Fisiologia animale

Fisiologia cellulare

Fisiologia = normali meccanismi di funzionamento degli animali.

Riduzionismo consiste nel tentativo di spiegare i fenomeni biologici in base a leggi fisico-chimiche. Da ciò deriva la tendenza a scomporre l'organismo in parti: organi, tessuti, cellule, componenti subcellulari, molecole. Questo approccio ha avuto molto successo, ma è opportuno ricordare che l'insieme è più delle parti che lo compongono, poiché comprende anche l'interazione tra le parti.

Sistemi

I sistemi possono essere:

• Isolato: non scambia né materia né energia con l’ambiente circostante.
• Chiuso: scambia solo energia, ma non materia, con l’ambiente circostante.
• Aperto: scambia sia materia che energia con l’ambiente circostante.

Il sistema vivente è un sistema termodinamico aperto, che gli permette di permanere in un disequilibrio stazionario. L'organismo è separato dall'ambiente esterno da un insieme di tegumenti; al suo interno invece contiene organi ed apparati. Gli organismi scambiano energia e materia con l'esterno tramite l'apparato digerente, il sistema respiratorio, riproduttivo ed urinario; questi sono tutti collegati tra loro attraverso il sangue, che viene pompato in tutto l'organismo dal cuore.

Sistemi di controllo e coordinazione

Esistono 2 sistemi di controllo e coordinazione:

1. Sistema endocrino: secerne molecole (segnali chimici) che raggiungono e agiscono su cellule o organi bersaglio; i principali prodotti sono ormoni e neuro-ormoni.
2. Sistema nervoso: sono due tipi di comunicazione integri e associati, che permettono di coordinare tutti gli apparati.

Importante è il concetto di omeostasi, ovvero il mantenimento della costanza dell'ambiente interno, che gli permette di differenziarsi dall'ambiente esterno; è massima nei mammiferi.

Modalità di comunicazione tra cellule

La cellula è l’unità funzionale degli organismi viventi; è un’entità definita fisicamente dalla membrana plasmatica, che divide l’ambiente intracellulare da quello extracellulare. Le cellule possono comunicare attraverso varie vie:

• Diretta: via giunzioni gap (struttura proteica complessa, che attraversa le membrane plasmatiche di due cellule adiacenti e le mette in comunicazione per permettere lo scambio di segnali molecolari ed elettrici).
• Autocrina/Paracrina: tra le cellule è presente il liquido extracellulare: una secerne sostanze che permettono sia di autoregolarsi attraverso proteine di membrana, sia di regolare cellule vicine, sempre tramite proteine di membrana.
• Endocrina: comunicazione chimica attraverso la produzione di ormoni; è una comunicazione a distanza, poiché l'ormone viene rilasciato nel circolo sanguigno, per cui può raggiungere organi bersaglio anche distanti.
• Sinaptica: comunicazione tra cellule nervose (neuroni) e altre cellule, che possono essere sia neuroni che cellule somatiche.

I comparti liquidi dell'organismo

Il nostro organismo è una soluzione acquosa, per la maggior parte presente nel citoplasma cellulare (67%) e in minor parte nei compartimenti extracellulaires (33%), tra cui sangue e spazi extracellulari.

Il sangue è una soluzione salina e l'acqua viene utilizzata come solvente per ioni inorganici, tra cui NaCl (poiché proveniamo da organismi marini). Na⁺ è il principale ione presente nel plasma, seguito da Ca²⁺, K⁺ e Cl^- (unico negativo, utilizzato per controbilanciare). Il plasma è circa 3,5 L (8%) ed è separato dai liquidi extracellulari dalle pareti endoteliali dei vasi sanguigni; esistono scambi tra liquidi extracellulari e plasma, grazie alla permeabilità delle cellule endoteliali.

Altra componente del plasma sono le proteine con dimensioni maggiori degli ioni, per cui non riescono a passare liberamente attraverso la membrana delle cellule endoteliali; per questo motivo rimangono all'interno del torrente circolatorio. L’osmolarità del sangue è pari a 300 milliosmoli/L (dovuta al cloruro di sodio).

Il liquido interstiziale rappresenta circa 10 L (25%) ed ha caratteristiche identiche al plasma, come gli ioni, ma non sono presenti le proteine del plasma stesso, perché bloccate dalla rete dei capillari. L’osmolarità è pari a 300 milliosmoli/L (dovuta al cloruro di sodio).

