Fisiologia veterinaria 1

Fisiologia veterinaria

Cellule procariotiche ed eucariotiche

Le cellule procariotiche ed eucariotiche presentano numerose differenze. Le cellule procariotiche non possiedono un sistema di membrane, sono prive di organelli e del nucleo e presentano un DNA circolare contenuto all'interno del citoplasma. Questa struttura rudimentale è dovuta al fatto che la cellula procariote appartiene ad organismi come i batteri che non svolgono funzioni complesse. Le cellule eucariotiche sono più sviluppate delle prime e a differenza di queste possiedono:

• Nucleo all'interno del quale è presente il DNA a doppia elica
• Sistema di membrane
• Citoplasma
• Diversi organelli

Membrana plasmatica

La funzione principale della membrana è quella di isolare l'ambiente intracellulare dall'extracellulare. È costituita per il 70% di acqua ma contiene anche carboidrati, lipidi, amminoacidi, vitamine, proteine e acidi nucleici. L'acqua, essendo il costituente principale, è perciò fondamentale per tutti i processi metabolici e vitali della cellula. La membrana ha una disposizione regolare e precisa. È costituita da un doppio strato lipidico contenente proteine e regola il trasporto dall'interno all'esterno della cellula, permette il riconoscimento cellula-cellula ed è liberamente attraversata da acqua, CO₂ e piccole molecole diffusibili.

Gli studi relativi alla struttura della membrana plasmatica sono datati fine '800 in cui si dimostrò che le sostanze lipidiche, apolari, penetravano più facilmente all'interno delle cellule. Successivamente si dimostrò che i lipidi nelle membrane costituivano un doppio strato (modello a sandwich) di lipidi le cui teste idrofile e polari erano poste verso l'esterno mentre le code idrofobiche verso l'interno (anfipatica). Le teste polari interagivano con proteine fisse associate alla membrana. Infine, si arrivò al modello a mosaico fluido che descrive la membrana come un doppio strato di molecole lipidiche, di natura anfipatica alla quale sono associate delle proteine di membrana che galleggiano nel doppio strato. Queste proteine non sono fisse ma in parte penetrano nel doppio strato permettendo l'ingresso di sostanze all'interno o si muovono all'interno della membrana veicolando il trasferimento di molecole tramite cambiamenti conformazionali (flip-flop).

Soluzioni e trasporto di soluti

Una soluzione è una miscela omogenea formata da più componenti (prevalentemente liquidi), costituita dal componente più abbondante (solvente), e da quelli presenti in minore quantità (soluti). Quando si forma la soluzione, il solvente non cambia lo stato fisico. L'acqua rappresenta la componente più abbondante della cellula ovvero il solvente. Le soluzioni possono essere gassose, liquide o solide. Le miscele eterogenee come il sangue sono costituite da elementi che tra loro non si dissolvono in maniera uniforme mantenendo la propria identità funzionale.

Il soluto corrisponde alla componente in minore quantità. Quando posto in acqua, il soluto NaCl cambia il suo stato fisico per formare la soluzione. Infatti, in ambiente acquoso gli ioni Na⁺ e Cl^- che si originano vengono circondati dalle molecole di acqua. Esse si orientano in modo da rivolgere la parziale carica positiva, presente sull'idrogeno, verso lo ione negativo, e la parziale carica negativa, presente sull'ossigeno verso lo ione positivo. Quindi si formano degli ioni idrati perché circondati da molecole di acqua. NaCl è fondamentale per la maggior parte dei processi cellulari.

Gli elettroliti sono sostanze che disciolte in acqua o in altri solventi si dissociano in ioni dotati di carica elettrica positiva o negativa. Sono costituiti da acidi, basi e sali. Non hanno solo il compito di trasporto di sostanze ma anche di generare una differenza di potenziale chimica, elettrica o elettrochimica dovuta a una diversa distribuzione delle cariche tra l'interno e l'esterno della cellula. Gli elettroliti maggiormente rappresentativi sono: Sodio, Calcio, Potassio, Magnesio, Cloro e lo Ione bicarbonato. Gli elettroliti minori sono: Ferro, Rame, Manganese, Cobalto, Cromo, Zinco e Bromo

Unità di misura e soluzioni fisiologiche

La mole corrisponde al peso in grammi di 6,02 x 10²³ molecole. Dal punto di vista pratico, è il quantitativo in grammi pari al peso atomico (se monoatomico) o molecolare (se molecola) di una sostanza.

