Riassunto esame Fisiologia umana, Prof. Rivolta Ilaria, libro consigliato Elementi di fisiologia, Poltrinieri

Fisiologia

La fisiologia è la scienza che studia le funzioni degli organismi viventi.

Fisiologia cellulare

• Dei trasporti di membrana: assorbimento delle molecole, formazione urina
• Della trasmissione elettrica: funzionamento del cervello e del cuore
• Della contrazione muscolare

Fisiologia dei trasporti di membrana

La membrana plasmatica separa due ambienti di composizione diversa (compartimentazione): soluzione extracellulare e intracellulare. Svolge la funzione di barriera ma non è passiva e seleziona il passaggio. La composizione varia in base al tipo di membrana (diverso livello di lipidi e proteine). Viene definita mosaico fluido, ma esistono zone dove la fluidità è minore chiamati microdomini lipidici, stazioni dove vengono raccolte le proteine che fanno parte della catena di trasduzione del segnale. Sono divisi in:

• Lipid rafts: piatti, ricchi di colesterolo
• Caveolae: forma a omega rovesciata dovuta alla caveolina (caveolina 1 ubiquitaria, caveolina 2 tessuti epiteliali, caveolina 3 muscoli).

- Transcitosi (endocitosi e esocitosi): trasporto di materiale dall’esterno della cellula all’interno, attraversandola e portandola ancora all’esterno. Le caveole si occupano di mantenere sottile lo strato acquoso attorno agli alveoli.

- Signalling cellulare: trasduzione del segnale.

- Sensore meccanico: la distensione delle caveole durante la contrazione permette la resistenza allo stress. Nel sistema cardiovascolare quando aumenta l’attrito sulle pareti dovuto al passaggio di fluido, le caveole si distendono ma si sgancia l’enos che si attiva e produce ossido nitrico (vasodilatatore), riducendo lo shear stress.

Alterazioni nella funzionalità caveolare: caveolinopatie, tra cui distrofia muscolare, lipodistrofia, alterazioni del ritmo cardiaco.

Le membrane sono dinamiche perché i componenti sono continuamente degradati e sintetizzati (turn-over) e si muovono. I movimenti dei lipidi possono essere diffusione laterale, rotazione e oscillazione, ripiegamento delle catene, traslocazione (flip-flop).

Diffusione laterale

Si utilizza una sonda fluorescente che si disperde tra i lipidi in modo che diventino verdi. Con il laser si identifica una regione della cellula e si brucia. In breve tempo quella zona torna verde perché i lipidi vicini si spostano e coprono il buco. Il flip-flop è molto più lento della diffusione laterale.

Le membrane sono asimmetriche a causa della differenza tra lipidi del foglietto interno e foglietto esterno e della presenza del glicocalice.

Proteine

Le membrane differiscono anche per la composizione proteica. Hanno mobilità ridotta.

• Proteine intrinseche: sono responsabili del trasporto di ioni (canali ionici) o di molecole (trasportatori). Ruolo recettoriale, enzimatico, strutturale.
• Proteine estrinseche: agganciate alla membrana. Ruolo protettivo o informazione se sono esposte all’esterno; strutturale e ancoraggio per siti periferici se sono sul lato intercellulare.

Le molecole nutritive e di rifiuto devono passare → trasporti di membrana: modalità di scambio delle sostanze attraverso la membrana cellulare. Possono avvenire in forma libera, mediante proteine transmembranarie oppure con la formazione di vescicole.

Trasporto passivo

La diffusione libera non consuma energia. La diffusione facilitata e la migrazione attraverso canali si ha quando le proteine non utilizzano energia.

Trasporto passivo - diffusione

Diffusione semplice

È ammessa per molecole di piccole dimensioni e non cariche. Le molecole ideali sono gas.

Diffusione facilitata

Il glucosio viene trasportato per diffusione facilitata. Gli ioni sono piccoli ma carichi, per cui abbiamo bisogno di proteine carrier. L’affinità è identica ai lati della membrana. Es: diffusione facilitata del glucosio, carrier specifico per D-glucosio. Funziona secondo gradiente: siccome è più concentrato all’esterno, lo porta all’interno; se ci fosse tanto glucosio dentro, prenderebbe il glucosio e lo porterebbe fuori, perché la sua affinità è invariata ai due lati. Il glucosio poi diventa glucosio-6-fosfato e non viene più riconosciuto dal trasportatore, per cui rimane all’interno.

