facilitata

TRASPORTO ATTIVO

• richiede energia metabolica (ATP)

• avviene contro gradiente di concentrazione

• crea gradienti di concentrazione

• è sempre mediato da proteine di membrana

• avviene in due modi diversi:

1) trasporto attivo primario (direttamente accoppiato a una sorgente di energia metabolica)

2) trasporto attivo secondario (indirettamente

accoppiato a una sorgente di energia metabolica)



Francesco Bracotti

Typewriter

Il trasporto attraverso la membrana può essere attivo o passivo: diffusione semplice, canali ionici o trasportato specifico per portare nelle cellule molecole oppure creazione di un gradiente per spostare sostanze controgradiente utilizzando energia come ATP (L'ATP si ha a disposizione mediante la respirazione). Il trasporto attivo mediante ATP lo chiamiamo primario, mentre quello secondario richiama certe proteine che non sfurttano ATP ma sfruttano proteine che la hanno già usata.

Trasporti_2 3

IL TRASPORTO PASSIVO

flusso J = P (CI – CII)

J = flusso

C = concentrazione

P = permeabilità

Inoltre, P = D A K

x

D = coeff. di diffusione

K = coeff. di partizione

lipide/acqua

A = area della membrana

x = spessore della membrana

Legge della diffusione di Fick:

Trasporti_2 4

La diffusione semplice

• La diffusione semplice interessa tutte le molecole di soluto

che interagiscono con il doppio strato lipidico della membrana

• Avviene in due fasi:

1) passaggio della molecola dalla fase acquosa al doppio strato

lipidico (la concentrazione in membrana aumenta

all’aumentare del coefficiente di partizione olio/acqua, K)

2) diffusione della molecola nello spessore della matrice lipidica

(la velocità di trasporto aumenta proporzionalmente al

coefficiente di diffusione della sostanza)

K = concentrazione soluto nei lipidi

concentrazione soluto nell’H2O

La diffusione semplice ha una cinetica di non saturazione

permeabilità della membrana in funzione del coefficiente di

partizione olio/acqua (K)



Francesco Bracotti

Typewriter

Il trasporto passivo a diffusione semplice è un diffusione di molecole dalla soluzione acquosa al lipide e viceversa, lineare e illimitato (non satura). Il trasporto attraverso canali è strutturato invece in una maniera molto organizzata a saturazione parziale.

Trasporti_2 5

La diffusione attraverso canali ionici

Ioni e piccole molecole

cariche diffondono

attraverso canali ionici:

proteine integrali di

membrana (composte da

più subunità)

Possono essere attivati da:

- variazioni di potenziale

della membrana

- stimoli meccanici, temperatura (caldo, freddo) , H+

- molecole agoniste

neurotrasmettitori

secondi messaggeri

Si distinguono in base:

- alla loro selettività per gli ioni: Na+, K+, Ca2+ e Cl-

- ai tipi di molecole che li bloccano: tossine animali, di-idropiridine

ioni metallici (Cd2+, Ni2+),…

- ai tipi di molecole che li attivano: ACh, GABA, NMDA

Ca2+, ATP, cAMP, cGMP (agonisti)

(bloccanti selettivi)

Trasporti_2 6

I canali ionici voltaggio-dipendenti

Nel caso dei canali del Na+ e Ca2+ voltaggio-dipendenti, la

subunità proteica principale (a1):

• forma il poro centrale la cui apertura determina il passaggio

di ioni

• possiede il filtro di selettività

• possiede il sensore di voltaggio

Le subunità a1 dei canali del Na+ e Ca2+

E DEL Ca2+



7

il sensore del voltaggio (S4)

e il filtro di selettività (ansa P)

di un dominio

poro di permeazione

formato dai 4 domini

(le anse P di ciascun dominio sono allineate all’interno del poro e

determinano il passaggio dello ione)

La subunità a1 dei canali ionici V-dipendenti:

l’ansa P di un dominio

diametro del poro: 4-10Å

(P-loop)

