Lezioni 1 e 2

DINAMICHE DI MEMBRANA Il corpo umano è costituito da migliaia di miliardi di cellule che lavorano insieme, comunicando e cooperando. La membrana cellulare agisce sia da barriera che da mezzo attraverso il quale i segnali provenienti dall’esterno della cellula vengono comunicati all’interno: qualsiasi cosa entri ed esca dal corpo o dalle cellule deve attraversare almeno una membrana. La membrana plasmatica, costituita da un doppio strato di fosfolipidi, oltre a formare il limite più esterno della cellula, circonda anche gli organulo membranosi all’interno del citoplasma. Il termine membrana viene usato anche per descrivere il tessuto epiteliale che riveste una cavità o separa due compartimenti. Le membrane fosolipidiche circondano il contenuto del citoplasma e dividono l’interno della cellula in compartimenti. L funzioni generali di una membrana cellulare sono: - Isolamento fisico - Regolazione degli scambi con l’ambiente - Comunicazione tra cellula e ambiente - Supporto strutturale La membrana cellulare è costituita da una combinazione di lipidi e proteine con una piccola quantità di carboidrati: tanto più la membrana cellulare è metabolicamente attiva, tanto maggiore è il suo contenuto di proteine. Modello a mosaico fluido: i fosfolipidi sono disposti a doppio strato, con varie proteine inserite parzialmente o totalmente nel doppio strato. I carboidrati sulla superficie extracellulare sono attaccati sia ai lipidi che alle proteine, a formare un rivestimento. Due sono i tipi principali di lipidi nella membrana cellulare: fosfolipidi e colesterolo. Ogni cellula presenta da 10 a 50 tipi differenti di proteine inserite nel doppio strato lipidico, definite associate o integrali. Le proteine integrali attraversano da un lato all’altro la membrana e possono essere rimosse solamente con la distruzione della membrana con detergenti o tossici. Sono utilizzate sia per trasportare all’interno le molecole che per trasmettere segnali da un versante all’altro della membrana. Alcune delle proteine più grandi attraversano la membrana più volte. I carboidrati si attaccano alle anse extracellulari mentre gruppi fosfato possono attaccarsi alle anse intracellulari. La capacità del citoscheletro di limitare il movimento di alcune proteine di membrana permette alle cellule di sviluppare una polarità, in cui differenti facce della cellula presentano proteine differenti e, quindi, diverse proprietà. Le proteine associate (o estrinseche) si legano alla proteine integrali o alle regioni polari dei fosfolipidi. Sono legate debolmente alla membrana, e possono essere rimosse senza distruggerne l’integrità. Comprendono enzimi e alcune proteine strutturali. Le proteine della membrana cellulare funzionano da: - Proteine strutturali: legano la membrana al citoscheletro, allo scopo di mantenere la forma della cellula, e formano una parte delle connessioni tra cellula che tengono uniti i tessuti. - Enzimi: catalizzano le reazioni chimiche che si verificano sulla superficie esterna della cellula, o appena dentro il citoplasma. - Recettori: sulla superficie esterna della cellula, fanno parte del sistema di trasmissione dei segnali chimici. Ogni recettore è specifico per una determinata molecola o per una famiglia di molecole correlate. - Trasportatori: molte molecole entrano ed escono dalla cellula usando proteine trasportatrici, che sono classificate in due categorie: canali e carrier. Le proteine canali possiedono un corridoio pieno di acqua che collega i compartimenti intra- ed extracellulari. Le proteine carrier non creano mai una connessione diretta tra il liquido intra ed extracellulare. Le proteine canale permettono un trasporto molto più rapido attraverso la membrana ma non sono selettiva. I carrier, nonostante siano più lenti, discriminano anche molecole molto simili. Proteine canale: sono costituite da catene di amminoacidi che vanno a zigzag, avanti e indietro nella membrana, creando un aggregato di proteine cilindriche che circondano il canale. Il

