Appunti di Fisiologia generale

Fisiologia generale (Prof.ssa Piazzesi)

Fisiologia etimologicamente significa discorso sulla natura, inizialmente era quindi lo studio di tutta la biologia e comprendeva anche la biochimica, successivamente le varie discipline si sono separate. Oggi si intende lo studio delle funzioni dei vari organismi viventi a livello di tutte le funzioni. Una funzione è l'insieme di tutti i processi che permettono di raggiungere un certo obiettivo utile per la vita dell'organismo. Si distinguono varie branche della fisiologia, quella generale riguarda lo studio delle funzioni in termini di meccanismi generali, comuni a tutte le specie animali.

Concetti fondamentali della fisiologia

Relazione struttura funzione, omeostasi, plasticità.

Relazione funzione struttura

La funzione di un organo dipende dalla sua struttura, è strettamente correlata alla morfologia delle molecole. Un esempio a livello molecolare è il canale del K che presenta in corrispondenza del poro una sequenza di aa che ricostruisce intorno allo ione una rete di interazioni simile a quella che lo ione K⁺ forma con le molecole di H₂O. È questo un esempio di come la struttura di una specifica porzione di una proteina si collega ad una funzione fondamentale, la permeabilità ionica delle membrane cellulari.

Spesso in una proteina canale può passare un solo tipo di ione, in questo caso la probabilità che il canale sia attraversato dal K è molto maggiore che questo sia attraversato da un qualsiasi altro ione. La distribuzione dei dipoli è diversa nello ione sodio rispetto al potassio in quanto ha una densità di carica maggiore avendo una dimensione inferiore, per attraversare il canale gli ioni devono perdere la loro solvatazione, quindi devono essere privati dalle molecole d'acqua. Assume quindi importanza la struttura della proteina canale, i dipoli acquosi vengono sostituiti con gli amminoacidi che si trovano all'ingresso del canale e che riproducono la struttura tridimensionale dell'alone di solvatazione formato dalle molecole di acqua. Quando il K è privato dell'alone di solvatazione può attraversare il canale, il sodio anche se di dimensioni più piccole non lo può attraversare perché rimane parzialmente solvatato. La permeabilità ionica ha quindi un ruolo fondamentale, se ho un numero limitato di proteine per il passaggio del potassio limitate il passaggio del K sarà limitato. La permeabilità non dipende solo dal numero di canali per uno ione ma anche dallo stato del canale, aperto o chiuso.

Esempio a livello supramolecolare

Nel sarcomero la struttura è strettamente collegata alla funzione di accorciamento del muscolo, le proteine contrattile actina e miosina sono organizzate in filamenti spessi e sottili (actina) questi due sono parzialmente sovrapposti. Durante l'accorciamento del muscolo si ha un'interazione tra le catene di miosina ed actina che porta allo sviluppo di una forza che promuove lo scorrimento delle fibre l'une sulle altre, non si ha una modifica dei filamenti. Nella banda A si osserva un certo grado di sovrapposizione tra filamenti spessi e sottili, è in questa regione che si formano i legami tra actina e miosina, durante la contrazione la banda A mantiene la sua lunghezza, mentre nella zona H si riduce dello stesso valore per cui la banda I viene ridotta.

Omeostasi

Gli organismi hanno la capacità di mantenere un ambiente interno relativamente costante anche di fronte a drastiche variazioni dell'ambiente esterno, solo se gli organismi sono in grado di mantenere un ambiente interno costante è possibile colonizzare ambienti diversi. Questo non significa che gli organismi sono in una condizione di equilibrio, l'equilibrio è una condizione dove non c'è dispendio energetico e non c'è differenza tra ambiente interno ed esterno, la condizione dell'omeostasi è una condizione di stato stazionario e gli organismi spendono energia per mantenere una condizione diversa dall'ambiente esterno.

