Fisiologia

Fisiologia e meccanismo di regolazione

Omeostasi

L'omeostasi è quella proprietà che gli organismi hanno di mantenere i parametri costanti. Serve per mantenere l'equilibrio dinamico all'interno della cellula. Rappresenta l'insieme dei processi grazie al quale i meccanismi fisiologici correggono le perturbazioni che si verificano.

Facciamo un esempio: un'automobilina che sta percorrendo una strada ad una certa velocità costante; incomincia la salita: che cosa bisogna fare per mantenere la velocità costante? Si aumenta la pressione sul pedale. Questo si configura con un meccanismo di regolazione a feedback negativo. Si preme sul pedale e la velocità che era diminuita all'inizio della salita torna ai valori iniziali. Questo concetto si può traslare a qualsiasi grandezza regolata nell'organismo.

Esempi di regolazione

Un altro esempio è quello della temperatura corporea che nel tempo può aumentare per qualche motivo, ad esempio per l'esercizio fisico. Il controllo complessivo è demandato ad un sistema molto più complesso; in realtà esiste un set-point, cioè un valore di riferimento che si trova a livello del SNC, in particolare in una regione dell'ipotalamo; qui è fissata la temperatura corporea ideale, così come tanti altri parametri ottimali. Quando le cellule che costituiscono l'ipotalamo sentono una variazione, attivano un feedback, cioè un meccanismo di controllo a retroazione che tende a riportare il parametro nei livelli definiti dal set-point.

Questo valore è un valore che si è impresso durante la filogenesi (il valore può oscillare in un certo range). C'è un set-point per il valore del pH, per la concentrazione di sodio, di calcio, di potassio, etc.

Abbiamo iniziato un esercizio fisico e la temperatura è salita, subito o quasi si attivano quei dispositivi volti a ridurre la temperatura, che sono dispositivi comportamentali ovvero mi libero della giacca e mi vesto in modo adeguato, e poi incomincio a sudare ed inizio ad incrementare la perspiratio insensibilis che è una traspirazione che noi abbiamo continuamente senza che si formi la fase liquida sulla nostra pelle. Noi facciamo evaporare acqua continuamente anche quando non ci sentiamo sudati. Quando si fa attività sportiva aumenta questa traspirazione e si porta dalla fase liquida all'interno del corpo alla fase aeriforme all'esterno del corpo richiede energie e quindi ci sottrae calore. Quando però questa semplice evaporazione d'acqua non è sufficiente le ghiandole sudoripare incominciano a secernere liquido che si dispone sulla pelle in modo da avere una superficie abbondante di scambio e di evaporazione e quindi di incrementare ulteriormente questo processo.

Se nonostante questo la temperatura sale ancora, noi non abbiamo più tanta voglia di fare l'esercizio fisico che stavamo facendo, oppure se stiamo nel deserto ci viene voglia di bere acqua: questi sono tutti meccanismi omeostatici. In questo esempio, la temperatura è la variabile regolata. Un buon sistema per eliminare calore, oltre quello di incominciare a sudare, è quello di aprire i letti vascolari che portano il sangue alla periferia delle mani e dei piedi. Aprendo i letti vascolari che portano il sangue alla periferia, il sangue caldo arriva alle mani che diventano dei veri e propri radiatori, senza che sia necessaria la sudorazione (in realtà succede tutto in contemporanea) – questo è un meccanismo di dispersione per contatto perché l'aria fresca favorisce la dispersione. Se il meccanismo della produzione del calore è stato attraverso l'attività dei muscoli, parte del sangue è andata a finire nei muscoli, anche in questo caso si ha una certa dispersione di calore attraverso gli arti.

Controllo della pressione arteriosa

Un altro esempio di controllo: pressione arteriosa: quando ci alziamo dal letto la pressione cade da 80 a 65, allora partono i meccanismi di compenso come la contrazione della muscolatura liscia dei vasi, aumenta il ritmo del cuore e il suo volume sistolico ecc. Però il tipo di risposta cambia da individuo a individuo: potrebbe esserci un andamento oscillatorio che sale e scende e sta attorno al valore corretto, oppure la salita della pressione avviene in tempi diversi oppure c'è un compenso eccessivo ed entra in oscillazione troppo elevata e non si assesta su un valore normale. Se varia il carico in tempi troppo brevi il sistema viene scompensato ma interviene subito per correggerlo ulteriormente però essendo in ritardo arriva all'eccesso contrario dopo che il valore è già tornato quello normale.