diametro di questi canali è limitato, e il passaggio attraverso essi è riservato all’acqua, agli ioni e a molecole molto piccole come l’urea. La selettività di un canale può essere basata sulla carica elettrica: se il canale è rivestito da amminoacidi con una determinata carica, gli ioni con carica simile saranno respinti mentre quelli con carica opposta saranno attratti. I canali di membrana presentano parti della proteina canale che agiscono come un cancello per aprire o chiudere il canale. Molti cancelli si trovano sul lato citoplasmatico della proteina di membrana. I canali aperti (o canali di diffusione) sono per la maggior parte del tempo in apertura, permettendo agli ioni di muoversi dentro e fuori attraverso la membrana, senza limitazione. I canali a cancello (o regolamentati) sono per la maggior parte del tempo in chiusura, e ciò permette loro di regolare il movimento delle molecole. Se un canale a cancello è chiuso non permette movimento tra i liquidi intra ed extracellulare. L’apertura o la chiusura dei canali è controllata da molecole messaggero o ligandi (regolati chimicamente), dallo stato elettrico della cellula ( voltaggio dipendenti), o da una modificazione fisica (regolati meccanicamente). Proteine carrier: si legano a proteine specifiche e le trasportano attraverso la membrana cambiando conformazione. Le molecole trasportate sono dette substrati. Le piccole molecole organiche come glucosio e amminoacidi attraversano la membrana solo tramite carrier; ioni come Na e K, possono essere trasportati sia tramite carrier che attraverso canali. Le molecole che sono trasportate si legano temporaneamente alla proteine carrier invece di passare semplicemente attraverso un canale acquoso. Le proteine carrier non creano mai un passaggio continuo tra l’interno e l’esterno della cellula: hanno forma di canale, ma i canali hanno due cancelli, uno sul lato extracellulare e uno sul lato intracellulare. Uno dei due cancelli è sempre chiuso. Il substrato si lega al carrier su un lato della membrana. Il legame cambia la conformazione della proteina così che un cancello si chiude e l’altro si apre. Successivamente il canale si apre sul lato opposto della membrana. Il carrier allora rilascia il substrato sull’altro lato. Le membrane cellulari dividono l’interno del corpo in diversi compartimenti, come le membrane degli organelli dividono l’interno della cellula in compartimenti. La maggior parte delle cellule non è in contatto diretto con il mondo esterno, ma è circondata dal liquido extracellulare. Il liquido intracellulare è presente all’interno delle cellule, il liquido extracellulare all’esterno. Il liquido extracellulare può essere a sua volta suddiviso in due compartimenti: il liquido che bagna direttamente le cellule è detto interstiziale, e il plasma è la parte fluida del sangue. E’ solo a livello dei capillari che la parete vasale permette il movimento tra i due compartimenti extracellulari. Le pareti dei capillari sono un epitelio fenestrato che agisce da setaccio trattenendo cellule grandi e proteine ma permettendo al resto del plasma con i materiali disciolti di passare liberamente nello spazio interstiziale. La composizione di questi tre compartimenti non è la stessa, sia per quanto riguarda la composizione ionica sia per il contenuto in proteine. Lo ione K è presente prevalentemente nel liquido intracellulare, dove ha una concentrazione di 150 mM, mentre invece all’esterno (interstiziale) è solo 5 mM. Lo ione Na ha invece una distribuzione opposta, infatti ha una concentrazione di 140 mM nel liquido extracellulare (interstiziale), e solo di 12 mM nel liquido intracellulare. All’interno di ogni comparto le cariche positive e negativa devono essere bilanciate. Il Cl, così come il Na, è prevalentemente all’interno della cellula. Gli anioni inorganici, in particolare le proteine, sono all’interno della cellula, ma non nel liquido interstiziale, che è virtualmente privo di proteine. I valori di K, Na e Cl sono più o meno uguali nel plasma e nel liquido interstiziale: la differenza è che nel plasma ci sono le proteine. Alcune molecole, come acqua , ossigeno, anidride carbonica e lipidi, si muovono facilmente attraverso le membrane cellulari. Invece ioni, molecole polari e molecole molto grandi come proteine, entrano nella cellula con maggiore difficoltà o non entrano affatto. Se una molecola passa attraverso la membrana, questa è permeabile alla molecola, in caso contrario è impermeabile. Due proprietà della molecola influenzano il suo movimento attraverso la membrana: la grandezza e la solubilità nei lipidi. Di solito le proteine di membrana sono gli aiutanti o i mediatori che le cellule usano per trasportare le molecole attraverso le membrane.

