Riassunto esame Fisiologia umana, Prof. Piano Ilaria, libro consigliato Fisiologia - L’essenziale, Murloney, Myers

Fisiologia umana

Fonti: fisiologia - l’essenziale, Mulroney e Myers lezioni in classe

Appunti di: Paola Szynal, 1º anno CTF, UNIPI Paola Szynal 1º anno CTF UNIPI

La cellula eucariotica e la membrana plasmatica

La cellula eucariotica è una struttura complessa delimitata da una membrana plasmatica, che rappresenta la barriera tra la cellula e l’ambiente esterno, oltre che tra cellule adiacenti.

All’interno della cellula si trovano diversi organelli dispersi nel citoplasma, una matrice acquosa sede delle principali reazioni metaboliche.

La membrana cellulare è costituita da un doppio strato fosfolipidico formato da fosfolipidi, molecole anfipatiche dotate di una porzione idrofila (testa) e una porzione idrofobica o lipofila (code).

Le teste idrofile sono orientate verso l’esterno, quindi verso il liquido extracellulare, e verso l’interno, a contatto con il citosol, mentre le code idrofobiche si dispongono verso l’interno del doppio strato creando una barriera.

Questa organizzazione conferisce alla membrana una permeabilità selettiva: possono attraversarla facilmente molecole piccole, gassose o lipofile, come gli ormoni steroidei derivati dal colesterolo, mentre molte altre molecole non possono passare liberamente.

All’interno della membrana sono presenti anche molecole di colesterolo che contribuiscono a definirne la fluidità.

Inoltre, la membrana contiene numerose proteine di membrana, fondamentali per lo svolgimento delle sue funzioni.

Queste proteine si distinguono in:

• Proteine integrali immerse nel doppio strato fosfolipidico.
• Proteine periferiche associate alla superficie della membrana.

Le proteine integrali svolgono ruoli essenziali nella comunicazione e nel trasporto, come trasportatori, recettori-canale e strutture coinvolte nelle sinapsi elettriche.

Le proteine periferiche, insieme alle glicoproteine (proteine con gruppi glicosidici esposti verso l’esterno), contribuiscono al riconoscimento cellulare e alla risposta immunitaria: alcune di esse agiscono infatti come antigeni, come nel caso dei globuli rossi, determinando i gruppi sanguigni.

Paola Szynal 2º anno CTF UNIPI

Le principali funzioni della membrana cellulare sono la separazione, la regolazione degli scambi, la comunicazione e la stabilizzazione.

Sebbene la struttura lipidica contribuisca alla funzione di barriera, queste funzioni sono svolte in gran parte dalle proteine di membrana.

Senza queste strutture, la cellula sarebbe isolata e incapace di interagire con l’ambiente esterno o di importare ed esportare sostanze.

Scambi di sostanze e trasporto attraverso la membrana

Ogni cellula necessita di molecole che fungano da substrati energetici, indispensabili per la produzione di energia.

Poiché tali molecole derivano dall’esterno, principalmente dalla dieta, esse vengono assorbite a livello dell’apparato gastrointestinale, passano nel circolo ematico e raggiungono le cellule tramite il sangue.

Per entrare nella cellula, le molecole utilizzano diverse strategie.

Alcune, come il glucosio, non possono attraversare spontaneamente la membrana e richiedono l’intervento di specifiche proteine trasportatrici che ne permettono l’ingresso.

Allo stesso modo, le cellule devono eliminare sostanze di scarto, metaboliti o molecole destinate ad altre cellule, e anche questo processo avviene grazie a proteine di membrana che ne consentono l’uscita.

La permeabilità della membrana varia anche in base alla funzione della cellula.

Esistono cellule con funzione protettiva, come quelle dell’epidermide, caratterizzate da giunzioni strette che limitano il passaggio di sostanze, e cellule con funzione di scambio, come quelle intestinali, altamente permeabili e ricche di trasportatori specifici per l’assorbimento dei nutrienti.

Pertanto, pur avendo tutte una membrana con la stessa struttura di base, le cellule differiscono per il tipo e la quantità di proteine di membrana presenti, in relazione alla loro funzione.

I fluidi corporei e gli scambi tra compartimenti

I fluidi corporei si suddividono in due grandi compartimenti: il liquido intracellulare (LIC) e il liquido extracellulare (LEC).

