Riassunto esame Fisiologia cellulare, Prof. Palesi Fulvia, libro consigliato Fisiologia , Egidio D’Angelo

Fondamenti di fisiologia generale e integrata

Basi della fisiologia cellulare

La fisiologia è una parte della biologia che si occupa di studiare le funzioni degli organismi e tessuti viventi. Esistono diversi tipi di fisiologia perché esistono diversi tipi di organismi (generale, umana, ecc.); non è solo uno studio di funzioni di organismi diversi ma soprattutto di studi diversi. Esistono due concetti fondamentali:

• Le funzioni organiche devono essere spiegate con quale meccanismo: secondo i principi fisici e chimici che governano la materia; da tali principi dipende l’esistenza della vita biologica.
• La combinazione di proprietà elementari determina la generazione di proprietà complesse.

Fondamentale è la relazione struttura-funzione, le forme nelle quali la materia si è evoluta rispondono a specifiche necessità funzionali.

I fenomeni biologici si manifestano su diverse scale dimensionali, sia strutturali che temporali (il livello molecolare si trova nei canali ionici). È possibile investigare un sistema a diversi livelli di complessità, senza che le caratteristiche dell’intero organismo siano una semplice somma delle proprietà delle singole parti.

Il contributo di Claude Bernard

Claude Bernard (1813-1878) è colui che studiò tutti i meccanismi della vita che, seppur vari come sono, hanno solo uno scopo: mantenere stabili le condizioni per la vita dell’ambiente interno. È possibile studiare questi meccanismi con leggi della fisica e della chimica, anche se sono molto complessi. Per ambiente interno si intende superfici a contatto con l’ambiente esterno (cute, sistema digerente, respiratorio ed escretore), un ambiente totalmente interno come la compartizione cellulare, extracellulare o liquido interstiziale, plasma e scambi di materia tra tessuti interni.

Il corpo umano è costituito per il 60% di acqua, quindi per studiare l’ambiente interno bisogna conoscere le proprietà dell’acqua: essendo un dipolo elettrico, può interagire sia con ioni positivi che negativi, dunque interagisce con altre particelle anch’esse cariche; forma ponti a idrogeno con molecole polari, legami dipolari con gli ioni, mentre nelle macromolecole sono polari. L’acqua non interagisce con molecole apolari (lipofile) poiché queste tendono a raggrupparsi in ambiente acquoso perché lo stato più stabile è quello con più legami a H. Questo è alla base della creazione di strutture complesse ed è importante per capire le membrane cellulari.

Principi di termodinamica

La termodinamica è lo studio delle trasformazioni fisico-chimiche della materia ponendo in relazione le proprietà microscopiche con quelle macroscopiche. Il sistema termodinamico è la porzione di materia descritta da grandezze quali temperatura (T), volume (V), pressione (P).

Esistono tre tipi di sistemi termodinamici:

• Sistema isolato: non avviene nessuno scambio, le uniche interazioni avvengono all’interno del sistema stesso.
• Sistema chiuso: avvengono scambi solo ed esclusivamente di energia (l’organismo).
• Sistema aperto: avvengono scambi sia di energia che di materia.

Il primo principio della termodinamica (conservazione dell’energia) afferma che l’energia non può mai essere creata o distrutta, ma solo convertita da una forma a un’altra e l’energia interna di un sistema isolato si mantiene costante. Il lavoro è ciò che ci permette di parlare e di avere energia cinetica o energia meccanica.

Nel secondo principio si introduce l’entropia, ovvero indice del disordine di un sistema e definisce la quantità di calore che non può essere trasformato in lavoro. A pressione e volume costante, l’energia disponibile per compiere lavoro si esprime come: ΔG = ΔU - T∙ΔS, in un sistema isolato G tende spontaneamente a un minimo.

Un principio importante è che, in un sistema isolato, l’entropia (S) può solo aumentare o restare costante: ΔS = ΔQ/ T.

Omeostasi e ambienti interni

L’organismo vivente è un sistema aperto. Per sopravvivere scambia con l’ambiente esterno materia ed energia in un equilibrio dinamico. L’energia necessaria per la sopravvivenza deriva dagli alimenti e dall’ossigeno. L’ambiente esterno è definito dall’insieme di risorse e condizioni con cui l’organismo si relaziona:

• Risorse: componenti (biotiche e abiotiche) consumate dagli organismi.
• Condizioni: insieme dei fattori fisico-chimici (temperatura, pH, umidità...)

