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LA CELLULA ED I TRASPORTI ATTRAVERSO
LA MEMBRANA PLASMATICA
LA FUNZIONE E IL PROCESSOLA FUNZIONE E IL PROCESSO
•
La funzione di un sistema o evento fisiologico è
il “perché”
il sistema esiste.
•
Il processo indica la modalità
attraverso la quale accadono gli eventi, cioè
il “come”
di un sistema.
•
Ruolo della fisiologia è
“integrare”
funzione e processo in un quadro coerente.
VARIABILITAVARIABILITA’’ AMBIENTALE E OMEOSTASIAMBIENTALE E OMEOSTASI
•
Le risposte coordinate dell’organismo, che hanno la finalità
di mantenere la stabilità
interna, rientrano in un processo chiamato omeostasi.
•
L’omeostasi e la regolazione dell’ambiente interno sono principi centrali della fisiologia.
•
L’alterazione dei meccanismi omeostatici si ripercuote negativamente sul normale funzionamento dell’organismo.
un cambiamentoesterno
un cambiamentointerno
una reazione
lo stato normale
innesca
innesca
Ripristina o tende a ripristinare
GLI AMBIENTI INTERNO ED ESTERNOGLI AMBIENTI INTERNO ED ESTERNO
•
La coordinazione delle risposte dell’organismo a stimoli estern
i richiede che le cellule del corpo comunichino tra loro rapidamente e con efficienza.
•
La comunicazione tra cellule utilizza segnali chimici.
•
Il sistema nervoso aumenta la velocità
di comunicazione cellulare.•
L’integrazione e la coordinazione delle risposte ha luogo nel sistema nervoso e nelle cellule endocrine e immunitarie.
•
I processi biologici richiedono un continuo rifornimento di energia.
LA LEGGE DELLLA LEGGE DELL’’EQUILIBRIO DI MASSAEQUILIBRIO DI MASSA•
La quantità
di sostanza o di energia nel corpo rimane costante,
l’introito deve essere bilanciato da un’uguale perdita
Quantità totale di sostanza x presente nell’organismo = entrate + produzione - perdite
•
La velocità
di produzione, di introduzione e di eliminazione è
espressa come flusso di massa
Flusso di massa (quantità/minuto) = concentrazione (quantità/volume) x flusso di volume (volume/minuto)
•
L’equilibrio di massa permette di mantenere costanti le concentrazioni di alcune sostanze, quali l’ossigeno e l’anidride carbonica, l’acqua, i sali, lo ione idrogeno
LA CELLULA RAPPRESENTA LA BASE DI PARTENZA NELLO STUDIO DELLA FISIOLOGIA UMANA IN QUANTO VA CONSIDERATA L’UNITA
FUNZIONALE PER IL CORRETTO MANTENIMENTO DELLA OMEOSTASI.
DISTRIBUZIONE DELLDISTRIBUZIONE DELL’’ACQUA NEI ACQUA NEI COMPARTIMENTI IDRICICOMPARTIMENTI IDRICI
LA STRUTTURA DELLA MEMBRANA PLASMATICA PERMETTE:-
SCAMBI DI SOSTANZE TRA CELLULE
- SCAMBI DI SOSTANZE TRA CELLULE ED AMBIENTE ESTERNO
I PRICIPALI COMPONENTI DELLA MEMBRANA PLASMATICA SONO1. FOSFOLIPIDI: sono formati da una testa di glicerolo fosforilato e da
due code di acidi grassi.2. GLICOLIPIDI3. COLESTEROLO4. PROTEINE
Le membrane biologiche: Struttura
•
Sono costituite da lipidi e proteine•
I fosfoplipidi in ambiente acquoso tendono a disporsi in doppio strato perché sono anfipatici (testa idrofila e coda idrofoba)
Modello a mosaico fluidoModello a mosaico fluido
Modello a mosaico fluido (Singer e Nicolson, 1972): doppio strato fosfolipidico fluido nel quale si muovono le proteine (modello dinamico)
•
Le membrane plasmatiche sono simili a cristalli liquidi: i fosfolipidi sono disposti ordinatamente con teste all’ esterno e code all’ interno, le code idrocarburiche sono in continuo movimento
•
Le proteine sono libere di ruotare e di muoversi lateralmente all’interno di un singolo strato
•
La membrana si comporta da fluido bidimensionale
•
La fluidità deve essere “ottimale”
Fluidità della membrana•
Dipende dalla componente lipidica (i grassi insaturi aumentano la fluidità
impedendo le interazioni fra i lipidi)
•
Il colesterolo (nelle cellule animali) ed altri steroidi (nelle cellule vegetali) sono idrofobi, ma hanno un ossidrile che può interagire con le teste idrofile dei fosfolipidi.