S4 S6 S5

Trasporti_2 8

Esempio: il canale del Ca2+

- I canali del Na+ e Ca2+ possiedono subunità accessorie

- Le subunità accessorie (b, g, a2-d) regolano:

il grado di espressione della subunità α1 in membrana

le cinetiche di apertura, chiusura ed inattivazione



La diffusione facilitata

• Mediata da trasportatori (carriers) di membrana: - uniporto (1 solo soluto)

- co-trasporto (2 soluti nella stessa direzione, simporto)

- contro-trasporto (2 soluti in direzione opposta, antiporto)

• Specifica per il trasporto di aminoacidi e zuccheri

1 - Specificità per il substrato

2 - Cinetica di saturazione (Michaelis-Menten)

3 - Molecole con struttura simile competono per lo stesso

trasportatore

Il trasportatore (uniporto) del glucosio GLUT1

Trasporti_2 10

Un esempio: l’assorbimento di glucosio

SGLT1: trasportatore sodio-glucosio: utilizza il gradiente di Na+

per trasportare attivamente glucosio o galattosio nelle cellule

epiteliali intestinali (2:1).

GLUT2: trasportatore del glucosio (membrana basolaterale)

e nelle cellule epatiche, renali e degli isolotti pancreatici

GLUT5: trasportatore specifico per il fruttosio

Cellula dell’epitelio intestinale



Trasporti_3 1

IL TRASPORTO ATTIVO

Trasporti_3 2

TRASPORTO ATTIVO

• utilizza l’energia dell’idrolisi di ATP per trasportare ioni contro

gradiente di concentrazione • elevata specificità

• può trasportare un solo tipo di ione o scambiare 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

• due tipi: t. a. primario e t.a. secondario (simporto, antiporto)

TRASPORTI ATTIVI PRIMARI

Pompa Na+/K+ Pompa del Ca2+ Pompa del H+ Pompa K+/H+

H+

3Na+/2K+ 4H+/4K+ 2Ca2+ 2H+

(1 ATP)



Francesco Bracotti

Typewriter

Il trasporto attivo è gestito da proteine di membrana di svariata natura, divisibili in quattro famiglie: famiglia della pompa protonica (che sposta anche potassio), pompa a idrogeno, pompa del calcio e pompa del sodio e del potassio. –La pompa del sodio e del potassio è importantissima e serve per mantenere il loro gradiente e gli equilibri, come nello sviluppo dei potenziali d'azione (scoperta tramite esperimenti sull'assone del calamaro gigante). –Le pompe del calcio sono due: la PMCA butta fuori il calcio dal citoplasma e poi c'è una pompa SERCA che nel citoplasma pompa dentro al reticolo il calcio (massima sorgente di pompe SERCA si ha nelle cellule muscolari scheletriche, che hanno bisogno di calcio per funzionare ma questa quantità di calcio deve aumentare come diminuire per contrazioni e distensioni). Il calcio per la conctrazione del muscolo scheletrico viene dal reticolo, che lo butta fuori e se lo riprende.

Trasporti_3 3

La pompa Na+/K+-ATPasi

• Scambia 3 ioni Na+ interni

con 2 ioni K+ esterni

• Responsabile del

gradiente ionico di Na+ e K+

Evidenze sperimentali

Trasporti_3 4

Schema di funzionamento della pompa Na+/K+

• i flussi sono asimmetrici: 3 ioni Na+ espulsi, 2 ioni K+ immessi • pompa elettrogenica

• mantiene la [Na+]i e la [K+]o bassa • attivata da aumenti di [Na+]i e [K+]o • richiede 1 molecola di ATP, idrolizzata dall’ATPasi • richiede Mg2+

• selettiva per Na+; la sostituzione con Li+ blocca la pompa

a) 3 ioni Na+ si legano a

siti interni ad alta affinità

per il Na+

b) Fosforilazione del sito

P

c) Cambio di

conformazione. I siti del

Na+ diventano a bassa

affinità quelli del K+

diventano ad alta affinità.

d) 2 ioni K+ si legano ai

siti ad alta affinità esterni.

