Appunti di Fisiologia generale

FISIOLOGIA GENERALE (prof.ssa piazzesi)

Fisiologia etimologicamente significa discorso sulla natura, inizialmente era quindi lo studio di tutta

la biologia e comprendeva anche la biochimica, successivamente le varie discipline si sono

separate. Oggi si intende lo studio delle funzioni dei vari organismi viventi a livello di tutte le

funzioni. Una funzione è l’insieme di tutti i processi che permettono di raggiungere un certo

obbiettivo utile per la vita dell’organismo. Si distinguono varie branche della fisiologia, quella

generale riguarda lo studio delle funzioni in termini di meccanismi generali, comuni a tutte le

specie animali.

CONCETTI FONDAMENTALI DELLA FISIOLOGIA: relazione struttura funzione, omeostasi,

plasticità.

RELAZIONE FUNZIONE STRUTTURA: la funzione di un organo dipende

dalla sua struttura, è strettamente correlata alla morfologia delle molecole.

Un esempio a livello molecolare è il canale del K che presenta in

corrispondenza del poro una sequenza di aa che ricostruisce intorno allo

ione una rete di interazioni simile a quella che lo ione K+ forma con le

molecole di H2O. E’ questo un esempio di come la struttura di una specifica

porzione di una proteina si collega ad una funzione fondamentale, la

permeabilità ionica delle membrane cellulari. Spesso in una proteina canale

può passare un solo tipo di ione, in questo caso la probabilità che il canale

sia attraversato dal K è molto maggiore che questo sia attraversato da un

qualsiasi altro ione. La distribuzione dei dipoli è diversa nello ione sodio

rispetto al potassio in quanto ha una densità di carica maggiore avendo una

dimensione inferiore, per attraversare il canale gli ioni devono perdere la

loro solvatazione, quindi devono essere privati dalle molecole d’acqua. Assume quindi importanza

la struttura della proteina canale, i dipoli acquosi vengono sostituiti con gli amminoacidi che si

trovano all’ingresso del canale e che riproducono la struttura tridimensionale dell’alone di

solvatazione formato dalle molecole di acqua. Quando il K è privato dell’alone di solvatazione può

attraversare il canale, il sodio anche se di dimensioni più piccole non lo può attraversare perché

rimane parzialmente solvatato. La permeabilità ionica ha quindi un ruolo fondamentale, se ho un

numero limitato di proteine per il passaggio del potassio limitate il passaggio del K sarà limitato. La

permeabilità non dipende solo dal numero di canali per uno ione ma anche dallo stato del canale,

aperto o chiuso.

ESEMPIO A LIVELLO SOPRAMOLECOLARE: nel sarcomero la

struttura è strettamente collegata alla funzione di accorciamento del

muscolo, le proteine contrattile actina e miosina sono organizzate in

filamenti spessi e sottili (actina) questi due sono parzialmente

sovrapposti. Durante l’accorciamento del muscolo si ha una

interazione tra le catene di miosina ed actina che porta allo sviluppo

di una forza che promuove lo scorrimento delle fibre l’une sulle altre,

non si ha una modifica dei filamenti. Nella banda A si osserva un

certo grado di sovrapposizione tra filamenti spessi e sottili, è in

questa regione che si formano i legami tra actina e miosina, durante

la contrazione la banda A mantiene la sua lunghezza, mentre nella

zona H si riduce della stesso valore per cui la banda I viene ridotta.

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OMEOSTASI: gli organismi hanno la capacità di mantenere un ambiente interno relativamente

costante anche di fronte a drastiche variazioni dell’ambiente esterno, solo se gli organismi sono in

grado di mantenere un ambiente interno costante è possibile colonizzare ambienti diversi. Questo

non significa che gli organismi sono in una condizione di equilibrio, l’equilibrio è una condizione

dove non c’è dispendio energetico e non c’è differenza tra ambiente interno ed esterno, la

condizione dell’omeostasi è una condizione di stato stazionario e gli organismi spendono energia

per mantenere una condizione diversa dall’ambiente esterno. Nel caso di organismi unicellulari

l’omeostasi è regolata soltanto dalla membrana semipermeabile che permette di mantenere le

differenze tra citosol ed ambiente extracellulare. Negli organismi pluricellullari la situazione è più

complessa, non è sufficiente l’attività della membrana cellulare. L’ambiente interno non è formato

dal citosol in quanto le cellule sono immerse in un ambiente liquido, il fluido extracellulare la cui

