Vendo appunti dettagliati di fisiologia

Fisiologia

Branca della biologia che studia le funzioni degli organismi viventi, per determinarne condizioni, cause e leggi che regolano i fenomeni vitali. Studia organismi in condizioni di omeostasi, cioè l’attitudine propria dei viventi a mantenere intorno ad un livello prefissato alcuni valori di parametri interni, costantemente condizionati da fattori interni ed esterni (es. temperatura corporea 37°C; pressione 80-120 mmHg; pH ematico intorno a 7,2; quantità di fluidi: 70% del peso corporeo è costituito da acqua, cosa importante per gli ioni; glucosio ematico cioè il livello di glicemia nel sangue).

Ci sono due sistemi di controllo che riescono a mantenere immutato l’ambiente interno, anche se perturbato: il sistema nervoso ed endocrino. Agiscono o a livello molecolare (inibizione a feed-back o “retroazione”, che limita la quantità di prodotto finale data dagli enzimi) o a livello cellulare (si vede bene in vitro, es. fenomeno per cui, quando tessuti si rigenerano, raggiunta una certa quantità smettono di proliferare), o a livello dell’organismo (i sistemi cercano di autoregolarsi, endocrino e nervoso, componente afferente).

NB: Il funzionamento ottimale di ogni sistema di controllo avviene solo in un ambito determinato, pertanto la sua 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 è comunque mantenuta, fenomeno di ridondanza.

Il sistema nervoso periferico è dove la perturbazione viene di solito sentita, convogliata poi al SNC, dove avrà luogo una risposta (tramite efferenza o con risposta di tipo endocrina o di tipo immunitario).

Feedback

Feedback positivo: amplifica la perturbazione; feedback negativo: ne fanno parte la maggior parte di sistemi di controllo, si annienta la perturbazione. Il feedback negativo compensa le modifiche affinché il sistema possa tornare alla condizione iniziale (prima della perturbazione).

Il parametro con il suo rispettivo valore viene “avvertito” da un sensore (nelle estremità periferiche dei nervi sensoriali), il sensore informa l’ipotalamo (SNC) il quale, tramite feedback, invia ad organi effettori il segnale effettore (questo serve per ristabilizzare la situazione).

Canale a feedback: il sistema si oppone alle modifiche e tende a mantenere stabilità. Feedback positivo amplifica la perturbazione con meccanismo “a cascata”. Ci sono due sistemi: il primo è quello della contrazione del parto (il muscolo uterino si contrae: contrazioni portano a contrazioni ancora più forti) e il secondo è quello della coagulazione del sangue (le proteine inattive nel sangue si attivano, andando a catalizzare una reazione producendo altre molecole che andranno a formare il tappo piastrinico).

Se lo stimolo perturbante è eccessivo l’organismo non è più in grado di tornare a condizioni iniziali e si parla di patologie.

Membrana cellulare ed eccitabilità

Cellule eccitabili: cellule nervose e muscolari. Da cosa dipende l’eccitabilità?

• Diffusione e trasporti di membrana: la membrana avvolge cellula ed è importante per la comunicazione tra cellule. Membrana: costituita da un doppio strato fosfolipidico con parte idrofobica e idrofilica. Disponendosi in tal modo viene formata una barriera; lipidi di membrana: fosfolipidi e colesterolo intercalati nella membrana le danno fluidità (in caso contrario questa si irrigidisce), glicolipidi (legati a residui saccaridici nel lato extracellulare); proteine di membrana (proteine, canali ionici tramite cui passano ioni, enzimi, carrier, pompe).
• Fosfolipidi: hanno una testa idrofila polare (gruppo fosfato), uno scheletro carbossilico e due code idrofobe (catene di acidi grassi).
• Proteine di membrana: amminoacidi legati tra loro da legame peptidico; in base al radicale che legano possono essere basici (es. arginina e miosina), acidi, polari, apolari. Le proteine possono avere quattro tipi di struttura: primaria, secondaria (foglietto alpha e beta), terziaria e quaternaria (quella finale).

NB: Miosina: teste globulari (che legano l’actina) e una coda fibrosa; a forma di mazza da golf.

Proteine

Recettori di membrana: stanno sulla membrana (sono diverse dai recettori sensoriali che sono strutture). Si legano alle molecole di segnalazione (hanno un dominio extracellulare) e riconoscono specificatamente un solo tipo di ligando. Il recettore ha una sorta di calice di forma specifica per un ligando; si legano e questo da origine a una serie di reazioni (eventi cellulari).