•
A basse T fungono da spaziatori (aumentando la fluidità)•
Ad alte T stabilizzano la membrana aumentando le interazioni con la parte idrocarburica vicina alla testa fosfolipidica
Proteine integrali e periferiche
•
Proteine integrali: sono saldamente legate alla membrana, sono anfipatiche, alcune attraversano una o più
volte tutta la membrana (proteine
transmebrana)•
Proteine periferiche: sono associate alla superficie interna o esterna della membrana, spesso legate alle porzioni esposte delle proteine integrali; possono essere facilmente rimosse
Funzione delle proteine di membrana
Ancoraggio (integrine)
Trasporto passivo
Trasporto attivo
Attività
enzimatica
Attività
recettoriale e trasduzione del segnale
Riconoscimento cellulare
Giunzione intercellulare
Le membrane biologiche sono selettivamente permeabili
•
Sono permeabili a molecole idrofobe e di piccole dimensioni e impermeabili a quelle polari
•
Sono permeabili a molecole di acqua (polari ma piccole), ai gas (CO2, O2, N2), ad altre molecole piccole polari (glicerolo), molecole grandi apolari (idrocarburi)
•
Sono permeabili a ioni, zuccheri, AA grazie alle proteine di trasporto (carrier e proteine canale)
DIFFUSIONE SEMPLICEDIFFUSIONE SEMPLICE
•
La diffusione semplice è
il risultato del movimento termico casuale di molecole•
La diffusione netta del soluto costituisce il flusso (J) e dipenderà
dalle variabili seguenti:-gradiente di concentrazione (C1 - C2)-
coefficiente di ripartizione (K)-
coefficiente di diffusione (D)-
spessore della membrana (d)-
superfice disponibile per la diffusione (A)
C1 C2
Coefficiente di diffusione
La prima legge di Fick della diffusione
dm/dt=D x A/d x (c1-c2)
Dovem = massa della sostanzat = tempo
La Permeabilità
(P) riunisce le caratteristiche della membrana e della sostanza che diffonde, per cui la legge di Fick diventa
dm/dt = P x A x Δc
La Diffusione netta
nella quale
J = P x A x Dc
La diffusione netta è
direttamente proporzionale al gradiente di diffusione
Cinetica della diffusione•
Quanto maggiore è
la superficie della membrana tanto maggiore è
l’efficienza della diffusione.•
Quanto minore è
lo spessore della membrana tanto maggiore è
l’efficienza della diffusione.•
Quanto maggiore è
il coefficiente di diffusione della molecola nella
membrana tanto maggiore è
l’efficienza della diffusione•
La permeabilità
della membrana plasmatica ad una particolare
sostanza aumenta con l’aumentare della liposolubilità
della sostanza.
•
K rappresenta il coefficiente di ripartizione OLIO DI OLIVA/ACQUA. A parità
di K, la permeabilità
della m. a due composti diminuisce
con l’aumentare del PM.
Le sostanze che diffondono liberamente attraverso la membranaplasmatica sono:
- acqua- anidride carbonica- ossigeno- etanolo- urea- sostanze liposolubili
Al contrario la membrana plasmatica è
difficilmente
attraversabile- dagli zuccheri- da molecole con cariche elettriche- dai piccoli ioni
COMPOSIZIONE APPROSSIMATIVA DEI LIQUIDI COMPOSIZIONE APPROSSIMATIVA DEI LIQUIDI EXTRACELLULARE E INTRACELLULAREEXTRACELLULARE E INTRACELLULARE
OSMOSIOSMOSIOsmosi: flusso di acqua che si ha attraverso una membrana semipermeabilea causa della differenza di concentrazione di un soluto
in cui
OSMOLARITAOSMOLARITA’’
Osmolarità: concentrazione di particelle osmoticamente attive in una soluzione
PRESSIONE OSMOTICAPRESSIONE OSMOTICAPressione osmotica (P): la forza di spinta dovuta al flusso osmotico di acqua omeglio la forza esercitata sul pistone per controbilanciare il flusso di acqua da 2 a 1.
Due soluzioni separate da una membrana semimpermeabile possono essere isotoniche, ipertoniche o ipotoniche
•
Una cellula in un mezzo ISOTONICO (NaCl 0.9%) è
in equilibrio osmotico
•
In un mezzo IPERTONICO (Na Cl 1.3%) cede acqua all’
ambiente e si raggrinzisce
•
In un mezzo IPOTONICO (NaCl 0.6%) la cellula acquista acqua dall’ ambiente e si rigonfia fino a scoppiare (lisi osmotica)
Trasporto carrier-mediato
•
Si suddivide in DIFFUSIONE FACILITATA e TRASPORTO ATTIVO in base a caratteristiche particolari e alla richiesta di energia
DIFFUSIONE FACILITATADIFFUSIONE FACILITATA
La diffusione passiva avviene secondo gradiente di concentrazione (movimento netto di particelle: Conc.>→ Conc.<) utilizzando l’
energia immagazzinata dal gradiente. Il processo è
spontaneo.
