Fisiologia

Fisiologia

Fisiologia è la scienza che studia il normale funzionamento di un organismo e delle parti che lo compongono. In particolare, partendo da dati sperimentali, la fisiologia va a definire dei modelli tramite l’utilizzo di leggi fisiche.

Livelli di organizzazione

• Livello cellulare: tra le funzioni fondamentali delle cellule vi sono l’acquisizione di nutrienti e ossigeno dall’ambiente, la sintesi proteica, l’eliminazione della CO₂ poiché, se reagisce con l’acqua, viene alterato il pH, e delle sostanze di rifiuto, la regolazione dell’ambiente tramite la membrana cellulare, il trasporto di materiali all’interno della cellula e la produzione di energia.
• Livello tissutale: esistono diversi tipi di tessuti che si differenziano a seconda della funzione che svolgono, in particolare abbiamo quello muscolare, scheletrico, miocardico, liscio, quello nervoso, quello epiteliale e quello connettivo.
• Livello di ghiandole: sono costituite da un unico tipo di tessuto, epiteliale, che è specializzato nella secrezione; si differenziano in esocrine, che sono quelle che rilasciano la secrezione all’esterno del corpo attraverso un dotto, e in endocrine, che sono quelle che rilasciano il loro prodotto di secrezione nel sangue.
• Livello di organi: sono costituiti da un insieme di più tessuti diversi tra loro, ciascuno dei quali svolge una particolare funzione utile al funzionamento generale dell’organo. Un insieme di più organi forma un organismo o apparato, es. circolatorio, respiratorio, urinario e nervoso.

Omeostasi

Omeostasi: si tratta della capacità degli organismi animali di mantenere costanti entro un certo livello, set point, molti parametri chimico-fisici degli organi. Per mantenere questo stato di omeostasi l’organismo, essendo un sistema aperto che scambia energia e materia con l’ambiente, utilizza il principio dell’equilibrio di massa, ovvero andando a mantenere un equilibrio tra entrate ed uscite. Lo spostamento delle sostanze avviene secondo una forza propulsiva che prende il nome di gradiente, che può essere pressorio, elettrico o di concentrazione.

L’omeostasi avviene secondo due processi differenti: quello di feedback positivo, la risposta rinforza lo stimolo portando la variabile ancora più lontano dal set point, serve quindi un fattore esterno, per questo è meno utilizzata, e quello di feedback negativo, la risposta contrasta lo stimolo e controbilancia il disturbo iniziale.

Membrana cellulare

Membrana cellulare: riveste le cellule proteggendole, ha uno spessore di circa 8 nm ed è costituita principalmente da proteine di membrana come quelle strutturali, di trasporto, recettive, ma è anche composta da enzimi e da colesterolo che fornisce flessibilità e idrofobicità alla membrana.

Le funzioni della membrana plasmatica sono:

• Isolamento fisico: definisce ciò che sta dentro, liquido intracellulare, e ciò che sta all’esterno, spazio extracellulare. Il LIC è ricco di potassio, 150, e povero di sodio, 14; inoltre contiene anche fosfati inorganici. Il LEC invece è ricco di sodio, 140, e povero di potassio, 4.
• Regolazione degli scambi: la membrana, essendo semipermeabile, permette il passaggio di sostanze.
• Comunicazione tra cellule o tra cellula e ambiente: la membrana, essendo semipermeabile, permette il passaggio dei messaggeri chimici.
• Supporto strutturale: vi sono proteine che collaborano con il citoscheletro.

Trasporti di membrana

Trasporti di membrana: i trasporti sono controllati da delle forze che ne determinano la direzione, queste forze sono:

