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Galleria mappe mentale Capitolo 2 - Funzioni di base delle cellule

Capitolo 2 - Funzioni di base delle cellule

Fisiologia, Salute Umana 9a Edizione, comprende principalmente la struttura di base e la funzione di trasporto materiale delle membrane cellulari, l'attività elettrica delle cellule, la contrazione delle cellule muscolari, ecc.

Modificato alle 2024-02-08 16:18:34

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Capitolo 2 - Funzioni di base delle cellule

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funzioni fondamentali delle cellule

Struttura di base e funzione di trasporto materiale della membrana cellulare

La struttura e la composizione chimica delle membrane cellulari

La membrana cellulare è composta principalmente da lipidi, proteine e una certa quantità di zuccheri. La struttura molecolare della membrana cellulare è un modello a mosaico liquido. Il contenuto di base di questa teoria è: la membrana cellulare si basa su un doppio strato lipidico liquido una struttura in cui sono incorporate diverse funzioni fisiologiche delle proteine

(1) Doppio strato lipidico

I lipidi di membrana sono divisi in tre categorie: i fosfolipidi rappresentano il 70%, seguiti dal colesterolo e da una piccola quantità di glicolipidi

Un'estremità di ciascuna molecola di fosfolipide è il fosfolipide e la base del gruppo polare idrofilo, rivolto verso la superficie esterna o interna della membrana; Le due catene idrocarburiche di acidi grassi più lunghe (gruppi idrofobici non polari) nelle molecole di fosfolipidi sono una di fronte all'altra all'interno della membrana.

Il doppio strato lipidico è stabile e fluido

(2) Proteine della membrana cellulare

Funzioni delle proteine della membrana cellulare:

1. Partecipare al trasporto transmembrana delle sostanze

2. Partecipare alla trasmissione delle informazioni

3. Relativo alla conversione dell'energia

Funzione di trasporto cellulare

(1) Trasporto passivo

Il trasporto attraverso le membrane cellulari lungo le differenze di concentrazione senza consumo di energia è chiamato trasporto passivo.

1. Diffusione semplice

Si riferisce alla diffusione transmembrana di sostanze dal lato ad alta concentrazione della membrana plasmatica al lato a bassa concentrazione attraverso lo spazio tra le molecole lipidiche.

Le sostanze trasportate per diffusione semplice sono tutte sostanze liposolubili (non polari) o un piccolo numero di sostanze polari a piccole molecole scariche. Come: ossigeno, anidride carbonica, azoto, ormoni steroidei, etanolo, urea, glicerolo, acqua, ecc.

2. Diffusione facilitata

Si riferisce al trasporto di piccole molecole non liposolubili o di ioni carichi attraverso la membrana lungo il gradiente di concentrazione o il gradiente di potenziale con l'aiuto di proteine transmembrana.

(1) Diffusione facilitata attraverso canali

I soluti trasportati attraverso il canale sono quasi tutti ioni, quindi questo tipo di proteina canale è anche chiamata canale ionico

Caratteristiche di base importanti:

Selettività ionica

Ciascun canale ha un'elevata permeabilità solo verso uno o pochi ioni, ma ha poca o nessuna permeabilità verso gli altri ioni.

Proprietà di gate

1. Canale voltaggio-dipendente

Questi canali sono regolati dal potenziale di membrana

2. Canali con gate chimici

Tali canali sono regolati da alcune sostanze chimiche all'interno e all'esterno della membrana

3. Canale con cancello meccanico

Questo tipo di canale è regolato dalla stimolazione meccanica, solitamente quando la membrana plasmatica rileva la stimolazione dell'allungamento e il canale si sviluppa o si chiude.

4. Canale senza gate

Ci sono alcuni canali che sono sempre aperti, come i canali di perdita di potassio sulle fibre nervose.

canale d'acqua

La semplice velocità di trasporto dell'acqua è molto lenta e i pori della fase acquosa consentono solo alle molecole d'acqua di diffondersi in un unico file.

(2) Diffusione facilitata tramite carrier

Si riferisce al trasporto transmembrana di piccole molecole idrosolubili lungo il gradiente di concentrazione mediato dalle proteine trasportatrici.

Caratteristiche:

1. Specificità strutturale

Vari vettori possono riconoscere e legare solo substrati con strutture chimiche specifiche

2. Fenomeno di saturazione

Poiché il numero e la velocità di trasporto dei trasportatori nella membrana cellulare sono limitati, quando la concentrazione del substrato trasportato aumenta fino a un certo livello, la velocità di diffusione del substrato raggiungerà il massimo.

