Appunti Fisologia della nutrizione, non completi

Fisiologia della nutrizione

La nutrizione è sinonimo di energia, tutto ruota attorno all’ATP.

L’ATP rappresenta la forma di energia potenziale di natura chimica composta da uno

zucchero, una base azotata e 3 Pi.

Il legame tra la base azotata e il primo fosfato è di tipo fosfodiesterico mentre gli altri

due legami di Pi sono di tipo anidridico (questi sono ad alta energia).

Questa molecola è una forma di immagazzinamento dell’energia a partire dai

processi che avvengono all’interno del mitocondrio. Una molecola paragonabile è il

cofattore NAD+ che si riduce a NADH.

Le soluzioni in cui gli organismi viventi si muovono sono soluzioni neutre

(elettroneneutre) mentre a livello delle membrane biologiche si crea una differenza di

potenziale in quanto c'è un accumulo di cariche ai due lati. Si ha quindi un flusso di

cariche, positive e negative, generando così corrente.

Corrente elettrica = flusso di e- definito anche come movimento di cariche

attraverso la membrana plasmatica dotata di canali ionici

La membrana è costituita da fosfolipidi, molecole anfipatiche dotate di testa idrofilica

(acido fosforico) e una coda idrofobica (glicerolo e due acidi grassi).

La membrana dunque ha una porzione centrale priva di H2O e per tale motivo tutte le

molecole idrofiliche, compresi gli ioni, hanno bisogno di molecole di trasporto per

eseguire l’attraversamento.

Nel momento in cui NON esistono sistemi che ne permettono il passaggio tra i due

foglietti, le molecole si accumulano a cavallo della membrana e determinano il

potenziale elettrochimico.

Potenziale elettrochimico = rappresenta la forza motrice che determina il

movimento degli ioni, misura di quanto una sostanza “vuole” muoversi o reagire

tendendo conto della sua concentrazione e della carica

Questa spinta viene anche chiamata come energia potenziale elettron-chimica è

un’energia associata alla posizione e allo stato chimico di specie cariche (ioni o e)

all’interno di un sistema.

Energia potenziale eletttron-chimica = E chimica (dipende dalla C) + E elettrica

(dipende dal potenziale elettrico)

- ↑ C fuori dalla cellula di Na+ e Cl-

- ↓ C fuori dalla cellula di K+

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- Il Ca+ ha ↑ C fuori dalla cellula oppure viene racchiuso nel RE perché funge da

secondo messaggero

Questa diversa distribuzione delle cariche fa sì che ci sia un accumulo di carica

negativa all’interno della membrana, infatti in condizioni di riposo, il potenziale di

membrana corrisponde a -70 mV.

Nella catena respiratoria mitocondriale, a livello del mitocondrio precisamente nella

sua membrana interna si crea la forza proton-motrice, la quale permette di

accumulare sul lato interno enormi quantità di protoni (H+).

La forza protone-motrice che viene a generarsi viene adoperata da un’enzima definito

come ATP-sintasi. Questo enzima presenta una porzione transmembrana con un

canale interno dedicato al passaggio di e-, facendo ciò si converte l’energia potenziale

del protone in ATP.

I vari complessi coinvolti nella catena respiratoria catalizzano una serie di reazioni

redox che permettono il trasferimento di e- e pompano protoni fuori dalla membrana

mitocondriale.

Il punto di partenza è l’idrogeno e termina con l’ossigeno che si riduce ad H2O.

Una volta che l’ATPsintasi apre il canale ionico, i protoni lo attraversano e l’enzima

dissipa la forza protone-motrice in energia potenziale.

Lo stesso meccanismo avviene nelle piante, a livello del cloroplasto e il punto di

partenza ha origine da un fotone di luce.

I canali ionici sono in equilibrio dinamico tra due stati: chiuso e aperto.

Nel primo caso il canale è un resistore ovvero resiste al passaggio di cariche mentre

nel secondo caso il canale è un conduttore, in quanto il poro centrale permette il

passaggio delle cariche.

- Resistenza della membrana dipendente dalla chiusura dei canali

- Conduttanza della membrana dipendente dalla apertura dei canali

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I canali sono dei trasportatori passivi in quanto permettono il passaggio degli ioni

senza consumo diretto di ATP ma vanno a sfruttare l’energia potenziale elettrochimica

già presente.

Possono essere più o meno selettivi ma definiti passivi perché NON hanno alcun

potere decisionale sul transito delle molecole (direzione, velocità). Lo ione

quindi si muove in base alla carica e in base alla concentrazione tra due spazi, questi

sono due elementi che caratterizzano il gradiente elettrochimico. La driving force del

movimento di uno ione consiste nella loro carica e concentrazione, dunque la direzione

netta della specie dipenderà dall’unione di queste due proprietà.

