Appunti di fisiologia generale

Fisiologia generale

A cura di Alessio Lavorgna 2021-2022

Definizione di fisiologia

Fisiologia: è la scienza che indaga le funzioni degli organismi viventi, animali e vegetali, e mira a conoscere le cause, le condizioni e le leggi che determinano e regolano i fenomeni vitali. I fenomeni vitali non si ottengono se però non ho l'omeostasi, ovvero, l’insieme di processi utili a mantenere lo stato interno. Questo deve essere costante entro certi limiti.

In effetti definiamo lo stato stazionario come lo stato nel quale siamo in omeostasi, questo oscilla intorno ad un punto chiamato valore normale. Ma se qualcosa dovesse cambiare di molto ci deve essere compensazione, questa avviene attraverso il sistema di controllo, questo non è altro che l’insieme di strutture che ci permette di fare in modo che il sistema segua un andamento prestabilito. Se ci allontaniamo dal valore normale e non abbiamo compensazione, usciamo dallo stato fisiologico ed entriamo in quello patologico.

Controllo a feedback negativo

È il principale controllo del corpo.

• Sensore: dispositivo che misura il valore del parametro.
• Comparatore: rivela le variazioni rispetto ad una grandezza fissata.
• Effettore: agisce sul parametro in modo da regolarlo.

Il comparatore effettua istante per istante una differenza tra la grandezza controllata ed il valore ideale, se:

• →Δ = 0 non c’è errore, siamo in omeostasi.
• ≠ →Δ 0 c’è errore; si attiva il canale di retroazione che va all’effettore e si tua la modifica.

Gli esseri viventi hanno comunque il dono della plasticità, infatti si modificano in funzione delle informazioni che ricevono anche quando la sollecitazione scompare, otteniamo quindi un allontanamento dall’omeostasi iniziale che si setta su un nuovo punto. Ovviamente questo lavoro consuma energia, le regole che definiscono il “costo energetico” sono le regole della termodinamica. Applichiamo queste regole perché esse regolano tutte le trasformazioni di materia e di energia che avvengono nell’universo.

Sistemi termodinamici

Gli organismi viventi per la termodinamica sono: sistemi aperti (scambiano materia ed energia sotto forma di calore o lavoro), organizzati e omeostatizzati. (Un sistema termodinamico è una porzione di spazio separata dall’ambiente esterno mediante superfici di controllo). Per capire come avvengono le trasformazioni in un sistema biologico usiamo i principi della termodinamica:

1. L’energia non si crea e non si distrugge

∆ = − Riferendoci ad un sistema chiuso con U = energia interna

• ∆ > 0: Se il sistema assorbe energia
• ∆ < 0: Se il sistema disperde energia

∆ = 0 solo in un sistema isolato.

2. In un sistema isolato, le trasformazioni spontanee procedono in una direzione specifica −→, aumenta l’entropia del sistema.

Il massimo disordine implica lo stato ad energia più stabile, per questo si tende al disordine, perché non spendiamo energia per ordinare (∆ − = ∆ ) → ∆ = ∆ + ∆

Entropia: Q = T∆ ma abbiamo detto che i sistemi biologici sono ordinati, quindi violano il secondo principio della termodinamica? NO, perché l’importante è l’aumento di entropia generale e noi lo aumentiamo disperdendo energia sotto forma di calore/lavoro.

“Mantengo l’ordine biologico e aumento il disordine dell’universo”

Energia e metabolismo

Ma chi fornisce l’energia? Ovviamente il cibo, che poi attraverso il metabolismo costruirà l’ATP. Questo può essere scisso e l’energia usata per diversi tipi di lavoro:

• Meccanico: idrolizzato sulla testa della miosina, permette il movimento attraverso i muscoli
• Trasporto: es pompe protoniche
• Chimico

Membrana plasmatica

È una struttura che riveste la cellula e costituisce una barriera selettività. La funzione primaria è quella di mantenere delle differenze tra l’ambiente intracellulare e quello extracellulare e, nel caso degli organuli, al mantenimento delle differenze tra compartimento interno e citoplasma cellulare. Inoltre dà la forma alla cellula e contiene recettori proteici.

Modello a "mosaico fluido"

Secondo il modello di Singer-Nicolson, o modello a “mosaico fluido”, è una tela di fosfolipidi che contiene proteine.

