Fisiologia cellulare

Fisiologia: introduzione e applicazioni

La fisiologia è la branca della biologia che studia il funzionamento del corpo umano in base ai principi chimico-fisici. Noi tramite la fisiologia, possiamo capire e dimostrare lo stato di salute o patologico e curarlo. È una disciplina antica: è nata con Aristotele ed è stata concepita come lo studio dei fenomeni della natura. Con Ippocrate ha preso il connotato del potere curativo della natura.

La fisiologia serve per capire come funziona il corpo e come guarire patologie. Ogni stato patologico è la distorsione di una condizione fisiologica iniziale. Ci sono diversi livelli a cui si applica lo studio della fisiologia: parte da un livello molecolare e cellulare per poi arrivare a livello macroscopico. Il livello molecolare è fondamentale a livello farmaceutico: le molecole sono alla base dei farmaci e quindi serve capire il funzionamento molecolare del corpo per capire come sviluppare i farmaci stessi. La fisiologia è utile nell’ambito della farmacia, per la professione del farmacista e anche nella ricerca.

Livelli di complessità nello studio della fisiologia

Lo studio della fisiologia è quindi uno studio integrato: essa infatti studia come funziona il corpo umano a ogni livello di complessità (molecole, cellule, tessuti, organi, sistema, apparato, corpo umano). Ci sono quindi fenomeni che avvengono su scala diversa: con le cellule si parla di pochi micron o nanometri e quindi si usano i microscopi; per gli organi e l’organismo, si parlerà di mondo macroscopico e quindi gli strumenti saranno diversi.

Esempio di applicazione: il movimento

Esempio: movimento. Si affronta sotto più punti di vista. Movimento volontario: comandi che il cervello impartisce al muscolo. Anatomia del muscolo. Com’è fatta la fibrocellula e quali sono i filamenti contrattili che agiscono. Si parte dal livello molecolare per poi arrivare al macroscopico.

Principi chimico-fisici e semplificazione dei sistemi

Lo studio della fisiologia si affronta seguendo principi chimico-fisici. Quelle leggi vengono applicate al fenomeno e mi permettono di capire se funziona nel modo corretto, e quindi se l’organismo è in salute o no. Per applicare queste leggi devo però semplificare il sistema. Esempio, funzionamento del rene e del nefrone: presuppongo che quello che succede nel nefrone è lo stesso che si ha nel rene ma nel rene ho una somma di nefroni. Questa è una semplificazione ma comunque che esplica nel modo giusto i concetti. Devo inoltre dimostrare che le leggi che uso governano quel meccanismo e lo faccio sperimentalmente con modelli semplificati.

La fisiologia per ogni problema fisiologico ha un animale modello. Esempio: per la memoria, è stata usata da Kandel la clisia (lumaca di mare): ha una forma di memoria molto semplice, con 12 neuroni. Ci ha permesso di testare le leggi che poi sono state applicate all’uomo. Altro esempio è il calamaro gigante per l’eccitabilità delle cellule neuronali: l’assone gigante di calamaro è il preparato ideale per capire il potenziale d’azione.

Fisiologia cellulare

La cellula è l’unità fondamentale dell’organismo: se capisco come funziona la cellula ipotizzo anche il funzionamento dell’organismo. Il compartimento intracellulare è separato dall’extracellulare per via di una membrana biologica: tale membrana ha favorito il successo della cellula poiché rappresenta una barriera per lei. Energia e materia devono essere scambiati con l’ambiente esterno dalla cellula: devo quindi capire quali sono le leggi che regolano questi scambi.

La cellula per vivere in un sistema deve ricevere informazioni dal sistema: queste sono infatti fondamentali per la sua sopravvivenza. Altrettanto importanti sono la comunicazione della cellula con l’ambiente e il movimento della cellula stessa. Su questi 3 capisaldi si basa la fisiologia. Se la cellula scambia materia con l’ambiente esterno, ogni volta che fa ciò, la cellula potrebbe modificarsi: ma la cellula così com’è, è perfetta! Quindi essa ha meccanismi per mantenere i propri parametri costanti al variare delle condizioni ambientali.