Ci sono due modi per classificare il movimento delle molecole attraverso le membrane. Il primo descrive il movimento a seconda che esso avvenga attraverso il doppio strato fosfolipidico oppure con l’aiuto delle proteine di membrana. Il secondo divide il movimento in trasporto passivo che non richiede un rifornimento di energia, e trasporto attivo che richiede rifornimento di energia da altre fonti (ATP). Quando le molecole sono concentrate in una determinata area, il loro movimento ne causa la diffusione fino alla distribuzione uniforme in ogni spazio disponibile. Questo processo è detto diffusione ed è il movimento delle molecole da un’area a più alta concentrazione verso un’altra a concentrazione più bassa (secondo gradiente di concentrazione) - La velocità di diffusione dipende dall’ampiezza del gradiente di concentrazione: quanto è maggiore la differenza di concentrazione tanto più rapidamente si verifica la diffusione - La diffusione è un processo passivo, non richiede un rifornimento di energia. La diffusione procede usando solo l’energia posseduta da tutte le molecole - Ci sarà movimento di molecole fino a quando la concentrazione diventa uguale ovunque Lo stato di equilibrio nella diffusione significa che la concentrazione è uguale in tutto il sistema. - La diffusione è rapida a breve distanza ma è molto più lenta a lunga distanza - La diffusione è direttamente correlata alla temperatura: alle temperature più alte le molecole si muovono più velocemente. - La diffusione è inversamente correlata alla grandezza delle molecole: tanto più grande è una molecola, più lenta sarà la sua diffusione. - La diffusione può verificarsi in un sistema aperto (senza ostacoli per il movimento molecolare) o attraverso una barriera tra due sistemi (come i compartimenti intra ed extracellulari) La diffusione è il movimento passivo delle molecole lungo gradiente di concentrazione, in conseguenza del movimento molecolare casuale. La diffusione è più lenta a lunga distanza e per molecole più grandi. Quando la concentrazione delle molecole che diffondono è uguale in tutto il sistema, il sistema ha raggiunto l’equilibrio e la diffusione si ferma, sebbene il movimento casuale delle molecole continui. La membrana cellulare agisce da barriera al libero movimento delle sostanze tra i liquidi intra ed extracellulari. Le sostanze in grado di passare attraverso il centro lipidico della membrana cellulare si muovono per diffusione. La diffusione diretta attraverso il doppio strato lipidico della membrana è detta diffusione semplice ed ha le seguenti proprietà: - La velocità di diffusione dipende dalla capacità della molecola di sciogliersi nello strato lipidico della membrana: solo lipidi, steroidi e piccole molecole liofile possono diffondere attraverso la membrana per semplice diffusione. La piccola dimensione della molecola di acqua le permette di scivolare tra le code lipidiche di molte membrane - La velocità di diffusione attraverso una membrana è direttamente proporzionale all’area della membrana: tanto maggiore è l’area della membrana, tante più molecole diffondono nell’unità di tempo - La velocità di diffusione attraverso una membrana è inversamente proporzionale allo spessore della membrana: tanto più la membrana è spessa , tanto più lentamente si verifica la diffusione. - Legge di Fick sulla diffusione: la velocità di diffusione è proporzionale a : (area disponibile x differenza di concentrazione) / (resistenza della membrana x spessore della membrana ) La resistenza della membrana varia in relazione alla grandezza e liposolubiltà della molecola che sta diffondendo e alla composizione dello strato lipidico attraverso il quale esse sta diffondendo. Le molecole lipofobiche non possono entrare nella cellula per semplice diffusione: le molecole lipofobiche (polari) più piccole e gli ioni attraversano la membrana cellulare tramite proteine carrier. La diffusione degli ioni attraverso questi canali è influenzata dal gradiente elettrico oltre che dal gradiente di concentrazione.