Canali ionici: sono fondamentali; proteine transmembranali (che attraversano la membrana da parte a parte) con un poro centrale. Sono selettivi per un solo tipo di ione, hanno un poro transmembranario, le pareti di questo canale non lasciano spazio sempre aperto, ma ci sono strutture che ne determinano l’apertura.

Carrier: occupano tutto lo spessore di membrana, ma non hanno pori che lasciano passare gli ioni direttamente. È una proteina trasportatrice; sono aperti o solo verso l’interno o solo verso l’esterno. Dalla cellula la sostanza entra nel carrier, che cambia conformazione, aprendosi verso l’ambiente esterno che consente allo ione di uscire.

Pompe ioniche: permettono processi che non sono termodinamicamente favoriti. Proteine idrolizzano ATP; ATPasi sfrutta energia nei legami spezzati dell’ATP, facendo avvenire la reazione. Le pompe hanno un sito di legame per ATP e di solito per un altro soluto; hanno subunità catalitiche (cioè che idrolizzano l’ATP) e subunità specifiche.

Movimenti tramite membrane

Molecole che passano tramite una membrana possono essere:

• Non elettrolitiche: non hanno carica ed entrano tramite diffusione;
• Acqua: passa per osmosi tramite membrana;
• Ioni: hanno cariche e tenderebbero a muoversi secondo gradiente di concentrazione (verso zone dove sono meno concentrati). Mentre ione si sposta, es. sodio porta cariche positive, si dovrà fermare ad un certo poiché andrà incontro a repulsione elettrostatica.

Es. diffusione di sostanze non elettrolitiche: membrana è semipermeabile al soluto (passa solo soluto); nei due compartimenti contenenti il soluto le sostanze si muovono casualmente e può succedere che collidano nel loro canale ionico, passando all’altro compartimento. *=canale ionico.

Trasporto cellulare

La diffusione semplice non richiede energia ed è funzione di:

• Gradiente di concentrazione (diversa distribuzione dei soluti nei compartimenti Ca-Cb);
• Coefficiente di ripartizione (K): esprime la solubilità di un soluto in un mezzo idrofobo rispetto all’ambiente acquoso (es. olio in rapporto alla sua solubilità in acqua). Più alto è K, più alta è la lipofilicità, tanto più facilmente il soluto diffonde attraverso la membrana cellulare;
• Coefficiente di diffusione (D) dipende dalla grandezza molecolare del soluto e dalla viscosità del mezzo (eta). LEGGE DI STOKES-EINSTEIN D=KT/6πrn con K= costante di Boltzmann e n=eta;
• Spessore della membrana (ΔX): maggiore è lo spessore più lenta sarà la diffusione;
• Area superficie disponibile per la diffusione (A): maggiore è l’area, maggiore è l’entità della diffusione;

La diffusione netta descritta dalla LEGGE DI FICK J= D A (Ca-Cb)/ΔX attraverso una membrana: J=P(Ca-Cb) con J=flusso e permeabilità, P=KDA/ΔX. Diffusione semplice è caratterizzata da assenza di saturazione.

Osmosi: flusso di acqua attraverso membrana semipermeabile dovuto alla diversa concentrazione di soluto (non permeante). L’acqua si muove verso il compartimento dove il soluto ha maggiore concentrazione (cioè dove l’acqua è in quantità minore). La pressione idrostatica: necessaria ad annullare la diffusione osmotica dell’acqua. Viene definita con la LEGGE DI VAN’T HOFF π=nRT/V.

Osmolarità: concentrazione totale dei soluti in una soluzione; 1OsM=1 mol di soluto indissociato per L di soluzione. Soluzioni isosmotiche: se hanno la stessa concentrazione di soluti. Se la concentrazione è diversa avremo: soluzione iposmotica (soluzione a minor osmolarità rispetto a un’altra) o soluzione iperosmotica (soluzione a maggior osmolarità).

Tonicità: si definisce in base al comportamento delle cellule rispetto ad una determinata soluzione in cui sono immerse. Soluzione isotonica: se cellula non cambia il suo volume. Soluzione ipertonica: se la cellula si restringe. Soluzione ipotonica: se la cellula si gonfia.

• Osmolarità ≠ tonicità vanno di pari passo ma non coincidono nel caso di soluzioni contenenti molecole permeabili attraverso la membrana. Una soluzione isosmolare di urea (mOsM) crea ipotonicità (rigonfiamento cellula) in quanto le molecole di urea diffondono all’interno della cellula creando una pressione osmotica che richiama acqua, con conseguente aumento del volume cellulare.

Equilibri ionici

H₂O corporea totale = 50-70% del peso corporeo. Due compartimenti idrici: intracellulare (2/3) (separato dalla membrana plasmatica) ed extracellulare (1/3) plasma e liquido interstiziale (separati dalla parete dei capillari).

