Fisiologia, appunti

Corso di laurea in infermieristica - Pontedera

Fisiologia

Appunti a cura di Bolognesi Sara
Anno accademico 2017/2018

Con fisiologia si intende lo studio delle funzioni e delle attività degli organi e dei tessuti. Inoltre, si occupa del mantenimento di condizioni che consentono la vita, dell'interazione con l'ambiente e della riproduzione e dello sviluppo.

Comparti liquidi del nostro organismo

Il nostro organismo è formato da due compartimenti liquidi:

• Liquido intracellulare (LIC)
• Liquido extracellulare (LEC) - circonda le cellule del nostro corpo

Quindi l'organismo si trova in squilibrio chimico ed elettrico. Inoltre, sono presenti gli ioni, i quali forniscono carica elettrica, ed anche H₂O.

Membrana cellulare

La membrana plasmatica, chiamata anche plasmalemma, è un sottile strato (5-10 nm) che delimita la cellula separandola dall'ambiente esterno. Essa è costituita da un doppio strato fosfolipidico, in cui sono immerse le proteine. Le sue funzioni sono:

• Permeabilità - consiste nel controllare gli scambi tra la cellula e l'ambiente esterno. Questo fenomeno può essere inteso anche in un senso più ampio e si parla di permeabilità selettiva. La membrana cellulare è selettiva, ovvero non è permeabile a tutte le molecole.
• Isolamento fisico - separa il liquido intracellulare all’interno della cellula dal liquido extracellulare circostante.
• Regolazione degli scambi con l'ambiente - controlla l'entrata di ioni e nutrienti, e l'uscita dei cataboliti.
• Comunicazione tra la cellula e il suo ambiente - le proteine di membrana riconoscono segnali costituiti da molecole o da variazione dell'ambiente esterno e sono capaci di rispondere.
• Supporto strutturale - alcune proteine di membrana sono ancorate al citoscheletro per forma cellulare, quindi ha la funzione di dare forma alle cellule.

Dunque, la membrana è selettivamente permeabile, cioè è permeabile a molecole idrofobe e di piccole dimensioni, ed è impermeabile alle molecole polari o dotate di carica elettrica (come ioni, amminoacidi e zuccheri). Permeano le molecole di acqua (polari ma di piccole dimensioni), i gas (CO₂, N₂, O₂), altre molecole piccole polari come il glicerolo, ed infine permeano anche molecole grandi apolari (idrocarburi). Invece gli ioni, gli zuccheri e gli amminoacidi permeano attraverso le proteine di trasporto (Carrier e proteine canale).

Sono stati fatti diversi studi riguardanti la membrana plasmatica, tra cui lo studio condotto da Irving Langmuir dimostrò che i fosfolipidi posti in soluzione acquosa si orientano con la testa (idrofilica) verso l'acqua e le loro code (idrofobe) sono rivolte verso l'aria, formando un monostrato. Ideò un dispositivo per misurare l'area occupata dai fosfolipidi. Poi nel 1925 Gorter e Grendel utilizzarono lo stesso metodo per misurare l'area dei lipidi estratti dai globuli rossi, e i lipidi occupavano una superficie doppia rispetto all'aria dell'eritrocita, rendendosi conto che i fosfolipidi non formavano un monostrato, ma un doppio strato.

Invece Danielli e Davson proposero il "modello a sandwich". Infine, nel 1972 Singer e Nicholson proposero il "modello a mosaico fluido", definito così perché presenta componenti discrete e libere di muoversi. Quindi nel doppio strato fosfolipidico sono immerse proteine che attraversano la membrana ed altre proteine si legano polari da entrambi i lati alle teste dei fosfolipidi, muovendosi in senso laterale: la struttura finale è semifluida.

Fosfolipidi

Nella membrana cellulare delle cellule eucariotiche si trovano fosfolipidi, sfingolipidi, glicolipidi e colesterolo. I fosfolipidi presentano una testa polare, che è idrofila, e una coda apolare, che è idrofoba. Inoltre, essi sono costituiti da acidi grassi uniti al glicerolo da legami esteri, e al posto di uno degli acidi grassi si trova sempre un componente fosfato. Tra i fosfolipidi che compongono la membrana plasmatica si hanno: fosfatidilserina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilcolina e sfingomielina. Tutti ad eccezione della sfingomielina sono strutturati sulla molecola del glicerolo. I fosfolipidi sono paragonati a una "forchetta a due denti", in cui gli acidi grassi sono i denti ed il manico è rappresentato dal gruppo polare. Molecole come i fosfolipidi, che hanno un'estremità idrofoba ed una idrofila, si definiscono anfipatiche.