Tramite processi metabolici come la glicolisi e la fosforilazione ossidativa, l’energia contenuta nelle molecole degli alimenti viene trasferita all’ATP. La produzione di ATP da ADP + P richiede energia (ΔG = 7,3 kcal/mol).

Walter B. Cannon (1871-1945) capì che la stabilità in un sistema aperto, come il corpo umano, richiede meccanismi che agiscono per mantenere tale stabilità. Per avere condizioni stabili, le tendenze al cambiamento devono essere controbilanciate da fattori che resistono al cambiamento. La stabilità dell’organismo (omeostasi) non è un risultato del caso ma di un’autoregolazione organizzata; questo sistema di regolazione che determina lo stato di omeostasi consiste in più meccanismi in cooperazione che agiscono simultaneamente o in successione.

Omeostasi è la capacità di un organismo di mantenere costanti uno o più parametri chimico-fisici dei propri organi in funzione di variabili interne ed esterne (temperatura). Per mantenere l’omeostasi sono necessari:

• Un sensore per misurare il valore del parametro.
• Un comparatore per misurare la differenza tra valore misurato e valore atteso.
• Un attuatore per modificare il parametro.

Il processo tramite cui l’attuatore influenza il parametro misurato è definito feedback o retroazione. La costanza dei parametri è variabile in animali diversi, con una tendenza ad una minore capacità omeostatica negli animali meno avanzati nella scala evolutiva. Diversi meccanismi per il controllo della temperatura, del metabolismo e del comportamento.

La retroazione si ha solo se esiste un qualcosa che modifica il segnale stesso (ad esempio, io nella stanza che modifico la temperatura in base alla mia percezione). Un esempio è l’omeostasi termica. Come si mantiene la temperatura corporea?

• Sensore: per misurare il valore del parametro.
• Comparatore: per misurare la differenza tra valore misurato e valore atteso.
• Attuatore: per modificare il parametro. Quando un termometro misura una temperatura abbastanza elevata, disattiva il circuito collegato all’elemento riscaldante.

A seconda delle condizioni possono cambiare i valori di riferimento. La febbre insorge perché i pirogeni agiscono sull’ipotalamo dicendogli che la temperatura di riferimento è più alta di 37 gradi, evidenziando il fatto che c’è infiammazione, ciò perché l’alta temperatura facilita l’eliminazione delle sostanze patogene.

I parametri regolati dai meccanismi omeostatici non sono fissi ma fluttuano continuamente all’interno di un ambito normale. Esiste un intervallo di normalità, non un valore; le fluttuazioni derivano dal tempo in cui il sensore rileva la variazione e l’attuatore modifica il valore. L’omeostasi è quindi una stabilità dinamica, non statica.

Esistono due tipi di retroazione:

• Negativa: la risposta contrasta lo stimolo, controbilanciando la perturbazione iniziale.
• Positiva: la risposta rinforza lo stimolo, spingendo la variabile ancora più lontano dal proprio valore di riferimento.

La retroazione negativa serve a livello cellulare (quando un enzima catalizza la reazione di produzione di un composto), il prodotto può inibire l’azione dell’enzima legandosi ad un sito di inibizione. Il prodotto può inibire la sintesi dell’enzima o accelerare la sua degradazione (catabolismo).

La retroazione positiva è abbastanza rara, amplifica la perturbazione anziché spegnerla, genera meccanismi che si autosostengono. Altri meccanismi indipendenti provocano la fine del processo, come il parto.

Regolazione anticipata: i segnali di correzione vengono applicati in anticipo, il sistema di controllo con memoria conosce la dinamica temporale di cui ne ha una rappresentazione interna, come il sistema nervoso.

A livello cellulare l’omeostasi va mantenuta a vari livelli:

• Ionica: la cellula utilizza gran parte della sua energia per mantenere la concentrazione degli ioni stabile.
• Osmotica: regola il flusso e il contenuto di acqua, per garantire l’integrità strutturale.
• Strutturale: ricambio continuo degli elementi cellulari che strutturalmente vengono degradati.
• Metabolica: mantenimento degli “alimenti” per il metabolismo cellulare (il glucosio).