Il sito P si defosforila.

e) Il cambiamento di

conformazione indotto

dalla defosforilazione

riduce l’affinità dei siti

del K+

f) Il K+ si stacca



Trasporti_3 5

FUNZIONE:

• mantenimento di un’alta concentrazione di K+ e di una bassa concentrazione di Na+ all’interno delle cellule

• funziona contro gradiente: espelle Na+ ed immette K+

• il rapporto con cui gli ioni sono scambiati è diverso da 1:

3Na+ / 2K+ pertanto la pompa è elettrogenica

• è una proteina di membrana con proprietà ATP-asica Na+/K+-dipendente

• selettivamente inibita dall’ouabaina che impedisce il legame

del K+ con il proprio sito di legame

STRUTTURA MOLECOLARE

Trasporti_3 6

• trasporto attivo primario con carattere di uniporto

• è presente sulla membrana plasmatica di tutte le cellule (PMCA)

e a livello dei mitocondri e del reticolo endoplasmatico/

sarcoplasmatico liscio (SERCA)

• espelle 2 ioni Ca2+ per una molecola di ATP

• è necessaria la presenza di Mg2+ per il suo funzionamento

• non si conoscono inibitori specifici della PMCA. La SERCA è bloccata dalla tapsigargina

La pompa del Ca2+

FUNZIONE: • mantiene bassa la concentrazione di Ca2+ intracellulare

(10-7-10-8 M)

• nel reticolo sarcoplasmatico delle cellule muscolari

scheletriche la SERCA costituisce l’80% delle proteine

membranali

SERCA

PMCA



Trasporti_3 7

• i trasporti attivi secondari trasferiscono molecole contro

gradiente utilizzando come fonte di energia i gradienti ionici creati dai trasporti attivi primari

• non richiedono ulteriore energia metabolica

Trasporti attivi secondari

Trasporti attivi secondari Na+-dipendenti

sfruttano il gradiente del Na+

vengono trasportati: ioni, glucosio, amino acidi, prodotti

metabolici possono muoversi nella stessa direzione del Na+ (simporti)

o in direzione opposta (antiporti) possono essere elettroneutri o elettrogenici

invertendo il gradiente di Na+ si invertono i flussi

Trasporti_3 8

3Na+/1Ca2+

• antiporto Na+/ H+

contribuisce al mantenimento del pH intracellulare • antiporto Na+/ Ca2+

contribuisce a mantenere bassi i livelli di Ca2+ intracellulare

1Na+/1H+

Gli antiporti Na+-dipendenti

• simporto Na+/ K+/ 2Cl-

trasporta Cl- all’interno della cellula • simporto Na+/ Cl- trasporta Cl- all’interno della cellula

• simporto Na+/ glucosio

• simporto Na+/ aminoacidi

trasportano glucosio e amino acidi all’interno delle cellule epiteliali

I simporti Na+-dipendenti



Francesco Bracotti

Typewriter

Tra i trasporti attivi secondari (o passivi agganciati alle pompe) sono quelli sodio-dipendenti: attraverso al sodio trasportiamo carboidrati, ossigeno etc.. Sono fondamentali si che siano simporti o antiporti; si ricordano sodio-amminoacidi, sodio-glucosio, sodio-potassio-2cloro, sodio-cloro tra i simporti. Gli antiporti sono invece due e si ricorda particolarmante il 3sodi-1calcio

Trasporti_3 9

Digitalis purpurea

digossina

Una cura del XVII secolo per l’insufficienza cardiaca

contiene la digitossina

contenuta nella Digitalis lanata

Trasporti_3 10

Azione degli steroidi cardiotonici ouabaina, digitossina

(glicosidi cardioattivi)

cellula cardiaca



Francesco Bracotti

Typewriter

Le foglie della digitalis purpurea contengono glicosidi cardioattivi tali che a concentrazioni bassissime possono curare patologie cardiache (cura una volta conosciuta solo dagli zingari). La digitossina blocca le pompe sodio-potassio e, in concentrazioni basse fanno sì che, in una cellula cardiaca che non abbia abbastanza forza (poco calcio = poca forza di contrazione), se si blocca la pompa sodio-potassio il sodio rimane dentro, lo scambiatore sodio calcio sente “alto fuori medio dentro” per cui lascia dentro il calcio e facendo ciò si accumula il calcio e la forza di contrazione di un cuore malato.

