Fisiologia

Fusiologia di base

Controllo omeostatico

Gli elementi che partecipano al controllo omeostatico sono:

• Il sistema nervoso che si occupa della funzione motoria, di recepire gli stimoli ed elaborare le funzioni superiori. La porzione afferente del sistema nervoso, quella sensoriale, informa il centro di perturbazione. I recettori sensoriali recepiscono un determinato stimolo, informano il sistema nervoso centrale che compara il valore con il set point e avvia il sistema di correzione.
• Il sistema endocrino che aiuta nel cercare di risistemare omeostaticamente certi parametri. Inoltre, sistema il feedback ripristinando la grandezza controllata. La maggior parte dei sistemi omeostatici è a feedback negativo, serve quindi ad annullare le perturbazioni.

Il sistema a feedback può essere positivo o negativo.

Positivo quando amplifica la perturbazione, per esempio le contrazioni del parto che iniziano al termine della gravidanza. Iniziano con una contrazione lieve e ogni contrazione successiva tende ad essere più forte della precedente fino ad espellere il feto. È a feedback positivo anche il sistema di coagulazione che aumenta il numero di proteine attivate nel sangue. Il primo passo è una vasocostrizione e serve a ridurre il flusso e evitare un'emorragia (è una terapia valida ma poco funzionale). Il secondo passo consiste nel fatto che sulla lesione vascolare si depositano le piastrine che sono cellule del sangue deputate all’omeostasi. Le piastrine formano un tappo sulla lesione e liberano delle sostanze che attivano una proteina del sangue, la quale attiva un’altra proteina e così via fino a quando non viene attivato il fibrinogeno (proteina) che diventa fibrina, si deposita su tappo piastrinico e forma un coagulo definitivo.

Il feedback può essere negativo come ad esempio nel caso in cui la temperatura supera i 40°C, si attiva un sistema che passa per un sensore, va all’ipotalamo e attraverso effettori abbassa la temperatura.

Struttura della membrana

La membrana è formata da un doppio strato di fosfolipidi formato a sua volta da una componente lipidica quindi fosfolipidi e colesterolo. I fosfolipidi formano l’involucro mentre il colesterolo conferisce permeabilità e rigidità alla membrana. Nel caso del morbo di Alzheimer avremo una sintesi difettosa del colesterolo e le cellule possono morire, soprattutto i neuroni.

Per quel che riguarda invece l’altra componente, che è la componente proteica, la presenza di proteine fa variare tantissimo una cellula rispetto all’altra. Le percentuali di queste due componenti variano da tipologie cellulari e tipologia cellulare. Un fosfolipide è formato da una testa idrofila e code idrofobe e forma un doppio strato. La struttura della membrana viene definita a mosaico fluido, questo perché le proteine possono avere varie forme e organizzazioni varie. Alcune proteine si trovano nella membrana ma si affacciano solo da un lato. Nel mosaico si pensava che le proteine fossero capaci completamente di muoversi e invece non è così. Hanno anche loro un loro ancoraggio.

Proteine di membrana

Le proteine di membrana si suddividono in recettori, i quali interagiscono con qualcosa, in canali ionici che hanno una forma a cilindro e permettono il passaggio di ioni i quali altrimenti non potrebbero passare. Altre proteine di membrana sono i carrier che trasportano sostanze e le pompe che idrolizzano ATP e utilizzano energia per far avvenire un fenomeno che spontaneamente non avviene.

Recettori di membrana

È una molecola con porzione extracellulare e una parte transmembranaria. Ogni recettore è specifico per un determinato ligando. Quando nel mezzo extracellulare arriva la molecola che si lega, induce una modificazione che attiva una cascata di segnalazione che porta alla funzione a cui era destinato il ligando.

Canali ionici

Sono dotati di selettività. Un canale ionico fa passare una sostanza ma non ne fa passare un’altra anche se ci sono eccezioni. Per quel che riguarda la struttura dei canali ionici hanno un poro transmembranario, sono un cilindro che prevede due aperture uno verso l’esterno e uno verso l’interno. A volte questo cilindro può essere chiuso a causa di meccanismi diversi. I canali si aprono con l’intervento di un ligando, però ci sono dei canali che si aprono in seguito al cambiamento del potenziale di membrana, definiti canali voltaggio dipendenti. I canali ionici sono composti da più subunità, spesso sono associate più subunità accessorie che regolano lo stato di apertura del canale.

