Appunti completi corso di Fisiologia cellulare per farmacia

Fisiologia cellulare

Corso di laurea: Farmacia (Galeno)

Anno Accademico: 2020/21

Prof: Fulvia Palesi

Lezione 1 (08/03/2021): Basi della fisiologia cellulare

La fisiologia (dal greco "studio dei fenomeni naturali") è la branca della biologia che studia il funzionamento degli organismi viventi, analizzando i principi chimico-fisici del funzionamento degli esseri viventi, siano essi mono o pluricellulari, animali o vegetali. La fisiologia opera su diversi livelli, occupandosi sia dei meccanismi di base a livello molecolare sia di funzioni di cellule e organi, come pure dell'integrazione delle funzioni d'organo negli organismi complessi. Per questo motivo esistono vari ambiti della fisiologia: generale, umana, vegetale, cellulare, molecolare, fisiopatologia, …

La fisiologia cellulare, trattata in questo corso, studia i meccanismi associati al funzionamento delle cellule e le loro interazioni con l'ambiente. Quesito centrale della fisiologia è "perché" avvengono determinati aspetti a livello cellulare (molecolare, istologico, sistemico, …).

La fisiologia risponde a questo "perché" attraverso lo studio:

• Dei meccanismi, dal momento che le funzioni organiche devono essere spiegate secondo i principi fisici e chimici che governano la materia e da tali principi dipende l’esistenza della vita biologica (come avviene una determinata funzione);
• Del fine per il quale tali meccanismi avvengono. Infatti, le proprietà elementari determinano aspetti decisamente più complessi che avvengono nella nostra cellula (perché avviene tale funzione).

È assolutamente fondamentale nello studio della fisiologia, così come in biologia, la relazione tra la struttura e la 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. Alcuni esempi:

La fisiologia non esiste solo a livello cellulare, ma anche a differenti livelli organizzativi. Un sistema può essere investigato a differenti livelli di complessità: non è detto che le caratteristiche dell’intero organismo siano una semplice somma delle proprietà delle singole parti. Questo avviene perché i sistemi biologici sono estremamente complessi: la funzionalità "finale" non è semplice somma, ma una combinazione complessa delle funzioni di ogni singola struttura appartenente al sistema stesso.

Tra i primi grandi maestri della fisiologia c’è Claude Bernard (1813-1878) che ha introdotto il concetto di ambiente interno. Bernard ha constatato che tutti i meccanismi vitali hanno solo uno scopo: mantenere stabili le condizioni per la vita dell’ambiente interno. Questi meccanismi vitali sono dettati da un’unione di leggi che mettono insieme processi fisici e chimici. Gli organismi possono essere visti da diversi livelli di complessità, ma l’ambiente interno non è disgiunto da quello esterno. Infatti, ci sono vie di comunicazione tra l’ambiente esterno e quello interno (come le vie aeree, le vie dell’apparato digerente, la cute, …). Lo scambio di materia ed energia non viene solo a livello di ambiente esterno e ambiente interno, ma anche all’interno dei tessuti dell’organismo. Dal momento che il corpo umano è costituito per il 60% di acqua, per studiare l’ambiente interno è necessario conoscere le proprietà dell’acqua.

L’acqua è un dipolo elettrico: presenta una carica parziale negativa sull’atomo di ossigeno e una parziale carica positiva sui due atomi di idrogeno. Essendo un dipolo elettrico può interagire sia con ioni positivi che con ioni negativi. L’acqua può formare ioni a ponte d’idrogeno con altre molecole polari; può creare dei legami dipolari con gli ioni; può portare alla formazione di macromolecole sempre polari. L’acqua non può interagire con le molecole apolari. Le molecole apolari sono molecole lipofile (non interagiscono con l’acqua, ma con i lipidi): tendono a raggrupparsi in ambiente acquoso formando legami stabili e molecole raggruppate con legami idrogeno. Questo principio è alla base della creazione di strutture complesse (come le membrane cellulari).

