Fisiologia

Fisiologia lezione 1 - 09/04/2021

La fisiologia

La fisiologia è la scienza che studia il funzionamento degli organismi viventi in condizioni normali. Se c’è un mal funzionamento si parla di fisiopatologia ecc… Il concetto di fisiologia nasce già con Aristotele che lo utilizzò come studio della natura; la fisiologia si accoppia all’anatomia poiché dobbiamo sapere prima com’è fatto un organo per poi capire come funziona.

Livelli di complessità del corpo umano

• Livello chimico: una molecola nella membrana che racchiude la cellula.
• Livello cellulare: una cellula nella mucosa dello stomaco.
• Livello tissutale: strati di tessuti nella parete dello stomaco.
• Livello di organo: lo stomaco.
• Livello di sistema corporeo: l’apparato digerente.
• Livello di organismo: intero corpo.

Cellule, insieme di cellule → tessuto, insieme di tessuti → organi, insieme di organi → sistema, apparato → organismo. La caratteristica della fisiologia è quella di comprendere molteplici livelli di organizzazione.

Cellule

Diverse cellule, con diverse funzioni specifiche per essa stessa:

• Assunzione di sostanze nutritive ed è indispensabile per la sua vita.
• Escrezione di sostanze di scarto, ma sono secrete anche sostanze importanti come gli ormoni.
• Metabolismo cioè l’uso di questi nutrienti fa sì che le cellule siano metabolicamente attive.
• Crescita e maturazione ad esempio le cellule staminali che sono multipotenti che devono crescere per poi differenziarsi e sono indispensabili.
• Movimento.
• Riproduzione.

Tessuti

Insieme di cellule simili per struttura, funzione e del materiale in cui si trovano:

• Epiteliale: rivestono le superfici, ma delimitano anche i confini.
• Connettivo: cellule disperse in grandi quantità in matrice fibrosa che conferisce elasticità; questi danno sostegno come ad esempio l’osso oppure i tendini.
• Muscolare: hanno la capacità di contrarsi provocando variazioni di tensione (m. scheletrico) o variazioni di pressione nelle cavità che delimitano (m. cardiaco e liscio).
• Nervoso: dà origine ad impulsi nervosi e li trasmette a tutto il corpo.

Organi

Strutture formate da diversi tipi di tessuti che conferiscono una funzione particolare al sistema. Es: rene tessuto epiteliale, connettivo, vasi e nervi sono connessi fisicamente e funzionalmente per controllare la composizione dei liquidi corporei. Polmoni: gli stessi tipi di tessuto permettono l’ingresso d’aria negli alveoli e gli scambi di O₂ e CO₂ per mantenere l’omeostasi.

Insieme di organi formano i sistemi: ogni organo ha la sua funzione, ma la loro funzione serve all’interno del sistema per collaborare: digerente, respiratorio, urinario e circolatorio sono i sistemi della vita vegetativa. I sistemi della vita di relazione tra ambiente esterno ed interno sono il muscolare-scheletrico, nervoso ed endocrino. Invece i sistemi di protezione sono tegumentario ed immunitario.

Fisiologia come scienza integrata

Tutti i sistemi cooperano insieme affinché l’organismo svolga le sue funzioni.

Omeostasi

Organismi viventi sistemi termodinamici aperti:

• Scambio di energia e materia con l’ambiente circostante.
• Questo è soggetto a grande variabilità.
• Influenza in modo variabile la composizione e le caratteristiche fisiche dell’ambiente interno.

La stessa attività cellulare modifica la composizione e le caratteristiche fisiche dell’ambiente liquido intercellulare. Ogni cellula dell’organismo funziona e vive normalmente soltanto se il proprio ambiente liquido interno rimane stabilmente in condizioni adeguate. Affinché l’organismo riesca a svolgere la sua funzione, le seguenti funzioni devono essere stabili:

• Volume d’acqua contenuto nella cellula.
• La presenza di concentrazioni adeguate di soluti che la cellula utilizza e produce.
• Il pH.
• La temperatura.

L’insieme dei processi grazie ai quali meccanismi fisiologici correggono tempestivamente le perturbazioni che continuamente si verificano assicurando la stabilità del messo interno nonostante le forze, interne ed esterne, che tendono continuamente ad alterarla. Omeostasi indica stabilità, bilanciamento, non immobilità. Il concetto di omeostasi è il principio fondamentale alla base della moderna fisiologia integrativa.

