Fisiologia

Fisiologia

La fisiologia è una branca della biologia che studia le funzioni degli organismi viventi, le studia per determinare le cause, i fenomeni e le leggi che regolano i fenomeni vitali. Studia il funzionamento degli organismi in condizione di omeostasi.

Omeostasi

L'omeostasi è l'attitudine propria dei viventi a mantenere intorno ad un livello prefissato il valore di alcuni parametri interni che sono costantemente disturbati da fattori esterni o anche interni. Nell'organismo esiste una serie di parametri settati ad un valore prestabilito, qualora quel parametro cambi l'organismo attua una serie di risposte correttive per riportare al parametro corretto.

Alcuni parametri sono la temperatura corporea, pressione arteriosa, pH ematico, quantità di fluidi corporei (acqua fuori e dentro le cellule), glucosio ematico.

Nell'organismo esiste una serie di sistemi di controllo che riescono a mantenere immutato l'ambiente interno anche se ci sono degli stimoli esterni o interni che modificano questi parametri. Questi sistemi di controllo sono:

• Il sistema nervoso
• Il sistema endocrino

Livelli di azione dei sistemi di controllo

I livelli di azione che possono affrontare questi sistemi di controllo sono:

• A livello molecolare: interessano delle molecole, questo tipo di azione è l'inibizione a feedback o retroazione. Questa inibizione è un meccanismo che tende a limitare la quantità di prodotti finali di un enzima.
• A livello cellulare: è un fenomeno visualizzabile in vitro, fenomeno a inibizione da contatto, quando i tessuti si rigenerano decidono quante cellule produrre. Le cellule tumorali proliferano anche se sono molte, formano il cosiddetto tumor, una massa enorme.
• A livello di organismo: il principio di auto regolazione di feedback, ci sono diversi meccanismi che cercano di risistemare i parametri perturbati come il sistema endocrino e quello nervoso (fondamentale perché per sua natura ha una componente che sente le perturbazioni, quella afferente).

Il funzionamento ottimale di ogni sistema di controllo avviene solo in un ambito determinato, la capacità di adattamento è limitata. Tuttavia, in qualunque ambito di controllo una perturbazione può superare la capacità di compensazione di un dato sistema: se altri sistemi di controllo sono in grado di compensare quello insufficiente, la stabilità dell'organismo viene mantenuta. Esiste la presenza di sistemi che lavorano in concomitanza dando il fenomeno della ridondanza.

Feedback nei sistemi di controllo

Il sistema nervoso, partendo dalla componente periferica, dove la perturbazione viene sentita da un sensore, convoglia questa informazione al sistema nervoso centrale e da lì appronterà una risposta che potrà venire attuata sia tramite una afferenza sempre di tipo nervoso oppure con una risposta di tipo endocrino o immunitario.

Questi feedback possono essere:

• Positivi: tende ad amplificare la perturbazione, di solito esiste un segnale di partenza che viene amplificato con un meccanismo detto a cascata. Un primo esempio è quello relativo alle contrazioni del parto, un secondo è la coagulazione del sangue. Alcune proteine nel sangue presenti in forma inattiva vengono gradualmente ad attivarsi ed ogni proteina va a catalizzare una reazione e queste tramite altre molecole attivano delle molecole a valle per arrivare a formare il tappo di piastrine.
• Negativi: risposta che si autolimita, consiste nell'annullamento o nel cambiamento della perturbazione. Il sistema si oppone alle modifiche e tende a mantenere la stabilità. I sistemi a feedback negativo sono di comune riscontro nella regolazione endocrina e metabolica. C'è un sensore che normalmente è a livello delle estremità dei nervi sensoriali. Questo sensore informa il suo capo che è a livello del sistema nervoso centrale, normalmente quasi per ogni funzione omeostaticamente controllata a livello dell'ipotalamo. A quel punto, con il canale di feedback, l'ipotalamo invia agli organi effettori il segnale effettore e l'effettore (muscolo, cellula ecc...) deve fare in modo che quella grandezza che ha scatenato il circuito ritorni alla normalità.

Se lo stimolo che perturba il parametro è eccessivo, l'organismo non è capace di ripristinare le condizioni di partenza e si entra in ambito patologico.

Diffusione e trasporti di membrana

La membrana è un involucro che avvolge la cellula. Nell'ambito della fisiologia, la membrana viene vista come un mezzo tramite il quale la cellula comunica con l'esterno e le altre cellule. La membrana è un doppio strato fosfolipidico.

