Fisiologia - Appunti

Fisiologia

Fisiologia è lo studio della funzione degli organi. Gli organismi viventi sono soggetti a degli scambi con l’ambiente esterno, quindi devono mantenere il proprio ambiente costante in una situazione di continuo scambio con l’esterno. Qualunque organismo vivente ha:

• Un apparato respiratorio per scambiare i gas, perché siamo basati sull’utilizzo di O₂. Prendiamo l’O₂ dall’ambiente ed eliminiamo la CO₂.
• Un apparato circolatorio per distribuire nell’organismo vivente i gas presi dall’esterno e per buttare fuori i gas prodotti dall’organismo. Serve a trasportare i vari nutrienti e le varie sostanze chimiche utili per il corpo.
• Un apparato tegumentario che riveste il corpo dell’organismo e lo isola dall’ambiente.
• Un apparato escretore (i reni) per buttare fuori gli scarti (cataboliti).
• Un apparato gastrointestinale per assorbire i nutrienti, trasportarli e inserirli dentro il corpo, per immettere energia nel corpo.
• Un apparato muscolare per muovere l’organismo nello spazio.
• Un sistema nervoso è più importante, ma ± tutti gli organismi ce l’hanno, permette di “leggere” l’ambiente e prendere delle contromisure. È un modo di comunicare con l’ambiente; se questo cambia, l’organismo deve accorgersene per adattarsi e prendere delle contromisure. Serve anche a far comunicare l’organismo con se stesso (far comunicare i vari organi fra di loro).

L'acqua

La vita sulla terra è basata sull’acqua, infatti noi umani siamo fatti per il 60 – 70% da H₂O. Nel nostro corpo l’acqua è divisa in compartimenti:

1. Liquido intracellulare: acqua contenuta nelle cellule (circa 30 L).
2. Liquido extracellulare: acqua che sta tra le cellule (circa 15 L), è quello che varia di più e quindi ci interessa di più.
3. Sangue: è una parte del liquido extracellulare, che è dentro le vene e le arterie.

La molecola d’acqua è unica e particolare nel suo genere, perché ha delle caratteristiche solo sue:

• Si può dividere in due zone: una che contiene gli idrogeni e l’altra che contiene l’ossigeno, non è simmetrica.
• Quando gli atomi mettono in condivisione i loro elettroni, l’atomo di O trattiene di più gli elettroni dalla sua parte.
• In questo modo, l’O è leggermente più negativo e l’H è leggermente più positivo.

La molecola è neutra, ma è polarizzata, ha un polo negativo e uno positivo. Più molecole d’acqua assieme: la zona negativa tenderà a reagire con la zona positiva di un’altra molecola. Questo porta a delle interazioni elettrostatiche, che si formano in numero imponente; le molecole così si dispongono in una struttura a reticolo. Le interazioni elettrostatiche non sono legami forti, ma poiché ce ne sono moltissimi, tutta la struttura raggiunge una certa stabilità.

La struttura fa sì che l’acqua sia liquida e ci vuole molta energia per farla diventare vapore; l’acqua con tutti questi legami tende a stare con se stessa, le molecole d’acqua tendono ad attirarsi una con l’altra. Questo fa sì che l’interfaccia acqua/aria sia una specie di muro, ci sia una membrana (tensione superficiale).

Per il nostro organismo, l’acqua è il solvente universale, tutto quello che avviene nel nostro organismo avviene in un ambiente acquoso.

Ambiente acquoso

Diffusione: una sostanza immersa nell’acqua si scioglie in essa.

• Esempio: la zolletta di zucchero. Dopo un po’ le molecole di zucchero si sono sparse in tutto il bicchiere. L’energia deriva dall’agitazione termica (qualunque molecola tende a vibrare/muoversi nello spazio), le molecole di zucchero quando vengono buttate nel bicchiere cominciano ad agitarsi e sbattono contro altre molecole o la parete del bicchiere, questo fa sì che la molecola continui a rimbalzare da un posto all’altro. Alla fine, questi movimenti del tutto casuali portano a una distribuzione casuale delle molecole nel bicchiere.
• Na⁺ Cl^- (cloruro di sodio), sono due atomi che si sono uniti e hanno formato un legame molto stabile (legame a idrogeno) e insieme formano un cristallo, perché sono legati in maniera molto forte. Quando il sale viene immerso nell’acqua: lo ione Cl^- si ritrova circondato da molecole d’acqua, tutte con la parte H rivolta verso il Cl^- (mantello acquoso). Lo ione Na⁺, allo stesso modo, viene circondato dalla parte O rivolta verso di lui. Una volta che i due atomi hanno interagito con le molecole d’acqua non tendono più ad unirsi in un reticolo stretto.

