Fisiologia

Fisiologia

Dal greco discorso sui fenomeni naturali, la fisiologia animale è stata definita da Schmidt-Nielsen come "the study of how animals work", che studia la struttura e la funzione delle diverse componenti degli organismi animali e come tali componenti lavorano insieme.

Trasporti di membrana - diffusione semplice

I soluti sono diversamente distribuiti all'interno e all'esterno delle cellule: Na⁺ e Cl^- sono i principali osmoliti del liquido extracellulare, mentre K⁺ e le molecole organiche sono i principali osmoliti del liquido intracellulare. La distribuzione asimmetrica dei soluti e la permeabilità selettiva della membrana sono alla base della fisiologia della cellula.

All'interno della membrana cellulare, la concentrazione rispettiva di Na⁺ e K⁺ è di 12 e 140 mM, mentre all'esterno, nel liquido interstiziale, è di 145 e 4 mM. Perché il liquido intracellulare “preferisce” il K⁺ rispetto al Na⁺?

• Gli ioni K⁺ rendono l'acqua meno “densa” (sono caotropi) e quindi più compatibile con l'elevata concentrazione di soluti intracellulari. Inoltre, sono più compatibili sia con la struttura sia con la funzione delle proteine citosoliche.

I processi fisiologici all'interno di un organismo animale coinvolgono scambi di acqua e soluti attraverso le membrane plasmatiche delle cellule. Intervengono, per esempio, nella regolazione delle concentrazioni ioniche intracellulari/extracellulari, nella regolazione della composizione plasmatica, nella regolazione dell'assorbimento di nutrienti, ecc.

Classificazione

• Diffusione semplice: è un movimento di molecole da un’area a più alta concentrazione verso un’altra a concentrazione più bassa, che utilizza l'energia cinetica intrinseca alle molecole (moto Browniano). La differenza di concentrazione tra le due aree è il gradiente di concentrazione (ΔC).

Diffusione per le molecole non cariche

La diffusione usa energia cinetica del movimento molecolare e non richiede una fonte di energia esterna. Le molecole diffondono da un'area a più alta concentrazione a una a meno. La diffusione continua fino a che le concentrazioni raggiungono l'equilibrio. Il movimento molecolare, però, continua anche dopo che l'equilibrio è stato raggiunto.

La diffusione è più rapida in presenza di gradienti più elevati, distanze brevi, temperature elevate e molecole piccole. Può aver luogo in un sistema aperto o attraverso un elemento di separazione dei due sistemi.

Trasporto tra due compartimenti separati da membrana, legge di Fick

J = flusso (velocità di diffusione), D = coefficiente di diffusione, x = spessore della membrana, A = area della superficie di scambio, C1-C2 = gradiente di concentrazione ai lati della membrana. La stessa legge la vediamo descritta rispetto al sistema cellula-membrana cellulare.

Le variabili che influenzano la velocità di diffusione sono il gradiente di diffusione e la permeabilità di membrana:

• Quando l’area di scambio per la diffusione dell’O₂ diminuisce (es: enfisema polmonare), diminuisce la velocità di diffusione verso i capillari polmonari, essendo direttamente proporzionale alla velocità.
• Quando lo spessore della membrana alveolo-capillare aumenta (es: edema polmonare), diminuisce la velocità di diffusione dell’O₂ verso i capillari polmonari, essendo inversamente proporzionale.

Esempi

• Sistema digerente, assorbimento dei nutrienti e in particolare degli acidi grassi a catena corta (derivati dalla digestione dei trigliceridi), molecole piccole lipofile che utilizzano la diffusione semplice per attraversare la membrana cellulare degli enterociti.
• Diffusione semplice dei gas respiratori (O₂ e CO₂) attraverso le membrane delle cellule alveolari e successivamente attraverso le membrane delle cellule endoteliali dei capillari polmonari.

Trasporto mediato da proteine di membrana

Per molecole di tipo polare o specie cariche (ioni) che non possono attraversare la membrana attraverso la diffusione semplice ma necessitano di proteine di membrana o carriers. Il trasporto può essere passivo, ossia seguire il gradiente chimico o elettrochimico (trasporto facilitato), oppure le molecole si spostano contro gradiente (trasporto attivo).