Il liquido intracellulare (citoplasma) è circa 28 L (67%): presenta una maggior concentrazione di K⁺, rispetto a Na⁺. Anche la concentrazione del Ca²⁺ è differente, in quanto si trova in concentrazione molto meno elevata, mentre è alta nelle membrane intracellulari (degli organuli citoplasmatici, in particolare nel REL); infatti la sua esocitosi è indicata come una segnalazione cellulare.

Nel citoplasma sono presenti anche tantissime proteine che hanno dimensioni troppo grandi per uscire dalla cellula per cui rimangono segregate nel citoplasma; sono presenti, inoltre, grandi gruppi fosfato attaccati alle varie sostanze. Il pH è leggermente basico, per cui tutte le sostanze presenti sono considerati come anioni (non essendoci Cl^-) per controbilanciare le cariche positive dei cationi.

Composizione dei liquidi corporei

• L'acqua è la componente più importante.
• I principali ioni inorganici sono Na⁺, K⁺ e Cl^-; più basse concentrazioni di Ca²⁺, Mg²⁺, SO₄^2-, PO₄^3-, e HCO₃^-.
• Contengono numerose molecole organiche come piccole molecole (amminoacidi, glucosio e urea) e proteine.
• Importante proprietà è la concentrazione osmotica, ovvero il mantenimento del volume cellulare.
• La composizione in soluti del compartimento intra- ed extra-cellulare sono molto diverse.

Osmoliti fisiologici: ogni soluto organico o inorganico, la cui concentrazione viene regolata nei processi di mantenimento del volume cellulare; alcuni soluti sono stati selezionati nel comparto intra-cellulare, per utilizzare il mezzo più adatto al mantenimento della struttura e della funzione della cellula. In tutti gli organismi eucarioti, batteri e archea è presente lo ione K⁺ in quantità maggiori del Na⁺, perché ha minore densità ed è più piccolo; ciò non disturba l'organizzazione delle altre molecole, perché ha interazioni con esse molto basse. Se fosse presente Na⁺ al posto del K⁺, molte proteine si denaturerebbero.

L'accumulo selettivo di ioni K⁺, inoltre, può facilitare l'inclusione di più tipi di soluti, a concentrazioni più elevate, nei piccoli volumi delle cellule; il potassio inoltre aiuta la sintesi proteica: se inizialmente aumento leggermente la concentrazione di ioni potassio, questo agevola la sintesi (150 millimoli x L concentrazione ottimale), se aumento troppo invece è dannoso. L'osmolarità del liquido intracellulare è dovuta, oltre al K⁺, anche a 4 gruppi di sostanze:

• Alcoli (polioli, come glicerolo, zuccheri semplici)
• Amminoacidi liberi (come alanina, prolina, glutammato e taurina)
• Composti azotometilati (come TMAO)
• Urea

Membrana cellulare

La membrana cellulare è una barriera per gli scambi di materia, anche se non per tutte le sostanze: lo scambio di ioni ad esempio è regolato da pompe, come quelle Na⁺/K⁺ ATPasiche, ad alto consumo energetico. La membrana è caratterizzata da un doppio strato fosfolipidico, con i fosfolipidi disposti con le code idrofobiche verso l'interno e le teste idrofile verso l'esterno. Funzioni: contenimento, separazione, scambio, trasduzione, interazione e riconoscimento.

In essa sono presenti proteine trans-membrana, che attraversano l'intera membrana permettendo il passaggio di ioni e piccole molecole, creando un ambiente idrofilico; sono sostanze che solitamente non potrebbero attraversare liberamente la membrana. Queste proteine intrinseche sono molecole complesse che attraversano più e più volte la membrana. Le membrane plasmatiche tra loro non sono tutte uguali, ma differiscono sia a seconda del tipo di cellula, sia a seconda della sua funzione.

Esempi di composizione membranale

Le proteine di membrana caratterizzano la struttura delle membrane; possono essere:

1. Strutturali
2. Enzimi
3. Recettoriali
4. Canale e trasportatori

Le proteine canale e i trasportatori

I gas, come N₂ e O₂, sono molecole biatomiche ed elettricamente neutre, mentre la CO₂ è piccola e poco polare; tutte possono, quindi, attraversare facilmente la membrana. Anche piccole molecole organiche apolari, come l'etanolo, possono attraversare. L'acqua è un dipolo e non potrebbe attraversare, ma in realtà ci riesce grazie alle sue piccole dimensioni e la sua bassa polarità; lo stesso vale per l'urea. Tutte le molecole elencate sono interessate da diffusione passiva, senza necessitare di particolari meccanismi, come proteine di membrana o energia, ma mosse per gradiente di concentrazione (es: per l'ossigeno è sempre favorita l'entrata, mentre per l'anidride carbonica è favorita l'uscita); l'acqua invece si muove per osmosi, mentre per grosse quantità d'acqua vengono usate le acquaporine, speciali proteine di membrana.