Nelle membrane biologiche animali troviamo il colesterolo, si intercala nel doppio strato e dà fluidità alle membrane. Tra le proteine di membrana ci sono: enzimi, proteine, lipidi, recettori e canali ionici. La membrana in un luogo acquoso si dispone in micelle o in doppio strato fosfolipidico. Proteine che hanno una struttura a poro sono i cosiddetti canali ionici che fanno passare ioni.

Componenti della membrana

Proteine di membrana: recettori di membrana, canali ionici, carrier e pompe.

Amminoacidi basici: lisina, istidina e arginina.

Recettori di membrana: proteine che stanno sulla membrana, solitamente per natura devono legarsi a delle molecole di segnalazione. Hanno un dominio extracellulare modificato e stericamente adatto ad un solito tipo di ligando. Riconoscono un certo tipo di ligando. LEC (compartimento extracellulare liquido) e LIC (compartimento intracellulare liquido). Il recettore di membrana ha questa sorta di calice della forma precisa per un determinato ligando, se la molecola si trova al livello del recettore specifico si lega e dà il via a una serie di eventi.

Canali ionici: sono fondamentali, sono delle proteine transmembranali con un poro centrale. Hanno diverse caratteristiche, sono selettivi per uno ione. Hanno un poro trans membrana. Il poro ha le pareti che si aprono con un dovuto stimolo, il canale non è sempre aperto.

Carrier: proteina globulare, sono aperti o solo verso l'interno o solo verso l'esterno. Devono trasportare qualcosa attraverso la membrana.

Pompe ioniche: strutture che permettono lo svolgimento di processi che non sarebbero termodinamicamente favoriti. Proteine capaci di idrolizzare ATP. Tutte le pompe hanno un sito di legame per l'ATP e almeno un altro soluto. Sono composte da più subunità.

Movimento attraverso la membrana

Le membrane sono composte da un doppio strato fosfolipidico isolante, ma ci sono tante molecole che permettono il passaggio di soluti. Queste molecole possono essere:

• Molecole non elettrolitiche che passano attraverso un meccanismo di diffusione. L'acqua sta sia dentro che fuori dalla cellula, c'è un continuo scambio di acqua che passa per osmosi. Ci sono delle vie attraverso le quali l'acqua riesce a passare, il flusso è detto osmotico.
• Ioni sono soluti particolari, normalmente qualunque soluto si sposta dalla zona più concentrata alla zona dova è meno concentrata, si muove secondo gradiente. Gli ioni quando si spostano si sposta una carica positiva e porta cariche positive dall'altra parte, a un certo punto quando si accumula una grossa quantità di ioni sodio, la zona è altamente positiva. Si trova a muoversi in una carica che genera una repulsione elettrostatica, questo sodio deve smettere di muoversi e non si può più spostare.

Diffusione semplice

Diffusione di molecole non elettrolitiche, neutre. Ci sono due compartimenti: uno dove il soluto è più concentrato e uno dove il soluto è meno concentrato. La membrana che separa è semi permeabile (permeabile a qualcosa e basta). Se la membrana è permeabile al soluto, il solvente non può passare. In un grado di agitazione termica le molecole collidono con la membrana semi permeabile e casualmente può darsi che questo soluto vada a collidere con la membrana nella zona in cui c'è il poro per la sua membrana, e passa di là. È una cosa puramente causale. Questa collisione casuale delle particelle si verifica anche nelle particelle dell'altro compartimento.

Ci sono dei fattori che influenzano il passaggio di una molecola non elettrolitica. Il primo fattore è il gradiente di concentrazione (C_A, C_B) che deve essere differente nei due compartimenti. La seconda condizione è il coefficiente di partizione, che esprime la solubilità di un soluto in un mezzo idrofobo rispetto all'ambiente acquoso. Più è alto più il soluto è lipofilico. Se una sostanza è lipofila passa, sennò non passa. Un altro fattore è il coefficiente di diffusione (D), che dipende da diversi fattori tra cui la grandezza del soluto e la viscosità del mezzo. In generale il coefficiente di diffusione è espresso dalla legge di Stokes-Einstein dove D = KT/6πrη (η viscosità del mezzo). Un quarto parametro è lo spessore della membrana (ΔX), maggiore è lo spessore più lenta è la diffusione. Un quinto parametro è l'area di superficie (A) disponibile, maggiore è l'area, maggiore è l'entità della diffusione. La diffusione netta è espressa dalla legge di Fick, la possiamo esprimere come J (flusso) = DA (C_A - C_B) / ΔX oppure attraverso una membrana J = P(C_A - C_B).

