Fisiologia - Appunti Completi

Fisiologia

Scaletta importante per studiare e ripetere fisiologia

• Osservazione
• Ipotesi
• Sperimentazione
• Parametri (unità di misura)
• Rappresentazione (schemi e grafici)

La fisiologia è lo studio del normale funzionamento dell'organismo e delle parti che lo compongono: come funziona il nostro corpo. Importante è lo studio della fisiologia a diversi livelli (dalla cellula, ai tessuti, agli organi, ai sistemi) e del modo in cui essi si integrano e coordinano le funzioni dei vari organi ed apparati, per garantire l'omeostasi, in risposta alle perturbazioni.

Le cellule, a partire da una condizione iniziale totipotente, cominciano a differenziarsi, non solo morfologicamente, ma anche dal punto di vista fisiologico. In altre parole, le cellule si specializzano nello svolgere funzioni precise, perdendo magari la capacità di svolgerne altre.

La membrana cellulare

La membrana cellulare delimita l'intera cellula, fungendo da barriera e contenendo all'interno i vari organuli. Essa è formata da un doppio strato fosfolipidico, che la rende impermeabile all'acqua o a tutte quelle soluzioni acquose presenti nel liquido interstiziale. Essa separa, dunque, il liquido intracellulare (LIC) dal liquido extracellulare (LEC). Quest'ultimo è costituito dalla somma del liquido interstiziale e dal plasma (liquido del sistema digerente, cardiovascolare, ecc.).

La composizione sia del LIC che del LEC viene sempre mantenuta stabile, proprio grazie all'impermeabilità della membrana. Questa è, infatti, una barriera selettiva, che permette il passaggio unicamente a determinate sostanze.

La membrana, oltre ai fosfolipidi, è costituita anche da:

• Molecole di colesterolo, che donano fluidità ed evitano che lo strato membranale risulti rigido;
• Proteine. Queste si dividono in estrinseche o periferiche ed intrinseche o transmembrana. Quest'ultime attraversano tutta la membrana plasmatica; le estrinseche, invece, non possono interagire con le code fosfolipidiche e si dispongono, quindi, solo sulla superficie.

La membrana cellulare, quindi, non è statica, ma viene detta modello a mosaico fluido, proprio perché possiede questa capacità di muoversi e deformarsi a seconda delle necessità.

Le variazioni omeostatiche e il feedback

Una variazione interna ed esterna implicherà una variazione dell'omeostasi. Se l'organismo riesce a compensare velocemente, si ritorna alla condizione di equilibrio omeostatico, altrimenti l'organismo presenterà una patologia. L'omeostasi è controllata da meccanismi a feedback negativo o positivo. Il primo aiuta a mantenere la stabilità di un sistema, contrastando i cambiamenti dell'ambiente esterno. Il secondo, invece, amplifica la possibilità di evoluzione dell'anomalia.

Un esempio di feedback positivo è quello che controlla la secrezione dell’LH, l'ormone luteinizzante. L'ormone, infatti, stimola la secrezione degli estrogeni, che stimola, a sua volta, il rilascio di altri LH, che stimola maggior rilascio di estrogeni, e così via. Un’eccessiva produzione di estrogeni fa sì che venga introdotto un nuovo elemento, capace di arrestare il rilascio di LH.

Anche il processo di termoregolazione corporea è regolato da un processo a feedback negativo. Un feedback negativo, in generale, funziona così:

• Rilevazione anomalia
• Integrazione informazioni
• Attivazione meccanismi di ripristino
• Ripristino valore del parametro

La regolazione può realizzarsi sia a breve termine che a lungo termine. Inoltre, la regolazione può essere di tipo locale o di tipo generale, se richiede l'intervento di più parti dell'organismo.

La membrana come sede di fenomeni elettrici

La membrana è sede di fenomeni elettrici. Essa è infatti dotata di un cosiddetto potenziale di membrana, ossia uno squilibrio elettrico che si viene a creare fra il LIC e il LEC, a causa della differenza di quantità di ioni disciolti in ciascun liquido. Analizzando quanto segue è possibile osservare come alcuni ioni (positivi o negativi) si trovino o solo all'interno della cellula o solo all'esterno, e creino, dunque, un grande squilibrio elettrochimico.