3. Inibizione competitiva

Se due sostanze con strutture simili possono legarsi allo stesso trasportatore, si verificherà un'inibizione competitiva tra i due substrati. Tra questi, i soluti con concentrazioni più basse o costanti di Michaelis-Menten più grandi (cioè la concentrazione di substrato alla quale la velocità di trasporto raggiunge la metà della velocità di trasporto massima) hanno maggiori probabilità di essere inibiti.

(2) Trasporto attivo

Si riferisce al trasporto di determinate sostanze attraverso le membrane contro il gradiente di concentrazione o il gradiente potenziale con l'aiuto delle proteine di membrana e dell'energia fornita dal metabolismo cellulare.

(1) Trasporto attivo primario

Processo in cui le cellule utilizzano direttamente l'energia generata dal metabolismo per trasportare sostanze contro gradienti di concentrazione o gradienti potenziali.

I substrati per il trasporto attivo primario sono solitamente ioni carichi, quindi le proteine di membrana o i trasportatori che mediano questo processo sono chiamati pompe ioniche

1. Pompa sodio-potassio (pompa sodio)

Ha stessa attività ATPasi e la pompa del sodio è anche chiamata ATPasi Na-K dipendente.

In circostanze normali, per ogni molecola di ATP decomposta, possono essere pompati fuori 3 Na e contemporaneamente possono essere pompati 2 K. Poiché questa attività della pompa del sodio provoca un aumento netto degli ioni positivi extracellulari e un aumento del potenziale,. la pompa del sodio pompa anche la pompa del biosodio

Significato fisiologico:

Causa un elevato K intracellulare, necessario per molte reazioni metaboliche nel citoplasma

Mantenere la pressione osmotica intracellulare e il volume cellulare

Il gradiente di concentrazione transmembrana di Na e K formato dall'attività della pompa del sodio è la base per le attività elettriche cellulari come il potenziale d'azione o il potenziale di riposo.

L'effetto elettrogenico dell'attività della pompa del sodio può aumentare il valore negativo del potenziale all'interno della membrana e partecipare direttamente alla formazione del potenziale di riposo.

Il gradiente di concentrazione transmembrana del Na stabilito dall’attività della pompa del sodio può fornire una potenziale riserva di energia per il trasporto attivo secondario.

2. Pompa del calcio

3.Pompa protonica

(2) Trasporto attivo secondario

Il trasporto attivo di alcune sostanze non avviene direttamente dalla decomposizione dell'ATP, ma sfrutta il gradiente di concentrazione degli ioni Na o H stabilito dal meccanismo di trasporto attivo primario. Mentre gli ioni Na o H si diffondono lungo il gradiente di concentrazione, altre sostanze vanno in senso contrario gradiente di concentrazione o potenziale trasporto del gradiente attraverso le membrane.

1. Trasporto nello stesso senso

Trasporto attivo secondario in cui gli ioni o le molecole trasportate si muovono tutti nella stessa direzione

Ad esempio, l’assorbimento del glucosio nell’epitelio della mucosa dell’intestino tenue e il riassorbimento nell’epitelio del tubulo renale prossimale sono ottenuti attraverso gli importatori di sodio-glucosio.

2.Trasporto inverso

Trasporto attivo secondario in cui gli ioni o le molecole trasportate si muovono tutti in direzioni opposte

Come scambiatore Na -Ca2, scambiatore Na -H

(3) Trasporto delle vescicole di membrana

Le macromolecole e il particolato che entrano ed escono dalla cellula non passano direttamente attraverso la membrana cellulare, ma vengono avvolti dalla membrana per formare vescicole. Il trasporto viene completato attraverso una serie di processi come l'avvolgimento della membrana, la fusione della membrana e la separazione della membrana è chiamato trasporto delle vescicole di membrana.

(1) Uscendo dalla cella

1. Esocitosi continua

Si riferisce al processo in cui le vescicole secretorie si fondono spontaneamente con la membrana cellulare quando le cellule sono tranquille, in modo che le sostanze macromolecolari nelle vescicole vengano continuamente scaricate dalla cellula.

2. Esocitosi regolata

Si riferisce al processo in cui le vescicole secretorie immagazzinate in alcune parti della cellula si fondono con la membrana cellulare quando le cellule vengono indotte da determinati segnali chimici o elettrici e il contenuto delle vescicole viene espulso dalle vescicole.

