Fisiologia delle cellule

Fisiologia cellulare

Studio del comportamento delle cellule

Studio del comportamento delle cellule, quali sono i meccanismi che mettono in atto per dare luogo a determinati fenomeni che sono particolarmente importanti. Tutto si basa sul principio di complementarità, secondo cui la funzione riflette sempre la struttura. Ciò che un organo può fare dipende dalla sua struttura, che si è evoluta affinché l'organo potesse effettuare quella determinata funzione.

Il riduzionismo in fisiologia

Consiste nel tentativo di spiegare i fenomeni biologici in base a leggi fisico-chimiche. Da questo deriva la tendenza a scomporre l'organismo in parti: organi, tessuti, cellule, componenti subcellulari, molecole. Questo approccio sperimentale ha avuto molto successo, ma è opportuno ricordare che l'insieme è più delle parti che lo compongono perché comprende anche le interazioni tra le parti. In un organismo i sistemi deputati a mantenere le interazioni tra le parti sono fondamentalmente il sistema nervoso e il sistema endocrino. Quindi lo studio dell'organismo si basa sullo studio delle piccole parti da cui è composto, andando a capire i singoli meccanismi.

L'organismo umano è fatto da tante parti che interagiscono fra di loro e queste interazioni sono molto importanti. Esse avvengono grazie al sistema nervoso ed endocrino.

Lo studio della fisiologia

Claude Bernard (1813-78) introdusse il concetto di stabilità dell'ambiente interno dell'organismo, il "milieu intérieur". Walter Cannon (1871-1945) definì l'omeostasi come la tendenza dell'organismo a mantenere lo "stato stazionario", ovvero un ambiente interno stabile a fronte di modificazioni ambientali. Con la fisiologia studiamo quello che Bernard definiva come milieu intérieur, quell'ambiente interiore che l'organismo tende a tenere stabile a fronte di tutte quelle modificazioni sia nell'ambiente esterno che interno.

La vita ha avuto origine nel mare, quindi un ambiente in cui ossigeno, pH, la salinità non subivano grosse variazioni, cambiava solo la luce e la temperatura. Nonostante questo, gli organismi erano in grado di rispondere a variazioni delle sostanze nutritive (quindi di spostarsi verso queste sostanze). Quando anche gli organismi più evoluti si sono trasferiti dal mare verso ambienti salmastri e poi verso ambienti terrestri, si sono dovuti evolvere e cambiare una serie di meccanismi fisiologici, strumentali e comportamentali che avevano come scopo quello di mantenere l'ambiente interno costante.

Trasferendosi sulla terra, l'acqua non è più in continua disposizione, l'ambiente non è umido, non c'è salinità, la temperatura cambia drasticamente e l'ossigeno bisogna approvvigionarsene per cui ci è voluto tutta una serie di evoluzioni. Gli animali terrestri come l'uomo tendono a perdere liquidi in un ambiente esterno asciutto e molto variabile: superfici corporee impermeabili.

Solo una piccola parte di cellule dell'organismo è in contatto diretto con l'ambiente esterno (le cellule di scambio). La maggior parte delle cellule è circondata dal fluido extracellulare che funziona da interfaccia con l'ambiente esterno. Se mutano le condizioni esterne ciò si riflette sul liquido extracellulare che a sua volta influenza le cellule, le quali non sono molto tolleranti a variazioni che si verificano nelle loro immediate vicinanze. Quando il liquido è diverso dal normale entreranno in gioco tutta una serie di meccanismi che ripristineranno il liquido nelle sue normali condizioni. Di conseguenza l'organismo mette in atto una serie di meccanismi per mantenere invariata la composizione del fluido extracellulare (omeostasi).

Omeostasi

L'omeostasi ha lo scopo di mantenere costante il fluido extracellulare, le cellule in contatto con l'esterno hanno evoluto il loro sistema di protezione (strati più esterni sono cheratinizzati, quindi impermeabili). Quando ci saranno delle variabili, l'organismo perde il suo equilibrio e si avrà quello che viene chiamato perdita di omeostasi, quindi l'organismo tende a compensare questa variazione. Se si ha successo portando la variabile nel suo range di normalità continueremo in condizioni di benessere. Quando invece questa compensazione non ha successo allora andremo incontro a disordine o a delle patologie.