La formazione del legame dipenderà dalla concentrazione del ligando ai lati. Raggiunge l’equilibrio quando le concentrazioni del ligando saranno uguali. La legge che regola la diffusione è la legge di Fick. Prende in considerazione gli elementi che influenzano la diffusione. Se il gradiente di concentrazione aumenta, il flusso aumenta. Abbiamo una retta sul piano cartesiano.

Osmosi

Movimento d’acqua attraverso una membrana, secondo il suo gradiente di concentrazione. Il solvente fluisce dalla soluzione meno concentrata a quella più concentrata. Pressione osmotica: dipende dal numero di particelle presenti nell’unità di volume liquido. Le molecole di solvente si muovono in senso opposto alla pressione osmotica, dalla concentrazione di soluto minore (ipotonica) verso quella ipertonica.

Osmolarità: esprime le osmoli di soluto per litro di soluzione. Misura la concentrazione delle soluzioni, ovvero il numero totale di molecole presenti in un litro di soluzione.

• Soluzioni iso-osmotiche: presentano lo stesso numero di soluti osmoticamente attivi
• Soluzioni ipo-osmotica: presenta un numero minore di soluti osmoticamente attivi
• Soluzioni iper-osmotica

Regolazione osmotica: la osmolarità nelle cellule deve essere costante. È richiesta per il corretto svolgimento delle reazioni biochimiche. Variazioni di osmolarità corrispondono a variazioni di volume. Sono necessari meccanismi compensatori per le continue modificazioni. Esposizione a ambiente ipotonico: degrada proteine o apre i canali ionici e sposta gli ioni.

Trasporti attivi

• Trasportatrici (carriers): più lenti, creano un legame con le particelle.
• Canali ionici: molto veloci, formano pori, scarsa interazione con la superficie interna della proteina.

Entrambi evitano alle particelle di entrare in contatto con il doppio strato fosfolipidico.

Canali ionici

I canali ionici sono proteine transmembrana di grosse dimensioni che formano pori nelle membrane cellulari. Si trovano nelle membrane di tutte le cellule. Gli amminoacidi idrofilici si trovano verso la parete del poro perché il canale è pieno d’acqua. Gli amminoacidi idrofobici stanno a contatto con la membrana lipidica della membrana.

Direzione della corrente: direzione netta delle cariche positive. In una soluzione i cationi si muovono seguendo la direzione della corrente, gli anioni si muovono in direzione opposta.

+ ES: la concentrazione di Na è maggiore fuori dalla cellula, il sodio entra nella cellula. La corrente è entrante.

+ La concentrazione di Ca è maggiore fuori dalla cellula, il calcio entra nella cellula. La corrente è entrante.

+ La concentrazione di K è maggiore nel citoplasma, il potassio esce dalla cellula. La corrente è uscente.

- La concentrazione di Cl è maggiore fuori dalla cellula, il cloruro entra nella cellula. Però è un anione quindi la corrente è uscente.

Depolarizzazione

Determina un potenziale di membrana meno negativo. È un evento che rende più positivo l’interno della cellula. Es: nei neuroni l’interno è negativo e qualsiasi evento lo renda meno negativo è depolarizzante. Le correnti di Na e Ca sono depolarizzanti perché portano all’interno carica positiva.

Iperpolarizzazione

Determina un potenziale di membrana più negativo. È un evento che rende più negativo l’interno della cellula. Es: la corrente di Cl porta cariche negative all’interno della cellula, o la corrente di K porta cariche positive all’esterno.

Proprietà fondamentali

Gating e permeabilità.

Gating: è un processo che rende il canale da non conduttivo a conduttivo. I canali possono essere costitutivamente aperti, quindi non presentare gating. Possono essere regolati, ovvero normalmente chiusi e si aprono in presenza di stimoli. Il gating del canale è influenzato dal ligando (canali ligando-attivati) o dallo stretch della membrana (meccano-attivati) o da una modificazione di voltaggio (voltaggio-attivati).

Trasporti mediati da carriers

I carriers sono dotati di specificità chimica, competizione (possono essere bloccati dagli inibitori competitivi) e saturazione. Hanno un’elevata dipendenza termica e dal pH. Sono caratteristiche simili a quelle di un enzima, però in questo caso i sistemi di trasporto non modificano la forma della particella. Possono essere in forma di uniporto (una proteina trasportatrice trasporta una sola molecola in una direzione verso gradiente) o di cotrasporto:

• Simporto: la stessa proteina trasporta due o più soluti nella stessa direzione.
• Antiporto: la stessa proteina trasporta due o più soluti in direzioni opposte. Almeno una particella deve essere uno ione.