Principio dell'omeostasi

La cellula riceve uno stimolo, crea una risposta ma mantiene costanti le caratteristiche nelle diverse condizioni. Questo è il concetto del principio dell’omeostasi: la cellula mantiene costante le sue condizioni anche al variare delle condizioni esterne. È un processo omeostatico quando sia la cellula che l’organismo non sono fissi ma sentono gli stimoli che determinano la variazione del loro stato: la cellula e l’organismo quindi reagiscono a tali stimoli riportandosi al loro livello iniziale. Questo avviene ogni volta che si presenti uno stimolo ed è responsabile dello stato di salute: quando non si riesce a compensare la variazione determinata da uno stimolo, si va incontro a stato patologico.

Specializzazione cellulare e comunicazione

Nell’evoluzione l’aggregazione migliora le capacità di sopravvivenza: una singola cellula non può fare tutto. Quindi le cellule si sono aggregate e ognuna di queste ha cominciato a specializzarsi generando i tessuti. Se le cellule si specializzano, acquisiscono una capacità specifica più importante. L’aumento delle dimensioni però porta al fatto che lo scambio di informazioni necessiti di sistemi specializzati come:

• Distretto sanguigno: meccanismo di comunicazione lento ma che raggiunge ogni cellula dell’organismo. Viene usato da cellule endocrine, gli ormoni, che raggiungono ogni distretto corporeo ma in modo lento.
• Sistema nervoso: è più rapido. È composto da cellule a contatto che si passano un messaggio elettrico. È necessario il contatto fisico tra questa catena di cellule e il distretto corporeo.

In un organismo pluricellulare considero cellule insieme con caratteristiche simili. Liquido intracellulare è simile in tutte le cellule quindi CHIEDI. Non c’è differenza tra plasma e liquido intra ??? L’organismo (così come la cellula) si interfaccia con l’ambiente esterno: ha come barriera fisica, la cute e i sensori sono le cellule sensoriali, che consentono all’organismo di percepire gli stimoli. Le esigenze dell’organismo sono le stesse della cellula. La capacità adattiva e di mantener costanti le condizioni è fondamentale sia per l’organismo che per la cellula.

Le membrane biologiche e il trasporto di membrana

La cellula deve trasferire energia e sostanza con l’ambiente per sopravvivere. Parlando di fisica, si distinguono:

• Sistemi isolati: non scambia niente con l’ambiente, né materia né energia. Come l’Universo.
• Sistemi chiusi: scambia solo energia con l’ambiente, ma non materia. Come la Terra.
• Sistemi aperti: è il sistema più complesso perché per poter sopravvivere deve scambiare sia energia che sostanza. Come la cellula e l’organismo.

Per semplificare l’essere vivente con qualcosa di fisica, la cellula è una macchina termica: quest’ultima ha bisogno di energia per svolgere un lavoro verso l’ambiente esterno. Il processo non ha rendimento massimo: per questo l’energia viene dispersa sotto forma di calore.

La cellula è quindi paragonabile a una macchina termica che lavora sempre: ha infatti bisogno di energia che deriva dagli alimenti ed è intrappolata nei legami chimici degli alimenti stessi. Questa energia viene in parte utilizzata istantaneamente e in parte immagazzinata, storata sotto forma di molecola di ATP. Questa energia viene utilizzata per compiere:

• Lavoro interno: per mantenere l’ordine della cellula. Questo ordine viene mantenuto solo con lavoro.
• Lavoro esterno: attraverso il lavoro di trasporto che consente alla cellula di comunicare con l’ambiente esterno.

Entrambi questi utilizzi di energia non sono efficienti al 100% quindi parte del lavoro viene speso come calore. Il calore è fondamentale per mantenere vitali le reazioni nel nostro organismo, ad esempio generare la temperatura e mantenerla costante.

Esempio: i brividi. Li emettiamo inconsciamente per generare calore. Il flusso di energia nel sistema vivente è fornita dal glucosio (sorgente energetica che noi usiamo): è l’energia usata per generare energia ed è il nostro sistema di stoccaggio di energia. L’idrolisi dell’ATP a ADP genera un’altissima quantità di energia: è infatti una reazione esoergonica che serve a sostenere tutta l’attività della cellula. Il sistema vivente è un sistema termodinamicamente aperto che scambia energia e materia con l’ambiente esterno.