• Na⁺: Molto concentrato nel LEC, poco nel LIC;
• Cl^-: Molto concentrato nel LEC, poco nel LIC;
• K⁺: Molto concentrato nel LIC, pochissimo nel LEC;
• HCO₃^-: Ione bicarbonato, più presente nel LEC che nel LIC;

Al pH fisiologico dell'organismo, le proteine si trovano in forma ionizzata negativa. Esse influiscono così sull'equilibrio elettrico della cellula come anioni. Sono concentratissime nel LIC, mentre non si trovano mai nel LEC. In ogni compartimento (plasma sanguigno, liquido interstiziale, LIC) è presente un equilibrio elettrico, dato dal fatto che il numero di anioni e di cationi si bilanciano. Tuttavia, c'è sempre una differenza quantitativa totale di ioni tra compartimento e compartimento. Questo è necessario per il fenomeno dell'osmosi. La differente concentrazione di ioni fra i vari compartimenti, infatti, permette la diffusione osmotica dell'acqua da maggior gradiente di concentrazione a minore.

Le proteine di membrana e i differenti meccanismi di trasporto membranale

Le proteine di membrana possono essere di 2 tipologie:

• Proteine che fungono da canali. Queste possono essere o sempre aperte (per esempio i pori per l'acqua), o regolate da sistemi di apertura-chiusura. Il flusso che viene a crearsi attraverso questi canali è detto flusso passivo, proprio perché è un flusso che sfrutta le sole leggi fisiche e il gradiente di concentrazione.
• Proteine trasportatrici o carrier. Non formano mai un canale aperto fra i 2 lati. È un tipo di trasporto che segue sempre le leggi della diffusione, ma che sfrutta una proteina di trasporto. Questi tipi di flussi vengono detti flussi attivi. Il carrier può essere uniporto (se trasporta una sola molecola), simporto (se trasporta due molecole nella stessa direzione) e antiporto (se trasporta due molecole, ma in direzione una opposta all'altra; richiede utilizzo di ATP).

Flussi ionici transmembranali

I flussi ionici avvengono secondo 2 meccanismi:

• Flussi ionici passivi, che avvengono per diffusione, attraverso canali ionici, sempre secondo gradiente di concentrazione.
• Flussi ionici attivi, mediati invece da un carrier. Avvengono sia secondo gradiente che contro gradiente di concentrazione.

Il flusso ionico passivo segue la Legge della Diffusione di Fick: F = P_X (C₁ - C₂). Dipende quindi da:

• Intensità della forza spingente (C₁ - C₂)
• Coefficiente di permeabilità della membrana a un determinato ioni (P_X).

P_X, ovviamente, è direttamente proporzionale a F_X. Questa legge è speculare alla Legge di Ohm per un conduttore: I_X = g_X (V₁ - V₂).

Il potenziale di membrana, quindi, è la separazione di cariche elettriche ai 2 lati della membrana plasmatica. Questa differenza in numero di cariche fra LEC e LIC, accumula energia sotto forma di gradiente elettrico. La membrana, dunque, diviene polarizzata (negativa all'interno e positiva all'esterno).

Il potenziale di membrana (V_m) corrisponde alla differenza di potenziale fra interno (V_i) e esterno (V_e) della cellula: V_m = V_i - V_e. Si misura in mV (millivolt) e il valore medio è di -70mV.

Il potenziale di membrana

I fattori che determinano, quindi, il potenziale di membrana sono:

• La presenza di ioni positivi e negativi, distribuiti in modo asimmetrico sui due lati della membrana (gradiente di concentrazione);
• Permeabilità selettiva della membrana;
• Pompa Na⁺-K⁺ (sodio-potassio), che mantiene asimmetrica la distribuzione degli ioni sui lati della membrana, muovendosi anche contro gradiente di concentrazione.

Il potenziale di membrana permette la possibilità di generare segnale elettrici nelle cellule eccitabili e la possibilità di scambiare materiali attraverso la membrana. Il potenziale consiste, quindi, in uno stato stazionario (il quale indica una condizione di equilibrio dinamico) fra le concentrazioni ioniche asimmetriche ai 2 lati della membrana, associato a flussi ionici (attivi e passivi), che si bilanciano continuamente.

Un aspetto che spiega perché le cariche negative siano all'interno della cellula, mentre quelle positive all'esterno è dato dall'equilibrio di Gibbs-Donnan. Nel caso in cui i canali proteici di membrana siano sempre aperti, i vari ioni fluiranno attraverso questi (secondo gradiente) fino a che la concentrazione di ioni all'interno e all'esterno della cellula non sarà la stessa. Nel caso, invece, in cui in un compartimento siano presenti anche molecole (come proteine) che non possono passare attraverso i canali ionici, si avrà un aumento di cariche negative (le proteine sono negative) in un compartimento e, dunque, una differenza di potenziale.

