Appunti di fisiologia Generale I completi

Fisiologia generale I

La fisiologia è lo studio dei meccanismi di funzionamento di un organismo vivente in condizioni normali. Per funzione si intende l’insieme dei processi che consentono il raggiungimento di uno scopo utile per l’organismo. L’approccio teleologico (o finalistico) di questo studio si basa sulla valutazione dello scopo di una funzione (il perché di una funzione), quello meccanicistico invece si basa sull’analisi della funzione in termini di meccanismi (come). Per studiare il “come” si devono applicare conoscenze di fisica, chimica, biochimica e genetica ma anche metodologie sperimentali adeguate e si deve essere a conoscenza della relazione struttura-funzione che intercorre.

La cellula

La cellula è l’unità funzionale di ogni organismo vivente, è la più piccola unità strutturale in grado di realizzare tutti i processi vitali grazie a particolari meccanismi molecolari che sono alla base delle diverse funzioni cellulari. Le cellule eucariotiche dei diversi tessuti sono differenziate in fenotipo e specializzazione, ad esempio le cellule epiteliali sono adibite all’assorbimento di sostanze, quelle nervose alla recezione, genesi e trasmissione di messaggi elettrici mentre quelle muscolari al movimento.

Alcune funzioni e meccanismi generali sono comuni a tutte le cellule eucariotiche, come ad esempio l’interazione con l’ambiente e l’omeostasi cellulare. Per comunicazione cellula/mezzo interno si intende il passaggio di molecole ed informazioni dal liquido intracellulare al liquido interstiziale (liquido presente fra le cellule di un tessuto). La comunicazione intercellulare può avvenire tra cellule adiacenti dello stesso tessuto ma anche tra cellule di tessuti diversi attraverso messaggi elettrici e/o chimici.

Per ambiente esterno si intende sia l’ambiente esterno all’organismo che l’ambiente interno all’organismo ma extracellulare (liquido extracellulare) mentre per ambiente intracellulare (interni) si intende il liquido intracellulare di ogni cellula. La comunicazione (tramite trasporti transepiteliali) fra cellula ed ambiente è molto importante ed ha come scopo il mantenimento dell’omeostasi cellulare, cioè mantenere costante il liquido intracellulare per quanto riguarda composizione chimica, osmopolarità, temperatura, volume e pH.

Membrane cellulari

Contiene enzimi, recettori ed antigeni che svolgono un ruolo fondamentale nell’interazione con altre cellule, con ormoni e con altre sostanze regolatrici presenti nel liquido extracellulare. Le membrane dividono inoltre la cellula in compartimenti separati, all’interno dei quali si svolgono importanti processi biochimici. I principali costituenti delle membrane sono i fosfolipidi e le proteine. Una molecola di fosfolipide possiede una testa con un gruppo polare e due estremità non polari costituite dalle catene aciliche idrofobiche degli acidi grassi. In un ambiente acquoso i fosfolipidi tendono ad assumere una forma che impedisce alle catene grasse aciliche di entrare in contatto con l’acqua: una di queste strutture è il doppio strato fosfolipidico, tipico delle membrane biologiche.

Le proteine di membrana sono classificabili in due gruppi principali: proteine di membrana integrali (o intrinseche) immerse nel doppio strato fosfolipidico e proteine di membrana periferiche (o estrinseche), situate sulla superficie della membrana. Nelle membrane di tutte le cellule animali, il doppio strato fosfolipidico è il principale responsabile delle proprietà di permeabilità passiva della membrana. I fosfolipidi principali sono fosfatidilcolina (fosfolipidi che contengono colina), fosfatidilserina (fosfolipidi che contengono un gruppo aminico), colesterolo (agisce come “tampone di fluidità”), glicolipidi (spesso funzionano come antigeni o recettori, presentano estremità glucidica che sporge dalla superficie esterna della membrana). In molte membrane le componenti lipidiche non sono distribuite uniformemente nel doppio strato.

La composizione proteica delle membrane può essere semplice o complessa. Le glicoproteine sono proteine di membrane che presentano catene glucidiche situate sulla superficie esterna delle membrane plasmatiche. La componente glucidica delle glicoproteine e dei glicolipidi di membrana svolgono funzioni importanti: la carica negativa della superficie cellulare è dovuta principalmente all’acido sialico caricato negativamente presente nei glicolipidi e nelle glicoproteine.