Problema delle barriere

Sia cellula che organismo hanno una barriera: la cellula ha la membrana mentre l’organismo ha l’apparato tegumentario. Queste rendono possibile lo sviluppo della cellula e dell’organismo ma serve un modo per superarle per permettere passaggi di materia tra interno e esterno di cellula e organismo. La membrana plasmatica separa la cellula dall’ambiente extracellulare. Ci sono strutture che permettono il passaggio di sostanze e energia, sistemi recettoriali, che permettono alla cellula di percepire variazioni dell’ambiente e che le permettono in seguito di rispondere. Per il farmacista è importante la membrana plasmatica perché succede che tossine possano bloccare i meccanismi di trasporto della cellula a livello della membrana.

Struttura della membrana cellulare

Le membrane biologiche hanno una natura lipidica e in ambito farmaceutico servono per il passaggio di farmaci. Molti farmaci vanno infatti a modulare l’attività di alcuni trasporti di membrana. Esempio: l’inibitore della pompa protonica delle cellule a livello gastrico viene inibito dall’omeoprazolo che agisce a livello dello stomaco contro l’acidità. Oppure cellule tumorali: i farmaci chemioterapici ad un certo punto non funzionano più a causa della resistenza chemioterapica la quale è dovuta a pompe protoniche che buttano fuori dalla cellula il farmaco. Le membrane sono alterate in condizione patologica.

Per favorire il passaggio di sostanze attraverso la membrana plasmatica serve conoscere la stessa. Essa è costituita da un doppio strato lipidico e la sua struttura segue la teoria del mosaico fluido. La cellula è in grado di consentire il passaggio di sostanze perché lo strato che la costituisce è fluido, mobile, non statico. Oltre ai lipidi si trovano proteine, le quali modifiche conformazionali consentono il trasporto delle molecole. Queste sono possibili solo se la struttura è plastica, mobile.

La componente lipidica è la maggioranza mentre quella proteica cambia da cellula a cellula: essa è la componente selettiva e specifica per ogni cellula. I sistemi di trasporto selettivi si trovano quindi nei particolari tipi di cellule.

Componenti lipidiche delle membrane

• Fosfolipidi: formano la struttura della membrana. Hanno un ruolo strutturale. Hanno una natura anfipatica con testa polare (formata dal glicerolo, dal gruppo fosfato e/o da residui che contengono uno o più gruppi polari –OH, come la colina), disposta a contatto con ambiente liquido intracellulare e extracellulare, e coda apolare che rappresenta il core idrofobico della membrana biologica entro il quale si integrano le proteine. La coda è formata da catene idrocarburiche di acidi grassi con atomi di C in numero regolare, attorno a 12-20 atomi di C, i quali danno lo spessore della membrana. La lunghezza e la presenza di doppi legami nelle catene influisce sulla permeabilità e fluidità della membrana. Una membrana fluida è con doppi legami favorisce la mobilità dei lipidi oltre che il cambiamento conformazionale delle proteine. I fosfolipidi hanno diversa composizione nei due lati della membrana.
• Glicolipidi: in quantità minoritaria. Sono simili ai fosfolipidi per la struttura ma hanno in più la componente degli zuccheri, o mono o disaccaridi. Si affacciano solitamente sul lato extracellulare. Hanno ruoli aggiuntivi non strutturali. Essendo sul lato extracellulare svolgono il ruolo di protezione: funge infatti da barriera protegge la cellula da enzimi digestivi e da cambiamenti di pH. Hanno un ruolo anche nel modulare la carica di superficie, ovvero la differenza di carica tra ambiente extra e intracellulare. Ci spiega quindi come cellule neuronali generano e conducono la carica. Sono implicati anche nell’isolamento elettrico, perché si trovano nella mielina. Hanno un ruolo importante nell’adesione cellulare. Sono una componente peculiare che fornisce proprietà aggiuntive al doppio strato.
• Colesterolo: in quantità minoritaria. È il principale sterolo della membrana con testa polare piccola con gruppo –OH; ha poi ha 4 anelli sterolici e una corta catena di acidi grassi. Si interpone nel doppio strato con gli anelli. Ha il ruolo di aumentare mobilità laterale di fosfolipidi, controllare la fluidità della membrana, controllare la permeabilità all’acqua della membrana. Nel globulo rosso la permeabilità è massima perché ho poco colesterolo; nel rene la permeabilità è minima perché trovo molto colesterolo. Più colesterolo ho, più la membrana è rigida. Esempio: negli animali che vanno in letargo la quantità di colesterolo nelle loro cellule diminuisce se no cellule solidificherebbero. Quindi tali animali giocano sulle quantità colesterolo.

