Fisiologia - Prima parte

Fisiologia

Fisiologia è scienza che studia le funzioni degli organismi viventi, animali e vegetali, che mira a conoscere le cause, le condizioni e le leggi che determinano e regolano i fenomeni vitali.

Studia il funzionamento dell’organismo nel suo insieme in condizioni di omeostasi: l’attitudine di tutti i viventi a mantenere intorno a un livello prefissato il valore di alcuni parametri interni, disturbati costantemente da vari fattori esterni e interni.

Per potersi riadattare ad agenti che perturbano questi stimoli, nell’organismo deve avere un apparato per recepire gli stimoli e risistemarli; è presente una rete di sistemi di controllo il cui intervento simultaneo regola il flusso di energia, i metaboliti, in modo da conservare immutato o quasi l’ambiente interno, indipendentemente dalle modificazioni di quello esterno.

Livelli d’azione

L’organismo, per correggere le perturbazioni, ha dei meccanismi di autoregolazione a tutti i livelli di organizzazione: molecolare, da microscopico a macroscopico, a livello cellulare, a livello di organismo e anche di popolazione.

La capacità di arginare le perturbazioni ai livelli prestabiliti è una capacità limitata: non tutte le perturbazioni riescono ad essere corrette; l’organismo è in grado di sistemare un certo range di perturbazioni.

Dove l’organismo non riesce a riassettarsi e riportare le condizioni di omeostasi, quindi se una perturbazione è troppo intensa, non si avrà a che fare con fisiologia ma con patologia.

Sistemi coinvolti nell’omeostasi

I sistemi coinvolti sono fondamentalmente due:

• Sistema nervoso centrale: un’organizzazione per recepire gli stimoli/perturbazione. È considerato la centrale che possiede i “sensori” di eventuali variazioni e possiede il “termostato” al quale quella determinata funzione deve essere regolata. Sistema che contiene sia la parte di ricezione e segnalazione di perturbazione sia la parte di elaborazione delle sensazioni sentite.
• Sistema endocrino: modalità per far avvenire la risposta alla perturbazione una volta che il sistema nervoso si è accorto di questa, altra modalità è tramite via nervosa con efferenza. Il sistema endocrino, sistema degli ormoni = ghiandole o altre cellule che producono e secernono ormoni che finiscono nel circolo sanguigno, che quindi possono arrivare in qualsiasi distretto corporeo dell’organismo per attivare risposte a livello delle cellule con recettore per il determinato ormone.

La risposta attuata tramite il sistema endocrino sarà comunque più lenta a manifestarsi rispetto all’altra del sistema nervoso, perché la perturbazione deve essere comunicata al sistema nervoso centrale; successivamente nella parte dell’ipotalamo attiva l’asse ipotalamo-ipofisi e da questa vengono prodotti ormoni che andranno ad agire sulle specifiche ghiandole endocrine che producono ormoni e che poi vengono messi in circolo.

La risposta del sistema nervoso invece, lavorando tramite sinapsi, ha risposta immediata che si esaurisce subito.

Meccanismo di feedback

La maggior parte dei sistemi di controllo utilizza il feedback, negativo o positivo, significa “retroazione”.

Feedback negativo

Feedback negativo: modalità di controllo più utilizzata che consiste nella correzione e eliminazione della perturbazione con modifiche compensatorie.

Es: mantenimento della temperatura corporea 37°C. Il sistema nervoso centrale sa di questo mantenimento in un ambiente molto freddo; l’organismo attiva dei sistemi per evitare la dispersione di calore cercando di bruciare più energia. Il brivido è una modalità di risposta dei muscoli scheletrici che non ha finalità motoria ma ha come scopo quello di bruciare energia e consumare calore.

Al contrario, con la temperatura superiore a 37°C ci sono dei sensori sulla pelle che inviano la situazione al cervello per abbassare la temperatura corporea: si attiva la sudorazione per disperdere calore.

Feedback positivo

Feedback positivo: non molto presente nei controlli omeostatici. Perturbazione che si auto-amplifica quindi che aumenta.

Es: induzione delle contrazioni del parto finalizzate a diventare sempre più vigorose per determinare l’espulsione del feto, contrazioni sempre più forti.