composizione deve essere mantenuta costante nel tempo, ed organizzate in organi. I meccanismi

di regolazione in questo caso sono a retroazione o anticipazione (feed-forward), questi servono

nel caso del feed-back qualora ci sia una perturbazione del sistema di mettere in atto una risposta

che contrasta l’effetto della perturbazione in modo di ripristinare lo stato stazionario iniziale. Nel

caso dell’anticipazione i meccanismi di contrastazione vengono messi in atto prima che avvenga

la perturbazione. Negli organismi viventi oltre al feed back negativo esiste il feed back positivo,

ovvero si hanno una serie di eventi che invece di contrastare la perturbazione la amplificano, ad

esempio nel caso del potenziale di azione vedremo un esempio di feedback positivo.

FEED-BACK NEGATIVO:

ci deve essere una variabile

regolata (temperatura,

pressione, ecc..) questa

variabile per poter essere

controllata deve avere un valore

di riferimento conosciuto dal

sistema. Il sistema deve essere

in grado di valutare se la

variabile regolata ha il valore di riferimento, quindi ci devono essere dei recettori in grado di

misurare il valore della variabile regolata, registrano i valori ed inviano l’informazione ad un

sistema di controllo il quale verifica se il valore della variabile regolata corrisponde al valore di

riferimento (set point). Quindi si ha un comparatore che confronta i volari acquisiti dai recettori e

quello del set point. Qualora i valori non corrispondano si ha un errore che permette al sistema di

capire che c’è una perturbazione, per cui il sistema amplifica il segnale di errore ed il sistema di

controllo agisce sul sistema riportando i valori al set point. Questo circuito a feed back permette di

regolare continuamente la variabile regolata e di mantenerla costante, tutte le volte che si ha una

perturbazione il sistema reagisce in modo da mantenere il valore dell’omeostasi.

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CONTROLLO DELLA PRESSIONE ARTERIOSA:

valore della pressione media nell’uomo è di circa

100mm di mercurio. Le variazioni della PA sono

registrate dai barocettori aortici e carotidei che

inviano afferenze al centro cardiovascolare bulbare

(sistema di controllo) dove avviene il confronto con

il punto di riferimento e viene generato il segnale di

errore che agisce sugli effettori autonomi che

regolano cuore e vasi sanguigni. La resistenza

periferica rappresenta la resistenza al flusso,

maggiore è la resistenza periferica maggiore è la

resistenza al flusso. Il miocardio ventricolare

controlla la pressione arteriosa attraverso la forza

con cui avviene la contrazione, più i ventricoli si

contraggono più il sangue acquisirà velocità, anche

la frequenza di contrazione è fondamentale, questi

due parametri permettono di ottenere la gittata

cardiaca ovvero la quantità di sangue immesso

nell’aorta, se aumenta la gittata aumenta la

pressione arteriosa. Esistono dei recettori capaci di misurare il valore della pressione arteriosa,

questi sono strutture sensibili alla variazione della pressione quando le pareti dell’aorta vengono

distorte dalla pressione sanguigna queste attivano i recettori. Il barocettore è un recettore

meccanico delle pareti carotidee dell’aorta, questi recettori inviano le informazioni al centro di

controllo composto da cellule nervose che si trovano nel bulbo all’interno del cervello. Qui è

presente il set point, quindi la potenza del potenziale di azione che deve provenire dai recettori per

avere una pressione arteriosa di circa 100mm di HG, se questo non è rispettato agisce tramite

una funzione di forza che consiste in una variazione dell’attività del sistema nervoso autonomo. Il

sistema nervoso simpatico determina una azione sulla muscolatura liscia, del miocardio e quindi

della frequenza cardiaca, il sistema parasimpatico determina una riduzione della frequenza

cardiaca e quindi della gittata.

PLASTICITA’: sembra in contraddizione al concetto di omeostasi, è la capacità degli organismi di

modificare le proprie funzioni quando le condizioni ambientali variano (acclimatizzazione

all’altitudine, plasticità sinaptica, competenza immunitaria, ecc..). queste modifiche delle funzioni

biologiche avvengono a livello del fenotipo, non ci sono variazioni genomiche e quindi non

possono essere trasmesse alle generazioni successive, non ha il concetto di adattamento

“genetico” che si identifica con la selezione naturale. Il concetto di plasticità deve essere distinto

dal concetto di adattamento: infatti con adattamento si identifica il processo mediante cui la

selezione naturale, nell’ambito di una popolazione, in un particolare ambiente, modifica la

frequenza di geni codificanti caratteri che massimizzano la sopravvivenza e la riproduzione degli

individui, mentre con plasticità si evidenzia la possibilità dello spostamento del punto di riferimento

in un sistema controllato.

