Fisiologia per l'esame

Appunti di fisiologia

Lezione 1: 12/11/2020

La fisiologia è la scienza che studia le funzioni degli organismi viventi, animali e vegetali, per conoscere le cause, le condizioni e le leggi che determinano e regolano i movimenti. Le cellule formano i tessuti che sono un gruppo di cellule che svolgono funzioni simili. Gli organi invece sono due o più tessuti combinati tra loro che svolgono una particolare funzione. Più organi insieme possono collaborare per creare un sistema di organi, come per esempio il sistema cardiopolmonare. Sono presenti 200 tipi diversi di cellule raggruppate in 4 gruppi: nervose, muscolari, epiteliali e connettivali.

La cellula

Una cellula ha una struttura diversa a seconda della loro funzione ma ha una struttura simile più o meno in tutte. Presenta una struttura esterna chiamata membrana plasmatica che avvolge la cellula e serve per delimitarla isolandola dall’ambiente esterno. All’interno è presente il citoplasma in cui troviamo degli organuli tra cui il nucleo, che ha anch’esso una membrana e al suo interno, nel nucleolo troviamo il DNA. Nel citoplasma troviamo altri organelli, tipo i mitocondri, che creano energia per la cellula, il reticolo endoplasmatico, l’apparato di Golgi e altre vescicole che servono per far funzionare la cellula.

La membrana cellulare è una struttura molto importante, ha uno spessore di 7,5 nm ed è costituita da molecole chiamate fosfolipidi. Sono caratterizzati dall’avere una testa idrofilica e una coda idrofobica. Idrofilica perché ha la possibilità di stare a contatto con soluzioni acquose come la zona esterna della cellula. Gli idrofobici non riescono a stare a contatto con l’acqua quindi la loro coda è rivolta all’interno, mentre la testa all’esterno. All’interno del doppio strato sono presenti delle proteine che possono essere integrali di membrana o associate. Le prime si trovano all’interno del doppio strato fosfolipidico, cioè ne sono immerse e sporgono sia dalla parte extracellulare che intracellulare e attraversano tutto lo strato, ma possono anche solo sporgere da una parte o dall’altra. Si differenziano da quelle associate perché queste ultime non sono all’interno della membrana ma sono collegate con le proteine integrali, quindi non entrano nel doppio strato. Fanno comunque parte della membrana perché sono legate alle proteine integrali ed interverranno nelle varie funzioni che la proteina integrata deve svolgere.

Le proteine sono associate ad altri gruppi che possono essere oligosaccaridi o glicolipidi, gruppi che si attaccano alle strutture integrali di membrana e servono per modulare l’attività di queste proteine che fanno parte della membrana.

Funzioni della membrana

• Isolamento fisico, ossia la isola dalle altre cellule
• Supporto strutturale
• Regolazione degli scambi con l’ambiente esterno
• Comunicazione tra cellule e ambiente

Tipi di proteine di membrana

• Proteine strutturali (creano connessioni intercellulari)
• Recettori
• Enzimi
• Trasportatori (carrier)

Le proteine strutturali sono di 2 tipi: quelle che legano la membrana al citoscheletro e quelle che formano connessioni tra le varie cellule. Le prime servono per dare una struttura alla cellula e per garantire la forma della cellula, in modo da mantenere la stessa forma all’interno del tessuto. Sono proteine membranali e collegano la membrana con il citoscheletro che è una struttura nel citoplasma. È costituito da una rete con dei filamenti che serve per dare rigidità strutturale alla cellula. È formato da microfilamenti, filamenti intermedi e microtubuli. I filamenti intermedi e i microtubuli vanno a formare una rete tra gli organelli. Questa rete si connette a questi organelli e li tiene in posizione all’interno del citoplasma quindi si crea una struttura ben definita al suo interno. Questa rete si connette a delle proteine transmembranali che si connettono ai microfilamenti che passano attraverso i filamenti di membrana e sono legati alla membrana stretta che serve per dare la forma e per mantenere la rigidità stessa.