Il movimento ottenuto per mezzo delle proteine carrier è detto trasporto mediato: può essere passivo (diffusione facilitata) o attivo (trasporto attivo). Ci sono molecole polari, come il glucosio, che anche se presentano un gradiente di concentrazione, non possono attraversare liberamente la membrana. Si servono allora di proteine carrier, che promuovono la diffusione facilitata. Il carrier può assumere diverse conformazioni: la proteina è all’inizio aperta verso il liquido extracellulare, ed ha alta affinità per la molecola da legare. Una volta legata, questa induce un cambio di conformazione nel carrier, che si chiude e si riapre sul versante intracellulare, dove la molecola è rilasciata. Questo tipo di trasporto non avviene solo in un senso: ad esempio il carrier del glucosio può mediare il trasporto sai dall’esterno della cellula all’interno, che viceversa, secondo il gradiente di concentrazione. Questo tipo di trasporto, così come il trasporto attivo, è caratterizzato da tre proprietà: - Specificità: capacità di un carrier di portare solo una molecola o un gruppo di molecole molto simili. - Competizione: sebbene un carrier possa portare una famiglia di molecole, privilegia una o più sostanze. Se le molecole in competizione non vengono trasportate, ma ostacolano solo il trasporto di altri substrati, si ha un inibitore competitivo - Saturazione: si verifica quando un gruppo di proteine carrier trasportano il substrato alla massima velocità: quando la concentrazione del substrato aumenta, la velocità aumenta fino al punto in cui tutti i carrier sono legati con il substrato, un ulteriore aumento della concentrazione del substrato non determinerà alcun effetto. Per evitare la saturazione si aumenta il numero dei carrier, ma una cellula può eliminare dei carrier per diminuire il movimento di molecole. La diffusione facilitata non richiede rifornimento di energia, mentre il trasporto attivo si. La diffusine facilitata ha le stesse proprietà della diffusione semplice, ma poiché è una forma di trasporto mediato, possiede anche specificità competizione e saturazione. Glucosio e amminoacidi entrano ed escono dalla cellula per diffusione facilitata. Il trasporto attivo muove molecole contro gradiente di concentrazione e invece di creare uno stato di equilibrio, crea uno stato di disequilibrio rendendo la differenza di concentrazione più pronunciata. L’energia per il trasporto attivo deriva dal legame fosfato ad alta energia dell’ATP. Alcuni carrier per il trasporto attivo muovono solo un tipo di molecole, uniporto. Altri muovono 2-3 tipi di molecole diverse. Una proteina che muova più di un tipo di molecole contemporaneamente è detta cotrasportatore: se le molecole sono trasportate nella stessa direzione si ha il simporto, se sono trasportate in direzioni opposte si ha l’antiporto. Il trasporto attivo può essere ulteriormente suddiviso in trasporto primario e secondario: se l’energia deriva dal legame fosfato dell’ATP è detto trasporto attivo primario; se il movimento delle molecole tramite carrier usa l’energia potenziale accumulata nel gradiente di concentrazione è un trasporto attivo secondario. Tutti i trasporti attivi secondari dipendo dal trasporto attivo primario: i gradienti di concentrazione che li guidano sono creati tramite l’energia proveniente dall’ATP. Il trasporto attivo differisce dalla diffusione facilitata perché i cambiamenti di conformazione del carrier richiedono rifornimento di energia dall’ATP. Trasporto attivo primario: un esempio è la pompa sodio – potassio (o Na/K ATPasi) Questo carrier ad antiporto trasporta sia l’Na che il K contro gradiente di concentrazione usando l’energia che deriva dall’idrolisi del legame ad alta energia dell’ATP. La concentrazione di Na è alta nel liquido extracellulare e bassa in quello intracellulare, mentre è l’opposto per il K. L’Na/K ATPasi è disposta in modo da spingere 3 Na fuori dalla cellula e 2 K dentro la cellula per ogni ATP consumato. Entrambi gli ioni si muovono contro gradiente di concentrazione. Il gradiente di concentrazione del sodio è una fonte di energia potenziale che la cellula può usare per altre funzioni (le cellule nervose per trasmettere segnali elettrici). L’Na/K ATPasi è un trasportatore che non mette mai in continuità il mezzo esterno con quello interno. Lega su un sito specifico una molecola di ATP, che induce un primo cambiamento di conformazione che comporta la generazione di tre siti ad alta affinità per il sodio: 3 ioni sodio sono catturati e legati, nonostante la concentrazione di Na all’interno della cellula sia bassa. Dopo il legame del sodio, l’ATP è idrolizzato e l’ADP che si forma è rilasciato nel citosol,