Equivalenti= mole di una sostanza ionizzata per la sua valenza (n° ioni rilasciati). Cariche nella soluzione. mole di NaCl = 2

Osmoli= moli di una sostanza per il numero di particelle liberate in soluzione Esempio: 1 equivalenti 1 mole di NaCl = 2 osmoli 1 mole di CaCl₂ = 4 equivalenti e 3 osmoli

La soluzione fisiologica NACL 0,9%, 0,15 molare, è una soluzione isotonica. Questa soluzione si dissocia formando 0,15 osmoli di NA e 0,15 osmoli di CL mantenendo l'equilibrio. La concentrazione plasmatica è 300 milliosmolare. Il mantenimento dell'equilibrio elettrolito è fondamentale, è possibile anche correggerlo. Ad esempio, in un animale che ha perso cloruro di sodio, si può iniettare la soluzione fisiologica che essendo isoosmotica al sangue non crea problemi di altra natura.

Proprietà delle membrane biologiche

Una membrana semipermeabile consente il passaggio del solvente, acqua, ma non dei soluti. La membrana cellulare è selettivamente permeabile, lasciando passare al suo interno piccole molecole prive di carica elettrica come l'O₂ e l'N₂, che si diffondono all'interno della cellula seguendo i loro rispettivi gradienti di concentrazione. Il glucosio possiede le dimensioni limite, per cui la velocità di transito risulta relativamente bassa. L'acqua passa grazie alle acquaporine e sfruttando la pressione. La membrana è impermeabile a tutti gli ioni, come ad esempio il K⁺ o il Na⁺, per il transito di questi elementi si rende perciò necessario un particolare sistema di passaggio attivo che, nel caso specifico, prende il nome di pompa sodio-potassio.

L'acqua nell'organismo e nella cellula si distribuisce in una componente intracellulare LIC che rappresenta il 40% del peso corporeo, e una componente extracellulare LEC che rappresenta il 20% del peso corporeo. L'acqua extracellulare a sua volta si divide in un 5% rappresentato dal plasma e il restante 15% che ritroviamo nel tessuto osseo e connettivo. La tecnica della diluizione permette di calcolare il volume plasmatico nei vari compartimenti. Si inietta un composto (come l'inulina) adeguato allo scopo e, dopo la sua omogenea distribuzione, si determina la concentrazione a seguito di prelievi a tempi stabiliti, valutando ogni volta la concentrazione di inulina nel campione. Il rapporto tra la quantità (in mg) di sostanza e la sua concentrazione permette di valutare il volume plasmatico.

Determinazione quantità di acqua nei compartimenti mediante la tecnica della diluizione

• V=volume non noto
• Q=quantità di sostanza iniettata
• E=quantità di sostanza escreta
• C=concentrazione sostanza nel comparto di interesse

Nella cellula non c'è solo acqua, ma anche soluti e/o elettroliti. A seconda del compartimento cellulare c'è una differente distribuzione dei vari elementi. Nel liquido extracellulare c'è una predominanza di Na⁺ e Cl^-, mentre K⁺, fosfati e proteine abbondano nella frazione intracellulare. Nel LEC Cl^- si muove passivamente dall'interno verso l'esterno, scambiandosi con il carbonatione importante meccanismo di sistema tampone. Al fine di garantire un equilibrio idrico-salino i due compartimenti (LEC e LIC) devono mantenersi in equilibrio, attraverso l'eguaglianza tra bilancio esterno e bilancio interno.

Trasporto attraverso la membrana

È possibile quando il LIC ed il LEC sono in equilibrio che origina da:

• Bilancio esterno: basato sull'apporto di fluidi (acqua) con la dieta (assunzione diretta di acqua, acqua contenuta negli alimenti, o derivante dai processi metabolici)
• Bilancio interno: quantità di soluti che circola tra le cellule e gli spazi intercellulari

I soluti sono in grado di muoversi attraverso meccanismi di trasporto sia attivi che passivi. I trasporti attivi richiedono un dispendio di energia che ricavano dall'idrolisi di ATP.

Diffusione semplice

Se si mettono delle gocce di colorante in acqua queste si diffondono e si otterrà una soluzione omogenea. Questa diffusione avviene semplicemente perché la goccia era molto concentrata ed entrando in contatto con un mezzo non contenete colorante e meno concentrato, si è diluito. In breve, è avvenuto il passaggio da un compartimento più concentrato a uno meno concentrato! Il meccanismo della diffusione porta le particelle che si muovono in un ambiente liquido o gassoso a distribuirsi uniformemente, secondo il gradiente di concentrazione, nello spazio a disposizione. L'ossigeno e il biossido di carbonio, molecole piccole e prive di carica, attraversano le membrane per diffusione semplice. Non tutte le molecole riescono ad attraversare la membrana plasmatica per diffusione semplice. Movimento di molecole che avviene attraverso una membrana permeabile, in presenza di un gradiente di concentrazione nell'unita di tempo, fino al raggiungimento dell'equilibrio. Descrive la velocità con cui si muove una molecola permeabile attraverso la membrana da un punto A ad un punto B.

