Fisiologia

Fisiologia generale

Con fisiologia si intende la scienza che studia le funzioni organiche dei vegetali e degli animali. Si comincia dalle cellule, che si raggruppano in unità più grandi, i tessuti:

• Epiteliale
• Connettivo (supporto strutturale, dalle cartilagini alle ossa)
• Muscolare (tessuto eccitabile: visibili in due stati, eccitato e no, distesa se non lo è, contratta se lo è) l’eccitazione nervosa comanda l’eccitazione del
• Nervoso (tessuto eccitabile: muscolo)

Compartimenti liquidi dell'organismo

In un organismo di circa 70 kg abbiamo più di 40 kg d’acqua, dato che varia con l’età: un bambino ha una quantità di acqua molto maggiore rispetto ad un adulto, circa il 60% del peso corporeo e poi si va verso una percentuale minore. Mediamente gli individui di sesso maschile hanno una quantità di acqua maggiore rispetto agli individui di sesso femminile.

Questa acqua può essere divisa in:

• Liquido extracellulare: 14.1 kg. A sua volta questo si divide in plasma (3.5 L) e in acqua interstiziale (10.5 L)
• Liquido intracellulare: 28.1 kg

Nell'acqua è importante mantenere un giusto equilibrio idrosalino. Per il passaggio tra intra ed extracellulare abbiamo la membrana plasmatica a permeabilità selettiva. All’interno della cellula ci sono vari organuli, ciascuno determinato da una membrana specifica in modo da far passare elementi specifici in ognuno degli organuli. La membrana ci dà un isolamento fisico, regola gli scambi con l’ambiente, comunicazione tra cellula e ambiente (per esempio con gli ormoni che si legano ad essa tramite recettori specifici) e ha funzioni strutturali. Il colesterolo all’interno della membrana dona fluidità, che può anche variare con la temperatura (più caldo = più fluido).

Proteine di membrana

Nella membrana troviamo diverse proteine:

• Associate: proteine che si attaccano e staccano dalla membrana a seconda di vari fattori, che servono a variare l’attività biologica della cellula (es: in funzione del loro grado di fosforilazione si attacca), sono proteine dinamiche
• Intrinseche: proteine che penetrano nel cuore idrofobico della membrana. Possono non attraversare lo strato idrofobico o possono attraversarlo, avendo una parte interna e una esterna; spesso sono canali (transmembrana) trasportatori (possono o meno utilizzare ATP), canali (diffusione semplice in funzione della concentrazione, possono essere aperti non regolati o regolati, fungendo da delle porte in funzione di diversi stimoli come variazioni di voltaggio, regolati meccanicamente o da ligando), ligandi strutturali, recettori (sistema endocrino, da un fenomeno di trasduzione del segnale all’interno della cellula), enzimi (convertire una sostanza da una forma all’altra per accelerare un processo)

Funzioni della membrana - Trasporto

Passivo: non c’è utilizzo di energia (ATP)

• Diffusione semplice: tipico canale che va in base al gradiente di concentrazione; passano maggiormente sostanze liposolubili come ossigeno, anidride carbonica, vitamine, gas. Le diverse concentrazioni portano a un movimento sia dal lato con più concentrazione a quello con meno, sia da quello con meno a quello con più concentrazione, ovviamente con velocità diverse. Le sostanze sono dotate di moto Browniano e riescono ad oltrepassare la membrana in quanto la membrana lipidica per le sostanze liposolubili non rappresenta un ostacolo (come l’aria per noi). La diffusione è regolata da leggi specifiche:
  • Equazione di Einstein: il tempo di diffusione dipende dalla distanza di diffusione al quadrato; dipende anche da caratteristiche fisiche della sostanza che diffonde (viscosità, temperatura, PM). Lo notiamo anche nello spessore degli alveoli
  • Legge di Fick: la velocità netta di diffusione dipende dal coefficiente di diffusione della sostanza (in base a PM, viscosità), dall'area della membrana (più aumenta più la diffusione è facilitata), spessore della membrana o distanza tra le due regioni (più grande è la distanza più è difficile passare), dalla differenza di concentrazione attraverso la membrana. Nuovamente si spiega con gli alveoli, ma anche con i capillari (aumentano la superficie e diminuiscono le distanze). Se noto che c’è un rapporto lineare tra la concentrazione di un soluto fuori dalla cellula e la velocità di entrata, ho diffusione semplice (se raddoppio le sostanze in A, aumenta la velocità di passaggio in B). questo non vale con i carrier.
• Diffusione facilitata: la molecola passa attraverso proteine carrier di membrana. In questo caso il rapporto tra concentrazione di soluto fuori dalla cellula e la velocità raggiunge un livello di saturazione (saturazione del carrier: con elevato livello di glucosio, questo filtra a livello renale dove abbiamo trasportatori di glucosio; se ne abbiamo tanto non entra nella cellula e viene eliminata con l’urina)