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MEMBRANA CELLULARE

in fisiologia il significato della membrana è quello di essere una barriera selettiva che permetta

una netta divisione tra ambiente cellulare ed extra cellulare ma che permette scambi continui di

sostanze nutrienti, gas, energia ed informazioni.

La membrana non è soltanto una zona passiva

di confine e di transito di ioni, nutrienti e

metaboliti, ma è anche una zona attiva di

riconoscimento di molecole, cioè ha la capacità

di riconoscere molecole ed in seguito sviluppare

una risposta che può rimanere localizzata a

livello del citosol o dare origine ad una serie di

risposte per la comunicazione tra le varie cellule

adiacenti e tra sistemi integrati. All’interno del

citosol i principali elettroliti Na, Cl, K sono

distribuiti in concentrazioni diverse nelle varie

specie animali, tuttavia la concentrazione di K è

sempre quella maggiore rispetto agli altri ioni e

questo è comune per tutti gli organismi. Gli anioni cloruro hanno una concentrazione relativamente

bassa in tutte le cellule, la funzione è chiaramente quella di bilanciare le cariche positive. Se si

osserva il liquido extracellulare la situazione si ribalta, la concetrazione del sodio è maggiore del potassio

queste caratteristiche sono comuni a tutti gli esseri viventi. La bassa concnetrazione di cloruro è importante

all’interno del citosol poiché gli

separazione dei liquidi extra ed intra cellulari,

funzioni:

regolazione degli scambi con l’esterno, comunicazione tra

cellula e ambiente tramite i recettori di membrana,

stabilizzazione strutturale dei tessuti tramite interazione

con proteine citoscheletriche e formazione di giunzioni

adiacenti.

Mosaico fluido: il modello è stato imposto nel 1972 peer

che la membrana fosse costituita da

la perima volta, l’idea

molecole lipidiche nacque alla fine dell’800 quando

overton osservo che molecole apolari erano capaci di

attraversare la membrana mentre quelle polari no.

Successivamente si osservò che i fosfolipidi sono capaci

se distribuiti su una superfice acquosa un monostrato,

disponendosi con la porzione apolare all’interno e quella

polare verso l’esterno formando il doppio strato. Questa

teoria fù confermata nel 1925 da gorter e frendel con un esperimento.

L’idea era che se i lipidi formano un doppio strato nella membrana vuol dire che se io misuro la

superfice della membrana cellulare e vuol dire che io misuro la superfice occupata dal doppio

strato, se puoi estraggo i lipidi del doppio strato e li distribuisco su un'unica superfice devo

ottenere una superfice doppia. Gorter e grendel utilizzarono globuli rossi in quanto l’estrazione dei

fosfolipidi permetteva l’estrazione dei soli lipidi membrana in quanto la restante componente è

l’emoglobina. Dopo l’estrazione dei lipidi misurarono la superfice del monostrato tramite la bilancia

di langmuir, costituita da una barriera mobile che scorre lungo la bacinella ed una barriera fissa. i

lipidi estratti dai globuli rossi venivano distribuiti sulla bacinella contenente acqua disponendosi

con le teste polari verso l’acqua e le code verso l’esterno, la barriera mobile veniva fatta scorrere

contro quella fissa in modo che tra i fosfolipidi non ci fosse più spazio e quindi andassero a

contatto l’uno con l’altro, si formava così un monostrato continuo. Ci si rendeva conto che si era

giunti alla formazione del monostrato poiché fino a che i lipidi trovavano spazio tra una molecola e

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l’altra nel trasduttore di forza collegato alla barriera fissa non veniva rilevata alcuna forza mentre

quando questa veniva misurata indicava la formazione del monostrato.

Gorter e grendel eritrociti di uomo e di cane e ne misurarono il volume e la densità cellulare,

ricavando così il numero delle cellule prelevate in ogni campione, successivamente misurarono la

superfice di un globulo rosso e quindi riuscirono a misurare la superfice totale delle cellule

prelevate nel cane e nell’uomo. A questo punto estrassero fosfolipidi dalle membrane dei globuli

rossi e li disposero nella bilancia di langmuir, formarono il monostrato ed ottennero una superfice

del monostrato fosfolipidico doppio rispetto al valore della superfice totale dei globuli rossi nei

campioni estratti sia nel caso del cane che dell’uomo.