L'equilibrio di Gibbs-Donnan ci permette, allora, di comprendere la causa del fatto che in 2 compartimenti è presente una perturbazione dell'equilibrio complessivo, che provoca necessariamente un aumento della pressione osmotica, chiamata pressione oncotica.

Equilibrio elettrochimico

In una situazione di equilibrio elettrochimico, le forze chimiche ed elettriche di segno opposto, attraverso la membrana, coincidono e i flussi ionici netti sono uguali a 0.

È la differenza di potenziale che si avrebbe a cavallo di una membrana se il Na⁺ potesse attraversarla liberamente. Nel caso in cui il flusso ionico di Na⁺ fosse uguale a 0, ossia quando il flusso di Na⁺ è uguale nelle due direzione, l'equilibrio sarà di E_Na = +65mV.

È la differenza di potenziale che si avrebbe a cavallo di una membrana se il Cl^- potesse attraversarla liberamente. Nel caso in cui il flusso ionico di Cl^- fosse uguale a 0, ossia quando il flusso di Cl^- è uguale nelle due direzione, l'equilibrio sarà di E_Cl = -90mV.

È la differenza di potenziale che si avrebbe a cavallo di una membrana se il K⁺ potesse attraversarla liberamente. Nel caso in cui il flusso ionico di K⁺ fosse uguale a 0, ossia quando il flusso di K⁺ è uguale nelle due direzione, l'equilibrio sarà di E_K = -85mV.

Per calcolare questi valori è necessario rifarsi all’equazione di Nerst, che ci permette di trovare il potenziale di equilibrio di ciascuno ione, a partire dalla concentrazione interna ed esterna di questo, nel caso ideale che la membrana sia totalmente permeabile solo alla tipologia di ione considerato. E = -[(RT)/(zF)]ln([ion]_inside/[ion]_outside), dove E è il potenziale di equilibrio, R la costante dei gas, T la temperatura assoluta, F la costante di Faraday e z la carica dello ione.

Come già detto, l’equazione di Nerst descrive il potenziale di membrana prodotto da un singolo ione, nel caso ideale che la membrana sia permeabile solo a quello ione. La situazione che si presenta in realtà è molto diversa: la membrana non è mai permeabile a una sola tipologia ionica, ma a più di una. Per questo motivo si utilizza l’equazione di Goldmann, una derivazione di quella di Nerst: E_m = -RT/F ln (P_Na[Na⁺]_inside + P_K[K⁺]_inside + P_Cl[Cl^-]_outside)/(P_Na[Na⁺]_outside + P_K[K⁺]_outside + P_Cl[Cl^-]_inside), dove P è la permeabilità dello ione.

Potenziale di membrana a riposo

Il potenziale di membrana varia fra -65mV (cellule nervose) e -90mV (cellule muscolari). Il potenziale di membrana medio è di -70mV, a riposo. In questo caso, il Na⁺ si trova più concentrato all’esterno e tende ad entrare, sotto l’effetto del gradiente di concentrazione chimico e del gradiente elettrico. Il K⁺, invece, è più concentrato all’interno e tende ad uscire sotto l’effetto del gradiente di concentrazione chimico, ma a rientrare per effetto del gradiente elettrico. Il gradiente elettrico e il gradiente chimico tendono a raggiungere un equilibrio dinamico. Il risultato è un valore medio fra i vari potenziali di equilibrio degli ioni più influenti.

Pompa Na⁺-K⁺

La pompa Na⁺-K⁺ è l’elemento fondamentale per il bilanciamento dei flussi ionici di Na⁺ e K⁺, attraverso la membrana. La pompa, infatti, effettua un processo attivo di trasporto dei due ioni contro gradiente elettrochimico. Essa utilizza, infatti, non i soliti canali ionici, ma particolari proteine intermembranose. 3 ioni di Na⁺ si legano alla pompa, su siti specifici. L’idrolisi di ATP fornisce energia. La pompa si apre verso l'esterno della cellula e, contemporaneamente, rilascia gli ioni Na⁺ e lega 2 ioni K⁺. Ogni 3 ioni sodio espulsi, entrano due ioni potassio, in un rapporto, quindi, di 3:2. Questa pompa prende il nome di pompa elettronegativa. A riposo, quindi, la cellula è in condizione di stato stazionario in cui i flussi passivi attraverso i canali ionici sono continuamente equilibrati dai flussi attivi della pompa Sodio-Potassio.