Abbiamo uno stimolo (variazione/disturbo) che va a portare una serie di eventi:

• Usciamo dalla nostra casa che è calda verso un ambiente freddo quindi la nostra temperatura corporea inizia a diminuire.
• La variazione di glucosio nel sangue durante la notte si abbassa in quanto sono passate molte ore dalla cena.

Questi stimoli vengono recepiti da un sensore sensoriale che controllano continuamente la variabile a cui sono deputati. Quando questi sensori ricevono questi stimoli, tramite dei neuroni, li portano al centro di integrazione (centralina di controllo-cervello) e darà luogo a delle risposte che cercano di portare nella norma il parametro uscito dall'omeostasi. Lo stimolo deve essere abbastanza forte da essere sufficiente per attivare il sensore.

Esempio: Se la temperatura scende da 20°C a 19,9°C il sensore non sarà in grado di percepire questa variazione, mentre se scende a 19,5°C probabilmente lo percepirà facendo partire la risposta. Le cellule endocrine invece fanno da sé (a sé stanti) quindi rispondono loro stesse alle variazioni. Esempio: Nel pancreas quando il glucosio è troppo alto, le cellule beta producono insulina che vanno ad abbassare il glucosio.

All'interno dell'organismo ci sono cellule sensoriali in ogni singola parte, all'interno muscolatura, tendini, articolazioni, e funzionano costantemente.

La temperatura

La temperatura è uno di quei stimoli che devono essere sempre tenuti sotto controllo, per cui quando essa fuoriesce da quella variazione che è ritenuta nella norma si attivano tutta una serie di stimoli:

• In caso di aumento della temperatura, il termostato segnala all'ipotalamo (è una piccolissima zona del diencefalo, la parte più antica, ha tantissime funzioni) è il centro di integrazione che controlla la temperatura. Questo stimolo mette in atto dei processi che abbasseranno la temperatura:
  • Si dilatano i vasi sanguigni soprattutto i capillari, aumenta così la superficie che fa scorrere il sangue (caldo) che irradia maggiormente calore. Andiamo così a perdere calore.
  • Si attivano le ghiandole sudoripare che producono maggior sudore che si stratificherà sulla pelle e userà la temperatura corporea per evaporare. Solo mantenendo in contatto il sudore con la pelle si avrà una perdita di calore.
• In caso di diminuzione della temperatura, una volta segnalata all'ipotalamo, vengono messe in atto anche qui due sistemi:
  • La superficie dei capillari diminuisce in modo da irradiare meno calore.
  • Vengono attivati delle contrazioni involontarie, i brividi, della muscolatura che genera calore.

Sistema a feedback negativo in cui lo stimolo iniziale porta una risposta che fa abbassare lo stimolo iniziale il circuito di risposta poi si inattiva evitando che ci sia un circolo vizioso (es. la temperatura si continui ad abbassare senza che ce ne sia bisogno). In genere sono tutti stimoli negativi in cui la risposta fa spegnere lo stimolo iniziale.

Sistema feedback positivo, lo stimolo iniziale dà una risposta e questo porta a una variazione che stimola periodicamente lo stimolo iniziale, si crea un loop. Interviene quindi uno stimolo esterno che porta ad arrestare questo circolo.

Esempio: La produzione di ossitocina che avviene durante il parto. La testa del bambino spinge contro il varco uterino producendo questo ormone che inizia a dare delle contrazioni alla muscolatura uterina che inducono un'ulteriore produzione di ossitocina, che a sua volta porta a maggiori contrazioni. Il sistema quindi si autosostiene producendo contrazioni sempre più forti. E una volta concluso il parto, quindi non avendo più la testa del bambino che spinge sull'utero, si ha questo arresto del circolo.