Feedback

Feedback: l'effetto prodotto da una determinata causa innesca autonomamente una reazione che ritorna ad agire sulla causa influenzando il processo che ha prodotto la deviazione.

• Sistema di sensori (recettori)
• Centro di integrazione a cui giungono i segnali provenienti dai recettori che vengono confrontati con valori di riferimento, set point. Se il valore rilevato si discosta dal set point si ha una risposta nervosa e/o ormonale diretta agli effettori.
• Sistema di effettori

Tipi di feedback

Feedback positivo: la variazione produce una risposta che amplifica la variazione stessa, non ha significato omeostatico, ma amplifica la deviazione una volta che si è verificata. Quando la variabile devia dal suo valore normale e di riferimento, il sistema reagisce con una risposta che va nella stessa direzione della deviazione; rendendola sempre più ampia.

Feedback negativo: la variazione produce una risposta che attenua o elimina la variazione stessa, è un meccanismo utilizzato per attuare l'omeostasi, l'azione a ritroso evocata dalla perturbazione agisce in modo da contrastare la perturbazione stessa.

La deviazione di una variabile controllata in una direzione rappresenta uno stimolo che provoca la partenza del segnale dai recettori al centro integratore, dove ne modifica l'attività in modo che questo invii agli effettori comandi diretti ad attivare gli effettori in modo che agiscano sulla causa della deviazione nella direzione opposta a quella del meccanismo che aveva provocato. Il sistema in questo caso si oppone a qualsiasi deviazione dal valore di set point, la variabile non rimane stabile al valore del set point, ma oscilla e il feedback negativo stabilizza una funzione mantenendola all'interno dell'ambito di normalità.

I meccanismi a feedback agiscono solo in risposta ad un cambiamento.

Controlli omeostatici

• Volume dei liquidi corporei, basato sul volume del sangue circolante
• Composizione dei liquidi corporei in termini di:
  • Osmolarità
  • Concentrazione elettrolitica
  • Concentrazione dei nutrienti (dei substrati energetici es. glucosio)
  • Concentrazione dei prodotti di scarto (composti derivati dal catabolismo proteico)
  • Concentrazione degli ioni H⁺
  • Livelli di ossigeno e anidride carbonica del sangue arterioso
• Temperatura corporea
• Riserve energetiche disponibili, concentrazione dei composti organici utilizzabili per sostenere le richieste metaboliche dell'organismo

Trasporti di membrana

Funzioni svolte dalla membrana

La membrana svolge molteplici funzioni tra cui:

• Scambio
• Isolamento fisico: stabilisce due ambienti liquidi: uno intracellulare (molto K) e uno extracellulare (con molto Na). Il secondo si divide poi in liquido interstiziale che bagna le cellule e il plasma sanguigno. Chiamo LEC il liquido extracellulare e LIC il liquido intracellulare.
• Sostegno strutturale
• Comunicazione tra cellule e cellule-ambiente

Passaggio di molecole attraverso la membrana

Si parla di trasporto attivo quando necessita uso di ATP, si dice passivo quando non viene utilizzato ATP, ma energia differente diffusione. Quando l'ATP viene utilizzato per generare un gradiente e lo sfrutto per trasportare qualcosa contro gradiente, quindi ho utilizzato ATP in modo indiretto trasporto attivo secondario.