Es: coagulazione del sangue, funzione emostatica del sangue: in caso di lesione vascolare si attivano eventi mirati a emarginare quest’emorragia. Più la lesione è ampia più è forte la coagulazione e il processo emostatico per la guarigione.

Organizzazione circuito omeostatico

• C’è un parametro/grandezza controllata a un certo set-point che devono essere mantenuti: temperatura corporea, pressione sanguigna, pressione parziale di ossigeno nel sangue, tasso ematico nel sangue, concentrazioni saline ecc.
• Ci sono dei sensori/recettori specifici posti in superficie o meno che si accorgono di eventuali perturbazioni di queste grandezze controllate, es: i termocettori si accorgono e percepiscono che l’ambiente è freddo o caldo, volocettori del volume del sangue all’interno; recettori che fanno parte del sistema nervoso, quindi, sono collegati tramite afferenze/nervi sensoriali al sistema nervoso centrale = encefalo e midollo spinale.
• Livello dell’ipotalamo: ci sono la maggior parte dei controlli per il confronto delle perturbazioni con le situazioni normali.
• Sistema di effettori che si tramite feedback che porta una strategia diretta verso muscoli, ghiandole, qualcosa che possa realizzare questa correzione e riportare il valore standard.

Es: glicemia = livelli ematici di glucosio che in genere sono mantenuti costanti dal sistema ormonale glucagone e insulina che danno l’indice di un corretto stato nutrizionale a digiuno. La scarsa quantità di glucosio del sangue, ipoglicemia, si attivano dei meccanismi per rimediare.

Quasi tutti i processi fisiologici sono regolati da sistemi di controllo ma quando lo stimolo è eccessivo e/o la risposta non è idonea a soddisfare l’esigenza di equilibrio e di stabilità dell’organismo si hanno alterazioni patologiche.

Organi e apparati sono composti da cellule eccitabili, cellule particolari capaci di rispondere a cellule, cellule nervose e cellule muscolari.

La membrana cellulare

Funzioni

1. Separazione degli ambienti: la membrana cellulare delimita la cellula e distingue l’ambiente intracellulare da quello extracellulare.
2. Regolazione scambi tra l’interno e l’esterno della cellula: la cellula comunica sempre con l’ambiente esterno perché riceve continuamente ossigeno e sostanze nutritizie e butta fuori cataboliti, molecole di segnalazione, scambia acqua.
3. Comunicazione tra cellule adiacenti: es: le cellule della pelle comunicano tramite membrana.
4. Stabilizzazione strutturale: la membrana è ancorata all’architettura interna della cellula, detta citoscheletro. Es: malfunzionamento della distrofina che è una proteina di ancoraggio che collega la membrana al citoscheletro interno delle cellule muscolari; gradualmente le cellule muscolari perdono la loro funzionalità che provoca la distrofia muscolare.

Struttura

Modello a mosaico fluido: costituita da fosfolipidi e colesterolo che dà una certa fluidità alle membrane, nella malattia dell’Alzheimer uno dei problemi è la mancata sintesi del colesterolo; e poi una parte proteica che costituisce l’effettivo mezzo di scambio con l’ambiente.

Fosfolipide: è formato da una molecola di glicerolo, due dei gruppi alcolici sono esterificati con due catene di acidi grassi e nell’altro è esterificato un gruppo fosforico, che dà polarità a questa parte della molecola perché ha un segno meno. Quindi il fosfolipide è caratterizzato da una testa idrofilica e due code idrofobiche.

Quando questi sono in ambiente acquoso si crea il doppio strato fosfolipidico, dove le code affini si dispongono in modo tale da non essere a contatto con l’acqua ed esternamente la distribuzione delle teste polari, sia nel versante extracellulare che nel versante intracellulare. Il doppio strato di fosfolipidi più o meno ha sempre lo stesso spessore, circa 85 Amstrong.

Modello a mosaico fluido perché in questo mare di fosfolipidi navigano le proteine, ma in realtà molte proteine sono legate al citoscheletro interno.

Proteine integrali = attraversano totalmente la membrana.

Proteine periferiche, intra o extra cellulari, = non sono collegate alla membrana, perché hanno una sequenza di amminoacidi che potrebbe essere polare e che non è affine col doppio strato fosfolipidico.