La molecola meno permeabile è il glicerolo. La linearità della retta della diffusione semplice vuol dire che non si ha saturazione.

Osmosi

Flusso che riguarda l'acqua, flusso di solvente. È definita come un flusso di acqua attraverso una membrana semi permeabile dovuto alla diversa concentrazione di soluto. Semi permeabile si riferisce al solvente, la membrana è permeabile solo al solvente e non al soluto. È necessario un gradiente di concentrazione, che fa muovere il solvente. Il solvente si muove verso il compartimento dove il soluto ha maggiore concentrazione e dove di conseguenza c'è meno solvente. La pressione osmotica è la pressione idrostatica necessaria per annullare la diffusione osmotica dell'acqua, possiamo calcolarla con la legge di van't Hoff: Π = nRT/V.

L'osmolarità è la concentrazione totale dei soluti in una soluzione, 1 OsM è una mole di soluto indissociato per L di soluzione. Si definiscono soluzioni isoosmotiche con stessa osmolarità, ovvero stessa concentrazione di soluti, soluzioni iposmotiche una soluzione a minor osmolarità rispetto all'altra e soluzioni iperosmotiche a maggior osmolarità rispetto all'altra. La tonicità è un concetto analogo, si definisce in base al comportamento delle cellule rispetto a una determinata soluzione in cui sono immerse. Si definiscono soluzioni isotoniche per la cellula se questa non cambia il volume, soluzioni ipertoniche se la cellula si restringe e soluzioni ipotoniche se la cellula si rigonfia. La tonicità dipende dall'osmolarità.

Equilibri ionici

Questi ioni sono disciolti in acqua, l'acqua è suddivisa in due compartimenti: intracellulare che corrisponde ai 2/3 del totale e l'acqua extracellulare che corrisponde a 1/3 dell'acqua totale. L'acqua extracellulare si trova nei vasi sanguigni nel plasma, c'è anche una quantità variabile di liquido interstiziale, quello che trasuda dal capillare e si accumula nei tessuti.

I principali ioni intracellulari sono il sodio, il potassio e il calcio. Il sodio è all'incirca 12 mM, il potassio è molto più concentrato, circa 140 mM, e il calcio differisce nelle varie cellule perché ci sono vari compartimenti che lo sequestrano, ma è molto basso. Nel liquido interstiziale il sodio è 145, il potassio 4 e il calcio è fino a 2. Il sodio nel liquido interstiziale è molto concentrato rispetto al compartimento intracellulare, analogamente il potassio è meno concentrato fuori rispetto al dentro. Il calcio è quasi sempre sui 2 mM all'esterno. Il potassio se può esce, il sodio se può entra, sono spinti dai gradienti.

La differenza di concentrazione tra i compartimenti intra ed extracellulare è alla base di tutte le funzioni fisiologiche:

• Il valore delle cellule eccitabili è funzione del potassio, influisce sui potenziali di riposo delle cellule eccitabili.
• Il pdA (spike) delle cellule eccitabili è funzione del sodio.
• L'eccitabilità nel muscolo è funzione del calcio, si occupa della contrazione muscolare.

Perché all'interno e all'esterno della cellula si crea il gradiente di concentrazione per tutti gli ioni? I gradienti vengono mantenuti perché la membrana ha delle proprietà fondamentali, la membrana è semi permeabile, permeabilità selettiva della membrana. Le molecole lipofile passano dal doppio strato quelle non lipofile passano da alcune proteine. Una volta che gli ioni riescono ad entrare o ad uscire, ci sono dei meccanismi attivi con dispendio energetico omeostatico che riportano tutto alla condizione iniziale. Le pompe sono proteine che idrolizzano l'ATP e operano per rimettere gli ioni come dovevano stare.

Trasporto passivo

Quando i soluti passano la membrana secondo gradiente di concentrazione, come nella diffusione semplice, diffusione attraverso i canali ionici di membrana (ne esistono molti tipi anche in base alla modalità di apertura, ci sono canali che vengono aperti quando cambia il potenziale di membrana che sono i VOC; ROC sono canali che si aprono dall'interazione di un ligando con un suo recettore) e diffusione facilitata attraverso dei trasportatori (carrier).