Trasporti passivi

• Diffusione semplice:
  • Processo che tende all'equilibrio (equilibrio dinamico).
  • Il processo è passivo perché si basa sull'energia data dal gradiente.
  • La temperatura aumenta il tasso di diffusione. Maggiore è la dimensione della molecola, minore è il tasso di diffusione.
  • Non necessitano di proteine transmembrana.
  • La legge di Fick determina in che modo le caratteristiche della membrana influiscono sulla velocità del trasporto. Il tasso di diffusione è direttamente proporzionale alla superficie cellulare, al gradiente e alla permeabilità. La permeabilità dipende dalla solubilità e inversamente proporzionale alle dimensioni della molecola.
  • Una sostanza diffonde tanto più rapidamente quanto è più piccola e idrofobica.
  • La velocità di diffusione attraverso la membrana dipende dalla capacità della molecola di sciogliersi nello strato lipidico della membrana: le molecole solubili nei lipidi possono diffondere per diffusione semplice.
  • La velocità di diffusione è direttamente proporzionale all'area della membrana. Maggiore è l'area, tante più molecole possono attraversare la membrana nell'unità di tempo.
  • La velocità è direttamente proporzionale alla superficie della membrana e inversamente allo spessore. Se una molecola è lipofila siamo nell'ambito della diffusione semplice, considero lo spostamento come privo di barriere.
• Diffusione facilitata: trasporto mediato da proteine trasporto.
  • Canale: formano pori idrofilici nello spessore del doppio strato in modo da permettere il passaggio dei soluti per diffusione. Sono proteine di membrana con diversi domini e subunità deputate alla selettività. C'è la classe di canali costantemente aperti, quella di canali chiusi (controllati: si aprono o si chiudono in risposta a segnali) e la classe delle acquaporine. Canale la cui apertura dipende dalla sostanza chimica viene chiamato ligando dipendente o canale a porta chimica. Un esempio per la porta chimica sono i recettori tattili. Poi ci sono i canali voltaggio-dipendenti (dipendono da un impulso elettrico) e quelli meccanici. Spesso i canali ionici sono altamente selettivi. Gli ioni hanno bisogno di canali per passare il doppio strato lipidico. Lo ione si circonda di una nuvola d'acqua e, per passare attraverso la membrana senza l'uso di canali, dovrebbe togliere l'alone di acqua, ma questo costerebbe troppo in termini di energia.
  • Trasportatori (carrier): sono strutture proteiche che non mettono mai in comunicazione i due ambienti a differenza dei canali. Il meccanismo prevede che il trasportatore sia aperto nel LIC e che si richiuda e si apra nel LEC. Queste proteine trasportano una sola sostanza (uniporto), quando vengono trasportate due o più sostanze, li definisco cotrasportatori. I cotrasportatori possono essere:
    • Simporto: trasporta nella stessa direzione le due sostanze.
    • Antiporto: trasporta in direzioni opposte.

Trasportatore GLUT

Il gradiente favorisce il trasporto del glucosio verso l'interno. Al glucosio all'interno si aggiunge un fosfato (glucosio 6 fosfato) che lo fa entrare in glicolisi o che lo trasformi in glicogeno in modo tale che rimanga costante il gradiente e che il glucosio continui ad entrare nella cellula.

Carrier: proprietà e limiti

• Specificità: sono vincolati a una specifica classe di sostanze.
• Competizione all'interno di un gruppo di sostanze trasportate da quel tipo di trasportatore.
• Saturazione: dipende dalla velocità. Quando viene raggiunta quella massima non si può andare oltre. La diffusione mediante carrier ha problemi di saturazione.

Diffusione semplice/facilitata

Se confronto la diffusione semplice e quella facilitata in un grafico: la diffusione semplice è rappresentata da una retta quindi più ho molecole, più vengono trasportate velocemente (non ho un problema di saturazione per quanto riguarda la diffusione semplice). La diffusione facilitata è rappresentata da una curva che avrà un asintoto ad un certo punto, quello corrispondente alla velocità massima. Il trasporto attraverso i canali è molto più rapido che con i carrier. È praticamente impossibile che il canale ionico vada in saturazione.

Carrier e canali differiscono per:

• Diversa specificità
• Velocità
• Diverse molecole trasportate

Trasporto attivo

Il trasporto attivo crea disequilibrio e, per fare questo, ha bisogno di energia. Il trasporto attivo è alimentato e accompagnato da quello passivo, in questo modo è possibile continuare ad avere ioni Na da portare fuori.