Nel caso di organismi unicellulari l'omeostasi è regolata soltanto dalla membrana semipermeabile che permette di mantenere le differenze tra citosol ed ambiente extracellulare. Negli organismi pluricellulari la situazione è più complessa, non è sufficiente l'attività della membrana cellulare. L'ambiente interno non è formato dal citosol in quanto le cellule sono immerse in un ambiente liquido, il fluido extracellulare la cui composizione deve essere mantenuta costante nel tempo, ed organizzate in organi. I meccanismi di regolazione in questo caso sono a retroazione o anticipazione (feed-forward), questi servono nel caso del feed-back qualora ci sia una perturbazione del sistema di mettere in atto una risposta che contrasta l'effetto della perturbazione in modo di ripristinare lo stato stazionario iniziale. Nel caso dell'anticipazione i meccanismi di contrastazione vengono messi in atto prima che avvenga la perturbazione.

Negli organismi viventi oltre al feed back negativo esiste il feed back positivo, ovvero si hanno una serie di eventi che invece di contrastare la perturbazione la amplificano, ad esempio nel caso del potenziale di azione vedremo un esempio di feedback positivo.

Feed-back negativo

Ci deve essere una variabile regolata (temperatura, pressione, ecc..) questa variabile per poter essere controllata deve avere un valore di riferimento conosciuto dal sistema. Il sistema deve essere in grado di valutare se la variabile regolata ha il valore di riferimento, quindi ci devono essere dei recettori in grado di misurare il valore della variabile regolata, registrano i valori ed inviano l'informazione ad un sistema di controllo il quale verifica se il valore della variabile regolata corrisponde al valore di riferimento (set point). Quindi si ha un comparatore che confronta i valori acquisiti dai recettori e quello del set point. Qualora i valori non corrispondano si ha un errore che permette al sistema di capire che c'è una perturbazione, per cui il sistema amplifica il segnale di errore ed il sistema di controllo agisce sul sistema riportando i valori al set point. Questo circuito a feed back permette di regolare continuamente la variabile regolata e di mantenerla costante, tutte le volte che si ha una perturbazione il sistema reagisce in modo da mantenere il valore dell'omeostasi.

Controllo della pressione arteriosa

Il valore della pressione media nell'uomo è di circa 100 mm di mercurio. Le variazioni della PA sono registrate dai barocettori aortici e carotidei che inviano afferenze al centro cardiovascolare bulbare (sistema di controllo) dove avviene il confronto con il punto di riferimento e viene generato il segnale di errore che agisce sugli effettori autonomi che regolano cuore e vasi sanguigni. La resistenza periferica rappresenta la resistenza al flusso, maggiore è la resistenza periferica maggiore è la resistenza al flusso. Il miocardio ventricolare controlla la pressione arteriosa attraverso la forza con cui avviene la contrazione, più i ventricoli si contraggono più il sangue acquisirà velocità, anche la frequenza di contrazione è fondamentale, questi due parametri permettono di ottenere la gittata cardiaca ovvero la quantità di sangue immesso nell'aorta, se aumenta la gittata aumenta la pressione arteriosa.

Esistono dei recettori capaci di misurare il valore della pressione arteriosa, questi sono strutture sensibili alla variazione della pressione quando le pareti dell'aorta vengono distorte dalla pressione sanguigna queste attivano i recettori. Il barocettore è un recettore meccanico delle pareti carotidee dell'aorta, questi recettori inviano le informazioni al centro di controllo composto da cellule nervose che si trovano nel bulbo all'interno del cervello. Qui è presente il set point, quindi la potenza del potenziale di azione che deve provenire dai recettori per avere una pressione arteriosa di circa 100 mm di HG, se questo non è rispettato agisce tramite una funzione di forza che consiste in una variazione dell'attività del sistema nervoso autonomo. Il sistema nervoso simpatico determina una azione sulla muscolatura liscia, del miocardio e quindi della frequenza cardiaca, il sistema parasimpatico determina una riduzione della frequenza cardiaca e quindi della gittata.

Plasticità

Sembra in contraddizione al concetto di omeostasi, è la capacità degli organismi di modificare le proprie funzioni quando le condizioni ambientali variano (acclimatizzazione all'altitudine, plasticità sinaptica, competenza immunitaria, ecc..). Queste modifiche delle funzioni biologiche avvengono a livello del fenotipo, non ci sono variazioni genomiche e quindi non possono essere trasmesse alle generazioni successive, non ha il concetto di adattamento "genetico" che si identifica con la selezione naturale. Il concetto di plasticità deve essere distinto dal concetto di adattamento: infatti con adattamento si identifica il processo mediante cui la selezione naturale, nell'ambito di una popolazione, in un particolare ambiente, modifica la frequenza di geni codificanti caratteri che massimizzano la sopravvivenza e la riproduzione degli individui, mentre con plasticità si evidenzia la possibilità dello spostamento del punto di riferimento in un sistema controllato.