Attivo: utilizzo ATP, porto una sostanza contro il suo gradiente di concentrazione

• Primario: pompa sodio-potassio ATP-asi è la pompa stessa che brucia ATP per il trasporto. Idrolizza ATP in ADP, lega tre ioni sodio per portarli fuori e lega due ioni potassio per portarli dentro, creando uno squilibrio ionico tra dentro e fuori e anche uno squilibrio elettrico (sono particelle cariche)
• Secondario: il trasportatore non utilizza ATP ma usufruisce dell’energia di qualcosa che ha bruciato precedentemente ATP (co-trasporto, simporto o antiporto). Trasportatori sodio dipendenti. Il sodio tenderebbe ad entrare visto che è stato portato fuori. Il sodio sfruttando il gradiente si lega al trasportatore sfruttando il gradiente di concentrazione di un'altra molecola come il glucosio, che entra anche lui. Quindi questo trasportatore sfrutta l’energia liberata dall’idrolisi dell’ATP usata dal trasportatore primario (pompa sodio-potassio) per trasportare elementi, quindi non brucia ATP.
  • Simporto: glucosio in entrata come il sodio
  • Antiporto: potassio esce e sodio entra

Trasporto tramite vescicole

Comporta il dispendio di energia, per cui è usata in casi di necessità/se è obbligata; comportano una modificazione e un rinnovamento della membrana.

• Endocitosi recettori-mediata: comporta un uso di energia; il ligando avrà un suo destino, ma il recettore torna in membrana, viene riciclato per ridurre il consumo di energia.
• Esocitosi: da fuori a dentro.
  • Costitutiva: comune a tutte le cellule, non richiede segnale, ha la funzione di rilasciare all’esterno sostanze della cellula che non servono o per modificare le componenti della membrana plasmatica; porta una nuova porzione di membrana, rilascio costante.
  • Regolata: il prodotto liberato ha un significato funzionale per le cellule vicine, o lontane ma specifiche; tipico per gli ormoni in cellule esocrine o cellule endocrine, neuroni, rilascio regolato.
• Fagocitosi: compiuta soprattutto dai macrofagi, prevede l’internalizzazione di sostanze solide.
• Pinocitosi: internalizzazione di sostanze liquide.

Canali ionici

Esistono diversi tipi di canali ionici che svolgono funzioni importanti.

• Eterooligomero: 5 subunità affiancate, ognuna diversa
• Omoligomero: 5 subunità dello stesso tipo affiancate
• Pseudoligomero: un’unica proteina con strutture tali che in prima battuta sembrerebbero subunità indipendenti, nonostante sia in realtà un’unica proteina (canali sodio-voltaggio dipendenti)

Hanno funzione di mantenere l’omeostasi ionica: bilancio idrosalino del citosol, regolazione del pH e trasporti. Servono anche a trasdurre un segnale: secondi messaggeri (Ca, AMPciclico), segnali elettrici (variazioni di voltaggio), induttori di liberazione. Trasportano ioni tramite selettività ionica (riconoscono e selezionano diverse specie ioniche).

Gated e non gated

Gated (stato aperto/stato chiuso), dipendenti da stimoli di natura elettrica (voltaggio dipendente), meccanici (a stiramento), ligando dipendenti (ligando specifico). Sono responsabili del potenziale d’azione e sono il bersaglio di farmaci e tossine; il loro malfunzionamento provoca patologie.

• Tutto chiuso
• Con chiusura a ‘zip’ o trasversale
• Chiuso dall’interno della cellula con un tappo

L’apertura del canale avviene dopo l’arrivo di un segnale, che la parte recettoriale del canale riceve e reagisce aprendo il canale. Può anche avvenire secondo variazioni di fosforilazione, variazioni di voltaggio (addensamento negativo fuori, addensamento positivo dentro che altera il potenziale di riposo), meccanici a stiramento (arteriole di natura muscolare). I recettori possono essere a canale ionico (il canale è anche recettore), con siti di legame specifici; i recettori metabotropici presentano il recettore in un punto e il canale ionico in un altro: si utilizzano proteine G che dal recettore partono verso il canale per attivarlo (associazione funzionale su due strutture diverse). I canali possono essere anche in un periodo di inattivazione. Possono anche presentare periodi di refrattarietà.