Le proteine strutturali formano connessioni tra le cellule tenendo unite le cellule che formano un tessuto. Queste connessioni possono essere di 3 tipi:

• Giunzioni serrate o strette
• Giunzioni comunicanti
• Desmosomi

Le giunzioni serrate sono giunzioni tipiche del tessuto epiteliale e servono per connettere in maniera molto stretta e rigida le cellule fra di loro. Queste cellule epiteliali sono tenute insieme da queste giunzioni serrate, hanno delle strutture dette occlusioni, presenti nella membrana di una cellula e nella cellula adiacente e servono per tenere strettamente a contatto le pareti di queste cellule attaccate le une alle altre. Nel tubulo renale servono a fare in modo che si crei una barriera molto fissa in modo che le sostanze che attraversano la parete esterna non possano entrare in queste cellule. Le pareti della cellula diventano impermeabili al movimento trasversale tra le sostanze grazie alle occludine e questo serve per costringere queste sostanze a passare in quella determinata direzione trasversale.

Un altro tipo di giunzione è quella comunicante, tipica del muscolo liscio e cardiaco perché in questo tessuto queste cellule si devono contrarre in maniera unitaria per permettere una contrazione uniforme dell’organo. La loro parete è messa in comunicazione da strutture dette connessoni che sono canali che si trovano nelle cellule adiacenti e comunicanti. All’interno sono pervi e formano dei tubi internamente cavi attraverso i quali possono passare delle sostanze, e ce ne possono essere più di uno. Sono delle specie di cannucce che mettono in comunicazione il citoplasma delle cellule adiacenti; in questo modo delle sostanze che sono nel citoplasma di una cellula possono passare nell’altra e questo fa sì che le cellule si possano contrarre all’unisono facendo passare degli ioni utili per la contrazione. Servono soprattutto per mettere in comunicazione i loro citoplasmi.

Infine ci sono i desmosomi che hanno una struttura più complessa. Si trovano tra le cellule di tessuti sottoposti a stress meccanico, come per esempio le cellule della cute e del cuore. Queste cellule sono unite da desmosomi che sono costituiti da una placca formata da glicoproteine sulla membrana di entrambe le cellule e da queste placche partono dei filamenti che dalla membrana plasmatica di una si intrecciano a quelli dell'altra membrana unendole in maniera molto vigorosa. I filamenti si allungano anche nella parte intracellulare.

All’interno delle cellule del muscolo cardiaco troviamo sia le comunicanti che i desmosomi, che servono per dare un’unione fisica, per tenere insieme delle cellule sottoposte ad uno stress meccanico importante ma che devono essere tenute vicine per permettere la contrazione uniforme del cuore.

Recettori di membrana

I recettori di membrana sono proteine che fanno parte del sistema di trasmissione di segnali chimici. Sono proteine transmembranali che attraversano completamente il doppio strato lipidico. Hanno un dominio extracellulare che è specifico per riconoscere determinati leganti. Alcune molecole hanno la possibilità di legarsi a questi siti che formano il complesso legando-recettore e i recettori hanno siti di legame specifici per ogni determinato legando. Formato questo complesso, dà origine ad un cambiamento della porzione del recettore che sporge all’interno della cellula, quindi si crea una modificazione strutturale del dominio intracellulare del recettore e porterà ad una risposta cellulare che creerà degli eventi nella cellula. Sono il primo segnale per indurre una risposta cellulare che poi passa attraverso questa modificazione del recettore. Da qua si avrà poi la risposta cellulare, quindi il recettore serve per ricevere questo segnale e passarlo alla cellula.

Gli enzimi associati alla membrana catalizzano le reazioni chimiche che avvengono sulla superficie esterna della membrana cellulare o appena dentro il citoplasma, anche se principalmente avvengono nel citoplasma facendo sempre parte della trasmissione di segnale. Il tutto parte da un legando esterno che si lega a un recettore e la risposta è mediata da un enzima che è in prossimità del sito su cui è avvenuto il complesso legando-recettore.

L’ultima categoria di proteine che fanno parte della membrana sono le proteine di trasporto che servono per trasportare determinate sostanze dall’esterno della cellula verso l’interno o viceversa. Sono sempre proteine transmembranali, quindi attraversano sempre il doppio strato lipidico e servono per far passare da una parte all’altra della membrana determinate sostanze che non potrebbero passare altrimenti, come per esempio delle sostanze impermeabili. Possono essere di 2 diversi tipi:

• Canali ionici che hanno una struttura a forma di tubo cavo all’interno attraverso cui possono passare le sostanze liberamente. In genere sono canali specifici per una determinata sostanza, ad esempio per il sodio o il potassio, ma sono strutture fisse con una forma ben definita.
• Carrier, o trasportatori, sempre transmembranali ma cambiano la loro forma, ossia passano dall’avere un’apertura verso l’esterno all’avere un’apertura verso l’interno della cellula ed in questo modo permettono alle sostanze specifiche di passare attraverso la membrana.