• Forze chimiche: aumenta il valore se il gradiente di concentrazione è elevato; il gradiente di concentrazione varia a seconda della sostanza e per questo ogni gradiente di concentrazione agisce solo sulla specifica sostanza. In particolare questa forza comporta un passaggio di sostanza da zone ad alta concentrazione a zone a bassa concentrazione.
• Forze elettriche: riguardano gli ioni e il valore di questa forza varia a seconda del potenziale di membrana, che consiste in una differenza di carica che si trova lungo la membrana poiché nel liquido extracellulare vi sono più ioni positivi mentre nel liquido intracellulare vi sono più ioni negativi. Differenza di ioni che prende il nome di squilibrio elettrico e che è visibile lungo la membrana. Disequilibrio che è provocato dalle pompe ioniche, specifiche proteine che trasferiscono ioni attraverso la membrana. La membrana agisce da isolante; se si inserisce una proteina questa pompa fuori un catione creando un disequilibrio di carica. Queste sono le pompe ioniche, un esempio è la sodio-potassio. Inoltre questa forza è maggiore se abbiamo ioni con valenza maggiore, mentre aumenta l’ampiezza della forza se aumenta l’ampiezza del potenziale d’azione.
• Forze elettrochimiche: è l’unione della forza chimica e di quella elettrica, ovvero del gradiente di concentrazione e del potenziale di membrana; il movimento degli ioni infatti è provocato da entrambe le forze e a seconda dei casi avrà la meglio una piuttosto che l’altra.

Il potenziale d’equilibrio di uno ione è quindi dato dall’equazione di Nernst: E_ione = 61 mV / z log [ione]_out / [ione]_in.

Per stabilire la direzione della forza elettrochimica si usa appunto il potenziale d’equilibrio, dove se il potenziale di membrana e quello di equilibrio sono uguali avremo l’equilibrio; se il potenziale di membrana è > di quello d’equilibrio vince la forza elettrica e si considera quella; se invece il potenziale di membrana è < a quello di equilibrio vince la forza chimica e si considera quella.

Esistono differenti tipologie di trasporto delle sostanze attraverso la membrana cellulare:

Trasporto passivo

Trasporto passivo: si tratta di una tipologia di trasporto che non richiede dispendio di energia in quanto utilizza il moto cinetico e il gradiente di concentrazione. Questo tipo di trasporto può avvenire secondo due metodologie differenti che sono la diffusione semplice e la diffusione facilitata. Per diffusione in generale si intende un processo passivo in cui le molecole si muovono per il gradiente fino a raggiungere un equilibrio dinamico. È un processo che diminuisce la sua velocità sulle lunghe distanze, che aumenta con l’aumentare della velocità, aumenta se aumenta la temperatura e che invece diminuisce se aumentano le dimensioni molecolari.

Diffusione semplice: riguarda le molecole che sono solubili nel doppio strato fosfolipidico e che quindi possono diffondersi nella membrana. Questa diffusione è studiata dalla legge di Fick la quale afferma: tasso di diffusione ∝ gradiente di concentrazione * area * permeabilità membrana / spessore membrana.

In particolare un fattore importante è la permeabilità della membrana, che è direttamente proporzionale alla solubilità nei lipidi mentre è inversamente proporzionale alle dimensioni molecolari; quindi più è elevata la permeabilità, più rapido sarà il flusso netto, ovvero più velocemente attraverseranno la membrana le molecole. Un esempio è la diffusione del glucosio nella cellula: viene infatti continuamente trasformato così da non raggiungere mai l’equilibrio e da continuare a riceverlo così da avere dei depositi in caso di necessità.

Diffusione facilitata: riguarda le molecole che non passano liberamente attraverso la membrana. Si tratta di un fenomeno passivo dove le molecole utilizzano particolari proteine per spostarsi dentro e fuori la cellula. Queste proteine possono essere canali o trasportatrici. Le proteine canali attraversano l’intera membrana creando un poro che permette una comunicazione tra interno ed esterno della cellula; questi canali possono essere sempre aperti oppure controllati, ovvero aperti e chiusi a seconda delle necessità della cellula. Le proteine canali vengono utilizzate dagli ioni anche se ve ne sono alcune utilizzate dall’acqua. Le proteine trasportatrici, carrier, invece non mettono mai in comunicazione l’interno con l’esterno della cellula ma vanno ad aprirsi solo o verso l’interno o solo verso l’esterno della cellula. I carrier possono poi essere uniporto, un solo substrato, simporto, più substrati in uguale direzione, o antiporto, più substrati in diverse direzioni.

Quindi per questa mancanza di comunicazione diretta il trasporto risulta molto più lento rispetto alle altre modalità. La velocità di questi carrier è influenzata dalla quantità di carrier e dal gradiente di concentrazione. I carrier inoltre hanno particolari proprietà come la specificità, trasportano solo una determinata classe di sostanze, la competizione, un trasportore può essere più o meno affine ad una determinata sostanza di una classe, e la saturazione, giunti alla capacità massima di trasporto le sostanze non vengono più spostate.