Il liquido intracellulare costituisce il citoplasma e rappresenta circa i due terzi del totale dei liquidi corporei, mentre il liquido extracellulare corrisponde a circa un terzo del volume totale.

Il liquido extracellulare è a sua volta suddiviso in due componenti principali: il liquido interstiziale e il plasma.

Il liquido interstiziale è la porzione di fluido che si interpone tra una cellula e l’altra e deriva dal plasma; rappresenta la sede di transito di tutte le molecole Paola Szynal 3º anno CTF UNIPI che devono passare dal sangue alle cellule e viceversa.

Il plasma, invece, è la componente acquosa del sangue.

Il liquido interstiziale ha un ruolo fondamentale, poiché rappresenta la vera zona di scambio tra il plasma e la cellula: in esso le molecole permangono prima di entrare nella cellula o dopo esserne uscite.

Per questo motivo, il liquido interstiziale è importante quanto il plasma per il mantenimento dell’omeostasi.

In entrambi i compartimenti il componente principale è l’acqua, che funge da solvente nel quale sono disciolte diverse specie chimiche, tra cui numerosi ioni.

La composizione ionica del plasma è molto simile a quella del liquido interstiziale, proprio perché quest’ultimo deriva dal plasma stesso.

La principale differenza tra liquido intracellulare ed extracellulare riguarda la composizione ionica.

Gli ioni più importanti, fondamentali per le funzioni cellulari, sono sodio (Na⁺), potassio (K⁺), calcio (Ca²⁺), magnesio (Mg²⁺), cloro (Cl⁻) e bicarbonato (HCO₃⁻).

Tra gli ioni positivi (cationi), i principali sono sodio, potassio, calcio e magnesio; tra quelli negativi (anioni) troviamo cloro e bicarbonato (o ione carbonato nei sistemi tampone correlati).

Nel liquido extracellulare la concentrazione di sodio è molto elevata, circa 140 mmol, mentre all’interno della cellula è molto più bassa, circa 4 mmol.

Il cloro segue una distribuzione simile, risultando anch’esso più concentrato all’esterno della cellula; sodio e cloro sono infatti spesso associati nel compartimento extracellulare.

Al contrario, il potassio presenta una situazione opposta: ha una concentrazione molto elevata nel liquido intracellulare (circa 140 mmol) e molto più bassa nel liquido extracellulare (circa 4 mmol).

Questo gradiente è essenziale per il funzionamento cellulare e le variazioni, soprattutto del potassio, possono portare a condizioni patologiche anche gravi, motivo per cui tali valori devono essere attentamente regolati.

Per quanto riguarda il calcio, esso è coinvolto in numerosissimi processi fisiologici.

La sua concentrazione nel liquido extracellulare è relativamente più alta (circa 2,5 mmol), mentre nel citoplasma cellulare è mantenuta molto bassa.

Questo avviene perché il calcio viene sequestrato all’interno di compartimenti intracellulari, in particolare nel reticolo endoplasmatico liscio, che lo immagazzina sottraendolo al citoplasma come meccanismo di protezione.

Quando necessario, il calcio viene rilasciato rapidamente nel citoplasma per svolgere le sue funzioni.

Il magnesio presenta una concentrazione di circa 1,1 mmol nel liquido extracellulare e circa 1,6 mmol in quello intracellulare.

Lo ione bicarbonato, invece, non è tanto rilevante per gli scambi tra interno ed esterno della cellula, quanto per il mantenimento del pH fisiologico, rappresentando uno dei principali sistemi tampone dell’organismo.

All’interno della cellula è inoltre presente un’altra categoria di specie ioniche indicate con A⁻, che rappresentano anioni organici, come proteine e amminoacidi carichi negativamente, contribuendo ulteriormente alla differenza di composizione tra i compartimenti.

Paola Szynal 4º anno CTF UNIPI

Le principali differenze funzionali tra una cellula a riposo e una in attività riguardano soprattutto gli ioni sodio, potassio e cloro, che sono determinanti nei processi elettrici cellulari e nella generazione dei potenziali di membrana.

Organelli della cellula eucariotica

All’interno della cellula eucariotica sono presenti diversi organelli, ciascuno con funzioni specifiche.

Il nucleo contiene il materiale genetico e rappresenta il centro di controllo della cellula.

I ribosomi sono responsabili della sintesi proteica.

L’apparato di Golgi è coinvolto nella modificazione e nel trasporto delle proteine e dà origine a vescicole, tra cui quelle contenenti neurotrasmettitori.

