Corso di Fisiologia. (Basi morfologiche e funzionali della vita) Lezione 2 5 novembre ) Fisiologia cellulare

Lezione 2

5 novembre 2021

1) Fisiologia cellulare

Corso di Fisiologia

(Basi morfologiche e funzionali della vita)

Venerdì 29/10 Fisiologia cellulare Venerdì 5/11 Fisiologia cellulare Lunedì 8/11 Fisiologia cellulare Venerdì 12/11 S. nervoso

Lunedi 15/11 Test 1

Venerdì 19/11 S. circolatorio Lunedì 22/11 S. circolatorio Venerdì 26/11 S. respiratorio Lunedì 29/11 Test 2

Venerdì 3/12 S. renale Lunedì 6/12 S. digerente Venerdì 10/12 Test 3

Martedì 14/12 XXX

Calendario

MEMBRANA CELLULARE

 La membrana plasmatica: struttura e caratteristiche.

 Permeabilità e trasporto di sostanze attraverso la membrana: trasportatori e canali ionici.

 Il potenziale di membrana a riposo.

 I potenziali graduati.

 Il potenziale d’azione e sua conduzione.

Fisiologia cellulare

La membrana plasmatica

• E’ importante per proteggere la cellula dall’ambiente esterno, e per la sua capacità di permettere il trasporto di nutrienti / messaggeri molecolari / prodotti del metabolismo cellulare

• La membrana è costituita per la maggior parte da fosfolipidi e proteine

La struttura della membrana è una conseguenza della natura anfipatica dei lipidi che la compongono (50% della massa totale).

La membrana plasmatica: i lipidi

Le caratteristiche funzionali della membrana sono determinate principalmente dalle proteine (intrinseche = immerse nel doppio strato fosfolipdico e estrinseche = legate debolmente alla superficie della membrana) presenti.

La membrana plasmatica: canali e trasportatori

segm. α transmembrana

semplice (intriseca)

segm. transmembranaα complesso connesso da anse idrofile

(intriseca)

segm. transmembranaβ complesso connesso da anse idrofile

(intriseca) prot. associata

(estrinseca)

prot. con ancora idrofoba (estrinseca)

prot.

globulare legata a una

prot.

transmembra na (estrinseca)

STRUTTURA ENZIMI RECETTORI CANALI TRASPORTATORI

FUNZIONI:

TRASPORTO

PASSIVO

Movimento passivo guidato solo dalla differenza di concentrazione e/o differenza

di potenziale.

ATTIVO

Movimento contro gradiente di concentrazione e/o di potenziale accoppiato ad altre reazioni biochimiche o

co-trasporto di altre molecole.

DIFFUSIONE FACILITATA

La molecola passa attraverso proteine di membrana come canali ionici o

carriers es. ioni, glucosio.

DIFFUSIONE SEMPLICE

La molecola passa la membrana per diffusione in

essa

es. sostanze lipofile (ormoni steroidei), vitamine (A, D, K), gas (ossigeno, anidride

carbonica, monossido d’azoto).

TR. ATTIVO PRIMARIO

Richiesto direttamente consumo di ATP.

es. pompa Na⁺/K⁺ATPasi

TR. ATTIVO SECONDARIO

Co-trasporto: Simporto (es.

scambiatori Na⁺) o Antiporto (es. scambiatori

protonici) .

• Trasportatori (carriers)

• Canali ionici

Solo trasportatori (carriers)

A volte troverete il termine pompe (pumps) ma è la stessa cosa

Nessun aiuto

CARRIER: proteina di membrana che espone il sito di legame per una sostanza alternativamente sui due lati della membrana.

Trasporto Passivo: diffusione facilitata attraverso

carriers

CARATTERISTICHE del trasporto mediato da carriers

•Specificità: GLUT trasporta solo Glu, Frut, Gal e Man

•Competizione: es. sul GLUT tra diversi zuccheri

•Saturazione: trasporta un numero massimo di molecole

al sec, tale numero dipende dale proprietà intrinsiche del trasportatore e dal numero di trasportatori presenti in membrana

Esempio di competizione:

Maltosio

blocca GLUT perché viene legato ma non passa perché troppo grande

FLUSSI

DIFFUSIONE FACILITATA

La molecola passa attraverso proteine di membrana come canali ionici o

carriers (uniporto) es. ioni, glucosio.

