fisiologia

Fisiologia cellulare

Introduzione

Che cos'è la fisiologia

La fisiologia è lo studio dei meccanismi di funzionamento degli organismi viventi in condizioni di salute e a vari livelli di organizzazione (molecolare, cellulare, tessutale, di organo e di sistema). L'obiettivo finale della fisiologia è l'integrazione funzionale, cioè comprendere come le parti studiate in modo isolato interagiscano tra di loro.

Quali sono i temi centrali della fisiologia

• Stretta relazione tra struttura e funzione: La struttura di un organo gli permette di svolgere una precisa funzione. Per esempio, gli atomi contenuti nel canale del potassio riescono a riconoscere solo lo ione K+ e a stabilire con esso legami molto simili a quelli che si stabiliscono tra K+ e H₂O.
• Omeostasi: È la capacità degli organismi di mantenere, grazie a meccanismi fisiologici complessi, una relativa stabilità interna.

Claude Bernard → Se il liquido extracellulare (LEC) si mantiene costante, anche il liquido intracellulare (LIC) si mantiene tale e le cellule funzionano correttamente.

Walter Cannon → Introduce il termine "omeostasi" per indicare che le condizioni del mezzo interno, pur rimanendo costanti, non sono statiche a differenza di quanto pensava Bernard. Quindi si parla di omeostasi facendo riferimento a uno stato stazionario ma dinamico in cui si verificano continuamente cambiamenti che però vengono ridotti al minimo dai vari meccanismi di controllo omeostatici.

Sistemi di controllo omeostatici

I sistemi di controllo omeostatici agiscono con il sistema a feedback: i sensori registrano il valore di un parametro fisiologico e mandano le informazioni ai centri di integrazione. I centri di integrazione paragonano questo valore con il set point, cioè il valore di riferimento, e se i due valori risultano diversi il centro di integrazione elabora un segnale di errore diretto a un sistema effettore che potrà mettere in atto meccanismi atti a riportare il parametro a valori fisiologici.

• Feedback negativo: Genera una risposta che riduce la differenza tra variabile controllata misurata e valore di riferimento generando così equilibrio. Esempio → controllo della temperatura corporea: i sensori sono rappresentati dai neuroni termostatici nell'ipotalamo o dai termorecettori cutanei e i centri di regolazione sono i centri termoregolatori presenti nell'ipotalamo anteriore. In caso di temperatura troppo alta rispetto al set point (37 °C) si genera un segnale di errore che induce il sistema effettore a mettere in atto meccanismi che determinano dispersione di calore (es. sudore); in caso contrario avremo produzione di calore (es. brividi).
• Feedback positivo: Genera una risposta che amplifica la differenza tra variabile controllata misurata e valore di riferimento, si tratta di un meccanismo autorigenerativo. Esempio → genesi dell'impulso elettrico nelle cellule eccitabili (genesi del potenziale di azione): il potenziale di riposo delle cellule eccitabili ha un valore di -65 mV (faccia interna - faccia esterna +). Una depolarizzazione (diminuzione del valore assoluto) iniziale porta all'apertura di canali sodio. Na+ porta altre cariche positive sulla membrana interna, quindi depolarizza ulteriormente la cellula e induce apertura di altri canali per il sodio. Per cui è un meccanismo che si autorigenera e che viene interrotto solo dall'inattivazione di canali voltaggio dipendenti del Na+.

I sistemi di controllo omeostatici possono agire anche con il sistema a feedforward. Si tratta di un sistema anticipatorio perché, essendo dotato di memoria, prevede quello che accadrà e quindi riesce ad anticipare il cambiamento di un parametro fisiologico. Questo sistema omeopatico è fondamentale, ad esempio, nel controllo della contrazione muscolare durante uno sport: l'occhio (sensore) percepisce la palla in arrivo e invia un segnale alla corteccia cerebrale (centro di integrazione con memoria). Il segnale viene comparato con le informazioni presenti nella memoria e così viene elaborato un segnale che arriva ai muscoli del braccio (sistema effettore).

