Appunti di Fisiologia generale, Mauro Giorgi

Lezione 1

Fisiologia animale

La fisiologia animale studia i fenomeni e i meccanismi associati alle funzioni degli animali.

Livelli organizzativi

Questo schema ci dà un’idea di una delle cose fondamentali della fisiologia che è il riduzionismo. Cioè le metodologie o i concetti di tale scienza debbano essere ridotti al minimo sufficiente a spiegare i fatti della teoria in questione.

Un altro tema fondamentale della fisiologia è il rapporto struttura-funzione. Un'altra cosa importante è l’omeostasi. Ogni sistema vivente tende ad omeostatizzare cioè a rendere costanti dei valori. L’esempio più classico è la temperatura oppure stabilizzare il pH o la concentrazione salina. Per omeostatizzare c’è assolutamente bisogno dei sistemi feedback.

Il sistema a feedback è un sistema a blocchi in cui una certa variabile viene mantenuta sotto controllo con due tipi di feedback (positivo e negativo). In qualunque sistema a feedback c’è bisogno di un sensore. Il sensore dà informazioni precise sullo stato della variabile in gioco per controllarla e il feedback che, reagendo all’entrata, determina il mantenimento costante dei sistemi è un feedback negativo che blocca eventuali aumenti della variabile. Nel caso dei feedback positivi la variabile aumenta in maniera indiscriminata e sono sistemi che raramente sono presenti in biologia. Tutti i sistemi tendono a mantenersi costanti.

Plasticità, ridondanza e pleiotropismo

Plasticità: Se sottoposti a una variabile continua, che gli permette di superare gli ostacoli, allora plasticamente si modificano e si adattano meglio al sistema.

Ridondanza: Diverse strutture utilizzate per una funzione. Più elementi in grado di svolgere la stessa funzione in questo modo un guasto in un elemento non provoca il cattivo funzionamento dell’impianto.

Pleitropismo: Ovvero diverse funzioni possono essere sostenute dalla medesima struttura o meccanismo. Es. il rene ha più funzioni (organo che depura il sangue, controlla il pH del sangue, ghiandola endocrina).

Lezione 2

La cellula animale

Le cellule hanno forme diverse ma generalmente sono sferoidali, e sono delimitate dalla membrana cellulare e sono costituite da citoplasma e nucleo. Il citoplasma è costituito da una sostanza gelatinosa ricca soprattutto di acqua ed è compreso tra la membrana cellulare e il nucleo. In esso sono presenti delle piccole strutture chiamate organuli dove avvengono le trasformazioni per la vita cellula. Il nucleo è responsabile di tutte le funzioni vitali della cellula perché al suo interno si trova la molecola più importante per la vita il DNA.

Il reticolo endoplasmatico è un labirinto di tubuli ramificati e sacchi appiattiti esteso a tutto il citosol e ha un ruolo cruciale nella biosintesi dei lipidi e delle proteine. Si ritiene che sia il sito di produzione di tutte le proteine transmembrana, proteine che devono essere secrete e di tutti i lipidi. Viene distinto in reticolo ruvido e liscio.

Il mitocondrio è un organello delimitato da una doppia membrana. La membrana interna presenta molte invaginazioni, o creste, e delimita lo spazio della matrice. Nella membrana delle creste, ad opera della catena di trasporto degli elettroni, avviene la conversione della maggior parte dell’energia contenuta negli alimenti.

Funzioni della membrana cellulare

Per la sua posizione di interfaccia, la membrana plasmatica, oltre alla funzione strutturale, svolge altre funzioni essenziali:

• Funzione di isolamento fisico, poiché rappresenta una barriera tra liquido intracellulare e liquido extracellulare.
• Funzione di filtro selettivo, che lascia passare alcune sostanze piuttosto che altre, assicurando così l’integrità biochimica del citoplasma.
• Funzione di superficie di comunicazione, permettendo sia lo scambio di informazioni tra l’ambiente intra- ed extracellulare, sia l’interazione fisica con le strutture extracellulari circostanti.
• Funzione di superficie catalitica, dato l’abbondante numero di enzimi ad essa legati, in gran parte coinvolti nella produzione di messaggeri intracellulari.
• Funzione di supporto strutturale, attraverso le proteine di membrana ancorate al citoscheletro e le giunzioni cellulari mantiene la forma della cellula.
• Infine, la membrana cellulare partecipa a funzioni complesse come l’esocitosi (secrezione), endocitosi (ingestione di sostanze esterne mediante la formazione di vescicole), adesione e movimento cellulare ameboide.