Carrier

Trasportano soluti che altrimenti non potrebbero passare, non trasportano ioni ma trasportano sostanze più grandi come il glucosio. Sono aperti solo verso un polo della membrana, trovano il versante aperto del carrier, e l’entrata del soluto induce una modificazione conformazionale. Il carrier espone il poro verso l’esterno. Anche questo è dotato di specificità.

Pompe ioniche

Sono proteine che hanno sempre un sito catalitico per idrolizzare ATP, sono delle ATPasi. Hanno anche uno o due siti di legame per ioni e possono avere più subunità.

Movimenti attraverso la membrana

Grazie a tutte queste proteine e soluti attraversano la membrana, in parte anche grazie ai lipidi. I metodi mediante i quali le sostanze attraversano la membrana sono:

• Per osmosi che consente il passaggio di acqua attraverso la membrana
• Il passaggio di ioni
• Il passaggio di soluti

Osmosi

Consiste nel flusso di acqua attraverso una membrana semipermeabile dovuto alla diversa concentrazione di soluti. Io avrò due elettroni ambienti separati da membrana semipermeabile, in questo caso permeabile solo all’acqua e la membrana separa questi ambienti dove ci sono due soluzioni a diversa concentrazione. L’acqua che si muove per osmosi va dal compartimento dove il soluto è più concentrato. La soluzione è il rapporto quantitativo di soluto su un certo volume.

Nel caso di A, il volume di acqua è uguale, quindi la concentrazione di soluto nel compartimento uno è maggiore di quella nel compartimento due. In C è rappresentata una variazione nel tempo della concentrazione. La concentrazione del primo compartimento è maggiore mentre quella del secondo compartimento è minore. Ciò che si sposta è l’acqua. Notiamo che con il passare del tempo la concentrazione di soluto nel compartimento uno diminuisce mentre quella nel compartimento due aumenta. Diventano uguali. L’acqua nel compartimento meno concentrato si muove per osmosi verso il compartimento più concentrato. Aumenta il volume del compartimento uno e nel compartimento dove diminuisce questo perché: nel compartimento uno il soluto si è diluito, nel compartimento due il soluto si è concentrato.

Pressione osmotica

È la pressione da applicare sopra un compartimento per evitare che arrivi l’acqua per osmosi dall’altro. Il compartimento uno avrà una pressione idrostatica necessaria per annullare la diffusione osmotica dell’acqua. Se avessimo applicato sul compartimento uno alla pressione osmotica l’acqua non avrebbe potuto fluire. Può essere quantificata con una formula: la legge di Van’t Hoff.

Per quel che riguarda le cellule il flusso di acqua è importante. È necessario che si mantengano determinate concentrazioni e si evitino in alcuni casi questi scambi di acqua per osmosi. Per le cellule esiste un equilibrio osmotico ad eccezione di alcuni tipi cellulari programmati per rispondere a queste variazioni. Nel caso delle cellule si parla di osmolarità: è la concentrazione totale dei soluti in una soluzione. Si definisce soluzione 1 OSM in cui io abbia una mole di soluto indissociato su un litro di soluzione. Se ho una soluzione contenente 1M di glucosio posso dire che quella soluzione è 1 OSM. Se mettiamo 150 NaCl (i sali si dissociano in soluzione acquosa). Si dissocia 250 Na e 150 Cl. Dal punto di vista della osmolarità ho 300 OSM.

Tipi di soluzioni

• Soluzioni isosmotiche: soluzioni che hanno la stessa osmolarità.
• Soluzione iposmotica: soluzione con minore OSM rispetto ad un'altra.
• Soluzione iperosmotica: soluzione con maggiore OSM rispetto ad un’altra.

Quando si parla di cellula si parla di tonicità. Si prende una cellula e si mette in una soluzione. Se il volume della cellula non cambia allora la soluzione esterna è isotonica con la cellula. Se la cellula si raggrinzisce e perde H2O allora la soluzione esterna è ipertonica e l’acqua dalla cellula esce per osmosi per diluire la soluzione esterna. Una cellula che si raggrinzisce tende a non funzionare più in maniera corretta. A eccezione di alcune cellule del nostro organismo a livello ipotalamico. Gli osmocettori sono cellule nervose che devono raggrinzirsi in seguito a cambiamenti della salinità del mezzo extracellulare e questo raggrinzimento è un segnale che attiva un meccanismo omeostatico. Se la cellula si rigonfia e si riempie di acqua allora la soluzione esterna è ipotonica e l’acqua dall’esterno entra nella cellula per diluire l’ambiente interno.