Gradiente elettrochimico = forza che spinge una carica (ione) a muoversi da una

zona a un’altra, è la combinazione di gradiente chimico (dipende dalla C) e dal

gradiente elettrico (dipende dalla carica)

ATT = il gradiente chimico è più forte (ha una spinta maggiore, una potenza maggiore)

del gradiente elettrico questo perché la differenza di C dei protoni è molto elevata e

rappresenta la principale forza motrice del loro movimento

MOVIMENTO degli IONI

- Se gradiente chimico ed elettrico vanno nello stesso verso = flusso potente

- Se gradiente chimico ed elettrico vanno in versi opposti = flusso dipende da quale è

maggiore

- Se gradiente chimico ed elettrico si bilanciano = equilibrio elettrochimico

1 - Ex. Na+

↑ [C] fuori e ho un potenziale elettrico negativo all’interno della cellula, allora ho un

flusso di Na+ verso l’interno della cellula

2 - Ex. K+

↓ [C] fuori e ho un potenziale elettrico negativo all’interno della cellula, allora ho un

flusso di K+ verso l’esterno della cellula.

Il potenziale di riposo è la differenza di carica elettrica tra l’interno ed esterno della

cellula quando non sta trasmettendo segnali. Viene anche chiamato tensione elettrica,

esiste perché gli ioni (Na+, K+, Cl-) sono distribuiti in modo diverso dentro e fuori la

cellula. Nei neuroni è -70 mV.

Legge di Ohm = la corrente che passa in un circuito dipende dalla tensione e dalla

resistenza (direttamente proporzionale a loro)

LEGGE di OHM

V = (I x R) / G

- V = voltaggio o potenziale rappresenta la differenza di potenziale elettrico tra

interno ed esterno della cellula (quanto forte è la spinta)

- I = corrente rappresenta il flusso di ioni attraverso la membrana (quanti ioni

passano)

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- G = conduttanza rappresenta l’abilità del canale ionico di far passare ioni (quanto è

facile il passaggio)

L'equazione di Nernst descrive la direzione e con quale forza uno ione tenderà a

muoversi se la membrana è permeabile solo a quello ione.

Esistono altri tipi di canali lungo la membrana che sono:

1 - Canali voltaggio dipendenti che si aprono in risposta a variazioni del potenziale

di membrana

2 - Canali ligando dipendenti che si aprono solo in seguito a legame con ligando

3 - Canali meccanosensibili che si aprono in seguito a stretch meccanico (stress

meccanico)

I 3° sono fondamentali a livello intestinale perché grandi variazioni di volume a livello

di stomaco e intestino generano delle risposte ai riflessi corti, medi e lunghi, sono

mediati dal SN.

L’organismo umano è costituito da circa il 70% di H2O, distribuita in diversi

compartimenti:

- 67% di H2O è contenuta nel liquido intracellulare (corrisponde a 28L o 2/3 del

totale) ovvero è contenuta all’interno delle cellule

- 25% di H2O è contenuta nel liquido extracellulare (corrisponde a 11L o 1/3 del

totale) di cui la maggior parte costituisce il liquido interstiziale e nei compartimenti

liquidi transcellulari (servono per attutire e gestire meglio l’attrito da movimento)

- 8% di H2O è contenuta nel plasma

L’acqua si muove per osmosi, ciò significa che si muove verso la porzione dove ci

sono più particelle disciolte cercando di equilibrare le concentrazioni tra due ambienti

e l’equilibrio osmotico nelle cellule ha un valore pari a circa 300 mOsm.

Osmosi = movimento spontaneo di acqua attraverso una membrana semipermeabile

Osmolarità = quante particelle osmoticamente attive totali ci sono in una soluzione

Tonicità = descrive come la soluzione modifica il volume cellulare (come l’H2O si

muove)

Una soluzione può essere definita come:

- ISOtonica = dentro e fuori sono uguali, NON ho alcun movimento di H2O e la

cellula resta normale

- IPERtonica = fuori c'è più roba sciolta che dentro, ↑ [C] all’esterno di molecole

attive rispetto che dentro, l’H2O passa dal LIC alla soluzione

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- IPOtonica = fuori c'è meno roba sciolta che dentro, ↓ [C] all’esterno di molecole

attive rispetto che dentro, l’H2O passa dalla soluzione al LIC

TRASPORTATORI

Un canale ionico aperto crea un poro acquoso che mette in comunicazione i due spazi

extra e intra cellulare. La proteina carrier invece trasporta un soluto da un lato all’altro

della membrana senza mettere in comunicazione i due ambienti.

