Fisiologia 2

3. Trasporto attivo Testi consultati: D’Angelo Peres: Fisiologia: Molecole, cellule e sistemi Aidley: The physiology of excitable cells, Cambridge Univ. Press Bern e Levy: Fisiologia Nicholls: From Neuron to Brain, Sinauer

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La pompa Na-K è elettrogenica: il rapporto tra flusso attivo di Na+ e flusso attivo di K+ è 3:2. I flussi passivi sono diversi tra loro e uguali ai flussi attivi.

iNa + iK + ip = 0 Vm =

(gNaENa + gKEK ) - ip/(gNa + gK) (gNa + gK)

L’elettrogenicità della pompa dipende dalla velocità di trasporto e dalle conduttanze al Na+ e K+ . La velocità di trasporto dipende da [Na+]i, [K+]o e dalla temperatura (Q10>3).

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L’efflusso del Na+ dall’assone di calamaro ha le caratteristiche di un trasporto attivo: 1) 2) 3) 4)

è contro il gradiente elettrochimico; è sensibile ai veleni metabolici; dipende dall’ATP; dipende dal K+ esterno; ha un Q10 > 3.

Flussi unidirezionali misurati tramite la tecnica degli isotopi radioattivi

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Trasporto attivo primario •Le proteine agiscono come pompe che trasportano i soluti contro gradiente, dalla soluzione meno concentrata alla più concentrata • Utilizza energia cellulare, di solito sotto forma di ATP (∆G=12kC/M alle concentrazioni fisiologiche) • Saturazione • Esempio pompa Na-K: trasporto accoppiato 3:2, flussi dipendenti, effetto dei glicosidi cardiaci.

Pompa Na-K negli eritrociti.

ouabaina

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Trasporto attivo primario

Trasporto attivo secondario e trasporto facilitato

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Energia implicata nel trasporto del glucosio ∆G = RT ln ([glucosio]i/[glucosio]e)

∆G, variazione di energia libera R, costante universale dei gas, 8.314 J/mol/K T, temperatura assoluta (310 K = 37 °C),

1. Trasporto facilitato nei globuli rossi: Con [glucosio]i = 0.5 mM e [glucosio]e = 5 mM ∆G = 8.314 x 310 x ln (0.5/5) = -5.93 kJ/mol ∆G è negativa e quindi il processo è spontaneo

2. Trasporto attivo secondario (simporto Na/Gluc) nell’epitelio renale Con [glucosio]i = 0.5 mM, [glucosio]e = 0.005 mM, ∆Gglucosio = 8.314 x 310 x ln (0.5/0.005) = +11.8 kJ/mol Con [Na+]i = 10 mM, [Na+]e = 140 mM, il Na+ ha una carica positiva, per cui la ∆G associata con il trasporto del Na+ deve tener conto anche del gradiente elettrico, quindi per Na+ ∆G = RT ln ([Na+]i/ [Na+]e) + zFE Dove z è la carica dello ione, F è la costante di Faraday = 96500 coulombs/mol, E è la differenza di potenziale ai lati della membrana (70 mV), quindi ∆GNa = 8.314 x 310 x ln(10/140) + 1 x 96500 x (-0.07) = -13.5 kJ/mol Quindi l’energia libera fornita dall’entrata del sodio è sufficiente per il trasporto contro gradiente del glucosio. 15

Trasporto attivo secondario Antiporto Na-Ca Na:Ca = 3:1 Bilancio energetico: con Vm = -77 mV, ECa = 130 mV, ENa = 58 mV ∆GCa/mole = 2*F(0.13+0.077) = 4*104 J ∆GNa/mole = -F(0.058+0.077) = -1.3*104 J, l’entrata di 3 moli di Na implica ∆G = -3.9*104J

[Ca]0 = 10mM

[Ca]i = 0.3µM

Lo scambio è elettrogenico (cariche: 3:2): l’iperpolarizzazione della membrana favorisce l’espulsione del Ca, la depolarizzazione arresta e inverte il flusso di Ca. A quale Vm si ha l’equilibrio termodinamico? 3(ENa-Vm) = 2(ECa-Vm) Vm = 3·58 - 2·130 = (174-260) mV = -86 mV

Vari tipi di cotrasporto Riguardante gli ioni 16

Il trasporto transepiteliale di NaCl attraverso la cute di rana Modello per tutti i trasporti transepiteliali (digerente, rene) L’esperimento di Ussing (1950) mostra che il trasporto di Cl è passivo, mediato dal trasporto primario elettrogenico di Na+. Ponendo la stessa soluzione fisiologica ai due lati dell’epitelio il trasporto di NaCl è accompagnato da un potenziale transepiteliale di 50 mv. La corrente di cortocircuito azzera il flusso di Cl e misura il flusso di Na. L’aggiunta di ouabaina e la sottrazione di K+ dal lato seroso bloccano Il trasporto di NaCl e azzerano la corrente di cortocircuito. Pk alta dal lato seroso e bassa dal lato mucoso della membrana. Tight junction

Cl- __

__ __

→

__ __ __ __

→ Cl-

Il trasporto passivo del Cl- è dimostrato termodinamicamente: 17 [Cl-]o/Cl-]i = exp (-EF/RT); Φi/ Φo = exp ((V-E)F/RT) = exp (50* F/RT) ~ 7

Trasporto dell’acqua: trasporto secondario indotto dall’ osmosi. L’elevata Pacqua della membrana è dovuta a canali dell’acqua (aquaporine, diametro ~2 Å)

Vari epiteli hanno gli equivalenti strutturali del modello di Curran: 1. Asimmetria nelle proprietà della membrana dai due lati 2. Barriera ai soluti (tight junctions) 3. Permeabilità all’acqua alta e regolabile (aquaporine) 18