I due tipi di diffusione quindi a gradienti bassi si equivalgono; salendo invece di gradiente, la diffusione facilitata vede i carrier saturare e quindi rallenta fino a tendere asintoticamente ad un valore massimo.

Trasporto mediato

Trasporto mediato: si tratta di una tipologia di trasporto che avviene tramite l’utilizzo di proteine trasportatrici. Si suddivide in due tipologie, quello per diffusione facilitata e quello attivo.

Trasporto attivo: si tratta di un particolare trasporto che muove le sostanze contro gradiente di concentrazione andando quindi a consumare molta energia, ATP, e creando del disequilibrio. Il trasporto attivo a sua volta può essere classificato in trasporto attivo primario, o diretto, e in secondario, o indiretto.

Il trasporto attivo primario richiede l’utilizzo di una pompa e riguarda principalmente lo spostamento di ioni. Un esempio ne è la pompa Na⁺-K⁺, questa è dotata di 3 siti di legame per il sodio e 2 per il potassio; tramite l’ATP trasporta ioni sodio fuori e potassio dentro. In particolare il sodio si lega ai siti della pompa, questi legami comportano la fosforilazione della proteina che libera il sodio all’esterno; in seguito il potassio si lega ai due siti provocando la liberazione del gruppo fosfato e il rilascio dello stesso potassio nella cellula.

Il trasporto attivo secondario invece richiede l’utilizzo di proteine trasportatrici che, in base al valore del gradiente elettrochimico, spostano dentro o fuori la cellula le sostanze; questa tipologia di trasporto riguarda principalmente le molecole organiche.

Trasporto di macromolecole

Trasporto macromolecole: avviene attraverso diversi metodi come fagocitosi, globuli bianchi, pinocitosi, endocitosi e esocitosi, dove una vescicola contenente materiale da espellere dalla cellula si lega alla membrana plasmatica e in seguito aprendosi elimina le sostanze.

Trasporto transepiteliale

Trasporto transepiteliale: può essere un trasporto di soluti o di acqua; in entrambi i casi il trasporto avviene attraverso delle pompe, proteine di trasporto. Un particolare tipo di trasporto è la transcitosi, dove le macromolecole sono trasportate attraverso le cellule epiteliali.

Trasporto d’acqua

Trasporto d’acqua: l’acqua si può muovere liberamente, la distribuzione omogenea di quest’ultima porta ad un equilibrio osmotico, ovvero a una distribuzione omogenea in tutta la superficie a sua disposizione. Si parla di osmosi quando l’acqua si muove attraverso la membrana in risposta al gradiente di concentrazione per cercare l’equilibrio osmotico. Osmolarità è il numero di particelle che si formano per ogni molecola in soluzione moltiplicato per la molarità.

Messaggeri chimici

Messaggeri chimici: la comunicazione tra le cellule avviene per mezzo di messaggeri chimici e può seguire un processo diretto, dove due cellule comunicano direttamente tra loro grazie a dei canali che mettono in comunicazione le due aree intracellulari permettendo il passaggio di ioni e piccole molecole, oppure secondo un processo indiretto, dove le due cellule non sono collegate tra loro e comunicano grazie all’azione di messaggeri chimici.

I messaggeri chimici consentono di modulare le diverse attività di una cellula; possono essere catalogati in base alla funzione e in base alla struttura chimica che li compone:

• Funzione: paracrina, vengono secreti da una cellula e si diffondono verso una cellula bersaglio vicina; autocrina, si legano ai recettori presenti sulla cellula che li ha prodotti; neurotrasmettitori, prodotti dai neuroni in strutture specializzate, le sinapsi, e diffondono informazioni a brevi distanze; gli ormoni, prodotti da cellule endocrine e emesse nel liquido interstiziale tramite il quale raggiungono altre cellule; e i neurormoni, rilasciate dai neuroni nel sangue per comunicazioni di lunghe distanze.
• Struttura chimica: amminoacidi, si tratta di neurotrasmettitori come glutammato, glicina, aspartato; ammine, sono neurotrasmettitori e ormoni come catecolammine, serotonina, istamina; peptidi/proteine, sono neurotrasmettitori, ormoni e citochine; steroidi, ovvero ormoni prodotti su richiesta; e eicosanoidi, paracrine prodotte su richiesta. Eicosanoidi, proteine e ammine sono messaggeri paracrini. Ammine, proteine e amminoacidi sono lipofobici mentre eicosanoidi e steroidi sono lipofilici.