Trasporti attraverso la membrana

Ci sono 2 tipi di trasporti:

• Diffusione semplice: le sostanze possono passare attraverso il doppio strato senza una proteina che le permetta il passaggio. Si chiama anche trasporto in forma libera perché le sostanze passano spontaneamente senza mediazioni.
• Trasporto mediato: per avvenire è necessaria la presenza di proteine di trasporto che le porta attraverso, che può essere un canale ionico che ha struttura fissa, oppure i carrier che cambiano la loro forma. Questo perché queste molecole non possono passare spontaneamente.

Questi trasporti possono essere detti attivi o passivi. Il trasporto passivo è quando ci sono delle sostanze molto concentrate mentre nella cellula sono poche e quindi queste sostanze si muovono secondo il loro gradiente di concentrazione in maniera passiva. Per questo motivo non c’è bisogno di un apporto energetico e sono sia in forma libera che mediati tramite il canale ionico.

Nel trasporto attivo, che avviene solo attraverso i carrier, si passa da una zona in cui le molecole sono poco concentrate a un luogo in cui sono già molto concentrate e per far avvenire questo trasporto contro gradiente si ha bisogno di utilizzare energia fornita sottoforma di ATP.

La diffusione semplice avviene attraverso lo strato lipidico in forma libera e questo tipo di trasporto dipende da determinati elementi:

• Le caratteristiche (idrosolubile o liposolubile) e le dimensioni della sostanza che compie il movimento (di solito di dimensioni ridotte)
• È direttamente proporzionale all’area della membrana
• È inversamente proporzionale allo spessore della membrana
• È direttamente proporzionale alla permeabilità della membrana di quella determinata sostanza

La velocità con cui avviene la diffusione semplice è legata al gradiente di concentrazione, quindi maggiore è questo gradiente, maggiore è la velocità con cui questo trasporto avviene. Per fare in modo che questo passaggio continui ad avvenire è necessario che la sua concentrazione non cambi, per questo motivo ci sono dei meccanismi che servono per mantenere costante il gradiente di concentrazione di quella determinata sostanza. La velocità di trasporto è regolata dalla legge di Fick [Flusso netto = PA (ΔC)], ossia la permeabilità per l’area di superficie della membrana per il gradiente di concentrazione. È un trasporto che può potenzialmente continuare all’infinito se c’è un gradiente di concentrazione continuo e non richiede apporto energetico.

Trasporto mediato

Il trasporto mediato può avvenire tramite canali ionici o tramite carrier. I canali ionici possono essere di diversi tipi:

• Aperti: le sostanze possono sempre passare liberamente.
• Voltaggio-dipendenti: la loro apertura e chiusura dipende da un cambiamento di voltaggio della membrana plasmatica. La membrana ha un potenziale di membrana che può andare incontro a cambiamenti e questi canali chiudono ed aprono i loro canali a seconda di questo voltaggio.
• Chemio-dipendenti: sono regolati da una sostanza chimica detta neurotrasmettitore che si lega alla struttura del canale e ne permette l’apertura. Quando le due molecole neurotrasmettitore sono legate alla struttura del canale, il canale si apre.
• Meccano-dipendenti: la loro apertura o chiusura dipende da fenomeni interni alla cellula che influenzano questi canali meccanici, tipo la pressione maggiore o minore della membrana.

I carrier hanno la possibilità di cambiare forma per permettere il passaggio di una sostanza. Quando il carrier ha l’apertura rivolta verso l’esterno e trova una sostanza a lui affine, come per esempio il glucosio, si può legare a questa sostanza. Il legame col trasportatore fa chiudere il passaggio e gli fa cambiare forma rivolgendo l’apertura all’altro capo facendo passare la sostanza che quindi si stacca. In questo modo avviene il passaggio dall’ambiente esterno all’interno, e alla fine di tutto il carrier cambierà di nuovo la sua struttura per tornare a quella originale per poter ospitare altre sostanze.

