FISIOLOGIA 9 CFU 6 ore settimanali Esame orale Lun 14.30-16.30 Mar 11.30-13.30 Gio 11.30-13.30 AULA I

La membrana plasmatica o cellulare avvolge ogni cellula e ne definisce l’entità,separando il suo contenuto dall’ambiente esterno; divide anche il contenuto del citoplasma in compartimenti come il nucleo, il reticolo endoplasmatico, l’apparato di Golgi e i mitocondri; è costituita da un doppio strato lipidico a cui sono associate molecole proteiche.

FUNZIONI: - isolamento fisico; - regolazione degli scambi con l’ambiente; - comunicazione tra cellula e ambiente; - supporto strutturale.

PROTEINE DI MEMBRANA Presentano carattere anfipatico come i lipidi con regioni idrofobe che interagiscono con quelle analoghe (coda) dei lipidi all’interno del doppio strato e regioni idrofile esposte su uno o su entambi i lati della membrana; possono essere divise in proteine integrali o intrinseche o di trans-membrana e proteine periferiche o estrinseche. PROTEINE TRANS-MEMBRANA: fortemente legate entro il doppio strato, alcune di esse possono essere anche ancorate al citoscheletro. Dal lato extracellulare possono legare i carboidrati (glicoproteine), mentre dal lato intracellulare legano gruppi fosfato. PROTEINE PERIFERICHE: si legano alle proteine integrali o alle regioni polari dei fosfolipidi. In base alle loro funzioni sono classificate in: -elementi strutturali; -enzimi; -recettori; -trasportatori; -canali ionici. -antigeni

Sono insolubili in acqua ma solubili in solventi organici. Nella maggior parte delle membrane plasmatiche delle cellule animali costituiscono ~50% in massa. Si dividono in: -fosfolipidi; -colesterolo; -glicolipidi.

FOSFOLIPIDI (doppio strato) -fosfatidilcolina (out) -sfingomielina (out) -fosftidilserina (in) -fosfatidiletanolammina (in)

FLUIDITA’: la presenza di catene idrocarburiche insature con doppi legami -cis conferisce fluidità al doppio strato lipidico. -MOVIMENTO: le molecole fosfolipidiche entro il doppio strato possono spostarsi per diffusione laterale 107 volte al secondo; -FLESSIONE, ROTAZIONE e FLIP-FLOP (molto raro)

COLESTEROLO molecola idrofobica che si inserisce nella porzione centrale del doppio strato importante per la fluidità e la stabilità della membrana .

GLICOLIPIDI Lipidi che legano nella porzione polare (testa) catene costituite da 1 a 15 zuccheri, costituiscono il 5% dei lipidi del doppio strato e sono importanti per le interazioni intercellulari (es. galattocerebroside: lipide + galattosio , glicolipide della mielina). Le parti glucidiche dei glicolipidi spesso funzionano come recettori o antigeni. Tanto più la membrana è metabolicamente attiva tanto maggiore è il contenuto delle proteine: P L C - MIELINA 18% 79% 3% - MEMBRANA GLOBULI ROSSI 49% 43% 8% - MEMBRANA MITOCONDRIALE INTERNA 76% 24% 0%

Modalità di permeazione

Sostanze liposolubili: attraverso matrice fosfolipidica

Molecole el. cariche (acqua, ioni): attraverso canali

Grandi molecole insolubili: sistemi di trasporto mediato

Trasporto transmembranario senza attraversamento della membrana: -ENDOCITOSI, include la FAGOCITOSI, la PINOCITOSI e la ENDOCITOSI MEDIATA DA RECETTORI -ESOCITOSI Trasporto di molecole attraverso le membrane: -DIFFUSIONE -OSMOSI Trasporto transmembranario mediato da proteine: -TRASPORTO FACILITATO -TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO -TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO

dx

dCDJ

(Legge di Fick)

Descrive la dipendenza della diffusione dalla concentrazione in condizioni stazionarie: J é il flusso in Moli cm-2 s-1; D é il coeff. Di diffusione: dC/dx il gradiente spaziale di concentrazione

DIFFUSIONE

sr

TkD

6

Coefficiente di diffusione k; cost. di Boltzmann T; temp. assoluta

viscosità del mezzo rs;raggio ideale della molecola che diffonde

1. Le molecole diffondono da un’area a piu’ alta concentrazione verso un’ area a concentrazione piu’ bassa 2. La diffusione è un processo passivo che non richiede energia estrena. Usa solo l’ energia cinetica del movimento molecolare 3. Si ha uno spostamento netto di molecole fino a quando la concentrazione diventa uniforme. Il movimento molecolare pero’ continua, percio’ è detto equilibrio dinamico 4. La diffusione è rapida a breve distanza ma molto piu’ lenta a lunga distanza. 5. E’ direttamente correlata alla temperatura. A temperature piu’ elevate le molecole si muovono piu’ velocemente e la diffusione è piu’ rapida. 6. E’ inversamente correlata alla dimensione molecolare. Piu’ grande è la molecola tanto piu’ lenta sara’ la diffusione. 7. La velocità di diffusione attraverso la membrana dipende dalla capacita’ della molecola di sciogliersi nelle strato lipidico della membrana. Le molecole solubili nei lipidi possono diffondere attraverso la membrana per diffusione semplice. 8. La velocita’ di diffusione è direttamente proporzionale all’ area della membrana. Maggiore è l’ area tante piu’ molecole possono attraversare la membrana nell’ unità di tempo. 9. La velocità di diffusione attraverso una membrana è inversamente proporzionale allo spessore della membrana . Maggiore è lo spessore della membrana piu’ lenta sarà la diffusione.