Trasporto membranario

La membrana plasmatica si comporta come una barriera di permeabilità tra il citoplasma e il liquido extracellulare. Questa barriera consente a molte sostanze di mantenere la concentrazione citoplasmatica molto diversa da quella extracellulare. Tuttavia, la membrana è anche permeabile a certe sostanze pertanto, anche se riesce a mantenere all’esterno alcune sostanze, essa consente in modo selettivo il passaggio di altre. Il passaggio si molecole importanti attraverso le membrane a velocità controllata ha un ruolo fondamentale per la vita della cellula (assunzione di molecole nutritive, eliminazione dei prodotti di rifiuto, liberazione di molecole secrete, eccetera).

Trasporto membranario senza attraversamento della membrana

L’endocitosi è il meccanismo che permette l’ingresso di materiale nella cellula senza attraversamento della membrana, include fagocitosi e pinocitosi. L’assunzione di materiale particolato è denominata fagocitosi, se si tratta invece di molecole solubili il processo prende il nome di pinocitosi. L’endocitosi è un processo attivo che richiede energia metabolica.

Le molecole possono essere trasferite all’esterno della cellula mediante esocitosi, processo inverso dell’endocitosi. L’esocitosi è il meccanismo con cui vengono liberate le proteine secrete da molte cellule (ad esempio liberazione per esocitosi dei proenzimi pancreatici dalle cellule acinose del pancreas. Queste proteine vengono dapprima accumulate in vescicole secretorie presenti nel citoplasma dalle cellule pancreatiche). Lo stimolo che determina la secrezione provoca la fusione delle vescicole secretorie con la membrana plasmatica e lo svuotamento delle vescicole per esocitosi.

Il contenuto di un certo organello può essere trasferito ad un altro organello tramite la fusione delle loro membrane. In alcune cellule secretorie i prodotti di secrezione vengono trasferiti dal reticolo endoplasmatico all’apparato di Golgi. La fusione tra le vescicole fagocitotiche e i lisosomi consente la fagocitosi del materiale che deve essere digerito nei lisosomi dagli enzimi proteolitici.

Trasporto di molecole attraverso la membrana

Alcune molecole attraversano le membrane biologiche semplicemente diffondendo dalla membrana, mentre per il passaggio di altre molecole è richiesto l’intervento di specifiche proteine trasportatrici presenti nella membrana. L’acqua è un solvente polare con una forte attrazione per gli ioni. Per diffusione si intende il movimento delle particelle apolari di soluto in una soluzione acquosa tramite moto casuale, per effetto dell’agitazione termica e delle collisioni. I fattori che determinano questo movimento sono quindi temperatura, massa e collisioni. Quando le particelle sono ugualmente distribuite nella soluzione non esiste alcun flusso netto: il numero di particelle che si muovono in una direzione nell’unità di tempo sarà uguale al numero di particelle che si muovono nella direzione opposta (equilibrio dinamico).

Se il numero di particelle che si muovono in una data direzione nell’unità di tempo è maggiore del numero di particelle che si muovono nella direzione opposta di parla di flusso netto in una direzione. Per gradiente di concentrazione si intende la differenza di concentrazione (driving force) tra due regioni della soluzione. Il soluto, con il passare del tempo, tenderà a distribuirsi nel solvente in modo uniforme. Per flusso diffusivo netto si intende l’ammontare netto di soluto trasferito da una regione all’altra nell’unità di tempo, si manifesta solo quando vi è un gradiente di concentrazione ed è la differenza fra i due flussi unidirezionali da una regione all’altra del solvente.

F = moli / cm / sec²

Secondo la legge di Fick il flusso è proporzionale alla differenza di concentrazione delle due regioni e alla temperatura del solvente. Si ha un flusso netto nullo quando si raggiunge un equilibrio dinamico. F = K_d (C₁ - C₂)

Dove K_d, coefficiente di diffusione libera, prende in considerazione massa molecolare e temperatura.

Le particelle polari in una soluzione acquosa possono muoversi per elettrodiffusione, cioè grazie alla migrazione in un campo elettrico di particelle cariche elettricamente. In questo caso la driving force (differenza di concentrazione) è generata da una differenza di potenziale elettrico tra regioni diverse della stessa soluzione. In questo caso il flusso elettrodiffusivo netto sarà:

Fe = zK_e (V_a - V_c)

In cui V_a è potenziale dell’anodo, V_c è potenziale del catodo e zK_e è il coefficiente di elettrodiffusione che tiene conto di valenza, dimensioni e mobilità dello ione. Anche in questo caso l’unità di misura del flusso sarà moli / cm / sec². In soluzione sugli ioni agiscono sia il gradiente di concentrazione (F) che il gradiente elettrico (Fe): si parla perciò di gradiente elettrochimico, definito dalla legge di Nernst-Planck dell’elettrodiffusione.