Feedback negativo e positivo

• Retroazione negativa: il prodotto di un processo non è funzionale o ne riduce l’efficienza; quindi, il feedback serve a dire fermati in questo processo perché non va bene. L’attività ed il livello del prodotto tendono a restare stabili; ruolo fondamentale dell’omeostasi. È il caso dell’iperproduzione.
• Retroazione positiva: il prodotto dell’attività la stimola ulteriormente; in questo modo il processo non viene regolato in maniera graduale, ma può solo essere attivato in modo massimale ogni qual volta viene attivato (non sono regolatori omeostatici perché sono sempre attivi, quindi non va ad attivare o a bloccare come fa quello negativo).

Composizione corporea

Il nostro organismo ha una massa magra e grassa, e molte sostanze come acqua, protidi, lipidi, minerali, glucidi e vitamine.

Proteine

(16-19%) che possono essere divise in base alla funzione:

• Enzimatica
• Trasporto
• Contrattile
• Strutturale
• Diversa (immunoglobuline o anticorpi)
• Regolatrice

Lipidi

(13-17%) sotto forma di trigliceridi, colesterolo e fosfolipidi:

• I trigliceridi sono una importante riserva di energia in grado di liberare calorie.
• Colesterolo e fosfolipidi sono elementi strutturali delle membrane. Sono anche bioregolatori perché compongono gli ormoni.

Glucidi

(1%) fonti di energia per tessuti e organi e hanno funzioni: energetiche, strutturali e regolatrici.

Acidi nucleici

(2%) DNA e RNA contengono le informazioni genetiche.

Soluzione

Un sistema omogeneo costituito da due o più componenti. Il componente presente in maggiore quantità è detto solvente, quello minore è il soluto. Peso/volume: peso del soluto (g) nell’unità di volume, ad esempio 100 mL (%P/V) la concentrazione delle proteine plasmatiche, normalmente pari a 7 g/dL di plasma, o quella di glucosio, pari a 80-120 mg/dL. Molarità: numero di moli (g)/ 1L di soluzione. Osmolare: il numero di particelle di soluto libere in 1L di soluzione che si dissolvono cioè diventa un’unica soluzione, ma non si sciolgono.

Sistemi di controllo

Per mantenere questi livelli di liquidi e le percentuali delle sostanze all’interno di questi liquidi abbiamo bisogno di sistemi di controllo.

Fisiologia lezione 2 - 23/04/2021

Trasporto di membrana

Abbiamo visto che le sostanze possono attraversare la membrana per trasporto passivo o attraverso un trasporto attivo che utilizza pompe oppure proteine trasportatrici. I canali, come anche le pompe e le altre proteine permettono il passaggio a molecole apolari, come il glucosio, che non potrebbero da sole attraversare la membrana.

Diffusione facilitata

Nel caso della diffusione facilitata, che è un tipo di trasporto passivo perché non usa energia, le proteine carrier, oltre ad essere selettive, vanno incontro a saturazione. Cosa si intende per saturazione: la quantità di sostanza che attraversa la membrana aumenta all'aumentare della differenza di concentrazione tra i due lati soltanto fino ad un determinato valore di differenza, oltre la quale non può aumentare ulteriormente. Infatti, superato un certo livello di concentrazione (soglia), tutte le proteine trasportatrici sono occupate e la sostanza da trasportare rimane nell'ambiente di provenienza. Il canale è saturato, non può legare altre sostanze per il passaggio, è pieno.

Proteine trasportatrici

Le proteine trasportatrici per funzionare correttamente devono avere delle caratteristiche importanti:

• Specificità: ciascuna proteina trasportatrice è predisposta per operare solo su determinate sostanze e non su altre.
• Saturazione: l'intensità del flusso della sostanza trasportata attraverso la membrana aumenta al crescere della sua concentrazione ma non può superare un valore massimo (Fmax) che esprime il livello al quale la capacità di trasporto delle molecole trasportatrici è saturata.
• Competizione: se due sostanze affini vengono trasportate utilizzando la stessa proteina trasportatrice, il trasporto dell'una tende a deprimere il trasporto dell'altra (inibizione competitiva).

Trasporto del glucosio

Un esempio di una proteina deputata alla diffusione facilitata è la GLUT1 (Glucose Transporter 1) che è utilizzata per il trasporto del glucosio tra l'interno e l'esterno della cellula, quindi tra citoplasma e liquido interstiziale. È bene dire che il glucosio è una delle molecole maggiori utilizzata per l’attività metabolica della cellula, quindi tipi di cellule diverse esprimeranno anche altri recettori per il glucosio. I carrier GLUT sono proteine che hanno 12 domini trasmembrana e sono specifici per la forma D del glucosio. Riconoscono oltre al glucosio anche il D-mannosio e il D-galattosio.