Struttura chimica dei fosfolipidi

Il doppio strato fosfolipidico della membrana è molto permeabile alle molecole apolari (acidi grassi, steroidi, ormoni tiroidei). All’etanolo ea vari gas, ed è parzialmente permeabile anche all’acqua. Viceversa, le grosse molecole prive di carica come il glucosio, gli ioni e le molecole polari provviste di carica come gli aminoacidi e l’ATP, non riescono ad attraversare spontaneamente il doppio strato lipoproteico della membrana.

La struttura chimica di un fosfolipide, rappresentata dal modello a spazio pieno (a) e dal modello simbolico (b), comprende una testa polare idrofilica e due code non polari idrofobiche. Quando sono poste in acqua, le molecole dei fosfolipidi si assemblano spontaneamente in un doppio strato (c). Questa disposizione è quella che si osserva nelle membrane cellulari, come mostrato nel modello di rappresentazione a spazio pieno (d).

Gradiente di concentrazione e legge di Fick

Nel caso più semplice cos’è che fa muovere la molecola da un lato all’altro della membrana? È il gradiente di concentrazione cioè la differenza di concentrazione che porta i soluti a spostarsi da una soluzione all'altra affinché le due concentrazioni raggiungano l'uguaglianza. La molecola può entrare e uscire l’importante è la direzione del gradiente. Questo fenomeno abbastanza semplice è stato trattato da Fick.

Legge di Fick: φ = Am × D × R × (c1-c2)/∆x

Dove:

• Am = area della membrana
• D = costante di diffusione
• R = coefficiente di ripartizione (R = [in olio] / [in acqua])
• C1 e C2 = sono le concentrazioni della sostanza che diffonde
• ∆x = spessore della membrana

Il coefficiente di ripartizione olio/acqua è un termine chimico fatto apposta per misurare quanto una molecola si scioglie in acqua o nei lipidi (idrosolubile o liposolubile). Ogni molecola ha un suo coefficiente di ripartizione, se è alto vuol dire che si scioglie bene nei lipidi e male nell’acqua, se è basso il contrario. All’aumentare del coeff. di ripartizione aumenta il coeff. di permeabilità. Termine chimico che mi dice quanto una molecola è idrofobica.

Coefficiente di diffusione e canali ionici

Il coefficiente di diffusione D è dato da: D = RT/Nf Dove:

• R = costante dei gas
• T = temperatura assoluta
• N = numero di Avogadro
• f = coefficiente di attrito del mezzo e a volte dipende dalla viscosità e dal raggio della molecola

Canali ionici: All’interno della proteina, al centro, c’è un poro che collega un lato con l’altro e permette il passaggio selettivo di ioni. Muove ioni sia in uscita che in entrata. Fanno passare il sodio e non il potassio e viceversa.

Sodio (n.a. 11) Diametro anidro = 1.96 Diametro idrato = 5.82

Potassio (n.a. 19) Diametro anidro = 2.66 Diametro idrato = 3.76

Il sodio, in acqua, attrae molecole d’acqua aumentando di diametro diventando più grande del potassio. Nel caso del canale selettivo al potassio (non desolvatante), che ha una dimensione di 5.0, entra il potassio con diametro 3.76 e non il sodio perché ha diametro 5.82. Il canale selettivo al sodio è desolvatante cioè riesce, tramite delle cariche che sono all’inizio del canale, a prendersi le molecole d’acqua e quindi fa passare il sodio senza le molecole d’acqua con diametro di 1.96 e non fa passare il potassio che ha diametro 2.66 (il canale ha una dimensione di 2.2).

Caratteristiche dei trasporti mediati

Hanno delle caratteristiche proprie. Si chiamano carriers (trasportatori) e sono delle proteine che, non sono fatte come i canali, hanno una tasca che prende le molecole e le sposta da un lato all’altro della membrana. Sono dotati di specificità (es. solo la molecola glucosio viene legata al trasportatore e passa all’altro lato della membrana). Sono soggetti a saturazione cioè se le molecole trasportate sono tante il sistema si satura. Possono essere bloccati dagli inibitori competitivi. Hanno un’elevata dipendenza termica e dal pH. Queste caratteristiche sono le stesse che hanno tutti gli enzimi. In realtà un carriers di trasporto mediato è un enzima. E come gli enzimi c’è il sito attivo cioè il sito all’interno della proteina che si lega con la molecola in maniera specifica e la muove da un lato all’altro.