mentre il gruppo fosfato rimane legato al carrier. L’idrolisi dell’ATP genera un altro cambio di conformazione, per cui il carrier si chiude sul versante intracellulare e si apre su quello extracellulare. Ciò provoca una diminuzione dell’affinità per gli ioni sodio, che vengono rilasciati all’esterno della cellula. Il gruppo fosfato che era rimasto legato al carrier, viene rilasciato e si formano due siti di legame ad alta affinità per il K. A questo punto il ciclo sta per ricominciare: un’altra molecola di ATP i lega alla proteina, ciò ne provoca l’apertura sul versante interno della cellula e la chiusura su quello esterno, e la diminuzione dell’affinità per gli ioni K, che sono rilasciati. Trasporto attivo secondario: accoppia l’energia cinetica di una molecola che si muove lungo gradiente di concentrazione al movimento di un’altra molecola contro gradiente. I più comuni sistemi di trasporto attivo secondario sono guidati dal gradiente di concentrazione del sodio. Quando l’Na si sposta dentro la cellula può portare con sé uno o più molecole oppure può scambiarsi con molecole che escono dalla cellula. Le molecole cotrasportate possono essere ioni o molecole prive di carica, come il glucosio. L’Na e il glucosio si legano al carrier sul versante del liquido extracellulare. l sodio si lega per primo e determina un cambiamento conformazionale della proteina che aumenta l’affinità del sito legante il glucosio. Quando il glucosio si lega, la proteina cambia di nuovo la sua conformazione ed apre il canale sul versante intracellulare. Il sodio viene rilasciato muovendosi lungo gradiente di concentrazione. Il distacco del sodio dalla proteina modifica il sito di legame per il glucosio verso la forma a bassa affinità il glucosio viene rilasciato e segue il sodio dentro il citoplasma. Si ha così l’ingresso di glucosio dentro la cellula contro gradiente di concentrazione, accoppiato al movimento del sodio dentro la cellula lungo gradiente di concentrazione. L’ATP è usato per creare gradienti ionici: per esempio, l’Na/K ATPasi pompa il sodio fuori dalla cellula e il potassio dentro. Così l’energia dell’ATP è stata trasformata in energia potenziale accumulata nei gradienti di concentrazione ionici. Questa energia potenziale può essere utilizzata dai cotrasportatori come il trasportatore Na- glucosio. Un altro tipo di trasporto è quello che coinvolge le proteine, le quali devono spostarsi all’interno della cellula. Endocitosi: è un meccanismo con cui molecole o particelle possono entrare nelle cellule. La superficie della membrana forma un incavo e le vescicole che si formano sono piccole. E’ un processo attivo che richiede energia dall’ATP e non coinvolge il citoscheletro. Può essere non selettiva (pinocitosi) o altamente selettiva (endocitosi recettore mediata) Esocitosi: è il mezzo con cui le cellule secernono grandi molecole, richiede energia in forma di ATP. Le cellule usano l’esocitosi per portare verso l’esterno grandi molecole lipofobiche, come le proteine sintetizzate all’interno della cellula, e per sbarazzarsi degli scarti lisosomiali della digestione intracellulare. L’esocitosi è regolata da segnali esterni. Alcune molecole troppo grandi per attraversare le membrane su carrier sono portate all’interno per transcitosi, che è una combinazione di endocitosi, trasporto vescicolare ed esocitosi. Le particelle sono assorbite su un lato della cellula per pinocitosi o endocitosi recettore mediata. La vescicola che ne deriva si attacca ai microtubuli del citoscheletro e viene trasportata sul lato opposto della cellula, dove il contenuto è espulso nell’ambiente extracellulare per esocitosi. La transcitosi permette a grandi proteine d muoversi attraverso l’epitelio riamando intatte Permette agli ormoni proteici di passare attraverso l’epitelio dei capillari: il plasma contenente le proteine è catturato in vescicole e rilasciato nel liquido interstiziale sull’altro lato dell’epitelio. (Parte 2) I canali ionici sono delle proteine particolari che permettono il passaggio di specie ioniche secondo gradiente elettrochimico. Questo tipo di trasporto è un trasporto passivo, ovvero non c’è necessità di energia proveniente direttamente o indirettamente dall’ATP. Quando un canale ionico si apre, mette in continuità i due ambienti interno ed esterno. Solo gli ioni, in ogni caso, passeranno attraverso la pompa ionica, perchè i canali ionici sono selettivi unicamente per le specie ioniche. Anche l’energia fornita dal trasporto attivo secondario dipende dall’ATP. Sarà infatti il gradiente di sodio a permettere il trasporto, gradiente che si realizza grazie alla sodio potassio ATPasi. Nel trasporto attivo secondario quindi l’energia dell’ATP viene fornita indirettamente.