dx

dCDJ

Relazione lineare tra flusso e concentrazione: é valida per molecole quali i gas (O2, N2, CO2, etc.) e per gli ormoni steroidei (cortisolo, testosterone, progesterone, etc.). Queste molecole possono diffondere con facilità attraverso le membrane biologiche

kC

CJJ max

Relazione iperbolica tra flusso e concentrazione: é valida per molecole neutre ma polari come gli zuccheri (glucosio, fruttosio, saccarosio, etc.) e per molecole cariche come gli ioni presenti nei liquidi intra ed extra cellulari (Na+, K+, Ca++, etc.). Queste molecole possono diffondere in misura apprezzabile attraverso le membrane biologiche solo in presenza di specifici trasportatori.

ipoosmotica ipotonica

iperosmotica ipertonica

isoosmotica isotonica

Le frecce indicano il movimento dell’acqua

osmosi

OSMOLARITA’: numero di moli di particelle disciolte in un litro di soluzione Conc. Osm. (M) (M) glucosio 1 1 NaCl 1 2 CaCl2 1 3

Equazione di Van’t Hoff:

= RTC; C = n/V; = nRT/V simile alla legge dei gas n = numero di moli R = costante dei gas = 1.985 cal/mol K.

2 – I canali, oltre che per la loro selettività ionica, possono essere distinti in base al meccanismo della loro chiusura o apertura. La regolazione del cambiamento di stato (aperto/chiuso) avviene per a -trasferimento diretto di energia cinetica, quando uno stimolo meccanico induce una variazione conformazionale della proteina-canale. (es nei meccanocettori) e quindi delle sue caratteristiche di conduttanza. b – una variazione del campo elettrico (dovuta ad una variazione del voltaggio transmembranario): un campo elettrico influenza l’orientamento di una propaggine proteica polare, di una parte cioè che regola la conduttanza del canale (canali voltaggio-dipendenti). c - meccanismi chimici attivati dal legame di un agonista con funzione di apertura (canali chemio-dipendenti) d - un legame con un eterogeneo gruppo di sostanze, come il Ca, nucleotidi ciclici, che si legano al recettore canale (canali X-dipendenti). Uno qualsiasi di questi meccanismi, agendo sul canale corrispondente aprendolo o chiudendolo, ne varia la permeabilità, ed anche il transito di corrente ionica (variazioni di conduttanza dello ione specifico).Non va infine dimenticata la esistenza di un gran numero di canali K e Cl sempre aperti

Caratteristiche trasporto mediato

FACILITATO ATTIVO I° ATTIVO II°

1) Saturazione (presenza di Jmax)

2) Specificità (solo molecole strutturalmente simili vengono trasportate

3) Competizione (molecole strutturalmente simili competono per lo stesso trasportatore)

4) Flusso maggiore rispetto a molecole di simile PM e liposolubilità che attraversano

TRASPORTO FACILITATO (diffusione facilitata): (non richiede energia metabolica ed é generalmente bidirezionale). Un esempio tipico é rappresentato dal trasportatore del glucosio presente nella membrana delle cellule muscolari e nervose

IL TRASPORTO ATTIVO : (richiede energia metabolica ed é generalmente unidirezionale). LA DIFFERENZA TRA ATTIVO I ED ATTIVO II E’ LA FONTE DI ENERGIA METABOLICA IL TRASPORTO ATTIVO I TIPICAMENTE RICHIEDE L’IDROLISI DI UNA MOLECOLA DI ATP IL TRASPORTO ATTIVO II NON RICHIEDE L’IDROLISI DI UNA MOLECOLA DI ATP. ESEMPI DI TRASPORTO ATTIVO I : Na/K ATPasi (digitale), Ca ATPasi, H/K ATPasi (omeprazolo) ESEMPI DI TRASPORTO ATTIVO II : trasportatore del glucosio presente nella membrana apicale delle cellule renali ed intestinali, ricaptazione di neurotrasmettitori (antidepressivi) e amino acidi, trasporto del calcio.

SIMPORTO: quando le molecole sono trasportate entrambe nella stessa direzione ANTIPORTO: quando le molecole sono trasportate in direzioni opposte

CICLO OPERATIVO DELLA POMPA Na/K

Ca/Mg ATPasi: isoforme

POMPA H+/K+

PERCHE’ ESISTONO SISTEMI MULTIPLI DI TRASPORTO PER UNA STESSA MOLECOLA?

La scelta del trasporto attivo II rende il processo unidirezionale In questo esempio le caratteristiche anatomiche dell’epitelio, le caratteristiche funzionali dei trasportatori e la polarizzazione delle cellule concorrono a realizzare il riassorbimento dall’in- testino, evitando le perdite di substrati metabolici nell’intervallo tra i pasti.