Fisiologia

Fisiologia - 1ª parte del corso

Anno accademico 2019-2020

Prof.sse Tesi e Colombini

Password moodle: fisiobiotec20 (B016803)

Libri: Fisiologia umana - Fondamenti ed. Edi-Ermes; Stanfield Fisiologia ed. Edises; Silverthorn Fisiologia umana ed. Person

Trasporto di membrana

Le cellule eccitabili sono in grado di generare segnali, raccogliere informazioni e produrre altrettanti segnali da trasmettere alle cellule successive. Le membrane sono un'interfaccia che costituiscono uno scambio di informazioni tra interno e esterno della cellula. A livello membranoso si mantengono scambi di informazioni.

La membrana è una struttura estremamente dinamica, un film di lipidi con proteine e altro materiale. Passando tante informazioni, mantiene contemporaneamente anche la forma della cellula. Questo rende possibile creare microambienti in cui termodinamicamente si ha un contenuto energetico superiore a quello ambientale, che si pareggia con la morte dell’organismo. L’energia dell’organismo tende quindi ad andare verso uno stato energetico minimo, in equilibrio con l’ambiente. Per mantenere questo livello energetico c'è solo una possibilità, fornendo energia. Mantenere la composizione, forma, temperatura e via dicendo è possibile perché continuamente il nostro sistema termodinamico perde energia, ma viene fornita continuamente con vari meccanismi.

Bilancio idrico

Il mantenimento del bilancio idrico è uno di questi fenomeni. La vita si basa sull’acqua e le membrane sono fatte con una composizione più o meno variegata da specie a specie, di acqua sempre costante. La composizione umana dell’acqua è quasi il 50-70% del peso corporeo, con differenze di genere, e anche con l’età, i bambini hanno una composizione maggiore degli adulti e degli anziani a sua volta. Si parla del TBW (total body water).

L’acqua è distribuita innanzitutto tra il compartimento extracellulare (LEC) e intracellulare (LIC), detti rispettivamente (1/3) e (2/3). Il liquido extracellulare si divide in interstiziale che riempie tutti gli spazi cellula-cellula e un liquido specializzato, detto plasma, che riempie tutto il sistema circolatorio fatto dal sangue.

In un uomo giovanile di 70 kg il TBW è circa 42 L, il LIC è circa 28 L, 14 L il LEC. Tutti i compartimenti dell’organismo sono in stretta comunicazione grazie a flussi di materia, acqua, componenti, ioni e molecole anche più grandi come il glucosio. È importante che siamo in composizione di equilibrio stazionario, ovvero che se tutto è normale e tutto va bene, ciò che perdiamo viene reintegrato, se si perde acqua, si riacquista, generando scambi in tutti i compartimenti dell’organismo. Organi come il rene vedono questi scambi alla base dell’organo.

È molto interessante la composizione dei liquidi. Siamo di fronte a un’altra grande funzione organica. Abbiamo una composizione altamente selettiva, frutto di un processo decisionale che ha fissato dei parametri che devono rimanere fissi in valori. Sono fondamentalmente composizioni ioniche direttamente correlate alla capacità di generare segnali di vario tipo.

LEC e LIC

Per vedere la differenza tra LEC (interstiziale e plasma) e LIC immagino di vedere la prima cellula formata in mare. Il mare è una soluzione salina al 30% circa di NaCl, simile alla soluzione fisiologica. La composizione del LEC è fondamentalmente infatti di sodio cloruro, equivalente tra liquido interstiziale e plasma. Anioni e proteine sono nel plasma e LIC ma non nel liquido interstiziale. Il LIC è molto diverso, il sodio è molto basso, così anche la concentrazione del cloro, nella cellula la specie ionica positiva del sodio è sostituita dal potassio, in concentrazione più o meno equivalente alla concentrazione del sodio nel LEC. Chi bilancia il potassio non è il cloro. Tutte le soluzioni per motivi termodinamici hanno cariche negative pari a 0, per cui il potassio deve essere bilanciato, nel LIC è lo ione HCO₃^-, il tampone bicarbonato, presente anche in parte nel LEC. Ma soprattutto nel LIC le cariche positive del potassio sono bilanciate dalle proteine e dagli anioni, scarsissimi nel LEC, abbondantissimi nel LIC. Termodinamicamente è un sistema che non avrebbe ragion d’essere se non grazie a vari meccanismi di mantenimento.