Trasporti_3 11

Trasporti attivi secondari non Na+- dipendenti

1Cl-/1HCO3- 1K+/1Cl-

Trasporti_3 12

FUNZIONE:

eliminazione del bicarbonato prodotto dalla cellula sfrutta il gradiente del Cl-

ERITROCITI:

nei globuli rossi del sangue venoso si producono grandi quantità di HCO3

- dall’idratazione della CO2 HCO3

- esce secondo gradiente per contro-trasporto del Cl-

CELLULE OSSINTICHE DELLE GHIANDOLE GASTRICHE: il co-trasportatore è localizzato sulla membrana sierosale,

contribuisce alla secrezione acida dello stomaco

CELLULE DEL DOTTO PANCREATICO:

Il cotrasportatore è localizzato sulla membrana luminale e contribuisce ad arricchire il succo pancreatico di HCO3

- e mantenere il pH del succo basico

Esempi di trasporti attivi secondari non Na+-dipendenti:

L’antiporto Cl-/HCO3-

a.c.



Francesco Bracotti

Typewriter

Oltre ai trasporti visti c'è il trasporto Cloro-Bicarbonato, vitale, che avviene in tutte le cellule (in particolare negli eritrociti): grazie all'enzima anidrasi carbonica, si trasmorma CO2 e il bicarbonato si trasporta fuori dalla cellula nel plasma: questo trucco di avere bicarbonato nel plasma serve per mantenere corretta la quantità di CO2 nel nostro plasma e per controllare l'acidità del plasma (che deve essere 7,40).

Trasporti_3 13

L’antiporto Cl-/HCO3- espresso in vari tessuti

Trasporti_3 14

Un esempio funzionale di trasporti attivi e passivi accoppiati per produrre HCl

a livello gastrico

Cellule ossintica dello stomaco

AC



Francesco Bracotti

Typewriter

Questo trasportatore non è tuttavia solo negli eritrociti ma anche nelle cellule sintiche dell'apparato gastrico ed è anche nel dotto pancreatico (serve o per produrre idrogeno o per produrre bicarbonato): nelle cellule pancreatiche il cocktail di enzimi che si muove nel lume deve essere a pH 8.

Trasporti_4 1

ADESIONI CELLULA-CELLULA

Trasporti_4 2

Adesioni cellula-cellula

• durante lo sviluppo e la crescita le membrane di cellule adiacenti formano connessioni (giunzioni) che possono rimanere permanenti

• si distinguono tre tipi di giunzioni: serrate, comunicanti e aderenti

Giunzioni serrate (tight junctions)

• sono presenti nei tessuti epiteliali degli organi cavi che assorbono e rilasciano ioni e molecole (rene e tratto gastrointestinale)

• formano una barriera impermeabile alle sostanze polari tra il lato luminale e il lato sierosale

• trasporto transepiteliale o transcellulare (attraverso le cellule)

• trasporto paracellulare (tra le cellule)

lato luminale

lato sierosale

Occludine

Giunzioni serrate

Spazio intercellulare

Membrana citoplasmatica di

cellule adiacenti

Membrana

apicale

Giunzioni

serrate

Membrana

basolaterale

Microvilli

Sangue

Fluido

interstiziale

Soluto

Soluto

Lume



Francesco Bracotti

Typewriter

Tutti i nostri organi cavi sono chiusi da membrane composte da gruppi di cellule in contatto strettissimo tramite zone occludenti o gap-junctions. Le giunzioni serrate sigillano due cellule tra loro a formare una barriera e servono a mantenere separato ciò che c'è nel lume dai vasi. Membrana apicale e membrana basale devono essere strutturate in maniere completamente diversa; può avvenire un trasporto transcellulare guidato da trasporto attivo primario ATP-dipendente (zona basale) o un trasporto passivo o attivo secondario (zona apicale). In slide sono presenti esempri sull'assorbimento del sodio e del sodio-glucosio.

