Fisiologia generale ed animale

Fisiologia generale e animale

Integrazione tra chimica, fisica, biologia molecolare e altro

La fisiologia è il "discorso sulla natura" da "physis" e "logos". L'accezione più moderna è "studio delle funzioni degli organismi viventi". Le funzioni sono quella serie di processi che assicurano la sopravvivenza degli organismi, cioè processi attivi (il processo passivo viene subito) e dinamici (variano nel tempo) che riguardano l'ambito di normalità delle funzioni vitali che assicurano.

"Studio dei fenomeni comuni agli animali e alle piante": i concetti affermati da Bernard sono:

• Gli organismi sono macchine termodinamiche, sottostanno alle stesse leggi fisiche e chimiche dell'universo.
• Necessità di rendere le proprie funzioni indipendenti dalle mutevoli condizioni dell'ambiente, quindi mantenere costante l'ambiente interno all'organismo.

Il concetto di omeostasi (coniato 60 anni più tardi nel 1932 da Cannon): omeostasi significa mantenere costanti gli ambienti necessari affinché l'organismo possa continuare a svolgere le proprie funzioni, quindi capacità di mantenere costanti le differenze tra interno ed esterno delle nostre cellule come pH, concentrazione ionica ecc. che non sono all'equilibrio ma sono lontane dall'equilibrio.

Il nostro organismo è una macchina termodinamica ma adatta al risparmio energetico, dato che dobbiamo nutrire il cervello e l'evoluzione ha fatto sì che avere un cervello pesante e dispendioso sia stato un vantaggio evolutivo e quindi l'uomo ha dovuto rinunciare ad altro, alla massa muscolare del corpo, rispetto ad esempio a un gorilla.

Come affrontare la fisiologia?

Approccio riduzionistico: studiare i singoli atomi o le singole molecole.

Riduzionismo: studio della molecola, la singola proteina o il singolo complesso. L'organismo è molto di più della somma delle singole parti, non bisogna mai perdere di vista l'organismo di insieme.

Acqua

Perché la vita come la conosciamo non può prescindere dall’acqua? Perché tutti i processi metabolici all'interno dell'organismo necessitano di acqua. L'acqua ha delle buone caratteristiche che permettono alla vita di generarsi, tra le quali la struttura stessa fatta da O₂ e 2H.

L'acqua ha capacità solvente grazie alla sua struttura chimica, non ha carica distribuita uniformemente, forma un dipolo, gli atomi di idrogeno hanno densità di carica positiva, l'ossigeno negativa. Ciò permette la formazione di legami a idrogeno. H₂O è una molecola elettroneutra e polare (polare significa che la densità di carica non è equamente distribuita in tutta la molecola), l'ossigeno ha densità di carica negativa e l'idrogeno positiva, ciò fa sì che l'acqua formi ponti idrogeno.

I ponti idrogeno sono legami non particolarmente forti ma che per l'acqua sono fondamentali; ciò conferisce all’acqua la capacità di permettere la vita al di sotto dello strato solido in quanto ha densità minore dell'acqua allo stato liquido.

Caratteristiche dell'acqua

• L'acqua è un ottimo solvente per tutta una serie di molecole, che se sono in grado di rimanere in soluzione sono dette idrofile.
• Il guscio di idratazione ha grandezza differente a seconda della carica e della dimensione del nucleo del singolo ione.

Tutto dipende dalla carica dello ione: esempio: litio, sodio e potassio. Il litio è più piccolo come diametro atomico, poi c'è il sodio e poi il potassio (che ha nucleo molto grosso, quindi la carica positiva è distribuita su una superficie molto ampia). La parte verde è l'alone di idratazione. Quindi il potassio non si muove da solo ma sempre con il suo alone di solvatazione.

Il diametro di uno ione idratato è inversamente proporzionale alla dimensione dello ione quindi a parità di valenza più è piccolo uno ione e maggiore sarà il suo guscio di idratazione e viceversa. L'acqua pura non è in grado di condurre elettricità, mentre l'acqua con sali è in grado di condurre elettricità (che si differenzia dall’elettricità delle nostre linee di corrente perché quella è una corrente elettronica, mentre quella del nostro corpo è ionica).

