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8/9/2019 Appunti Di Fisiologia Ultimi

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Appunti di Fisiologia

Compartimenti idri ci dell 'organismoNell'organismo a seconda dell'et vi una percentuale di acqua differente che va dal 90% nel feto sino al 55% negli

anziani. Nell'individuo adulto la percentuale di acqua va a costituire circa il 60% del peso corporeo, che leggermente

variabile in base alla percentuale di tessuto adiposo. Il contenuto corporeo di acqua distribuito in un compartimento

intracellulare ed uno extracellulare.Quello intracellulare quello pi voluminoso, e contiene all'incirca 2/3 della quantit di acqua totale, mentre il restante

1/3 relativo al compartimento extracellulare.

Supponendo un individuo del peso di 70kg, potremmo dunque dedurre che il quantitativo di acqua in esso contenuto

corrisponde a circa 42 kili di acqua, dunque a 42 litri di acqua per equivalenza. Di tali 42 litri, circa 14 di questi fannoparte del liquido extracellulare (ECF o LEC) e i restanti 24 fanno parte del liquido intracellulare (ICF o LIC).

Il liquido intracellulare ed il liquido extracellulare sono separati fra loro tramite la membrana cellulare, che permette

anche gli scambi di sostanze. Il compartimento del liquido extracellulare si divide a sua volta in liquido interstiziale

(come quello del connettivo e del liquido cefalorachidiano, 10,5 litri) e plasma (3 litri). Il liquido interstiziale, dunque,

va a costituire i dell'intera componente del LEC. In condizioni patologiche possiamo avere anche accumuli di liquido

a costituire il cosiddetto terzo spazio che fa comunque parte del LEC.

Composizione dei compartimenti liquidi corporei

La composizione del LEC e del LIC mantenuta costante da specifiche pompe, fra le quali citiamo la pompa Na/Kcome la pi importante. Plasma e liquido interstiziale hanno una composizione molto simile, perch sono separate solo

dall'endotelio capillare che molto permeabile agli ioni e alle piccole molecole.

La principale differenza di componenti pu essere riscontrata in un confronto fra liquido extracellulare e liquido

intracellulare. In quello extracellulare vi una concentrazione notevolmente maggiore di Na (circa 145 mM, a fronte del

15 mM del liquido intracellulare) e una quasi assenza di proteine (a fronte del circa 4mM nel liquido intracellulare).

Poich il sodio la componente fondamentale del liquido extracellulare, questo particolare ione che va a definire

l'osmolalit del liquido extracellulare.

La membrana cellulare organizzata in maniera precisa che permette il mantenimento di uno stato stazionario e di

suddetta differenza di composizioni fra i liquidi extra ed intracellulare.

Il componente fondamentale dei liquidi dell'organismo l'acqua, il solvente principale e possiede determinate

caratteristiche che lo rendono cosi efficiente, fra le quali abbiamo un elevato calore specifico (4,18j), un elevato calore

di di evaporazione (2270j) ed un elevato calore di fusione.

L'acqua, inoltre, possiede un'elevata tensione superficiale ed in grado di formare legami a idrogeno con altre sostanze.Infine l'acqua, come ben sappiano, un ottimo solvente per composti polari.Lo spostamento dell'acqua all'interno dei vari compartimenti corporei avviene grazie al cosiddetto trasporto convettivo

o meccanismo di convezione.

In linea generale la convezione sta ad indicare uno spostamento di molecole, e pu essere distinta una:

convezione naturale o diffusione, descritta dal moto costante di agitazione termica (o moto browniano)

determinato dalla temperatura del sistema

convezione forzata o avvezione, uno spostamento generato da correnti. Tali correnti possono originarsi grazie

ad una pressione idrostatica (come ad esempio il pompaggio del cuore dal centro alla periferia) o ad una pressione

osmotica.

DiffusioneTutti i soluti che entrano o lasciano il corpo, lo fanno attraverso il liquido extracellulare. L'organismo impone delle

differenze di pressione trascinando il contenuto dei liquidi stessi, dunque spostamenti di liquidi sono determinati davariazioni nella pressione osmotica di LEC e LIC.

Supponiamo l'esistenza di un unico compartimento privo di alcune membrane all'interno di esso, e supponiamo che vi

sia un accumulo di molecole in una porzione di quest'ultimo. Dopo un po' di tempo sar possibile osservare come le

molecole di soluto diffondano uniformemente nel sistema generando la stessa concentrazione di soluto in tutti i punti

del sistema. I processi di diffusione sono moti non lineari, di conseguenza ogni singola molecola di soluto si muove in

maniera casuale per raggiungere la sua destinazione.Il processo della diffusione descritto dalla prima legge di Fick:

J = -DA dC/dX, dove J il flusso di diffusione per unit di tempo, D il coefficiente di diffusione, A l'area attraverso

la quale avviene la diffusione, dC la differenza di concentrazione della sostanza, e dX la distanza percorsa dal so luto.

Quanto detto poc'anzi sta a significare che la diffusione di un soluto dipende sia dalla superficie da attraversare che

dalla concentrazione del soluto stesso.La velocit di diffusione, inoltre, anche direttamente proporzionale alla temperatura e inversamente proporzionale alla

viscosit del mezzo attraversato.L'unit di misura del coefficiente di diffusione metri quadri al secondo (D = m^2/s). Il segno negativo, nell'equazione

sta a significare che il gradiente di concentrazione viene in un certo senso consumato, ovvero esso si abbassa man

mano che il soluto procede dalla porzione dove pi concentrato a quella dove meno concentrato.


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Dall'equazione di Fick, inoltre, si pu anche dedurre che il tempo sia dato dal rapporto fra la distanza percorsa dal

soluto (al quadrato) fratto il coefficiente di diffusione. Di conseguenza il tempo necessario per permettere il processo di

diffusione aumenta in base al quadrato della distanza.

Non a caso le dimensioni delle cellule sono notevolmente ristrette, e rimangono di tali dimensioni anche in specie

viventi che complessivamente hanno dimensioni notevoli (vedi l'elefante). In questo modo, infatti, viene resa minima la

distanza necessaria da percorrere per le molecoli pi importanti del nostro metabolismo (es. l'ossigeno). Difatti, pi

breve lo spazio da percorrere, pi veloce sar il passaggio di tale molecola dallo spazio extracellulare alla cellula (onel caso particolare dell'ossigeno, dal citosol cellulare al mitocondrio).

L'equazione di Fick pu essere applicata anche se nel compartimento presente una membrana cellulare che divide lo

spazio in una porzione con concentrazione maggiore ed una con concentrazione minore (come avviene, ad esempio,frail LEC e il LIC). Ci permesso a patto che persista un dato gradiente di concentrazione.

Supponendo l'esistenza di una barriera, tuttavia, il gradiente di diffusione risulta essere pi basso rispetto a quello in

presenza di una membrana ideale.

Per far si che il gradiente di concentrazione venga preservato e per permettere che il soluto continui a penetrare

all'interno della cellula, necessario che tale soluto portato all'interno della cellula venga costantemente

sottratto/consumato.Supponendo che S1 sia la concentrazione di una data sostanza all'infuori della cellula, e che S2 sia la concentrazione

della medesima sostanza all'interno della cellula, S1-S2 deve essere mantenuto costante.

In generale qualsiasi uscita od ingresso di fluidi definita flusso e pu procedere in ambo i sensi attraverso unamembrana. Tuttavia, da un punto di vista statistico, pi probabile che il flusso si diriga dalla porzione con

concentrazione maggiore a quella con concentrazione minore, tuttavia pu benissimo avvenire anche in senso contrario.

Quindi possiamo avere un flusso x0 che va dall'esterno verso l'interno, ed uno x1 che va dall'interno verso l'esterno, ma

quello che ci interessa veramente il flusso netto di sostanza. Esso dato dalla differenza fra i due flussi, con verso e

direzione uguali al vettore che fra i due possiede valore assoluto maggiore.

Quando il flusso netto zero, ci troviamo in una condizione di equilibrio.

La convenzione vuole che nel definire un flusso, il segno meno vada ad indicare un flusso dall'interno verso l'esterno.

MembraneI lipidi tendono ad aggregarsi formando una conformazione stabile. Fra queste conformazioni stabili possiamo ricordare

le micelle, oppure i doppi strati. Il doppio strato comunemente riscontrabile a livello delle membrane cellulare, dove

assume uno spessore di circa 5nm. In tale membrana cellulare possiamo trovare anche diverse proteine ancorate pi o

meno strettamente al bilayer. Poich sia i lipidi che le proteine sono in grado di muoversi all'interno dello stesso bilayer,il doppio strato fosfolipidico definito come mosaico fluido. I principali lipidi della membrana cellulare sono ifosfolipidi. Essi sono costituiti da una molecola di glicerolo esterificata con due catene di acidi grassi e legata anche ad

un gruppo fosfato a sua volta legato ad un alcole che pu variare. I pi comuni alcoli che si legano al fosfolipide sono

l'etanolammina, la colina, l'inositolo, la serina etc..

Un altro tipo di fosfolipide detto invece sfingolipide poich in sostituzione del glicerolo abbiamo un'amino-alcole

detto sfingosina.

I fosfolipidi di membrana possono variare tantissimo fra la membrana esterna e quella interna del bilayer. Pi

frequentemente infatti, nella membrana esterna possiamo trovare i glicolipidi. Tali glicolipidi, come suggerisce il nome

stesso, contengono due catene aciliche legate a teste polari costituite anche da carboidrati.

Tali carboidrati possono trovarsi legati anche alle proteine di membrana, la glicosilazione delle proteine permette il

corretto ripiegamento di quest'ultime e inoltre, molto spesso, quando una proteina viene glicosilata, questa pronta per

essere esportate nelle varie sedi di destinazione.

La fluidit della membrana legata non solo alla temperatura ma anche grazie alla presenza di catene insature negliacidi grassi. Difatti l'insaturazione va a determinare una sorta di attorcigliamento che impedisce un compatto

impacchettamento delle code di fosfolipidi. Ci, in particolare, avviene solo nel caso in cui l'insaturazione sia dovuta ad

un doppio legame in posizione cis. Doppi legami trans determinano un attorcigliamento ma non provocano una

modificazione nell'andamento della coda acilica.

All'interno delle membrane cellulari, fra le componenti lipidiche, possiamo trovare anche molecole particolari come ad

esempio il colesterolo. Il colesterolo una molecole molto piccola rispetto ai fosfolipidi e pu trovarsi in ambo ifoglietti del bilayer. Ha come funzione di stabilizzare la membrana ed importante nel determinarne la fluidit.