Anche come forma possono essere diverse, costituite da un blocco unico o da diverse subunità, proteine canali, o alcune hanno attaccate dei residui saccaridici rivolti sempre sul versante extracellulare, glicoproteine, oppure questi glicidi possono essere anche collegati a lipidi, glicolipidi o glicocalice.

Proteine di membrana

• Recettori di membrana.
• Canali ionici. LEC = compartimento liquido extracellulare.
• Carrier. LIC = compartimento liquido intracellulare.
• Pompe.

Recettori di membrana sono proteine transmembrana, cioè l’attraversa da parte a parte. La proteina recettoriale è fatta con un sito recettivo che deve riconoscere un ligando qualunque, neurotrasmettitore, ormone, fattore di crescita, quindi la porzione recettoriale si affaccia nel versante extracellulare ed ha una conformazione specifica per il ligando che dovrà legare; si ha un’interazione, il ligando si incastra perfettamente nel dominio recettoriale; questa interazione provoca una variazione conformazionale della proteina recettore che attiva una cascata di eventi cellulari, cioè la risposta, dipende dalla ligando.

Canali ionici sono proteine transmembrana che ha un poro centrale che fanno passare gli ioni, che essendo molecole cariche non possono attraversare direttamente la membrana, devono prendere una strada affine alla loro natura, cioè il canale ionico. Questa proteina avrà nel bordo esterno degli amminoacidi neutri che possono stare a contatto con i fosfolipidi, mentre nella parte interna, dove passa acqua, gli amminoacidi sono idrofili, quindi carichi positivi o negativi. Non è detto che i canali ionici siano sempre aperti perché hanno dei meccanismi di apertura, cioè si aprono quando serve; attivati da stimoli meccanici, oppure cambiando il potenziale di membrana = attivazione voltaggio dipendente. I canali ionici hanno anche delle subunità attaccate a queste proteine, che modulano questa apertura. Un’altra caratteristica è la selettività di alcuni ioni, che può essere assoluta o no.

Carrier: proteine grandi che permettono il passaggio di molecole più grosse come una molecola di zucchero. Questi trasportatori hanno una particolarità, cioè soltanto un’apertura; sono aperti o verso l’interno o verso l’esterno, non c’è una comunicazione diretta. La molecola entra nel versante intracellulare; l’ingresso della molecola da trasportare induce la proteina carrier ad una variazione di conformazione, che ne determina l’apertura nel versante opposto.

Pompe ioniche sono delle proteine fondamentali che hanno la capacità di idrolizzare l’ATP e utilizzare l’energia immagazzinata nell’ATP per portare avanti dei fenomeni sfavoriti termodinamicamente, che non avverrebbero spontaneamente. Sono delle proteine costituite da più subunità, alcune catalitiche per l’ATP e alcune subunità di trasporto per gli ioni.

Movimento attraverso membrane

1. Osmosi = movimento di acqua dall’interno all’esterno della cellula e viceversa.
2. Equilibri ionici = movimento di ioni, molto importante per il concetto di eccitabilità.
3. Diffusione = movimento di vari soluti.

Osmosi

Osmosi: flusso di acqua attraverso una membrana semipermeabile dovuto alla diversa concentrazione di soluto, non permeabile; in questo caso la membrana è permeabile soltanto all’acqua. L’acqua si muove verso il compartimento dove il soluto ha maggiore concentrazione di soluti.

Fase iniziale (A) = il dispositivo usato è un tubo a U dove nella parte più bassa è inserita questa membrana permeabile all’acqua. Al tempo 0 le due soluzioni sono diversamente concentrate, gradiente, nelle due braccia del recipiente; nel ramo 1 c’è un numero maggiore di molecole rispetto al ramo 2 a parità di volume di acqua: c1>c2.

Fase B = in questo caso abbiamo un flusso di acqua che tende a migrare nel compartimento più concentrato, quindi l’acqua dal compartimento 2 si sposta nel compartimento 1, infatti il livello di acqua è aumentato, perché l’acqua tende a diluire il compartimento in modo che le due concentrazioni nei due compartimenti del recipiente siano in uguale quantità: c1=c2.

Legge di Van t’Hoff

Su questa superficie grava una forza che è la pressione osmotica = π; la pressione osmotica è quella pressione idrostatica necessaria per annullare la diffusione osmotica dell’acqua.