I canali ionici consentono il passaggio di specie ioniche. Tali specie passeranno secondo gradiente elettrochimico, perché tali ioni presentano delle cariche nette, positive o negative. Il loro flusso attraverso i canali, non avverrà solo secondo gradiente di concentrazione ma anche secondo gradiente elettrico. Se abbiamo una concentrazione di sodio elevata all’esterno della cellula e apriamo un canale, il sodio potrà attraversare la membrana. Se però il piano interno della membrana è carico positivamente rispetto all’esterno, il flusso in tal caso sarebbe frenato dalla differenza di potenziale. I canali ionici sono strutture proteiche monomeriche o multimeriche che attraversano la membrana plasmatica e che delimitano nel loro interno una cavità attraverso la quale è consentito il flusso di specie ioniche. Nelle proteine multimeriche avremo subunità simili che si avvolgono in forma cilindrica per permettere il passaggio delle specie ioniche al centro. I canali ionici di dividono per specificità e modalità di regolazione. Tutti i canali esistono in conformazione aperta o chiusa. Questo dipende dagli stati conformazionali della proteine. Al centro del canale avremo una cavità che può essere chiusa o aperta in base agli amminoacidi che ne compongono la parete. Per quanto riguarda la specificità avremo canali specie specifici (come sodio, potassio, cloro e calcio) ma anche canali aspecifici cationici che lasciano passare tutti gli ioni positivi. Lo stato di idratazione della ione ne determina uno specifico diametro che può determinare il passaggio o meno di uno ione. Gli amminoacidi della parete interna del canale interagiscono con gli ioni e ne permettono lo spostamento sul canale. Per quanto riguarda la modalità di regolazione, avremo dei canali costitutivamente aperti con dei pori. Un canale in realtà potrà essere “sempre” chiuso e solo dopo una sollecitazione potrà aprirsi. Al contrario possiamo avere un canale che sarà aperto per la maggior parte del tempo e che solo in determinate condizioni potrà chiudersi. Questi ultimi sono stati detti pori ma in realtà anch’essi possono chiudersi in certe condizioni. Oltre a questi avremo canali ionici voltaggio dipendenti e canali ionici regolati da ligandi. Esiste, a cavallo della membrana plasmatica, una differenza di potenziale. I canali ionici voltaggio dipendenti sono nello stato chiuso per certi valori del potenziale di membrana e per altri invece saranno aperti. Essi si aprono o chiudono in base alla differenza di potenziale elettrico a cavallo della membrana plasmatica. I canali regolati da ligando sono recettori canale che cambiano conformazione, da chiusa ad aperta, in base al legame di una molecola sulla proteina canale. I soluti, ioni e molecole si distribuiscono in base alla propria capacità di attraversare le membrane cellulari o l’epitelio dei capillari. Gli ioni che richiedono proteine di trasporto potranno anche non raggiungere mai un’uguale concentrazione dentro e fuori la cellula Le differenti concentrazione degli ioni e delle molecole organiche derivano dal fatto che la membrana cellulare è selettivamente permeabile. Variando le proteine di trasporto presenti la cellula può selezionare quali molecole entreranno e quali usciranno. Per esempio la pompa Na/K permette alle cellule di concentrare il K nel citoplasma mentre mantiene bassa la concentrazione dell’Na. L’acqua può liberamente attraversare la maggior parte delle membrane del nostro corpo e si distribuisce finché la sua concentrazione è la stessa in tutti i compartimenti. La diffusione procede fino a quando la concentrazione delle molecole che diffondono è uguale in tutte le parti del sistema: equilibrio chimico. Poche sono le sostanze mantenute in uno stato chimico di equilibrio nel corpo. Anche il trasporto attivo contribuisce a creare o mantenere la differenza di concentrazione dei soluti e quindi l’organismo è mantenuto in uno stato di disequilibrio chimico. Le concentrazioni di ioni fosfato e del K sono più alte all’interno della cellula, mentre l’Na e il Cl sono più concentrati nel liquido extracellulare. Le proteine si trovano nel liquido intracellulare e nel plasma, ma non nel liquido interstiziale. La concentrazione di calcio è più alta nel liquido extracellulare che nel citosol. Poiché maggior parte dei soluti sono ioni con cariche positive o negative , è necessario considerare anche se le cariche siano distribuite uniformemente attraverso i tre compartimenti. L’organismo è in uno stato di disequilibrio elettrico: sebbene l’organismo in toto sia elettricamente nutro, c’è un lieve eccesso di ioni negativi nel liquido intracellulare, mentre i corrispondenti ioni positivi sono nel liquido extracellulare. Questo disequilibrio elettrico è fondamentale per la generazione di segnali elettrici nel tessuto nervoso e muscolare.