I fosfolipidi di membrana sono in grado di muoversi di tre tipologie di movimenti diversi:

- flip flop; - diffusione laterale (specie nello strato esterno del bilayer); - rotazione in sito su se stesso

Per quanto riguarda la componente proteica delle membrane cellulare, possiamo ben osservare come le proteine

possano raggiungere sino il 50% degli elementi costitutivi della membrana.Tali proteine possono suddividersi in proteine integrali di membrana o periferiche.

Le proteine integrali di membrana sono immerse nel doppio strato fosfolipidico. Esse possiedono sia residui idrofobici(solitamente posti nella porzione centrale che ne permette l'assesto nella membrana) sia residui idrofilici che oscillano

su entrambi i lati della membrana. Le proteine transmembrana sono in grado di attraversarla pi volte. Le proteine

periferiche, invece, possono essere associate alla membrana tramite ancore lipidiche di diverso tipo: -ancora aciliche


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attraverso il dominio N-terminale; -ancore preniliche attraverso il dominio C-terminale -ancore a GPI (fosfolipide-

inositolo-oligosaccaride-etanolammina-proteina)

Le proteine di membrana possono anche in un certo senso essere fermate in posizione ad esempio generando rapporti

con la matrice extracellulare, formando un'interazione con la cellula adiacente oppure formando legami con elementi

del citoscheletro.

Il caso dei rapporti intracellulari riguarda specialmente le cellule epiteliali.

Epiteli

Gli epiteli sono disposti in lamine e costituiscono l'interfaccia con l'ambiente esterno e il liquido extracellulare del

corpo. Sono importantissimi per i meccanismi di trasporto di sostanza e soprattutto per preservare le concentrazioni

all'interno dell'organismo.In un epitelio possiamo distinguere diverse porzioni. La superficie libera dell'epitelio detta membrana apicale. E' a

contatto con l'ambiente esterno (che pu essere l'aria negli alveoli o il lume intestinale nell'apparato digerente, oppure

con il liquido extracellulare).

La porzione basale (o meglio, basolaterale), invece, poggia su una membrana basale che nel caso degli epiteli secreta

dalle cellule stesse e le lega al tessuto connettivale sottostante.

Complessivamente la porzione basolaterale pu possedere invaginazioni che aumentano la superficie di assorbimento.I legami fra le cellule stesse e i tessuti sottostanti sono sanciti da diverse tipologie di giunzioni.

Le cellule adiacenti sono legate fra loro tramite giunzioni aderenti, desmosomi, gap junction e tight junction. In

particolare le gap junction permettono le connessioni intercellulari tramite unit denominate connessoni (costituite dasei connessine organizzate fra loro). Le tight junction, invece, sono composte da particolari proteine appartenenti alla

famiglie delle claudine e delle occludine.

Le tight junction hanno tre principali funzioni:

1) Sono barriere che separano un compartimento dall'altro. In alcune cellule epiteliali, come ad esempio quelle del

tubulo renale ascendente, le tight juction formano una barriera impenetrabile che blocca completamente il passaggio di

ioni e di acqua fra le cellule.

2) Possono agire da canali selettivi, per cui permettono il passaggio di acqua o determinati soluti pi facilmente

rispetto ad altri. Alcuni esempi sono quelli del tubulo renale prossimale. Tali capacit possono essere regolate in base a

determinati stimoli e dipendono dalla tipologia di claudine coinvolte nella formazione della giunzione. Questa

denominata come via paracellulare ed considerata come appartenente alle vie di trasporto passivo.

3) Fungono da parete divisoria nelle cellule epiteliali, che come sappiamo sono polarizzate. Dunque

suddividono la singola cellula in una porzione apicale ed una basolaterale. Questo importante perch vi sono presenti

diverse popolazioni di proteine e lipidi in ciascuno dei due domini, che sono fondamentali nel trasporto di fluidi e soluti.La via transcellulare infatti, regolata dalle proteine regolata dalle proteine presenti nella porzione apicale dellacellula.

Trasporto di acquaIl trasporto di acqua attraverso le membrane biologiche sempre un passaggio passivo. La permeabilit di una

membrana all'acqua dipende anche dalla percentuale di acidi grassi polinsaturi contenuta in essa, tuttavia esistono canali

specializzati nel permettere il passaggio di acqua come ad esempio le acquaporine.

Le acquaporine sono canali transmembrana di forma tetramerica. La sintesi di acquaporine da parte della cellula

stimolata dal legame fra un ormone (come ad esempio l'ormone antidiuretico) ad un recettore di membrana (solitamente

di tipo G a serpentina) che determinano l'attivazione di un secondo messaggero (come ad esempio l'adenilato ciclasi,

che stimola l'aumento del cAmp cellulare) e che determina un'induzione all'esocitosi sulla membrana apicale di

vescicole contenenti acquaporine. Il segnale generato dal legame dell'ormone col recettore notevolmente amplificato

grazie alla presenza del secondo messaggero. Le acquaporine possono essere nuovamente internalizzate nella cellulatramite endocitosi. Zamboni ci tiene a precisare che chi ha scoperto che il secondo messaggero la rappresentazione del

messaggio extracellulare in maniera intracellulare ha vinto il nobel.

Osmosi

Un caso particolare di diffusione del solvente detto osmosi, che avviene sia tramite la via transcellulare che in quella

paracellulare. L'osmosi presuppone il passaggio di solventi da un compartimento all'altro tramite una membranapermeabile al solvente ma non ai soluti. La forza che spinge l'acqua al movimento la differenza di pressione osmotica

tra i due lati della membrana cellulare.

Supponiamo infatti di avere due compartimenti, uno contenente solvente puro e l'altro contenente acqua + soluto.

Essendo l'acqua pi concentrata nel compartimento 1, esso transita in direzione del compartimento 2. Il flusso netto, una

volta raggiunto l'equilibrio sar zero, tuttavia vi saranno comunque molecole d'acqua che si spostano da uncompartimento all'altro in senso opposto.

La pressione osmotica la pressione che devo applicare alla soluzione per evitare il trasferimento del solvente.Nelle particolari circostanze del fenomeno osmotico l'eccesso di soluto in un compartimento separato tende ad attirare

acqua col fine di ripristinare un equilibrio fra le concentrazioni. A condizioni di equilibrio, ovvero quando l'acqua sar

fluita per diffusione nel compartimento a maggior concentrazione di soluto, si potr constatare un aumento di volume


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nel compartimento che inizialmente era a maggior concentrazione di soluto, tale dislivello di pressione idrostatica

costituisce la pressione osmoticadella soluzione.

L'equilibrio non sarebbe mai raggiunto se non si stabilisseunadifferenza di pressione idrostaticatra i due

compartimenti.Tale dislivello di pressione idrostatica va a definire dunque una prima definizione di pressione osmotica, ovvero la

pressione che bisogna esercitare per evitare il trasferimento di solvente.

Nel calcolo della pressione osmotica importante tenere in considerazione il numero di particelle coinvolte, e non laloro qualit o la specie chimica alla quale queste appartengono. Difatti la pressione osmotica una spinta che agisce

contro le pareti del recipiente, generando una pressione proporzionale al numero di molecole che spingono contro la

parete.

Per questo motivo viene utilizzata per l'appunto la legge di van't Hoff, dove la pressione osmotica viene calcolata come:= nCRTdove n il numero di particelle in cui il soluto si scinde quando inserito nel solvente

C la concentrazione del soluto

R la costante universale dei gas

T la temperatura in gradi Kelvin

Partendo dalla pressione osmotica si possono introdurre i concetti di osmolee osmolarit.Losmole lunit di misura del numero di particelle osmoticamente attive che contribuiscono alla pressione osmotica

di una soluzione. Una osmole contiene un numero di Avogadro di particelle osmoticamente attive.Losmolarit definita come il numero di osmoli per litro di soluzione: osM = n. osmoli/1L. Per le sostanze che non si dissolvono in soluzione acquosa, il numero di osmoli corrisponde al numero di moli, mentre

per quelle che si dissociano il numero di osmoli pari a quello delle moli della sostanza indissociata moltiplicato per il

numero di particelle generato dalla dissociazione.

Vi inoltre un altro valore, rappresentato dall'osmolalit, che invece definisce il numero di osmoli per kilogrammo di

solvente. La misura dell'osmolarit dipende dalla temperatura, perch il volume del solvente varia con essa (il volume

maggiore a temperature pi alte). Al contrario l'osmolalit indipendente dalla temperatura.

Quando la temperatura pu essere trascurata utilizzo l'osmolarit.

La pressione osmotica viene normalmente fornita come osmoli per chilo di solvente perch una misura indipendente

dalla temperatura. L'osmolalit viene definita in laboratorio misurando l'abbassamento del punto di congelamento o

l'innalzamento del calore di evaporazione della soluzione in esame (sono propriet colligative).

TonicitQuando si vuole paragonare la situazione osmotica di una soluzione rispetto ad un'altra da cui separata tramite unamembrana semipermeabile, si fa uso della tonicit. Essa viene utilizzata per paragonare l'ambiente intracellulare con

quello extracellulare. Rispetto ad una soluzione di riferimento (come pu essere ad esempio il citoplasma cellulare) una

soluzione pu essere:

isotonica se non modifica il volume della cellula

ipotonica se causa un incremento di volumetrico

ipertonica se causa una diminuzione di volume

Queste particolari definizioni voglio esprimere una sostanziale differenza che persiste fra il concetto di isotonicit e

quello di isosmoticit.

Infatti la tonicit s legata all'osmolalit, ma tiene anche conto della capacit delle molecole prese in considerazione di

attraversare la membrana semipermeabile.

Supponiamo infatti di avere un globulo rosso che possiede un'osmolalit nel suo citoplasma pari 300 mOsm/Kg, e due

soluzioni rispettivamente di saccarosio ed urea entrambe con osmolalit di 300 mOsm/Kg.Inseriamo un globulo rosso all'interno di ciascuna soluzione e osserviamo il risultato.

Il citoplasma e le due soluzioni sono tutte e tre isosmotiche, ma si comporteranno in maniera diversa nei confronti del

globulo rosso.

Infatti la soluzione contenente saccarosio sar ipotonica, il globulo rosso infatti manterr il suo volume originale.

La soluzione contenente urea invece risulter ipotonica, il globulo rosso si gonfiato. Come mai? I diversi effetti

sull'eritrocita dipendono dalla permeabilit di membrana di quest'ultimo. La membrana dell'eritrocita infatti contieneuniporti per l'urea, ma non per il saccarosio. Di conseguenza l'urea penetra nel globulo rosso per diffusione andando ad

innalzare la pressione osmotica di questo compartimento, di conseguenza l'acqua penetra per bilanciare la pressione fra i

due compartimenti ed abbassare la pressione osmotica.

