Fisiologia

FISIOLOGIA

Scienza che studia le funzioni degli organismi viven e tu o ciò che determina e regola la vita biologica.

La stru ura è fru o dell’evoluzione, si sviluppano sistemi vol a funzionare al migliore dei modi.

C’è una necessità di scambio tra una cellula e l’ambiente a orno a essa. l’organismo ha bisogno di regolare

degli scambi con l’ambiente esterno.

La cellula con l’ambiente cellulare.

Il liquido extracellulare con l’ambiente esterno.

L’organismo ha bisogno di assorbire i nutrien a raverso la funzione diges va, scambiare gas a raverso

l’apparato respiratorio e fare in modo che l’ossigeno arrivi a tu o il corpo a raverso l’apparato circolatorio.

Il sistema che perme e di scambiare sostanze con l’esterno è l’escretore.

Il sistema endocrino è in grade di produrre e rilasciare ormoni che vengono messi in circolo.

Il sistema tegumentario regola gli scambi che non devono avvenire.

OMEOSTASI E SISTEMI DI REGOLAZIONE

premessa

il primo evento che ha permesso l’origine della vita è la compar mentalizzazione di reazioni chimiche e

successivamente biochimiche, che avevano comportamento diverso all’interno rispe o che nell’ambiente

esterno. Ques compar men si ipo zza che siano cresciu portando alla formazione di altri compar men

ad azione enzima ca (ribozimi, enzimi a RNA).

simili. Vengono a formarsi quindi molecole autoreplican

All’interno della cellula si man ene un basso livello di entropia a discapito dell’ambiente esterno.

= condizione di stabilità interna che cara erizza gli organismi (in equilibrio dinamico), valori di

OMEOSTASI

riferimento sono i setpoint.

L’omeostasi viene garan ta da meccanismi di regolazione intrinseci del sistema che hanno bisogno di energia.

Importan sono i meccanismi ridondan , con sistemi di compensazione, c’è bisogno di altri meccanismi che

possano compensare la mancanza del meccanismo in esame.

L’uomo fa parte degli animali regolatori, ha una forte indipendenza dall’ambiente esterno.

Le reazioni che avvengono in maniera spontanea sono quelle che rilasciano energia libera di Gibbs e tendono

generalmente a un aumento di entropia del sistema. Per mantenere un’entropia bassa bisogna poter

prendere questa energia altrove e u lizzarla. In par colare noi organismi eterotro. prendiamo energia dai

nutrien . Le fon di energia più rapidi sono l’ATP, che libera energia a raverso la ro ura del legame fosfato,

e il potenziale ele rochimico.

L’omeostasi viene mantenuta con sistemi di autoregolazione, presen oltre che a livello cellulare, a livello

che percepisce le condizioni

molecolare e sistemico. Ques sistemi hanno bisogno di un sistema rece oriale

che elabori l’informazione e la confron con il setpoint, e un sistema

in cui si ci trova, un centro di controllo

e1e ore che agisca sulla variabile da controllare per portare alle condizioni necessarie. Il sistema più

semplice è quello a feedback, dove la variabile osservata è uguale a quella controllata se si è in omeostasi.

meccanismi inibitori omeosta ci autolimitan . Il sistema di integrazione sme e di

Feedback nega vo,

funzionare. meccanismi di ra1orzamento che si autoalimentano, innesca al superamento di una

Feedback posi vo,

certa soglia. Il meccanismo perme e che il sistema si arrivi sempre di più ampli.candosi.

Un esempio di feedback nega vo è la termoregolazione che richiede dei neuroni sensoriali, i termoce ori che

inviano segnali al cervello. Se la temperatura supera il setpoint o è inferiore, i centri inviano segnali agli

e1e ori (ghiandole sudoripare, circolo sanguigno, muscoli scheletrici). Modi.cando la temperatura

corporea.

Un altro importante esempio è il controllo della glicemia.

Un esempio di feedback posi vo è il parto, s molato dall’ossitocina che causa la contrazione dell’utero.

Un altro esempio è l’ovulazione, meccanismo che coinvolge l’ormone luteinizzante che s mola la produzione

di estrogeni, che successivamente s mola l’ipo.si a secernere ormone luteinizzante che arrivato al picco

s mola l’ovulazione.