Il flusso del trasporto dipende dall’affinità della molecola con il trasportatore e dal gradiente di concentrazione. La velocità di diffusione del trasporto mediato dipende dalla velocità di trasporto dei singoli trasportatori, dal numero di trasportatori e dall’ampiezza del gradiente di concentrazione. Si può andare incontro a saturazione perché tutti i trasportatori potrebbero essere impegnati e quindi il trasporto non potrà mai essere sempre costante anche quando il gradiente di concentrazione aumenta. I carrier possono essere sia attivi che passivi, mentre il trasporto attivo è formato solo da carrier.

Trasporto attivo

Il trasporto attivo è quello in cui le sostanze si muovono contro il loro gradiente di concentrazione e per avvenire ha bisogno di un apporto energetico per far sì che il trasportatore possa trasportare queste sostanze contro il loro gradiente di concentrazione. Si divide in:

• Primario, come la pompa sodio-potassio che è alla base di gradienti di concentrazione di sostanze molto importanti.
• Secondario, che può essere cotrasporto o controtrasporto.

La pompa sodio-potassio trasporta 3 ioni sodio dall’ambiente intracellulare all’ambiente extracellulare e due ioni potassio nel processo inverso. Il sodio ha poca concentrazione all’interno e tanta all’esterno, mentre il potassio ha poca concentrazione all’esterno e tanta all’interno. Quando la pompa ha l’apertura rivolta verso il citoplasma ha un’affinità per il sodio che si lega al carrier. Quando questo avviene interviene l’ATP, lega un gruppo fosfato alla struttura del carrier liberando ADP, il trasportatore si apre verso l’esterno perdendo affinità per il sodio e quindi le molecole vengono rilasciate nell’ambiente extracellulare. Acquista affinità per il potassio che quindi si lega al carrier e, quando questo avviene, si stacca il legame fosfato e cambia di nuovo la sua struttura aprendosi verso il citoplasma e rilasciando al suo interno le molecole di potassio. È un trasporto antiporto, ossia gli ioni vanno in direzioni opposte. A ogni ciclo c’è un eccesso di cariche positive che vanno verso l’esterno della cellula quindi all’esterno queste si accumulano mentre all’interno ce ne saranno più negative. In questo modo si crea uno sbilanciamento nato dal fatto che escono 3 cariche positive ma ne entrano solo 2. Tutto questo è alla base della trasmissione di segnali nervosi e, se non avviene, è incompatibile con la vita.

Trasporto attivo secondario

Viene trasportato uno ione secondo gradiente ed una sostanza contro gradiente di concentrazione. Queste sostanze vengono spostate da specie ioniche, lo ione infatti viene spostato secondo gradiente di concentrazione, ad esempio il sodio, per fare in modo di poter spostare l’altra specie contro gradiente di concentrazione, ad esempio il glucosio. Il carrier si apre all’esterno della cellula e lo ione sodio si lega al carrier per affinità e questo fa in modo che diventi affine anche per il glucosio, che quindi si lega. Il carrier si chiude e si apre verso l’interno della cellula, ma con questo cambiamento perde affinità con entrambe le molecole che quindi entrano nella cellula. Viene detto cotrasporto o simporto perché le sostanze si muovono nella stessa direzione. È attivo perché trasporta una specie ionica in maniera attiva e si fa aiutare da una specie passiva senza utilizzare ATP.

Nel trasporto controtrasporto o antiporto le sostanze si muovono in direzione opposta, per esempio nel trasporto di ione sodio e ione calcio. La velocità di trasporto del trasporto attivo primario e secondario dipende dalla velocità di trasporto dei singoli trasportatori ed al numero di trasportatori e anche questo trasporto può andare incontro a saturazione. È un trasporto attivo perché richiede un apporto energetico quindi ATP per il primario e uno ione per il secondario.

Lezione 2: 22/11/2020

Endocitosi ed esocitosi sono altri processi che consentono alle cellule di comunicare fra loro ma viene consentito un passaggio di molecole un po’ più grandi. L’endocitosi è quindi un processo che permette alle particelle di grand...