Secondo il modello più accreditato, il trasportatore del glucosio possiede due stati conformazionali E1 e E2. Lo stato E1 lega ai siti di legame i substrati rivolti verso l'ambiente esterno; lo stato E2 rivolge i suoi siti di legame verso l'ambiente interno. Dunque, quando avviene il legame del glucosio con il sito E1, per esempio, che è aperto verso l'esterno, questo si chiude e si apre la porzione intracellulare E2 che fa entrare il glucosio nella cellula. Questo appena analizzato è un esempio di uniporto: una sola molecola passa da un lato all'altro della membrana, in una sola direzione.

Nell'ambiente intracellulare le concentrazioni di glucosio sono molto inferiori rispetto a quelle all'esterno. Queste concentrazioni di glucosio nella porzione intracellulare sono mantenute basse anche perché enzimi come l'esochinasi trasformano il glucosio in glucosio-6-fosfato, che invece non è riconosciuto dal trasportatore. Una volta che il glucosio si è staccato, entrando nella cellula, il sistema di trasporto scarico può riconvertirsi nella conformazione E1 e riprendere così il ciclo di trasporto.

Trasporto attivo

Il trasporto attivo può anch'esso avvenire per mezzo di carrier, e può essere primario o secondario. Si definisce attivo perché utilizza l'ATP per muovere le molecole contro il gradiente di concentrazione.

• Se l'energia deriva direttamente dall'ATP è detto trasporto attivo primario (diretto). La pompa utilizza essa stessa l'ATP per funzionare. Un esempio è la pompa sodio-potassio importante per il funzionamento di nervi e muscoli.
• Se il movimento delle molecole tramite carrier usa l'energia potenziale accumulata nel gradiente di concentrazione di un secondo substrato abbiamo un trasporto attivo secondario (indiretto). Un esempio è il trasporto sodio-glucosio nell'intestino.

Tutte le molecole che funzionano da trasporto attivo sono ATPasi, cioè dipendono dall'ATP per funzionare: lo idrolizzano in adenosina difosfato e liberano un gruppo fosfato. Esistono 4 classi di proteine di trasporto ATP-dipendenti, dette anche pompe. Queste sono dei veri e propri enzimi detti ATPasi. Esse sono:

1. Le pompe di classe P sono costituite da 2 peptidi, alfa e beta, che passando in uno stato fosforilato si attivano.
2. Le pompe di classe F e V non danno origine ad intermedi fosforilati, ma aprono un canale dopo l'idrolisi dell'ATP.
3. Le pompe ABC hanno 4 domini di cui 2 trasmembrana e 2 citosolici leganti l'ATP che accoppiano l'idrolisi dell'ATP al trasporto del soluto. In certe ABC, i domini sono presenti come subunità separate mentre in altre risultano fusi in un singolo polipeptide.

La pompa del calcio

Alcuni carrier muovono un solo tipo di molecola, questo è l'esempio della pompa del calcio (Ca²⁺). Questa pompa è anche detta calcio-ATPasi e utilizza l'idrolisi dell'ATP per il movimento degli ioni calcio. Esistono 2 tipi di pompe per il calcio:

• PMCA: utilizzata per espellere all'esterno della cellula il calcio attraverso la membrana cellulare.
• SERCA: importante per liberare il calcio che sta nel reticolo sarcoplasmatico (muscoli)/endoplasmatico.

In base a dove ci troviamo abbiamo i due tipi differenti: la pompa calcio PMCA si trova nei neuroni, nel muscolo scheletrico e nel cervello; la pompa calcio SERCA si trova nel muscolo cardiaco.

La pompa sodio-potassio

Altri carrier muovono 2-3 diversi tipi di molecole. Nel trasporto attivo, se due molecole sono trasportate ai lati opposti si chiama antiporto; se le due molecole sono trasportate contemporaneamente nella stessa direzione abbiamo il simporto. Un esempio di pompa che trasporta ioni diversi in direzioni diverse è la pompa sodio-potassio che trasporta 3 ioni sodio fuori dalla cellula e 2 ioni potassio dentro la cellula.

Nella sezione intracellulare la pompa lega 3 ioni sodio, quando c'è questo legame sul sito di legame, si attiva l'idrolisi dell'ATP intracellulare. La pompa cambia conformazione rilasciando gli ioni sodio all'esterno della cellula. Rilasciando il fosfato, lega 2 ioni potassio all'esterno della cellula, cambia di nuovo conformazione e rilascia i due ioni potassio all'interno della cellula. Una volta liberato dentro, si ritorna al ciclo iniziale. Tutto ciò è fondamentale per mantenere costante il potenziale elettrico della membrana e per muscoli e neuroni.