I valori di riferimento posso subire variazioni, non sono .ssi. Possibili cambiamen sono dovu a :

Variazioni circadiane, stagionali (es. temperatura corporea)

 Variazioni .siologiche o pato.siologiche (es. febbre)

 Transizione di sviluppo

 Ada amento a condizioni ambientali (es. condizione di esercizio .sico)

 Cambiamen patogene ci, dovu a condizioni che alterno l’organismo a tal punto che si arrivi a

 stabilire setpoint dannosi il meccanismo è in grado di rilevare una variabile che non è

MECCANISMI ANTICIPATORI (FEEDFORWARD),

quella su cui andrà ad agire. Può percepire quale sia la vera variabile su cui andrà ad agire e può innescare uno

s molo che an cipi l’evento.

MEMBRANA CELLULARE

Dis nguiamo d7e ambien , l’ambiente idro.lo (acqua e compos idrosolubili) e l’ambiente lipo.lo (lipidi,

grassi, molecole idrofobe).

Le membrane cellulari formano una barriera tra due compar men e quindi perme ono la composizione

diversa delle soluzioni presen . Possono formare vescicole che perme ono l’internalizzazione o la secrezione

di sostanze tramite endocitosi o esocitosi.

sostanze an.pa che, in par colare glicerofosfolipidi, forma da una molecola di glicerolo

FOSFOLIPIDI,

legate a due code idrofobe composte da acidi grassi. Possono essere saturi, legami singoli, o insaturi, legami

doppi e singoli. sostanza an.pa ca composto da un gruppo OH e una stru ura circolare composta da

COLESTEROLO,

carbonio e idrogeno quindi non polare. Viene assunta con gli alimen ma anche sinte zzata dal nostro

organismo. Precursore degli ormoni steroidei.

= compar mento molto piccolo con code all’interno e teste all’esterno

Micelle = doppio strato lipidico con code all’interno e teste all’esterno cosicché non ci sia più conta o con

Vescicole

l’ambiente esterno.

Cara eris ca fondamentale delle membrane è la ;uidità che può variare con temperatura e composizione. Il

colesterolo agisce da tampone di ;uidità, impedisce una rigidità eccessiva della membrana e un’eccessiva

;uidità della stessa.

La membrana è un ;uido bidimensionale, composta da una parte consistente di lipidi.

La componente proteica rappresenta una percentuale molto importante. Possono interagire con lo strato

lipidico in maniera diversa. Dis nguiamo proteine intrinseche (legate al doppio strato lipidico con residui non

polari lega covalentemente alla proteina o possono essere integrali) e estrinseche.

L’interazione fra proteine e membrane e spiegato dal modello a mosaico ;uido. Le proteine sono presen

all’interno della membrana come se fossero un mosaico, però sono in grado di muoversi.

Le proteine estrinseche sono legate alla membrana da legami deboli.

Le proteine estrinseche hanno almeno un segmento idrofobico.

Da un punto di vista stru urale si possono individuare diverse funzioni svolte dalle proteine di membrana,

interazione con il citoscheletro, con la matrice extracellulare.

Sono in grado di cambiare conformazione al variare delle condizioni intorno. Un’altra funzione è di

perme ere il passaggio di sostanze (proteine canale).

TRASPORTI DI MEMBRANA

La membrana fosfolipidica sarà permeabile a molecole lipo.le. Anche piccole molecole neutre sono in grado

di passare a raverso lo strato apolare (O e CO ).

2 2

Tu e le molecole polari o cariche ele ricamente non saranno in grado di passare la membrana, ci sarebbe un

aumento di entropia che rende l’entropia molto alta.

= processo spontaneo che non richiede energia, determinato da una di1erenza di

DIFFUSIONE SEMPLICE

energia libera di Gibbs nega va. Di1usione guidata dall’energia cine ca, dipende quindi dai mo molecolari e

dalla temperatura. Se si me e una goccia di soluto colorato all’interno di una soluzione questo tende a

di1ondere. se le par celle non sono distribuite uniformemente sui due la di una

Gradiente di concentrazione:

super.cie (hanno diverse concentrazioni)

Potenziale chimico:

forma di energia potenziale dovuta alla di1erenza di concentrazione

 Unità di misura = lavoro necessario per spostare una mole di par celle contro gradiente a raverso la

 uniformità=.

super.cie in condizioni di

Di,usione semplice:

il risultato dei mo casuali delle molecole a raverso la super.cie

ne o

 non nullo delle par celle: lungo il gradiente di concentrazione.

Flusso ne o

 non richiede ulteriore energia per il movimento delle par celle; guidata dall’energia

Spontanea:

 potenziale del gradiente (potenziale chimico).

F = k*X. L’intensità del ;usso è proporzionale alla forza

Equazione di Teorell:

Se la concentrazione è maggiore in un compar mento il soluto di1onde da quello a concentrazione maggiore

a quello a concentrazione minore.