Poich la membrana del globulo rosso impermeabile al saccarosio, esso esercita una pressione osmotica sulla

membrana pari a quella esercitata dai soluti del citoplasma dell'eritrocita dall'altro lato della membrana.Il saccarosio quindi un osmole efficace mentre l'urea no.

Dal punto di vista clinico, una soluzione ipotonica normalmente utilizzata la soluzione fisiologica a 0,9% di NaCl(ovvero 9gr di NaCl per litro di soluzione).

Osmosi inversa


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Per evitare il processo di osmosi e l'equilibrio che ne consegue, possibile generare una pressione nel compartimento

contenente maggiore soluto. In questo modo spingo nel primo compartimento acqua pura.

Questo processo definito osmosi inversa.

Fi ltrazione e scambi idrici nei capill ariInnanzitutto necessario ricordare come fra il liquido extracellulare e quello intracellulare vi siano delle differenze

nella presenza e nella concentrazione dei soluti. Il liquido extracellulare ha una concentrazione di sodio maggiorerispetto alla cellula. Questa maggiore concentrazione all'esterno vede nella sua controparte intracellulare una maggiore

concentrazione di potassio. Anche il calcio maggiore all'esterno della cellula e ha la funzione di secondo messaggero

intracellulare.

Per quanto riguarda le proteine, si trovano in concentrazione di circa 7g/dl nel plasma, 1g/dl nel liquido interstiziale ecirca 30g/dl all'interno della cellula.

Le proteine non possono transitare liberamente da un compartimento all'altro, per questo motivo generano una certa

pressione osmotica. Fra le proteine che generano pressione osmotica non includiamo, ovviamente, le proteine legate alla

membrana ma solo quelle libere nel citosol.

Tale tipologia di pressione osmotica generata dalle proteine denominata pressione oncotica.

La pressione oncotica non segue esattamente la legge di van't Hoff, molto probabilmente per via della loro strutturaintrinseca. La legge di van't Hoff, infatti, si mostra pi accurata nei confronti di soluti molecolari di forma tondeggiante.

Le differenze di pressione idrostatica costituiscono una importante forza motrice nello spingere i fluidi all'esterno,

attraversando le pareti dei capillari. I piccoli soluti attraversano liberamente la maggiorparte dei capillari. Per questomotivo, differenze di pressione osmotica risultanti da piccoli soluti non esercitano notevoli forze in grado di muovere

l'acqua attraverso i capillari.

La situazione abbastanza differente, invece, per le proteine plasmatiche, che sono troppo grandi per attraversare la

parete capillare. Di conseguenza, la presenza di una elevata concentrazione di proteine plasmatiche nel compartimento

intravascolare piuttosto che nel liquido interstiziale va a determinare una differenza di pressione osmotica che tende a

riportare il fluido all'interno del capillare. Questa , appunto, la pressione osmotica colloidale, detta anche oncotica.

L'acqua all'equilibrio attraverso la parete capillare quando le differenze di pressione colloidosmotiche di e quelle

idrostatiche sono uguali. Quando la differenza di pressione idrostatica supera la differenza di pressioni

colloidosmotiche, abbiamo come risultato un flusso di acqua all'esterno del capillare che detta filtrazione.

Struttura dei capillari

Nella maggiorparte del tessuti, il flusso capillare ha come scopo quello di sopperire ai bisogni nutrizionali del le cellule.

Tuttavia, in alcuni tessuti, una larga porzione del flusso capillare non nutrizionale, definito anche cortocituitato. Inquesto caso, infatti, il flusso ematico passa dal versante arterioso a quello venoso.Le componenti principali di una ideale microcircolazione comprendono un'arteriola ed una venula, fra i quali si estende

un network di capillari veri e propri. Pu capitare che il capillare non origini direttamente dall'arteriola, ma tramite

quella che viene denominata metarteriola. Sia l'arteriola che la venula contengono uno strato di tessuto muscolare liscio.

I cosiddetti sfinteri precapillari (situati nel punto di transizione fra il capillare e l'arteriola) controllano l'accesso del

sangue in particolari tratti della rete capillare. Tali sfinteri precapillari sono regolati da un meccanismo on/off grazie alla

muscolatura liscia che, determinando piccole differenze di pressione, modulano la direzione del flusso ematico.

I capillari sono costituiti da un singolo strato di cellule endoteliali sorrette da una membrana basale. Le singole cellule

endoteliali sono legate fra loro da giunzioni denominate giunzioni interendoteliali. Alcune cellule endoteliali

possiedono dei condotti, o finestre, che attraversano completamente la cellula, dal lume del capillare sino allo spazio

interstiziale. Tali finestre hanno dimensioni che vanno dai 50 agli 80 nm di diametro e si trovano soprattutto in tessuto

che vedono un massiccio flusso di liquidi e soluti attraverso le pareti capillari (come ad esempio nell'intestino, nel

plesso corioideo, nelle ghiandole esocrine e nei glomeruli renali).L'endotelio dei capillari sinusoidali, invece, possiedono larghe finestre fra i 100 e i 1000 nm fra cellule adiacenti.Si trovano soprattutto a livello di fegato, midollo osseo e milza.

I capillari possono essere classificati in tre categorie in base al loro livello di permeabilit:

capillari continui: la tipologia pi comune di capillari, con giunzioni interendoteliali fra i 10 e i 15 nm. Si

trovano soprattutto a livello di pelle, polmone e cuore. A livello della barriera ematoencefalica, inoltre, non sono in

alcun modo presenti fenestrazioni. capillari fenestrati: in questi capillari le cellule endoteliali sono sono sottili e perforate da finestre. Questi

capillari spesso si trovano a livello di ghiandole endocrine ed esocrine, di mucose e dei glomeruli

capillari discontinui o sinusoidali: questi capillari hanno larghe perforazioni e sono localizzati a livello dei

sinusoidi (come nel fegato e nella milza).

Nella loro porzione distale i capillari si continuano nelle venule che convogliano il sangue nelle vene riportandolo alcuore.

Trasferimento capillare di acqua

Mentre il metodo principale per il trasferimento di soluti e gas quello della diffusione, il trasferimento netto di fluidi

attraverso la membrana capillare la convezione forzata. Le due principali forze che regolano la convezione di un


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fluido attraverso la parete capillare sono la differenza di pressione idrostatica e la effettiva differenza di pressione

osmotica (detta anche differenza di pressione oncotica).La differenza di pressione idrostatica attraverso la parete capillare data dalla differenza fra la pressione intravascolare

(Pc) e quella extravascolare (o meglio relativa al liquido interstiziale) (Pis).

Il termine idrostatico, in questo caso, include tutte le fonti di pressione intravascolare ovviamente, e non solo quelle

determinate dalla forza di gravit.

La differenza di pressione osmotica, invece, determinata dalla differenza fra la pressione oncotica delle proteineplasmatiche (pigreco c) e la pressione colloidosmotica extravascolare (pigreco is) causata dalle proteine interstiziali e

dai proteoglicani.

Un delta P positivo comporter l'uscita dell'acqua dal lume del capillare, cos come un d pigreco positivo attrarr acqua

all'interno del capillare.Per descrivere il flusso attraverso un capillare possiamo partire dalla prima legge di Fick:

Jv= Lp A PLp il coefficiente di permeabilit idraulica, mentre A determina l'ampiezza del capillare (di difficile misurazione).

Per questo motivo si scelto di includere in un unico coefficiente sia Lp che A, andando in questo modo a definire Kf.

Kf prende adesso il nome di coefficiente di filtrazione e riguarda l'intera parete capillare.

Adesso otterr quanto segue:Jv = Kf PDove al posto di P andr a inserire i valori delle varie pressioni, sia quelle idrostatiche che quelle osmotiche.

Infatti l'ipotesi di Starling di descrivere il volume del flusso (Jv) di un fluido attraverso la parete capillare descrittanella seguente equazione:

dove Jv il flusso del fluido attraverso la parete capillare

Kf il coefficiente di filtrazione originato dal prodotto fra area superficiale di capillarit e conduttanza idraulica di

capillarit.

sigma il coefficiente di correzione o di riflessioneL'equazione scritta in modo tale che un risultato positivo indichi la fuoriuscita di fluido dal capillare mentre un valore

negativo indica che il fluido sta entrando nel capillare.

Dal momento che le pareti capillari escludono le proteine in maniera imperfetta, la differenza di pressione osmotica

molto pi bassa rispetto a quella ideale. Il rapporto fra la delta pigreco reale e quella ideale va a costituire il coefficiente

di riflessione, che descrive come una barriera semipermeabile escluda o rifletta tot soluto quando l'acqua si sposta

attraverso la barriera. Il valore di sigma pu variare da 0 a 1. Quando sigma uguale a zero, l'acqua trasporta con se il

soluto che attraversa con essa la membrana poich tale soluto non esercita minimamente alcuna pressione osmotica.

Quando sigma supera lo zero, la membrana filtra via il soluto. Sigma per le proteine vale circa 1.Dal momento che piccoli soluti come il sodio e il cloro attraversano liberamente l'endotelio, la loro sigma vale zero e

non sono compresi nell'equazione di Starling. Di conseguenza cambiamenti nelle loro concentrazioni non determinano

variazioni nella pressione osmotica.

La pressione capillare anche detta pressione idrostatica, per distinguerla dalla pressione colloidale. La pressione

riscontrata a livello dei capillari arteriosi di circa 35 mmHg e di circa 15 nei capillari venosi.

La differenza di pressione osmotica attraverso l'endotelio capillare dovuta esclusivamente alle proteine plasmatiche,

come l'albumina, il fibrinogeno e la globulina.

La pressione idrostatica interstiziale considerata prossima allo zero.La concentrazione delle proteine plasmatica approssimativamente di 7gr/dL, che corrisponde ad una concentrazione di

circa 1,5 mM. Utilizzando la legge di van't Hoff, questre proteine eserciterebbero una pressione osmotica di circa 28

mmHg se riflettessero perfettamente contro la parete capillare (quindi se sigma fosse uguale a 1). Tutta via sigma

prossimo ad 1, di conseguenza la effettiva pressione osmotica colloidale si attesta a 25 mmHg sia per i capillari venosi

che per quelli arteriosi.

La pressione colloidosmotica dell'interstizio, invece, si attesta a circa 1 mmHg.Utilizzando l'equazione di Starling otterreno che a livello del capillare arterioso il flusso pari a circa 10 mmHg. Poich

il valore positivo, ci indica che la pressione spinge il fluido all'infuori del capillare.

