Appunti fisiologia generale

Temi centrali della fisiologia

Omeostasi

Omeostasi: (stabilità dell'ambiente interno) con tale termine ci si riferisce alla capacità da parte degli organismi animali di mantenere costanti (almeno entro certi ambiti) molti parametri chimico-fisici dei propri organi. L'omeostasi non avviene solo a livello dell'intero organismo ma anche a livello cellulare.

• Omeotermi: mammiferi e uccelli, animali con temperatura costante
• Pecilotermi: animali a temperatura variabile
• Endotermi: produzione interna di calore
• Ectotermi: dipendono da una sorgente esterna di calore

Fluidi organici

1. Mantener costante la composizione del fluido intracellulare. Ambiente eterogeneo.
2. Ambiente extracellulare è più uniforme:

• Liquidi interstiziali
• Plasma (parte fluida del sangue)

Elettroliti Siero Fluidi interstiziali Intracellulare

Anioni

Proteine, Osmoralità, pH, e Temperatura sono rispettivamente 13, 318, 7.4, 37 per il siero; 0, 304, 7.4, 37 per i fluidi interstiziali; 6, 302, 6.87/7.3, 37 per l'intracellulare. La CO₂ attraversa facilmente la membrana cellulare.

Retroazione (feedback)

Consiste in un circuito chiuso nel quale l'effetto prodotto su un sistema da una causa primaria ritorna indietro a influenzare il processo che lo ha generato.

• Negativa: l'azione a ritroso agisce in modo da contrastare il disturbo; il risultato complessivo sarà quello di riportare il sistema alla sua condizione iniziale, cioè alla situazione esistente prima dell'occorrenza del disturbo. Esempio: CO₂, riflesso, omeostasi.
• Positiva: l'effetto prodotto dal disturbo iniziale agisce retroattivamente in modo da potenziare l'azione del disturbo. Esempio: potenziale d'azione, coagulazione, svuotamento delle cavità corporee, pressione arteriosa.

Meccanismi di trasporto

Permeazione di membrana

Le cellule, come tutti gli organismi, compiono tre tipi di lavoro:

• Lavoro meccanico: compiere movimenti
• Lavoro chimico: sintetizzare composti
• Lavoro di trasporto: muovere le molecole attraverso le membrane che delimitano i compartimenti cellulari.

I movimenti di ioni e molecole attraverso le membrane sono chiamati trasporti.

• Trasporti passivi: tendono a dissipare i gradienti chimici e/o elettrici già presenti e non richiedono energia proveniente dal metabolismo cellulare.
• Trasporti attivi: utilizzano l'energia prodotta dalle cellule per muovere principalmente ioni, ma anche molecole organiche, contro gradiente elettrochimico, vale a dire in salita, grazie all'energia fornita dall'idrolisi dell'ATP.
• Trasporti attivi secondari: comportano il movimento accoppiato di due diverse specie molecolari: la prima si muove secondo gradiente elettrochimico e, così facendo, spinge la seconda da un ambiente meno concentrato a uno più concentrato, cioè contro il proprio gradiente chimico.

Diffusione semplice

È un processo spontaneo, in quanto avviene con un aumento di entropia del sistema. Ciascuna molecola ha la stessa probabilità di muoversi verso destra o verso sinistra, e le molecole diffondono in modo uniforme nel giro di qualche decina di secondi. Le molecole idrofile possono passare per diffusione da una cellula all'altra attraverso le giunzioni comunicanti.

Il tempo di diffusione è inversamente proporzionale al quadrato della distanza da percorrere, perciò la diffusione è efficiente solo nei percorsi brevi. La quantità di soluto che diffonde attraverso una determinata superficie è direttamente proporzionale al gradiente di concentrazione attraverso l'interfaccia, all'area della superficie A e alla durata dell'osservazione.

Prima legge di Fick

Flusso: numero di molecole che passano attraverso l'unità di superficie nell'unità di tempo. È un vettore: ha una direzione e un verso. A noi interessano flussi perpendicolari alla membrana e con concentrazioni uniformi.

D: coefficiente di diffusione (cm²/s)

A: area della superficie di scambio (cm²)

Il segno meno può essere spiegato graficamente: al crescere della x la derivata decresce e pertanto moltiplicando quantità negative tra loro si ottiene una quantità positiva. Il flusso delle molecole va in maniera opposta al gradiente di concentrazione. Analizzando la seguente situazione, considerando che: le concentrazioni sono uniformi e la membrana è sottile, per calcolare la velocità di flusso si può non usare la derivata. Si assume anche che la membrana non catturi le molecole quando passano. Considerando che le molecole sono lipofiliche (es. ormoni steroidei), il flusso attraverso la membrana può essere descritto dalla seguente equazione:

ΔJ = -ΔC/Δx

ΔC: differenza delle concentrazioni immediatamente dentro la membrana
Δx: spessore della membrana
Pm: coefficiente di permeabilità, ha le dimensioni di una velocità (cm/s). Le molecole più lipofiliche hanno permeabilità più alta, ma solo fino a un certo punto. L'acqua, che è una molecola polare, ha uno scarso coefficiente di partizione, ma ha permeabilità molto alta. L'acqua passa facilmente le membrane biologiche, ma ciò dipende dal tipo di membrana. Dall'equazione è evidente che il flusso netto J aumenta linearmente al crescere della differenza di concentrazione e che il coefficiente di permeabilità è il coefficiente angolare della retta.