Membrana cellulare

In fisiologia il significato della membrana è quello di essere una barriera selettiva che permetta una netta divisione tra ambiente cellulare ed extracellulare ma che permette scambi continui di sostanze nutrienti, gas, energia ed informazioni. La membrana non è soltanto una zona passiva di confine e di transito di ioni, nutrienti e metaboliti, ma è anche una zona attiva di riconoscimento di molecole, cioè ha la capacità di riconoscere molecole ed in seguito sviluppare una risposta che può rimanere localizzata a livello del citosol o dare origine ad una serie di risposte per la comunicazione tra le varie cellule adiacenti e tra sistemi integrati. All'interno del citosol i principali elettroliti Na, Cl, K sono distribuiti in concentrazioni diverse nelle varie specie animali, tuttavia la concentrazione di K è sempre quella maggiore rispetto agli altri ioni e questo è comune per tutti gli organismi.

Gli anioni cloruro hanno una concentrazione relativamente bassa in tutte le cellule, la funzione è chiaramente quella di bilanciare le cariche positive. Se si osserva il liquido extracellulare la situazione si ribalta, la concentrazione del sodio è maggiore del potassio queste caratteristiche sono comuni a tutti gli esseri viventi. La bassa concentrazione di cloruro è importante all'interno del citosol poiché gli scambi, la separazione dei liquidi extra ed intraceellulari, funzioni: regolazione degli scambi con l'esterno, comunicazione tra cellula e ambiente tramite i recettori di membrana, stabilizzazione strutturale dei tessuti tramite interazione con proteine citoscheletriche e formazione di giunzioni adiacenti.

Mosaico fluido

Il modello è stato proposto nel 1972 perché la membrana fosse costituita da molecole lipidiche. L'idea nacque alla fine dell'800 quando Overton osservò che molecole apolari erano capaci di attraversare la membrana mentre quelle polari no. Successivamente si osservò che i fosfolipidi sono capaci se distribuiti su una superficie acquosa un monostrato, disponendosi con la porzione apolare all'interno e quella polare verso l'esterno formando il doppio strato.

Questa teoria fu confermata nel 1925 da Gorter e Grendel con un esperimento. L'idea era che se i lipidi formano un doppio strato nella membrana vuol dire che se io misuro la superficie della membrana cellulare e vuol dire che io misuro la superficie occupata dal doppio strato, se poi estraggo i lipidi del doppio strato e li distribuisco su un'unica superficie devo ottenere una superficie doppia. Gorter e Grendel utilizzarono globuli rossi in quanto l'estrazione dei fosfolipidi permetteva l'estrazione dei soli lipidi membrana in quanto la restante componente è l'emoglobina. Dopo l'estrazione dei lipidi misurarono la superficie del monostrato tramite la bilancia di Langmuir, costituita da una barriera mobile che scorre lungo la bacinella ed una barriera fissa. I lipidi estratti dai globuli rossi venivano distribuiti sulla bacinella contenente acqua disponendosi con le teste polari verso l'acqua e le code verso l'esterno, la barriera mobile veniva fatta scorrere contro quella fissa in modo che tra i fosfolipidi non ci fosse più spazio e quindi andassero a contatto l'uno con l'altro, si formava così un monostrato continuo. Ci si rendeva conto che si era giunti alla formazione del monostrato poiché fino a che i lipidi trovavano spazio tra una molecola e l'altra nel trasduttore di forza collegato alla barriera fissa non veniva rilevata alcuna forza mentre quando questa veniva misurata indicava la formazione del monostrato.

Gorter e Grendel eritrociti di uomo e di cane e ne misurarono il volume e la densità cellulare, ricavando così il numero delle cellule prelevate in ogni campione, successivamente misurarono la superficie di un globulo rosso e quindi riuscirono a misurare la superficie totale delle cellule prelevate nel cane e nell'uomo. A questo punto estrassero fosfolipidi dalle membrane dei globuli rossi e li disposero nella bilancia di Langmuir, formarono il monostrato ed ottennero una superficie del monostrato fosfolipidico doppio rispetto al valore della superficie totale dei globuli rossi nei campioni estratti sia nel caso del cane che dell'uomo.