L’equivalenza è il prodotto tra moli e numero di valenza, 1 mM di Ca²⁺ corrisponde a 2 mEq. Quando parliamo delle concentrazioni dei vari composti nel LEC e LIC è sempre mM. Il potassio nel LIC è 140 mM e 4 mM nel LEC, il sodio è 15 mM nel LIC e 145 mM nel LEC. Il cloro è circa 4 mM nel LIC e 115 mM nel LEC, in analogia con il sodio. Le proteine sono in concentrazione di circa 4 mM nel LIC e nessuna nel LEC perché sono libere e non misurabili effettivamente. Lo ione calcio ha una concentrazione che è disposta nello stesso modo con cui è disposto il sodio. Molto abbondante nel LEC e poco nel LIC, per cui è circa meno di 0,001 mM nel LIC e 1,8 mM (solitamente tra 1 mM e 2 mM) nel LEC. Il cloro quindi è un gradiente di concentrazione disposto in analogia di direzione con il calcio, ma in concentrazioni nettamente diverse. Il pH nel LEC è circa 7,4, e intorno al 7,1 nel LIC.

La differenza tra plasma e liquido interstiziale risiede prevalentemente nelle proteine, in particolare albumina, il resto è molto simile.

Le necessità energetiche della cellula dipendono e sono soddisfatte dai trasporti di membrana, richiedendo un continuo apporto di costituenti veri e propri e anche di energia sotto forma di ATP. Un continuo ricambio di costituenti è fondamentale, anche ciò che riguarda la composizione delle membrane con normale turnover. I meccanismi suddetti vedono il superamento dell’interfaccia, sia energia indipendenti (che sfruttano altri gradienti) o energia dipendenti (che sfruttano energia come ATP). I primi saranno diffusioni passive, semplici e facilitate, detti passivi oppure trasporti attivi come attivi primari, cotrasporti e controtrasporti.

Energia e flussi di membrana

Questo passaggio di membrana avviene, se in forma passiva, secondo l’equazione generale di un flusso, l’intensità del flusso è proporzionale alla forza che lo genera, indipendentemente da che tipo di forza sia. È una forza detta driving force: F=k·X. La direzione della forza che spinge è sempre dalle regioni dove l’energia è maggiore a quelle con energia minore. Sono in questo caso forze chimico-fisiche. Questa forza può essere anche elettrica, perché si parla spesso di ioni, generando il classico potenziale di membrana. Di solito questi gradienti si combinano, generando una combinazione di forze, generando un gradiente detto gradiente elettrochimico.

Quindi attraverso una classica membrana si può avere passaggio di due specie, generando un equilibrio, sempre di tipo dinamico, per cui il flusso netto attraverso la membrana a riposo è pari a 0, non tanto che non passa niente, ma tanto passa da destra a sinistra e tanto passa da sinistra a destra. È presente un flusso netto quando una delle due specie è in maggior concentrazione. Questo termine di energia chimica in generale è detto energia libera che in ogni energia c'è in un soluto generica e proprio perché in quella soluzione ha una determinata concentrazione, si può attribuire una energia libera G proporzionale secondo la funzione logaritmo alla concentrazione del solutodettastesso secondo due costanti, R, costante dei gas e un valore T, temperatura assoluta, non costante in assoluto, ma costante in una reazione.

Se tra due punti di una reazione esiste una differenza di concentrazione di un determinato soluto, avremo anche un gradiente di energia libera che fa sì che il soluto si sposti là dove l’energia è maggiore a là dove l’energia è minore. ΔG=RT·ln[S1] - RT·ln[S2] e per la proprietà dei logaritmi, ΔG = RTln([S1]/[S2]).

È il processo che guida la diffusione semplice in stato ipotetico di assenza di membrana. Il soluto si sposta nell’ambiente da dove c’è di più a dove c’è di meno, è causato da una serie di eventi probabilistici. Tutte le particelle sono in uno stato di agitazione termica, ovvero la temperatura conferisce un livello energetico alle molecole di ogni materia. Ogni molecola si agita urtando le molecole che gli stanno intorno. Quando non succede niente è perché l’insieme di queste agitazioni molecolari, tanto si sposta dal lato 1 al lato 2 e viceversa. Se però da uno dei due lati c’è una maggior concentrazione, è maggiore la probabilità del passaggio di molecole dal lato a maggior concentrazione a quello a minor concentrazione.