Grosse molecole, molecole altamente polari, ioni inorganici e molecole del metabolismo cellulare (come le molecole organiche e ATP) vengono respinte.

Tipologie di trasporto

La diffusione passiva (semplice) è il meccanismo più semplice di trasporto, in quanto riguarda il concetto di gradiente di concentrazione. Anche altre molecole polari possono attraversare per gradiente di concentrazione per un meccanismo di diffusione facilitata, ma mediata da proteine di trasporto. Entrambi i processi permettono il passaggio di ioni e molecole per gradiente di concentrazione: si muovono senza consumo di energia e sono processi esoergonici.

Il trasporto attivo, invece, viene utilizzato per trasportare molecole contro gradiente di concentrazione; sono processi endoergonici perché richiedono energia.

I movimento dei soluti attraverso membrana avvengono quindi per:

• Trasporto in forma libera, comprende:
• Diffusione semplice
• Attraverso canali ionici
• Trasporto attraverso legame con i trasportatori, comprende:
• Diffusione facilitata (o mediato passivo)
• Trasporto attivo primario e secondario

Diffusione semplice

La diffusione semplice è una proprietà fisica fondamentale di tutti i processi biologici; costituisce il motore tramite il quale le cellule possono generare segnali. È generata da energia termica (= kT, misurato in joules).

Diffusione di soluti = un flusso molare unidirezionale porta quantità di soluti (in moli), che attraversa un'area unitaria per gradiente di concentrazione nell'unità di tempo. Possono essere calcolati in ogni momento i flussi:

F = n / (N x A x t) moli / cm² x s

Il flusso netto è la differenza dei due flussi.

Legge di diffusione di Fick: j = (C₁-C₂) x D x A/d

Dove:

• j = velocità di diffusione (mol/s)
• C = gradiente di concentrazione (mol/m³); se C₁ = C₂ il flusso è zero
• D = coefficiente di diffusione (m²/s)
• d = spessore (m)
• A = area di superficie (m²)

Il flusso è proporzionale al gradiente di concentrazione; la concentrazione di soluto varia nel tempo con un andamento esponenziale, fino all’equilibrio; in realtà nelle cellule non si raggiungerà mai un equilibrio, perché la diffusione libera energia, necessaria per la cellula.

Diffusione mediante proteine di trasporto (trasporti mediati)

I carriers sono:

• Dotati di specificità
• Soggetti a saturazione: se tutti i carriers legano una molecola, non ne possono portare di più per cui le molecole aspettano
• Possono essere bloccati da specifici inibitori (endogeni o esogeni, come tossine)
• Hanno elevata dipendenza termica e dal pH (un aumento di T aumenta la velocità)
• Seguono una cinetica del tipo Michaelis-Menten

Diffusione libera tramite canali ionici (no ATP-dipendenti): gli ioni passano attraverso la membrana grazie alle proteine, ma senza attaccarcisi; è il meccanismo più rapido di passaggio attraverso molecole.

Struttura dei canali ionici (es: canale ione K⁺) : sono costituiti da 4 sub-unità di forma cilindrica, che delimitano una cavità interna, detta poro, che permette il passaggio dello ione. Il tipo di ione che passa attraverso il canale dipende dalla forma dello ione stesso. Sono altamente selettivi, cioè fanno passare solo uno specifico ione, ma non altri.

Esempio: Canale del Na⁺ formato da una catena proteica, con un filamento legato ad una palla globosa; sono quindi canali con cancello, che gli permette di sigillarsi dall'interno impedendo il passaggio di altri ioni.

Caratteristiche dei canali ionici

1. Non richiedono energia.
2. Non comportano il legame dello ione con la proteina canale, ma avvengono interazioni di tipo elettrostatico.
3. Avviene secondo gradiente di concentrazione.
4. Tende a dissipare i gradienti di concentrazione.
5. I canali sono proteine integrali di membrana con strutture molecolari e funzioni diverse.
6. Formati da una o più subunità.
7. Formano un foro acquoso transmembrana, permeabile agli ioni carichi sia negativamente che positivamente.
8. Sono identificati in base a: selettività (Na⁺, Ca²⁺, K⁺, Cl^- H₂O), meccanismi di apertura (voltaggio, agonisti, secondi messaggeri), cinetiche di attivazione (inattivazione e deattivazione).