I mitocondri producono ATP, la principale fonte di energia per i processi cellulari.

I lisosomi sono vescicole contenenti enzimi digestivi che permettono la degradazione di diverse molecole.

Il reticolo endoplasmatico, distinto in ruvido e liscio, svolge funzioni diverse: quello ruvido è coinvolto nella sintesi proteica, mentre quello liscio, oltre ad altre funzioni, immagazzina il calcio.

Trasporto di membrana

Ci sono diversi tipi di proteine di membrana come ad esempio:

• Proteine di stabilizzazione: proteine che stabilizzano la struttura della cellula e formano le giunzioni cellulari che hanno funzione di ancoraggio, oppure comunicazione. Le giunzioni comunicanti formano le sinapsi elettriche, permettono a due cellule adiacenti di scambiarsi il contenuto del citoplasma.
• Proteine trasportatrici: proteine canale, ad esempio, che si trovano sulla membrana plasmatica, mettono in comunicazione il citoplasma della cellula con il liquido interstiziale e poi con il plasma. Da questi canali passano gli ioni sodio, cloro, potassio e altri. I trasportatori di glucosio devono legare il glucosio all’esterno della cellula e tramite una modifica di conformazione portarlo nella cellula.
• Proteine con cancelli di attivazione e cancellazione: sono proteine complesse che in alcuni casi hanno i cancelli chiusi o aperti.

Tutte queste proteine sono proteine di membrana che in alcuni casi attraversano completamente il doppio strato fosfolipidico.

Paola Szynal 5º anno CTF UNIPI

I trasporti di membrana possono essere semplici o complessi:

• Diffusione semplice: riguarda molecole che attraversano in modo spontaneo la membrana, quindi molecole lipofile e piccole come i gas. Altre molecole organiche che passano sono molecole simili come, ad esempio, il colesterolo o ormoni che derivano dal colesterolo.
• Diffusione facilitata: prevede l’utilizzo di proteine, alcune specifiche per l’acqua: le acquaporine che sono dei canali che lasciano passare le molecole di acqua. Anche nelle acquaporine ci sono delle proteine sempre presenti a livello della cellula per permettere l’equilibrio idrico. Delle isoforme di acquaporine permettono di aumentare o diminuire l’ingresso di acqua. Nella diffusione facilitata, la velocità con cui avviene il passaggio di una molecola dipende dalla saturazione dei trasportatori. Se nella diffusione semplice non c’era nulla che limitava il passaggio, in questo caso il passaggio è determinato dal numero di trasportatori presenti sulla membrana. Per cambiare la velocità di trasporto si devono aumentare le proteine trasportatrici sulla membrana.
• Trasporti attivi: hanno bisogno di energia per far avvenire il trasporto. L’energia può essere di tipo cinetico oppure consumo di ATP. L’antiporto e il simporto sono i trasporti attivi di tipo dinamico ed è un trasporto attivo secondario. Nel caso del simporto ho due molecole o due ioni o una molecola e uno ione, le due specie chimiche viaggiano nella stessa direzione, una è la specie che passa dal poro, l’altra viene trascinata dall’energia della prima, un esempio è il trasporto sodio-glucosio. La concentrazione del sodio è più alta all’esterno, quindi esiste un gradiente di concentrazione molto elevato, e il delta C è la forza che spinge lo ione sodio ad entrare all’interno della cellula. Il sodio, quindi, è lo ione in entrata che ha una grande forza che crea una corrente che crea energia cinetica per far entrare il glucosio insieme al sodio nello stesso trasportatore proteico. Nell’antiporto le due specie chimiche vanno in direzioni opposte, mentre una entra l’altra esce. Uno degli esempi è l’antiporto sodio-idrogeno, il sodio quindi spinge l’uscita dalla cellula dell’idrogeno. Mentre il sodio entra crea energia per permettere l’uscita dell’idrogeno.

Un altro tipo di trasporto attivo, in questo caso primario, è la pompa sodio potassio ATPasi: questa è una proteina che si trova in tutte le cellule soprattutto se sono cellule di tipo eccitabile, è una proteina di membrana che sposta ioni sodio e ioni potassio contro gradiente di concentrazione.

La pompa impedisce che le concentrazioni del sodio e del Paola Szynal 6º anno CTF UNIPI potassio diventino uguali, impedendo alla cellula di arrivare all’equilibrio dinamico.