Quindi esiste un flusso diffusionale netto se c'è differenza di concentrazione e non si usa energia metabolica, ma l’energia dell’ambiente. Esiste secondo una costante di diffusione K_d che indica una maggiore o minore facilità di questo scambio, sicuramente in base alla concentrazione, ma anche alle dimensioni e anche alle caratteristiche chimico-fisiche del solvente. F_d = K_d (C1-C2) K, costante di diffusione K_d la possiamo sviluppare, in termini che indicano lo spostamento. Si parla della costante di Boltzman che quando moltiplicata a T dà l’energia cinetica, elemento che favorisce lo spostamento di materia, velocizzandolo.

Ci sono anche termini che rallentano il processo, il r, raggio della particella (6πr) e un termine η, viscosità del solvente. K_d = kT/(6πr·η)

La diffusione però non avviene in un sistema aperto, ma attraverso una membrana. Dovremo modificare il processo diffusionale in relazione alla membrana. Rimangono veri tutti i fondamenti, non si usa energia, si usa quindi energia ambientale già presente. Quindi le molecole vanno sempre dalla maggior concentrazione alla minor concentrazione, avrà un inizio e una fine, un equilibrio, e la diffusione sarà maggiore in maggior concentrazione, per la temperature e la distanza delle soluzioni.

Legge di Fick

Dobbiamo però tener conto della membrana. La formalizzazione dell’equazione riguarda la legge di Fick per cui la K_d viene indicata come D e sempre comunque calcolata come la formula sopra. La membrana ha un comportamento dinamico e fluido ma ha anche una serie di fattori quali sensori, canali, trasportatori e altro. Se c'è la membrana è lei a decidere chi passa o non passa e le velocità, a che temperatura e via dicendo.

Se il componente maggiore della soluzione in cui è immersa la membrana è l’acqua, questa non passa per la membrana, perché è polare, gli ioni non passano e questo per la legge che il simile lega il simile, per cui gli ioni amano ambienti acquosi, mentre componenti apolari ricercano ambienti oleosi idrofobici.

Abbiamo un soluto carico nel liquido intra o extracellulare, ma non il salto di solubilità contro le barriere chimiche termodinamiche basilari. Lo fanno quelle molecole apolari che stanno bene in materiale apolare lipidico come le membrane e anche i gas. Il resto sarebbe escluso per dimensioni e natura chimica o polare alla diffusione tramite membrana. Questo inoltre vede anche una maggior complicazione se la membrana è più o meno spessa. La membrana quindi ci mette molto del suo nel passaggio di soluti.

Se le molecole passano liberamente dalla membrana, passano secondo i gradienti di concentrazioni normali e passano liberamente tanto più grande è la superficie di membrana e tanto più piccolo ne è lo spessore. L’ostacolo maggiore è però il fattore che viene chiamato resistenza della membrana, β. Quindi si parla della velocità di diffusione V_d della membrana, modulato in particolare dalla resistenza di membrana.

Il valore indicato sotto come (D·β·A)/Δx è la permeabilità. V_d = [(D·β·A)/Δx]·ΔC.

I fattori che determinano la permeabilità (D·β·A)/Δx dipendono dalle dimensioni delle molecole e la propensione delle molecole a fare il salto di solubilità nell’andare dall’ambiente acquoso a quello lipidico e ancora dal lipidico all’acquoso per attraversare la membrana. Questo salto di solubilità la maggior parte delle molecole non lo farebbe mai. Questo si misura con un coefficiente di ripartizione olio-acqua.

Risponde alla domanda, “dato un certo soluto, preferisce stare in olio o acqua?” Si usano dei contenitori in cui separati da un diaframma si possono mettere acqua e olio. Si mette un soluto in una determinata concentrazione in uno dei due lati, si leva il diaframma e si misura la concentrazione di soluto in acqua o nelle goccioline di olio. Si ricava un coefficiente di ripartizione, per esempio 0,1 significa una ripartizione 1:10, per cui per 10 molecole che stanno in acqua, una sta in olio. Oppure 0,001 significa che per 10.000 molecole che scelgono acqua, una sta in olio. Un coefficiente alto ce l’ha l’uretano (0,1), polare ma molto piccolo, mentre il glicerolo è meno di 0,001 perché è molto polare. Anche le dimensioni sono influenti, il metanolo è molto più efficiente nel passaggio rispetto ad esempio al dietilurea perché il primo è molto piccolo, questo è molto grande.