Non gated (canali passivi), sempre aperti: canali, ad esempio, per il potassio responsabili del potenziale di riposo della membrana della cellula. Hanno diversi tipi di struttura:

• Filtro selettivo
• Dominio extracellulare
• Dominio transmembrana
• Dominio intracellulare
• Poro
• Porta

Osmosi

Per muovere l’acqua dobbiamo avere canali specifici e ambienti con uno squilibrio. Il flusso di acqua passa da una soluzione meno concentrata a una più concentrata a patto che ci sia una membrana semipermeabile che permette il passaggio di solvente ma non di soluto (sennò raggiungerei l’equilibrio). I fattori che influenzano l’osmosi sono la costante dei gas perfetti, numero di ioni formati dalla dissociazione di una molecola. Se in due zone A e B mettiamo nella prima una soluzione 1 mol di saccarosio (300 g) e nell’altra una soluzione 1 mol di NaCl (58 g), l’acqua andrà in NaCl perché dissociandosi forma 2 ioni, il saccarosio uno. Si chiama pressione osmotica in quanto è la misura con cui la soluzione tende a richiamare acqua (pensa alla siringa) ma nega un flusso opposto di acqua. Più sostanze sono disciolte più si abbassa il punto di congelamento dell’acqua (sale sulle strade) si può misurare così. È regolata dalla legge di Van ’t Hoff e dipende da:

• Costante dei gas perfetti
• Temperatura assoluta
• Numero di ioni formati dalla dissociazione
• Coefficiente osmotico
• Concentrazione della molecola in sol fisiologica

L’acqua passa anche attraverso le membrane, ma devo creare uno squilibrio di soluto tra due ambienti.

Regolazione del volume cellulare

La pressione osmotica creata dai colloidi (proteine) si chiama pressione colloido-osmotica o oncotica. La pressione osmotica unisce la pressione oncotica a quella creata dai cristalloidi. Devo mantenere l’equilibrio osmotico: se metto la cellula in acqua, questa si gonfia fino a scoppiare; per difendersi butta fuori sostanze osmoticamente attive che tendono a richiamare acqua ma generalmente si rompe. Per questo non possiamo usare acqua ma soluzioni fisiologiche, altrimenti i globuli rossi scoppierebbero. Viceversa, se metto la cellula in una soluzione molto concentrata di sostanze osmoticamente attive, si disidraterà completamente.

Segnali elettrici di membrana

Esistono diversi tipi di segnali elettrici di membrana:

• Potenziale di riposo
• Potenziali graduati: quando un neurone libera una sostanza, nel post-sinaptico non si scatena il potenziale d’azione ma un potenziale graduato
• Potenziali d’azione: misura del potenziale di membrana. Elettrodo dentro la cellula, elettrodo di riferimento nella soluzione fisiologica in cui è immersa la cellula e misuro la differenza di potenziale. Questa differenza è di circa -70 mV. Differenza elettrica che può essere usata per trasferire eventi elettrici, ovvero informazioni.

Trasferimento informazioni

Avviene in due modalità:

• Segnale elettrico: porta a una modificazione notevole del potenziale d’azione. Si trasferisce l’impulso all’interno della stessa cellula ad elevata velocità (nell’assone avviene con modalità saltatoria a causa dei nodi di Ranvier)
• Segnale chimico: il trasferimento dell’informazione da una cellula eccitata a una non eccitata avviene grazie ad un messaggero chimico, il neurotrasmettitore

All’interno della cellula abbiamo delle cariche negative mentre all’esterno delle cariche positive. Questo è dovuto alla presenza di proteine concentrate all’interno della cellula.

Potenziale di membrana

Dovuto ai canali passivi. Movimentazione di uno ione: se prendiamo due bacinelle separate tra loro da una membrana che permette il passaggio del soluto e non del solvente. Della stessa sostanza carica positivamente (come sodio e potassio), A nell’ambiente A concentrazione 1M nell’ambiente B concentrazione 0.1M. Assumiamo B=ambiente extracellulare con carica positiva, A= ambiente intracellulare negativo. Se inseriamo sostanza positiva nell’ambiente non sappiamo dove questa andrà, se in A o in B, in quanto non sappiamo chi vince tra gradiente elettrico e gradiente di concentrazione. Per saperlo dobbiamo sfruttare delle leggi che misurano i due gradienti per sapere chi vince tra i due. Se io verifico che le due forze hanno lo stesso valore, lo ione è in uno stato di equilibrio elettrochimico, perciò sta fermo.