Questa proteina è in grado di trasferire dall’interno all’esterno 3 ioni sodio e viceversa 2 ioni potassio, questo per mantenere una variazione tra sodio e potassio.

Nella prima fase la pompa è aperta verso l’interno e ha legato a sé una molecola di ATP, a questo punto entrano nel gate del canale, zona della proteina che si chiude, 3 ioni sodio.

Successivamente la proteina si chiude e questo porta al distacco del primo gruppo fosfato dall’ATP diventando ADP.

A questo punto la parte extracellulare della proteina si apre e i tre ioni sodio escono dal canale, il canale ora è vuoto con il gate aperto permettendo al potassio di entrare, ora si rompe il secondo gruppo fosfato si passa quindi da ADP a AMP, ora gli ioni potassio entrano nel citoplasma della cellula.

Il canale deve legare una nuova molecola di ATP.

Questo tipo di attività è fondamentale nelle cellule eccitabili perché la diversità di specie ioniche tra il liquido extracellulare e il liquido intracellulare genererà il potenziale di membrana che è la differenza di carica tra l’interno e l’esterno della cellula.

In quasi tutte le cellule a riposo si ha una carica negativa netta all’interno e una carica positiva netta all’esterno.

Questo è fondamentale perché quando la cellula è eccitata si ha il cambio delle cariche, quindi positiva all’interno e negativa all’esterno.

Sono cellule eccitabili i neuroni e le cellule muscolari, e le cellule dell’apparato endocrino che per rilasciare gli ormoni devono essere attivate.

Quando una cellula è eccitata, quindi attiva, è una cellula depolarizzata, quando le cellule sono a riposo a parte delle piccole eccezioni la cellula è detta depolarizzata.

Diffusione semplice e facilitata sono detti passivi senza consumo di ATP.

Potenziale di membrana

La differenza di carica che c’è agli estremi della membrana è detta differenza di potenziale.

Quando si descrivono le specie ioniche del liquido intracellulare e dell’extracellulare dobbiamo includere gli amminoacidi carichi negativamente.

Se prendiamo la cellula come un sistema isolato otteniamo che all’interno della cellula abbiamo una parziale carica negativa che è data dagli amminoacidi carichi negativamente, all’esterno della cellula abbiamo una parziale carica positiva, questo avviene se la membrana è completamente isolata e la cellula è a riposo.

Questa è la situazione ideale perché a livello della membrana ci sono strutture che permettono l’entrata e l’uscita di ioni.

Come, ad esempio, il canale per il potassio: in questo caso il potassio inizia ad uscire dalla cellula perché segue quello che è il gradiente di concentrazione per raggiungere l’equilibrio dinamico.

Quando il potassio esce dalla cellula la differenza di concentrazione inizia a ridursi.

Il gradiente chimico, quindi, inizia a tendere allo 0, invece, aumenta il gradiente elettrico perché il potassio che esce dalla cellula ha una carica positiva quindi questo ione andrà ad allontanare la carica negativa dall’interno della cellula che sarà a favore degli amminoacidi negativi rispetto all’esterno.

A questo punto si crea il gradiente elettrico che aumenta.

Queste due forze ad un certo punto diventeranno Paola Szynal 7º anno CTF UNIPI uguali ma contrarie, quando il gradiente elettrico raggiunge una certa soglia lo ione potassio tenderà a tornare verso l’interno perché la differenza di gradiente elettrico è troppo elevata.

Quando le due forze hanno la stessa potenza ma segno opposto avremo raggiunto il potenziale di equilibrio dello ione e si crea così il gradiente elettrochimico.

Il potenziale di equilibrio dello ione è diverso in base allo ione.

Il gradiente elettrochimico sarà dato da queste due forze che spingono il movimento di ogni singolo ione; per descrivere questo tipo di potenziale si descrive con un’equazione l’equazione di Nerst: che calcola singolarmente il potenziale di equilibrio degli ioni.

Se una cellula fosse permeabile a un solo ione il suo potenziale di membrana corrisponderebbe al potenziale di equilibrio di quello ione.

Quasi tutte le cellule sono permeabili al potassio perché ci sono più canali per il potassio al livello della membrana.

Nessuna cellula ha un solo canale per una specie ionica ma per specie ioniche diverse quindi si deve considerare nel calcolo di potenziale di membrana le specie ioniche più rappresentate sodio, potassio e cloro.

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