Il canale è un semplice poro acquoso che possiamo considerare aperto da entrambi i lati di membrana, quindi caratterizzato da alta velocità di trasporto (trasporto facilitato). I carriers sono proteine che funzionano come enzimi, cioè dopo il legame con il loro substrato cambiano di conformazione e possono essere aperte verso un solo lato della membrana, e in questo loro cambio conformazionale mediano il trasporto dentro o fuori dalla cellula (sia facilitato ma anche attivo).

Le proteine canale

• Sono formate da varie subunità proteiche transmembrana che delimitano il poro acquoso. Ogni cellula ne possiede un corredo ampio e diversificato secondo le sue specifiche funzioni.
• Si possono classificare in canali ionici, acquaporine per il trasporto di acqua o acquagliceroporine per acqua, glicerolo, urea, gas.

Tutti i canali mostrano due proprietà comuni: selettività e gating.

• Gating: meccanismo che regola le transizioni conformazionali del canale tra lo stato chiuso e lo stato aperto.
• Selettività: proprietà del canale di selezionare la specie che lo attraversa. È data dal diametro del poro e dalla carica elettrica degli amminoacidi che rivestono il canale.

Nelle acquaporine abbiamo 6 attraversamenti trans-membrana e 2 emipori che insieme formano il poro completo a omotetramero. Le acquaporine selettive sono coinvolte in processi di:

• Secrezione: trasporto transepiteliale di acqua verso il lume di un organo in risposta a gradiente osmotico.
• Assorbimento: trasporto transepiteliale di acqua verso l'interstizio di un organo in risposta a gradiente osmotico.
• Idratazione cutanea: trasporto del glicerolo e ritenzione idrica nell'epidermide.
• Proliferazione cellulare: trasporto intracellulare di glicerolo per le necessità metaboliche.
• Metabolismo degli adipociti: trasporto extracellulare di glicerolo dagli adipociti, regolazione di accumulo di lipidi.

Mutazioni nella sequenza delle acquaporine sono alla base di patologie definite "acquaporinopatie" (es: diabete nefrogenico insipido, neuromielite ottica).

I canali ionici

• Sono presenti su tutte le membrane cellulari e sono coinvolti in vari processi basati su variazioni di potenziale e sulla trasduzione del segnale.

Anche in questo caso ritroviamo le proprietà di selettività e gating:

• Selettività: capacità di un canale ionico di selezionare gli ioni che lo attraversano, dipende da filtro di selettività, struttura molecolare ed elettrostatica di una regione del poro, detta raggio anidro/idrato dello ione e il grado di idratazione dello ione.

Esempio:

• Selettività del canale del Na⁺: il poro permette il passaggio del Na⁺ legato a 1 molecola di H₂O e non del K⁺.
• Selettività del canale del K⁺: il filtro di selettività contiene dei gruppi C=O che spiazzano le molecole di H₂O e legano il K⁺ deidrato. Il Na⁺ idrato è troppo piccolo per interagire in maniera ottimale con i gruppi C=O, rimane quindi in forma idrata, di dimensioni superiori al diametro del poro.

Gating: stimoli che regolano l'apertura e chiusura del canale -> canali voltaggio dipendenti quindi controllati dal potenziale, controllati dal legame con un agonista (recettori-canale), canali meccanici come stiramento elastico o tensione, o canali modulati da un evento di trasduzione del segnale come la fosforilazione -> a seguito di un segnale possiamo avere la ridistribuzione delle cariche e determina un cambiamento conformazionale del canale.

Proteine canale intracellulari

• Sono le gap junction, canali transcellulari che mettono in comunicazione due membrane cellulari diverse. Formate da 2 emicanali o connessioni in cui ognuno rappresenta un esamero di 6 subunità di connessina e ogni connessina presenta 4 attraversamenti di membrana.

Carriers

• Passaggio aperto su un lato -> stadio intermedio con entrambi i cancelli chiusi -> passaggio aperto sull'altro lato.

Diversa classificazione dei carriers a seconda che si leghino a uno o più substrati e alla direzione del flusso: uniporto, simporto e antiporto.

Saturazione: nel trasporto mediato da carriers la velocità di trasporto è proporzionale alla concentrazione di substrato fino a quando tutti i trasportatori sono saturati (Vmax) -> la velocità di trasporto può essere modulata modificando il numero di trasportatori in membrana.

Specificità: capacità di trasportare solo un tipo di molecole o molecole simili (es: trasportatori della famiglia GLUT sono specifici per i monosaccaridi a 6 atomi di C, come glucosio, galattosio, fruttosio, ma non per i disaccaridi come il maltosio).