Trasporti_4 3

Giunzioni aderenti (desmosomi)

• giunzioni filamentose tra due cellule

• formate da una placca di glicoproteine all’interno e da filamenti

proteici che si estendono verso l’esterno (caderine)

• conferiscono stabilità meccanica alle giunzioni

• presenti nei tessuti soggetti a forze meccaniche: cuore, utero e cute

Giunzioni comunicanti (gap junctions)

• presenti in molti tessuti, in particolare nel muscolo cardiaco e liscio

• danno origine a microaree connesse da proteine di membrana (connessoni) che formano pori acquosi di grosse dimensioni

• ogni connessone è formato da 6 proteine (connessine)

• consentono il sincronismo elettrico e meccanico tra gruppi di cellule

Cellula del muscolo

cardiaco

Spazio

intercellulare

Connessine

Connessone

Canale per passaggio

di piccole molecole e

ioni

Filamenti

intracellulari

Placca

Filamenti intercellulari

(caderine)

Spazio

intercellulare

Membrane

citoplasmatiche

di cellule adiacenti

Membrane citoplasmatiche

di cellule adiacenti

Trasporti_4 4

Endocitosi

fagocitosi

Consente l’inglobamento

di particelle di grosse dimensioni (batteri)

pinocitosi

consente l’inglobamento

di H2O e soluti

endocitosi mediata da

recettori

consente l’inglobamento

di specifiche molecole

una vescicola contiene recettori e molecole di clatrina che rivestono l’involucro esterno della

vescicola



Trasporti_4 5

Esocitosi

meccanismo vescicolare che consente la secrezione di molecole all’esterno della cellula (neurotrasmettitori, ormoni,

anticorpi, muco)

consente di aggiungere componenti alla membrana plasmatica (proteine, fosfolipidi e carboidrati)

è bilanciata dal processo inverso di endocitosi che aiuta la cellula a mantenere costante il numero di vescicole e le dimensioni della membrana plasmatica

è un processo regolato da molti fattori (Ca2+, ATP, cAMP, PKA, PKC, ….) e filamenti proteici vescicolari e di membrana

(complesso SNARE)

Trasporti_4 6

TRASPORTO ATTRAVERSO GLI EPITELI



7

Struttura epiteliale

la membrana apicale dell’epitelio è rivolta verso il

lume della cavità corporea

la membrana basolaterale è in contatto con il liquido interstiziale, che scambia sostanze con il sangue.

le cellule adiacenti sono unite principalmente da giunzioni

serrate, che limitano il passaggio di sostanze: i liquidi sui due lati dell’epitelio

possono avere composizione diversa.

Trasporti_4 8

Caratteristiche generale del trasporto attraverso un epitelio

trasporto transcellulare:

movimento di ioni e molecole attraverso le cellule mediato da trasportatori.

E’ composto da:

trasporto passivo o attivo secondario (senza richiesta

di ATP) sulla membrana apicale

trasporto attivo primario (Na+/K+-ATPasi) e altri tipi di trasporto passivo e attivo secondario sulla membrana basolaterale

trasporto paracellulare:

movimento diffusionale passivo di ioni (Na+, Cl-, K+, Ca2+, Mg2+) e H2O

paracellulare transcellulare

esistono due tipi di trasporti



Trasporti_4 9

Assorbimento di Na+

Assorbimento di Na+ e glucosio

trasporto passivo di Na+ sulla m. apicale (antiporto Na+/H+)

trasporto attivo di Na+ e K+ sulla m. basolaterale (Na+/K+-ATPasi)

trasporto passivo di K+ sulla m. basolaterale (canale ionico)

trasporto attivo secondario di Na+ e glucosio (SGLUT) sulla m. apicale

trasporto attivo di Na+ e K+ sulla m. basolaterale (Na+/K+-ATPasi)

trasporto facilitato di glucosio (GLUT) e passivo di K+ sulla m. basolaterale (canale ionico)

H+

Trasporti_4 10

Assorbimento di soluti e H2O

gli epiteli assorbono (o secernono) H2O utilizzando il trasporto attivo di soluti