Simporto sodio-glucosio

Se il movimento delle molecole tramite carrier usa l'energia potenziale accumulata nel gradiente di concentrazione di un secondo substrato è un trasporto attivo secondario (indiretto); come avviene per il trasporto del sodio-glucosio nell'intestino. Il trasportatore utilizza l'energia accumulata per il trasporto di un substrato. Il carrier lega il sodio e utilizza l'energia generata da un'altra pompa, come quella sodio-potassio, per legare anche il glucosio. Il carrier trasporta nella cellula il sodio e contemporaneamente anche il glucosio, anche contro gradiente ma senza consumo diretto di energia. Questa pompa funziona senza utilizzo di energia perché sfrutta l'energia prodotta dal funzionamento di un'altra pompa.

Trasporto vescicolare

Il simporto sodio-glucosio nell'intestino avviene attraverso una proteina specifica detta SGLUT (Sodium-dependent Glucose Transporter). Ci sono poi macromolecole (grandi) proteiche come ormoni, neurotrasmettitori, enzimi che non possono utilizzare le pompe o la diffusione. Il loro trasporto è di tipo vescicolare.

Il trasporto vescicolare è detto esocitosi se avviene dall'interno verso l'esterno; è detto endocitosi se avviene dall'esterno verso l'interno.

• Esocitosi: la molecola è contenuta in vescicole nel citoplasma. Un segnale (generalmente l'aumento della concentrazione intracellulare di calcio) provoca la fusione della membrana della vescicola con la membrana cellulare, la vescicola si apre verso l'esterno e rilascia la molecola.
• Endocitosi: la molecola si lega a specifici recettori presenti sul lato esterno della membrana cellulare, l'interazione molecola-recettore provoca un ripiegamento della membrana verso l'interno, fino a che una vescicola, contenente la molecola, si stacca dalla membrana nell'ambiente intracellulare.

Potenziale di membrana

Dopo aver capito i meccanismi attraverso i quali le molecole e gli ioni entrano ed escono, bisogna sapere che la loro distribuzione tra il citoplasma e il liquido interstiziale è differente:

• Nessuna specie ionica è in uno stato di equilibrio chimico.
• La membrana cellulare impedisce la libera diffusione di soluti polari.
• Il disequilibrio chimico è mantenuto dal trasporto attivo di pompe ioniche, soprattutto la pompa sodio-potassio che è continuamente attiva espellendo ioni sodio e immettendo ioni potassio.

La membrana infatti costituisce una barriera che si oppone al passaggio di sostanze a causa della sua struttura lipofilica. Il disequilibrio chimico e le proprietà biofisiche della membrana sono responsabili di un disequilibrio elettrico: gli ioni in soluzione trasportano una carica elettrica, quindi gli ioni positivi tenderanno a muoversi verso una regione carica negativamente, in questo caso l'interno della cellula, e gli ioni negativi tenderanno a muoversi verso una regione carica positivamente, in questo caso l'esterno della cellula.

Il disequilibrio elettrico sta alla base della normale funzionalità di cellule muscolari e neuroni, quindi è una loro caratteristica. I materiali che consentono il movimento di particelle cariche, come le soluzioni ioniche, sono detti conduttori. I liquidi intra- ed extracellulari sono soluzioni ioniche. La membrana cellulare a struttura lipidica è invece un isolante, che non consente il passaggio di specie ioniche.

La separazione di specie ioniche attuata dalla membrana cellulare determina una separazione di cariche elettriche tra i suoi due versanti, determina cioè una differenza di potenziale elettrico. La differenza di potenziale di membrana può essere misurata utilizzando dei piccoli microelettrodi che possono penetrare nella cellula. Si può utilizzare un voltmetro che misura il voltaggio. Se uso due elettrodi e li metto nel liquido extracellulare non si registra nessuna differenza di potenziale; ma se sposto uno dei due all'interno vedo tra i due versanti una differenza di potenziale, con l'interno della membrana carico negativamente rispetto all'esterno.

Questa differenza di potenziale (tra i -50 e i -90 mV) è definita potenziale di riposo della membrana cellulare ed è presente nelle membrane di tutte le cellule dell'organismo. Il potenziale di membrana è una conseguenza della separazione di cariche positive e negative sulle due facce della membrana cellulare. E dipende dalla differente permeabilità del...