Fisiologia

FISIOLOGIA è la scienza che studia il normale funzionamento di un organismo e



delle parti che lo compongono. In particolare partendo da dati sperimentali la fisiologia

va a definire dei modelli tramite l’utilizzo di leggi fisiche.

Livello cellulare:

- tra le funzioni fondamentali delle cellule vi sono l’acquisizione di

nutrienti e ossigeno dall’ambiente, la sintesi proteica, l’eliminazione della CO 2

(poiché se reagisce con l’acqua viene alterato il pH) e delle sostanze di rifiuto, la

regolazione dell’ambiente tramite la membrana cellulare, il trasporto di materiali

all’interno della cellula e la produzione di energia.

Livello tissutale:

- esistono diversi tipi di tessuti che si differenziano a seconda della

funzione che svolgono, in particolare abbiamo quello muscolare (scheletrico,

miocardico, liscio), quello nervoso, quello epiteliale e quello connettivo.

Livello di ghiandole: sono costituite da un unico tipo di tessuto (epiteliale) che è

 specializzato nella secrezione, si differenziano in esocrine che sono quelle che

rilasciano la secrezione all’esterno del corpo attraverso un dotto e in endocrine

che sono quelle che rilasciano il loro prodotto di secrezione nel sangue.

Livello di organi: sono costituiti da un insieme di più tessuti diversi tra loro,

 ciascuno dei quali svolge una particolare funzione utile al funzionamento

generale dell’organo. Un insieme di più organi forma un organismo o apparato

(es. circolatorio, respiratorio urinario e nervoso).

OMEOSTASI si tratta della capacità degli organismi animali di mantenere costanti



entro un certo livello (set point) molti parametri chimico-fisici degli organi. Per

mantener questo stato di omeostasi l’organismo essendo un sistema aperto che

scambia energia e materia con l’ambiente utilizza il principio dell’equilibrio di massa

ovvero andando a mantenere un equilibrio tra entrate ed uscite. Lo spostamento delle

sostanze avviene secondo una forza propulsiva che prende il nome di gradiente che

può essere pressorio, elettrico o di concentrazione.

L’omeostasi avviene secondo due processi differenti quello di feedback positivo (la

risposta rinforza lo stimolo portando la variabile ancora più lontano dal set point, serve

quindi un fattore esterno per questo è meno utilizzata) e quello di feedback negativo

(la risposta contrasta lo stimolo e controbilancia il disturbo iniziale).

MEMBRANA CELLULARE riveste le cellule proteggendole, ha uno spessore di circa



8 nm ed è costituita principalmente da proteine di membrana come quelle strutturali,

di trasporto, recettive ma è anche composta da enzimi e da colesterolo che fornisce

flessibilità e idrofobicità alla membrana.

Le funzioni della membrana plasmatica sono:

Isolamento fisico: definisce ciò che sta dentro, liquido intracellulare, e ciò che sta

 all’esterno spazio extracellulare. Il LIC è ricco di potassio (150) e povero di sodio

(14) inoltre contiene anche fosfati inorganici. Il LEC invece è ricco di sodio (140) e

povero di potassio (4).

Regolazione degli scambi: la membrana essendo semipermeabili permette il

 passaggio di sostanze

Comunicazione tra cellule o tra cellula e ambiente: la membrana essendo

 semipermeabili permette il passaggio dei messaggeri chimici.

Supporto strutturale: vi sono proteine che collaborano con il citoscheletro



TRASPORTI DI MEMBRANA I trasporti sono controllati da delle forze che ne



determinano la direzione,

queste forze sono:

Forze chimiche: aumenta il valore se il gradiente di concentrazione è elevato, il

 gradiente di concentrazione varia a seconda della sostanza e per questo ogni

gradiente di concentrazione agisce solo sulla specifica sostanza. In particolare

questa forza comporta un passaggio di sostanza da zone ad alta concentrazione a

zone a bassa concentrazione.

Forze elettriche: riguardano gli ioni e il valore di questa forza varia a seconda del

 potenziale di membrana che consiste in una differenza di carica che si trova lungo

la membrana poiché nel liquido extracellulare vi sono più ioni positivi mentre nel

liquido intracellulare vi sono più ioni negativi. Differenza di ioni che prende il nome

di squilibrio elettrico e che è visibile lungo la membrana. Disequilibrio che è

provocato dalle pompe ioniche (specifiche proteine che trasferiscono ioni

attraverso la membrana). La membrana agisce da isolante se si inserisce una

proteina questa pompa fuori un catione creando un disequilibrio di carica. Queste

sono le pompe ioniche, un esempio è la sodio-potassio. Inoltre questa forza è

maggiore se abbiamo ioni con valenza maggiore, mentre aumenta l’ampiezza della

forza se aumenta l’ampiezza del potenziale d’azione.