Cellule

La maggior parte delle cellule non sono in contatto con l'ambiente esterno ma sono circondate da quello che viene comunemente chiamato liquido interstiziale. Abbiamo due compartimenti liquidi corporei:

• Liquido intracellulare
• Liquido extracellulare diviso in due compartimenti:
  • Liquido interstiziale
  • Plasma (all'interno dei vasi)

Gli scambi tra le cellule e i vasi avvengono solo con i capillari, in quanto le vene e le arterie hanno pareti più spesse. La parete che divide il liquido interstiziale dai capillari si chiama endotelio. Il passaggio di sostanze dal plasma al liquido interstiziale avviene abbastanza facilmente. Questo perché nell'endotelio ci sono degli spazi che permettono il passaggio di sostanze più piccole, gli ioni, che si mettono in equilibrio fra loro (es. sodio), se è troppo da una parte esso si sposterà in modo che ci sia la stessa quantità in entrambe le parti.

Le molecole più grandi contenute nel plasma (proteine) non riescono a passare. Tra liquido interstiziale e intracellulare c'è la membrana cellulare che non permette il passaggio di sostanze, se non sostanze che sono estremamente controllate. Questi liquidi hanno tutti la stessa molarità, è importante che sia mantenuta costante. Essa viene mantenuta costante in quanto i diversi ioni non sono ugualmente distribuiti tra l'interno e l'esterno della cellula.

Il calcio (Ca²⁺) nella cellula viene segregato all'interno di zone ben particolari e viene liberato solo in determinati momenti. Nella cellula ci sono tantissimi A⁻ (anioni), sono tutte proteine, concentrate tutte all'interno della cellula perché non riescono a uscire.

Na⁺, Cl⁻ sono concentrati di più all'esterno della cellula, mentre K⁺ e A⁻ ne troviamo di più all'interno della cellula.

Meccanismi di trasporto delle sostanze

• Diffusione semplice: Si ha quando si parla di piccole molecole senza carica (O₂, CO₂, N₂, benzene, H₂O, glicerolo, etanolo e anche le vitamine idrofobiche) possono passare senza problemi le membrane cellulari. Questo tipo di meccanismo non richiede trasportatori, né energia ma seguono il gradiente di concentrazione fino all'equilibrio.
• Canali ionici: Sono strutture proteiche che si dispongono all'interno della membrana in modo da creare un foro che permette il passaggio di alcune sostanze. Sono selettivi, ogni tipo di canale ionico può passare una determinata sostanza. Sono selettivi ma non completamente specifici: il canale del Na⁺ lascia passare anche il K⁺ ma con un'efficienza 1000 volte inferiore. Non tutte le cellule hanno gli stessi canali. Sono ad accesso controllato:
  • A controllo di potenziale: Si apre e si chiude in risposta a variazioni di voltaggio. All'interno della membrana c'è un potenziale elettrico e quando questo cambia, porta ad aprire e chiudere determinati canali.
  • A controllo di ligando: Si apre e si chiude in risposta all'interazione con il ligando specifico (interno o esterno). Canali che si aprono o chiudono quando si lega una determinata sostanza.
  • A controllo meccanico: Si apre e si chiude in risposta a stimolazioni della membrana. In base a quanto la membrana viene stirata.
• Trasporto attivo: Molecola che si occupa del trasporto, la più importante è Na/K ATPasi. Serve per mantenere le concentrazioni intracellulari diverse da quelle extracellulari. Essa consuma il 20% dell'ATP prodotta dalle cellule, addirittura nei neuroni consuma il 70%. L'uscita di tre ioni Na⁺ e l'ingresso di due ioni K⁺ causa la presenza, all'interno della cellula, di un potenziale elettrico negativo. Dall'ouabaina (una pianta) vengono estratte queste sostanze che hanno proprietà anestetiche e se utilizzate in quantità sopraelevate sono tossiche. Migliorano l'attività del cuore.

Le sostanze che hanno una concentrazione diversa tendono a cercare di diffondere. Il flusso che si genera è sempre proporzionale alla forza che lo genera:

J = UcX^-1 - 2 sec/cm

J: moli, U: mobilità della sostanza in esame, c: concentrazione della sostanza nel tratto percorso, X: è la forza che sposta una mole di materiale.

L'equazione di Teorell può essere utilizzata per descrivere i trasporti sia attivi che passivi. Ogni volta andrà individuata la forza coniugata al flusso. Le forze coniugate al flusso possono essere espresse come lavoro compiuto per spostare una mole in un tratto unitario di percorso.