Il potassio è il catione principale della cellula, mentre il sodio prevale nel liquido extracellulare. Lo ione cloro resta con l’Na nel liquido extracellulare, mentre gli ioni fosfato e le proteine cariche negativamente sono gli anioni del liquido intracellulare. Una conseguenza della distribuzione non uniforme di questi ioni è che i compartimenti del corpo non sono in equilibrio elettrico. Per ogni ione positivo (Na, K, e H) da qualche parte c’è un elettrone di bilanciamento, sotto forma di ione negativo. Per esempio quando l’Na viene assunto sotto forma di NaCl, l’elettrone mancante dell’Na+ si può trovare sul Cl-. Secondo la legge della conservazione della carica elettrica, l’organismo è elettricamente neutro. Le cariche opposte si attraggono e per separare cariche positive e negative è necessario usare energia. Nell’organismo la separazione delle cariche elettriche si verifica a cavallo delle membrane cellulari. Poiché le molecole sono elettricamente neutre, all’interno della cellula gli elettroni carichi positivamente e negativamente sono in egual numero. La cellula inoltre si trova in una soluzione che è pure elettricamente neutra. Il doppio strato fosfolipidico non è permeabile agli ioni. Se una proteina di trasporto attivo viene inserita nella membrana, questa usa l’energia dell’ ATP per muovere gli ioni positivi fuori dalla cellula contro gradiente di concentrazione. Gli ioni negativi presenti nella cellula tentano di seguire gli ioni positivi presenti all’esterno a causa della attrazione tra cariche positive e negative. Ma la membrana è impermeabile agli ioni negativi, ed essi restano intrappolati all’interno della cellula. Appena il primo ione positivo lascia la cellula, l’equilibrio elettrico tra il liquido intra ed extracellulare si altera. L’energia fornita per trasportare gli ioni attraverso la membrana ha creato un gradiente elettrico: in questo caso l’interno della cellula è diventato negativo rispetto all’esterno. Inoltre si crea anche un gradiente di concentrazione: ci sono più ioni positivi all’esterno della cellula che all’interno. La combinazione dei gradienti di concentrazione ed elettrico è detto gradiente elettrochimico. La separazione della cariche da parte di una membrana cellulare ha diverse possibili conseguenze. Uno ione negativo tenterà di muoversi contro gradiente elettrico e di seguire lo ione positivo: ma la membrana cellulare è un ottimo isolante che resiste al flusso libero degli ioni. Gli ioni negativi restano all’interno della cellula e il gradiente elettrico è mantenuto. Un’altra possibile conseguenza è che uno ione positivo presente all’esterno della cellula tenta di tornare nella cellula, attratto dalle cariche negative. Ma essendo la membrana impermeabile alla diffusione ionica, il gradiente creato dal trasporto attivo persisterà. Il gradiente elettrico tra i liquidi intra ed extracellulare è noto come differenza di potenziale di membrana a riposo: - a riposo: questo gradiente elettrico è presente in tutte le cellule viventi - potenziale: il gradiente elettrico creato dal trasporto attivo degli ioni attraverso la membrana è una fonte di energia accumulata. Il lavoro compiuto sfruttando energia elettrica comprende l’apertura di canali voltaggio dipendenti e la trasmissione di segnali elettrici lungo le cellule nervose. - differenza: il potenziale di membrana rappresenta una differenza di carica elettrica tra l’interno e l’esterno della cellula Equazione di Nerst : in condizioni di riposo, il lavoro osmotico (W) richiesto per muovere uno ione attraverso una membrana è uguale al lavoro elettrico (W’) richiesto per muovere uno ione contro gradiente di voltaggio. Quando W=W’ e vengono risolte per calcolare il potenziale all’equilibrio per lo ione in questione, si può risalire al potenziale di membrana di una cellula che è permeabile solo allo ione in questione. Equazione di Goldman: E’ usata per calcolare il potenziale di membrana che risulta dal contributo di tutti gli ioni che possono attraversare la membrana. L’equazione considera la permeabilità di membrana, in quanto uno ione può contribuire al potenziale di membrana solo se la membrana è permeabile ad esso; inoltre il suo contributo al potenziale di membrana è proporzionale alla sua capacità di attraversare la membrana. Con l’equazione di Goldman possiamo calcolare i potenziale di membrana in base alle concentrazioni e prevedere i cambiamenti che il potenziale subirà se queste concentrazioni cambiano.