Alcune funzioni cellulari hanno senso solo nell’ambito di un organismo pluricellulare (morte cellulare). I processi di feedback e feedforward permettono l’omeostasi del sistema e lo regolano in modo che l’organismo rimanga in salute, sono meccanismi compensativi.

La controparte dell’omeostasi è la plasticità, che è la capacità dell’organismo di modificare una struttura o funzione adattandosi a nuove circostanze ambientali. Fondamentale nei processi di apprendimento e memoria, ontogenesi e riparazione.

La cellula animale e la membrana cellulare

La cellula animale è un sistema complesso, formato da tanti organelli differenti dove ognuno svolge specifiche e numerose funzioni e sono regolati da fenomeni di retroazione (negativa). Non tutte le cellule sono uguali, le differenze tra cellule non sono solo morfologiche (di forma) ma anche funzionali.

Basi fisiche dei flussi

Un flusso è una quantità di sostanza che attraversa l’unità di superficie nell’unità di tempo. Ci sono diversi tipi di flussi:

• Flusso massivo: volume di sostanza che attraversa l’unità di superficie nell’unità di tempo (1/m²∙s).
• Flusso molare (Jm): numero di moli di sostanza che attraversano l’unità di superficie nell’unità di tempo (mol/m²∙s).
• Densità di corrente (I): quantità di carica che attraversa l’unità di superficie nell’unità di tempo (A/m²∙s).

La causa del flusso è sempre la stessa: viene generato da una differenza di pressione (J = K∙ΔP), differenza di concentrazione (J = D∙ΔC) o da una differenza di potenziale elettrico (I = g∙ΔV). Tutti questi tre flussi, pur essendo diversi, possono essere descritti nello stesso modo con l’equazione di Torricelli (J = K∙ΔX) che afferma che l’intensità di un flusso è direttamente proporzionale alla forza che lo genera.

Il flusso massivo è guidato da una differenza di pressione, produce un moto viscoso a causa dell’attrito tra le molecole in movimento; è un processo macroscopico e fa parte della fisiologia sistemica. È essenziale per capire la circolazione sanguigna. Gli effetti sono spiegabili e misurabili a livello molecolare (per gli altri due tipi di flussi).

Il flusso molale (Moto Browniano) avviene perché la materia non si trova a 0°K, quindi sono in uno stato di agitazione continua e casuale e si muovono molto velocemente. Questo non crea flussi visibili perché la direzione di movimento cambia continuamente a causa degli urti tra molecole. Gli effetti sono spiegabili e misurabili a livello molecolare, non sempre immediatamente evidenti a livello macroscopico. La membrana non è permeabile al soluto, c’è un flusso unidirezionale di molecole da 1 a 2 e due flussi unidirezionali a causa del gradiente di concentrazione. Si ha quindi un flusso netto non nullo e si raggiunge una sorta di equilibrio, uno stato stabile, in cui vi è un flusso continuo ma costante di molecole.

Il coefficiente di diffusione (D), secondo il principio della dinamica: nel vuoto, un oggetto di massa m sotto una forza F si muove di moto accelerato F = m∙a, in presenza di attrito viscoso (moto in un fluido), una particella sferica soggetta a una forza F (detta forza di Stokes) si muove di moto rettilineo uniforme F = f∙v con f = coefficiente di attrito viscoso, r = raggio della particella, η = viscosità del solvente che indica il grado di resistenza che oppone un fluido al moto del soluto.

η rappresenta anche la forza delle interazioni tra la particella e le molecole del solvente; legato alla forza delle interazioni vi è il cammino libero. Il coefficiente di diffusione D tiene conto della loro energia cinetica: D = RT/Nf con R = costante dei gas, T = temperatura assoluta (K) e N = numero di Avogadro. Per aumentare la diffusione è possibile aumentare T. Il coefficiente di diffusione delle molecole piccole è più alto rispetto alle molecole più grandi, D è inversamente proporzionale alla dimensione (r) delle molecole in movimento: Df = 6πηr = RT/Nf = RT/6πηr·N.