L’organismo ha un ambiente interno che deve interagire con l’ambiente esterno. Esistono pertanto tre tipi di sistemi: isolato (non avvengono scambi tra ambiente esterno ed interno, non ci sono interazioni con l’esterno), chiuso (il sistema scambia con l’ambiente solo energia), aperto (il sistema scambia con l’ambiente energia e materia). L’organismo da un punto di vista termodinamico possiamo associarlo ad un sistema aperto, in quanto può scambiare energia e materia. Essendo un ambiente esterno si possono applicare i principi della termodinamica.

Il primo principio della termodinamica, detto anche della "conservazione dell’energia", afferma che in un sistema chiuso l’energia interna cambia solo se si fornisce calore o lavoro secondo la relazione: \( \Delta U = Q - W \). Pertanto, da questo principio si può ricavare che l’energia non può mai essere creata o distrutta, ma solo convertita da una forma in un’altra. Inoltre, l’energia interna di un sistema isolato si mantiene costante dal momento che non avviene nessuno scambio con l’ambiente esterno.

Nel secondo principio della termodinamica si introduce una nuova grandezza: l’entropia. L’entropia è un indice del disordine di un sistema e definisce la quantità di calore che non può essere trasformato in lavoro. Il secondo principio della termodinamica afferma che in un sistema isolato l’entropia può solo aumentare o restare costante. Tutte le trasformazioni spontanee sono irreversibili e portano il sistema a uno stato meno ordinato, che non richiede energia: l’energia viene rilasciata sotto forma di calore e fa sì che aumenti il disordine del sistema.

Parallelamente all’entropia possiamo definire l’energia libera di Gibbs che a pressione e volume costante è l’energia disponibile per compiere il lavoro. In formula: \( G = H - TS \). In un sistema isolato, spontaneamente tende a un minimo. Gli organismi viventi hanno strutture ben organizzate: possiamo veramente parlare di disordine?

L’organismo è un sistema aperto e il suo grado di ordine è molto elevato, ma rimane costante a discapito dell’ambiente esterno. Noi possiamo mantenere stabile o diminuire il nostro grado di ordine, ma quanto più il disordine diminuisce, tanto più il disordine dell'ambiente esterno deve aumentare. L’entropia aumenta all’interno di un sistema complesso, all’interno dell’universo, dato dalla somma dei due ambienti.

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 (che è alla base di quasi tutte le funzioni). L’ambiente esterno è definito dall’insieme di risorse e condizioni con cui l’organismo si relaziona. In particolare, le risorse sono le componenti (biotiche e abiotiche) consumate dagli organismi; le condizioni sono i fattori fisico-chimici (temperatura, umidità, pH, …).

Le sostanze danno luogo a meccanismi (processi metabolici come la glicolisi e la fosforilazione ossidativa) che ci permettono di modificare e assorbire energia dall’ambiente esterno e modificare lo stato di energia e materia per sopravvivere. La molecola di ATP (adenosintrifosfato: adenina + ribosio + 3 gruppi fosfato) è alla base di tantissimi meccanismi. Questa sostanza si forma a partire dall’ADP attraverso un meccanismo di fosforilazione ossidativa. L’ATP è una grande riserva di energia, a causa della sua struttura e dei legami che la compongono. Proprio nei legami è contenuta questa energia che viene utilizzata in tanti meccanismi fondamentali alla sopravvivenza. La produzione di ATP da ADP+P richiede energia (\( \Delta G > 0 \)).

Un altro grande fisiologo è stato Walter B. Cannon (1871-1945) che introdusse il concetto di omeostasi. Cannon comprese che per ottenere la stabilità di un sistema aperto ci devono essere una notevole quantità di meccanismi che interagiscono con lo scopo di mantenere questa stabilità. Un sistema per avere condizioni stabili riesce (più o meno indipendentemente) a controbilanciare i fattori esterni che inducono ad un cambiamento. La stabilità dell’organismo non è un risultato del caso ma di una autoregolazione organizzata.