L'acqua ha anche un'elevata capacità termica e un elevato calore latente di evaporazione, dal grafico vediamo che a 760 mmHg (1 atm), pressione atmosferica, l'acqua è liquida tra gli 0° e i 100°. La maggior parte della vita degli organismi si svolge entro questo range. Elevata capacità termica significa che devo fornire/sottrarre tanta energia per fargli cambiare stato (quindi ottimo tampone di temperatura) ciò significa che aiuta nel mantenimento dell'ambiente interno costante; mantenere l'ambiente costante è importante perché le reazioni biochimiche avvengono bene a una determinata temperatura, inoltre i nostri enzimi lavorano bene a una certa temperatura e così via.

Abbiamo detto che bisogna fornire tanta energia per farla evaporare, quando l'acqua evapora da una certa superficie quest’ultima si raffredda perché sottrae energia sottoforma di calore per evaporare, per cambiar di stato, e questo è importante per gli organismi per mantenere la corretta temperatura corporea. Il nostro organismo funziona bene quando è idratato. L'acqua promuove la formazione di legami idrofobici tra molecole non idrosolubili. Esempio di una micella: mettendo dei fosfolipidi con testa carica negativamente in acqua tendono a formare delle sfere in cui all’esterno ci sono teste polari e all’interno teste apolari.

Organismi e termodinamica

Gli organismi sono macchine termodinamiche:

• Primo principio della termodinamica – principio di conservazione dell’energia: in un sistema isolato i cambiamenti di energia sono uguali a zero, cioè l’energia si conserva; nulla si crea, nulla si distrugge ma tutto si trasforma. Perciò quando un sistema chiuso (Terra) passa da uno stato a un altro scambiando il calore Q ed altre forme di energia (indicate complessivamente come L = lavoro) abbiamo che la variazione della sua energia interna è: ΔU = Q + L. Quindi se dall’esterno entra calore e lavoro si ha un aumento di energia e viceversa se si ha dispersione di calore e lavoro si ha una diminuzione di energia. Qualunque guadagno o perdita di energia interna da parte del sistema corrisponde a una perdita o a un guadagno energetico dall’ambiente esterno.
• L’energia elettrica e gravitazionale e magnetica sono considerate energie nobili mentre il calore è considerata una forma di energia degradata nel senso che normalmente le energie si trasformano in calore e mai viceversa perché questo significherebbe realizzare un maggiore ordine nel sistema. Questo ci porta al secondo principio della termodinamica che è fondamentalmente il principio di degradazione dell’energia o dell’aumento di entropia, quindi un sistema isolato tende spontaneamente verso la condizione di massimo disordine.

Secondo principio della termodinamica: in un sistema isolato l’entropia tende sempre ad aumentare, passando da una condizione ordinata (meno probabile) a disordinata (più probabile), tendendo al massimo disordine. Ogni volta che nelle nostre molecole si combinano a formare molecole ordinate, come i microtubuli in una cellula o alle fibre contrattili in un sarcomero, ciò avviene con dispersione di energia nell’ambiente, aumento di entropia esterna.

Plank ha enunciato “non tutto il calore che si può ottenere da un processo termodinamico può essere trasformato in lavoro meccanico”. Quindi mentre è possibile trasformare integralmente energia meccanica in calore, non è possibile invece trasformare interamente calore in lavoro, cioè non è possibile avere una macchina termica con rendimento del 100%.

Questo è importante perché ci dà il concetto di efficienza di un sistema definito come:

Efficienza = (- )/Tc * 100%. Quantità di energia convertita in lavoro e non in calore.

Dove Tc = Tmax raggiunta durante il ciclo (Kelvin), Tf = Tmin raggiunta durante il ciclo (Kelvin). Le nostre auto hanno efficienza molto bassa. Qual è l’efficienza dei nostri muscoli? Il carburante è ATP, che contiene un sacco di energia. Quando l’ATP viene trasformata viene scissa in ADP e Pi, in parte serve per svolgere un lavoro ma la grande maggioranza produce calore, quando i muscoli lavorano sprecano molta energia sotto forma di calore. Un muscolo ha un’efficienza del 25% quindi molto bassa.

