Gaetano Odierna » 8.Fisiologia della membrana plasmatica

Concentrazione ionica intra- ed extra-cellulare

La membrana plasmatica è semipermeabile. Separa l’ambiente intracellulare (citoplasmatico) da quello extracellulare (negli organismi pluricellulari, è la matrice extracellulare), i due ambienti differiscono per composizione e/o per concentrazione dei componenti.

Nella tabella  è riportata la differenza nella concentrazione dei pricipali ioni.

Diffusione soluti in membrane permeabili

In due soluzione a differente concentrazione ionica (C₁>C₂) separati da una membrana permeabile si osserva la diffusione dei soluti verso il compartimento a minore concentrazione. La diffusione avviene finchè C₁=C₂

Diffusione soluti in membrane semipermeabili

In due soluzione a differente concentrazione ionica (C₁>C₂) separati da una membrana semipermeabile si osserva la diffusione del solvente (acqua) verso il compartimento a maggiore concentrazione di soluti. Tale fenomeno è denominato osmosi; la pressione all’origine del fenomeno, è la Pressione osmotica (π).

Acquaporine e diffusione dell’acqua

Molte cellule, e particolarmente quelle del tubulo renale o delle radici delle piante, sono più permeabili all’acqua di quanto atteso dalla semplice diffusione attraverso il doppio strato fosfolipidico. Il maggiore flusso dell’acqua (diffusione facilitata) avviene grazie a piccole proteine integrali di membrana, denominate acquaporine. Tali poteine formano nella membrana dei canali che permettono il selettivo passaggio passivo di milione molecole di acqua/secondo in direzione del flusso osmotico.

Trasporto di molecole attraverso le membrane cellulari

La membrana cellulare non è semplicemente semipermeabile ma grazie a proteine di membrana lascia passare sia ioni e altre molecole quali, zuccheri, urea, aminoacidi, nucleotidi, tramite un processo denominato trasporto, sia molecole molto più grandi, quali ad esempio proteine, o batteri secondo meccanismi, denominati esocitosi e endocitosi, che saranno trattati in una lezione successiva.

Immagine modificata da Becker et al. Il mondo della cellula. 2002. Edises editore

Tipi di trasporto attraverso le membrane cellulari

Trasporto passivo

Si verifica sotto la spinta del gradiente di concentrazione e si annulla quando la concentrazione della sostanza è la stessa ai due lati della membrana . Non richiede energia. Tale tipo di trasporto è noto come diffusione, che è distinto in:

• diffusione semplice: le molecole diffondono per loro proprietà intrinseche attraverso il doppio strato fosfolipidico;
• diffusione facilitata o trasporto facilitato: è mediato da specifiche proteine di membrana:
  • proteine canali o canali ionici;
  • proteine vettrici o trasportatori).

Ciascun canale o trasportatore è selettivo per una determinata molecola.

Proteine vettrici o trasportatori

La diffusione (o trasporto facilitato) mediata da proteine vettrici comporta il cambiamento di conformazione del trasportatore che espone il sito di legame per il ligando alternativamente all’interno o all’esterno della membrana (in effetti il trasportatore per sue proprietà intrinseche oscilla da una conformazione all’altra, da alcuni autori chiamate conformazioni “ping” e “pong”.

Cinetica della diffusione facilitata

La cinetica dei trasportatori è del tipo a saturazione. Una volta saturati i siti di ingresso delle varie molecole di trasportatore presenti nella membrana, la velocità di diffusione diventa costante (V_max).

A differenza dei canali ionici, dove possono passare milioni di molecole di soluto per secondo, i trasportatori consentono il passaggio da cento a mille molecole di soluto al secondo.

Trasporto attivo

Nel trasporto attivo il trasportatore utilizza l’energia dell’idrolisi dell’ATP per trasferire (pompare) contro gradiente un dato soluto, generalmente uno ione, da un compartimento all’altro. Per tale motivo tali proteine sono chiamate pompe ioniche. Ciascuna pompa è specifica per un determinato ione, ad esempio per lo ione H⁺ (pompa protonica), Ca⁺⁺ (pompa a calcio).