DIFFUSIONE SEMPLICE

La molecola passa la membrana per diffusione in

essa

es. sostanze lipofile (ormoni steroidei), vitamine (A, D, K), gas (ossigeno, anidride

carbonica, monossido d’azoto).

TRASPORTO PASSIVO

Movimento passivo guidato solo dalla differenza di concentrazione e/o differenza di potenziale.

Non satura

TRASPORTO

PASSIVO

Movimento passivo guidato solo dalla differenza di concentrazione e/o differenza

di potenziale.

ATTIVO

Movimento contro gradiente di concentrazione e/o di potenziale accoppiato ad altre reazioni biochimiche o

co-trasporto di altre molecole.

DIFFUSIONE FACILITATA

La molecola passa attraverso proteine di membrana come canali ionici o

carriers

(uniporto) es. ioni, glucosio.

DIFFUSIONE SEMPLICE

La molecola passa la membrana per diffusione in

essa

es. sostanze lipofile (ormoni steroidei), vitamine (A, D, K), gas (ossigeno, anidride

carbonica, monossido d’azoto).

TR. ATTIVO PRIMARIO

Richiesto direttamente consumo di ATP.

es. pompa Na⁺/K⁺ATPasi

TR. ATTIVO SECONDARIO

Co-trasporto: Simporto (es.

scambiatori Na⁺) o Antiporto (es. scambiatori

protonici) .

Trasporto attivo primario

Un trasportatore combina la transizione che alterna il lato su cui sono esposti i siti di legame per il substrato con una variazione di affinità per il substrato stesso.

Ciò richiede energia e per questo deve essere associato a una reazione esoergonica, come l’idrolisi di ATP (composto ad alta energia richiesto dalla quasi totalità dlle reazioni metaboliche endoergoniche)

Principali tipi e localizzazione:

 Na⁺/K⁺ ATPasi: ubiquitarie

 H⁺/K⁺ ATPasi: Mucosa gastrica, nefrone

 Ca²⁺/K⁺ ATPasi: Membrana plasmatica, membrana reticolo endo/sarco plasmatico

 H⁺- V ATPasi: Lisosomi, vescicole sinaptiche

Esistono diversi TRASPORTATORI attivi secondari.

La maggior parte sono SODIO DIPENDENTI:

Na\glucosio

Na\amminoacidi Na\sali biliari

Na\neurotrasmettitori

Accoppia l’energia di una molecola/ione che si muove a favore del proprio gradiente di

concentrazione al trasporto di un’altra

molecola/ione che si muove contro il proprio gradiente di concentrazione.

TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO

 La membrana plasmatica: struttura e caratteristiche.

 Permeabilità e trasporto di sostanze attraverso la membrana: trasportatori e canali ionici.

 Il potenziale di membrana a riposo.

 I potenziali graduati.

 Il potenziale d’azione e sua conduzione.

Fisiologia cellulare

Le proteine canale

• Alcuni sono sempre aperti (passivi) altri si aprono in risposta a

opportuno stimolo (voltaggio,

chimico, meccanico, temperature, multimodali) (attivi)

• Non richiedono energia perchè permettono passaggio di H₂O, ioni e molecole solo a favore di

gradiente

• Muovono decine di milioni di ioni al secondo

Stimoli che controllano apertura e chiusura dei canali ionici

CHIUSO APERTO

Gating dei canali ionici, stato refrattario

Pur perdurando lo stimolo specifico che determina l’apertura, il transito degli ioni è impedito da un meccanismo indipendente da quello di gating.