Un'attività cellulare dipendente dal gradiente di Na⁺: il trasporto di glucosio

Facciamo un esempio pratico, per capire a cosa può servire avere, per la cellula, una differenza di concentrazione (di sodio, per esempio), fra l’interno e l’esterno e come questo possa partecipare allo svolgimento di alcune funzioni cellulari.

Qui in figura possiamo osservare una sezione di tubulo renale, ossia di quel sistema di tubicini che permette al rene di convogliare il prodotto della filtrazione del sangue e di farlo diventare urina. Il tubulo presenta un epitelio monostratificato, con cellule che presentano una membrana luminale (rivolta verso il lume, a contatto col liquido prodotto dal rene) e una membrana basale (diretta verso il liquido interstiziale). La presenza del gradiente di sodio sulla membrana luminale, permette il riassorbimento del glucosio. Finché il livello di glucosio nel sangue non raggiunge un certo limite, il sistema di riassorbimento del glucosio è sufficiente per recuperare, dal liquido tubulare, tutto il glucosio che è stato riversato dal rene nel tubulo. Nel caso, invece, che il glucosio sia presente in quantità maggiori, questo viene recuperato in un modo diverso.

Il glucosio però è una molecola di grandi dimensioni, che non può attraversare la membrana, perché sulla membrana non sono presenti pori di dimensioni sufficienti a farlo passare: deve, quindi, utilizzare un trasportatore. Quest’ultimo sfrutta il gradiente del sodio: egli può legare sia il glucosio che il sodio. L’energia necessaria per trasferire le molecole di glucosio verso l’interno della cellula viene proprio dal gradiente del sodio, il quale è molto più concentrato all’esterno che all’interno. Le molecole di sodio, legandosi al trasportatore, che a sua volta lega il glucosio, costringono il trasportatore ad effettuare il trasporto verso l’interno della cellula. Molecole di glucosio entrano, pertanto, nella cellula, grazie agli ioni di sodio. Il sodio, poi, viene ributtato fuori dalla pompa sodio-potassio. Una volta dentro, il glucosio viene portato, grazie ad un altro trasportatore, fuori dalla cellula, dal lato della membrana basale.

Quindi, è importante ricordare come, nelle cellule dei tessuti eccitabili, la membrana cellulare può alterare i valori del potenziale di membrana, fino a generare dei segnali elettrici di elevata intensità che, non solo permettono di svolgere una funzione locale, ma che possono anche propagarsi a grandi distanze.

Variazioni del potenziale di membrana

Abbiamo definito come unità di misura del potenziale di membrana (PdM) il mV (millivolt). La rappresentazione delle variazioni del potenziale di membrana si può fare utilizzando un sistema di assi cartesiani, in cui sulle ascisse poniamo il tempo (in ms) e sulle ordinate il PdM in mV. Su questa scala utilizziamo la parte negativa, poiché il valore di riposo della cellula si stabilisce intorno ai -70mV. Per cui, finché il PdM resta stabile, tracciamo una linea che rimane sempre allo stesso valore.

Abbiamo detto, però, che nelle membrane cellulari si manifestano delle variazioni del PdM, determinate da variazioni della permeabilità ionica di sodio, potassio, ma anche calcio e cloro. Per esempio, se entrano cariche positive, come gli ioni sodio, succede che il valore del PdM diminuisce e avviene una cosiddetta depolarizzazione. Se le cariche positive entrate vengono fatte uscire, avviene la cosiddetta ripolarizzazione. Se, infine, aumenta il numero di cariche negative presenti all’interno (perché entrano cariche negative, come gli ioni cloro, o perché escono cariche positive), avviene una iperpolarizzazione.

I potenziali graduati

I potenziali di piccola entità, vengono chiamati potenziali graduati. Questi vengono evocati dalla presenza di uno stimolo, che andrà ad alterare il PdM. Se lo stimolo aumenta di intensità, aumenterà di ampiezza la variazione del PdM: l'ampiezza è, quindi, direttamente proporzionale all’intensità dello stimolo applicato. Più forte sarà lo stimolo, più ampio sarà il potenziale graduato. Le variazioni del potenziale possono essere sia in senso depolarizzante che in senso iperpolarizzante.