Proteine

Esse permettono il passaggio di ioni e molecole all'interno della membrana, e si distinguono in:

• Proteine integrali - sono saldamente legate alla membrana, e vengono rilasciate solo in seguito alla saponificazione. Inoltre, esse sono anfipatiche, e solo alcune attraversano una o più volte tutta la membrana, dunque sono definite anche proteine transmembrana. Si trovano parzialmente all'interno del doppio strato fosfolipidico.
• Proteine periferiche - si trovano sulla superficie interna o esterna della membrana, e spesso sono legate alle porzioni esposte delle proteine integrali. Inoltre, esse non si trovano all'interno del doppio strato fosfolipidico, e possono essere facilmente rimosse.

Carboidrati

Essi sono zuccheri legati a proteine di membrana (glicoproteine) oppure a lipidi di membrana (glicolipidi). I carboidrati si trovano sulla superficie esterna della cellula e formano uno strato protettivo, definito glicocalice. I carboidrati svolgono un ruolo molto importante nella risposta immunitaria dell'organismo e nei gruppi sanguigni.

Trasporti

I processi con i quali avvengono gli scambi tra l’interno e l’esterno delle cellule vengono definiti trasporti. L'acqua può attraversare liberamente la membrana attraverso i canali ionici oppure tramite le acquaporine, che sono dei canali proteici attraverso i quali la molecola di acqua passa in fila indiana.

Si possono distinguere diversi tipi di trasporti:

• Trasporti in forma libera - in cui molecole o ioni migrano attraverso la membrana senza legarsi ai costituenti, e questo trasporto comprende la diffusione (come ad esempio l'osmosi). La diffusione può essere semplice, in cui le molecole passano liberamente, oppure facilitata, e le molecole per passare vengono aiutate dalle proteine carrier oppure dalle proteine canale.

Tra i fattori che influenzano la diffusione, che avviene a una determinata velocità, si ha la legge di Fick, secondo cui: Area della superficie X gradiente di concentrazione X permeabilità della membrana/spessore della membrana. Dunque, questa legge va a valutare la velocità di diffusione, la quale dipende dall'energia cinetica delle particelle, e quindi dalla dimensione, dalla forma, dalla carica elettrica ed anche dalla temperatura. Nella diffusione il flusso secondo gradiente di concentrazione è maggiore di quello contro gradiente di concentrazione finché non viene raggiunto uno stato di equilibrio.

Tra i tipi di diffusione si ha l'osmosi, che comporta il passaggio netto di molecole di acqua da una soluzione ipotonica (concentrazione di soluto minore) a una ipertonica (concentrazione di soluto maggiore). Inoltre, con pressione osmotica si intende la pressione che deve essere esercitata sulla membrana per impedire il flusso osmotico.

Trasporti mediati

Le particelle trasportate si combinano con i costituenti della membrana cellulare. Le particelle attraversano la membrana cellulare attraverso dei costituenti della membrana stessa chiamati carriers. Ogni molecola carrier deve avere due siti di legame. Questi trasporti sono caratterizzati dalla specificità, in quanto le molecole "carrier" devono combinarsi specificatamente con le particelle trasportate ed anche i loro siti di legame devono avere un'elevata affinità con le particelle trasportate. Inoltre, sono caratterizzate anche dalla saturazione, poiché il numero di proteine carrier (proteine integrali) per trasportare una determinata sostanza è limitato. Infine, l'ultima caratteristica che presentano i trasporti mediati è l'inibizione competitiva, che si verifica quando due sostanze sono chimicamente "simili", il trasporto di una di queste due sostanze diminuisce in presenza dell'altra, questa caratteristica è in funzione della concentrazione e dell'affinità.

I trasporti mediati si distinguono in:

• Trasporto attivo - necessità di energia, e quindi di ATP (prodotta dai mitocondri), ed avviene contro gradiente di concentrazione, quindi crea gradienti "ex novo". Dunque, per agire contro gradiente spende energia, e per questo necessita di energia proveniente dal metabolismo cellulare. Inoltre, questi trasporti sono facilmente arrestabili dalle condizioni che alterano la normale attività metabolica.