Jv = (350)(261) = 10 mmHg

A livello del capillare venoso invece, ho una pressioe idrostatica di 16 mmHg ed una pressione colloidale di 25 mmHg.

Considerando sempre la pressione colloidosmotica dell'interstizio pari a 1 mmHg e quella idrostatica dell'interstizio

trascurabile, ottengo una pressione pari a -9 mmHg. I liquidi vengono perci richiamati all'interno del vaso.

Jv = (160) - (251) = -9 mmHg.

Parte dei liquidi vengono rilasciati nell'interstizio, e vengono riassorbiti dal sistema linfatico.

Trascinamento di sostanze negli scambi idrici capillari


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Il flusso netto di un soluto attraverso la parete capillare (Js totale) determinato sia dal moto diffuso (Js-capillare) sia

dal moto convettivo (di trascinamento del solvente, Js-trascinamento).

Quindi Js totale = Js-capillare + Js-trascinamento

Il moto diffusivo pu essere espresso a partire dall'equazione di Fick.

Ricordiamo che l'equazione di Fick Js-capillare = DA (dC/dX).

Possiamo ovviamente scriverla anche come Js-capillare = D dC (A/dX)

Assumiamo A/dX come costante e consideriamolo come un fattore di correzione di D (che il coefficiente di diffusionedella sostanza). Essendo che anche D costante per la sostanza, allora D a/dX diventa un coefficiente che esprime la

permeabilit della membrana capillare.

Chiamiamo questo prodotto Sp, che sta per coefficiente di permeabilit capillare.

Adesso avremo, dunque, che Js-capillare = Sp x dCPer quanto riguarda il moto del soluto dovuto al trascinamento, questo viene espresso dalla seguente formula:

Js-trascinamento = [Jv (1 - ) (conc media della sostanza)]In questo caso sigma il coefficiente di riflessione non delle proteine plasmatiche, ma della sostanza della quale si

vuole indagare la permeabilit.

Jv si ricava dall'equazione di Starling.

Adesso sommiamo le due formule sovracitate e otteniamo Js-totale:

Js-totale =[Jv (1 - ) (conc media della sostanza)] + (Sp c)

Filtrazione vs diffusione

La diffusione un moto puramente passivo, mentre la filtrazione data da un moto di convezione forzata.

La diffusione un passaggio di soli soluti, la filtrazione un passaggio di solo solvente ed eventualmente possono venir

trascinati dei soluti.

La diffusione avviene contemporaneamente in tutte le cellule dell'organismo, e il volume di liquido scambiato (perch

anche l'acqua pu passare per diffusione raga) di circa 8x104

litri al giorno ( un volume che fondamentalmente

rimane all'interno del nostro organismo). La filtrazione interessa un volume di liquido di circa 20 litri filtrati sul

versante arterioso e 18 riassorbiti in quello venoso. La diffusione un movimento bidirezionale per tutta la lunghezza del capillare e dipende dai gradienti di

concentrazione e dal moto browniano; nella filtrazione il flusso unidirezionale (verso l'interno assorbimento, verso

l'esterno filtrazione) ed determinato dai gradienti di pressione osmotica e idrostatica.

Nel caso in cui la membrana capillare sia poco o per niente permeabile alle proteine si ha un processo chiamato

ultrafiltrazione.La filtrazione molto importante per il trasporto di acqua ma trascurabile per il trasporto di soluto, tranne che per ilrene dove vengono filtrati circa 180 litri di acqua al giorno.

E' importante anche per mantenere la quantit di fluidi all'interno dell'organismo.

Di ff usione e trasporto di solu tiI trasporti transcellulari possono essere attivi o passivi. Quelli passivi possono essere facilitati da intermediari proteici,

in questo caso parliamo di diffusione facilitata. I processi diffusivi necessitano di un gradiente di concentrazione

favorevole. Quando non vi la presenza di tale gradiente, si va a determinare la necessit di utilizzare trasporti di tipo

attivo, che si suddividono in trasporti attivi primari e secondari.

La maggiorparte degli ioni e dei soluti idrofilici non riesce ad attraversare tramite semplice diffusione passiva la

membrana. Dunque, a meno che non ci troviamo dinnanzi a trasporti accoppiati con altre sostanze, possiamo riscontrare

sulla membrana dei pathway alternativi che permettono a tali sostanze di attraversare il bilayer.Tutti questi pathways sono permessi dalla presenza di proteine integrali di membrana.

Sono tre le tipologie di trasporti transmembrana mediati da proteine:

La proteina di membrana forma un poro che sempre aperto. Esempi fisiologici di pori sono quelli che si

trovano nella membrana esterna del mitocondrio, oppure le acquaporine. Quindi se vogliamo spiegarlo terra terra

immaginiamoci un tubo dello scottex, se ci guardi dentro potrai sempre vedere la luce che lo attraversa da parte a parte.

Le proteine di membrana formano dei canali, che possono essere aperti o chiusi perch sono dotati di un gate odi una barriera. Esempi fisiologici includono tutti i canali ionici, come ad esempio quelli che permettono al sodio, cloro,

potassio e calcio di attraversare la membrana. Il processo di apertura e di chiusura della membrana definito gating ed

controllato da precisi stimoli. Terra terra ci possiamo immaginare un tubo dello scottex con una porzione chiusa da un

cartoncino che pu sollevarsi, la luce che lo attraversa da parte a parte si vede solo in determinati momenti. Le proteine di membrana formano un carrier che circonda un condotto che non offre mai un continuo e

costante passaggio transmembrana. Questo perch dotato di almeno due cancelli che non sono mai aperti nello stesso

momento. Fra i due cancelli c' un compartimento che contiene uno o piu siti di legame per il soluto (tot particelle disoluto in un numero finito, ovviamente). Se i due cancelli sono entrambi chiusi, le particelle di soluto sono imprigionate

nel compartimento. Esempi fisiologici di carrier includono le proteine trasportatrici per il glucosio. Terra terra possiamo


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immaginare di avere un tubo con due cartoncini che lo chiudono da ambo le parti: non potrai mai vedere la luce che lo

attraversa da parte a parte perch i due cartoncini non sono mai sollevati contemporaneamente.

Ma soffermiamoci un attimino sulla cinetica di tali meccanismi di trasporto passivo: nel caso della diffusione semplice

abbiamo una relazione lineare fra la concentrazione di soluto e la velocit con la quale questo accede nella cellula.

Invece per quanto riguarda il numero di carriers, questi sono disponibili sulla membrana cellulare in un numero limitato,

e ciascun carrier ha un limite di velocit per i passaggi che esegue. Inoltre, se un soluto extracellulare X aumenta inconcentrazione, questo andr a saturare tutti i carrier e la loro velocit di trasporto delle sostanze raggiunger un valore

limite che non potr essere superato. Di conseguenza un aumento del gradiente di concentrazione per un soluto potr

influire sulla velocit di trasporto del medesimo soluto solo fino ad un certo punto. Per aumentare l'accesso, anzich

aumentare la concentrazione del soluto, dovrei aumentare il numero dei carrier.Comunque avere proteine che mediano il passaggio dei soluto molto vantaggioso visto che tali proteine sono sensibili

a stimoli diversi e possono essere regolate. Tali stimoli possono essere di diverso tipo: voltaggio dipendenti, meccanici,

chimici etc...

I trasporti attivi possono essere di diverso tipo: abbiamo i trasporti attivi primari che sono mediati da proteine che

cambiano di conformazione utilizzando direttamente l'atp e quindi possiedono un sito catalitico ed un sito atpasico.Abbiamo inoltre i trasporti attivi secondari che sfruttano il gradiente di concentrazione di una seconda sostanza per

permettere l'accesso ad una molecola che normalmente non potrebbe entrare nella cellula perch non possiede un

gradiente di concentrazione favorevole. Questa seconda sostanza pu essere sfruttata per antiporto oppure per simporto.Viene sfruttata dunque l'energia potenziale della molecola facilitatore.

Si conoscono quattro tipi di proteine integrali di membrana che attuano il trasporto attivo primario:

pompe P che trasportano soprattutto ioni, ad esempio la pompa sodio/potassio, quella del calcio ed alcuni tipi

di pompe protoniche

pompe V : sono situate specie negli organelli intracellulari come i lisosomi, gli endosomi, le vescicole

secretore e nell'apparato del Golgi. Queste pompe prendono gli H+ dal citoplasma e li trasportano all'interno degli

organelli.

Pompe F: un trasportatore di protoni, e la pi nota atpasi di tipo F la atp sintasi nella membrana interna dei

mitocondri che catalizza la fase finale della sintesi di atp.

Pompe ABC (atp binding cassette): sono responsabili del trasporto non solo di ioni ma di piccole molecole. Di

queste fanno parte le MDR (multidrug resistance transporters) e le CFTR.

Le MDR sono trasportatori che espellono farmaci e metaboliti dalle cellule. Sono largamente espresse a livello di fegatoe reni e sono clinicamente importanti in quanto possiedono un ruolo antagonista soprattutto nelle terapie anticancro.Difatti sono in grado di rendere le cellule resistenti a tali farmaci.

In generale si pu dire che i trasportatori MDR espellono gli xenobioti.

Le CFTR sono una tipologia di trasportatori che risulta mutata nel caso della fibrosi cistica. Difatti regolano la

fuoriuscita del cloro che, essendo uno ione osmoticamente attivo attira acqua. Un errato ripiegamento nelle proteine che

costituiscono tale trasportatore non permette la secrezione di cloro e quindi il richiamo di acqua, che ha la funzione nei

polmoni di rendere meno dense le secrezioni ghiandolari e di facilitarne l'espulsione. Tali secrezioni densificano e sono

terreno fertile per la formazione di batteri. Molto spesso i pazienti muoiono di infezioni polmonari.

La pompa sodio potassio

La pompa sodio potassio una atpasi di tipo P che accoppia l'esclusione di tre ioni Na+ all'acquisizione di due ioni K+

grazie all'idrolisi di una molecola di ATP. Se non vi fosse l'idrolisi dell'ATP, il trasportatore andrebbe a facilitare

l'accesso del sodio nella cellula e la fuoriuscita di potassio. La pompa sodio potassio si trova esclusivamente nellaporzione basolaterale della cellula. Il ciclo della pompa sodio potassio prevede innanzitutto l'esposizione del sito di

legame verso il versante citoplasmatico, che possiede elevata affinit per il sodio. Avviene inoltre il legame con una

molecola di ATP . Dopo che tre ioni sodio si sono legati, l'ATP precedentemente legato alla pompa va a fosforilarla a

livello di un residuo di aspartato. Tale modificazione covalente comporta l'apertura della pompa sul versante

extracellulare e la diminuzione dell'affinit della pompa per gli ioni sodio. Gli ioni sodio vengono dunque rilasciati

nell'ambiente extracellulare e vengono legati due ioni potassio. Il fosfato dell'aspartato viene rimosso e la pompa viene achiudersi su ambo i versanti. Il legame con una nuova molecola di atp sul versante intracellulare riapre la pompa sul

versante intracellulare e fa diminuire l'affinit di questa verso il potassio, che viene liberato nel citosol.