I lipidi hanno non solo ruolo struttura ma sono anche molecole segnale. Vi sono infatti molecole segnale (come DAG e IP3) che originano da lipidi e che costituiscono segnali che inducono cascate intracellulari. Nella membrana plasmatica, i lipidi non sono uniformemente distribuiti nella cellula ma si associano tra loro e formano delle zattere lipidiche. I picchi che si notano sono proteine, le zattere sono costituite da fosfolipidi che qui si arricchiscono i recettori o canali ionici; le zattere hanno quindi un ruolo importante perché sono piattaforme per la trasduzione del segnale o per il trasporto di molecole. Sono anch’esse strutture dinamiche. La membrana quindi è plastica e la cellula può modificarla modificando di conseguenza le sue proprietà.

Proteine di membrana

Le proteine formano la componente più variabile della membrana, differente da cellula a cellula e da membrana a membrana. Prendendo in considerazione la composizione % della membrana varia a seconda della cellula presa in esame:

Dove la membrana ha funzione enzimatica, la quantità di proteine aumenta. Dove la membrana ha funzione di barriera la quantità di proteine diminuisce. Le caratteristiche funzionali di ogni cellula dipendono dal tipo di proteine espresso in quella cellula. Ci sono proteine:

• Integrali: attraversano più volte la membrana e generano pori acquosi intracellulari fondamentali per il passaggio di sostanze.
• Periferiche
• Ancorate ai lipidi
• Ancorate al citoscheletro: sono fondamentali per reclutare a arricchire i domini specifici della membrana. Sono molto efficaci in quello specifico punto della cellula e devono essere trattenute saldamente lì. Per farlo si associano al citoscheletro così che anche se i lipidi si muovono, esse comunicano tra loro e sono salde, così la risposta della cellula è efficace grazie all’attivazione della cascata di segnale.

In base alla funzione si hanno:

• Proteine strutturali
• Enzimi
• Recettori che trasducono segnale: consentono a cellula di comunicare con altre
• Canali e trasportatori: mediano il trasporto di sostanze.

Trasporti attraverso le membrane biologiche

Parleremo di soluti che si spostano: è quindi necessario sapere le unità di misura che li identificano.

• Mole: 6x10²³ atomi o molecole
• Peso di una sostanza: peso molecolare (PM) x numero di moli
• Molarità: numero di moli/ L di solvente (acqua)
• pH: -log[H⁺] dove [H⁺] plasmatica = 40x10^-9 moli/L pH= 7.4
• Osmolarità (Osm/L): numero di particelle osmoticamente attive nelle quali un soluto si dissocia in 1L di solvente (acqua, solvente di eccezione delle cellule). Osm sta per osmoli. Noi parleremo di milliosmoli/L. 1 mol di glucosio = 1 Osm, 1 mol di NaCl = 2 Osm perché quando dissociato NaCl in Na⁺ e Cl^- mi offre ben due particelle osmoticamente attive.
• Osmolalità: (Osm/Kg): N particelle osmoticamente attive nelle quali un soluto si dissocia/Kg di solvente.

Nei sistemi biologici l’acqua si sposta. Per valutare il suo spostamento si usa l’OSMOLE che è il numero di particelle che contribuiscono alla pressione osmotica di una soluzione. Se si osserva la concentrazione dei soluti nell’ambiente intra ed extracellulare, ci si accorge che è diverso; questo è fondamentale per spiegare le funzioni della cellula. Questa diversa concentrazione viene generata dal LAVORO DI TRASPORTO.