Esso a sua volta si distingue altri due trasporti:

1. Trasporto attivo primario (o pompe ioniche), il quale avviene attraverso le proteine transmembrana, le quali si aprono attraverso il consumo di energia; quindi, comporta l'idrolisi diretta di ATP. L'energia in questo trasporto viene tratta direttamente dal metabolismo basale. Si distingue anche in questo caso un trasporto uniporto, quando trasferiscono contro gradiente un solo tipo di ione; invece nel trasporto antiporto gli ioni che vengono trasferiti contro gradiente di concentrazione sono due (in questo caso prendono il nome di pompe ioniche di scambio). Inoltre, i trasporti attivi primari svolgono una duplice funzione: enzimatica (in quanto la molecola trasportatrice ha sempre carattere di ATPasi) e l'altra funzione è quella di carrier. Rispetto agli altri trasporti mediati non presenta saturazione.

Pompa ionica sodio-potassio (trasporto attivo primario)

Un esempio di trasporto attivo primario è la pompa ionica sodio-potassio, è una proteina integrale di membrana ed opera nella membrana plasmatica di tutte le cellule, dove espelle ioni potassio e pone all'interno ioni sodio (trasportando entrambi gli ioni contro gradiente). Questa pompa ha la funzione di mantenere elevata la concentrazione di ioni Na⁺ nel mezzo extracellulare, e inoltre mantiene elevata la concentrazione di ioni K⁺ nel mezzo intracellulare. Dunque, utilizza l'energia ottenuta per portare 2 ioni K⁺ dentro la cellula ed esporta 3 ioni Na⁺ all'esterno della cellula. Questa pompa è sempre attiva per garantire il mantenimento del potenziale di riposo (-70 millivolt). Infatti, la pompa sodio-potassio è un antiporto perché sposta due sostanze in direzioni opposte.

Pompa del calcio (Ca²⁺) trasporto attivo primario

Questa pompa è l'unico esempio di trasporto uniporto, ed opera nella membrana plasmatica di tutte le cellule, dove espelle gli ioni Ca²⁺ in modo da mantenere bassa la concentrazione nel citoplasma (mentre è elevata nel liquido extracellulare), in quanto gli ioni calcio hanno una potente azione attivatrice. Quando si raggiunge una determinata concentrazione degli ioni calcio si ha un segnale che provoca la chiusura dei canali del calcio.

2. Trasporto attivo secondario, che non si serve direttamente di ATP, ma l'energia che ricava deriva da un gradiente di concentrazione ionica ricavato dal trasporto attivo primario. Quindi utilizza l'energia dell'ATP indirettamente sotto forma di gradiente. In questo caso l'energia per il trasferimento delle particelle viene fornita da altre particelle che operano come "motrici", e di regola le particelle motrici sono ioni, mentre le particelle che vengono trasportate possono essere ioni oppure molecole organiche. Inoltre, nel caso degli ioni possono avere carattere di simporto o di antiporto.

Il trasporto attivo si distingue in base alla direzione in:

• Uniporto: muove una sostanza in un'unica direzione
• Simporto: muove due sostanze diverse nella stessa direzione
• Antiporto: sposta due sostanze diverse in senso opposto

Questi sono definiti trasporti accoppiati, e sono dei trasporti mediati.

Cotrasporto Na⁺ / glucosio (trasporto attivo secondario)

Si ha a livello delle cellule assorbenti dei villi intestinali, e all'interno del lume intestinale in presenza di un'adeguata concentrazione di Na⁺, si ha il completo assorbimento del glucosio anche quando la sua concentrazione è inferiore a quella del mezzo intracellulare. Questa pompa trasporta due ioni diversi contemporaneamente.

Controtrasporto Na⁺ / H⁺ (trasporto attivo secondario)

Si verifica a livello della membrana luminale delle cellule dell'epitelio assorbente dei tubuli renali, inoltre regola il PH intracellulare ed è anche implicato nella regolazione del volume cellulare.

• Trasporto passivo - avviene secondo gradiente di concentrazione, quindi lascia passare con facilità le molecole e si serve dell'energia del moto molecolare, quindi non richiede ATP o meglio non richiede energia di origine metabolica. Comprende la diffusione semplice e facilitata.
• Trasporto vescicolare - comprende endocitosi e esocitosi

Canali ionici

Sono un particolare tipo di proteine di membrana, che hanno la funzione di trasportare gli ioni. Questi si distinguono in:

• Canali aperti - si trovano nella membrana di tutte le cellule, dove possono passare molecole di H₂O e ioni inorganici.
• Canali a cancello - sono rappresentati dai canali ionici voltaggio e quelli chemio-dipendenti.

