Fisiologia e fisiologia della nutrizione

Fisiologia e fisiologia della nutrizione

Alice Buscema 2022/2023

• Comprendere come funzionano le cose più che le pure nozioni, anche domande tendono alla logica -> non capire il funzionamento = bocciatura
• Esame orale -> Non saltare argomenti
• 10 giugno-20 luglio 2 appelli + 15 settembre-7 novembre 2 appelli

Fisiologia

La fisiologia può essere tante cose: riguarda le molecole fino agli ecosistemi; è il funzionamento delle cose a tutti i livelli ma noi studiamo quella umana con gli organi e gli apparati.

I concetti chiave sono:

• 1. Omeostasi e sistemi di controllo -> mantenere le condizioni di equilibrio ed evitare le variazioni di vari parametri (temperatura, glucosio, calcio, …); noi tendiamo all’entropia ma questo è contrario alla vita quindi…
• 2. Utilizzo di energia biologica -> se voglio mantenere l’omeostasi ho bisogno di energia.
• 3. Rapporto struttura/funzione -> le cose sono fatte in un certo modo se hanno una certa funzione; la struttura ci fa intuire la funzione:
  • Organizzazione in compartimenti
  • Proprietà meccaniche di cellule, tessuti e organi
  • Interazioni molecolari
• 4. Comunicazione -> le cellule interagiscono tra loro con:
  • Flusso di informazioni
  • Flusso di massa

1. Omeostasi

L’organismo subisce variazione a causa o dell’ambiente esterno (es temperatura) o dell’ambiente interno (es glicemia) variazione parametri.

Quando variano i parametri interni l’organismo lo percepisce tramite recettori e poi tenta di compensare e questo:

• Ha successo -> sto bene, benessere
• Fallisce -> sto male, entro in patologia

Questo avviene tramite lo strumento del “feedback negativo” -> similmente ad un termostato è un sensore che mi legge il parametro e se vede che varia rispetto a quello su cui è impostato manda un segnale ad un altro organo che reagisce provocando una reazione: monitoro un parametro, questo cambia, mando un segnale per riequilibrarlo e rimetterlo nel range scopo è stabilità.

-> Es variabile t corporea: termocettori mandano il segnale a degli effettori (muscoli, circolo sanguigno, cute, …) e corpo risponde aumentando o diminuendo la t.

Vs “Feedback positivo” -> quando esco dal parametro il feedback positivo me lo sposta ulteriormente esagerandomelo; poco presente nel corpo ma usato es nel parto o nell’ovulazione scopo è amplificare variazione.

Acqua

• Solvente assoluto di tutta la materia vivente
• Molecola polarizzata -> dipolo con zona leggermente negativa e zona leggermente positiva; H tendono verso lo stesso lato quindi acqua riesce a stare allo stato liquido perché…
• Ci sono legami ad H; una molecola di acqua si attacca a quella dopo perché O di una si attacca a H di un’altra -> catena di legami tra tutte le molecole di acqua e ciò impedisce di andare in vapore e come conseguenza…
• Tensione superficiale -> questa costringe una goccia d’acqua ad avere una forma sferica; diventa uno strato di separazione tra aria e acqua.

Sali

• Ioni positivi e negativi si attaccano formando sali -> fatti da ioni opposti.
• Se vengono buttati in acqua si sciolgono -> acqua polarizzata circonda la zona positiva del sale (Na) con la sua parte negativa e la parte negativa del sale (Cl) viene circondata da quella positiva dell’acqua -> fondamentale perché noi siamo soluzione salina MA acqua non scioglie composti apolari.

Diffusione

• Diffusione di molecole di “x” lungo un gradiente di concentrazione -> le molecole di zucchero si distribuiscono naturalmente in tutto il caffè perché avvengono urti tra le molecole: le molecole vibrano a qualsiasi condizione tranne che allo zero assoluto e quindi quando si staccano dal solido zolletta per vibrazione tendono a sbattere contro un altro zucchero; dopo il contatto si respingono energia cinetica condiziona la diffusione da dove si è – concentrati al +.
• Equilibrio si raggiunge quando la concentrazione è uniforme -> una volta occupato lo spazio quando mi scontro e rimbalzo statisticamente rimango in zona.