Poich ciascun ciclo vede l'esclusione di tre cariche positive ma l'immissione di soltanto due cariche positive, allora

possiamo dire che la pompa sodio potassio una pompa elettrogenica.

Inoltre, un'altra importantissima funzione della pompa sodio potassio, che riguarda specialmente le cellule che nonfanno parte del tessuto nervoso, la sua capacit di preservare il volume cellulare.

La pompa sodio potassio pu essere inibita da una classe di composti noti come cardiocinetici, di cui vi fa parte laouabaina. Essi competono con il sito di legame per il potassio.


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Tale pompa, estrudendo il sodio dalla cellula, andr a determinare un accumulo di sodio a livello della porzione

basolaterale. Andandosi dunque a generare un accumulo di soluto, l'acqua tender ad uscire per osmosi con lo scopo di

diluire il sodio e riequilibrare la situazione.

La membrana cellulare, infatti, molto poco permeabile al sodio e ci impedisce che l'acqua rientri nella cellula.

Altri esempi di ATPasi di tipo P

La pompa H+/K+, invece, una pompa non elettrogenica in quanto tira fuori ed immette la stessa quantit di ioni dellamedesima carica. Tale pompa solitamente posizionata nella porzione apicale delle cellule, soprattutto a livello delle

cellule della parete gastrica.

Lo ione H+ coinvolto in tale pompa derivante dall'anidride carbonica che, combinandosi con l'acqua tramite una

reazione catalizzata dall'enzima anidrasi carbonica, da origine all'acido carbonico. L'acido carbonico, successivamente,si dissocia in uno ione H+ e uno ione bicarbonato.

Lo ione bicarbonato viene espulso e scambiato con il cloro, tramite uno scambiaore che funziona per antiporto.

La pompa per il calcio una ATPasi molto importante dal momento che il calcio utilizzato all'interno della cellula

come messaggero intracellulare, di conseguenza ne deve essere controllata la concentrazione intracellulare.

Il calcio viene normalmente stipato nell'ambiente extracellulare, oppure all'interno di organuli quali il reticoloendoplasmatico (e in minima parte in mitocondri e apparato del Golgi).

La SERCA in particolare una specifica pompa per il calcio situata nel reticolo endoplasmatico delle cellule muscolari

(sarcoplasmatico, per questo motivo). Esse trasportano 2 ioni H+ e due ioni Ca2+ per ogni molecola di ATP che vieneidrolizzata.

L'endocitosi e l'esocitosi mediata da vescicole

L'ultima tipologia di trasporto attivo di sostanze all'interno delle cellule quello mediato da vescicole.

L'endocitosi una tipologia di trasporto attivo molto importante per la cellula per differenti motivi:

l'endocitosi permette l'ingresso di sostanze che sarebbero troppo grandi per passare dal fluido extracellulare al

citoplasma tramite i carrier

essa va a concludere i processi scaturiti da numerosi ormoni

si occupa del rinnovamento della membrana cellulare, difatti in un intervallo di tempo fra i 30 e i 90 minuti la

cellula pu compiere un intero rinnovamento dell'intera superficie di membrana.

proteine e patogeni che si sono agganciati alla membrana cellulare sono portati all'interno della cellula tramite

endocitosi e degradati dai lisosomi.

Inizialmente abbiamo il prelevamento di sostanze dal fluido extracellulare e l'assemblamento di diverse clatrine sulversante citoplasmatico della membrana. La formazione dell'intera gabbia di clatrine determina la chiusura della

vescicola e il distacco di questa dalla membrana cellulare. Successivamente al distacco l'ingabbiatura di clatrine viene

persa e tali proteine vengono riciclate.

I processi di endocitosi possono suddividersi in tre tipologie differenti:

endocitosi clatrina dipendente: dopo che avvenuto il legame fra ligando e recettori di membrana, viene

inviato un segnale attraverso alla membrana che determina la formazione di un'invaginazione. I recettori ed i loro

ligandi sono quindi opsonizzati ( opsonina: ciascuna molecola che facilita la fagocitosi) all'interno di vescicole

coperte di clatrina. Una volta opsonizzate le vescicole di clatrine si spogliano delle clatrine e ciascuna vescicola va a

formare un endosoma primitivo. Dal momento che i recettori vengono internalizzati assieme al ligando, l'endocitosi di

nuove molecole sar interrotto sino a che i recettori non verrano ripristinati sulla membrana.

endocitosi caveolina dipendente: abbiamo proteine quali le caveoline che sono integrali di membrana e sono

esposte verso il citosol. Vanno a formare le caveole che sono situate soprattutto a livello delle cellule endoteliali deivasi sanguigni e sono particolarmente ricche di sfingomielina e colesterolo.

Endocitosi indipendente sia da clatrina che da caveolina il cui funzionamento ancora un mistero misterioso

Recentemente stato scoperto che alcune di queste vescicole transitano attraverso la cellula senza motivo e senza

rilasciare sostanze all'interno di essa. Inoltre una serie di vescicole possono incolonnarsi e fondersi fra loro andando a

formare un canale vescicolo-vacuolare. Questo canale vescicolo-vacuolare rientra nei trasporti transcellulari di

macromolecole e mette in contatto l'ambiente extracellulare con quello intracellulare.Le sostanze endocitate seguono destini diversi a seconda del contenuto di quest'ultime: alcune possono essere dirottate

verso i lisosomi per essere degradate, altre possono terminare nell'apparato di Golgi per essere sottoposte a

modificazioni strutturali.

Per quanto riguarda i processi di esocitosi, possiamo distinguere una via costitutiva ed una regolata.La via costitutiva effettuata da tutte le cellule in maniera costante e continua, e determina il rilascio di sostanze nella

matrice extracellulare oppure sfruttata per inserire nella membrana i prodotti sintetizzati.La via regolata consentita a partire da uno stimolo esterno, come ad esempio quelli determinati dai neurotrasmettitori.

Il movimento delle vescicole contenenti sostanze regolato da specifiche proteine che rivestono le vescicole in

superficie.


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Le proteine COP-II rivestono solo le vescicole che gemmano dal Reticolo Endoplasmatico. Le proteine COP-I , invece,

rivestano tutte le proteine che gemmano dalle cisterne golgiane, sia quelle del flusso vescicolare anterogrado sia quelle

del flusso vescicolare retrogado.

ElettroneutralitCon il termine elettroneutralit intendiamo il fatto che non ci sia alcun eccesso di cariche da nessun lato della membrana

cellulare. Quindi anche se persiste un potenziale elettrico attraverso la membrana (dovuto alla separazione di cariche),non c' una misurabile differenza nella concentrazione globale di cariche negative e positive attraverso la membrana.

Questo sta a significare che non c' un misurabile eccesso di cariche da nessun lato. Questo avviene perch l'effetto di

una carica nel potenziale elettrochimico molto pi grande rispetto all'effetto della concentrazione, di conseguenza un

insignificamente cambiamento nella concentrazione genera un grande cambiamento nel potenziale elettrico.Complessivamente possiamo dire che tutti i soluti devono rispettare il principio di neutralit, per cui il numero di

cariche positive nella soluzione deve essere pari al numero di cariche negative.

Se, ad esempio, andiamo ad analizzare le concentrazioni dei pi importanti cationi ed anioni del citosol, possiamo

osservare che la somma delle concentrazioni di sodio e potassio supera notevolmente la somma delle concentrazioni di

cloro e bicarbonato. Questo eccesso di cariche positive espresso da questa differenza bilanciato dalle cariche negative

situate sulle macromolecole intracellulari (come ad esempio le proteine, o i gruppi fosfati).

Ef fetto dell e proteine sull a distribuzione di soluti nel plasma

La sostanziale differenza che persiste fra il plasma e il liquido interstiziale, la completa assenza di proteineplasmatiche nell'interstizio. Tali proteine plasmatiche, dal momento che non possono equilibrarsi attraverso le pareti dei

capillari, sono le responsabili della lieve differenza nella concentrazione dei piccoli soluti che persiste fra plasma e

liquido interstiziale. Le proteine plasmatiche influenza la distribuzione dei soluti principalmente in due maniere

differenti: 1) a causa del volume che occupano 2) a causa della carica elettrica che possiedono

Le proteine plasmatiche hanno una concentrazione di 7gr per 100ml. Esercitano una pressione colloidosmotica e

determinano uno spostamento passivo di solvente. Questa forza pu trasportare soluti ed una forza che si unisce alla

pressione idrostatica capillare e determina il processo di filtrazione, in particolare il riassorbimento di liquidi a livello

dell'estremit venosa del capillare. Il fluido in eccesso viene allontanato dai vasi linfatici. L'accumulo netto di liquido

prende il nome di edema ed molto pericoloso quando avviene a livello di determinati organi come ad esempio i

polmoni pu essere anche mortale perch va ad ostacolare gli scambi respiratori.

La molarit delle proteine relativamente piccola e si aggira attorno a 1mM.

Le proteine plasmatiche non sono una classe omogenea.

Possono essere separate tramite elettroforesi: se vengono separate dal sangue e vengono inserite in una soluzionealcalina dove assumono cariche negative e poi introdotte in un campo elettrico, esse migrano verso il polo positivo(meno velocemente quelle pi grandi, pi velocemente quelle pi piccole).

La maggiorparte delle proteine tissutali sono prodotte dal fegato e fra queste sono importantissime le albumine dal

punto di vista colloidosmotico. Esse sono in grado, infatti, di trattenere nel plasma circa 18/20ml di acqua per grammo.

Se si riduce la concentrazione delle albumine vengono a generarsi edemi, poich manca uno degli elementi che si

oppone alla filtrazione di acqua. Problemi al fegato determinano problemi nella sintesi delle albumine ( cirrosi).

La barriera capillare possiede una permeabilit molto scarsa alle albumine, di conseguenza la loro sigma prossima a

uno.

Eff etto DonnanPossiamo sfruttare l'estrema non permeabilit delle albumine per spiegare l'effetto Donnan.