Legge di Fick

La diffusione netta del soluto costituisce il flusso (J) e dipende da:

• J=flusso o velocità di diffusione per unità di tempo
• D=coefficiente di diffusione
• A=area attraverso cui avviene la diffusione
• ΔC=differenza di concentrazione tra punti C1 e C2
• ΔX=distanza lungo cui avviene la diffusione

(Il segno meno indica per convenzione il passaggio da una zona più concentrata a una meno concentrata)

Un esempio è rappresentato dagli scambi che avvengono a livello dell'alveolo polmonare. L'alveolo non si riempie di sangue per ossigenare il flusso ematico, ma c'è una barriera aria-sangue formata da pneumociti di tipo I e capillari. Questa barriera permette, senza consumo di energia, gli scambi gassosi tramite i quali l'aria inspirata cede ossigeno al sangue, che da venoso diventa arterioso, mentre l'anidride carbonica fuoriesce dal sangue e passa nell'alveolo dal quale, con l'espirazione, viene eliminata nell'ambiente esterno.

Filtrazione e riassorbimento

Sono meccanismi di trasporto passivo, la cui regolazione avviene attraverso tre variabili: pressione idrostatica, pressione oncotica e permeabilità della struttura da attraversare. La filtrazione è il processo in cui la pressione idrostatica forza l'acqua e i soluti ad attraversare una membrana dotata di ampi pori (nel caso dei capillari, la membrana è rappresentata dall'endotelio capillare). Questo fenomeno si manifesta a livello dell'estremità arteriosa. La pressione idrostatica è la pressione esercitata da un liquido in tutte le direzioni sulle pareti del recipiente che lo contiene; ad esempio, nei capillari è la pressione che il sangue esercita sulle pareti dei capillari sanguigni.

Il riassorbimento prevede il passaggio dall'esterno verso la componente intracellulare grazie alla pressione colloido-osmotica o oncotica. Questa è legata a proteine intracellulari, come l'albumina, che richiamano l'acqua non riuscendo ad uscire. Si verifica principalmente nell'estremità venosa in cui si ha una minor pressione colloido-osmotica. Questi due meccanismi avvengono a livello del corpuscolo renale: precisamente la filtrazione a livello della capsula di Bowman mentre il riassorbimento avviene a livello del tubulo renale. Nel capillare si distinguono due estremità, arteriosa e venosa. All'estremità arteriosa avviene una fuoriuscita di liquido (acqua, soluti e nutrienti) per filtrazione. All'estremità venosa, invece, avviene un'assunzione di liquido (acqua e metaboliti di rifiuto), definita assorbimento.

Il termine omeostasi definisce la capacità di autoregolazione degli esseri viventi, importantissima per mantenere costante l'ambiente interno nonostante le variazioni dell'ambiente esterno. Le membrane cellulari (semipermeabili) hanno una bassa permeabilità alla maggior parte delle sostanze disciolte nel citoplasma e nel fluido extracellulare. Pertanto, l'acqua diffonde verso il lato della membrana (attraverso canali chiamati acquaporine), in corrispondenza del quale vi è una più elevata osmolarità, ossia una più bassa concentrazione di acqua.

Osmosi

L'osmosi è il processo di diffusione dell'acqua attraverso una membrana semipermeabile da una soluzione a più alta concentrazione di acqua e minor concentrazione di soluti a una soluzione a più bassa concentrazione d'acqua ma maggior concentrazione di soluti. Questo trasferimento è regolato dalla pressione osmotica che è la pressione da applicare per impedire la diluizione del soluto.

Diffusione facilitata

Come per la diffusione semplice, non comporta dispendio di energia, ma il passaggio di molecole avviene attraverso il supporto di trasportatori (pori, proteine transmembrana, carriers). Le proteine canali hanno una struttura tridimensionale cava che permette il passaggio di molecole che per caratteristiche chimico-fisiche e/o per ingombro sterico riescono ad attraversare tale canale. Un esempio sono le proteine canale presenti sulla membrana del globulo rosso che permettono il passaggio dello ione carbonato e dello ione cloro per garantire l'equilibrio. Anche il glucosio da solo non potrebbe attraversare la membrana e utilizza un trasportatore: una volta che la molecola di glucosio si lega alla proteina, quest'ultima subisce un cambiamento conformazionale che permette il trasporto del glucosio da una parte all'altra.