Principio zero della termodinamica: enunciato dopo il primo e il secondo. Dice che se un sistema A è in equilibrio termico con un sistema B e B in equilibrio con C, allora anche A è in equilibrio termico con C. Scambiano energia tramite il moto delle molecole che causa trasferimento di energia.

Cosa c’entra questo con il fatto che l’acqua promuove la formazione di legami idrofobici tra molecole non idrosolubili? Se prendiamo una molecola idrofobica e la mettiamo in acqua, le molecole di acqua si organizzano e formano intorno a questa sostanza (se è sufficientemente piccola) una gabbia ordinata in modo da limitare la dispersione di ponti H che le molecole di acqua possono fare con le altre. Infatti normalmente l’acqua con se stessa fa tutti i ponti H, ma con una molecola idrofobica avviene la formazione di gabbie regolari che, siccome l’aumento di entropia corrisponde a un aumento del disordine, sembrano andare contro il principio di entropia, minimizzano il problema delle variazioni di energia.

Quindi mettendo più molecole idrofobiche in acqua tendono ad aggregarsi perché così facendo impediscono la formazione di strutture regolari e quindi promuovono un aumento di entropia nel sistema. Quindi l’interazione è termodinamicamente favorita.

Sistemi termodinamici

Un sistema è un gran numero di atomi o molecole contenuto in uno spazio delimitato dall’ambiente esterno da una superficie. Per quanto riguarda i sistemi termodinamici possiamo distinguere tre casi:

• Sistema isolato: non scambia energia e materia. Variazione di energia=0. Esempio di sistema isolato è l’Universo.
• Sistema chiuso: esempio la Terra. Può scambiare energia con l’esterno.
• Sistema aperto: può scambiare sia energia che materia. Esempio le cellule.

Le forme di energia si possono trasformare l’una nell’altra. La grandezza fisica dell’energia è il Joule e abbiamo due forme di energia principali: cinetica e potenziale.

L’energia cinetica descrive la capacità di un oggetto di compiere il lavoro, è un’energia di movimento, esiste solo nel momento in cui viene fatto un lavoro. Energia cinetica: Ec = ½ mv². Un lavoro viene eseguito quando una forza agisce su una massa.

L’energia potenziale è l’energia associata alla posizione di una massa all’interno di un campo e questa massa può compiere il lavoro in virtù della sua posizione in questo campo (può essere elettrico, gravitazionale o magnetico).

L’energia potenziale chimica è associata ai legami chimici delle molecole, in fisiologia l’energia chimica per eccellenza è l’ATP, moneta di scambio energetico universale. Energia meccanica totale = Ec + Ep.

Abbiamo visto che l’entropia è un indice del grado di disordine del sistema quindi: ΔS = Q / T (Q= calore aggiunto al sistema, Q= ΔS * T). Siccome l’entropia è calore che viene ceduto all’ambiente che ne aumenta il disordine e il calore non può essere utilizzato per compiere lavoro, l’energia disponibile per compiere lavoro è solo l’energia libera. In un sistema isolato l’energia aumenta sempre. Per diminuire l’entropia è richiesto alto dispendio di energia consumata come calore.

L’energia disponibile per compiere un lavoro è l’energia libera: G. Quindi abbiamo che in un sistema chiuso ΔU = Q + L e quindi L = ΔU – Q ma se ΔS = Q/T allora Q = T * ΔS, viene fuori che l’energia libera è l’unica energia utilizzabile per compiere un lavoro ed è: ΔG = ΔU – TΔS. Cioè è uguale alla variazione di energia totale meno il calore perso a causa della necessità di aumentare l’entropia del sistema. Questo è il concetto di energia libera, l’unica in grado di compiere lavoro, il resto si degrada in calore. Quindi se l’entropia è l’energia non disponibile per produrre lavoro, l’energia libera è la sua controparte, cioè è l’energia disponibile per compiere lavoro.

Esperimento di Joule: equivalenza calore lavoro

La pala girando riscalda l’acqua: da questo esperimento deriva il valore di caloria: 1 cal = 4,168 J.