• Plasticità: È la capacità delle funzioni biologiche di modificarsi in modo persistente (il cambiamento persiste oltre lo stimolo iniziale che lo ha indotto) in seguito a particolari stimoli ambientali. Ad esempio, passando da un ambiente a bassa pressione a uno ad alta pressione, l'organismo metterà in atto una serie di cambiamenti (respirazione, frequenza della ventilazione ecc.) per adattarsi alle nuove condizioni. Il cambiamento è persistente ma non permanente, cioè è reversibile e quindi, nel momento in cui il soggetto torna alle condizioni ambientali precedenti, il cambiamento plastico avviene in direzione opposta. Il cambiamento plastico implica apprendimento ed è alla base della capacità degli organismi di imparare, ricordare ed adattarsi a varie modifiche ambientali.

Membrana plasmatica

A un livello cellulare, i meccanismi di controllo omeostatici sono localizzati a livello della membrana plasmatica.

Funzioni della membrana plasmatica

• Ruolo strutturale
• Supporto per enzimi e proteine strutturali (per es. la spectrina dei globuli rossi)
• Separazione tra LEC e LIC: la membrana plasmatica mantiene separato il liquido intracellulare (LIC) dal liquido extracellulare (LEC). Nel LEC si possono trovare due ulteriori ambienti separati dall'endotelio, ovvero il liquido interstiziale e il plasma sanguigno. L'endotelio è molto sottile e lascia passare facilmente acqua e ioni, per cui la differenza principale tra liquido interstiziale e plasma sanguigno sta nella concentrazione delle proteine plasmatiche. L'elemento preponderante di tutti questi liquidi è l'acqua (60% del peso corporeo): 2/3 di acqua sono contenuti nel LIC, 1/3 nel LEC.
• Barriera selettiva: è impermeabile a grandi molecole (proteine, acidi nucleici ecc.) e selettivamente permeabile a piccole molecole (ioni, metaboliti ecc.). Grazie a questa permeabilità selettiva, attraverso la membrana plasmatica avvengono gli scambi tra LEC e LIC che permettono ai due ambienti di mantenere l'omeostasi, cioè di conservare le proprie caratteristiche per svolgere al meglio le proprie funzioni. In particolare, la diversa composizione ionica tra questi due ambienti è di estrema importanza per il normale funzionamento dell'organismo.

Struttura della membrana plasmatica

La membrana è costituita da lipidi e proteine a cui si aggiunge una piccola percentuale di carboidrati. Il rapporto tra lipidi e proteine è strettamente connesso alla funzione che la membrana svolge. Vediamo alcuni esempi:

• Nel globulo rosso la componente proteica e lipidica sono presenti grossomodo nella stessa quantità.
• Considerando la membrana del reticolo sarcoplasmatico o la membrana mitocondriale interna, questo rapporto cambia a favore delle proteine.
• La membrana mielinica ha essenzialmente una funzione isolante e infatti la componente lipidica prevale.

Modello Davson-Danielli: Ipotizzarono che il doppio strato fosfolipidico fosse rivestito sia internamente che esternamente da uno strato di proteine. Tuttavia, gli esperimenti non ebbero risultati concordi con questa affermazione perché i solventi dei lipidi riuscivano comunque a disgregare la membrana plasmatica, cosa che non sarebbe dovuta accadere in presenza dei due strati proteici.

Modello a mosaico fluido: Secondo questo modello definitivo, la membrana è costituita da un doppio strato fosfolipidico nel quale sono immerse le proteine. Le proteine sono distribuite in modo eterogeneo (mosaico) e sia i lipidi che le proteine hanno libertà di movimento sia lateralmente che trasversalmente (fluido). I segnali come l'impulso nervoso si generano proprio perché cambiano le caratteristiche della membrana.

Carboidrati

I carboidrati si associano ai lipidi o alle proteine a formare rispettivamente glicolipidi e glicoproteine. Questi si trovano soprattutto sulla faccia esterna della membrana dove formano il glicocalice. Le glicoproteine svolgono anche un ruolo chiave nella risposta immunitaria.

Lipidi

La componente lipidica è rappresentata da tre tipi di molecole anfipatiche (cioè con una testa polare e una coda apolare):

• Fosfolipidi: La membrana è costituita da un doppio strato di fosfolipidi le cui teste polari si dispongono a contatto con LIC e LEC e le code apolari si affrontano tra loro. Sul versante extracellulare troviamo la fosfatidilcolina, su quello citoplasmatico fosfatidilserina e fosfatidiletanolammina. I fosfolipidi possono ruotare, piegarsi, spostarsi da una regione all'altra dello stesso foglietto e raramente anche traslare da un foglietto all'altro.
• Glicolipidi
• Colesterolo: Si trova in entrambi i foglietti della membrana plasmatica. Attraverso il suo gruppo -OH stabilisce legami molto deboli con la testa polare dei fosfolipidi; questi legami possono essere rotti facilmente e il colesterolo può traslare da un foglietto all'altro con grande facilità. È un modulatore della fluidità di membrana a seconda della temperatura.