Sempre nello stesso periodo fù misurato lo spessore del doppio

strato fosfolipidico, la membrana cellulare può essere assimilata

ad un circuito elettrico, il fatto che sia composta da fosfolipidi e

quindi molecole anfipatiche fa assomigliare la membrana ad un

condensatore. Il doppio strato fosfolipidico si comporta quindi

come un elemento capace di separare le cariche nelle due

armature del condensatore ovvero nei due strati di teste polari, le

cariche non possono passare da una armatura all’altra per la

presenza di un dielettriche dato dalle codi apolari. La capacità

della membrana viene misurata in farad facendo passare della

corrente nella membrana, in generale la capacità di un

condensatore è direttamente proporzionale al rapporto tra la

superfice delle armature e la distanza tra di esse. Minore è la

distanza tra le armature e maggiore è la superfice delle armature maggiore è la capacità secondo

un costante dielettrica, nel caso della membrana si può scrivere: Cm = εlipidi *S/d Cm/S= εlipidi

In questa formula ho lo spessore della mebrana, dato che la costante diaelettrica è costante per

tutte le cellule εlipidi =5*10-13 e il rapparto tra Cm/S = 10-6 F/cm2 è anch’esso costante posso

ricavare lo spessore di membrana: d = εlipidi *S/Cm = (5*10-13 F/cm)/(10-6 F/cm2)= 5*10-7cm

= 50 Å

Nel 1935 Davson e Danielli proposero il cosiddetto modello a sandwich della membrana, in cui

le teste polari dei due foglietti esterni sono rivestite di proteine. Successivamente ipotizzarono

anche la presenza di pori proteici nella tela fosfolipidica per giustificare il passaggio di ioni

attraverso le membrane. Nel 1960 Robertson propose il modello della membrana unitaria in

base alle osservazioni al microscopio elettronico in cui tutte le membrane apparivano costituite

da due foglietti elettrondensi esterni separati da una porzione chiara centrale. L’evidenza

sperimentale che le fosfolipasi sono in grado di demolire le membrane portò ad una revisione del

modello di Davson-Danielli in quanto nel loro modello le proteine costituivano uno strato che

sovrastava i lipidi. Nel 1972 Singer e Nicolson proposero il modello a mosaico fluido: la

membrana si presenta come un mosaico di proteine inserite in maniera discontinua in un doppio

strato lipidico fluido. Negli anni successivi la struttura di alcune proteine di membrana è stata

definita a livello atomico.

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Freeze etching della membrana: la membrana veniva

congelata i due mono strati separati e su di questi veniva

diffuso del carbonio, a questo punto la membrana veniva

osservata al microscopio elettronico a scansione. Quello

che si osserva è che la membrana presenta numerose

protuberanze che secondo il modello di singer e nicolson

dovevano essere proteine. Utilizzando enzimi proteolitici

e ripetendo il processo queste protuberanze dovevano

diminuire e questo fu quello che si osservò osservando a tempi diversi il monostrato dopo averlo

trattato con enzimi proteolitici. Nella membrana

troviamo oltre a fosfolipidi, vari lipidi di membrana

proteine e glicoproteine.

LIPIDI DI MEMBRANA

Fosfolipidi, detti anche glicero fosfolipidi costituiti

da glicerolo, un alcol trivalente che è esterificato

da due catene di acidi grassi e da un gruppo

fosfato a sua volta legato ad una sostanza di natura alcolica che può essere o puramente un alcol

o un amminoacido come la serina che presenta il gruppo ossidrilico o una base azotata come la

colina o etanolamina. Gli acidi grassi possono essere lineari e quindi saturi o insaturi con doppi

legami nella catena carboniosa , questo fa si che nella struttura della membrana abbiamo le code

lipidiche che potendo essere insature e quindi piegate mantengono una distanza maggiore tra le

catene adiacenti. Gli sfingolipidi abbiamo un aminoalcol a lunga catena che è la sfingosina e che

presenta una lunga catena carboniosa legata ad un acido grasso ed alla fosfatidilcolina oppure ad

un acido grasso e residui saccaridici (cerebrosidi e glicosfingolipidi). Il colesterolo prende contato

con le te