Tela fosfolipidica

Formata da un doppio strato di fosfolipidi, le cui teste sono idrofiliche e disposte all’esterno mentre le code sono idrofobiche e si dispongono all’esterno (polare: hanno gruppi chimici liberi per interagire con l’acqua (formando legami ad idrogeno)).

Data la polarità, i fosfolipidi spontaneamente tendono ad esporre la testa all’acqua quindi in base all’ambiente in cui si trovano possono formare spontaneamente micelle, monostrati o doppi strati. Cosa formeranno dipende soprattutto dalla simmetria del lipide e dalla formula.

Abbiamo 4 diversi tipi di fosfolipidi: la fosfatidilcolina, fosfatidiletanolammina, la fosfatidilcolina e la sfingomielina. I lipidi sono molto mobili, questo conferisce alla membrana la sua fluidità. Il grado di fluidità dipende soprattutto dalla percentuale di acidi grassi insaturi. Infatti, i lipidi con uno o più acidi grassi insaturi non si associano così strettamente perché i doppi legami in cis determinano delle curvature nelle catene che interferiscono con l’impacchettamento, essi aumentano quindi la fluidità della membrana (saturi: senza doppi legami; insaturi: con doppi legami).

La cellula è comunque capace di regolare la %saturi grazie agli enzimi desaturasi che aumentano il grado di insaturazione dei fosfolipidi rendendo la membrana più fluida. Oltre ai fosfolipidi abbiamo anche colesterolo e glicolipidi.

Colesterolo

Il colesterolo, presente nelle cellule eucariotiche, si trova in entrambi gli strati del doppio strato lipidico. Di base il colesterolo è una molecola rigida (infatti è formato da 8 anelli rigidi), questa si lega ai gruppi ossidrilici immobilizzando parzialmente le catene idrocarburiche, rendendo quindi più rigida la molecola. La presenza di molecole rigide di colesterolo rende la membrana, a temperature più elevate, meno fluida, ma impedisce anche che le catene di idrocarburi dei fosfolipidi si assestino quando la temperatura si abbassa, riducendo così la tendenza delle membrane a gelificare in seguito a raffreddamento. Esso inoltre diminuisce la permeabilità del bilayer.

Glicolipidi

I glicolipidi invece sono lipidi associati ad una catena glucidica (carboidrato), si trovano solamente nello strato esterno della membrana. I più importanti sono i gangliosidi, la cui componente glucidica ha una molecola di NANA (acido sialico) che conferisce alla testa una carica nettamente negativa. I glicolipidi tendono ad associarsi in complessi macromolecolari chiamati rafts o zattere.

Poiché i lipidi concentrati nei lipid rafts sono più lunghi e più dritti, i rafts costituiscono zone più spesse della membrana dove meglio risiedono alcune proteine. I lipid rafts sono ritenuti aiutare il concentramento di queste proteine per il loro trasporto in vescicole o per permettere loro di lavorare in concerto.

Ma i glicolipidi hanno anche altre funzioni, ad esempio proteggono la membrana in condizioni estreme, hanno funzione di legame con la matrice extracellulare e sono coinvolti nei processi di riconoscimento cellulare. Tuti questi lipidi ovviamente non sono fermi ma si muovono, i movimenti più comuni sono la diffusione laterale e la rotazione. Molto raro è invece il flip-flop, la difficoltà nel movimento sta nel fatto che il fosfolipide deve attraversare lo strato idrofobico. La distribuzione dei fosfolipidi e dei glicolipidi nel doppio strato lipidico è asimmetrica; si ritiene che il colesterolo sia distribuito in modo quasi uguale nei due monostrati.

L’asimmetria è funzionale infatti grazie a questa possiamo avere trasduzione del segnale (es fosfatidilinositolo) e il riconoscimento cellulare (es glicolipidi). Una conseguenza di questa dissimmetria strutturale è una tendenziale dominanza di cariche elettriche di segno opposto sui due lati della tela membranale. Quindi abbiamo una differenza chimica che genera una differenza di cariche e questo genera campi elettrici (la membrana ha un’intrinseca polarità).

Componente proteica

Le proteine di membrana si dividono in: canali, enzimi, recettori e trasportatori. La % di proteine varia a seconda della cellula, quindi si ha specificità nella funzione. Possono essere:

• Estrinseche: legate solo superficialmente alla membrana. Sono proteine ancorate attraverso ancore molecolari.
• Intrinseche: presentano una regione immersa nella membrana, in uno o entrambi gli strati.