Canale refrattario:

Desensitizzato Inattivato

Gating dei canali ionici, stato refrattario

Selettività ionica

IONE

1. Caratteristiche fisico-chimiche intrinseche dello ione:

 Grandezza

 Carica

 Grado di solvatazione

Carica: Na⁺ = K⁺

Dimensioni (r. atomico): Na⁺ < K⁺ Idratazione (r. solvatazione): Na⁺ > K⁺

2. Caratteristiche strutturali del canale ionico:

 Carica del poro di selettività

 Dimensioni del poro.

out

in

K⁺

Na⁺

Canalopatie

Le molte malattie derivanti dalla

compromissione dei canali ionici

esemplificano l'importanza di

queste proteine ​​per le funzioni cerebrali.

Ad oggi oltre 60

mutazioni nei canali ionici sono state associate a malattie umane.

Timothy syndrome

La sindrome di Timothy è una malattia rara caratterizzata da malformazioni fisiche, nonché da difetti neurologici e dello sviluppo, comprese aritmie cardiache, sindattilia (dita delle mani e dei piedi palmate) e disturbi dello spettro autistico.

Timothy syndrome

La sindrome di Timothy è dovuta a una singola mutazione puntiforme che riduce l'inattivazione di un canale calcio ubiquitario.

Atassia episodica di tipo 2

• Si manifesta con attacchi di incoordinazione e squilibrio

• Dovuta a mutazioni loss-of-function in un canale calcio espresso nel

cervelletto (sono state identificate oltre 100 mutazioni sullo stesso canale)

CaV2.1

Esempio di 1 mutazione

 La membrana plasmatica: struttura e caratteristiche.

 Permeabilità e trasporto di sostanze attraverso la membrana: trasportatori e canali ionici.

 Il potenziale di membrana a riposo.

 I potenziali graduati.

 Il potenziale d’azione e sua conduzione.

Fisiologia cellulare

Per capire perché le cellule hanno un potenziale di membrana e

perché questo è negativo dobbiamo concentrare la nostra attenzione sui canali passivi e sulla pompa Na⁺/K⁺ ATPasi

Come misurare il potenziale di riposo della membrane (V_m)

Utilizzando un voltmetro possiamo misurare la V_m, che è la differenza di carica elettrica tra due punti: l'elettrodo di riferimento viene posto nella soluzione extracellulare a cui è assegnata una carica di 0 mV mentre la micropipetta di vetro è inserita attraverso la membrana nella cellula

V_m varia da tipo di cellula a tipo di cellula, ma è negativa e va da -45 a -90 mV

Potenziale di membrana di riposo

La pompa Na+/K+ ATPasi mantiene le concentrazioni di Na+ e K+ diverse tra interno e esterno della cellula. Ogni ciclo di cambiamento conformazionale muove 2 K+ all'interno e 3 Na+

all'esterno (effetto netto elettrogenico)  Contributo diretto piccolo (<10 mV) a Vm

[Na⁺]=140 mM [Na⁺]=10/20 mM

[Cl^-]=5/10 mM [Cl^-]=120 mM

[negative charged proteins]

=130/60mM

intracellular extracellular [K⁺]=120/140 mM [K⁺]=2.5/5.5 mM

[Ca²⁺]=1/2 mM [Ca²⁺]=100/200 nM

Alla base della Vm negativa ci sono:

1) il gradiente ionico Na+/K+, generato dalla pompa Na+/K+ ATPasi (utilizza fino al 20-40% dell'energia cerebrale)

2) l'alta densità di canali passivi per il K+

Potenziale di membrana di riposo

Extracellular solution

Intracellular solution [K+]=140mM

V=negative Alla base della Vm negativa ci sono:

1) il gradiente ionico Na+/K+ generato dalla pompa Na+/K+

ATPasi

2) l'alta densità di canali passivi per il K+

V= 0mV [K+]=4mM

Come una permeabilità selettiva al K

genera il potenziale di riposo della membrana

Equilibrio elettrochimico

L’eccesso di ioni positivi sul lato extracellulare e di ioni negativi

sul lato intracellulare è una piccola frazione del numero

totale di ioni

Nel 1888 lo scienziato tedesco Walter Nernst formulò l'equazione che permette di calcolare il potenziale al quale uno ione differenzialmente distribuito tra i due lati della membrana raggiunge l'equilibrio.