È difficile schematizzare il movimento. Questo movimento viene detto Flip-flop. Nel primo caso la molecola (glucosio) può entrare e legarsi al trasportatore perché ha il lato esterno aperto poi cambia conformazione il lato esterno si chiude e si apre il lato interno in modo tale che la molecola può fuoriuscire lungo il suo gradiente. Se il gradiente è opposto la molecola va in direzione opposta.

I geni GLUT

I geni che codificano i trasportatori del glucosio sono i geni GLUT. Di geni GLUT ne esistono tanti (5) e hanno anche affinità diverse con valori di Km diversi. Km alto affinità più bassa.

Km = concentrazione molare

Ha un senso fisiologico il fatto che in certi organi c’è un trasportatore di glucosio a bassa affinità ed uno ad alta affinità? Si può vedere da questo grafico.

Flussi entranti di glucosio a diversi valori di glicemia in cellule neuronali (linea verde, KM = 1.8 mM) e in cellule beta del pancreas (linea blu, Km = 7mM). La curva in alto è quella ad alta affinità ed il trasportatore di glucosio dei neuroni perché l’apporto di glucosio al cervello è fondamentale e quindi viene espressa la GLUT a più alta affinità. Ha un senso che il trasportatore di glucosio GLUT del pancreas sia a bassa affinità? Si perché le cellule del pancreas, attraverso le cellule Beta, producono insulina che è un ormone che regola i livelli di glucosio. Le cellule Beta sono anche dei sensori del glucosio. È basso perché deve essere sensibile alle variazioni plasmatiche.

Lezione 3

Riassunto lezione 2

→ Trasporto in forma libera: Diffusione nella matrice fosfolipidica: movimento molto semplice. Rappresentata con l’equazione di Fick.

→ Trasporto in forma libera: Migrazione in canali di membrana: canali ionici. Canali selettivi.

→ Trasporti mediati: Diffusione facilitata: cioè il primo processo in cui il trasportatore ha un’interazione importante con la molecola da trasportare. Es. diffusione facilitata del glucosio.

Trasporto attivo

Il trasporto attivo è un tipo di trasporto di ioni e molecole che permette il passaggio di queste sostanze contro un gradiente di concentrazione, di pressione, o elettrico. Il trasporto attivo può essere suddiviso in trasporto attivo primario e trasporto attivo secondario.

Trasporti attivi primari

Per trasporto attivo si intende quello che consuma energia. Questo tipo di trasporto per poter avvenire ha la necessità di utilizzare l’energia che viene fornita solitamente dall’ATP (Adenosina-tri-fosfato dona energia mediante reazione di idrolisi, mediata dall’enzima ATPasi, che nella maggior parte dei casi coinvolge il trasferimento di un gruppo fosfato. L’energia che si libera viene subito utilizzata grazie agli enzimi che convogliano questa energia alle reazioni che ne hanno bisogno. È la benzina di quasi tutti i processi biologici).

Quindi i trasportatori attivi primari sono trasportatori che utilizzano in maniera primaria l’ATP e quindi un enzima ATPasico, è un enzima che ha tutto il necessario per legare ATP e riesce, in quanto enzima, a idrolizzare questo legame fosforico e trasformare questa energia del legame che si è idrolizzato in movimento di uno ione che viene portato da bassa concentrazione ad alta concentrazione. È un sistema che produce gradienti di concentrazione.

Sinporto: Quando muove nella stessa direzione

Controtrasporto: Quando muove in direzione opposta

Uniporto: Quando viene trasportato un solo ione

Esistono 3 tipi di pompe ioniche utilizzate nel trasporto attivo primario. La prima, che è la più importante di tutte, è la pompa di scambio Sodio Na/Potassio K (controtrasporto). È presente in tutte le cellule e in tutti gli organismi. Questa pompa consuma all’incirca il 65% dell’ATP che viene prodotto in tutto l’organismo. La pompa spinge dentro la cellula il potassio e fuori dalla cellula il sodio. Non lo fa in maniera uguale, nel senso, al livello stechiometrico si è visto che quando viene idrolizzata una molecola di ATP spinge 2 potassi all’interno e 3 di sodio all’esterno. È fondamentale perché crea i gradienti ionici di sodio e potassio. (Movimento Flip-Flop) Nel rilascio del sodio si ha bassa affinità però si alta affinità con il potassio che entra. Utilizzato per far aumentare la concentrazione di sodio all’esterno e di potassio all’interno.