Il ;usso è dire amente proporzionale a di1erenza di concentrazione, temperatura e super.cie di scambio; è

inversamente proporzionale a distanza, dimensioni delle molecole e viscosità del solvente.

OSMOSI

Esiste una molecola che è presente in maniera più concentrata in un comparto a raverso la membrana che

può essere a raversata solo da acqua. Le soluzioni tenderanno ad essere in equilibrio essendo un processo

spontaneo. Se non può muoversi il soluto si muove il solvente. Questo determina una pressione opposta a

pressione idrosta ca generata dal meccanismo di osmosi.

quella che de.niamo pressione osmo ca,

PV = nRT

=MRT = numero di par celle di qualsiasi soluto presen nell’unità di soluzione

OSMOLARITA’

= si riferisce solo ai solu a cui la membrana è impermeabile e che quindi determinano osmosi.

TONICITA’

Rappresenta la reale pressione osmo ca esercitata da una soluzione.

Per quanto riguarda la necessita di un contributo per energia metabolica dis nguiamo traspor aCvi e

passivi. = spontaneo.

TRASPORTO PASSIVO a raverso il doppio strato fosfolipidico o canali passivi

Di1usione semplice

 Di1usione regolata a raverso canali regola con apertura regolata

 Di1usione facilitata a raverso proteine carrier uniporto



la relazione tra gradiente di concentrazione e ;usso è dire a, e de.nisce una di1usione SEMPLICE, ovvero che

non satura mai e va ad accrescere il ;usso, tanto più cresce il gradiente di concentrazione.

La di1usione FACILITATA è un metodo di trasporto che tende a saturare perché dipende anche da quan

elemen stanno in membrana a spostare l’elemento. Un esempi0o è il trasporto del glucosio (trasportatore

speci.co il GLUT). Il trasportatore perme e di trasportare glucosio da una zona, l’ambiente extracellulare

dove è più concentrato, a dentro, dove è meno concentrato. GLUT è un trasportatore importante a livello

delle cellule del pancreas, che rilevandone variazioni di glucosio nel sangue, rispondono rilasciando insulina.



I canali del GLUT avranno aCvità massima .no al raggiungimento di un valore oltre il quale il canale viene

de.nito saturo. perme ono la di1usione semplice di molecole per il doppio strato lipidico che sarebbe

Canali passivi:

impermeabile : hanno sistema di apertura

Canali regola

uniporto, sinporto, an porto

Carrier:

La di1usione facilitata non ha cine ca regolare.

I trasportatori sono speci.ci, hasnno la capacità di riconoscere degli elemen e solo ques elemenb

vengono trasporta . TuC i trasportatori sono cara erizza dal fenomeno della saturazione, hanno una

massima velocità di trasporto, che dipende dalla concentrazione, e quando si è raggiunta la massima velocità

si arriva alla saturazione.

= contro gradiente e con dispendio energe co.

TRASPORTO ATTIVO

la cui fonte di energia è l’idrolisi di ATP, pompe ATPasi. Cambiamento conformazionale che forza ioni

Primario

o piccole molecole che si legano speci.camente ai suoi si di legame a passare a raverso la membrana

contro il loro gradiente di concentrazione.

Le pompe ATPasiche possono essere di po P, se presen nelle membrane citoplasma che, di po F, se

presen nei mitocondri, cloroplas o membrane ba eriche, po V se presen nelle membrane degli organelli

Na/K ATPasi (o pompa Na/K)

pompa po P, di membrana plasma ca, intermedio fosforilato. Ogni ATP scisso in ADP e fosfato libera energia

che viene u lizzata per mobilitare all’esterno della cellula 3 ioni sodio e importare 2 ioni potassio verso

l’interno. Si genera un gradiente di concentrazione che ha e1e o ele rogenico dire o perché c’è una

+ +

di1erenza di carica. Quindi per ogni molecola di ATP consumata dalla pompa, 3 moli di Na escono e 2 di K

entrano. Il delta ele rogenico è -1. Questa pompa è essenziale per l’eccitabilità dei neuroni e del muscolo. Il

trasporto del sodio da un lato all’altro dell’epitelio crea un gradiente osmo co che perme e l’assorbimento

di acqua nell’intes no o nel rene.

Queste pompe presentano due subunità, una subunità alfa che ha 10 domini e sporge in prevalenza nel

citosol, e presenta si di legame per l’ATP e per i ca oni, una subunità beta che è più piccola e ha un solo

dominio transmembrana che sporge verso l’esterno con una porzione glicosilata importante per la

localizzazione della proteina.