Allora, ci troviamo ad osservare due compartimenti: il fluido interstiziale e il plasma.

A livello del fluido interstiziale abbiamo una elevata concentrazione di cloruro di sodio, che in soluzione acquosa sidissocia completamente in ioni Cl- e ioni Na+. Entrambi gli ioni saranno portati a muoversi seguendo il loro gradiente

di concentrazione, tuttavia adesso doveroso tenere in considerazione anche il gradiente elettrochimico.

Infatti i flussi di ioni sono determinati anche dalle forze attrattive e repulsive fra cariche elettriche.

Ricordiamo che entrambi i compartimenti sono elettroneutrali, e che vi sono presenti specie cariche in grado di

oltrepassare la membrana (quali ad esempio il sodio e il cloro) e specie che invece non possono attraversarle

(macromolecole quali appunto le proteine, nella fattispecie situate nel plasma).Pur preservando l'elettroneutralit, andr a generarsi una differenza di potenziale elettrochimico per le specie chimiche

permeanti, come mai?

Ci determinato dal fatto che nel plasma persiste una generosa concentrazione di proteine non permeabili (come

appunto le suddette albumine) che, dotate di cariche negative, andranno ad attrarre ioni positivi come ad esempio il

sodio di cui abbiamo parlato poc'anzi.La presenza di uno ione indiffusibile, in questo caso carico negativamente come le proteine, va ad aumentarmi la

concentrazione nell'interstizio di alcuni ioni diffusibili (in questo caso carichi positivamente), andando a diminuire alcontempo la concentrazione di ioni diffusibili carichi negativamente. Tuttavia il prodotto fra le concentrazioni degli ioni

rimane costante.


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L'equilibrio di Donnan, in generale, va a descrivere quella condizione di equilibrio che va ad instaurarsi fra due

compartimenti che presentano soluti in qualche modo carichi ma di cui solo una parte di essi in grado di attraversare la

membrana cellulare. Gli ioni non diffusibili (in questo caso gli anioni proteici) fanno regredire dal loro lato la

concentrazione degli ioni diffusibili dello stesso segno (Cl-) e fanno aumentare la concentrazione degli di segno opposto

(Na+). Come vuole l'equilibrio di Donnan, inoltre, Na+ nel plasma pi concentrato nello stesso modo in cui Cl- nel

fluido interstiziale pi concentrato. Questa ineguale distribuzione va a determinare la formazione di un potenziale (il

discorso dell'equilibrio Donnan, infatti, non solo applicabile alle differenze di soluti fra plasma e interstizio, ma anchefra interno ed esterno della cellula).

Tuttavia, comunque, il prodotto delle concentrazioni delle specie ioniche diffusibili rimane uguale nonostante le

concentrazioni dei singoli ioni non lo saranno.

C' tuttavia una piccola constatazione da fare quando parliamo dell'effetto Donnan applicato al plasma e al liquido

interstiziale. Nel senso che se andiamo a prendere esattamente un litro ed un litro di soluzioni otterremo dei risultati

leggermente sfalsati.

Infatti, precedentemente, abbiamo detto spesso e volentieri i liquidi biologici sono talmente diluiti che l'osmolalit e

l'osmolarit possono essere utilizzate senza alcuna differenza (quindi un litro di soluzione viene considerato pari ad un

kilo di soluzione). Tuttavia, se andiamo a vedere la concentrazione di proteine all'interno del plasma, potremmo notarecome esse giungano a concentrazioni pari a 7gr/dL, il che pari a 70 grammi per litro di soluzione. Per cui tali proteine

plasmatiche andranno ad occupare un considerevole spazio all'interno della soluzione (ben il 7%) che mi andr a

diminuire la quantit di solvente (acqua). La misura deve essere quindi corretta.Seguendo questo ragionamento, un litro di solvente del plasma non corrisponde ad un kilo di solvente del plasma, bensi

a 930 grammi. Le concentrazioni effettive di soluti in un chilo di solvente sono dunque pari a:

Se andiamo adesso ad analizzare le differenze nelle concentrazioni di ioni fra plasma libero di proteine e liquido

interstiziale, sar apprezzabile una asimmetria nella concentrazione degli ioni pari al 5% della loro concentrazione.

I l potenziale elettrochimi coQuando esiste un passaggio per il trasferimento di una sostanza attraverso la membrana, tale membrana, come

sappiamo, detta permeabile a tot sostanza. La forza motrice che determina il passaggio passivo di soluti attraverso la

membrana il gradiente elettrochimico, detto anche differenza di potenziale elettrochimico che agisce sui soluti fra i

due compartimenti. Questa differenza di potenziale elettrochimico comprende il contributo determinato dal gradiente di

concentrazione del soluto (da qui la differenza di energia potenziale chimica) sia il contributo determinato dalla

differenza di potenziale elettrico.

Quando non vi una forza motrice che agisce su tot soluto, possiamo dire che questo soluto all'equilibrio attraversoalla membrana e che non vi trasporto netto di questo attraverso la membrana. Ad ogni modo, anche quando questo

soluto all'equilibrio possono esserci pari e opposti movimenti del soluto attraverso la membrana. Il trasporto nettoavviene solo quando quando la forza motrice che agisce sul soluto rimossa dalla sua condizione di equilibrio, e il


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trasporto procede nella direzione di ripristino dell'equilibrio per tale soluto. Una cellula in grado di preservare una

condizione di non equilibrio con l'ausilio di elementi, come ad esempio pompe, che compensano il movimento passivo

di uno soluto ed evitano che le concentrazioni dei soluti dentro e fuori la membrana varino col tempo.

Il potenziale elettrochimico descritto dalla seguente formula:

dove z rappresenta la valenza dello ione, T la temperatura assoluta, R la costante dei gas ed F la costante diFaraday. Il primo termine nel secondo membro dell'equazione rappresenta la differenza di potenziale chimico se

consideriamo X un soluto privo di carica, mentre il secondo termine descrive la variazione di energia che avviene

quando X si muove attraverso la membrana. Vm corrisponde al potenziale di membrana.Assumendo per definizione che X all'equilibrio, ci sta a significare che il potenziale elettrochimico uguale a zero

(X = 0 ).Per cui avremo che:

Da questo possiamo capire che quando X non carico (quindi z = 0), l'equilibrio si verifica solo quando X a pari

concentrazioni ai due lati di membrana. Quando X carico, come per il sodio, ma la differenza di potenziale uguale a

zero, l'equilibrio si verifica solo quando X uguale in ambo i lati della membrana. Quando n il potenziale chimico n

quello elettrico sono uguali a zero, l'equilibrio si verifica solo quando i due termini sono uguali in valore ma opposti di

segno. Quindi cheX = 0 una condizione necessaria per stabilire una situazione di equilibrio.Dalla formula per determinare il potenziale elettrochimico, se eguagliandolo a zero, potremmo ottenere l'equazione di

Nernst che descrive le condizioni di uno ione all'equilibrio attraverso la membrana.

Date le concentrazioni del soluto all'interno e all'esterno della membrana, X all'equilibrio solo quando la differenza di

potenziale della membrana equivale il valore di equilibrio potenziale (Ex) dello ione.

Per dirla in parole povere, Ex corrisponde al valore che la membrana dovrebbe avere per far si che X sia all'equilibrio.

A temperatura corporea (37) il coefficiente RT equivale a circa 61,5 mV anzich 60mV riscontrabili a circa 29.

A 20 invece esso equivale a circa 58,1 mV.

Per calcolare il valore di uno ione a tale temperatura, useremo dunque questa formula:

Ex (o Vm) =

N.B. Abbiamo sostituito il logaritmo naturale con il logaritmo in base dieci.

Rimando all'equilibrio di Donnan: Se io vado ad eguagliare le due equazioni di Nernst per specifici ioni (come adesempio il sodio ed il cloro, e posso farlo perch essendo allequilibrio attraverso la membrana le loro singole equazioni

di Nernst saranno uguali a Vm), otterr che:

che si pu scrivere anche come:

Potenziale di membranaPrima di parlare del potenziale di membrana dobbiamo inanzitutto parlare delle convenzioni che descrivono il moto

delle cariche. Difatti noi abbiamo tot convenzione che dice che l'energia elettrica trasportata da cariche positive.Tuttavia l'energia trasportata anche da cariche negative.

Ora possiamo esordire dicendo che tutte le cellule dell'organismo possiedono una differenza di potenziale con l'interno

che negativo rispetto all'esterno. Ma attenzione, sia l'ambiente intracellulare che quello extracellulare sono

complessivamente elettroneutrali. Infatti questo concetto si deve interpretare innanzitutto come l'ambiente interno che

complessivamente pi negativo rispetto a quello esterno. E inoltre il punto di discontinuit fra questi due ambienti,

che costituito dalla membrana cellulare possiede una lieve asimmetria nella distribuzione delle cariche. Infatti sulla

membrana si accumulano cariche negative all'interno, mentre sulla faccia esterna c' uno straterello di cariche positive.

Le cellule muscolari e quelle nervose sono in grado di utilizzare questa differenza di segnale elettrico per generare

segnali specifici. Infatti, quando il corpo di un neurone elettricamente stimolato, i metodi di indagine del potenziale

elettrico riscontrano una risposta identica nell'assone. Quando la cellula non sottoposta ad alcuno stimolo, Vm rimane

ad un valore stabile chiamato potenziale di riposo. Tale potenziale di riposo ammonta a circa -85mV per le cellule

muscolari e -60mV per la cellula nervosa.Noi sappiamo che alcune proteine integrali di membrana sono trasportatori elettrogenici nel senso che generano una

corrente elettrica che determina un potenziale elettrico attraverso la membrana.Una tipologia di questi trasportatori comprende le pompe ioniche ATPasiche. Queste proteine utilizzano l'idrolisi

dell'ATP per produrre e mantenere i gradienti di concentrazione degli ioni attraverso la membrana.


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Nelle cellule animali, la pompa sodio potassio e la pompa per il calcio sono responsabili per il mantenimento dei

gradienti di sodio potassio e calcio. Per esempio, il turnover enzimatico della pompa sodio-potassio determina la

traslocazione di tre ioni sodio fuori dalla cellula e due ioni potassio all'interno, con un movimento netto di una carica

positiva fuori dalla cellula. Addizionatamente alle pompe elettrogeniche, le cellule possono esprimere trasportatori attivi

secondari che sono comunque elettrogenici, come la il traportatore Na/glucosio.

Tuttavia il potenziale di riposo delle cellule, soprattutto di quelle pi grandi, mantenuto costante per un lungo periodo

anche se vengono utilizzate sostanze che bloccano tali pompe elettrogeniche. Questa scoperta dimostra che le pompeATP-dipendenti non sono la fonte primaria di determinazione del potenziale di membrana.