Proteine

Abbiamo due gruppi di proteine:

• Proteine periferiche: Sono disposte sulla faccia interna/esterna della membrana plasmatica e sono legate ai lipidi o alle proteine integrali.
• Proteine integrali (transmembrana): Attraversano il doppio strato fosfolipidico. Possono essere elica costituite da (1) un solo segmento transmembrana che passa attraverso il doppio strato fosfolipidico e che è provvisto di anse esposte sia nel LIC che nel LEC (2) più segmenti transmembrana che attraversano ciascuno una sola volta il doppio strato fosfolipidico (formano) una struttura a foglietto e uniti tra loro da anse esposte nel LIC e nel LEC.

Membrane di cellule diverse hanno proteine di natura diversa e distribuite in modo diverso (per esempio la spectrina è una proteina periferica presente sul lato interno della membrana del globulo rosso ed esclusiva di questa tipologia di cellula). Queste proteine svolgono moltissime funzioni diverse:

• Proteine periferiche: Citoscheletro sotto-membranario e partecipazione alla segnalazione intracellulare.
• Proteine integrali:
  • Recettori di membrana: Non permettono il passaggio fisico di molecole ma solo quello di segnali. Ce ne sono di due tipi (1) ionotropi: il recettore funziona anche da canale, quindi il legame ligando-recettore induce l'apertura del recettore, cioè del canale (2) metabotropi: il recettore lega il ligando e questo legame induce una cascata intracellulare di segnali mirata alla sintesi di molecole chiamate secondi messaggeri che produrranno una certa risposta da parte della cellula (es. recettore dell'adrenalina).
  • Molecole di adesione: Creano contatti fisici con la matrice extracellulare circostante o con le cellule circostanti. Regolano forma, crescita e differenziamento cellulare.
  • Canali e carrier/trasportatori: Hanno un ruolo fondamentale nel mantenimento dell'omeostasi cellulare perché permettono il passaggio di sostanze.
    • Canale: Il canale forma un poro che crea una comunicazione diretta tra i due ambienti. Ci sono canali sempre aperti o quelli ad accesso variabile (che possono essere aperti o chiusi).
    • Trasportatore/carrier: La formazione del complesso ligando-trasportatore modifica la conformazione del trasportatore per cui il sito di legame si rovescia e il ligando viene rilasciato nel versante opposto rispetto a dove si è legato. Quindi il cambiamento conformazione del trasportatore permette di portare un substrato dal LIC al LEC o viceversa e non c'è nessuna comunicazione diretta tra i due ambienti.
  • Enzimi: Catalizzano reazioni che avvengono nel citoplasma o nell'ambiente extracellulare.
  • Partecipazione alla segnalazione intracellulare: Proteine eterotrimeriche leganti il GTP, chinasi, prodotti degli oncogeni.

Canali ionici

Struttura

I canali ionici sono costituiti da proteine integrali disposte a formare un poro che mette in comunicazione diretta l'ambiente intracellulare e quello extracellulare e lascia passare ioni. Ogni cellula ha un corredo caratteristico di canali ionici. Se queste subunità sono tutte diverse, avremo un canale ionico eteromerico, altrimenti se sono tutte uguali il canale sarà omomerico (può anche succedere che il poro sia delimitato da una sola catena polipeptidica che attraversa più volte la membrana plasmatica). Le subunità delimitano il poro, poi ve ne sono altre accessorie che hanno una funzione modulatoria.

Selettività

La caratteristica principale dei canali ionici è la selettività: attraverso un canale ionico passa una sola specie ionica (questa specificità non deve essere intesa in senso assoluto, esistono anche canali ionici che fanno passare due ioni diversi tipo sodio e potassio). Inizialmente si riteneva che questa caratteristica fosse collegata alle dimensioni dello ione, in realtà la selettività è dovuta alla presenza nel canale di un filtro di selettività. Il filtro di selettività è costituito da residui amminoacidici dotati di carica e specifici per gli ioni. Per esempio, nel filtro di selettività del canale del sodio si trovano residui amminoacidi che stabiliscono delle forze elettrostatiche col sodio (per una frazione di tempo molto ridotta) e così lo lasciano passare. Questo filtro non potrà riconoscere gli ioni potassio o cloro ad esempio, e quindi questi non avranno libertà di passaggio.