(2) Entrare nella cella

1.divorare

Il processo mediante il quale le sostanze trasportate entrano nelle cellule in forma solida

2. Deglutire e bere

Il processo mediante il quale le sostanze trasportate entrano nelle cellule in forma liquida

trasduzione del segnale cellulare

attività elettrica cellulare

1. Potenziale di riposo (RP)

(1) Misura e concetto di potenziale di riposo

L'elettrodo di riferimento viene posizionato nel liquido extracellulare e il fluido extracellulare viene messo a terra per mantenerlo a un livello di potenziale zero. L'elettrodo di misurazione è un elettrodo di vetro con una punta estremamente fine che può essere inserito nella cellula senza danneggiare in modo significativo la cellula. Il potenziale di membrana di vari tipi di cellule è negativo nello stato quieto.

Glossario

polarizzazione

A riposo, entrambi i lati della membrana cellulare sono in uno stato stabile di positivo all'esterno e negativo all'interno.

iperpolarizzazione

Lo stato o il processo di aumento del potenziale di riposo

depolarizzazione

Lo stato o il processo di riduzione del potenziale di riposo

polarizzazione inversa

Uno stato in cui il potenziale di membrana diventa positivo e la polarità su entrambi i lati della membrana è invertita.

ripolarizzazione

Processo mediante il quale la membrana cellulare ritorna al suo potenziale di riposo dopo la depolarizzazione

(2) Il meccanismo di generazione del potenziale di riposo

1. La differenza di concentrazione e il potenziale di equilibrio degli ioni su entrambi i lati della membrana cellulare

L'efflusso K è la ragione principale della formazione del potenziale di riposo

La differenza di concentrazione degli ioni su entrambi i lati della membrana cellulare è la forza trainante diretta per la diffusione degli ioni attraverso la membrana.

Il campo elettrico transmembrana formato dal potenziale di diffusione ha esattamente l'effetto opposto sul movimento degli ioni carichi attraverso la membrana rispetto alla differenza di concentrazione e impedisce agli ioni di continuare a diffondere.

Quando la forza motrice della differenza di potenziale aumenta fino a raggiungere la forza motrice della differenza di concentrazione, la forza motrice elettrochimica è zero. A questo punto, la quantità di diffusione netta dello ione è zero e la differenza di potenziale su entrambi i lati della membrana si stabilizza. La quantità di diffusione netta di questo ione è La differenza di potenziale attraverso la membrana al tempo zero è chiamata potenziale di equilibrio dello ione.

Formula di Nernst

2. Permeabilità relativa della membrana cellulare agli ioni a riposo

Se la membrana cellulare è permeabile a un solo tipo di ione nello stato di riposo, il potenziale di riposo misurato dovrebbe essere uguale al potenziale di equilibrio dello ione se la membrana cellulare è permeabile a ioni concentrati o multipli contemporaneamente nello stato di riposo stato, il potenziale di riposo. L'entità del potenziale dipende dalla permeabilità relativa di questi ioni e dalla differenza di concentrazione di questi ioni su entrambi i lati della rispettiva membrana.

Il valore misurato del potenziale di riposo è leggermente inferiore al potenziale di equilibrio K.

3. Effetto elettrogenico della pompa del sodio

La pompa del sodio può mantenere la differenza di concentrazione tra Na e K su entrambi i lati della membrana cellulare attraverso il trasporto attivo, ponendo le basi per la diffusione attraverso la membrana di Na e K per formare il potenziale di riposo.

Per ogni molecola di ATP decomposta, la pompa del sodio può spostare contemporaneamente 3 Na fuori dalla cellula e 2 K dentro la cellula, il che equivale a spostare una carica positiva netta fuori dalla cellula, con conseguente aumento della carica negativa valore del potenziale intramembrana. (Quindi la pompa del sodio è anche chiamata pompa del sodio elettrogenica)

4. Fattori che influenzano i livelli del potenziale di riposo

① Concentrazione di K nel fluido extracellulare: quando la concentrazione di K extracellulare aumenta, il potenziale di equilibrio di K diminuisce e anche il potenziale di riposo diminuisce di conseguenza.

②La permeabilità relativa della membrana a Na e K: Se la permeabilità della membrana a K aumenta, il potenziale di riposo aumenterà (più verso il potenziale di equilibrio di K se aumenta la permeabilità della membrana a Na, il potenziale di riposo aumenterà). diminuzione (più verso il potenziale di equilibrio di Na)

③Livello di attività della pompa del sodio: quando l'attività della pompa del sodio viene potenziata, il suo effetto elettrogenico viene potenziato e la membrana diventa in una certa misura iperpolarizzata, al contrario, quando l'attività della pompa del sodio viene inibita, il potenziale di riposo può essere ridotto;

2. Potenziale d'azione (AP)

(1) Concetto e caratteristiche del potenziale d'azione

Il potenziale d'azione si riferisce a una rapida fluttuazione del potenziale di membrana che può propagarsi a distanza dopo che le cellule ricevono una stimolazione efficace basata sul potenziale di riposo.