L’omeostasi è dunque la capacità di mantenere costanti uno o più parametri chimico-fisici dei propri organi in funzione di variabili interne ed esterne (come ad esempio la temperatura). Il sistema di regolazione che determina lo stato di omeostasi consiste di più meccanismi in cooperazione che agiscono simultaneamente o in successione. Per mantenere l’omeostasi sono necessari:

• Un sensore per misurare il valore del parametro;
• Un comparatore per misurare la differenza tra valore (esterno) misurato e valore atteso;
• Un attuatore per (eventualmente) modificare il parametro.

Il processo che utilizza questi tre elementi e si contrappone alle modifiche è definito feedback o retroazione.

Non tutti gli organismi sono come l’uomo. La costanza dei parametri è variabile in animali diversi, con una tendenza ad una minore capacità omeostatica negli animali meno avanzati nella scala evolutiva. Possiamo dividere gli organismi in conformi e regolatori che differiscono per il loro grado di complessità (gli organismi regolatori sono molto più complessi, ma differiscono anche per le caratteristiche interne e di adattamento alle condizioni esterne dell’ambiente). Negli organismi regolatori (come l’uomo), i meccanismi di feedback sono complessi e permettono di mantenere il sistema interno costante, indipendentemente da quello esterno, anche se le condizioni esterne variano (i nostri meccanismi mantengono le condizioni chimico-fisiche del nostro organismo costanti). Negli organismi conformi (come gli animali a sangue freddo) i meccanismi sono meno complessi: questi variano le proprie condizioni standard (le caratteristiche del sistema) adattandoli all’ambiente esterno.

Il meccanismo fondamentale per mantenere l’omeostasi viene chiamato meccanismo di retroazione o feedback. Quando un segnale in ingresso (perturbativo, condizione che varia nell’ambiente esterno) viene rilevato da un sensore, entra in gioco un sistema di controllo che verifica le condizioni interne e ci indica se queste sono accettabili, o se invece devono essere modificate da un attuatore. Questi tre attori agiscono affinché l’organismo sopravviva. La retroazione si ha solo se esiste un qualcosa che modifica il segnale stesso. Se prendiamo come esempio la regolazione della temperatura di una stanza, noi siamo il comparatore (confrontiamo la temperatura della stanza con la temperatura che percepiamo) e l’attuatore (quando modifichiamo la temperatura in base alle nostre sensazioni).

Uno dei casi più semplici di omeostasi è proprio l’omeostasi termica (noi come organismi riusciamo a sopravvivere a temperature molto fredde, ma anche a temperature molto alte). I valori corretti della nostra temperatura corporea variano tra i 36 e i 37°C. Quando insorge la febbre abbiamo un’infiammazione in corso. La febbre ci indica che nel nostro organismo le condizioni non sono corrette e innalzando la temperatura il nostro organismo vuole garantirci la sopravvivenza. La febbre insorge perché i pirogeni agiscono sull’ipotalamo dicendogli che la temperatura di riferimento è più alta di 37°C, evidenziando il fatto che c’è infiammazione in corso. Innalzare la temperatura per la sopravvivenza è espressione di malessere, ma questa tecnica facilita l’eliminazione delle sostanze patogene. L’omeostasi è un fenomeno dinamico: il valore di riferimento corretto per la temperatura corporea, è un intervallo che oscilla tra i 35,5 ai 37°C (esiste un intervallo di normalità, non un valore!). L'omeostasi è quindi una capacità fondamentale per l'organismo che consiste in fluttuazioni di parametri e non in una staticità.

Nonostante gli attori siano sempre i tre, quando arriva la perturbazione l’attuatore può rispondere in due maniere differenti:

• Feedback negativo: la risposta del sistema (quello che viene fatto dall’attuatore) contrasta lo stimolo, cioè si contrappone alla perturbazione iniziale. Per esempio, se la temperatura supera i 37°C e anche la temperatura dell’ambiente aumenta, il nostro corpo attraverso la sudorazione si contrappone all'aumento di temperatura. Stesso discorso con l’abbassamento della temperatura esterna: noi in questo caso dobbiamo immagazzinare più calore per mantenere costante la temperatura corporea.
• Feedback positivo: la risposta rinforza lo stimolo (non lo controbilancia) quindi aumenta la perturbazione esterna. Nel circuito a retroazione positiva è necessario un fattore esterno per far cessare l’attivazione.