Intrinseche

Molto lunghe e attraversano la membrana una o più volte. All’esterno sporge l’estremità N- terminale, all’interno quella C- terminale. Le multipasso durante il ripiegamento formano delle anse all’interno della membrana.

Tra queste spiccano le proteine a 7 segmenti transmembrana, un gruppo significativo che comprende più di 100 proteine diverse. Quelle a singolo segmento sono caratterizzate da un dominio ad α-elica, solitamente il dominio esterno è recettoriale mentre quello interno è catalitico.

Estrinseche

Sono vincolate ad uno dei foglietti lipidici attraverso ancore di natura non proteica ad esempio un acido grasso o un gruppo prenilico (ISO-) (− )2 3 2. Le proteine possono legarsi anche a carboidrati a formare il glicocalice; questa è una struttura che ricopre interamente la cellula ed è coinvolta in processi di istocompatibilità, adesione o funge da recettore. Come i lipidi anche le proteine possono muoversi, infatti esse diffondono e ruotano con molta facilità. Il movimento è facilitato nei rafts.

Flussi

Immaginiamo una goccia di saccarosio immersa in una quantità di acqua. Dopo un certo tempo T, dato che le particelle tendono a disporsi nel modo più disordinato possibile, per la termodinamica, avremo una soluzione acqua+saccarosio. Questo è stato possibile attraverso un flusso di saccarosio verso l’acqua ed un flusso d’acqua verso il saccarosio. Possiamo definire il flusso: la quantità di molecole che attraversano una superficie immaginaria di separazione = / = / nell’unità di tempo: da qui possiamo definire il flusso nell’unità di tempo come:

Il flusso ha una direzione e un verso. Al tempo 0 il flusso si ha solo da 1 —> 2 (saccarosio —> acqua); andando avanti nel tempo aumenta la probabilità di un lusso retrogrado 2 —> 1 (acqua —> saccarosio). I flussi si fermeranno quando 1 = 2. Ma se c’è movimento ci deve essere una forza; la nostra forza è la driving force. La forza spingente può essere di varia natura e può essere definita ed espressa come l’energia potenziale (dW) che viene dissipata da una mole di sostanza per percorrere una distanza unitaria. Questa forza è proporzionale allo spostamento della particella, questo è definito dall’equazione di Teorell: Fi=Ki Xi Dove Ki è la costante di proporzionalità e dipende solo dalle caratteristiche delle particelle del soluto.

L’equazione di Teorell si può applicare anche a sistemi molto diversi, ad esempio può essere ricondotta alla legge di Ohm: V=R IRicondotta a questa Teorell diventa: I=(1/R) V = gV Con g = conduttanza. L’unico problema di questa legge è che vale solo se sussiste il principio di indipendenza dei flussi, ovvero quando le particelle che si spostano non interagiscano tra di loro. Nel caso reale possiamo avere diverse modalità di flusso e altrettante driving force.

Modalità di flusso

In una soluzione acquosa si possono avere tre modalità di flusso delle particelle di soluto (molecole o ioni) o di solvente (l'acqua), che si differenziano per la natura della “driving force” che determina lo spostamento delle particelle:

1. Il flusso di massa "bulk flow", in cui la "driving force" è generata da una differenza di pressione idraulica tra regioni diverse della soluzione.
2. La diffusione, in cui la "driving force" è generata da una differenza di concentrazione di particelle in zone diverse della soluzione.
3. La migrazione in campo elettrico (elettroforesi) di particelle elettricamente cariche (ioni), in cui la "driving force" è generata da una differenza di potenziale elettrico tra regioni diverse della soluzione.

Flusso di massa

Quando tra due regioni di una soluzione acquosa esiste una differenza di pressione idraulica, tutte le particelle, sia del soluto che dell'acqua, verranno spinte a muoversi consensualmente (in massa) dalla regione a pressione maggiore a quella a pressione minore e sarà tanto maggiore quanto maggiore è la differenza di pressione, a meno di una costante di proporzionalità (km) che dipende unicamente dalla viscosità della soluzione e dalla geometria (sezione e lunghezza) del condotto. In questo caso la "driving force" è generata dalla differenza di pressione ΔP = (P1-P2) dovuta al dislivello nei recipienti. L'intensità del flusso massivo (Fm) nel condotto sarà: Fm = km (P1-P2).