Competizione: di substrati simili per gli stessi siti di legame sulla proteina di trasporto (es: trasportatori della famiglia GLUT hanno maggiore affinità per il glucosio rispetto al galattosio, che rappresenta quindi un inibitore non competitivo).

Trasporto attivo primario

Svolto da atpasi ossia proteine di membrana che utilizzano l'idrolisi dell'ATP per mediare un trasporto contro gradiente di concentrazione o gradiente elettrochimico -> uniporti o antiporti.

Esempio:

• Pompa sodio-potassio trasporta 3 ioni Na⁺ verso l'esterno e 2 ioni K⁺ verso l'interno (antiporto) contribuendo a mantenere i gradienti ionici di Na⁺ e K⁺: all'inizio del ciclo 3 ioni Na⁺ interni si legano alla pompa -> l'ATP fosforila il sito intracellulare e conferisce energia chimica -> cambio di conformazione -> rilascio 3 ioni Na⁺ all'esterno e legame di 2 ioni K⁺. Nello stato defosforilato la pompa cambia nuovamente conformazione e rilascia i 2 ioni K⁺ all'interno.

Ca²⁺ ATPasi di membrana (PMCA) e del reticolo sarcoplasmatico (SERCA): entrambe trasportano Ca²⁺ contro gradiente e permettono di mantenere bassi i livelli di Ca²⁺ citosolico.

La H⁺/K⁺ ATPasi (pompa protonica) trasporta 4 ioni H⁺ fuori dalla cellula e 4 ioni K⁺ all'interno sfruttando l'energia chimica ottenuta dall'ATP -> siamo nell'epitelio gastrico di una cellula parietale che secerne acido cloridrico nel lume gastrico.

Le ATPasi vacuolari (V-ATPasi) pompano protoni all'interno di lisosomi o altri tipi di vescicole intracellulari, acidificandone l'interno.

La famiglia dei trasportatori ABC (ATP Binding Cassette) media il trasporto attivo di diverse molecole: nei batteri media l'ingresso di amminoacidi, zuccheri e peptidi e l'estrusione di tossine o farmaci; negli eucarioti l'estrusione di fosfolipidi, colesterolo, ormoni steroidici e farmaci.

Trasporto attivo secondario

Proteine di membrana per il trasporto attivo ma non sono atpasi -> sfruttano l'energia cinetica di una molecola che si muove lungo il suo gradiente di concentrazione per spingere altre molecole contro il loro gradiente.

Il gradiente di concentrazione più utilizzato è quello di Na⁺, mantenuto dall'attività della ATPasi Na⁺/K⁺ che continuamente estrude sodio contro gradiente mediante idrolisi di ATP -> il trasporto attivo secondario è sempre accompagnato da uno primario che automantiene il gradiente della specie della molecola su cui si basa il secondario.

Esempi:

• Trasporto Na⁺/glucosio: funziona come simporto permettendo l'ingresso di glucosio dal lume intestinale e dal lume dei tubuli renali verso l'interno dell'organismo.
• Trasporto Na⁺/Ca²⁺: funziona come antiporto permettendo l'estrusione del calcio dalla cellula contro gradiente, mantenendo bassa la concentrazione di calcio intracellulare, in particolare nelle cellule che utilizzano il calcio come segnale.

Osservazioni

• Cosa si intende per raggio anidro/idrato di uno ione? I termini si riferiscono alla dimensione dello ione in forma non idrata ("anidro") o idrata. Sono fattori che determinano la selettività di un canale ionico per quello ione, in quanto il filtro di selettività avrà un certo diametro e determinate cariche elettriche.
• Gli ioni K⁺ rendono l'acqua meno “densa” (sono caotropi). Potrebbe per favore darmi una definizione di caotropi? Gli ioni K⁺ hanno una densità di carica inferiore rispetto agli ioni Na⁺ -> comporta che gli ioni K⁺ sono meno efficienti nell'organizzare l'acqua rispetto agli ioni Na⁺. Infatti, gli ioni K⁺ sono dei water-structure-breaker (cioè caotropi), mentre gli ioni Na⁺ sono water-structuring (cosmotropi). Uno ione caotropo facilita l'inclusione di molti soluti in una soluzione acquosa, soprattutto se in un volume così minimo come quello cellulare. Uno ione cosmotropo invece rende l'acqua più "densa" e quindi meno efficiente nel fare da solvente per un gran numero di soluti. Questo il motivo che spiega la migliore compatibilità degli ioni K⁺ con il mezzo intracellulare.