Al fine di mantenere l’omeostasi, la risposta più utile è il feedback negativo, perché, per mantenere le condizioni costanti, l’organismo deve controbilanciare le modificazioni esterne. La retroazione positiva viene utilizzata in pochissimi casi perché amplifica la perturbazione anziché spegnerla (quindi genera dei meccanismi che si autosostengono). L’unico meccanismo di retroazione positiva è il potenziale d'azione, meccanismo messo in atto dal sistema nervoso per poter comunicare con il resto dell'organismo e mandare impulsi elettrici e comandi agli altri sistemi.

Un altro meccanismo che mette in atto il nostro organismo è la regolazione anticipativa o feedforward. Questo meccanismo sfrutta la memoria dei sistemi: i segnali di correzione vengono applicati in anticipo perché il nostro organismo ha già uno schema di come andranno le cose (il sistema di controllo conosce la dinamica temporale del sistema globale, ha già memoria di quello che succederà). Un esempio è il sistema nervoso.

Esistono diversi gradi di omeostasi. 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 e la sopravvivenza;
• Strutturale: ricambio continuo degli elementi cellulari che strutturalmente vengono degradati.
• Metabolica: mantenimento degli alimenti per il metabolismo cellulare.

Anche l’omeostasi ha una controparte: la plasticità. Noi dobbiamo mantenere stabili le condizioni interne e i parametri chimico-fisici per garantire la sopravvivenza, ma se cambiano le condizioni esterne (e tali cambiamenti sono duraturi) il nostro organismo deve adattarsi a questi cambiamenti in modo da sopravvivere. La plasticità è la capacità dell’organismo di modificare una struttura o funzione adattandosi a nuove circostanze ambientali. La plasticità è fondamentale nei processi di apprendimento e memoria, ontogenesi e riparazione.

In conclusione la cellula animale è un sistema complesso. Ha un ambiente esterno e un ambiente interno, in cui sono presenti tanti organelli diversi (ognuno dei quali svolge specifiche e numerose funzioni). Il funzionamento della cellula è regolato da fenomeni di retroazione (negativi). Non tutte le cellule sono uguali: le differenze sono sul piano morfologico (di forma), ma anche funzionali. È dunque essenziale il rapporto forma-funzione: ogni cellula ha una struttura ben definita perché ognuna di queste cellule svolge una funzione diversa (e tali funzioni non sono intercambiabili).

I concetti base della fisiologia sono:

• Omeostasi: dobbiamo mantenere alcuni valori costanti;
• Rapporto struttura-funzione: ogni cellula ha una struttura definita in base alla sua funzione;
• Comunicazione: siamo organismi complessi, le nostre unità strutturali devono comunicare tra loro;
• Flussi: per la comunicazione devono muoversi delle sostanze;
• Plasticità: in certe condizioni dobbiamo poterci modificare.

Lezione 2 (11/03/2021): Basi fisiche dei flussi

Il flusso (J) è la quantità di sostanza che attraversa l’unità di superficie nell’unità di tempo. Possiamo parlare di tre tipologie di flusso in base alla sostanza che si sposta, in particolare:

• Flusso massivo: volume di sostanza che attraversa l’unità di superficie nell’unità di tempo (m³/s·m²);
• Flusso molare: numero di moli di sostanza che attraversano l’unità di superficie nell’unità di tempo (mol/s·m²);
• Densità di corrente: quantità di carica che attraversa l’unità di superficie nell’unità di tempo (C/s·m²).

I tre flussi sono differenti, ma la causa del flusso è comune: si tratta della differenza presente tra i due scompartimenti. In particolare, il flusso massivo è guidato da una differenza di pressione (\( J = -K \cdot \Delta P \)); il flusso molare dalla differenza di concentrazione (\( J = -D \cdot \Delta C \)).