Trasporto attivo primario

Il trasporto attivo comporta dispendio di energia da parte della cellula e avviene contro il gradiente di concentrazione, per mezzo di speciali proteine di trasporto chiamate pompe. Ci sono tre modalità di trasporto:

• Uniporto: è trasportata una sola sostanza in una sola direzione
• Simporto: sono trasportate due sostanze diverse nella stessa direzione
• Antiporto: sono trasportate due sostanze diverse in direzioni opposte

Pompa Na+/K+

La pompa sodio-potassio ha il compito di mantenere stabile la concentrazione di Na⁺ e K⁺ ai due lati opposti della membrana plasmatica, con elevata [Na⁺] a livello extracellulare ed elevata [K⁺] nel citoplasma. Tale funzione è esplicata mediante antiporto ed idrolisi dell'ATP. La proteina è un tetramero (È formata da catene leggere α (113 kDa) catene minori β (55 kDa), che formano il complesso di reclutamento) che è posta all'interno della membrana e veicola il passaggio del sodio e del potassio tra l'interno e l'esterno della cellula. Le proteine trasportano i soluti contro gradiente, utilizzando l'energia ottenuta dall'idrolisi dell'ATP (ADP+P), per cui queste proteine sono dotate di attività enzimatica (ATPasi). Le pompe trasportano ioni, mentre i trasportatori ABC (ATP-binding casseRes) trasportano un'ampia gamma di molecole, compresi glucidi, aminoacidi e ioni. Il legame dell'ATP alla proteina di trasporto permette il cambiamento conformazionale necessario al trasferimento del soluto.

1. Tre molecole di Na⁺ e una molecola di ATP si legano alla pompa sodio-potassio
2. L'idrolisi dell'ATP (ADP+P in cui rimarrà legato alla proteina di membrana solo P) provoca un cambiamento conformazionale della proteina di membrana
3. Gli ioni sodio vengono liberati e la nuova forma del canale permette il legame di due ioni potassio
4. Il rilascio del fosfato P riporta il canale alla sua forma originaria e gli ioni potassio vengono liberati all'interno della cellula

Le pompe si trovano a livello dello strato basale di tutti i tessuti epiteliali.

Trasporto attivo secondario

È un fenomeno che consente il trasporto di sostanze contro gradiente di concentrazione, sfruttando il movimento di una seconda sostanza che si muove, invece, secondo gradiente di concentrazione. Non viene speso direttamente ATP, ma viene sfruttata la differenza di potenziale elettrochimico creata dai meccanismi di trasporto attivo primario. Un esempio è il co-trasporto sodio-glucosio a livello intestinale e renale:

1. Si legano due ioni sodio alla proteina di membrana e ciò provoca il legame del glucosio ed il successivo cambiamento conformazionale
2. Il trasportatore si apre verso l'interno e il sodio viene liberato e a sua volta espulso nuovamente mediante la pompa sodio-potassio
3. La fuoriuscita del sodio determina la liberazione del glucosio all'interno e il ristabilirsi della conformazione iniziale della proteina

In breve, la pompa sodio-potassio muove gli ioni sodio dall'interno all'esterno, usando l'energia dell'idrolisi di ATP per instaurare un gradiente di concentrazione di tali cationi. Gli ioni sodio posti all'esterno della cellula, muovendosi secondo gradiente verso l'interno, determinano il trasporto di glucosio contro il suo stesso gradiente di concentrazione.

Endocitosi ed esocitosi

Endocitosi è un processo di inglobamento di materiali determinato dall'intervento attivo della membrana, che modifica la sua forma, circondando il materiale da introdurre, per poi racchiuderlo in una vescicola che si libera all'interno del citoplasma. L'endocitosi richiede un notevole consumo di energia e consente l'assunzione di materiale di dimensioni più elevate. Se il materiale è solido si parla di fagocitosi, se è liquido di pinocitosi.

Esocitosi è il processo inverso, mediante il quale vescicole contenute nel citoplasma si fondono con la membrana cellulare, liberando così all'esterno della cellula il loro contenuto. Questo processo si verifica, ad esempio, nelle cellule nervose che posseggono all'estremità del loro prolungamento assonico (la fibra nervosa) vescicole contenenti un neurotrasmettitore, che viene liberato all'esterno per eso.