Glossario

potenziale di punta

I rami ascendente e discendente del potenziale d'azione insieme formano un cambiamento potenziale simile a una punta, che è la parte principale del potenziale d'azione ed è considerato un simbolo del potenziale d'azione.

potenziale posteriore

Bassa ampiezza, fluttuazioni lente nel potenziale di membrana a seguito di un picco

potenziale di postdepolarizzazione (potenziale postdepolarizzante negativo)

Il potenziale di membrana nella prima parte del potenziale successivo è ancora inferiore al potenziale di riposo

Potenziale post-iperpolarizzazione (postpotenziale positivo)

Il potenziale di membrana nell'ultima parte del potenziale post-potenziale è ancora maggiore del potenziale di riposo.

Caratteristiche:

①Il fenomeno “tutto o niente”.

Se la stimolazione non raggiunge una certa intensità, il potenziale d'azione non verrà generato (nessuno)

Quando la stimolazione raggiunge una certa intensità, l'ampiezza del potenziale d'azione generato raggiunge il valore massimo del potenziale d'azione della cellula e non aumenterà man mano che l'intensità della stimolazione continua ad aumentare (piena)

②Nessuna attenuazione della trasmissione

L'ampiezza e la forma d'onda del potenziale d'azione rimangono invariate durante la propagazione

③Erogazione dell'impulso

I potenziali d'azione multipli generati dalla stimolazione continua sono sempre separati da un certo intervallo e non si fondono completamente.

(2) Il meccanismo di generazione del potenziale d'azione

1. Forza motrice elettrochimica e sue variazioni

Secondo la definizione di potenziale di equilibrio, quando il potenziale di membrana è uguale al potenziale di equilibrio di un certo ione, la forza motrice elettrochimica su questo ione è zero. La forza elettrochimica di uno ione è pari alla differenza tra il potenziale di membrana e il potenziale di equilibrio dello ione.

2. Cambiamenti nella permeabilità cellulare durante il periodo del potenziale d'azione

I cambiamenti nella permeabilità al Na e al K possono causare depolarizzazione o ripolarizzazione

Stato funzionale dei canali ionici

Stato di riposo: è uno stato in cui il canale non è aperto quando il potenziale di membrana viene mantenuto al livello del potenziale di riposo.

Stato attivato: uno stato in cui i canali del sodio voltaggio-dipendenti si aprono immediatamente quando la membrana viene rapidamente depolarizzata.

Stato di inattivazione: è uno stato in cui il canale non risponde più agli stimoli depolarizzanti dopo lo stato di inattivazione.

(3) Innesco del potenziale d'azione

1. Stimolazione della soglia

La stimolazione si riferisce ai cambiamenti nell'ambiente in cui si trovano le cellule, compresi i cambiamenti ambientali delle proprietà fisiche, chimiche e biologiche.

L'intensità minima dello stimolo che può indurre una cellula a generare un potenziale d'azione è chiamata intensità di soglia o soglia. Uno stimolo equivalente ad un'intensità di soglia è uno stimolo di soglia

Gli stimoli che sono maggiori o minori dell’intensità della soglia sono chiamati stimoli soprasoglia o sottosoglia

Tre parametri di quantità di stimolazione

intensità della stimolazione

durata della stimolazione

Tasso di variazione dell'intensità dello stimolo nel tempo

2. Potenziale di soglia

Il valore critico del potenziale di membrana che può innescare un potenziale d'azione è chiamato potenziale di soglia

(4) Propagazione del potenziale d'azione

fibre nervose mielinizzate

Conduzione con salto (veloce)

fibre nervose non mielinizzate

Conduzione senza salto (lenta)

Cambiamenti di stato dopo l'eccitazione della cellula

(1) Periodo refrattario assoluto

Durante il periodo iniziale successivo al verificarsi dell'eccitazione, non importa quanto forte sia lo stimolo, le cellule non possono essere nuovamente eccitate.

La soglia è infinita e l'eccitabilità è zero.