Una sostanza si scioglie nell’acqua quando riesce a creare un’interazione con le sue molecole.

La cellula

Le membrane biologiche che circondano le cellule viventi, sono formate da strutture chiamate fosfolipidi, costituiti da una parte lipidica e da un’altra polarizzante. Cioè hanno una zona che può portare una carica e l’altra che non ha nessuna carica (anfotere/anfipatiche). Studiosi hanno visto che se si buttano in un bicchiere d’acqua delle molecole fosfolipidi (acidi grassi) e delle molecole polari, queste si dispongono autonomamente e formano tre diverse strutture:

• Membrana biologica
• Micelle
• Liposoma

Perché sono quelle con più basso livello energetico, sono le più facili da formarsi. La parte polare è rivolta verso l’ambiente (acqua), la parte apolare è rivolta verso se stessa, cercando di stare tra di loro perché non stanno a contatto con l’acqua.

La pressione osmotica

Ci sono due ambienti acquosi, da una parte metto 2 cucchiai di zucchero, dall’altra parte metto 1 cucchiaio di zucchero.

• Ambiente libero: lo zucchero si diffonde omogeneamente nell’ambiente.
• Barriera tra i due ambienti: che impedisce allo zucchero di passare perché è un muro, i fori sono troppo piccoli per la molecola. Lo zucchero che è nella parte con maggiore quantità vorrebbe andare di là, ma non può. Quindi è l’acqua che si sposta tra i due ambienti. L’acqua si sposta dall’ambiente dove c’è meno soluto a quello dove c’è più soluto, perché dove c’è più soluto c’è anche meno acqua. Quindi l’acqua, come tutti, va da dove ce n’è di più a dove ce n’è di meno; si muove a casaccio, ma statisticamente ogni 2 molecole che vanno dalla parte con più soluto ce n’è solo una che va dall’altra parte.

I movimenti che fa l’acqua sono di diffusione; l’acqua che si sposta va a creare un aumento di volume nella parte con più soluto. Ad un certo punto, il movimento dell’acqua si ferma, perché in entrambi gli ambienti c’è la stessa concentrazione di acqua. A questo punto, se si applica una pressione uguale alla forza che è servita per far spostare l’acqua dalla parte con più soluto (pressione osmotica), tale che fa ritornare l’acqua dall’altra parte.

Perché questo processo funzioni, ci deve essere:

1. Squilibrio di soluti = Gradienti di soluto.
2. Una membrana in cui il soluto non passa, ma l’acqua si = Membrane semipermeabili.

Infatti, le membrane biologiche sono semipermeabili, cioè fanno passare l’acqua e non i soluti, e nel nostro organismo ci sono degli ambienti in cui i soluti sono concentrati in maniera diversa.

La membrana biologica & i canali ionici

La membrana biologica è più complicata dei foglietti lipidici, perché ha una serie di strutture, una di queste è il canale ionico. Il canale ionico è una struttura proteica che attraversa tutta la membrana e permette il passaggio di sostanze, di molecole. Serve per far comunicare l’ambiente dentro le cellule con quello che c’è fuori. I canali sono proteine che vengono assemblate in subunità che poi si strutturano nelle membrane, il loro scopo è formare un passaggio attraverso la membrana. Questi canali sono:

• Selettivi: fanno passare solo determinate sostanze.
• Chiusi/Aperti: la cellula può decidere se far funzionare il canale (aperto), oppure non farlo funzionare (chiuso).
• Grandi o piccoli.

Ci sono dei canali che sono sempre aperti o dei canali che hanno delle “porte” che possono essere aperte o chiuse. Il problema fondamentale è come fanno a passare le sostanze attraverso le membrane biologiche.