I trasportatori attivi muovono soluti contro gradiente elettrochimico (diffusione

facilitata, trasporto attivo) fino a quando non raggiungono un grado di saturazione.

Per permettere il trasporto sono implicati una serie di cambiamenti conformazionali

che richiedono tempo e le concentrazioni di substrato diventano un fattore limitante.

Nella diffusione passiva la relazione tra velocità e gradiente di concentrazione è

lineare ovvero la velocità di diffusione aumenta indefinitivamente all'aumentare del

gradiente, questo perché NON esiste saturazione e NON c'è consumo di energia. Il

flusso esiste solo finché c'è un gradiente di concentrazione, appena viene dissipato

anche lo scambio di molecole si equilibra infatti NON si azzera ma continuerà

all’infinito (entrano tante quante escono, non c'è più trasporto netto).

Nella diffusione facilitata la velocità aumenta con il gradiente solo fino a

raggiungimento di un dato valore massimo, oltre il quale non può più crescere a causa

della saturazione dei carrier.

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I trasportatori attivi primari o pompe trasportano contro gradiente elettrochimico

tramite idrolisi di ATP. Tra essi ricordiamo:

1 - Sodio / potassio ATPasi

È espressa ovunque e senza di essa è impossibile mantenere un gradiente cellulare, la

cellula andrebbe incontro a morte. Viene anche definita come Na+ / K+ ATPasi, la

pompa presenta due stati con affinità differente:

- ↑ Affinità Na+

- Idrolisi di ATP —> ADP + Pi

- Escono nel LEC 3 Na+

- ↑ Affinità K+ e si va a rilasciare il Pi

- Entrano nel LIC 2K+

- Cambiamento conformazionale e ripristino a quello originale

LEC = liquido extracellulare (FUORI dalla cellula)

LIC = liquido intracellulare (DENTRO la cellula)

2 - Pompa protonica

Essa causa l’acidificazione dello stomaco, espressa sulla membrana apicale delle

cellule parietali dello stomaco (mucosa gastrica).

Viene definita come H+/K+ ATPasi e serve a secernere protoni (H+) nel lume dello

stomaco, permettendo la formazione di acido cloridrico (HCl), tutto questo eseguito

consumando ATP.

Serve per andare ad ↓ pH a circa 1-2, attiva il pepsinogeno (poi pepsina), difende dai

batteri e aiuta l’assorbimento di Fe e Vit. B12.

3 - Pompa SERCA

È una pompa del calcio che usa ATP per rimuovere Ca2+ dal citoplasma e accumularlo

nel reticolo sarcoplasmatico.

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Viene anche definita come Ca2+ ATPasi e si trova nel muscolo scheletrico, nel muscolo

cardiaco e in tutte le cellule che presentano RE, consentendo il rilassamento

muscolare.

I trasportatori attivi secondari trasportano le molecole contro gradiente

elettrochimico impiegando il flusso di un soluto che va secondo gradiente, sono infatti

definiti come secondari in quanto associati ai primari (cioè a pompe).

Questi tipi di trasporto sono associati a un trasporto passivo mediato (diffusione

facilitata) di uno ione (come Na+ o H+) secondo il suo gradiente elettrochimico si

ricava l’energia meccanica per effettuare anche il trasporto secondario ma contro

gradiente.

Si tratta spesso di trasportatori associati al Na+, come esempio il cotrasportatore

Na+ / Glucosio, infatti:

- Na+ lega al trasportatore

- Il legame del Na+ crea un sito di legame per il glucosio

- Il glucosio si lega e porta a cambiamento conformazionale del carrier

- Viene rilasciato nel citosol il Na+ e poi il glucosio

- Il trasportatore torna al suo stato originale

Ci sono anche altre definizioni per il tipo di trasporto effettuato come:

- Uniporto = trasporto di una sola molecola di soluto in una direzione specifica

- Simporto = trasporto di entrambe le molecole nella stessa direzione (ex. sodio-aa /

cloro e potassio / cloro)

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- Antiporto = trasporto delle molecole di soluto in direzioni opposte (ex. sodio-

protoni / calcio)

Durante l’assorbimento sono importanti i processi di:

ENDOcitosi = molecole di grandi dimensioni che vengono assorbite tramite una

struttura endosomica (molecole che vanno DENTRO)

La molecola si lega a specifici recettori presenti sul lato esterno della membrana e

l'interazione molecola-recettore provoca un ripiegamento della membrana verso

l’interno, fino a che una vescicola, contenente la molecola segnale su stacca dalla

membrana e va verso l’ambiente intracellulare.