Caratteristiche del flusso ionico

I flussi di corrente ionica:

• Sono passivi: non richiedono un consumo di energia.
• Dipendono da una forza elettrochimica: il flusso di ioni è determinato sia dalla loro concentrazione sia dal fatto che a riposo la faccia esterna della membrana è carica positivamente e quella interna è carica negativamente. Ad esempio, il flusso di Na+ verso l'ambiente intracellulare è favorito sia dal fatto che il sodio è poco concentrato dentro la cellula (perché la pompa sodio/potassio trasporta il sodio fuori e il potassio dentro) sia dal fatto che la faccia intracellulare della membrana ha un eccesso di cariche negative. Se consideriamo K+, avremo modo di vedere che il flusso di potassio verso l'esterno è favorito sì dal gradiente di concentrazione ma allo stesso tempo è ostacolato dal gradiente elettrico perché la faccia extracellulare della membrana è caricata positivamente. In questo caso la forza totale sarà data naturalmente dalla combinazione di questi due fattori.
• Vanno in saturazione in caso di concentrazioni molto elevate degli ioni: per esempio, quando il Na+ attraversa il proprio canale stabilisce delle forze elettrostatiche col filtro di selettività ma, dato che il numero dei residui amminoacidici presenti nel filtro risulta essere ben definito, una volta che i residui vengono tutti occupati, i nuovi ioni che arrivano devono "mettersi in fila" e cioè aspettare che qualche sito di legame sia libero per poter interagire col filtro di selettività e passare. Quindi la velocità del flusso della corrente ionica non continua ad aumentare all'infinito ma arriva a un valore massimo oltre il quale, anche aumentando la concentrazione di ioni, rimane costante. Si dice quindi che la la corrente di Na+ è andata in saturazione. Per arrivare alla saturazione dobbiamo avere concentrazioni di ioni estremamente elevate e infatti in condizioni fisiologiche raramente si arriva alla saturazione del canale.
• Hanno caratteristiche del "tutto o nulla": la corrente o c'è ed è massima (quindi il canale è aperto) o non c'è (quindi il canale è chiuso).
• Sono transitori: non sono continui ma avvengono momentaneamente e hanno una durata molto breve, per cui il canale passa continuamente dallo stato aperto a quello chiuso e viceversa.

Conducibilità

La tecnica del patch-clamp (1976) serve ad analizzare sia la corrente ionica di un singolo canale sia la corrente ionica totale di una membrana plasmatica. Ci si procurano delle micropipette con punta estremamente fine e piena di una soluzione conduttrice analoga al LEC e si appoggiano sulla membrana cellulare. Quindi viene esercitata una suzione, cioè parte della membrana si inserisce nella punta della pipetta. Collegando il tutto con apparecchi specifici di registrazione e distribuzione, è possibile esaminare il funzionamento dei canali ionici. Perché è importante valutare le correnti ioniche della cellula? La membrana delle nostre cellule è caratterizzata dall'avere una differenza di potenziale tra la faccia esterna e quella interna, il cosiddetto potenziale di membrana; quando, a livello delle cellule eccitabili, il potenziale di membrana viene modificato si genera un potenziale di azione. Il potenziale di azione non è altro che una variazione del flusso di corrente ionica che si realizza attraverso la membrana cellulare e quindi è opportuno avere strumenti per conoscere queste correnti ioniche. Con la tecnica del patch-clamp è stato possibile determinare un parametro fondamentale che è la conducibilità. La conducibilità è la capacità di far passare correnti elettriche in presenza di una forza elettrochimica (quindi in presenza di una forza data sia dalla differenza di concentrazione dello ione sia dal potenziale di membrana). In pratica, la conducibilità esprime la permeabilità ionica e può essere riferita come il reciproco della resistenza. Siccome secondo la legge di Ohm ΔV = iR e quindi R = ΔV/i allora = 1/R = i/ΔV.

In base alla loro conducibilità, i canali ionici si possono classificare in:

• Canali ionici ohmici: La maggior parte dei canali ionici si comportano come delle semplici resistenze elettriche e cioè all'aumentare del potenziale di membrana aumenta anche la corrente che fluisce attraverso il canale. La conducibilità di questi canali ionici.