Forze elettrochimiche: è l’unione della forza chimica e di quella elettrica, ovvero del

 gradiente di concentrazione e del potenziale di membrana, il movimento degli ioni

infatti è provocato da entrambe le forze e a seconda dei casi avrà la meglio una

piuttosto che l’altra.

Il potenziale d’equilibrio di uno ione è quindi dato dall’equazione di Nerst:

[ ]

ione

61 mV out

=

E log

ioni [ ]

z ione ¿

Per stabilire la direzione della forza elettrochimica si usa appunto il potenziale

d’equilibrio dove se il potenziale di membrana e quello di equilibrio sono uguali

avremo l’equilibrio, se il potenziale di membrana è > di quello d’equilibrio vince la

forza elettrica e si considera quella, se invece il potenziale di membrana è < a quello

di equilibrio vince la forza chimica e si considera quella.

Esistono differenti tipologie di trasporto delle sostanze attraverso la membrana

cellulare:

Trasporto passivo si tratta di una tipologia di trasporto che non richiede

 

dispendio di energia in quanto utilizza il moto cinetico e il gradiente di

concentrazione. Questo tipo di trasporto può avvenire secondo due metodologie

differenti che sono la diffusione semplice e la diffusione facilitata. Per diffusione in

generale si intende un processo passivo in cui le molecole si muovono per il

gradiente fino a raggiungere un equilibrio dinamico. È un processo che diminuisce

la sua velocità sulle lunghe distanze, che aumenta con l’aumentare della velocità,

aumenta se aumenta la temperatura e che invece diminuisce se aumentano le

dimensioni molecolari.

Diffusione semplice: riguarda le molecole che sono solubili nel doppio strato

fosfolipidico e che quindi possono diffondersi nella membrana. Questa diffusione è

studiata dalla legge di Fick la quale afferma

.

∗gradiente

area diconcentrazione∗permeabilitàmembrana

che in

tasso di diffusione∝ spessore membrana

particolare

un fattore importante è la permeabilità della membrana che è direttamente

proporzionale alla solubilità nei lipidi mentre è inversamente proporzionale alle

dimensioni molecolari, quindi più è elevata la permeabilità più rapido sarà il flusso

netto ovvero più velocemente attraverseranno la membrana le molecole. Un

esempio è la diffusione del glucosio nella cellula viene infatti continuamente

trasformato cosi da non raggiungere mai l’equilibrio e da continuare a riceverlo cosi

da avere dei depositi in caso di necessità.

Diffusione facilitata: riguarda le molecole che non passano liberamente attraverso

la membrana. Si tratta di un fenomeno passivo dove le molecole utilizzano

particolari proteine per spostarsi dentro e fuori la cellula. Queste proteine possono

essere canali o trasportatrici. Le proteine canali attraversano l’intera membrana

creando un poro che permette una comunicazione tra interno ed esterno della

cellula, questi canali possono essere sempre aperti oppure controllati ovvero aperti

e chiusi a seconda delle necessità della cellula, le proteine canali vengono utilizzate

dagli ioni anche se ve ne sono alcune utilizzate dall’acqua. Le proteine

trasportatrici (carrier) invece non mettono mai in comunicazione l’interno con

l’esterno della cellula ma vanno ad aprirsi solo o verso l’interno o solo verso

l’esterno della cellula. I carrier possono poi essere uniporto (un solo substrato),

semiporto (+ substrati in = direzione) o antiporto (+ substrati in ≠ direzioni).

Quindi per questa mancanza di comunicazione diretta il trasporto risulta molto più

lento rispetto alle altre modalità. La velocità di questi carrier è influenzata dalla

quantità di carrier e dal gradiente di concentrazione. I carrier inoltre hanno

particolari proprietà come la specificità (trasportano solo una determinata classe di

sostanze), la competizione (un trasportore può essere più o meno affine ad una

determinata sostanza di una classe) e la saturazione (giunti alla capacità massima

di trasporto le sostanze non vengono più spostate).