A ulteriore testimonianza di ci, se prendiamo l'assone gigante di un calamaro, esso ha normalmente un potenziale di

riposo di -60mV. Quando la pompa sodio-potassio viene inibita dalla ouabaina il potenziale di membrana si innalza solo

di 1,4 mV. Quindi comunque la diretta contribuzione della pompa sodio potassio nel potenziale di riposo minima.Molti esperimenti hanno dimostrato che il potenziale della membrana cellulare dipende dai gradienti di concentrazione

ionica. Essi sono la fonte di energia immediata per determinare il potenziale di membrana.

Il potenziale di membrana, infatti, preservato nei gradienti di concentrazione ionici stessi. Ovviamente sono le pompe

ioniche (e i trasportatori secondari) che sono responsabili per la generazione ed il mantenimento di tali gradienti ionici.

Supponiamo di avere una membrana cellulare che separa l'ambiente intracellulare da quello extracellulare.

Nell'ambiente extracellulare troviamo (immaginiamo di trovare, nda) 4mM di cloruro di potassio e 155 mMnell'ambiente intracellulare. Per eliminare la pressione osmotica aggiungiamo nell'ambiente extracellulare anche un

soluto non elettrolitico qualsiasi. Rendiamo la membrana selettivamente permeabile inserendo canali per il potassio.

Il potassio diffonde dalla porzione a concentrazione maggiore (Esterno) verso quella a concentrazione minore (interno).Il compartimento cellulare interno diventa quindi improvvisamente carico negativamente. Comunque mentre una carica

negativa si sviluppa all'interno del compartimento interno, tale negativit si oppone ad ulteriori fuoriuscite di potassio

da esso. A questo punto il sistema all'equilibrio e il voltaggio della membrana raggiunge il valore dello ione

permeante (in questo caso il potassio).

Nelle membrane cellulari, tuttavia, nonostante siano pressocch impermeabili al sodio, riescono a far passare alcuni ioni

sodio che rendono l'ambiente intracellulare un po' meno negativo rispetto a prima.

Il potenziale di membrana, quindi, dovuto ad un bilancio fra le concentrazioni e le fuoriscite di sodio e potassio e tali

valori sono mantenuti costanti dalla pompa sodio-potassio.

L'ipotesi dell'equilibrio di Donnan come motivo determinante la differenza di potenziale della membrana va ad

escludersi dal momento che sia all'interno che all'esterno della cellula trovo soluti non permeanti.

Per un singolo ione posso calcolarne il potenziale di diffusione.Innanzitutto partiamo dalla definizione di gradiente elettrochimico che dato dalla seguente formula:

Pongo tale equazione uguale a zero, perch suppongo che questa sostanza sia all'equilibrio:

Adesso isolo Vm:

Questa la ben nota equazione di Nernst, in grado di predire il potenziale di equilibrio di membrana per qualsiasigradiente di concentrazione di un particolare ione. Molto spesso, in questi casi, si parla direttamente di potenziale di

Nernst. Possiamo osservare come tale equazione di Nernst sia in grado di determinare delle costanti quali quella diFaraday (che corrisponde alla quantit di carica elettrica trasportata da una mole di ioni, 96485C per mole di ione

monovalente). Da ci possiamo capire come il potenziale di membrana venga determinato da una piccolissima quantit

di ioni, che sono quelli affacciati sulla membrana stessa.

A determinate temperature posso permettermi di semplificare l'equazione di Nernst sostituendo a specifici valori

variabili in base alle condizioni termiche, e utilizzando il logaritmo decimale.Per cui sar che a 20C = -58,1; a 37C = - 61; a 29,5C = - 60Inoltre dobbiamo specificare il significato del segno meno davanti all'equazione di Nernst.

Prendiamo in esame il sodio: esso pi concentrato all'esterno che all'interno della cellulare, quindi con le dovute

sostituzioni otter un logaritmo negativo e complessivamente un Vm positivo. Tale segno positivo, dal momento che io

sto osservando la situazione dall'interno della cellula, sta a significare che il sodio ha una tendenza ad entrare all'interno

della cellula. Se prendo invece in esame il potassio ed applico la medesima formula, otterr un logaritmo con valore

positivo ed un Vm complessivamente negativo. Dal momento che il mio punto di vista continua ad essere quello di unosservare all'interno della cellula, tale segno negativo mi descrive il fatto che io sto dissipando il gradiente di

concentrazione del potassio e quindi questo ha una tendenza ad uscire dalla cellula.


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Questo quanto succede se prendo in esame ioni con carica positiva, ma cosa succede se invece considero, ad esempio,

Cl-?

In questo particolare caso devo invertire, devo invertire il rapporto delle concentrazioni, dunque la formula a 37 gradi

centigradi diventerebbe:

Effettuando le dovute sostituzioni, se il cloro pi concentrato all'esterno, otterr un logaritmo positivo econseguentemente un Vm minore di zero. Quindi applicando quanto abbiamo visto prima, dovremmo avere una

fuoriuscita di cloro, ma non cosi. Perch?

Ci determinato dal fatto che per convenzione, come abbiamo specificato un po' pi sopra, l'energia viene consideratacome trasportata da esclusive cariche positive. Di conseguenza l'accesso di una carica negativa all'interno della cellula,

equivale alla condizione nella quale faccio uscire una carica positiva da quest'ultima. Infatti se andiamo a vedere il caso

precedente, osserviamo come nell'uscita di una carica positiva dalla cellula abbiamo un segno negativo di Vm.

Tuttavia un altro modo per ottenere il potenziale di un determinato ione carico negativamente come il cloro, anzich

invertire le concentrazione posso anche semplicemente inserire un + davanti alla formula anzich un -, questo

perch z= -1.

Cellula muscolare scheletrica

Nella cellula muscolare scheletrica, il potenziale di membrana equivale a -85mV. Il potenziale di membrana dovuto al

sodio, invece, equivale a +67mV, mentre quello del potassio pari a -95mV.Il sodio quindi possiede una energia potenziale nei confronti della cellula pari a ben 152mV ( perch 67 - (-85)).

Quindi se la membrana non fosse praticamente impermeabile al sodio, esso entrerebbe a morte nella cellula.Se il sodio entrasse nella cellula, il potenziale di membrana si innalzerebbe per avvicinarsi a quello del sodio stesso,

raggiungendo in tal modo lo zero. Questo determinerebbe lo scaturirsi di un segnale elettrico.

Il potenziale del potassio, come abbiam detto, di -95mV e tende ad uscire dalla cellula secondo gradiente di

concentrazione. La differenza fra il potenziale di membrana e quello del potassio , come intuiamo, di circa 10mV.

Il cloro invece, possiede un potenziale di -89mV. Seguendo il ragionamento che uno ione tende a portare il potenziale

della membrana il pi vicino possibile al proprio, il cloro entra nella cellula (anche perch uno ione negativo entrante

equivale teoricamente alla fuoriuscita di uno ione positivo).

Il potenziale di membrana di una cellula muscolare scheletrica, determinato principalmente dal potassio e dal cloro, in

quanto maggiormente permeabili ad essa.

Cellula nervosaNella cellula nervosa il potenziale del cloro pi alto del potenziale di membrana, quindi tende ad uscire dalla cellula.

Il potenziale di membrana infatti qui di -60mV e quello del cloro di -47mV. La cellula nervosa non permeabile al

cloro quindi il suo potenziale dipende quasi esclusivamente dal potassio. Quindi il potenziale di membrana dovuto

esclusivamente al fatto che c' un'asimmetria di distribuzione degli ioni per cui avremo pi potassio all'interno e pi

sodio all'esterno. In condizioni di riposo la membrana pi permeabile al potassio che al sodio, dunque a condizioni di

riposo ho pi pori che mi favoriscono l'uscita del potassio piuttosto che l'entrata del sodio. Quindi l'ambiente interno(contro la membrana) comunque mantenuto negativo.

La fuoriuscita di potassio dalla cellula pu essere immaginata come accompagnata da diversi ioni di carattere

negativo che, essendo impermeabili alla membrana non possono fuoriuscire mentre il potassio si. L'eccessiva

fuoriuscita di ioni potassio ostacolata anche dall'accumulo di cariche negative sul versante citoplasmatico della

membrana cellulare. Tale accumulo di cariche negative pu essere dovuto anche alle proteine intracellulari che, come

abbiamo visto in passato, hanno carica negativa ed inoltre esercitano un ingombro sterico.Abbiamo visto prima che per calcolare il potenziale di ciascuno ione possiamo utilizzare la formula dell'equazione di

Nernst. Ma adesso come possiamo fare per calcolare il potenziale di membrana sfruttando le conoscenze che abbiamo

sugli ioni presenti nell'ambiente intracellulare ed extracellulare?

Anni prima che i canali proteici venissero scoperti, i fisiologi hanno concepito un metodo semplice ma geniale per

prevedere il potenziale di membrana, anche se diversi tipi di ioni permeabili sono presenti nello stesso momento. Il

primo passo, che discuteremo adesso, quello di calcolare il flusso di corrente ionica, che il movimento di ciascuna

specie ionica attraverso la membrana. Il secondo passo, che quello che discuteremo pi in l, quello di ottenere Vm

sommando le cariche trasportate da ciascuna specie ionica presente, assumento che ogni tipo di ione si muove

indipendentemente dagli altri. Il processo di permeazione degli ioni attraverso la membrana detta elettrodiffusione,

perch sia il gradiente elettrico che quello di concentrazione sono responsabili di tale movimento. Si potuto notare che

la permeazione di ioni attraverso le proteine canale si comporta come se il flusso seguisse il modello della teoriaelettrodiffusiva di Nernst. Questa teoria ci conduce ad una importante equazione nella fisiologia medica, chiamata

equazione di campo costante che prevede in che modo Vm varia in base a variazioni nella concentrazione degli ioni o

nella permeabilit della membrana.