Nella diffusione facilitata, la membrana è
resa permeabile a sostanze idrofile
(ioni e molecole polari) grazie alla presenza di proteine canele e carrier. Il trasporto è
sempre secondo gradiente,
ma va a saturazione.
ESEMPIO DI DIFFUSIONE FACILITATA: TRASPORTODEL GLUCOSIO TRAMITE CARRIER
Il carrier del glucosio negli eritrociti è
la Glucosio-
permeasi. Il trasporto avviene secondo il gradiente di concentrazione mantenuto dalla conversione del GLU in GLU 6P (che non può attraversare la membrana plasmatica essendo carico). Indirettamente, per mantenere il gradiente di concentrazione del glucosio, si utilizza ATP necessario alla fosforilazione
TRASPORTI ATTIVI PRIMARI
Pompa Na+/K+ Pompa del Ca2+ Pompa del H+Pompa K+/H+
H+
3Na+/2K+ 4H+/4K+ 2Ca2+ 2H+
(1 ATP)
Trasporto attivo primario
utilizza l’energia dell’idrolisi di ATP per trasportare ioni contro gradiente di concentrazione elevata specificitàpuò trasportare un solo tipo di ione o possono essere scambiati ioni diversi sui due lati della membranapuò essere elettrogenico o
elettroneutropermette il mantenimento di gradienti di concentrazione stabili ai lati della membrana cellulare
TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO: POMPA Na/K
Pompa sodio-potassio: è una proteina. di membrana
che trasporta attraverso la membrana plasmatica 2 K+ e 3 Na+ contro il loro gradiente di concentrazione. A cavallo della membrana si stabilisce così
un
gradiente elettrochimico (differenza di concentrazione e di carica elettrica) che genera il potenziale di membrana.
• i trasporti attivi secondari trasferiscono molecole non permeabili attraverso la membrana plasmatica oppure contro gradiente utilizzando come fonte di energia i gradienti ionici creati dai trasporti attivi primari• non richiedono ulteriore energia metabolica
Trasporti attivi secondari
TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO sodio dipendenteTRASPORTO ATTIVO SECONDARIO sodio dipendente
•
Cotrasporto Na-glucosio (intestino e rene))
•
Cotrasporto Na-aminoacidi (intestino)•
Cotrasporto Na-K-2Cl
•
Controtrasporto Na-H (rene)•
Controtrasporto Ca-Na (muscolo)
• sfrutta il gradiente del Na+
• vengono scambiati: glucosio, amino acidi, prodotti metabolici, ioni• invertendo il gradiente di Na+
si invertono i flussi.
Cotrasporto sodio glucosio. Le cellule dell’
endotelio
intestinale assorbono il glucosio dal lume intestinale mediante cotrasporto sodio/ glucosio. La pompa Na/K genera il gradiente elettrochimico per il sodio, mediante l’utilizzo di ATP.Il glucosio, mediante diffusione facilitata passa dalla cellula epiteliale alsangue.
FUNZIONE:-
eliminazione del bicarbonato prodotto dalla cellula,sfruttando il gradiente del Cl-ERITROCITI: -
nei globuli rossi del sangue venoso si producono grandi quantità
di HCO3
dall’idratazione della CO2
. HCO3-
esce secondo gradiente per contro-trasporto del Cl-
CELLULE DELLA MUCOSA INTESTINALE:-
membrana luminale (intestino crasso): gli ioni Cl -
entrano, HCO3-
passa nel lume intestinale.
Esempi di trasporti attivi secondari non Na+-dipendenti:
L’antiporto Cl-/HCO3-
a.c.
Trasporto attivo secondario: antiporto Na/Ca
TRASPORTO ATTRAVERSO LE MEMBRANE CELLULARITRASPORTO ATTRAVERSO LE MEMBRANE CELLULARI
Tipo di trasporto Attivo o Passivo
Mediato da carrier
Richiesta di energia
Dipendente dalgradiente del sodio
Diffusione Passivo No No NoDiffusione facilitata Passivo Si No No
Trasporto attivo primario
Attivo Si Si, diretta
No
Cotrasporto Attivo secondario
Si Si, indiretta
Si. I soluti si muovono nella stessa direzione degli ioni Sodio attraverso la membrana plasmatica
Controtrasporto Attivo secondario
Si Si Si. I soluti si muovono in direzione opposta degli ioni Sodio attraverso la membrana plasmatica