Osmosi

• La soluzione B è più concentrata di A ma il volume è uguale; sono separate da una membrana semipermeabile all’acqua (passa solo acqua e non molecole).
• L’acqua per osmosi si sposta verso la soluzione più concentrata di soluto fino a che le concentrazioni sono uguali.
• Pressione osmotica -> pressione che dovrebbe essere applicata a B per opporsi all’osmosi; forza da applicare a B per equilibrare esattamente l’osmosi tra A e B continuando ad avere volumi uguali e concentrazioni diverse.

Nel nostro corpo le membrane sono semipermeabili e hanno una quantità di soluti = 300 milliosmolare (sommatoria dei soluti interni). Se fuori c’è acqua distillata quindi questa tenderà ad entrare per equilibrare le concentrazioni ma non si raggiungerà mai equilibrio e scoppierà Vs se fuori ho una soluzione zuccherina di 100 milliosmolare l’acqua uscirà ma non si arriverà mai all’equilibrio e si seccherà morendo Vs cellula messa in urea con concentrazione 300 milliosmolare, acqua entra perché urea (soluto permeante la membrana) entrata per gradiente ma i sali non possono uscire e quindi i sali entrano e la cellula scoppia anche se la soluzione era isomolare (es fisiologica è una soluzione isomolare al sangue di acqua e NaCl che serve a ripristinare i volumi circolanti reidratando, per il fisiologo il termine fisiologica è simile al plasma perché il liquido è tanto arricchito da tenere le cellule vive / ritenzione liquida passa perché sali trattengono acqua).

=> Fondamentale non ci sia differenza osmotica nelle cellule, sennò morte cellule => Osmolarità può essere uguale ma condizione non sufficiente, va verificata anche l’ipotonicità che ci dice se la cellula perde acqua (cellula ipotonica) o acquista acqua (ipertonica): se il soluto è lo stesso vale solo osmolarità mentre se diversi guardo anche tonicità.

Indipendentemente dalla molarità.

pH

• Il nostro è stabile intorno al 7.2-7.3 ma abbiamo tolleranza fino a 7.7 e 7; dopo andiamo in coma.
• Il pH varia nell’ambiente esterno, non deve in quello interno -> stomaco è ambiente esterno perché non passa membrane così come i polmoni.

Macromolecole dell’organismo

Più importanti sono le proteine perché sono mattoni plasmabili per qualsiasi cose e sono il mezzo con il quale la cellula scambia materiale verso il fuori; sono:

• Strutturali MA anche…
• Trasportatori -> per scambiare materiale con l’esterno
• Recettori

I trasporti cellulari

La membrana cellulare separa l’ambiente interno da quello esterno, abbiamo 3 possibilità per passarla:

• 1. Diffusione semplice -> la sostanza “x” è piccola e lipofila quindi passa la membrana cellulare fosfolipidica.

Si diffonde se c’è differenza di concentrazione (energia cinetica quindi osmosi detta anche “forza chimica”) e la velocità di diffusione varia in base a:

• Solubilità nei lipidi
• Dimensione molecolare -> + piccola meglio passa -->
• Gradiente di concentrazione -> > gradiente > velocità proporzionalità diretta; più ce ne è e più passa
• Distanza da percorrere -> < distanza > velocità
• Temperatura -> > t > E cinetica e velocità
• Spessore della membrana -> conta poco
• Area di superficie della membrana -> conta poco
• Composizione dello strato lipidico -> conta poco

• 2. Diffusione facilitata -> la sostanza “x” è grande o non lipofila, abbiamo 2 meccanismi possibili:
  • Canali -> fatti da grosse proteine con struttura quaternaria che creano un piccolo passaggio dal quale passano solo ioni o acqua perché il buco è circondato (perché anch’essa molto piccola), da subunità proteiche gli ioni riescono a passare. Ci sono moltissime canalopatie dovute a malattie genetiche: spesso sono mortali nel terzo mese dello sviluppo del feto mentre altre sono compatibili con la vita come la fibrosi cistica (=malattia dovuta ad un canale per il Cl diffuso solo in polmoni e pancreas, l’aspettativa media di vita è di 50 anni). Il canale può comportarsi come un cancello e quindi in certe condizioni si può chiudere o aprire in base a indicatori chimici sono specifici per ogni tipo di ione o per l’acqua.
  • Trasportatori -> proteine che non creano un passaggio ma hanno una zona aperta dove la molecola si può legare così che dopo il legame la proteina cambi conformazione girandosi verso l’interno o l’esterno, funziona per particelle grandi ma anche per gli ioni. Possono operare in 3 modi:
    • a. Uniporto -> trasporta solo 1 tipo di substrato
    • b. Simporto -> portano 2 molecole contemporaneamente nello stesso senso
    • c. Antiporto -> portano 2 molecole contemporaneamente in senso opposto

+ Quasi sempre nel co-trasporto uno dei due è Na: si sfrutta Na che ha sempre un gradiente favorevole verso il dentro per legare un altro substrato e trasportarlo con sé -> per questo si dice co-trasporto o trasporto attivo secondario, non perché è attivo ma perché è subordinato all’attività del primario altamente specifici.