I messaggeri chimici possono quindi essere sia idrofilici che idrofobici. I messaggeri idrofilici vengono secreti con esocitosi nel plasma dove si sciolgono ed entrano in circolo. Invece i messaggeri idrofobici vengono secreti tramite diffusione e vengono messi in circolo dove si legano a delle proteine e vengono trasportati.

Fondamentale è il ruolo dei recettori, i quali hanno il compito di ricevere un messaggio chimico e trasmetterlo alla cellula. Una caratteristica importante dei recettori è la loro specificità, ovvero ogni recettore è specifico e disponibile a ricevere un determinato messaggio chimico. Questi recettori sono situati o sulla membrana plasmatica oppure dentro la cellula. Il ruolo dei recettori è importante soprattutto in funzione della risposta infatti: più il messaggero è concentrato più elevata è la possibilità di risposta, la disponibilità di una classe di recettori non è infinita ma una volta raggiunto il valore massimo si raggiunge la saturazione e non vengono più tradotti messaggi; infine alcuni recettori sono più affini a determinati messaggi chimici, quindi i messaggeri più affini risulteranno tradotti maggiormente.

• Recettori intracellulari: sono quelli per i messaggeri lipofili, sono situati all’interno della cellula ovvero nel fluido intracellulare e vanno a trasportare il messaggio chimico giunto nella cellula all’interno del nucleo.
• Recettori di membrana: sono quelli per i messaggeri idrofili e sono appunto situati lungo la membrana cellulare. Si suddividono in recettori canale, dove il collegamento di un messaggero ad un canale ionico provoca l’apertura del canale permettendo il passaggio di ioni; recettori enzima, dove il collegamento di un messaggero a un recettore inattivo lo attiva; e recettori associati a proteine G, dove il legame di un messaggero attiva la proteina G, a questo punto una subunità della proteina si sposta e provoca l’apertura o la chiusura di un canale ionico.

Importante è anche il compito di agonisti ed antagonisti, si tratta infatti di particolari composti chimici che nel caso degli agonisti attivano un recettore, nel caso degli antagonisti invece bloccano l’attività di un recettore.

Fondamentali per la comunicazione all’interno del nostro organismo sono anche i secondi messaggeri, tra i più importanti vi sono AMPc, IP₃ e DAG. I secondi messaggeri vengono utilizzati all’interno della cellula per amplificare il segnale, in particolare il secondo messaggero è una molecola che viene rilasciata o attivata in seguito al legame tra il recettore con un primo messaggero. Ad esempio quando il messaggero si lega al recettore attivando le proteine G, la subunità alfa di questa va ad attivare l’adenilato ciclasi che produce AMPc il quale attiva la proteina chinasi A che provoca la fosforilazione delle proteine.

Per quanto riguarda invece la comunicazione a distanza vengono utilizzati i segnali elettrici, in questo ambito importante è il ruolo dei neuroni i quali trasmettono segnali elettrici all’interno della cellula e segnali chimici per comunicare con altre cellule.

Potenziale di membrana

Potenziale di membrana: in condizioni normali il liquido intracellulare possiede un numero di anioni leggermente maggiore mentre il liquido extracellulare ha un numero leggermente maggiore di cationi. Queste cariche in eccesso vanno a disporsi lungo la membrana plasmatica in quanto attratte tra loro poiché di segno opposto, andando a creare un potenziale di membrana.

Il potenziale d’equilibrio è dato dall’equazione di Nernst: E_ione = 61 mV / z log [ione]_out / [ione]_in, la quale vale solo se la membrana fosse permeabile ad un solo ione.

Il potenziale di membrana a riposo, Vm, è determinato da 2 o più specie ioniche; l’influenza esercitata da ciascuna specie non dipende soltanto dalle concentrazioni dei diversi ioni all’interno ed all’esterno della cellula, ma anche dalla permeabilità, p, della membrana verso gli ioni considerati. Dove per permeabilità si considera la facilità con cui uno ione riesce ad attraversare la membrana.

Il potenziale di membrana a riposo è quindi influenzato dai gradienti di concentrazione e dalla permeabilità della membrana.

In particolare Na⁺, K⁺, Cl^-, K⁺, Na⁺.