Pompa sodio/potassio

Schema del ciclo di trasporto della pompa Na⁺/K⁺ ATP dipendente

(1)Tre ioni sodio si legano alla pompa all’interno della membrana. (2) Il legame con Na⁺ attiva una ATPasi che trasferisce un gruppo fosfato (P) alla proteina. (3) Il P aggiunto determina una modificazione conformazionale della proteina, che da una parte provoca la perdita di affinità agli ioni Na⁺, che vengono espulsi all’esterno, dall’altra fa acquisire il sito di legame per due ioni K⁺ che si legano all’esterno della membrana. (4) Il Legame con K⁺ attiva una fosfatasi che elimina il P; Ciò da una parte fa perdere l’affinità per K⁺, che vengono portati all’interno del citoplasma, dall’altra fa acquisire alla proteina i siti di legame agli ioni Na⁺.

Il bilancio netto della pompa Na⁺/K⁺ è di 3 ioni Na⁺ espulsi e 2 ioni K⁺ importati nel citoplasma.

Uniporto e trasporto accoppiato

La pompa Na⁺/K⁺ ATP dipendente è un esempio di trasporto accoppiato o co-trasporto: la pompa media il trasporto di due specie ioniche, il Na⁺ e il K⁺ che si muovono in direzione opposta. Tale tipo di cotrasporto è denominato antiporto; quando più molecole vengono trasferiti nella stessa direzione il cotrasporto è detto sinporto. il trasporto di una sola molecola per volta è denomiato uniporto.

Trasporto attivo primario e secondario

Nelle membrane spesso ad un trasporto attivo definito primario di una molecola, nella figura a lato rappresentato dalla pompa Na⁺/K⁺ ATP dipendente è accoppiato il trasporto attivo detto secondario di una altra molecola, nella figura accanto rappresentato dal glucosio. Il gradiente concentrazione di Na⁺, che è sostenuto dalla pompa Na⁺/K⁺, permette il trasporto contro gradiente del glucosio attraverso il cotrasportatore Na⁺/glucosio.

Il glucosio dal citoplasma può, per diffusione facilitata, passare nella matrice extracellulare e quindi in circolo nel sangue.

Potenziale di membrana

La membrana plasmatica presenta un potenziale elettrico, il versante citoplasmatico presenta cariche negative e quello extracellulare cariche positive. Tutte le cellule presentano un potenziale, che varia da -15 mV a -100 mV.

Il potenziale di membrana può essere misurato ponendo due microelettrodi di vetro, collegati ad un voltmetro, all’interno e all’esterno di una cellula. Nelle cellule nervose e muscolari il potenziale di membrana è detto potenziale di membrana a riposo perché soggetto a brusche variazioni.

In figura: Schema della registrazione del potenziale di membrana a riposo in una cellula nervosa, dove vale -70 mV.

Origine del potenziale di membrana

La pompa Na⁺/K⁺ ATP dipendente, sebbene elettrogenica (esporta 3 cariche + e ne importa due), non è all’origine del potenziale di membrana. Nella cellula sono presenti molte macromolecole che al pH intracellulare presentano molte cariche negative (polianioni). Tali cariche sono bilanciante dal K⁺, il contranione più abbondante nel citoplasma. Nella membrana sono presenti i canali di fuga del K⁺, attraverso i quali, essendo aperti, gli ioni K⁺ possono passare in obbedienza al gradiente chimico (E_chimica; freccia blu nella figura a lato). Gli ioni K⁺ sono trattenuti dalle cariche negative dei polianioni ( E_Elettrica; freccia rossa nella figura a lato). Il flusso di K⁺ è nullo all’equlibrio (E_Elet- E_chim=0), ovvero:

zVF – 2,303 • log₁₀ [K⁺_out]/[K⁺_int] = 0;

da cui:

V_K = – 2,303 RT/zF • log₁₀ [K⁺_out]/[K⁺_int]

Tale formula è nota come: Equazione di Nernst.

Depolarizzazione e potenziale d’ azione

Gli studi su assoni giganti del calamaro (spessi 1 mm) hanno evidenziato che stimoli con aghi sottili o con corrente elettrica molto bassa provocano la locale apertura di canali Na⁺ a controllo di voltaggio . L’ingresso di Na⁺ fa diminuire (depolarizzare ) il potenziale di membrana a riposo. Entro un valore soglia di depolarizzazione (-60 mV) la membrana riesce a recuperare il potenziale a riposo. Superato il valore soglia scatta il potenziale d’azione, cioè una serie di eventi che producono nella membrana una serie di variazione di voltaggio (in figura). Il potenziale d’azione è una proprietà di tutte le cellule ma quelle del tessuto nervoso sono specializzate nel propagare il potenziale d’azione in direzione centripeta lungo l’assone fino al bottone sinaptico.