Solo i trasportatori possono essere saturati (passano 100 ioni/s; fenomeno detto “cinetica di saturazione”) quindi inizialmente all’aumento del gradiente aumenta il flusso ma ad un certo punto la curva trova un plateau Vs per i canali il flusso è un trasporto molto rapido (10 milioni di ioni/s) + in diffusione semplice non c’è un ostacolo che impedisce o media passaggio quindi non avviene.

In alcuni casi immagazzinando in altro modo un prodotto posso immagazzinare più di quanto potrei per gradiente (es inglobo più glucosio trasformato quello entrato in glucosio 6 fosfato).

• Vescicola limitata da membrana -> diviso dopo in endocitosi, esocitosi e fagocitosi; usa molta energia.
• 3. Trasporto attivo primario -> usa ATP per far entrare “x” quando non c’è gradiente, sono solo 5-6 tipi diversi in tutto il corpo perché non sono un sistema economico. Es uso per tirare fuori dalla cellula Na ma ci guadagno perché creando un gradiente artificiale posso sfruttarlo dopo con i trasportatori secondari che non consumano ATP.

Potenziale di membrana a riposo

Le concentrazioni relative dentro e fuori le cellule del nostro corpo determinano il gradiente:

• Ione potassio in liquidi extracellulari è 5 millimolare mentre nelle cellule è 150; gradiente di circa 30 volte.
• Ione sodio fuori è 145 e dentro 15 millimolare; circa 10 volte.
• Ione cloro ha gradiente di circa 10 volte.
• Ione calcio fuori ce ne è poco ma dentro zero quindi il gradiente è elevatissimo i valori extracellulari variano a seconda di feci, urine, sudorazione, cibo, idratazione, … ma bisogna sempre cercare di mantenere i parametri in un range.

Gli ioni sono delle molecole e quindi si muovono per gradiente ma per definizione essendo cariche elettricamente si muovono ANCHE per gradiente elettrico cioè subiscono la forza del campo (cariche - verso + e + verso -): è la sommatoria delle due forze che determina il verso del loro movimento.

• Nelle cellule dentro K+ è molto abbondante -> per gradiente tende ad uscire tramite canali MA dentro nelle membrane ci sono anche le proteine salificate in Anioni-- A- -> tenderebbero ad uscire per gradiente per seguire K+ perché loro – MA sono incastrate nelle membrane quindi l’unica cosa che possono fare è disporre gli A- verso l’interno della membrana (non possono separare le cariche se non a cavallo della membrana) => si crea un potenziale di membrana.
• Il K+ smetterà di uscire quando si annullerà il gradiente elettrochimico (dato da concentrazione + campo elettrico); a quel punto si arriverà ad un potenziale di equilibrio (non vuol dire che le concentrazioni tra le parti è uguale ma che i – sono abbastanza da fermare i + dall’uscire) potenziale di riposo = -90 mV.
• Le cellule hanno Na+ che entra, il suo controione è Cl- che non entra. Ad un certo punto la concentrazione di sodio interna non aumenta più perché il Cl si dispone esternamente alla membrana con le sue cariche negative a +60 mV abbiamo il potenziale di riposo.
• MA ci sono trasportatori per entrambi quindi anche Cl entra e allora c’è una sorta di media tra i potenziali di riposo di entrambe circa -70 mV.

+ Gli sbilanciamenti tra Na e Cl vengono poi aiutati da pompe che usano ATP, in questo caso quindi Na entra passivamente ma viene portato fuori attivamente.

Neuroni

Il potenziale di membrana ci interessa per quanto riguarda le cellule eccitabili: i neuroni.