Le vitamine idrosolubili ad esempio non passerebbero mai per la membrana, eppure vengono assorbite dagli enterociti, per cui ci sono in membrana una serie di trasportatori.

• I gas e l'etanolo (molecole piccole polari) passano facilmente
• L'acqua e l’urea non passerebbero ma hanno dei meccanismi particolari
• Molecole polari grandi, ioni e molecole con cariche non passerebbero se non grazie ai trasportatori di membrana

Questi sono proteine inserite nel doppio strato fosfolipidico. Queste proteine di membrana costituiscono in gran parte i trasportatori, vie che permettono il passaggio selettivo attraverso la membrana. Costituiscono dei veri pori. La membrana infatti è apolare e idrofobico, per cui si deve realizzare dei micro-ambienti idrofili attraverso la membrana e si formano con queste proteine di membrana con doppia natura, una regione idrofobica a contatto con i lipidi della membrana e una regione interna idrofila. Questo posizionamento avviene spontaneamente per la solita regola termodinamica del simile cerca il simile. Per cui la ragione idrofobica cerca il suo simile nel doppio strato lipidico, disponendo la parte idrofila a contatto con la soluzione acquosa.

Sono molecole che si dispongono così perché in questo modo hanno una condizione di minima energia libera possibile. Tutte le proteine di membrana sono fatte così, in più hanno due lati idrofili per guardare il versante intra e extra cellulare della membrana. Può variare la costituzione delle proteine, in base ai domini che la formano, ma in generale lo schema è sempre lo stesso.

Le acquaporine rendono possibile il passaggio di acqua. L’acqua è l’elemento fondamentale, che passa per le membrane proprio grazie a questi trasportatori. Le acquaporine nello specifico hanno tante alfa eliche con varie suddivisioni in 4 subunità. Ognuna ha un poro centrale che attraversa la membrana. Quella umana è l’isotipo AQP1 con le 4 subunità.

Trasporto passivo

Osmosi (1ª lezione a distanza)

I flussi osmotici, i flussi di acqua o solvente seguono le stesse leggi che seguono i processi diffusionali, l’acqua si sposta dal lato dove l’energia libera è maggiore a quello dove l’energia libera è minore. Per cui passa dal lato a concentrazione maggiore, per cui con minor concentrazione di soluti, al lato in cui l’acqua è a concentrazione minore e quindi i soluti in concentrazione maggiore. I flussi osmotici sono flussi di solvente di grande entità rispetto ai flussi di soluto.

Determinano quindi una modificazione importante di volume e dell’altezza della colonna idrostatica del compartimento dove essi sono diretti, che è quello dove i soluti sono maggiormente concentrati (minor concentrazione di acqua). L’equilibrio si ha nel caso dei tubi a U, molto prima che si raggiunga l’equilibrio di concentrazione. La differenza dell’altezza della colonna idrostatica è una differenza di pressione osmotica che è la misura della differenza della pressione. In questo modo l’acqua si muove fino a che la concentrazione dei soluti da entrambi i lati della membrana non diventa uguale, oppure fin tanto che non si instaura una forza opposta in grado di impedire ulteriori movimenti.

In un sistema quindi come quello precedente, l’acqua continuerà a confluire dalla camera con minor concentrazione di soluto a quella a maggior concentrazione, fin tanto che l’energia potenziale della colonna idrostatica più alta non uguaglia la differenza di energia libera associata alla differenza di concentrazione. La pressione esercitata dalla differenza in altezze delle colonne di liquido (o dal pistone) è definita pressione osmotica π.

I processi osmotici come appena descritti avvengono in modo ideale, membrane semipermeabili, permeabili a solventi e impermeabili a soluti, e le pareti dei compartimenti indeformabili. La situazione reale in cellule e membrane plasmatiche è molto diversa, soprattutto nelle cellule animali che presentano membrane molto deformabili, permeabili in generale e moltissime specie di soluti.

Il valore della pressione osmotica π si calcola come il prodotto tra la costante dei gas R, la temperatura assoluta T e la differenza di concentrazione del soluto: π=RT(C₂-C₁)

Per la generazione di flussi osmotici i gradienti di concentrazione dei soluti che contribuiscono devono essere corretti per un valore che viene identificato come il grado di permeabilità residua, detto coefficiente di riflessione (σ) del soluto per la membrana, valore che può essere assunto tra 1 e 0. Se un soluto è 100%