Organismi e il secondo principio della termodinamica

Gli organismi viventi sono caratterizzati da livelli elevatissimi di ordine se non altro nell’assoluto rigore delle loro architetture corporee. Questo ordine non solo viene creato durante lo sviluppo somatico, ma viene poi costantemente mantenuto nonostante l’attività vitale comporti un continuo deterioramento strutturale. Formare una cellula in un determinato modo, per esempio una cellula muscolare che possiede sarcomeri con filamenti di actina e miosina perfettamente ordinati significa diminuire l’entropia del sistema (stato disorganizzato stato organizzato).

L’edificazione dell’ordine e il suo mantenimento comportano una diminuzione dell’entropia dell’organismo; il che, se gli organismi fossero dei sistemi isolati, sarebbe in palese contrasto con quanto stabilisce il secondo principio della termodinamica. Gli organismi però non sono dei sistemi isolati perché scambiano continuamente sia energia che materia con l’ambiente in cui vivono. Il secondo principio della termodinamica non esclude che l’entropia di un sistema non isolato possa diminuire, quindi ciò è ammissibile a patto però che in altre parti dello stesso sistema isolato aumenti, ed in maggior misura, il disordine.

Allora l’ordine è possibile perché una cellula è un sistema aperto che può scambiare materia ed energia, in questo processo di abbassamento di entropia c’è conseguente rilascio di calore che è maggiore della diminuzione dell’entropia del sistema cellula. Quindi per far sì che una cellula abbia una struttura organizzata bisogna fare un certo lavoro e diminuire l’entropia del sistema-cellula a cui però deve corrispondere un aumento di entropia del sistema-Terra. Solo così si realizzerà l’aumento del disordine complessivo nel sistema isolato organismi + universo. Una cellula che si genera e che si organizza causa un aumento dell’entropia del sistema intorno.

Organismi e il primo principio della termodinamica

Mentre per quanto riguarda il primo principio della termodinamica abbiamo detto che l’energia è zero in un sistema isolato ma non in un sistema chiuso o aperto quindi succede che noi prendiamo una certa quantità di energia chimica e quando ci accresciamo l’apporto di energia al nostro sistema organismo vivente è positivo, ΔU > 0, prendiamo energia e materia dall’esterno e buttiamo fuori una certa quantità di lavoro e calore però il bilancio tra energia chimica che entra e lavoro ed energia termica buttato fuori è a favore della prima. Finché il bilancio di energia è positivo noi ci accresciamo, poi arriva a un punto in cui il bilancio di energia che entra è uguale a quello che esce, dopodiché quando si arriva alla fine del nostro ciclo vitale avremo che l’energia che entra è minore di quella che esce.

Quindi i nostri organismi sono concordi con i principi della termodinamica, se dobbiamo accrescere dobbiamo prendere più energia di quella che buttiamo fuori (possibile solo perché siamo in un sistema aperto) e facendo questo dobbiamo fare aumentare l’entropia dell’ambiente più di quanto non la facciamo diminuire organizzando cellule e organi.

Movimento delle molecole

Quando delle molecole si muovono attraverso una determinata superficie si introduce la definizione di flusso (J) = moli/area*t. Flusso: è una certa quantità di materia che passa nell’unità di area per l’unità di t. Definendo il flusso dobbiamo anche definire la sua direzione quindi il flusso dobbiamo distinguerlo in:

Tipi di flusso

1. Molare unidirezionale: è il movimento di un certo numero di particelle per unità di superficie nel tempo. Quindi consideriamo una certa superficie ideale (S) di area A, la quale separa, all’interno di una soluzione acquosa, due compartimenti: sinistro (1) e destro (2). Se n è il numero di particelle di soluto che attraversano l’area A in un senso, per esempio da sinistra a destra, abbiamo che il flusso molare unidirezionale è: f_1->2 = n / (N * A * Δt) (n/N = n° di moli)
2. Molare netto: Per sapere la direzione delle nostre molecole di interesse dobbiamo valutare il flusso netto, che è la differenza del flusso in una direzione e il flusso nella direzione opposta. F_A = f_1->2 – f_2->1 Ed è diretto verso destra o verso sinistra a seconda che f_1->2 sia maggiore o minore di f_2->1. Se il flusso netto è 0 diciamo che non c'è flusso (falso) ma in realtà quello che succede a livello molecolare è che c’è...