1. Membrana senza nessuna struttura: se la sostanza è molto piccola e liposolubile (che non si scioglie in acqua) potrà passare per diffusione semplice: cioè per la sostanza la membrana non è un muro, è solo un filtro attraverso il quale lei può passare. Esempi: acqua, alcol, alcuni ormoni.
2. Membrana con dei pori: i pori fanno passare solamente una cosa: gli ioni (sodio, cloro, potassio, litio, magnesio). Il poro è specifico per una data specie di ione; quello che fa passare il sodio non fa passare il calcio; ma non tutti gli ioni riescono a passare, perché sono troppo grossi.
3. Membrana con i trasportatori di membrana (carrier): sono strutture proteiche diverse dai pori. Molecole proteiche che si aprono da una parte, prendono la molecola da trasportare, una volta legati alla molecola cambiano conformazione (cambiano, si girano) e liberano la molecola dall’altra parte della membrana. Il trasporto che utilizza le proteine viene definito trasporto facilitato, perché c’è il carrier che lo facilita.

Perché una sostanza vorrebbe passare la membrana biologica? L’esistenza dello strumento non è la condizione fondamentale perché il fenomeno avvenga, ma ci vuole una forza che dia la spinta al fenomeno. Questa forza, di solito, è sempre la stessa: il gradiente di concentrazione. Tutti e tre i meccanismi di trasporto funzionano solo se c’è un gradiente di concentrazione.

4. Membrana con i trasportatori di membrana (carrier) che riesce ad utilizzare l’ATP: questo carrier utilizza l’ATP perché non ha più bisogno che ci sia per forza il gradiente di concentrazione; l’energia che mi serve per attuare il fenomeno viene dalla molecola energetica carica. Il carrier brucia energia per fare il lavoro e non prende in considerazione il gradiente di concentrazione. In questo caso, in cui brucio ATP, il trasporto diventa attivo, cioè è indipendente dalle concentrazioni; al contrario del trasporto passivo che obbedisce alle regole delle concentrazioni.

Ci sono due modi per osservare il movimento delle molecole nella membrana:

• Descrivere lo strumento che permette il passaggio (nulla, canale e proteina trasportatore).
• Descrivere l’energia, da dove arriva l’energia che permette il passaggio: trasporti passivi (l’energia deriva dalla situazione, dai gradienti di concentrazione), trasporti attivi (l’energia deriva dalle molecole chimiche che io produco, non dal gradiente di concentrazione esistente).

Il vantaggio della diffusione semplice: più il gradiente è elevato, più la velocità di trasporto è elevata; non si ha limite perché tutta la membrana è zona di passaggio. I pori: se più la sostanza passa attraverso di questi, però se questa aumenta troppo i pori si otturano e il passaggio viene rallentato, ma questo avviene con dosi molto elevate di sostanza. Con i carriers la situazione è simile ma basta veramente poco per far saturare la proteina di trasporto: perché le molecole carriers sono poche ed è complicato e lungo il processo per produrle. I carriers possono lavorare in maniera diversa:

• Il trasportatore prende la molecola e la porta da una parte all’altra, secondo il gradiente di concentrazione.
• Il trasportatore trasporta due molecole insieme:
  • Nella stessa direzione: Cootrasporto.
  • In due direzioni opposte: Controtrasporto.

Se io voglio che il trasporto vada in una direzione precisa, dentro la cellula c’è tanto glucosio e fuori ce n’è poco, il glucosio tenderà ad uscire fuori. Ma io non voglio che il glucosio esca dalla mia cellula, ho due soluzioni: uso l’ATP (ma così consumo troppa energia) oppure trovare un trasportatore che lega il glucosio soltanto e unicamente dopo che ha legato un’altra sostanza (sodio). Il trasportatore si lega al sodio, che vuole entrare nella cellula, e dopo questo legamento si modifica e così è in grado di legare anche il glucosio; a questo punto la molecola si modifica ancora e si riversa dall’altra parte e le molecole possono uscire.

Il problema è che il glucosio non vorrebbe perché dentro ce n’è già tanto, ma poiché il sodio vuole assolutamente fare quella strada, il sodio si trascina dietro il glucosio. I trasporti vengono divisi in due modi, a seconda del trasporto e in base all’energia che entra in gioco.

Trasporti passivi

Non usano una forma di energia diretta; l’energia per il movimento deriva da un gradiente chimico, da una differenza di concentrazione.