Concentrazioni mM intracellulari: [Na⁺]=12; [K⁺]=140; [Ca²⁺]<0,0001. Concentrazioni mM extracellulari: [Na⁺]=145; [K⁺]=4; [Ca²⁺]≈2. La differenza di concentrazione tra i compartimenti intra e extracellulare è alla base di tutte le funzioni fisiologiche:

• Il Vr (potenziale di riposo) delle cellule eccitabili è funzione del K⁺;
• Il pdA (spike) delle cellule eccitabili è funzione del Na⁺;
• La contrazione del muscolo è funzione del Ca²⁺.

Le membrane cellulari semipermeabili hanno permeabilità selettiva ai diversi soluti. Vi sono inoltre dei meccanismi omeostatici attivi a dispendio energetico (pompe) che ripristinano i gradienti alterati (es. pompa ATPasi sodio/potassio: butta Na⁺ fuori e K⁺ dentro contro gradiente).

Trasporto passivo

Attraverso la membrana. Può avvenire per:

• Diffusione semplice
• Diffusione attraverso i canali ionici di membrana
• Diffusione facilitata (attraverso un trasportatore)

Diffusione attraverso canali ionici è selettiva per uno o più ioni (determinata dalla carica netta delle pareti interne del poro).

Modalità di attivazione o Gating:

• Canali voltaggio-dipendenti;
• Canali attivati da ligando;
• Canali attivati da secondi messaggeri (ATP; cAMP).

Diffusione attraverso proteine trasportatrici (carrier):

• Specificità (solo una tipologia di molecole o molecole molto simili);
• Può subire competizione (inibizione competitiva);
• Saturazione (Vmax di trasporto). GLUT= Glucose transporter; competizione glucosio/galattosio; uniporto.

Trasporto attivo

Contro gradiente di concentrazione; non avviene spontaneamente ma ha bisogno dell'intervento di proteine di trasporto. Ha dispendio energetico e sono coinvolti due o più soluto (uno di solito è il sodio; movimento di Na⁺ da energia per il trasporto del secondo soluto). NB: Non c’è consumo diretto di ATP.

Può essere:

• Primario: molecola trasportatrice è la stessa che porta 1 o più ioni e contemporaneamente ha funzione di ATPasi. Può essere classificata a sua volta in:
• Pompa Na⁺/K⁺: è ubiquitaria, si trova su tutte le cellule. Presenta una struttura unica che contemporaneamente può legare Na⁺/K⁺ e ATP (idrolizzandola): trasporta all’esterno 3Na⁺; contemporaneamente fa entrare 2 K⁺ nella cellula. Sono inoltre presenti subunità accessorie che regolano il corretto funzionamento della pompa.
• Pompa Ca²⁺: nelle membrane cellulari SR, mitocondri e alcune membrane cellulari. Viene riversato Ca²⁺ all’esterno; trasporta solo calcio e lo porta in una direzione tale da abbassare la concentrazione di calcio citoplasmatico. Questa pompa è collegata o sulla membrana (affinché il calcio sia portato all’esterno) o sulla membrana di alcuni organuli come i mitocondri o, ancora, sulla membrana del reticolo sarcoplasmatico.
• SERCA: calcio ATPasi posta sul reticolo sarcoplasmatico; riversa ioni calcio nel Reticolo Endoplasmatico, organulo con funzione di immagazzinamento di Ca²⁺.
• PMCA: calcio ATPasi presente sulla membrana plasmatica. NB Entrambe le calcio ATPasi SERCA e PMCA legano 2 ioni calcio.
• Pompa protoni H⁺/K⁺: si trova nelle cellule parietali della mucosa gastrica; trasporta ioni H⁺ fuori dalla cellula (nel lume dello stomaco), mentre il potassio li fa entrare nelle cellule. Ha lo scopo di acidificare lo stomaco. È inibita dall’omeoprazolo, un principio antiacido.
• Secondario: è un trasporto contro gradiente di concentrazione con dispendio energetico; sono sistemi di trasporto dove non c’è un’unica struttura a funzionare da trasportatore e da pompa; è formato da due proteine, il trasportatore e la pompa sodio-potassio. Sono implicati due o più soluti di cui uno è sempre Na; il trasportatore fa fluire uno di questi due soluti. Na è sempre lo ione che entra, seguendo il suo gradiente di concentrazione; questo permette di far entrare o uscire il soluto che ci interessa, in quanto il sodio lo porta con sé. Il movimento di sodio fornisce l’energia necessaria per il trasporto in senso opposto dell’altro soluto. Non è il sodio a consumare ATP ma bensì la pompa sodio-potassio.