Il funzionamento dei tessuti eccitabili si basa sulla variazione di permeabilità dei canali ionici. In una cellula a riposo la permeabilità del potassio è molto maggiore rispetto alle altre specie ioniche perché esistono i canali costitutivamente aperti che determinano il flusso di potassio. I canali di sodio e cloro sono invece canali regolati da variazioni di voltaggio o da variazioni da parte di ligandi chimici. La depolarizzazione si ha nel momento in cui i canali del sodio si aprono e determinano un aumento del potenziale (ci si avvicina a valori positivi). Può succedere anche che si aprano dei canali del cloro che fluendo all’interno della cellula la iperpolarizzano diminuendo il potenziale (che diventa più negativo). Nella cellula l’equivalente degli gli ioni negativi (Cl-) che non sono permeabile e che permettono la formazione del potenziale di membrana sono gli anioni proteici che rimangono all’interno della cellula.

Esempio a lezione: abbiamo due comparti separati, sulla sinistra avremo una concentrazione di K+CL- di 0,1 M, e sulla destra una concentrazione di 0,01 M. Supponiamo che la membrana che divide i due comparti sia permeabile agli ioni potassio ma non agli ioni cloro. Partiamo da una condizione di elettroneutralità. Data la differenza di permeabilità agli ioni, solo gli ioni potassio cominciano ad attraversare la membrana. Cariche positive si spostano verso destra, a differenza delle cariche negative degli ioni cloro che non possono. Con il passare degli ioni potassio si genera una forza di gradiente di potenziale elettrico che si oppone al passaggio di altri ioni potassio. Le cariche più si disporranno sul lato destra della membrana mentre le meno sul lato sinistro. La forza totale sarà quindi inferiore a quella iniziale. Il processo continua fino al raggiungimento di un equilibrio in cui la forza di gradiente di potenziale elettrico bilancerà la forza del gradiente di concentrazione. E’ sufficiente lo spostamento di pochi ioni per produrre una differenza di potenziale e raggiungere uno stato di equilibrio. Le concentrazioni rimangono pressappoco le stesse. Quando siamo arrivati all’equilibrio con l’equazione di Nerst possiamo trovare il potenziale: Ei - Ee = -60mv/z * log (X)i/(X)e Xi e Xe indicano la concentrazione all’interno ed all’esterno della cellula, le concentrazione rimangono le stesse. Il valore che si ottiene è di -60mv. Il valore negativo sarà a sinistra, cioè all’interno della cellula. Nella cellula succede una cosa molto simile. La membrana plasmatica di una cellula ha le caratteristiche di un condensatore ed è selettivamente permeabile agli ioni potassio a riposo. In una cellula, a riposo, la permeabilità della membrana al sodio è trascurabile. La membrana avrà una permeabilità agli ioni potassio molto maggiore rispetto ad altri tipi di ioni come quello sodio, calcio e cloro. In una cellula a riposo solo lo ione potassio può muoversi attraverso la membrana. Il potenziale in certe condizioni potrà comunque iperpolarizzarsi o depolarizzarsi. 10-12 ioni potassio migrando da un lato all’altro determineranno il gradiente di potenziale elettrico, una quantità minima che non varia le concentrazioni iniziali. I canali del sodio sono chiusi in condizioni di riposo ma, se non lo fossero, gli ioni sodio verrebbero spinti all’interno per il gradiente di concentrazione e per il gradiente di potenziale elettrico. Se fosse possibile il passaggio del sodio, avremo una modificazione del potenziale di membrana, questo nelle cellule a riposo non succede, ma accade invece nei tessuti eccitabili. Il potenziale di membrana è determinato: 1) Da una ineguale distribuzione delle specie ioniche tra interno ed esterno 2) Da una elevata permeabilità della membrana al potassio rispetto alle altre specie ioniche 3) Dalla peculiare caratteristica di condensatore della membrana

Ringraziamo Marco “la nostra guida spirituale” per la parte degli appunti