Diffusione

Si consideri un piccolo volume all'interno di una soluzione; il numero di particelle di soluto che, nel loro moto casuale, usciranno ed entreranno nell'unità di tempo da ogni lato del volumetto sarà proporzionale al loro numero, cioè alla concentrazione del soluto al suo interno e all’esterno. L'intensità di un flusso diffusionale (Fd) tra due regioni (a e b) della soluzione sarà proporzionale alla differenza di concentrazione (Ca - Cb) del soluto, a meno di una costante (kd) nota come coefficiente di diffusione libera del soluto, il cui valore dipende fondamentalmente dalla "mobilità" delle sue particelle nella soluzione. Quindi: Fd = kd (Ca - Cb) equazione nota come prima legge di Fick.

Esprime il concetto che: la diffusione è un fenomeno a carattere statistico, come per Teorell dopo il tempo T0 aumenta la probabilità che ci sia un flusso retrogrado perché aumenta la concentrazione 2. Fino ad ora non abbiamo parlato di tempo. Ma dato che i flussi dipendono dal tempo, qual è la legge temporale della diffusione? Iniziando dal tempo zero fino all'equilibrio finale, la velocità con cui aumenta la concentrazione del soluto nel compartimento 2 verso il quale avviene il flusso diffusionale netto di soluto (dC2/dt) sarà proporzionale, in ogni intervallo di tempo, al flusso netto diffusionale F (il fattore di proporzionalità dipende dal volume del compartimento): dC²/dt è proporzionale ad F = F(1->2) – F(2->1) = kd (C1-C2).

Risolvendo con il calcolo differenziale questa equazione in funzione del tempo, risulterà che la concentrazione del soluto in 2 cresce nel tempo secondo una funzione esponenziale, cioè dapprima rapidamente, poi sempre più lentamente man mano che ci si avvicina alla condizione finale di equilibrio. È esponenziale perché la forza che lo determina non è costante se ΔC —> 0 = F —> 0 e ΔC tende a 0 perché si ha un flusso tra 1 e 2 che continua fino all’equilibrio, quindi fino a ΔC=0.

La diffusione annulla i gradienti, infatti non serve per mantenere l’omeostasi (fenomeno per la quale abbiamo bisogno di squilibrio). Ma come varia il tempo con la distanza? La seconda legge di Fick stabilisce che il tempo impiegato da una particella per diffondere cresce col quadrato della distanza. Ne deriva che la diffusione è un fenomeno lento su scala macroscopica. Ciò è coerente con il fatto che le frequenti collisioni rendono molto bassa la velocità media delle molecole in una sola direzione.

Su scala microscopica, invece, un equilibrio diffusionale può essere raggiunto in tempi molto brevi (dell'ordine dei msec) date le piccole distanze che le particelle devono percorrere. Ciò è di importanza vitale per le cellule: infatti la diffusione è uno dei processi fondamentali che consentono a molte sostanze che entrano nel metabolismo cellulare (ad esempio i gas respiratori, ma anche ioni, molecole inorganiche ed organiche nutritizie o di scarto) di passare rapidamente dall'uno all’altro lato della membrana cellulare.

Migrazione in campo elettrico

Si immagini di applicare una differenza di potenziale (Va- Vc) tra due elettrodi metallici (a = anodo e c = catodo) immersi in una soluzione acquosa di un elettrolita (ad esempio KCl). La differenza di potenziale crea nella soluzione un campo elettrico che agisce sugli ioni in cui si dissocia l'elettrolita (nell'esempio K⁺ e Cl^-), determinando la migrazione di quelli caricati positivamente (cationi) verso il catodo e di quelli caricati negativamente (anioni) verso l'anodo.

Per ogni specie ionica presente nella soluzione, il flusso (Fc) delle particelle cariche che attraversa nell'unità di tempo una sezione ideale (S) immaginata nella soluzione, sarà proporzionale al gradiente di potenziale che si stabilisce attraverso la sezione per effetto della differenza di potenziale (Va – Vc) esistente tra gli elettrodi a meno di una costante (zke) che dipende dalla temperatura, dal numero e dalle caratteristiche degli ioni. Quindi F proporzionale a ΔV a mano di zKe, otteniamo quindi che: Fe=zKe(Va-Vc). Questa relazione non è altro che la legge di Ohm (V=RI —> I=V/R) per una soluzioni di elettroliti. Quindi zKe = g = 1/R = conduttanza = conduttività = la facilità di movimento degli ioni nel campo elettrico.