Fe_d = F + Fe = K_d (C₁ + C₂) + zK_e (V_a - V_c)

In questo caso la driving force (differenza di concentrazione) sarà generata da una differenza di potenziale elettrico e di concentrazione.

Per flusso di massa si intende la driving force (differenza di concentrazione) generata da una differenza di pressione idraulica tra regioni diverse della soluzione, la quale provoca il movimento di soluto e solvente.

F_m = K_m (P₁ - P₂)

In cui K_m è la costante che tiene conto della viscosità della soluzione e della geometria del condotto. Una volta raggiunta la medesima pressione idrostatica nelle due diverse regioni collegate della soluzione il flusso di massa netto sarà nullo. La permeabilità della membrana plasmatica ad una particolare sostanza aumenta con l’aumentare della liposolubilità della sostanza. Per molecole idrosolubili prive di carica, la permeabilità della membrana si riduce con l’aumentare delle dimensioni della molecola. A causa della loro carica elettrica, gli ioni sono relativamente insolubili nei solventi lipidici, pertanto le membrane sono poco permeabili a gran parte degli ioni.

La membrana cellulare ha permeabilità selettiva, i trasporti transembranali sono utili al mantenimento delle proprietà chimico-fisico del liquido intracellulare (composizione chimica, volume, osmopolarità). La membrana cellulare è formata da un doppio strato fosfolipidico formato da una catena acilica di acidi grassi con testa idrofilica e coda idrofobica. La maggior parte dei soluti è poco solubile nel mezzo idrofobico non polare costituito dal doppio strato fosfolipidico della membrana.

I flussi di molecole apolari e liposolubili avvengono solo secondo gradiente di concentrazione, come avviene ad esempio per gas respiratori (ossigeno e anidride carbonica), altri gas e molecole lipidiche (NO e acido arachidonico), alcuni ormoni e molecole implicate nella comunicazione cellulare (ad esempio ormoni steroidei) e per grandi molecole non cariche (ad esempio urea e glicerolo). Il flusso diffusivo (legge di Fick) tende a livellare le concentrazioni del soluto ai due lati della membrana (concentrazione all’interno della cellula e al di fuori della cellula) e dipende dalla differenza di concentrazione, dall’area e spessore della membrana e dalla liposolubilità del soluto diffusibile.

F = P_m (C₁ - C₂)

Dove P_m indica la permeabilità della membrana, calcolata come:

P_m = (K_dm x A) / S_m

In questo caso K_dm è il coefficiente di diffusione del soluto attraverso la membrana (liposolubilità), A è l’area della membrana e S_m lo spessore della membrana. La diffusione è un fenomeno lento e funzionalmente importante su piccole distanze (micron). La membrana cellulare è una barriera di permeabilità selettiva per molti soluti, i gruppi idrofobici fanno infatti da barriera per ioni e sostanze idrosolubili. Zuccheri, amminoacidi, ioni e acqua (per caratteristiche di solubilità) non possono quindi passare per diffusione semplice attraverso il doppio strato lipidico della membrana.

Quindi in sintesi, il trasporto in forma libera e i trasporti mediati passivi sono equilibranti, cioè equilibrano le concentrazioni intra ed extracellulari dei soluti. Sono molto importanti, in quanto il mantenimento di gradienti elettrochimici è essenziale per molte molecole. Le molecole liposolubili attraversano la membrana con flussi che seguono la legge di Fick (F):

F = P_m (C₁ - C₂)

mentre le molecole idrosolubili, polari e quelle che diffondono per diffusione facilitata hanno un flusso pari a:

F = P_m (C₁ - C₂) + zK_e (V₁ - V₂)

Soluzioni elettrolitiche

Le soluzioni elettrolitiche intra- ed extracellulari (liquido intracellulare, liquido extracellulare) hanno come solvente polare l’acqua. I canali idrici della membrana sono denominati acquaporine, tetrameri in cui ogni subunità presenta sei segmenti ad alfa-elica trasmembranari nei quali passa una molecola di acqua alla volta. Il movimento di acqua da una soluzione con minor concentrazione di soluto (diluita) ad una più concentrata è denominato osmosi. L’osmosi si accompagna a variazioni di volume e di conseguenza a variazioni di pressione idrostatica. Se in una cellula non vi è nessun flusso netto di acqua si dice che è isotonica, se vi è un flusso di acqua uscente si dice ipertonica mentre se vi è un flusso d’acqua entrante si dice ipotonica.