Ma prima di introdurre questa magica equazione, dobbiamo necessariamente prima considerare alcuni assunti

importanti. Assumiamo che il movimento degli ioni attraverso la membrana dipenda dalle concentrazioni interne ed


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esterne di tot ione (Xesterno ed Xinterno), dal voltaggio della membrana (Vm) e dalla permeabilit della membrana a

tot ione. Inoltre abbiamo altri ben quattro assunti da tenere in considerazione, che riguardano come suddetto ione si

comporta nella membrana: innanzituttto diciamo che la membrana un mezzo omogeneo con uno spessore a costante;

poi diciamo che il campo elettrico costante lungo tutto lo spesso della membrana e la differenza di potenziale fra i due

lati della membrana varia linearmente con la distanza (da qui la denominazione di campo costante); poi diciamo pure

che il movimento di uno ione attraverso la membrana indipendente dal movimento di qualsiasi altro ione (assunto

chiamato principio di indipendenza). Per terminare dobbiamo inoltre assumere che il coefficiente di permeabilit Px costante in ogni punto della membrana e non varia (Px infatti il valore che descrive la capacit di uno ione di

diffondere attraverso la membrana).Con questi assunti possiamo calcolare l'intensit di corrente di un singolo ione attraverso la membrana grazie alla

quazione di Goldman-Hodgkin-Katz (GHK):

Se impostiamo Ix= 0 e risolviamo l'equazione per Vm, otteniamo che l'equazione si riduce a quella di Nernst per un

determinato ione. Questo perch se Ix = 0 allora lo ione in una condizione di equilibrio elettrochimico. Quindi abbiamo capito che con l'equazione di GHK possiamo calcolarci l'intensit di corrente di un singolo ione che

attraversa la membrana. Ricordandoci quanto abbiamo detto all'inizio, ovvero che quei genialoidi di fisiologici hanno

detto che la corrente ionica totale determinata dalla somma delle singole correnti, arriviamo a dire che:Itotale= INa+ IK+ ICl(Prendiamo in considerazione solo sodio, potassio e cloro in quanto questi sono gli ioni coinvolti nella elettrofisiologia

nervosa).

A condizioni di riposo abbiamo che la corrente ionica totale uguale a zero (Itotale = 0) perch ci troviamo in una

situazione di equilibrio. Quindi risolvendo l'equazione di prima apponendo la corrente ionica totale uguale a zero e

risolvendo per Vm, otteniamo una espressione definita equazione di campo costante:

Da questa equazione possiamo notare come il potenziale di membrana dipenda dalla concentrazione degli ioni

fondamentali e dalla loro costante di permeabilit alla membrana.

Ma possiamo anche semplificare questa equazione e renderla come l'equazione di Nernst.Allora, siccome il cloro praticamente impermeabile alla membrana lo possiamo tranquillamente debellare dall'elenco

degli ioni all'interno dell'equazione qui sopra. Fatto? Fatto.

Ci rimangono sodio e potassio, fra questi due quello pi permeabile alla membrana il potassio, che possiede una

costante di permeabilit di circa venti volte maggiore rispetto a quella del sodio. Se immaginiamo la membrana come

impermeabile al sodio, questo significher che la sua P sar uguale a zero.

Quindi se sfruttiamo quanto abbiamo appena dedotto otterremo:

Semplifichiamo Pk e avremo l'equazione di Nernst per lo ione potassio.

N.B. Altrove ho letto che per giungere alla medesima conclusione possiamo dividere per il coefficiente di permeabilit

del potassio sia il numeratore che il denominatore dell'equazione di Goldman contenente le sole concentrazioni di sodio

e potassio. Assumiamo Pna/PK come costanti e chiamiamola bQuando b uguale a zero questo sta a significare che lamembrana impermeabile al sodio. Quindi l'equazione si riduce nuovamente all'equazione di Nernst per il potassio, e il

grafico di Vm per il potassio lineare. Aumentando progressivamente la permeabilit della membrana al sodio,

noteremo come questo grafico diventer sempre piu pendente e sempre pi vicino al potenziale del sodio.Quindi questo dimostra come l'equazione di campo costante descriva Vm e come questo dipenda dalle concentrazioni di

tutti gli ioni permeanti.

Modell o elettrico dell a membrana cell ulareLa membrana cellulare possiede alcune caratteristiche che ne permettono di trovare delle analogie con un circuito

elettrico.

Innanzitutto parliamo della forza elettromotrice (emf). Sappiamo che ciascuno ione contribuisce alle propriet elettrichedella membrana, e che ciascuno di esso conserva in s una forma di energia elettrica come una batteria. In fisica ilvoltaggio di tale batteria definita forza elettromotrice, e il potenziale di equilibrio di un dato ione pu essere

considerato come la forza elettromotrice per quello ione. Ciascuna di queste batterie determina una corrente ionica


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attraverso la membrana, e la somma di queste singole correnti ioniche detta corrente ionica totale. Seguendo la prima

legge di Ohm, otteniamo che il voltaggio o forza elettromotrice (V) data dal prodotto fra la corrente (I) e la resistenza

del sistema ( R). V = RITuttavia, parlando della membrana cellulare, preferibile utilizzare il termine di conduttanza anzich q uello della

resistenza, dal momento che tutti i nostri discorsi sin'ora disquisivano sulle abilit degli ioni di attraversare la

membrana.

La conduttanza esattamente l'inverso della resistenza, per la prima legge di Ohm qui sopra potr anche essere scrittacome:

Dopo aver chiarito questo primo punto possiamo continuare a descrivere quali altre strutture tipiche dei circuiti elettrici

possiamo riscontrare nella membrana cellulare.

Sappiamo che i flussi ionici generalmente avvengono attraverso la membrana seguendo sentieri ben distinti fra loro.

Stiamo parlando delle proteine che costituiscono i canali ionici. La corrente ionica di ciascuno ione scorre attraversando

un ramo a se stante del circuito che quello determinato dal canale transmembrana. Ciascuno di questi un resistoree rappresenta la conduttanza riservata nella membrana a ciascuna tipologia di ione.

Ci manca solo un ultimo elemento per completare il nostro modello della membrana come circuito elettrico.

Questo misterioso oggetto il condensatore. Il condensatore quella cosina che in grado di immagazzinare cariche

separate. Dal momento che il bilayer fosfolipido in grado di determinare questa separazione di carica nel suo spesso,

esso pu essere realmente considerato come un condensatore. In fisica un condensatore formato da due lamite

parallele lievemente distanti fra loro; in fisiologia possiamo invece dire che le due lamine sono costituite dall'ambienteextracellulare e quello intracellulare, e che la distanza interlaminare data dallo spessore della membrana stessa.

Quando il condensatore carico, una delle lamine trasporta le cariche positive mentre l'altro carico negativamente, e

questa differenza di potenziale mantenuta tale.

La capacit di un condensatore data dalla quantit di carica trasportata per singola unit di differenza di potenziale:

Ah e si misura in Farad.

La capacit di un condensatore pu essere calcolata con la seguente formula:

Tuttavia l'area della membrana difficile calcolo, quindi conviene la capacit del condensatore come indipendente

dall'area coinvolta. Per questo motivo viene, invece, utilizzata la capacit specifica che definita come la capacit per

unit di superficie:

Considerando che epsilon per le membrane biologiche stimata attorno a 5, mentre lo spessore di membrana si calcola

sia sui 4,4nm, allora tale capacit specifica di circa un microfarad per centimetro quadro ( )

Sappiamo che la corrente ionica che trasporta uno ione uguale a zero quando il potenziale di membrana (Vm) equivale

il potenziale dell ione (Ex). Quando Vm pi negativo di Ex, la corrente entrante, mentre quando Vm pi positivo

di Ex la corrente positiva o uscente. Quindi la corrente ionica dipende dalla differenza fra il potenziale di membrana

ed Ex. Difatti l'adattamento della prima di legge di Ohm a questo :

Quindi la corrente ionica di tale ione direttamente proporzionale alla differenza VmEx e alla conduttanza Gx.

Facciamo un esempio: abbiamo una cellula con potenziale di membrana di -80mV (quindi simile a quella di una cellula

muscolare). Il sodio possiede come potenziale di equilibrio +67mV. Utilizzando la suddetta formula otterremo che la

corrente ionica del sodio di ben -147mV. Quindi il sodio distante dal potenziale di membrana ben 147mV in valore

assoluto, e possiede questa enorme quantit di energia potenziale per entrare.

Il segno negativo di -147mV indica che tale ione portato ad entrare all'interno della cellula.

Osserviamo un po cosa succede col potassio: Ix = Gx(-80 + 95) = +15mV. Segno positivo, quindi ione che tende aduscire dalla cellula.N.B. Gx non lo stiamo tenendo in considerazione perch stiamo guardando solo la forza motrice netta, rappresentata da

VmEx.

Ricordiamo che abbiamo la convenzione che in un flusso di corrente, non sono le cariche negative a muoversi bens

quelle positive. Dunque supponendo che io abbia una carica negativa che va da A a B, la dovr scrivere come una

carica positiva che va da B ad A.

Tornando a noi, l'entrata del sodio andrebbe ovviamente a variare il potenziale di membrana, facendolo salire e

portandolo prossimo al suo potenziale di equilibrio. Questo fenomeno si chiama depolarizzazione.

Se invece abbiamo il potassio che si impadronisce della membrana, esso porter la membrana ad avvicinarsi alla sua di

carica. Di conseguenza la membrana si iperpolarizzerebbe. Quando la membrana si iperpolarizza avviene che la cellula

si riduce di volume perch perde particelle osmoticamente attive. Ma io posso comunque scaturire delle correnti

elettriche senza destabilizzare il volume della cellula, dal momento che una singola mole di ione monovalente ha

96mila coulomb e determina quindi una notevole risposta elettrica.Anche il calcio ha una notevole energia potenziale per entrare, quindi basta pochissimo calcio per riuscire a modificare

significativamente il potenziale di membrana (non per niente il calcio utilizzato come messaggero intracellulare).

Il cloro invece ha due situazioni:


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nelle cellule nervose e in quasi tutte le altre ha un potenziale di -47mV. Ergo il cloro ha Vm Ecl = -80 + 47 =

-33mV. Dunque tenderebbe a portare il potenziale di membrana verso i -47mV di conseguenza tender ad uscire.

nelle cellule muscolari scheletriche ha un potenziale di -89mV, quindi Vm Ecl = 9mV. Dunque tender adentrare.Potenziale di azioneL'ingresso di ioni positivi o l'uscita di ioni negativi (che concettualmente la stessa cosa) determina la depolarizzazione

della membrana, mentre l'uscita di ioni positivi e l'ingresso di quelli negativi determina la iperpolarizzzione dellamembrana. Rappresentando l'ingresso e l'uscita di ioni della cellula, posso dire che l'uscita di cariche positive

rappresentata da una curva che piega verso l'alto. Analogamente le cariche positive entranti sono rappresentate da una

curva che piega verso il basso. Questa roba, applicato al cloro funziona esattamente al contrario, dal momento chedobbiamo tenere in considerazione la diavolo di convenzione. Quindi l'ingresso del cloro sar equivalente

concettualmente all'uscita di cariche positive:

I canali ioni

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