Sono molto variegati per forma ma hanno in comune:

• Soma -> corpo cellulare; zona di elaborazione del segnale
• Assone -> 1 propagine solitamente lunga che parte dal corpo; zona di uscita del segnale
• Dendriti -> 1 o + propagini brevi che partono dal corpo; dove il neurone riceve informazioni e segnali il senso dell’informazione è sempre unidirezionale: dai dendriti all’assone

Il calamaro ha l’assone principale detto “gigante” che è di 1 mm e quindi è stato il primo animale dove si sono studiate le neuroscienze perché prima degli anni 90’ gli elettrodi non erano abbastanza piccoli da analizzare cellule di mammiferi.

Per studiare il sistema nervoso si prende una cellula, si mette nella fisiologica nel senso fisiologico del termine e ci si mette un microelettrodo mentre un altro va nella fisiologica e si misura la differenza di potenziale tra dentro e fuori per vedere quello a cavallo della membrana e si è visto sia uguale a -70 mV ed è chiamato potenziale di riposo. Ora si possono fare esperimenti più complessi come prendere cellule di mammifero e metterci più elettrodi (es uno nel corpo, uno nell’assone e uno nei dendriti) o dare elettricità all’assone per vedere come reagisce:

• Se si sale da -70 mV fino allo 0 si chiama depolarizzazione perché tolgo polarizzazione
• Se da 0 si torna a -70 mV si dice ripolarizzazione
• Se si scende a < -70 mV si parla di iperpolarizzazione

Si è dato uno stimolo alla cellula, 2 casi possibili:

• Iperpolarizzazione -> dopo si ha depolarizzazione in maniera proporzionale fenomeno detto “potenziali graduati” perché proporzionali all’intensità dello stimolo
• Depolarizzazione -> 2 casi:
  • Stimolo poco intenso -> ho una risposta proporzionale
  • Stimolo abbastanza intenso -> sopra una certa soglia (circa -50 mV) la risposta non è proporzionale ma ho una salita velocissima e dopo una picchiata che mi porta ad un valore più basso di quello di partenza e poi lentamente un ritorno al valore iniziale fenomeno detto “potenziale di soglia”, fenomeno viene amplificato dal palesarsi dell’energia potenziale che prima era nascosta

+ la curva sarà sempre graficamente uguale indipendentemente dall’intensità dello stimolo MA cambia il numero dei potenziali di azione:

Potenziale d’azione è il modo in cui le nostre cellule comunicano: noi siamo a -70 mV, arriva uno stimolo che deve portare alla soglia di -50 mV e quindi può avvenire una risposta con una depolarizzazione che raggiunge i +30 mV; poi ho un picco fino a -80 mV e dopo un un po’ di tempo il valore torna a riposo:

• Sopra il valore soglia i canali cancello aprono i canali Na del sistema nervoso e quindi Na entra in massa; il suo potenziale di equilibrio è + 60 mV ma arriva solo a +30 mV perché qui si chiudono i canali.
• La curva precipita perché a 30 mV si aprono i canali K che passerà in maniera massiccia e che si fermerebbe a -90 mV ma prima di questo valore si chiudono i canali.
• A questo punto Na è entrato in massa e K uscito in massa, intervengono le pompe attive che buttano fuori Na e dentro K che sono più lente ed in millisecondi ristabiliscono l’equilibrio a -70 mV.

Problema -> due periodi refrattari; il potenziale d’azione (dura 1-2 millisecondi) ha due fasi:

• Refrattarietà assoluta -> nella prima parte della curva qualunque stimolo ulteriore a quello soglia arrivi non avrà alcun effetto.
• Refrattarietà relativa -> nella fase discendente con un secondo stimolo le porte non si possono riaprire perché i canali a Na del potenziale d’azione sono molto particolari: hanno 2 porte.

Il canale è aperto se quella di attivazione e quella di inattivazione sono entrambe aperte:

• Membrana a riposo -> il canale è chiuso solo dalla porta di attivazione
• A valore soglia -> la porta di attivazione si apre => risponde agli stimoli elettrici
• Al picco -> la porta di inattivazione si chiude => risponde solo quando si torna a -70 mV

Il periodo refrattario assoluto di attivazione corrisponde alla porta di inattivazione.

Nel periodo refrattario relativo posso stimolare la membrana di nuovo ma è più difficile: quando siamo a -70 mV la curva scende ulteriormente verso i -90mV e da valori minori di -70mV diventa sempre più difficile arrivare alla soglia di -55mV perché serve uno st