È possibile compensare il volume cellulare solo trasferendo soluti osmoticamente attivi (principalmente ioni come ad esempio ioni sodio, potassio e cloro). Il movimento di soluti e acqua è utile quindi a ristabilire il volume cellulare: prima si corregge il volume, poi le modeste modificazioni di pressione osmotica intracellulare grazie alla degradazione o sintesi di macromolecole come proteine e glucosio.

La pressione osmotica è calcolabile grazie alla legge di van’t Hoff:

π = RT (Φic)

π = pressione osmotica

R = costante dei gas ideali

T = temperatura assoluta

Φ = coefficiente osmotico (dipende dalle proprietà chimiche del soluto, dalla sua concentrazione e dalla temperatura)

i = numero di ioni formati dalla dissociazione di una molecola di soluto

c = concentrazione molale del soluto (moli di soluto per litro di soluzione)

Il termine Φic è definito osmopolarità della soluzione. Le membrane plasmatiche sono relativamente impermeabili a molti soluti presenti nel liquido interstiziale, ma molto permeabili all’acqua. Di conseguenza, se la pressione osmotica del liquido interstiziale aumenta, l’acqua esce dalle cellule per osmosi e le cellule si raggrinzano. Viceversa, se la pressione osmotica del liquido extracellulare diminuisce, l’acqua penetra nelle cellula e la cellula si rigonfia, finché le pressioni osmotiche intracellulare ed extracellulare saranno uguali.

Il volume cellulare allo stato stazionario è determinato solo dalla concentrazione delle particelle non diffusibili presenti nel liquido extracellulare. Le particelle diffusibili provocano solo variazioni transitorie del volume cellulare. Il decorso delle variazioni transitorie è tanto minore quanto più la membrana è permeabile alle particelle diffusibili. Il flusso osmotico di acqua attraverso una membrana è direttamente proporzionale alla differenza di pressione osmotica (Δπ) esistente tra le soluzioni poste ai due lati della membrana. La velocità di questo flusso (V ), ponendo L come coefficiente idraulico, sarà:

V = LΔπA

Trasporto transmembranario mediato da proteine

Alcune sostanze entrano ed escono dalla cellula grazie a trasportatori specifici (canali) costituiti da proteine intrinseche della membrana plasmatica. Il trasporto che avviene tramite queste proteine trasportatrici è chiamato trasporto mediato. I sistemi di trasporto mediato comprendono processi di trasporto attivo e di trasporto facilitato. La differenza principale tra questi due processi è che il trasporto attivo è capace di “pompare” una sostanza contro un gradiente di concentrazione (o di potenziale elettrochimico), mentre il trasporto facilitato tende ad equilibrare le sostanze ai lati della membrana.

Il trasporto di una sostanza trasferita con trasporto mediato è molto più rapido di quello di altre molecole di peso molecolare e liposolubilità simili che attraversano la membrana. La velocità di trasporto mostra una cinetica di saturazione: man mano che la concentrazione delle sostanze aumenta, anche la velocità di trasporto aumenta, ma può essere raggiunta una concentrazione oltre la quale non si osserva ulteriore incremento della velocità di trasporto. A questo punto si dice che il sistema di trasporto è saturo della sostanza trasportata. La saturazione della velocità (V) del trasporto mediato è rappresentata dall’equazione di Michaelis-Menten:

V = V_max [S] / K_m + [S]

Dove V è la massima velocità di trasporto, [S] è la concentrazione della sostanza trasportata e K_m è la costante di Michaelis per il trasportatore.

La diffusione facilitata permette la diffusione di sostanze che per dimensioni o caratteristiche di solubilità non possono passare per diffusione semplice attraverso il doppio strato lipidico della membrana. Il passaggio attraverso la membrana può avvenire per mezzo di proteine intrinseche di membrana: canali ionici o proteine trasportatrici (carrier). Questo tipo di trasporto è detto trasporto facilitato.