La seconda è un'altra pompa che consuma ATP è un controtrasporto. Si chiama pompa protonica perché pompa protoni all’esterno e potassio all’interno. È la pompa che produce acidità di stomaco.

L’altra è una pompa uniporto del calcio e anche questo è un ATPasi che pompa calcio nella membrana plasmatica con lo scopo di portarlo fuori. Perché il calcio viene espulso? Perché non è solo un catione bivalente qualsiasi ma è un secondo messaggero. Quando il calcio entra dentro le cellule c’è un segnale che dice di emettere qualche cosa. Nel caso delle cellule dei muscoli quando entra il calcio si attivano e si contraggono (uniporto).

Tutte queste pompe sono bloccate dallo ione vanadato. E utilizzano un aspartato per legare il gruppo fosforico dell’ATP. L’ouabaina è l’inibitore del sistema. Tiene la pressione osmotica sotto controllo, prevenendo il rigonfiamento cellulare.

Trasportatori attivi secondari

È una pompa che, come quella primaria, crea differenza di concentrazione. Però non utilizza direttamente l’ATP perché non è un ATPasi. L’energia la prendono dal fatto che c’è uno ione motore che è trasportato dal trasportatore e si muove lungo il suo gradiente da dove è più concentrato a dove è meno concentrato (trasporto attivo primario). Quindi può dare energia per muovere un'altra sostanza diversa, sempre legata al trasportatore secondario, contro il suo gradiente.

Nello schema le palline rosse (es. sodio) si spostano lungo il loro gradiente attraverso il trasporto attivo primario (ione motore) le palline blu (es. glucosio) utilizzano questo trasporto per andare contro il loro gradiente (trasporto attivo secondario, molecola da trasportare). I geni GLUT successivamente muovono il glucosio attraverso la membrana lungo il suo gradiente da dove è più concentrato a dove è meno concentrato.

Una delle pompe principali del trasporto attivo secondario è la pompa sodio/glucosio. Il gradiente del sodio viene usato per guidare in salita il trasporto di una seconda molecola.

Un altro trasportatore che utilizza il gradiente di sodio in entrata che, va lungo il suo gradiente, sono i protoni (H+) che vengono attivamente trasportati contro il gradiente.

L’ultima è la pompa di scambio che pompa calcio. Pompa sodio/calcio.

Ci sono dei trasporti attivi secondari che non dipendono dal sodio Na. Che sono:

• La prima ione motore potassio (sfrutta l’uscita del potassio, contro il suo gradiente, per muovere il cloro nella stessa direzione, contro il suo gradiente e viene accumulato all’esterno) e la seconda ione motore bicarbonato. Sangue leggermente basico subito dopo i pasti per contrasto acidità nel lume gastrico dove viene prodotto HCl. Questo viene tamponato da un succo basico del pancreas che funziona al contrario; nel lume riversano sostanze basiche e nel sangue sostanze acide. Alla fine acidità gastrica e basicità pancreatica neutralizzano il sistema.
• Questo scambiatore bicarbonato cloro Cl/HCO3 funziona anche per i globuli rossi (cellula molto semplice priva di nucleo, contiene emoglobina per il trasporto di ossigeno e anidride carbonica). Il globulo rosso si comporta in maniera diversa a livello polmonare e tissutale.
• A livello tissutale c’è assunzione di anidride carbonica e rilascio di ossigeno. A livello polmonare avviene il contrario l’ossigeno viene assunto e viene rilasciata anidride carbonica che viene espulsa. A livello tissutale la reazione fa in modo che il bicarbonato, che si accumulerebbe, rende il sistema all’interno del globulo rosso leggermente più acido che va intaccare emoglobina che, in condizioni di leggere acidità, rilascia meglio l’ossigeno. A livello polmonare è l’opposto. La reazione è opposta da destra verso sinistra. Il bicarbonato rientra nella cellula stessa si rilega al protone e il sistema all’interno della cellula diventa leggermente basico. La basicità del citoplasma cellulare aumenta l’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno così l’ossigeno si lega più rapidamente. La reazione fa in modo che la CO2 venga rilasciata sotto forma di gas. Lo scambio bicarbonato/cloro è fondamentale perché si ha neutralizzazione di variazione di carica.

L’unico modo di muovere materiale è attraverso la membrana plasmatica (via transcellulare).