Sempre nello stesso periodo fu misurato lo spessore del doppio strato fosfolipidico, la membrana cellulare può essere assimilata ad un circuito elettrico, il fatto che sia composta da fosfolipidi e quindi molecole anfipatiche fa assomigliare la membrana ad un condensatore. Il doppio strato fosfolipidico si comporta quindi come un elemento capace di separare le cariche nelle due armature del condensatore ovvero nei due strati di teste polari, le cariche non possono passare da un'armatura all'altra per la presenza di un dielettrico dato dalle code apolari. La capacità della membrana viene misurata in farad facendo passare della corrente nella membrana, in generale la capacità di un condensatore è direttamente proporzionale al rapporto tra la superficie delle armature e la distanza tra di esse. Minore è la distanza tra le armature e maggiore è la superficie delle armature maggiore è la capacità secondo un costante dielettrica, nel caso della membrana si può scrivere: Cm = εlipidi *S/d Cm/S= εlipidi. In questa formula ho lo spessore della membrana, dato che la costante dielettrica è costante per tutte le cellule εlipidi =5*10^-13 e il rapporto tra Cm/S = 10^-6 F/cm² è anch'esso costante posso ricavare lo spessore di membrana: d = εlipidi *S/Cm = (5*10^-13 F/cm)/(10^-6 F/cm²)= 5*10^-7cm= 50 Å.

Nel 1935 Davson e Danielli proposero il cosiddetto modello a sandwich della membrana, in cui le teste polari dei due foglietti esterni sono rivestite di proteine. Successivamente ipotizzarono anche la presenza di pori proteici nella tela fosfolipidica per giustificare il passaggio di ioni attraverso le membrane. Nel 1960 Robertson propose il modello della membrana unitaria in base alle osservazioni al microscopio elettronico in cui tutte le membrane apparivano costituite da due foglietti elettrondensi esterni separati da una porzione chiara centrale. L'evidenza sperimentale che le fosfolipasi sono in grado di demolire le membrane portò ad una revisione del modello di Davson-Danielli in quanto nel loro modello le proteine costituivano uno strato che sovrastava i lipidi. Nel 1972 Singer e Nicolson proposero il modello a mosaico fluido: la membrana si presenta come un mosaico di proteine inserite in maniera discontinua in un doppio strato lipidico fluido. Negli anni successivi la struttura di alcune proteine di membrana è stata definita a livello atomico.

Freeze etching della membrana

La membrana veniva congelata, i due mono strati separati e su di questi veniva diffuso del carbonio. A questo punto la membrana veniva osservata al microscopio elettronico a scansione. Quello che si osserva è che la membrana presenta numerose protuberanze che secondo il modello di Singer e Nicolson dovevano essere proteine. Utilizzando enzimi proteolitici e ripetendo il processo queste protuberanze dovevano diminuire e questo fu quello che si osservò osservando a tempi diversi il monostrato dopo averlo trattato con enzimi proteolitici. Nella membrana troviamo oltre a fosfolipidi, vari lipidi di membrana proteine e glicoproteine.

Lipidi di membrana

Fosfolipidi, detti anche glicerofosfolipidi, costituiti da glicerolo, un alcol trivalente che è esterificato da due catene di acidi grassi e da un gruppo fosfato a sua volta legato ad una sostanza di natura alcolica che può essere o puramente un alcol o un amminoacido come la serina che presenta il gruppo ossidrilico o una base azotata come la colina o etanolamina. Gli acidi grassi possono essere lineari e quindi saturi o insaturi con doppi legami nella catena carboniosa, questo fa sì che nella struttura della membrana abbiamo le code lipidiche che potendo essere insature e quindi piegate mantengono una distanza maggiore tra le catene adiacenti. Gli sfingolipidi abbiamo un aminoalcol a lunga catena che è la sfingosina e che presenta una lunga catena carboniosa legata ad un acido grasso ed alla fosfatidilcolina oppure ad un acido grasso e residui saccaridici (cerebrosidi e glicosfingolipidi).