I flussi mediati da carriers a differenza della diffusione semplice sono soggetti a saturazione per due motivi:

• Sulla membrana ho un numero finito di trasportatori.
• Ogni carrier ha un numero massimo di particelle trasportabili e una velocità massima. Es: se il trasportatore viaggia con un massimo di 50 particelle, superando il trasporto massimo non può più incrementare.

Il Ka è la concentrazione di substrato che mi permette di ottenere il 50% della velocità massima. È inversamente proporzionale all’affinità del carrier.

Trasporti attivi primari

Fattori importanti: concentrazione del ligando e affinità del carrier. L’affinità si modifica nel passaggio da un lato all’altro della membrana.

Pompa Na⁺ - K⁺: quando è aperta all’esterno è affine al potassio e poco al sodio, quando è aperta all’interno è affine al sodio e poco al potassio. È un antiporto cationico responsabile dell’elevata concentrazione di K e della bassa concentrazione di Na nel citosol. Siccome porta fuori 3 cariche positive e porta dentro 2 positive, è definita elettrogenica, perché tende a rendere il potenziale di membrana debolmente negativo (iperpolarizzante). Porta dentro 3 soluti osmoticamente attivo e 2 fuori, quindi ha un effetto osmotico. Se si blocca la cellula si rigonfia.

Pompa Ca²⁺: trasporta calcio al di fuori del citosol (2 ioni per ATP). È un uniporto cationico, elettrogenico (ogni giro butto fuori 4 cariche positive), effetto osmotico (impoverisce il citosol di soluti osmoticamente attivi). Una si trova sulla membrana, che porta gli ioni calcio all’esterno (PLCA), l’altra è sulla membrana del reticolo endoplasmico, prende il calcio dal citosol e lo porta nel reticolo (SERCA).

Pompa di scambio H⁺/K⁺: per ogni ATP, viene portato fuori un H⁺ e un K⁺ dentro. Non elettrogenica e non ha effetto osmotico, è un contro-trasporto.

Trasporti attivi secondari

Sono simporto o antiporto. Trasferiscono ioni o molecole complesse attraverso le membrane anche contro gradiente, utilizzando come fonte energetica il gradiente creato dai trasporti attivi primari.

Simporto Na⁺/glucosio SGLT: sodio glucosio transporter. È simporto perché vengono trasportati entrambi nella stessa direzione, guidati dallo ione sodio che si muove secondo il suo gradiente. Riassorbimento renale e assorbimento intestinale. La proteina si presenta aperta verso l’esterno, ha un’elevata affinità per ione sodio che è tanto all’esterno, per cui si lega alla proteina. Il sodio fa in modo che acquisti affinità il sito di legame per il glucosio, che quindi si lega al trasportatore. Si apre verso l’interno e il primo ad essere rilasciato è il sodio, per cui si sgancia anche il glucosio che perde affinità.

Scambiatore antiporto Na⁺/Ca²⁺: lo ione sodio entra e lo ione calcio esce. Importante nella fisiologia cardiaca e nelle cellule muscolari.

Co-trasportatore NKCC (sodio potassio cloro cotrasporter): trasporta contemporaneamente uno ione sodio, uno potassio e due cloruro. Il primo legame è sodio, acquista affinità per la prima molecola di cloruro, poi potassio, poi cloruro. La proteina cambia conformazione e il primo a slegarsi è il sodio, poi perde affinità lo ione cloruro, poi potassio e cloruro. Dal punto di vista osmolare fa un lavoro importante, perché viene accompagnato dallo spostamento d’acqua perché genera un ambiente iperosmotico. Importante nei tubuli renali. A monte c’è la sodio potassio ATPasi.

Potenziale di membrana

La separazione di cariche a cavallo della membrana genera un potenziale di membrana (V_m = V_{intracellulare} - V_{extracellulare}). A riposo, la cellula all’interno è più negativa. È regolata da ATPasi, trasporti attivi e canali ionici. Il potenziale di riposo della cellula dipende dalla tipologia: le cellule eccitabili hanno un potenziale molto negativo (cellule muscolari da -60 mV a -90mV e cellule nervose -70 mV), mentre le non eccitabili più positivo (-20 mV a -30mV).

Il potenziale di riposo è una caratteristica di tutte le cellule tranne le cellule pacemaker cardiache perché sono autoeccitabili (MPD=minimum diastolic potential). Il potenziale di equilibrio di uno ione è il potenziale di membrana a cui ho flusso netto nullo.