Equazioni di Nernst e Goldman

Nernst ha calcolato le concentrazioni di vari ioni (in particolare sodio potassio), le ha posizionate nell’ambiente descritto sopra con le stesse concentrazioni rilevate all’interno delle cellule per misurare la forza elettrica che permette di mantenere gli ioni in equilibrio con il gradiente di concentrazione. Per esempio, per il potassio devo rendere l’ambiente intracellulare -90mV rispetto all’extra (molto più concentrato tende ad andare fuori). Per il sodio è nell’extra. Il cloro è anch’esso concentrato di più +60mV, in quanto è molto più concentrato nell’extra ma ha carica negativa, per cui ho necessità di -80mV. Nessuno si avvicina ai -70mV. Questo perché Nernst non considera che la membrana non è ugualmente permeabile a tutti gli ioni. Goldman capisce questo: la permeabilità del potassio è molto più alta di quella per il sodio (circa 30-40 volte). Con l’equazione di Goldman si introduce quindi la permeabilità. Con ciò deduce che il potenziale d’azione è -71.9 mV. Più è permeabile una membrana a uno ione, più questo ione ha la possibilità di portare il potenziale di membrana vicino al proprio potenziale di equilibrio chimico. Infatti, il potassio è -90mV, mentre il sodio è +60 mV (delta di 130 mV) il sodio è in forte disequilibrio. Il potenziale di riposo della membrana è quindi tra i -60 e i -90 mV. La permeabilità e il potenziale d’azione sono la conseguenza dei canali passivi. Sodio in forte disequilibrio: se si apre un passaggio per il sodio tende molto velocemente a passare. Il potenziale di riposo è quindi dato da:

• Diversa concentrazione di specie ioniche ai lati della membrana
• Permeabilità diversa per diversi ioni
• Azione della pompa sodio-potassio ATPasi
• Impermeabilità agli anioni proteici: restando dentro, carica negativa

La conduttanza (g): più la membrana si fa attraversare da uno ione maggiore è la conduttanza della membrana per quello ione, per cui è tanto minore la resistenza (R) della membrana allo ione. Resistenza e conduttanza sono quindi inversamente proporzionali.

Fenomeni nel potenziale d'azione

• Depolarizzazione: il potenziale di membrana da -70 va a -20/-40/0, quindi va verso valori meno negativi fino anche ad assumere valori positivi; questo avviene tramite ingresso di cariche positive o fuoriuscita di cariche negative;
• Iperpolarizzazione: il potenziale passa a valori più negativi, tramite fuoriuscita di cariche positive, o ingresso di cariche negative

Canali sodio voltaggio-dipendente e potassio voltaggio-dipendente

Se apro il canale sodio voltaggio dipendente una volta raggiunta la soglia (valore di potenziale che ne permette l’apertura) solo per un millisecondo, passano 6000-10000 ioni Na+. Questo canale è collocato nei nodi di Ranvier e nella zona di emergenza del neurone. Il canale potassio voltaggio dipendente è definito ‘ritardato’ in quanto ha una latenza di 1 msec e sta aperto fino a 5 msec. I due canali, quindi, non sono aperti nello stesso momento: c’è un momento in cui passa il sodio e uno in cui passa il potassio. Il canale K riporta il potenziale della cellula a riposo.

Il neurone viene bombardato da informazioni dei neuroni circostanti, tanto che si raggiunge la soglia dei -55mV che aprono i canali. Se non raggiungo la soglia non succede nulla (esempio dell’interruttore). Se la raggiungo, si aprono i canali: il sodio ha permeabilità enorme nella cellula, per cui entra cercando di portare il potenziale della membrana vicino a +60 mV. Dallo 0 in su si parla quindi di fase di overshoot: aggiungo cariche positive all’interno → fase di depolarizzazione. Dopo la latenza di 1 msec si aprono i canali del potassio: questo ora si trova lontano dal suo potenziale di equilibrio (siamo a circa +20/30) → il potassio si fionda fuori.