ELECTRICAL GRADIENT:

W_E = ZF V_M

CHEMICAL GRADIENT:

W_C = RT ln [X]_out [X]_in

NERNST EQUATION

The Nernst equation

R= gas constant (8.314 jules/K*mol) T= temperature (K)

F= Faraday constant (96000 coulombs/mol) z= the electric charge of the ion

[I]_out= ion concentration outside the cell [I] _in= ion concentration inside the cell

= 25 mV (a 25°C)

ln = 2.3 * log₁₀ (25 mV * 2.3 = 58 mV) RT

F

RT ln [X]_out [X]_in

At EQUILIBRIUM: W_C = W_E = ZF V_M

RT ZF

[X]_out [X]_in V_M = ln

V_M = log58 mV ₁₀ Z

[X]_out [X]_in

V_M = log58 mV ₁₀ Z

[X]_out [X]_in

V_M = log58 mV ₁₀ 1

1 10

The Nernst equation

V_M = 58 mV * (-1) = -58 mV

Sample problem

1) Calcolate il potenziale di equilibrio per una cellula a 25˚C la cui membrana è permeabile solo al Cl^-, se [Cl^-]_i = 1 mM e [Cl^-]₀

= 100 mM.

Nei neuroni è (leggermente) più

complicato

V _m in neurons

V_m = EK = 58 * log₁₀ [K_O] [K_I]

K+=140mM K+=4.5mM

V_m = E_K = -87 mV

[Na_O] [Na _I]

Na+=140mM

Na+=14mM E_Na = +58 mV ENa = 58 * Log₁₀

E

< V

<< E

V_m = EK = 58 * log₁₀ [K_O] [K_I]

K+=140mM K+=4.5mM

V_m = E_K = -87 mV

[Na_O] [Na _I]

Na+=140mM

Na+=14mM E_Na = +58 mV ENa = 58 * Log₁₀

E

< V

<< E

Né Na⁺ né K⁺ sono all’equilibrio ma il flusso netto di cariche (Na⁺ + K⁺) si

Il potenziale di membrana a riposo dei neuroni non è = E

ma è lievemente più positive di E

 L'ATPasi Na+/K+ mantiene costante la forza motrice elettrochimica

 I neuroni sono passivamente permeabili a K+ e Na+. Tuttavia, la conduttanza

passiva al K+ è 20/40 volte superiore a quella per il Na+. Di conseguenza il

potenziale di membrana a riposo è molto più vicino a E_K che a E_Na

 E_K=-87mV; E_Na=+58mV  V_m=~-70mV.

Il Vm è un po’ più positivo di E_K perché una piccola quantità di Na+ penetra nella cella.

In generale il potenziale di mebrana (V_m) sarà determinato dal flusso di vari ioni con un contributo relativo che dipende dalla loro permeabilità.

Gli ioni con alta permeabilità (ad esempio K⁺) contribuiscono maggiormente al potenziale di membrana: il potenziale di membrana è più vicino al potenziale di equilibrio dello ione più permeabile)

 La membrana plasmatica: struttura e caratteristiche.

 Permeabilità e trasporto di sostanze attraverso la membrana: trasportatori e canali ionici.

 Il potenziale di membrana a riposo.

 I potenziali graduati.

 Il potenziale d’azione e sua conduzione.

Fisiologia cellulare

La cellula

Il neurone è una cellula

specializzata nella ricezione, conduzione e trasmissione di segnali elettrici

La maggior parte dei neuroni ha 4 regioni funzionali

The functional polarity: direction of information flow.

3

1. INPUT REGION = Dendrite and cell-body 2. INTEGRATIVE REGION = initial segment 3. RAPID CONDUVTIVE REGION = axon 4. SLOW OUTPUT REGION = synapse

QUALE E’ IL LINGUAGGIO UTILIZZATO DAI NEURONI

PER COMUNICARE ?

Galvani, dimostrò che l’applicazione di una corrente elettrica generata da un generatore di elettricità statica a disco rotante causava la contrazione del muscolo della gamba di rana.