ES: lo ione sodio si sposta verso l’interno per gradiente chimico ed elettrico, perché è positivo e dentro la cellula è negativa. Potenziale di equilibrio per lo ione K: consideriamo una cellula permeabile allo ione potassio, più concentrato dentro (negativo). Per una questione elettrochimica tende ad uscire. Se lo ione K esce, la cellula diventa più negativa. Succede che si accumula potassio fuori e resta nell’intorno della cellula limitando un’ulteriore fuoriuscita. Se ho un potenziale di membrana in equilibrio ovvero gradiente chimico in equilibrio, ho flusso netto nullo. Dal punto di vista elettrochimico ho un numero equivalente tra l’interno e l’esterno. Vuol dire che se ho un K che entra ne ho uno che esce. In questo caso è circa -90 mV. Se il potenziale diventa -100 mV, gli ioni potassio entrano perché è talmente negativo dentro che il catione viene richiamato. Se diventa -55 mV il potassio esce.

Il potenziale di equilibrio si può calcolare matematicamente: equazione di Nernst. Devo conoscere la concentrazione della ione dentro e fuori. R costante dei gas, T temperatura in kelvin, F costante di Faraday, z valenza ionica dello ione. T 25°, RT/F=25mV, ln moltiplico per 2.3 così metto log Faccio 25x2.3= 58mV:z10. Nel caso dello ione cloruro si fa concentrazione intra/ extra perché c’è il – che inverte.

Le cellule hanno altri canali oltre al potassio. Abbiamo cariche positive che entrano per il sodio e quindi il potassio si ridistribuisce. Il potenziale di riposo di una cellula deve tenere conto della permeabilità a tutti gli ioni. Se il potenziale di riposo di una cellula dipende da vari ioni, il potenziale si stabilisce in un punto intermedio a tutti i potenziali di equilibrio degli ioni. Ovviamente la media viene pesata in base al numero di canali presenti per ogni ioni: abbiamo predominanza di canali potassio, quindi tra -90 potassio e +60 sodio, più vicino a quello del potassio. Equazione di Goldman: al numeratore abbiamo le concentrazioni extracellulari di tutte le specie ioniche tenendo conto del numero di canali per ciascuna. Si utilizza per una situazione di riposo.

L’ambiente intracellulare è molto negativo a causa della distribuzione degli ioni, della pompa sodio-potassio e perché dentro ci sono le proteine (effetto Donnan): la membrana è impermeabile alle proteine, che non possono attraversare la membrana; ma le proteine dentro la cellula sono cariche negativamente perché il COOH è sempre negativo perché il pH è 7.2.

Canali ionici regolati

Sono chiusi se la membrana è in condizioni di riposo. La loro apertura è regolata da associazione con ligando, deformazione meccanica e variazioni del potenziale di membrana.

Canali ionici voltaggio-dipendenti

1 subunità alfa, costituita da 4 domini originati da 4 proteine indipendenti che si assemblano (Na⁺) oppure da un'unica singola proteina che si ripiega e forma una ciambella (K⁺). Ciascun dominio è costituito da 6 segmenti alfaelica transmembrana (S1, S2, S3,…). Il segmento S4 è il sensore del voltaggio, il collegamento tra S5 e S6 genera il poro del canale e seleziona gli ioni. L’alfaelica dell’S4 è costituita da amminoacidi carichi positivamente. Lo stimolo depolarizzante viene dato da una scarica positiva entrante. S4 sente lo stimolo depolarizzante, le cariche positive entrate respingono le cariche positive dell’S4, quindi ruota e si sposta all’esterno della membrana. Visto che abbiamo 4 domini, il loro movimento fa aprire il poro (sliding elix). Il canale ionico è passato da uno stato non conduttivo a stato conduttivo.

Il canale raramente torna allo stato chiuso perché prima va incontro a una conformazione non conduttiva detta inattiva: chiuso → aperto → inattivato → chiuso. Un esempio è ball and chain: una porzione della proteina canale va a otturare il poro. Gli S4 sono ancora fuori e devono rientrare. Devo rimuovere la depolarizzazione, per cui solo grazie a una iperpolarizzazione della membrana il canale si chiude. Channelome: famiglie di canali di K, di sodio e di calcio, poi famiglia di canali non selettiva.

Proprietà dei canali ionici: gating e permeabilità ionica. Si basa sull’energia della carica dello ione e sull’energia di solvatazione. Ogni ione è circondato da acqua ed è solvatato, ma nel canale ionico è come se fosse nudo.