Il trasporto secondario si divide a sua volta in trasporto sinporto e antiporto:

• Sinporto (o cotrasporto): movimento del soluto nella stessa direzione del Na⁺ (soluto entra nella cellula) — es. Na⁺ e glucosio, Na⁺ e amminoacidi, ecc;
• Antiporto (contro-trasporto): movimento del soluto nella direzione opposta al sodio (soluto esce dalla cellula) — es. Ca²⁺/Na⁺, H⁺/Na⁺.

La concentrazione di sodio nella cellula deve essere bassa — Na⁺ entra per trasportare gli altri soluti, per poi nuovamente uscire (per la maggior parte). La pompa sodio-potassio interviene nella regolazione del gradiente di concentrazione di Na⁺, facendo sì che fuoriesca dalla cellula dopo aver portato i soluti.

Oltre al sodio possono intervenire nell’azione di trasporto antiporto lo ione HCO₃^-/Cl^-; sono anticorpi; hanno ruolo di produzione di bicarbonato plasmatico negli eritrociti, riassorbimento di bicarbonato nel tubulo renale, produzione di Cl^- nelle cellule dello stomaco e produzione di bicarbonato di ione bicarbonato nel succo pancreatico. Entra lo ione Cl^- ed esce HCO₃^-.

La digitossina blocca la pompa sodio-potassio - ATPasi; il sodio intracellulare aumenta, l’ATPasi Na⁺, Ca²⁺ rallenta la sua attività e la concentrazione di calcio intracellulare aumenta. L’aumento di calcio nella cellulare aumenta la forza di contrazione — importante sul cuore, che può contrarsi grazie alla digitossina con più vigore.

Equilibri ionici e potenziali di membrana

Dall’800 era noto il concetto che nell’organismo animale vi fosse una generazione intrinseca di elettricità di stimoli elettrici; Galvani fu il primo uomo che riuscì a comprendere il fatto che i tessuti viventi generassero cariche.

Matteucci nel 1940 fece un esperimento per dimostrare la teoria dell’elettricità nei tessuti: prese una coppia di muscoli, di cui uno lesionato tanto da esporre l’ambiente intracellulare. Sulla zona lesa mise a contatto il nervo del secondo muscolo e sul primo muscolo pose una bacchetta di rame e zinco. Fece contrarre il primo muscolo fornendo elettricità al nervo e di conseguenza si contrasse anche il secondo, dimostrando che l’elettricità passava al nervo, al primo muscolo e al secondo, con conseguente contrazione.

Come si misura il potenziale di membrana? Tramite dispositivi adeguati (2 elettrodi) misuro il potenziale di entrambi e ne faccio la differenza; questa differenza si chiama differenza di potenziale e si indica come deltaV, tipica di tutte le cellule. Per misurare il potenziale di membrana dobbiamo collocare la cellula in un becker e disporvi la cellula in soluzione fisiologica — vi vengono immersi un microelettrodo che penetra la cellula (ci indica le cariche dentro la cellula) e un elettrodo che è esterno alla cellula (ci dice quante cariche sono fuori la cellula). Infatti il potenziale di membrana è una differenza di potenziale, cioè una differenza di cariche poste internamente ed esternamente alla cellula. Lo strumento oscilloscopio fa la differenza Vi-Ve (potenziale interno meno quello esterno). Se il potenziale è negativo significa che all’interno della cellula vi sono più cariche negative rispetto all’esterno — il versante interno di tutte le cellule è carico negativamente, mentre quello esterno è carico positivamente.

Perché si genera il potenziale di membrana? La differenza di potenziale formato ai lati della membrana quando un dato ione raggiunge l’equilibrio elettrochimico è detto potenziale di equilibrio (E) per quello ione.

Potenziale di equilibrio di Na⁺: considerando due compartimenti con NaCl e una membrana semipermeabile a ioni Na⁺ possiamo notare che, quando si muove il sodio, esso porta cariche positive verso il compartimento cui sta migrando, così aumenta la positività dal versante opposto rispetto a dove migra Na⁺. Il movimento di sodio si blocca in quanto la carica positiva si accumula (quando si equiparano forze chimiche ed elettriche si parla di equilibrio elettrochimico). ΔIl potenziale di equilibrio del sodio è quel valore di V che bilancia la tendenza dello ione Na⁺ a fluire secondo il suo gradiente di concentrazione.

Potenziale di equilibrio di K⁺: considerando K⁺ e Cl^-... (testo incompleto)