La membrana non è un completo isolante. C’è sempre una relazione tra ambiente interno ed esterno. È una relazione dinamica. Nel caso di una soluzione isotonica non comporta un flusso netto.

Equilibri ionici

Il nostro organismo è formato da acqua prevalentemente (60/70%). L’acqua non è uniformemente distribuita ma è distribuita in due compartimenti:

• Compartimento idrico intracellulare, quindi l’acqua contenuta in tutte le nostre cellule e rappresenta il 66%.
• Compartimento idrico extracellulare e si trova nella matrice extracellulare e in parte nel plasma. Rappresenta il 30%.

Viene definito LEC il compartimento idrico extracellulare. Viene definito LIC il compartimento idrico intracellulare. È importante che i compartimenti liquidi mantengano il volume perché ci sono dissociati degli ioni in determinate quantità, se cambio il volume cambia la concentrazione di ioni. Tra questi ioni abbiamo una concentrazione di sodio al 12, all’esterno la concentrazione di sodio è 145 significa che è 10 volte più grande. Nel LEC sia il plasma che la matrice extracellulare sono più o meno uguali. Il sodio è un catione più concentrato esternamente alla cellula. Il potassio è concentrato in maniera opposta. Nella matrice extracellulare è 4. Nella cellula è 140. Le quantità di sali e acqua sono parametri mantenuti omeostaticamente e non devono variare. Al variare di uno varia anche l’altro. Un’altra concentrazione importante è quella del Ca. Fuori dalla cellula ha una concentrazione di 2 mm. Dentro alla cellula è 0,0001 nm. Tutte le volte che la concentrazione di calcio aumenta nella cellula provoca delle conseguenze. È sempre un catione finemente liberato. Nel LEC abbiamo uno ione bicarbonato mentre dentro alla cellula abbiamo ioni organici.

Trasporto passivo

Trasporto che avviene secondo gradiente di concentrazione. Il soluto si sposta dalla parte in cui è più concentrato verso dove è meno concentrato. Senza dispendio energetico.

Trasporto attivo

Contro gradiente di concentrazione. Dalla zona meno concentrata alla zona più concentrata. Sfrutta l’energia.

Trasporto passivo: Diffusione semplice

È un passaggio di soluto attraverso lo strato fosfolipidico.

Diffusione attraverso i canali ionici

Consente il passaggio di ioni:

• VOC: Canali attivati da differenza di potenziale.
• ROC: Canali attivati da recettore.

La diffusione facilitata: passaggio di soluti che non passano con altri meccanismi, come il glucosio e sfrutta i carrier.

Diffusione semplice

Passano piccole molecole non elettrolitiche (neutre). È il risultato di un movimento casuale. Le molecole che sono dotate di un certo moto di agitazione termica, infatti questo movimento è collegato alla temperatura. Queste molecole che sono in continuo movimento battono sulla parete e casualmente attraversano la membrana. La membrana che separa i due compartimenti è semi permeabile. In questo caso permeabile al soluto. La diffusione semplice prevede che il soluto passi da A a B, fino a raggiungere equilibrio. In questo caso il passaggio è bidirezionale perché in quantità minore il soluto passa da B ad A. Quando raggiunge l’equilibrio arriva allo stato stazionario, non si blocca ma lo scambio è equo. Un saluto passa da A a B e uno passa da B ad A.

Fattori che influenzano la diffusione

Nella cellula reale esiste una concentrazione diversa di sostanze. È importante che esiste una differenza di concentrazione e a quel punto il soluto si può muovere. Questo solo se ha un elevato coefficiente di ripartizione (K). È la solubilità di un soluto in olio rispetto alla solubilità dello stesso soluto in acqua. Il K deve essere grande. Più è grande K più il soluto è lipofilo. Cioè è affine ai fosfolipidi chimicamente e fisicamente.

Un altro fattore da considerare è il coefficiente di diffusione (D). Tiene in conto la dimensione della molecola del soluto che deve attraversare. Il D è grande se è grande il numeratore del rapporto o se è piccolo il numeratore. Al numeratore troviamo il raggio che può variare. Più è piccola la molecola che deve attraversare la membrana più facilmente diffonde. La diffusione semplice è influenzata anche dallo spessore della membrana: in realtà tende ad essere simile per più o meno tutte le cellule.