Il legame del sodio con i propri si s mola la fosforilazione della pompa e quindi un cambiamento

conformazionale. Gli ioni sodio vengono poi rilascia all’esterno per rido a aJnità, ed è in questo momento

che entrano gli io potassio. Viene così perso il gruppo fosfato e la proteina torna alla sua conformazione

originaria. A questo punto gli ioni potassio vengono rilascia nel citosol.

Secondario la cui fonte di energia è il gradiente di concentrazione di un’altra sostanza. Sfru as il gradiente

generato dal trasportatore primario. Sfru ando il gradiente generato da un trasporto primario, il secondario

riesce a importare la molecola di interesse tramite l’energia che sta sfru ando.

+

Sfru ano il potenziale ele rochimico* di ioni come il Na per trasportare altre sostanze contro gradiente

(ioni, neurotrasmeCtori, metaboli , ecc.)

o scambiatori: sfru ano l’energia liberata dalla di1usione secondo

An por

 gradiente di una sostanza a raverso la membrana, per trasportare una seconda sostanza contro

gradiente nella direzione opposta

Es.: an porto Na+ + + 2+

/H , an porto Na /Ca

il trasportatore sodio/calcio riesce a muovere contro gradiente il calcio sfru ando l’energia

generata dall’importazione del sodio secondo gradiente. La concentrazione di calcio deve essere

mantenuta bassa perché si tra a di uno ione che ha scarsa rilevanza in termini di contributo al

potenziale di membrana e ai segnali ele rici; però ha valenza per quanto riguarda la segnalazione

chimica, quindi la sua concentrazione deve sempre essere mantenuta molto bassa perché un suo

aumento vorrebbe dire instaurare un signalling cellulare.

: sfru ano l’energia liberata dalla di1usione secondo gradiente di

Simpor

 una sostanza a raverso la membrana, per trasportare una seconda sostanza contro gradiente

nella stessa direzione.

Il trasporto vescicolare si basa sul processo di esocitosi ed endocitosi. L’esocitosi è cos tu va, se usata dalle

cellule per liverarsi da sostanze di scarto, non è innescata da alcun segnale e non perme e alla cellula di

liberarsi da elemen non degrada ; regolata, se si hanno delle vescicole che si fondono con la membrana ma

so o s moli speci.ci. Lo s molo più eJcace è un incremento della concentrazione di calcio libero all’interno

del citoplasma.

L’endocitosi è basata su processi di:

Fagocitosi , Internalizzazione di corpuscoli per la loro eliminazione: ba eri, funghi, parassi , cellule

 morte, detri cellulari.

Pinocitosi

 Endocitosi mediata da rece ore



TRASPORTO TRANS-EPITELIALE

Epiteli Un epitelio è composto da uno strato di cellule che dividono un o l’esterno del corpo dai

lume liquidi

 inters ziali.

Le cellule sono cioè hanno di1eren trasportatori e altre componen sulla membrana

polarizzate

 rivolta verso il lume (membrana e su quella rivolta verso l’inters zio (membrana

apicale)

basolaterale).

Le cellule epiteliali aderiscono stre amente fra loro e separano il lume dall’inters zio formando una

 barriera che si oppone al passaggio delle sostanze grazie a di varia natura

giunzioni cellulari

Gli epiteli sono organizza a formare organi più complessi; es. epitelio intes nale, tubuli renali,

 vescica, canalicoli biliari del fegato.

Vie di trasporto:

 nello spazio tra una cellula e l’altra (solo passivo; impossibile con giunzioni stre e;

Paracellulare:

➢

poco seleCva, solo per dimensione e carica ele rica)

a raverso la membrana apicale e poi quella basolaterale della cell. epitaliale

Transcellulare:

➢

(seleCvo) trasporto vescicolare transepiteliale

Trans-citosi:

➢

COMUNICAZIONE CELLULARE E VIE DI TRASDUZIONE INTERCELLULARE DEL SEGNALE

Per trasduzione del segnale ci riferiamo al processo di conversione di un (primo

segnale extracellulare

in un altro segnale.

messaggero)

Spesso richiede una sequenza di nella cellula e1e uate da enzimi e collegate da

reazioni biochimiche

secondi messaggeri.

Tali processi avvengono in tempi da Alcuni fenomeni possono perdurare nel tempo

millisecondi a secondi.

per tempi rela vamente lunghi sempre riferendoci al fa o che si traC di processi chimici.

In mol casi un numero crescente di molecole viene coinvolto: segnalazione «a con meccanismi di

cascata»

(a volte con meccanismi feedback posi vi di «accensione esplosiva»).

ampli6cazione del segnale

Nei ba eri e nelle forme unicellulari la trasduzione del segnale regola le risposte della cellula all’ambiente

esterno.

Negli organismi pluricellular