Soluzione iniettabile endovena

Una soluzione iniettabile deve avere la composizione del mezzo extracellulare e non intracellulare, perché è appunto una endovenosa. Sangue e liquido interstiziale (o extracellulare) hanno composizione elettrolitica identica, si differenziano però per le proteine plasmatiche.

Che cosa capita ad una cellula in cui si blocca l'attività della sodio potassio ATPasi?

I gradienti ionici tra esterno e interno della cellula si annullano, perché il sodio fluirà passivamente all'interno della cellula, attraverso canali aperti, seguendo il suo gradiente elettrochimico, e il potassio fluirà all'esterno. Tali flussi passivi non saranno bilanciati dal trasporto attivo mediato dall'atpasi. Questo avrà due conseguenze principali:

• Annullamento del potenziale di membrana a riposo.
• Annullamento dei trasporti attivi secondari che dipendono dal gradiente del sodio (per esempio assorbimento intestinale e renale del glucosio e degli aminoacidi).

L'omeprazolo è un farmaco che blocca la K⁺/H⁺ atpasi. Perché è utilizzato come antiacido?

La secrezione acida delle cellule parietali gastriche è sostenuta da un trasporto attivo primario, dato dall'atpasi potassio/protoni. Quindi un approccio farmacologico per ridurre la secrezione acida può essere il blocco dell'attività di questa atpasi.

Trasporto vescicolare

Si tratta di un trasporto che utilizza ATP, quindi è un trasporto attivo, e le molecole interessate sono macromolecole che, per le loro dimensioni, non possono utilizzare canali e carriers. Per questo formano le vescicole.

• Fagocitosi ed endocitosi: comporta l'ingresso del materiale nella cellula. Essi si differenziano per dimensione e metodo di formazione vescicolare.
• Esocitosi: se la vescicola viene trasportata fino alla membrana dove si fonde e rilascia il materiale all'esterno attraverso il poro di fusione.

Il processo di fagocitosi è tipico delle cellule del sistema immunitario (leucociti o fagociti) deputati alla rimozione di sostanze estranee e batteri che verranno poi attaccati da enzimi lisosomiali e poi esocitati all'esterno.

La pinocitosi invece prevede la formazione di vescicole di dimensioni minori e quello che viene trasportato sono i fluid droplets, cioè parti di fluido extracellulari contenenti macromolecole come peptidi ed entrano anche alcuni virus.

L'endocitosi selettiva o mediata da endocitosi ingloba il complesso ligando con suo recettore specifico attraverso due modalità:

• Formazione di vescicole rivestite da clatrina -> per far entrare nella cellula ormoni, vitamine, proteine varie, ma anche per spegnere delle vie di segnalazione: se un ligando viene endocitato con un suo recettore, andrà a spegnersi la via di segnalazione ad esso collegata.
• Coinvolgimento di microdomini della membrana detti caveole -> sono invaginazioni di microdomini di membrana specializzata, ricchi di colesterolo e sfingolipidi + caveoline, proteine specializzate nell'interazione con molecole coinvolte nella trasduzione intracellulare -> funzione di compartimentazione del segnale ed endocitosi.

L'esocitosi prevede il trasporto verso l'esterno di proteine sintetizzate nel Golgi (secrezione, costitutiva e regolata), secrezione di neurotrasmettitori nella trasmissione sinaptica, eliminazione di scarti lisosomiali, l'interazione tra proteine presenti sulla membrana delle vescicole e sulla membrana cellulare. Il processo inizia con un aumento della concentrazione del calcio intracellulare.

Gli epiteli hanno la funzione di trasportare sostanze dall'esterno verso l'ambiente interno (assorbimento) o dall'ambiente interno a quello esterno (secrezione). Le cellule degli epiteli di trasporto sono polarizzate con una membrana apicale caratterizzata da orletto a spazzola, microvilli che hanno funzione di aumentare la superficie di contatto con il lume dell'organo per ottimizzare i processi di trasporto; una membrana basolaterale rivolta verso l'interstizio; elevata densità di mitocondri per sostenere i trasporti attivi e giunzioni tra le cellule più o meno strette. Il trasporto attraverso gli epiteli può essere di tipo transcellulare, cioè il passaggio della molecola prima alla membrana apicale e poi a quella basolaterale (se si tratta di assorbimento, nelle secrezioni è il processo inverso).