Osmosi

Il fenomeno dell'osmosi ha luogo quando una membrana semipermeabile separa due soluzioni con diversa concentrazione di soluti. Una membrana semipermeabile ideale è quella che si lascia permeare dall'acqua e non dai soluti. In queste condizioni l'acqua si muoverà dalla soluzione in cui i soluti hanno concentrazione minore verso quella in cui hanno concentrazione maggiore sino al raggiungimento dell'equilibrio della concentrazione di soluti tra i due compartimenti. L'acqua si muove quindi secondo il suo gradiente di concentrazione.

Pressione osmotica (π). L'acqua tende ad entrare, produce una pressione. Quando la colonna di liquido è alta produce una pressione centrale e spinge l'acqua fuori. Quando si giunge all'equilibrio si ha l'equilibrio osmotico.

π = iCRT

Osmolarità: per semplicità, la π di una soluzione si dà spesso in termini delle concentrazioni dei soluti, cioè come osmolarità.

Il flusso osmotico di acqua può essere pervenuto se si applica una pressione idrostatica contraria. La pressione richiesta per bloccare il passaggio di acqua è chiamata pressione osmotica ed è definita dall'equazione di van't Hoff:

π = iCRT

π: pressione osmotica
R: costante dei gas
T: temperatura assoluta
C_i: concentrazione molare del soluto

I termini osmolarità e osmolalità indicano la quantità totale (in moli) di particelle presente in 1kg di solvente e 1L di soluzione, rispettivamente. Una osmole (Osm) rappresenta, quindi, un numero di Avogadro pari a 6,022x10²³ di particelle individuali. I concetti di osmolarità e osmolalità sono utilizzati indifferentemente quando ci si riferisce a soluzioni relativamente diluite di un organismo animale.

Il flusso di acqua attraverso la maggior parte delle membrane biologiche avviene mediante un meccanismo di semplice diffusione attraverso il film lipidico. Tuttavia, alcune cellule possiedono proteine specializzate che formano pori transmembrana selettivi all'acqua e che sono chiamate acquaporine. Le acquaporine aumentano drasticamente la permeabilità all'acqua delle membrane cellulari.

Nel caso in cui ci sia una molecola di sale in soluzione, esso si dissocia. Ad esempio, se si ha una concentrazione di 100mM di NaCl gli ioni si dissociano e si hanno il doppio delle particelle libere di cui:

• 100mM di Na⁺
• 100mM di Cl^-

La pressione osmotica risulta essere il doppio, pertanto si deve introdurre un nuovo fattore nell'equazione di van't Hoff che tenga conto della dissociazione i: π = iCRT

La maggior parte delle cellule dell'organismo si trova fisiologicamente esposta a condizioni di istonia rispetto all'ambiente extracellulare. L'istonia viene mantenuta attraverso una fine regolazione della concentrazione ionica citoplasmatica da parte della cellula.

La presenza nella cellula di grossi anioni impermeanti esercita una forza osmotica che, se non attivamente contrastata, darebbe luogo a una distribuzione di ioni tra l'ambiente intracellulare e l'ambiente extracellulare secondo l'equilibrio di Gibbs-Donnan, che prevede un'osmolarità maggiore nell'ambiente in cui sono presenti gli ioni impermeanti. In realtà, l'equilibrio di Gibbs-Donnan non viene mai raggiunto grazie alla presenza sulla membrana cellulare della pompa Na⁺/K⁺, che permette l'instaurarsi di uno stato stazionario che richiede una concentrazione intracellulare di anioni inorganici minore rispetto all'ambiente extracellulare, compensando in questo modo l'effetto dei proteinati impermeanti in essa contenuti.

Nei mammiferi l'osmolarità dei fluidi corporei si aggira normalmente attorno a 285 mOsm/kgH₂O ed è regolata entro ristretti limiti (±3%) da meccanismi omeostatici.

• Pressione oncotica: pressione osmotica esercitata da soluzioni colloidali. Si riferisce alla pressione causata dalle proteine presenti in soluzione nel plasma sanguigno. In condizioni normali il suo valore è 20mmHg ed è in grado di determinare il movimento di liquido attraverso le membrane dei capillari, e in particolare nel glomerulo renale. In generale, la differenza tra pressione oncotica e pressione idrostatica a livello dell'estremità arteriosa dei capillari favorisce il passaggio nello spazio extracellulare di acqua, elettroliti e alcune proteine del plasma. La minore pressione idrostatica che si ha a livello delle estremità venose nei capillari e la costante pressione oncotica inducono, invece, un riassorbimento nel circolo sanguigno di acqua, di elettroliti e dei prodotti del catabolismo dei tessuti.