I due tipi di diffusione quindi a gradienti bassi si equivalgono salendo invece di

gradiente la diffusione facilitata vede i carrier saturare e quindi rallenta fino a

tendere asintoticamente ad un valore massimo.

Trasporto mediato si tratta di una tipologia di trasporto che avviene tramite

 

l’utilizzo di proteine trasportatrici. Si suddivide in due tipologie quello per diffusione

facilitata e quello attivo.

Trasporto attivo: si tratta di un particolare trasporto che muove le sostanze contro

gradiente di concentrazione andando quindi a consumare molta energia (ATP) e

creando del disequilibrio. Il trasporto attivo a sua volta può essere classificato in

trasporto attivo primario

primario (o diretto) e in secondario (o indiretto). Il richiede

l’utilizzo di una pompa e riguarda principalmente lo spostamento di ioni. Un

+ +

esempio ne è la pompa Na - k , questa è dotata di 3 siti di legame per il sodio e 2

per il potassio tramite l’ATP trasporta ioni sodio fuori e potassio dentro, in

particolare il sodio si lega ai siti della pompa questi legami comportano la

fosforilazione della proteina che libera il sodio all’esterno, in seguito il potassio si

lega ai due siti provocando la liberazione del gruppo fosfato e i rilascio dello stesso

trasporto attivo secondario

potassio nelle cellula. Il invece richiede l’utilizzo di

proteine trasportatrici che in base al valore del gradiente elettrochimico spostano

dentro o fuori la cellula le sostanze, questa tipologia di trasporto riguarda

principalmente le molecole organiche.

Trasporto macromolecole avviene attraverso diversi metodi come fagocitosi

 

(globuli bianchi), pinocitosi, endocitosi e esocitosi (dove una vescicola contenente

materiale da espellere dalla cellula si lega alla membrana plasmatica e in seguito

aprendosi elimina le sostanze).

Trasporto transepiteliale che può essere un trasporto di soluti o di acqua, in

 

entrambi i casi il trasporto avviene attraverso delle pompe (proteine di trasporto),

un particolare tipo di trasporto è la transcitosi dove le macromolecole sono

trasportate attraverso le cellule epiteliali.

Trasporto d’acqua l’acqua si può muovere liberamente, la distribuzione

 

omogenea di quest’ultima porta ad un equilibrio osmotico, ovvero a una

distribuzione omogenea in tutta la superfice a sua disposizione. Si parla di osmosi

quando l’acqua si muove attraverso la membrana in risposta al gradiente di

concentrazione per cercare l’equilibrio osmotico. (osmolarità è il numero di

particelle che si formano per ogni molecola in soluzione moltiplicato per la

molarità).

MESSAGGERI CHIMICI La comunicazione tra le cellule avviene per mezzo di



messaggeri chimici e può seguire un processo diretto, dove due cellule comunicano

direttamente tra loro grazie a dei canali che mettono in comunicazioni le due aree

intracellulari permettendo il passaggio di ioni e piccole molecole, oppure secondo un

processo indiretto dove le due cellule non sono collegate tra loro e comunicano grazie

all’azione di messaggeri chimici.

I messaggeri chimici consentono di modulare le diverse attività di una cellula possono

essere catalogati in base alla funzione e in base alla struttura chimica che li compone:

Funzione: paracrina (vengono secreti da una cellula e si diffondono verso una

 cellula bersaglio vicina), autocrina (si legano ai recettori presenti sulla cellula che li

ha prodotti), neurotrasmettitori (prodotti dai neuroni in strutture specializzate, le

sinapsi, e diffondono informazioni a brevi distanze), gli ormoni (prodotti da cellule

endocrine e emesse nel liquido interstiziale tramite il quale raggiungono altre

cellule) e i neurormoni (rilasciate dai neuroni nel sangue per comunicazioni di

lunghe distanze).

Struttura chimica: amminoacidi (si tratta di neurotrasmettitori come glutammato,

 glicina, aspartato), ammine (sono neurotrasmettitori e ormoni come

catecolammine, serotonina, istamina), peptidi/proteine (sono neurotrasmettitori

ormoni e citochine), steroidi (ovvero ormoni prodotti su richiesta) e eicosanoidi

(paracrine prodotte su richiesta). Eicosanoidi, proteine e ammine sono messaggeri

paracrini. Ammine, proteine e amminoacidi sono lipofobici mentre eicosanoidi e

steroidi sono lipofilici.