La probabilità che le particelle in un punto x₁ si muovano verso un punto x₂ dipende dalla differenza di concentrazione tra i due punti.

Legge di Fick

Il flusso netto di un soluto tra x₁ e x₂ è proporzionale alla differenza di concentrazione ΔC. J = D∙(ΔC/Δx), D = coefficiente di diffusione.

Nell’ambiente liquido dell’organismo, molte sostanze si muovono per diffusione. Il tempo di diffusione è inversamente proporzionale al quadrato della distanza da percorrere, perciò:

• La diffusione funziona benissimo per distanze brevi (confrontabili con gli organelli cellulari o le cellule).
• La diffusione funziona troppo lentamente per distanze macroscopiche.

Il sistema circolatorio porta il sangue in tutto il corpo per flusso massivo (rapido), e dai vasi sanguigni le sostanze vengono scambiate per diffusione con i tessuti su distanze molto brevi (1 minuto).

Le molecole biologiche sono anche dotate di carica (ioni), la corrente elettrica generalmente è quella portata dagli elettroni. In fisiologia, la corrente elettrica è quella portata dagli ioni in soluzione acquosa. Gli ioni si muovono sia a causa della concentrazione sia a causa della carica; possono muoversi per l’effetto di un campo elettrico:

• I cationi (+) migrano verso il catodo.
• Gli anioni (-) migrano verso l’anodo.

Il flusso dovuto al campo elettrico è pari a: Je= Z∙K∙(dv/dx) dove Z è la carica dello ione (+/-) e K è la forza di legame ione/solvente; le molecole d’acqua sono dipoli quindi le forze che determinano la mobilità ionica sono diverse rispetto alle particelle non cariche. L’acqua provoca attrito alle molecole/ioni che si muovono.

Uno ione in soluzione acquosa è soggetto a flussi diffusi e migrazione in campo elettrico (elettrodiffusione): Je= Z∙K∙(dv/dx), quindi Jd= D∙(dc/dx). Considerando l’equivalenza di Nernst-Einstein: K = C∙D∙(F/RT) con F = costante di Faraday, carica/mole), quindi il flusso totale di uno ione in soluzione è descritto da: J = Je+ Jd= Z∙C∙D∙(F/RT)∙(dv/dx) + D∙(dc/dx).

Un organismo è un sistema compartimentalizzato: le sostanze che entrano nell’organismo devono oltrepassare numerose barriere prima di entrare nelle cellule, all’interfaccia tra due compartimenti ci sono barriere cellulari o molecolari (membrane).

La membrana cellulare

Zoom dei compartimenti che devono passare le sostanze per entrare nella cellula, in ultimo, devono oltrepassare la membrana cellulare. Nel dettaglio, l’acqua si muove tra i tessuti seguendo gradienti di pressione; all’equilibrio è distribuita nei vari compartimenti: equilibrio osmotico. Composizione ionica dei liquidi corporei: differenti compartimenti hanno diverse concentrazioni, il liquido interstiziale e plasma hanno composizioni simili, mentre la cellula mantiene un ambiente intracellulare molto diverso. L’organismo è in uno stato di disequilibrio chimico mantenuto allo stato stazionario (costante nel tempo), le concentrazioni più importanti per i meccanismi cellulari sono quelle di Na+ e K+.

La membrana cellulare: la cellula scambia materia ed energia con l’ambiente circostante, è quindi un sistema termodinamico aperto delimitato da una barriera costituita dalla membrana cellulare. La membrana cellulare svolge molteplici funzioni:

• Ha un ruolo strutturale nel delimitare fisicamente la cellula.
• È in grado di mantenere le differenze tra ambiente cellulare ed extracellulare, regolando gli scambi di ioni e molecole organiche tra questi due ambienti.
• Costituisce l’interfaccia con l’ambiente esterno dal quale provengono segnali che sono riconosciuti da recettori di membrana.
• Fornisce il supporto a enzimi e proteine strutturali che permettono l’interazione con altre cellule o con la matrice extracellulare.

La membrana plasmatica è un doppio strato di lipidi (perlopiù fosfolipidi) con proteine inserite. È molto sottile (circa 5 nm), ma è una struttura fondamentale per le funzioni cellulari.