• Semplice: passa senza nessun aiuto.
• Facilitato: ha bisogno di un canale o di un trasportatore (uno strumento che faciliti il passaggio).

Trasporto attivo

Usano una forma di energia diretta, l’energia deve arrivare direttamente al sistema.

• Primari: il trasporto avviene grazie a uno strumento che brucia energia, le pompe ATPasiche che consumano l’ATP per far avvenire il movimento da una parte all’altra.
• Secondari: controtrasporto e cootrasporto. Io voglio portare una sostanza dall’altra parte e non voglio usare l’ATP direttamente, ma non posso usare il trasporto passivo, perché la concentrazione non mi aiuta, allora uso il trasporto attivo secondario. Attacco la mia sostanza a qualcos’altro che ha tanta voglia di entrare.

Come mai il “qualcos’altro” ha tanta voglia di entrare, ha il gradiente favorevole e quindi si tira dietro la nostra molecola? Il gradiente si è formato usando l’ATP. Il sodio di attacca allo zucchero e lo trascina dentro. Il sodio vuole entrare perché dentro ce n’è poco; questo perché ci sono stati dei trasportatori attivi (pompe) che hanno fatto sì che nella cellula ci sia poco sodio.

Pompa attiva più importante nel nostro corpo

C’è una struttura proteica (pompa attiva) all’interno della membrana, che lega l’Na (sodio), all’interno della cellula, e poi un’ATP e lo brucia. Una volta bruciato l’ATP, la proteina cambia conformazione e si rovescia dall’altra parte e libera l’Na. A questo punto, la proteina lega il K (potassio), perché è cambiata, una volta legato il K, la proteina si modifica ancora e si rovescia verso l’interno liberando il K.

• Na da dentro viene portato fuori.
• K da fuori viene portato dentro.

È la pompa ATPasica sodio-potassio. Questo trasporto è molto importante perché crea in tutte le cellule del nostro corpo, la differenza tra ambiente interno/esterno:

• All’interno: si ha molto K e pochissimo Na.
• All’esterno: si ha molto Na e pochissimo K.

L’ATP interviene solo nella prima parte poi è una reazione a caduta energetica. Necessità energetiche e necessità fisiche sono i due approcci per classificare il trasporto.

• Necessità energetiche:
  • Non ho bisogno di energia se non quella del gradiente:
    • Diffusione: semplice o facilitata (proteina di membrana).
  • C’è bisogno di ATP:
    • Pompa, trasporto attivo primario che crea un gradiente di concentrazione, che mi serve per creare un trasporto attivo secondario che non potrà mai avvenire in assenza di quello primario.

L'osmosi

La cellula al suo interno contiene una soluzione salina (0,3 molare e 300 mOsm). Valore osmotico del nostro corpo 300 mOsm, abbiamo ± una concentrazione fissa di Sali, rispetto alla quantità di acqua.

• Cellula messa in un ambiente di solo acqua pura: l’acqua dell’ambiente entra nella cellula, perché i soluti tenderebbero ad uscire, ma non possono. L’acqua entra per andare a diluire la concentrazione. Il flusso d’acqua verrà, ad un certo punto, fermato dal fatto che le pareti della cellula lo bloccano, ma le pareti della cellula non sono tanto robuste da tollerare un ingresso massiccio di acqua, quindi la cellula tenderà a scoppiare.
• Cellula messa in un ambiente in cui la concentrazione di soluti è molto elevata (1000 mOsm): il soluto non può né entrare né uscire, gli unici flussi possibili sono quelli di acqua. L’acqua tenderà ad andare fuori, perché c’è più soluto e tenderà a diluirlo. La cellula si raggrinzisce fino a morire.

Normalmente le nostre cellule devono stare in un ambiente isosmotico: dove l’osmolarità è la stessa dentro e fuori; se questa varia, la cellula prende o perde acqua. In una situazione di osmolarità, i soluti che sono nell’ambiente esterno possono passare all’interno delle membrane biologiche. Esempio: soluzione di urea, che può passare le membrane biologiche, perché i sali sono diversi e quindi quelli all’esterno possono muoversi, ma quelli dentro no. Fuori urea a 300 mOsm, dentro non c’è l’urea, che però può muoversi e quindi va da dove ce n’è di più a dove ce n’è di meno. Quindi l’urea entra dentro la