Esistono vari tipi di canali ionici, che vengono distinti in base al meccanismo di regolazione dello stato di apertura-chiusura:

• Canali voltaggio-dipendenti: si aprono in funzione della distribuzione delle cariche elettriche vicino al canale (Na⁺, Ca²⁺, K⁺, Cl^-); hanno diametro interno piccolo e quindi permettono il passaggio di un solo ione alla volta. Sono presenti in tutte le cellule.
• Canali chemio-dipendenti: l'apertura/chiusura dipende da alcune molecole; formati da 5 subunità, permettono il passaggio di due o più specie ioniche diverse. Si dividono in:
• Canali recettori attivati da agonisti (attivati dall'esterno), Es: nAChR, GABAAR
• Canali attivati da secondi messaggeri (attivati dall'interno)
• Canali meccano-dipendenti: sono sensoriali, percepiscono la pressione e si aprono in funzione di essa.

Passaggio attraverso il canale aperto del Na⁺: lo ione è ricoperto da molecole di acqua (= idratato), mentre sulla parete del canale sono presenti cariche negative che lo attraggono; esso si spoglia delle molecole di acqua, penetra nel canale e una volta giunto nel citoplasma si idrata nuovamente. Inizialmente è difficoltoso per il sodio entrare, poiché l'energia di attivazione è alta, ma poi quest’ultima abbassandosi gli permette di penetrare più facilmente. L'energia liberata per il passaggio dello ione si misura con la legge di Ohm.

Canale del Na⁺ voltaggio-dipendente (presente solo nelle cellule eccitabili, cioè neuroni e miociti): normalmente nelle cellule il canale del sodio è chiuso, perché usato solo per generare risposte; inoltre, è chiuso perché al centro di esso è presente un cancello di chiusura, per cui lo ione non può entrare all’interno del canale stesso. Tutte le volte che il potenziale elettrico intorno alla membrana cambia, ovvero si depolarizza, il canale si apre e viene attivato, permettendo al sodio di entrare. Dopo un millisecondo il canale cambia conformazione e il prolungamento della proteina nel citoplasma inattiva il canale (anche se il cancello rimane aperto); solo dopo un breve periodo di inattivazione, il canale può finalmente chiudersi. In alcune cellule questi canali possono essere riattivati solo se sono chiusi, non se sono inattivi.

I canali ionici vengono studiati grazie a determinate proprietà della membrana, che permettono di essere modificate con una micro-pipetta. Metodo del Patch Clamping: se appoggio una micro-pipetta sulla membrana e la faccio aderire, la membrana si attacca ad essa e tirando un po’ si può staccare un pezzetto di membrana, in cui ci sarà sicuramente un canale. La micro-pipetta presenta un elettrodo che serve per vedere se attraverso quel frammento passano ioni. Se il Patch contiene un singolo canale con 2 stadi conformazionali (apertura/chiusura) la corrente si muoverà tra 2 livelli a seconda dello stato del canale; l'intensità di corrente è proporzionale alla velocità con cui lo ione passa attraverso il canale.

In tutte le cellule a riposo esiste una popolazione di canali del K⁺ sempre aperti attraverso i quali gli ioni K⁺ sono liberi di muoversi a seconda del gradiente; al contrario, nelle cellule a riposo, il numero di canali per il Na⁺ aperti è ridotto. In ogni momento il numero, tipo e stato di apertura/chiusura dei canali determina la permeabilità della membrana ai diversi ioni; la membrana è in grado di modularne il passaggio.

Trasporto mediato passivo

• Non richiede energia metabolica.
• I soluti si muovono secondo gradiente, legati a una proteina trasportatrice.

Il flusso netto (cioè la velocità con cui vengono trasportate le molecole nell'unità di tempo) aumenta notevolmente rispetto alla diffusione semplice; dopo un po' però la velocità va a plateau, perché il trasporto mediato è saturabile, ovvero nella membrana esistono un numero limitato di proteine trasportatrici per cui, se tutte sono legate ad una molecola, si deve aspettare che ognuno l’abbia trasportata per potersi legare di nuovo.