L'energia che si traduce in lavoro è parte dell'energia libera del sistema (trasporto passivo) o è fornita dal metabolismo (trasporto attivo). Il flusso quindi è la quantità di soluto che attraversa un'area unitaria nell'unità di tempo. Questi flussi vengono regolati dalla I legge di Fick: la diffusione dipende dalla concentrazione di sostanza e dallo spazio che deve percorrere.

Flusso diffusivo

C'è un flusso netto di colorante dalla zona ad alta concentrazione a quella a bassa concentrazione. La costante di proporzionalità dipende dalla mobilità del soluto ed è la pendenza del gradiente di concentrazione. Gli spostamenti di questi ioni avvengono all'interno di un campo elettrico, per questo è importante anche tenere in considerazione le cariche degli ioni. All'interno della cellula abbiamo molti anioni (cariche negative), mentre all'esterno abbiamo cariche positive date dal sodio, quindi sodio. Esso tenderà ad entrare all'interno della cellula mentre gli anioni tenderanno ad uscire dalla cellula.

L'equazione di Nernst Planck ci dice che il flusso di particelle da una parte all'altra della membrana è proporzionale alla concentrazione segue gradiente elettrico di concentrazione ed è inversamente proporzionale alla distanza. Una differenza di cariche (Δq) ovvero di potenziale elettrico (ΔV) ai due capi della membrana influenza il movimento degli ioni. Quindi, il flusso di particelle cariche dipende non solo dal gradiente di concentrazione ma anche dal gradiente elettrico.

Forza osmotica

Avendo due "contenitori" separati da una membrana impermeabile questo soluto non riesce a passare da una parte all'altra. Ma è permeabile all'acqua e essendo un soluto avente concentrazioni diverse ai due lati della stessa, l'acqua si muoverà cercando di uguagliare le concentrazioni di soluto ai due lati della membrana. Questo sistema crea una pressione idrostatica che va a controbilanciare la forza di osmosi.

Questa forza osmotica si misura con:

π = nRT/V

R: costante dei gas, n: numero di moli, V: volume di soluzione, n/V: concentrazione del soluto.

Quanto vale la pressione osmotica di una soluzione fisiologica? Soluzione di NaCl 150 mM a 25°C P = 5,7 atm.

• Trasporto passivo
• Trasporto accoppiato

Molarità (M): numero di moli in un litro di soluzione.

Osmolarità (Osm): È il numero di particelle che contribuiscono alla pressione osmotica della soluzione. Si calcola come il prodotto tra la molarità e il coefficiente di Van't Hoff (il numero di particelle di soluto che si formano in seguito alla dissociazione del soluto stesso). Se il soluto non è un elettrolita e quindi non si dissocia, l'osmolarità è uguale alla molarità.

Le cellule devono essere isotoniche: Concentrazione di NaCl nel fluido extracellulare.

La forma della cellula cambia in base all'osmolarità. Normalmente la [NaCl] extracellulare bilancia la [soluto] intracellulare. Il bilancio è mantenuto dalla pompa Na-K ATPasi. Ogni cellula ha un potenziale di membrana a riposo, cioè una differenza di cariche tra l'esterno e l'interno della membrana.

I canali di voltaggio dipendenti del sodio e di potassio sono chiusi finché non ci sono variazioni di voltaggio. Ma ci sono dei canali passivi che permettono questi passaggi (di Na e K), per questo interviene Na/K ATPasi che invece porta fuori il sodio e riporta dentro il potassio. Il gradiente ionico e la selettività della membrana (cioè quali canali sono presenti) contribuiscono alla genesi del potenziale di membrana. Il sodio tende ad entrare sia per gradiente di concentrazione (chimico), quindi in base alla quantità di soluto presente, sia per gradiente elettrico (carica) grazie al fatto che è un catione tende a spostarsi verso un ambiente negativo (cioè quello intracellulare). Il potassio invece per gradiente di concentrazione tende a uscire verso ambiente extracellulare, ma essendo anche lui un catione, il gradiente elettrico si oppone al passaggio del potassio verso esterno, riportandolo dentro (sono quindi da considerare entrambi i gradienti).