Nei canali ionici a voltaggio dipendenti il passaggio dallo stato di "pervietà" a quello di "impervietà" è operata da una variazione di potenziale della membrana ai due lati della membrana. Quindi questi canali per aprirsi hanno bisogno di una differenza di potenziale, quindi la sua chiusura e la sua apertura dipende proprio dalle variazioni del potenziale elettrico, per questo sono chiamati anche "canali a controllo di potenziale". Essi sono canali complessi, ad esempio quelli del sodio hanno due porte che si aprono e si chiudono contemporaneamente, e ad aprirsi è la porta rivolta verso l'esterno. Invece nei canali chemio-dipendenti il passaggio dallo stato di "pervietà" a quello di "impervietà" è svolto dalla combinazione della molecola-canale con una molecola messaggera. Quindi per essere aperti questi canali necessitano di una determinata concentrazione di una sostanza chimica che si lega a un determinato sito di quella proteina canale. Essi si trovano a livello del sistema nervoso centrale.

Gli stati dei canali ionici voltaggio e chemio-dipendenti, per quanto riguarda gli stati possibili in un canale ionico, possono essere tre:

1. Stato chiuso (canale impervio agli ioni)
2. Stato aperto o attivato (in cui è pervio agli ioni)
3. Stato inattivato (in cui il canale torna ad essere impervio agli ioni)

Inoltre, ci sono anche i canali ionici meccano-sensibili, che si trovano nei recettori sensibili tattili, e in questo caso il passaggio dallo stato di pervietà a quello di impervietà si ha quando la membrana viene sottoposta a una distensione. Infine, si hanno i canali ionici foto-sensibili, presenti nelle cellule sensoriali degli organi visivi, e in questo caso il passaggio dallo stato di pervietà a quello di impervietà si ha quando vengono stimolati da una radiazione luminosa.

Endocitosi

In questo processo la particella viene a contatto con la superficie esterna della membrana cellulare, la quale si introflette fino a formare una "vescicola" chiusa che accoglie la particella, e che staccandosi dalla membrana passa nel citoplasma. Dunque, questo termine viene indicato quando si fa riferimento a un gruppo di processi che portano dentro la cellula eucariotica piccole molecole, macromolecole, particelle piccole ed anche piccole cellule. Inoltre, l'endocitosi è un tipo di trasporto attivo, e questo processo si verifica nelle cellule epiteliali dell'intestino, i cui siti contengono una particolare proteina che è la clatrina, la quale facilita la formazione di vescicole.

Si hanno tre diversi tipi di endocitosi:

1. Fagocitosi - si ha quando la particella è solida, ed è quella parte della membrana plasmatica che ingloba grosse particelle o addirittura cellule intere.
2. Pinocitosi - in questo caso la particella è fluida, e si formano vescicole piccole.
3. Endocitosi mediata da recettori

Esocitosi

Avviene con un meccanismo inverso all'endocitosi, poiché inizia con la fusione della vescicola secretoria alla superficie interna della membrana plasmatica, ed in seguito si ha l'apertura della vescicola, che va a rilasciare il suo contenuto all'esterno della cellula. Un esempio di questo meccanismo si trova nei macrofagi, i quali fagocitano i batteri ed anche i residui di cellule morte. L'esocitosi è di particolare importanza nel processo di secrezione delle ghiandole esocrine ed endocrine ed anche nella neurosecrezione (che è la liberazione dalle cellule nervose dei neurotrasmettitori). Inoltre, questo processo serve per l'espulsione di prodotti di scarto o alla secrezione di ormoni. Sia l'endocitosi che l'esocitosi richiedono un dispendio di energia.

Attività elettrica del cuore

L'attività meccanica del cuore è avviata dalla propagazione di un potenziale d'azione. In tutte le cellule esiste una differenza di potenziale elettrico fra l'interno e l'esterno, pertanto le membrane sono elettricamente polarizzate. La polarizzazione (differenza di carica) è importante nelle cellule eccitabili (neuroni e muscoli), che grazie alla presenza di canali ionici generano segnali elettrici in risposta a specifici stimoli. In assenza di stimoli nella maggior parte delle cellule la polarizzazione è stabile nel tempo, e questo prende il nome di potenziali di membrana a riposo, in cui si hanno differenti concentrazioni ioniche tra interstizio e citoplasma. Gli ioni diffondono secondo gradienti di concentrazione attraverso le membrane semipermeabili generando gradienti.