I messaggeri chimici possono quindi essere sia idrofilici che idrofobici. I messaggeri

idrofilici vengono secreti con esocitosi nel plasma dove si sciolgono ed entrano in

circolo. Invece i messaggeri idrofobici vengono secreti tramite diffusione e vengono

messe in circolo dove si legano a delle proteine e vengono trasportati.

Fondamentale è il ruolo dei recettori, i quali hanno il compito di ricevere un

messaggio chimico e trasmetterlo alla cellula. Una caratteristica importante dei

recettori è la loro specificità, ovvero ogni recettore è specifico e disponibile a ricevere

un determinato messaggio chimico. Questi recettori sono situati o sulla membrana

plasmatica oppure dentro la cellula. Il ruolo dei recettori è importante soprattutto in

funzione della risposta infatti: più il messaggero è concentrato più elevata è la

possibilità di risposta, la disponibilità di una classe di recettori non è infinità ma una

volta raggiunto il valore massimo si raggiunge la saturazione e non vengono più

tradotti messaggi infine alcuni recettori sono più affini a determinati messaggi chimici,

quindi i messaggeri più affini risulteranno tradotti maggiormente.

Recettori intracellulari sono quelli per i messaggeri lipofili, sono situati all’interno

 

della cellula ovvero nel fluido intracellulare e vanno a trasportare il messaggio

chimico giunto nella cellula all’interno del nucleo.

Recettori di membrana quelli per i messaggeri idrofili e sono appunto situati

 sono

lungo la membrana cellulare. Si suddividono in recettori canale (dove il

collegamento di un messaggero ad una canale ionico provoca l’apertura del canale

permettendo il passaggio di ioni), recettori enzima (dove il collegamento di un

messaggero a un recettore inattivo lo attiva) e recettori associati a proteine G

(dove il legame di un messaggero attiva la proteina G, a questo punto una subunità

della proteina si sposta e provoca l’apertura o la chiusura di un canale ionico)

Importante è anche il compito di agonisti ed antagonisti, si tratta infatti di particolari

composti chimici che nel caso degli agonisti attivano un recettore, nel caso degli

antagonisti invece bloccano l’attività di un recettore.

Fondamentali per la comunicazione all’interno del nostro organismo sono anche i

secondi messaggeri, tra i più importanti vi sono AMPc, IP e DAG. I secondi messaggeri

3

vengono utilizzati all’interno della cellula per amplificare il segnale, in particolare il

secondo messaggero è una molecola che viene rilasciata o attivata in seguito al

legame tra il recettore con un primo messaggero. Ad esempio quando il messaggero si

lega al recettore attivando le proteine G, la subunità alfa di questa va ad attivare

l’adenilato ciclasi che produce AMPc il quale attiva la proteina chinasi A che provoca la

fosforilazione delle proteine.

Per quanto riguarda invece la comunicazione a distanza vengono utilizzati i segnali

elettrici, in questo ambito importante è il ruolo dei neuroni i quali trasmettono segnali

elettrici all’interno della cellula e segnali chimici per comunicare con altre cellule.

POTENZIALE DI MEMBRANA in condizioni normali il liquido intracellulare possiede



un numero di anioni leggermente maggiore mentre il liquido extracellulare ha un

numero leggermente maggiore di cationi. Queste cariche in eccesso vanno a disporsi

lungo la membrana plasmatica in quanto attratte tra loro poiché di segno opposto

andando a creare un potenziale di membrana. [ ]

ione

61 mV out

=

E log

Il potenziale d’equilibrio è dato dall’equazione di Nerst la

ioni [ ]

z ione ¿

quale vale solo se la membrana fosse permeabile ad un solo ione.

Il potenziale di membrana a riposo (Vm) è determinato da 2 o più specie ioniche,

l’influenza esercitata da ciascuna specie non dipende soltanto dalle concentrazioni dei

diversi ioni all’interno ed all’esterno della cellula, ma anche dalla permeabilità (p) della

membrana verso gli ioni considerati. Dove per permeabilità si considera la facilità con

cui uno ione riesce ad attraversare la membrana.

Il potenziale di membrana a riposo è quindi influenzato da i gradienti di

concentrazione e dalla permeabilità della membrana.

+¿

¿

K

¿

+¿

¿

Na

¿

−¿

¿

Cl

¿

¿

¿

¿

+¿

¿

K

¿

+¿

In particolare ¿

Na

¿