Il trasporto attivo sulla membrana basolaterale crea un gradiente osmotico attraverso l’epitelio che genera un flusso

di acqua dal lume al liquido interstiziale (assorbimento) Può accadere il contrario se l’H2O è secreta

l’H2O quindi fluisce passivamente attraverso l’epitelio per osmosi

si crea prima un gradiente

osmotico tra le soluzioni poste ai due lati dell’epitelio



Francesco Bracotti

Typewriter

Quando si assorbe attraverso le pompe sodio-potassio e gli scambiatori passivi, l'acqua segue gli aumenti di concentrazione (si ha sempre trasferimento di acqua che segue per osmosi): ciò si chiama gradiente stabile di pressione osmotica.

Trasporti_4 11

In alcune condizioni patologiche il trasporto epiteliale di H2O è eccessivo o insufficiente: nella fibrosi cistica l’epitelio (formato da cellule cigliate) che riveste

le vie respiratorie non trasporta abbastanza soluti (Na+ e Cl-) per produrre liquidi

un difetto genetico del canale del Cl- (CFTR) riduce la permeabilità al Cl-. Diminuisce il trasporto del Na+, viene meno il gradiente osmotico e quindi la secrezione di acqua

i polmoni si arricchiscono di muco denso che blocca il movimento retrogrado delle cellule cigliate

si riduce l’azione protettiva di espulsione di sostanze nocive e

infettive dalle vie aree causando gravi infezioni batteriche e virali

Patologie del trasporto epiteliale: la fibrosi cistica



Francesco Bracotti

Typewriter

La fibrosi cistica colpisce un canale (CFTR) del cloro che tipicamente è usato per mantenere i liquidi dove c'è rilascio di materiale e di acqua, come le vie aeree dove c'è rilascio di muco, che se perde acqua diventa solido e perde la sua funzione protettiva (succede anche nelle vie pancreatiche, dove si perde fludità).

Eccitabilità_1 1

Gli esperimenti di Luigi Galvani (1791) sul muscolo sartorio di rana

De Viribus Electricitatis in motu muscularis

Le Forze Elettriche nel movimento muscolare

Eccitabilità_1 2

L’esperimento di Matteucci (1840)

In questo esperimento, il secondo muscolo si contrae senza

essere stato in contatto con alcun elemento metallico,

dimostrando in maniera univoca l’esistenza di correnti

elettriche di eccitazione di pura origine fisiologica.

Stimolazione

del nervo

al contatto

di metalli

diversi



Francesco Bracotti

Typewriter

La nascita della fisiologia si deve a Galvani (1791). Sezionando delle rane sapeva che ogni volta che toccava il midollo con del rame/zinco, le gambe si muovevano così come attaccando un circuito elettrico: scoprì la relazione tra segnale elettrico e fisiologia. Volle ricercare un evento elettrico biologico: fece addirittura scaricare fulmini in un pozzo con vicino un antenna collegata alla rana. Entrò in collissione con gli studi di Alessandro Volta tanto che Galvani dovette lasciare l'università: “non esiste elettricità biologica ma solo elettricità generata da zinco rame” secondo Volta, tutto ciò blocco lo studio della fisiologia (per Galvani ogni organismo era come una pila).

Francesco Bracotti

Typewriter

Matteucci (1840) scoprì poi, prendendo due muscoli con il loro motoneurone e danneggiando uno dei due, come sfruttare una differenza di potenziale per far contrarre entrambi i muscoli, esiste allora l'elettricità biologica.

Eccitabilità_1 3

COME SI ORIGINA E COME SI MISURA IL

POTENZIALE DI MEMBRANA

DI UNA CELLULA ECCITABILE A RIPOSO?

Eccitabilità_1 4

MISURA DEL POTENZIALE DI MEMBRANA (Vm) DI UNA CELLULA ECCITABILE

Vm si misura con due elettrodi collegati ad un oscilloscopio:

un microelettrodo di vetro molto sottile riempito di soluzione salina KCl e contenente un filo di argento clorurato, in contatto con l’amplificatore (elettrodo

interno).

un elettrodo metallico di Ag-AgCl immerso nel liquido extracellulare (elettrodo esterno).