(2) Periodo refrattario relativo

Dopo il periodo refrattario assoluto, l'eccitabilità delle cellule viene gradualmente ripristinata e l'eccitazione può verificarsi dopo aver ricevuto nuovamente la stimolazione, ma l'intensità della stimolazione deve essere maggiore della soglia originale.

Un periodo in cui l'eccitabilità ritorna gradualmente da zero alla normalità

(3) Periodo paranormale

Dopo il relativo periodo refrattario, le cellule indotte sperimenteranno anche un periodo di eccitabilità leggermente aumentata.

In questo momento, il potenziale di membrana non è ancora completamente tornato al potenziale di riposo ed è vicino al livello del potenziale di soglia.

(4) Periodo normale basso

Dopo il periodo paranormale, alcune cellule mostrano una leggera diminuzione dell'eccitabilità.

Il potenziale di membrana in questo momento è in uno stato leggermente iperpolarizzato

3. Potenziale locale

1. Concetto

Dopo che le cellule sono state stimolate, i cambiamenti nel potenziale di membrana sono causati dalle proprietà attive della membrana, cioè dall'apertura di alcuni canali ionici, e non possono propagarsi a lunghe distanze.

2.Caratteristiche

①Potenziale graduale

La sua ampiezza è correlata all'intensità dello stimolo

②Conduzione attenuante

Il potenziale locale si diffonde nell'ambiente circostante in modo elettrotonico

③Nessun periodo refrattario

Le reazioni possono essere sovrapposte e sommate (somma temporale sovrapposta, somma spaziale sovrapposta)

contrazione delle cellule muscolari

(1) Meccanismo di restringimento

Le terminazioni nervose motorie trasmettono gli impulsi nervosi dalla placca motrice al sarcolemma

L'eccitazione del sarcolemma viene trasmessa al reticolo sarcoplasmatico attraverso i tubuli trasversali e una grande quantità di Ca fluisce nel sarcoplasma.

Il calcio si lega alla troponina, la troponina e la tropomiosina sono allosteriche, esponendo il sito di legame sull'actina e il nodo della testa della miosina, e i due si combinano rapidamente

L'ATPasi della testa della miosina viene attivata, l'ATP viene scomposto e l'energia viene rilasciata, e la testa e l'asta della miosina si flettono, attirando l'actina verso la linea M;

I miofilamenti sottili scivolano verso la linea M tra i miofilamenti spessi, la banda luminosa si restringe, la banda H si restringe o scompare, i sarcomeri si accorciano e le fibre muscolari si contraggono.

Dopo la contrazione, il Ca nel sarcoplasma viene pompato nuovamente nel reticolo sarcoplasmatico, la troponina, ecc. ritorna al loro stato originale e le fibre muscolari si rilassano.

(2) Fattori che influenzano l'efficienza della contrazione del muscolo striato

Glossario

Contrazione isometrica

Dimostra che quando il muscolo si contrae, la lunghezza rimane invariata e aumenta solo la tensione.

contrazione isotonica

Mostra che la tensione rimane invariata durante la contrazione muscolare e si verifica solo un accorciamento del muscolo.

1. Carico frontale

si riferisce al carico che un muscolo sopporta prima di contrarsi

Il precarico determina la lunghezza del muscolo prima della contrazione, cioè la lunghezza iniziale

Entro un certo intervallo, la tensione di contrazione muscolare (cioè la tensione attiva) aumenta con l'aumento della lunghezza iniziale.

2.Postcarico

si riferisce al carico sopportato dal muscolo dopo la contrazione

3. Contrattilità muscolare

La contrattilità muscolare si riferisce alle caratteristiche intrinseche del muscolo che sono indipendenti dal precarico e dal postcarico e influenzano l’efficienza della contrazione muscolare.

4. Somma delle contrazioni

La somma delle contrazioni si riferisce alle caratteristiche sovrapposte della contrazione delle cellule muscolari ed è il modo principale con cui i muscoli scheletrici regolano rapidamente la loro efficienza di contrazione. La forma di somma spaziale è chiamata somma multifibra, mentre la forma di somma temporale è chiamata somma di frequenza.

Glossario

contrazione unica

Quando la frequenza del potenziale d'azione è molto bassa, dopo ogni potenziale d'azione avviene un processo completo di contrazione e rilassamento.

contrazione tetanica incompleta

Quest'ultimo processo di contrazione si sovrappone alla fase diastolica del processo di contrazione precedente e la somma delle contrazioni risultanti

contrazione tetanica completa

Quest'ultimo processo di contrazione si sovrappone al periodo di contrazione del processo di contrazione precedente e alla contrazione totale risultante

somma delle frequenze