• Primario: trasporto diretto contro gradiente con consumo di ATP. L'esempio più classico è quello della pompa Na-K. In questo tipo di trasporto l'ATP viene consumato nello stesso momento del trasporto. All'esterno c'è una concentrazione elevata di K, mentre all'interno c'è il Na. Meccanismo della pompa Na-K: la proteina lega tre molecole di sodio dal versante citoplasmatico, autofosforilandosi con consumo di ATP cambia la propria conformazione espellendo il sodio nel LEC e modifica i propri siti di legame per legare due molecole di K. Il legame con il K induce una defosforilazione che causa il ritorno della proteina alla conformazione iniziale con rilascio di potassio nel LIC. Tramite questo meccanismo si genera anche un potenziale di membrana.
• Secondario: trasporto indiretto (cotrasportatori). Spesso sono pompe sodio-dipendenti. Concettualmente quel che succede è che si investe in energia per creare un gradiente di potenziale. Viene investita energia sulla pompa Na-K, il glucosio e gli idrogenioni si muovono contro gradiente, ma senza l'uso di ATP, si muovono grazie a meccanismi che li trasportano in seguito al gradiente formato dalla pompa Na-K. Questo tipo di trasporto trasporta molecole contro gradiente sfruttando il passaggio secondo gradiente (uso di ATP) di altre molecole. Esempio del glucosio: entra contro gradiente nel dominio apicale della cellula sfruttando il passaggio del Na secondo gradiente. Il dislivello viene poi ripristinato dalla pompa Na-K che espelle sodio. L'esempio del trasporto attivo secondario in antiporto è l'idrogeno-sodio: l'H viene trasportato all'esterno contro gradiente sfruttando l'ingresso secondo gradiente del Na.

Trasporti vescicolari delle macromolecole

• Endocitosi: meccanismo attraverso il quale si riescono ad introdurre macromolecole: la membrana si invagina racchiudendo il materiale da endocitare.
• Esocitosi: vescicole che si vanno a fondere con la membrana, la quale si rompe, liberandone il contenuto delle vescicole all'esterno.
• Fagocitosi: tutta la cellula va ad inglobare un agente estraneo (es. batterio) che poi viene digerito nei lisosomi.
• Pinocitosi: è un'endocitosi di materiale fluido.
• Endocitosi mediata da recettori: prevede la presenza di proteine di membrana (clatrine) che riconoscono un determinato substrato ed innescano il processo endocitorio.

Struttura epiteliale

Il passaggio delle cellule può avvenire sia dal lume all'interstizio (meccanismo di assorbimento) sia dall'interstizio al lume (meccanismo di secrezione). Le cellule hanno una polarità: hanno un lato apicale e uno baso-laterale. Il passaggio avviene per via transcellulare o paracellulare, nel primo si ha il passaggio da una membrana all'altra, mentre nel secondo si ha il passaggio tramite le giunzioni che connettono le cellule. A livello delle due membrane (basale e laterale) possono avvenire trasporti differenti: il glucosio entra dal lato apicale per simporto con il Na ed esce per diffusione facilitata dal lato baso-laterale con il GLUT.

Transcitosi: processo per cui una molecola entra nella cellula per endocitosi ed esce dall'altro lato per esocitosi.

Acqua (H₂O)

È la molecola che si può muovere liberamente a cavallo della membrana. La distribuzione omogenea di H₂O crea un equilibrio osmotico. Le forze che possono provocare flussi di acqua sono di due tipi:

• La differenza di gradiente osmotico causa un flusso per osmosi (quando l'acqua si muove attraverso la membrana semipermeabile in risposta ad un gradiente di concentrazione).
• Differenza di pressione idrostatica.

L'acqua si muove liberamente, la distribuzione dell'acqua è all'equilibrio: equilibrio osmotico. L'acqua, muovendosi, va a diluire gli ambienti più concentrati. Ci deve essere equilibrio osmotico altrimenti la cellula o si rigonfia o si raggrinzisce. L'osmolarità è un modo differente di valutare la concentrazione di soluti. Quando l'acqua si muove e genera il fenomeno dell'osmosi, viene calcolata la pressione osmotica.

Comunicazione cellulare

Meccanismi generali

Meccanismi generali con cui le cellule possono comunicare a breve o lunga distanza al fine di mantenere l'omeostasi (mantenimento delle condizioni della cellula). I tipi di comunicazione possono essere:

• Diretta: attraverso giunzioni comunicanti che uniscono due cellule adiacenti. Le giunzioni comunicanti sono costituite da connessioni che formano canali che permettono il movimento di ioni carichi e di piccole molecole.
• Indiretta: attraverso messaggeri chimici. La cellula secretoria produce un messaggero chimico captato dal recettore di una cellula bersaglio che produce una risposta.

Messaggeri chimici

Si classificano in base a:

• Classificazione per funzione:
  • Paracrina: tutti i messaggi di informazione sono paracrini, agiscono localmente.