Quando uno ione passa attraverso i canali ionici che sono strutture che si aprono quando deve passare lo ione specifico per quel canale. Di solito sono selettivi per uno ione perché il poro internamente (sequenza di amminoacidi) ha una sua forma specifica, il lume permette così il passaggio di alcuni ioni. Non sono pori sempre aperti ma devono essere attivati (gating) e può essere dovuta a canali di voltaggio, o possono essere attivati dai ligando o dai secondi messaggeri come l'ATP. Di solito la modalità che apre un certo canale è solo una. La struttura dei canali si chiama porta di inattivazione: è un altro dei meccanismi con cui questo canale potrebbe non stare aperto, ci potrebbe essere una struttura che chiude il canale da dentro (ad esempio quella del sodio e del calcio).

Caratteristiche del passaggio per i carrier

Il passaggio per i carrier ha delle caratteristiche:

• Specificità, il carrier trasporta solo una molecola o molecole molto simili.
• Competizione, inibizione competitiva.
• Saturazione, velocità massima di trasporto. La concentrazione se è eccessiva la velocità di trasporto non aumenta e rimane a un valore costante perché i trasportatori sono tutti occupati.

Un esempio di trasportatore è quello del glucosio, nel carrier trova una sua zona di legame, perché stericamente è conformato da tenere il glucosio, c'è un cambio di conformazione l'apertura dall'esterno passa all'interno. È un trasporto lento per le modifiche conformazionali.

In caso in cui il carrier porta un solo soluto si chiama uniporto, se portano due tipi di soluto si chiamano simporto, se invece porta due soluti, uno entrante e uno uscente, si chiama antiporto.

Trasporto attivo

Ci sono dei frangenti in cui i soluti si devono muovere contro gradiente di concentrazione, può avvenire se viene fornita energia, quando la situazione dei gradienti è questa bisogna usare un tipo di meccanismo di trasporto attivo.

Il trasporto attivo può essere primario o secondario. L'energia è fornita sempre dall'ATP, perché esistono dei gruppi fosforici a grande energia e possono essere scissi.

• Nel trasporto attivo primario, la molecola che funziona da trasportatore è la stessa che idrolizza l'ATP, in un'unica molecola ho il sito ATPasico e il sito per il soluto. La pompa di legame sodio potassio, ha sito di legame per ATP, sodio e potassio. Un altro tipo di pompa è la calcio-ATPasi, è anch'essa un'unica proteina che ha un sito ATPasico e ha il sito di legame per il calcio e spostarlo dove deve metterlo. Un'altra pompa è nelle cellule gastriche parietali dello stomaco: è l'idrogeno-potassio-ATPasi.

La pompa sodio potassio è ubiquitaria, è una struttura unica, questa pompa deve spostare lo ione sodio e potassio contro il loro gradiente. Il gradiente del sodio sarebbe rivolto verso l'interno, ma in questo caso deve portarlo fuori legando 3 ioni sodio contemporaneamente fa entrare 2 ioni potassio avviene tutto contro gradiente, lo fa idrolizzando una molecola di ATP. Il trasporto attivo primario di questi ioni è un processo elettrogenico, che genera una differenza di potenziale, differenza di distribuzione di cariche. La pompa sodio potassio è elettrogenica perché per 3 ioni di sodio che escano ne entrano 2 di potassio, esce una carica positiva in più e aumenta la carica positiva esterna aumentando la polarità esterna della membrana.

Ci sono farmaci che possono modulare l'attività della pompa usati in cardiologia come i glicosidi cardioattivi, bloccano il ciclo di fosforilazione e defosforilazione. Il trasporto attivo viene contro gradiente, ha bisogno di proteine che aiutino il flusso per dare un rifornimento energetico in modo che la reazione possa avvenire. La molecola trasportatrice è la stessa che trasporta gli stessi soluti e ha una attività ATPasica.

La pompa sodio potassio crea una differenza di potenziale. La pompa Ca²⁺ ATPasi trasporta solo il calcio, in modo da abbassare la concentrazione di calcio citoplasmatico, la possiamo trovare sulla membrana cellulare in modo che il calcio venga buttato fuori o sulla membrana di...