ESOcitosi = vescicole che si fondono con la membrana rilasciando il contenuto

(molecole che vanno FUORI)

La molecola è contenuta in vescicole localizzate nel citoplasma, quando arriva un

segnale, generalmente un aumento della concentrazione intracellulare di Ca2+,

provoca la fusione della vescicola con la membrana cellulare, quindi si apre verso

l’esterno e rilascia la molecola.

RECETTORI

In questo caso il ligando si lega a una proteina recettoriale di membrana e a questo

punto il complesso ligando-recettore dà inizio a una risposta cellulare. I recettori

possono essere di due tipi:

1 - Recettori IONOTROPICI

È un canale ionico ligando-dipendente, infatti il legame con il NT determina una

modificazione strutturale della proteina, questo permette il passaggio di ioni (ex. Na+,

K+, Ca2+, Cl-) producono delle risposte rapide ma che si esauriscono in poco tempo.

2 - Recettori METABOTROPICI

È un recettore accoppiato a una proteina G (NON è un canale), agiscono attraverso

secondi messaggeri e generano delle risposte più lente ma durature (portano quindi

indirettamente all’attivazione di un altro canale).

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Le proteine G sono proteine trimeriche dove la subunità si attiva solo se è presente

GTP (in forma inattiva è GDP) e trasduce il segnale attivando enzimi o canali ionici

intracellulari.

Gli effettori sono adenilato ciclasi, fosfolipasi C e canali ionici.

Ex. attivando la subunità Gs, ↑ adenilato ciclasi che attiva cAMP, questa è l’attivazione

tipica delle cellule pacemaker e del tratto GI

Quale sarebbe il primo target farmaceutico?

Il primo target farmaceutico sono le proteine di membrana infatti gran parte dei

farmaci in commercio agiscono su questo obiettivo, in quanto modulano l’inizio delle

vie di comunicazione della cellula con l’ambiente esterno (agiscono sull'attività

cellulare).

Primo target = famiglia di recettori accoppiati a proteine G

- Secondo target = canali ionici

-

SISTEMA NEURONALE

Il sistema gastrointestinale è un sistema neuronale mesenterico complesso e

autonomo, per certi aspetti, che viene paragonato a un secondo cervello. Se infatti

mancassero le afferenze verso il SNC avremmo comunque una funzionante attività

basale.

Il PA è una variazione repentina e reversibile del potenziale di membrana.

  Nel tratto GI il PA, definito anche attività elettrica di base che regola la motilità, è

determinato da:

1 - Cellule interstiziali di Cajal (ICC)

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Sono cellule pacemaker, sono quindi spontanee, che generano onde lente (slow

waves) cioè variazioni ritmiche del potenziale di membrana.

Stabilizzano la frequenza e ritmo delle contrazioni e trasmettono l’attività elettrica alle

cellule muscolari lisce.

NON causano direttamente la contrazione, NON sono PA ma servono a determinare

quando una contrazione può avvenire.

Sono cellule che hanno una proprietà detta automaticità, quindi generano

spontaneamente oscillazioni del potenziale di membrana. Queste attività dipendono

da: canali ionici propri (Ca2+, Cl-, Ca2+-dipendenti) e oscillazioni intracellulari di

Ca2+. NON serve uno stimolo nervoso iniziale.

Il sistema nervoso enterico automatico NON avvia l’attività delle ICC ma può

modularla:

Parasimpatico (Ach) = ↑ ampiezza delle onde lente e facilita il superamento della

soglia

- Simpatico (NA) = ↓ eccitabilità e rende ↓ probabili i PA

-

Quindi il ritmo resta ma cambia solo l’intensità della risposta.

È possibile che l’attività venga anche modulata da ormoni come:

- Gastrina, motilina = effetto eccitatorio

- Secretina, GIP = effetto inibitorio

- Distensione della parete = aumenta l’attività contrattile

-

Le cellule di Cajal hanno una frequenza diversa a seconda del tratto:

Stomaco = 3 onde/min

Duodeno = 12 onde/min

Ileon = 8-9 onde/min

Le ICC trasmettono elettricamente queste onde alle cellule muscolari lisce

tramite giunzioni comunicanti.

Agiscono similmente ai cardiomiciti (ossia i pacemaker del cuore che si trovano nel

nodo SA), ma la differenza è che se le onde lente NON raggiungono la soglia di scarica

a ogni ciclo e colei che non raggiunge la soglia NON innesca alcuna contrazione nella

fibra muscolare liscia.

NO raggiungimento soglia = NO contrazione muscolatura

SÍ raggiungimento soglia = SÍ PA = SÍ apertura canali Ca2+

Ment