π = nRT/V.

N = numero di moli.

R = cost.

T = temp.

V = volume.

Osmolarità

Osmolarità = è la concentrazione totale dei soluti in una soluzione. Es: si definisce 1OsM = 1MOL di soluto indissociato per L di soluzione; glucosio 1M 1OsM; se in soluzione ho glucosio 1M e saccarosio 1M avrò osmolarità 2OsM; se in una soluzione ho 150 mM di NaCl l’osmolarità della soluzione è di 300mOsM.

• Soluzioni isosmotiche = se hanno la stessa concentrazione di soluti.
• Se la concentrazione è diversa avremo:
• Soluzione iposmotica = soluzione a minor osmolarità rispetto ad un’altra.
• Soluzione iperosmotica = soluzione a maggior osmolarità.

Tonicità

Tonicità = si definisce in base al comportamento delle cellule rispetto ad una determinata soluzione in cui sono immerse; di solito gli esperimenti sulla tonicità si fanno su cellule molto semplici come i globuli rossi, in realtà non hanno il nucleo quindi sono membrane con una forma a disco biconcavo e in cui si osservano bene le variazioni di volume ed è suscettibile al cambiamento di volume perché sono cellule vuote, cioè hanno solo l’emoglobina al loro interno.

• Soluzione isotonica = non creano cambiamenti di volume e di forma della cellula; il flusso netto di acqua che si muove tra interno ed esterno è nullo.
• Soluzione ipertonica = induce un restringimento della cellula a causa del movimento osmotico di acqua verso l’esterno per andare a diluire questa eccessiva concentrazione di soluti della soluzione.
• Soluzione ipotonica = induce un rigonfiamento della cellula; l’acqua si muove per osmosi verso l’interno della cellula cioè cerca di diluire la concentrazione intracellulare che in questo caso è maggiore rispetto a quella della soluzione.

Equilibri ionici

Il flusso di ioni è fondamentale per il funzionamento di tantissimi processi fisiologici. Il nostro organismo è composto principalmente di acqua; l’acqua corporea totale è circa il 50-70% del peso corporeo. Quest’acqua è variamente distribuita nei nostri distretti corporei, si distinguono due compartimenti idrici corporei:

1. Intracellulare (LIC) che costituisce i 2/3 dell’acqua corporea ed è il contributo di tutta quell’acqua dentro le nostre cellule, separata dalla membrana plasmatica.
2. Extracellulare (LEC) che costituisce il restante 1/3 dell’acqua.

Soluzione intracellulare: acqua e ioni dell’acqua, una serie di minerali/sali inorganici che si corporea; quest’acqua si esprimono in moli:

• Sodio ha una concentrazione di circa 12mM.
• Potassio ha una concentrazione molto più alta, 140mM.
• La concentrazione di calcio libero è bassissima, nell’ordine dei nM.

Si trova in due posti: un po’ nei vasi sanguigni a costituire il plasma, cioè la parte liquida del sangue, il resto sta nei liquidi interstiziali.

Soluzione extracellulare: distribuita nel liquido interstiziale e nei capillari sanguigni che.

Trasporti di membrana

• Passivi = sono trasporti spontanei, senza dispendio energetico.
• Attivi = sono quei trasporti che hanno bisogno di energia per attuarsi.

Trasporto passivo

Si basano sul fatto che ci sia un gradiente di concentrazione, cioè il soluto si potrà muovere dal compartimento più concentrato verso quello meno concentrato e si definiscono:

1. Diffusione semplice = è il più semplice trasporto in cui una molecola passa direttamente attraverso la membrana fosfolipidica, perché si può solubilizzare attraverso la membrana.
2. Diffusione attraverso canali ionici = riguarda degli ioni che non possono attraversare la membrana perché carichi, devono trovare il varco dei canali ionici.
3. Diffusione facilitata = facilitata da una proteina carrier; caratteristiche: specificità = sono selettivi per un certo soluto in particolare; saturazione = perché essendo delle entità fisiche molto spesso non sono disponibili perché stanno già lavorando per altri soluti; competizione = è la possibilità che un soluto molto simile a quello che doveva passare, competano tra di loro per la proteina carrier.

Diffusione semplice

Tutti i trasporti passivi hanno bisogno che ci sia un gradiente di concentrazione.