Il “rilevatore di scariche atmosferiche“ di Galvani: mezza rana aveva i nervi crurali connessi a un parafulmine e i muscoli connessi all’acqua del pozzo. Tale sistema era in grado di rilevare le onde elettromagnetiche emesse dai fulmini.

LUIGI GALVANI PER PRIMO DESCRISSE LA “BIOELETTRICITA’ animale’”

Più di duecento anni fa Luigi Galvani (1737-1798), lavorando all’Università di Bologna, scoprì la che la conduzione nervosa e il moto muscolare sono fenomeni elettrici. Galvani pubblicò i suoi risultati nel 1791 nel “De Viribus Electricitatis in Motu Muscolari Commentarius”.

“IO SONO TRISTE” “IO SONO CONTENTO”

INGLESE I'm sad I'm happy

FRANCESE je suis triste je suis content TEDESCO Ich bin traurig Ich bin zufrieden

RUSSO я грустный я рад

POLACCO ja jestem smutnym ja jestem szczęśliwym

EBRAICO בוצע ינא רשאמ ינא

CAMUNO

MORSE −∙−∙∙∙∙∙−∙ −∙−∙−−−−∙−∙−∙−−−−

BINARIO 00100000 11011111

Linguaggio elettrico

Linguaggio chimico

NEURONI

IL LINGUAGGIO DEI NEURONI

Analog signal Digital signal Analog Digital signal Digital signal

OUTPUT

INPUT

V^threshold

-70mV -70mV

1

1. INPUT AREA (receive synaptic signaling - analog/graded)

2

2. INTEGRATIVE AREA (synaptic s. passively propagates reaching the initial segment and here activates AP)

3. RAPID TRANSFER (AP propagation - Digital S. = all or none)

3

4

4. SLOW TRANSFER (signal transduction from electrical to chemical)

Electrical

C C

 Un segnale elettrico è una variazione del Potenziale di Membrana (V_m)

 Il V_m è un differenza di potenziale elettrico tra l’int./est. della membrana cell. dovuto alla eterogenea distribuzione degli ioni/cariche tra i liq.

intra e extracell

 Tutte le cellule possono andare incontro a variazioni del proprio V_m in risposta a vari stimoli spesso chimici ma anche meccanici o termici

 Solo alcune cell. sono definite Eccitabili (neuroni, muscolo, alcune cell.

endocrine ad es cell b del pancreas endocrino e cell. cromaffini delle midollare del surrene) perchè in grado di generare il Potenziale d’Azione (PA; improvvisa rapida inversione del V_m)

Segnale elettrico - Concetti chiave

Una variazione del potenziale di membrana dal suo valore di

riposo (-70 mV) ad altro valore è un segnale elettrico

Alla base della capacità delle

cellule di generare segnali elettrici c’è l’attivazione dei canali ionici

Post Synaptic Potentials

“Graded”

Action Potentials

“All-or-none”

-70mV 0mV

-70mV

Tipici segnali elettrici 0mV

osservabili in un neurone

Cosa intendiamo per segnale elettrico?

Stimuli che controllano apertura e chiusura dei canali ionici

CHIUSO APERTO

[Ca²⁺]=1/2 mM

[Ca²⁺]=200 nM E_Ca2+=+107 mV

V^treshold

P_K : P_Na : P_Cl = 1 : 20/40 : 0.45

AP

Inhibitory currents

Excitatory currents

-45mV

P_K : P_Na : P_Cl = 1 : 0.04 : 10

IPSP (GABA; Glyc)

P_K : P_Na : P_Cl : P_Ca = 1 : 1 : 0.45 : 0.5

-70mV

EPSP (glut; Ach)

[K⁺]=120/140 mM [K⁺]=2.5/5.5 mM

[Na⁺]=140 mM [Na⁺]=10/20 mM

[Cl^-]=5/10 mM [Cl^-]=120 mM Intracellular Extracellular

E_K+=-87 mV

E_Na+=+58 mV E_Cl-=-70 mV

Una volta aperti i canali ionici ‘spingono’ V_m verso il potenziale d’equilibrio dello ione a cui sono permeabili (secondo l’equazione di Nernst).