Non è solo l'osmoralità che regola il volume della cellula ma anche la sua composizione. Vi sono cellule che resistono molto bene alle variazioni di volume: i neuroni tendono a non rispondere cambiando volume poiché vi sono delle proteine specializzate; inoltre vi sono le cellule della glia che tamponano tale processo aumentando il proprio volume.

Diffusione facilitata

Le molecole idrofile non possono permeare attraverso il doppio strato lipidico, ma possono entrare o uscire dalle cellule, perché nella membrana sono presenti molte proteine specializzate che permettono il passaggio passivo di ioni e molecole organiche.

Gli ioni passano attraverso proteine che formano i canali ionici. Altre proteine che facilitano il passaggio di molecole attraverso le membrane sono chiamate trasportatori (carriers) e mediano il passaggio di una sola specie molecolare, sono chiamati uniportatori. Il trasporto di queste molecole si muove secondo il proprio gradiente di concentrazione, viene definito diffusione facilitata o uniporto.

La reazione che comporta la traslocazione di un substrato dall'ambiente esterno a quello interno tramite un trasportatore può essere scritta come:

S_out + C ↔ SC ↔ S_in + C

S_out: substrato ambiente esterno
S_in: substrato ambiente interno
C: carrier

L'entità del trasporto facilitato di una sostanza in una cellula dipende dalla velocità con cui ogni singolo trasportatore effettua il proprio ciclo e dal numero di proteine trasportatrici presenti nella membrana cellulare. Il trasportatore può essere visto come un enzima che catalizza il passaggio delle molecole e per mediare questa catalisi cambia conformazione. Pertanto il flusso unidirezionale, espresso come numero di molecole che passano nell'unità di tempo è:

J = (V_max * [S]) / (K_m + [S])

[S]: concentrazione della sostanza trasportata
K_m: costante di Michaelis-Menten, rappresenta la concentrazione di substrato che dà luogo a un flusso pari alla metà del flusso massimo J_max.

Il trasporto tende alla saturazione quando tutti i trasportatori sono occupati dal substrato. Questo valore è correlato al numero di trasportatori presenti e alla frequenza del ciclo di trasporto di ogni singola proteina. Il valore di K_m è correlato con l'affinità del trasportatore per il substrato: quanto più basso è questo valore, tanto maggiore è l'affinità apparente. I trasportatori sono stereoselettivi: per esempio sono in grado di discriminare tra D-glucosio e L-glucosio. La regolazione dei trasportatori si esplica in due modi:

• Variando la velocità con cui i singoli trasportatori effettuano ogni ciclo di trasporto;
• Variando il numero di trasportatori inseriti nella membrana.

Uniportatori di glucosio

Il glucosio, che rappresenta un fondamentale nutriente delle cellule, attraversa passivamente le membrane cellulari grazie alla presenza di proteine trasportatrici. Vi sono diversi tipi di carriers di glucosio a seconda della localizzazione e della funzione.

GLUT4 è regolato dall'ormone insulina che viene prodotto dalle cellule β del pancreas quando i livelli ematici di glucosio aumentano. L'insulina regola l'assunzione di glucosio nelle cellule muscolari e adipose aumentando il numero dei trasportatori presenti nella membrana. Il legame dell'insulina con un recettore costituito da una tirosinchinasi attiva l'enzima e origina la sequenza di eventi cellulari che porta al reclutamento di vescicole citoplasmatiche contenenti GLUT4. Le vescicole si fondono con la membrana plasmatica aumentando così il numero dei trasportatori disponibili che mediano l'ingresso di glucosio nella cellula. Una volta nel citoplasma, il glucosio è fosforilato e quindi intrappolato nella cellula poiché la forma fosforilata non è trasportata. L'effetto dell'insulina su GLUT4 è reversibile: in assenza dell'ormone i trasportatori sono rimossi.

Trasporti attivi

Il trasporto attivo è capace di muovere le sostanze contro gradiente elettrochimico utilizzando l'energia metabolica della cellula. Questo processo è realizzato da proteine trasportatrici complesse che fungono sia da trasportatori sia da enzimi.

• Pompe: trasportatori. Subiscono transizioni conformazionali, accoppiate all'idrolisi di una molecola di ATP legata alla proteina.
• ATPasi: enzimi

Il trasporto attivo ha alcune caratteristiche in comune con il trasporto facilitato, come la saturazione e l'inibizione competitiva da parte di sostanze simili ai substrati trasportati; esso è inoltre inibito dagli inibitori metabolici che impediscono la sintesi di ATP.

Pompe e localizzazione

ATP binding cassette (ABC): famiglia di trasportatori, tra questi troviamo MDR (multiple drug resistance) che conferisce resistenza a molti farmaci nelle cellule cancerose rimuovendo attivamente farmaci citotossici dalla cellula. In questo modo le cellule cancerose diventano resistenti ad una varietà di agenti terapeutici.

All'interno delle cellule animali è presente un'elevata concentrazione di K⁺ che, nel liquido extracellulare, è circa 30 volte più bassa; il Na⁺, invece, ha concentrazione elevate nel liquido extracellulare e relativamente bassa all'interno delle cellule. Numerose prove sperimentali hanno dimostrato che la membrana cellulare è...