1o caso - Il microelettrodo è fuori dalla cellula



Francesco Bracotti

Typewriter

Il potenziale elettrico si misura tra l'interno e l'esterno della cellula: ponendo due elettrodi si nota lo svilippo di un potenziale negativo tra -40mV e -100mV. Prendendo come 0 il potenziale esterno si attribuisce alla parte interna tutto il potenziale, ciò significa che nella membrana abbiamo lo sviluppo di un campo elettrico intensissimo, tra i due strati fosfolipidici. Se un canale ionico sente questo campo elettrico si possono spostare cariche e dunque si può variare il campo elettrico.

Eccitabilità_1 5

PROPRIETÀ DEL POTENZIALE DI MEMBRANA A RIPOSO:

il potenziale di membrana a riposo (Vm) delle cellule animali è

negativo e varia tra –40 e –100 mV

Vm non varia se la pipetta penetra più profondamente nell’interno

della cellula (potenziale uniforme)

la differenza di potenziale costituisce una sorgente energetica

Vm = Vi – Ve per convenzione Ve= 0

2o caso - Il microelettrodo penetra la cellula

Nota importante:

-70 mV equivalgono ad un campo elettrico molto elevato ai capi della membrana. Calcoliamolo:

E = V/d V= -70 x 10-3 (Volt) d= 5 x 10-9 (m)

E = 70/5 x 106 (V/m) 107 (V/m)

Eccitabilità_1 6

CHI GENERA IL POTENZIALE DI MEMBRANA?

In una cellula permeabile ad un solo ione: il potenziale di membrana coincide con il potenziale

di equilibrio elettrochimico dello ione



Eccitabilità_1 7

IL POTENZIALE ELETTROCHIMICO

flusso netto di K+ nullo

flusso netto di K+ da I a II

equilibrio tra gradiente

elettrico e chimico

Il potenziale elettrochimico di uno ione deriva da:

- il gradiente ionico tra i compartimenti intra- ed

extracellulare (lavoro delle pompe ioniche)

- la permeabilità selettiva della membrana (presenza di

canali ionici selettivi)

DV 0

membrana selettiva ad un solo ione

DV = 0

Eccitabilità_1 8

Il potenziale elettrochimico (m) di uno ione (x) è definito

come:

mx = RT ln[x] + zFEx

R = costante dei gas = 8.315 (J K-1 mol -1)

F = costante di Faraday = 9.649 x 104 (C mol -1)

z = valenza

T = temperatura assoluta

E = potenziale elettrico

La differenza di potenziale elettrochimico dello ione attraverso la

membrana è:

Dmx = mI(x) - mII(x) = RT ln[x]I/[x]II + zF(EI- EII)

in condizioni di equilibrio:

Dmx = 0

da cui :

EI- EII = RT/zF ln[x]II/[x]I

L’equazione di Nernst per calcolare il potenziale di equilibrio di uno ione



Francesco Bracotti

Typewriter

Chi genera e come si il potenziale? Presa una membrana biologica/chimica con dei buchini selettivi ad una sola specie ionica (ad es. potassio) e poste due soluzioni uguale ad entrambi i lati della membrana, si crea un flusso uguale con degli scambi reciprochi e non si genera ddp. Aumentando la concentrazione di una soluzione si ha maggior spostamento di ioni verso l'altro lato (gli ioni sono carichi), tutto ciò genera campo elettrico, poiché si forma una forza elettromotrice. –Per i potenziali elettrici serve un gradiente ionico, generato dalle pompe nella cellula –Generato questo c'è bisogno di permeabilità.

Francesco Bracotti

Typewriter

Uno ione in soluzione genera due tipi di potenziale: uno elettrico e uno chimico; il potenziale elettrochimico è espresso mediante una formula. Per i calcoli si utilizza la differenza tra i potenziali delle due soluzioni e, sfruttando le proprietà dei logaritmi, si ottiene, l'equazione di Nerst. Il potenziale di uno ione, tramite questa equazione, si può calcolare semplicemente dalla concentrazione degli ioni.

fisiologia 2014-2015 di bracotti francesco

Documents