Un altro fattore che influenza la diffusione semplice è l’estensione della membrana (A): cioè la superficie disponibile per lo scambio, se aumento l’estensione della membrana è più probabile che un soluto ci vada a sbattere. Questa strategia di aumentare la superficie di diffusione è una strategia che la cellula ha adottato: gli enterociti che devono assorbire i nutrienti che arrivano dal lume intestinale e rimetterli nel sangue hanno inventato un modo per aumentare la superficie disponibile. Fanno questo estroflettendosi in microvilli. Tutti questi parametri sono riassunti nella legge di Fick.

Il grafico prevede lo studio della velocità di trasporto di un soluto in funzione della concentrazione extracellulare. All’aumentare della concentrazione extracellulare aumenta la velocità di trasporto in modo lineare.

Canali ionici

Il soluto è lo ione. Questi canali ionici possono essere di vario tipo:

• VOC: Canali voltaggio dipendenti.
• ROC: Canali attivati da ligando.
• SMOC: Canali attivati da secondi messaggeri.
• Canali attivati da stimoli fisici (SAC).

Anche in questo caso si parla di gradiente di concentrazione più concentrato fuori che dentro. Il soluto passa dalla zona più concentrata a quella meno concentrata. È dotato di una certa selettività: attraverso il canale ionico passano solo determinati ioni. Anche in questo caso la temperatura è influente ma ci deve essere un canale aperto. Il grafico della velocità di trasporto per gli ioni attraverso i canali ionici è inizialmente simile al precedente ma se aumento tanto la concentrazione di questo ione inizia vedere una sorta di plateau. Per alte concentrazioni e la velocità si stabilizza, si parla di saturazione parziale. I canali ionici sulla membrana sono un numero discreto e se ci sono tanti ioni che devono entrare e lo fanno mettendosi in fila dentro il canale devono aspettare per poter passare. I canali ionici hanno una selettività ma questo è vero solo per determinate tipologie di canali ionici. I canali SAC fanno passare più o meno tutti i cationi. Per i canali voltaggio dipendenti la selettività è vera.

Il sodio seguendo il suo gradiente di concentrazione tende ad entrare. Nel mezzo extracellulare il sodio è idratato, si avvicina al lume del canale sodio, perde la sfera di idratazione e si inserisce dentro il poro del canale ionico. Il lume interno deve avere una struttura affine alle cariche. L’interno del canale del sodio è tappezzata da residui aminoacidi carichi negativamente. Da un punto di vista elettrostatico attirano il sodio. Una volta che è entrato dentro la cellula viene di nuovo idratato.

La struttura del canale voltaggio dipendente regola la pervietà del canale. La catena aminoacidica con la parte più globulare si chiama Ball and Chain. Cioè palla a catena e si sposta ogni tanto e tappa il canale dall’interno. Questa struttura del canale è responsabile dell’inattivazione del canale del sodio. Non tutti i canali ionici sono fatti in questo modo.

Diffusione attraverso proteine trasportatrici

I carrier sono proteine che presentano solo un’apertura in un versante o nell’altro. Abbiamo un soluto non lipofilo perché altrimenti passerebbe per diffusione semplice, non è uno ione perché passerebbe attraverso i canali ionici. Questo soluto è più grande quindi necessita di una proteina diversa. Un esempio di soluto potrebbe essere il glucosio. Questa proteina può avere un’apertura verso il compartimento esterno dove il soluto è più concentrato e questa maggiore concentrazione fa sì che si trova il carrier aperto ci entra dentro casualmente. Questo ingresso induce un cambiamento di conformazione che determina l’apertura del carrier nel versante opposto e quindi la fuoriuscita del soluto all’interno. Anche in questo caso il grafico è inizialmente una retta ma presto si forma una curva che indica una saturazione completa.

Avremo un numero discreto di trasportatori che funzionano in modo più discreto, perché si devono aprire da una parte, accolgono il soluto, cambiano conformazione e poi lo liberano. In questo caso la saturazione completa arriva prima. Anche questo trasporto è molto specifico: il carrier GLUT: significa glucose transporter. Questo glucosio è più concentrato all’esterno. Trova il versante aperto dalla parte giusta.