Fisiologia cellulare

Fisiologia cellulare

Significa etimologicamente “discorso sulla natura”. La fisiologia viene intesa come lo studio del normale (quindi non patologico) funzionamento di un organismo vivente in tutte le sue parti, inclusi tutti i processi fisici e chimici, soprattutto nel caso della fisiologia cellulare. Ha interessato l’uomo fin dall’antichità: Aristotele la definiva come il funzionamento di tutti gli organismi viventi, compresi quelli vegetali. Ippocrate, padre della medicina, la definiva come la forza risanatrice della natura. In realtà poi, in Europa, verso il sedicesimo secolo venne associata non solo alla medicina, ma diventò lo studio delle funzioni vitali del corpo umano.

Sistemi complessi e proprietà emergenti

Ci sono diversi sistemi molto complessi negli esseri viventi, ad esempio il cervello, che possiedono delle proprietà chiamate emergenti, come l’emozione, o l’intelligenza, che non possono essere previste dalle conoscenze delle proprietà individuali della cellula nervosa. Ad esempio, se scomponiamo una macchina in tutti i suoi componenti, non è che l’assemblamento di questi ci dice come funziona la macchina, o meglio, non possiamo dire che c’è una conversione da energia elettrica al movimento che poi determinerà la funzione stessa della macchina. Per questo motivo, diciamo che sia la biologia dei sistemi che quella integrativa fanno parte della fisiologia integrativa.

Il punto su cui ci si deve focalizzare non è solo la conoscenza dell’organizzazione cellulare, ma anche il comprendere il meccanismo con cui avviene l’integrazione di tutte le funzioni nei vari livelli di organizzazione. Sappiamo che dalle cellule “primarie” si originano infatti le cellule specializzate (cellule del sangue, neuroni etc.), che originano i tessuti (definiti quindi come aggregati di cellule), i quali si differenziano in base alla loro funzione e formano gli organi, dalla cui unione si hanno sistemi e apparati. È necessario comprendere quali sono i processi organizzativi e integrativi che portano al meccanismo di un intero sistema. C’è una stretta correlazione tra struttura e funzione.

La differenza tra la funzione stessa, di una cellula/tessuto etc., e il meccanismo con cui questi svolgono la loro funzione, è fondamentale: la funzione è definita come “il perché dell’evento”, mentre il meccanismo spiega come avviene quest’ultimo.

Processi fondamentali della cellula

• Scambio di gas/substrati energetici;
• Produzione di composti altamente energetici (es. ormoni) e la loro combustione;
• Omeostasi cellulare;
• Attività contrattile/secretiva;
• Attività bioelettrica ed elaborazione del segnale (es. sinapsi);
• Comunicazione cellulare.

Comunicazione cellulare

Il flusso di informazioni è un aspetto fondamentale della fisiologia cellulare. La vita di un organismo, infatti, dipende dalla sua capacità di elaborare le informazioni. Gli elementi fondamentali di una buona comunicazione sono mittente e destinatario. Un altro aspetto importante della comunicazione riguarda il fatto che il messaggio deve essere comprensibile, veloce e, se possibile, con un basso dispendio energetico. Negli organismi unicellulari la comunicazione avviene tra ambiente interno ed esterno, mentre in quelli pluricellulari, esiste il cell signaling, data l’aggregazione di più cellule specializzate con competenze specifiche.

La cellula invia e riceve messaggi che possono derivare da un ambiente esterno, ma anche da uno interno; la vita dell’organismo quindi dipende da questo genere di informazioni, che possono derivare dalla disponibilità di nutrienti, o (fondamentale) dalle modificazioni dei parametri fisici della cellula (pH, temperatura…) o dalle modificazioni della luce. Parleremo quindi della trasmissione dei segnali che riguardano la singola cellula che sono soprattutto i processi di scambi di informazioni che avvengono attraverso la membrana cellulare, soprattutto il processo di trasduzione (conversione di un’energia in un’altra). Es. odore: si tratta di un messaggio chimico che viene trasformato in un messaggio elettrico.

Omeostasi

Si intende la capacità che hanno gli organismi animali, entro certi limiti stabiliti, di mantenere stabili tutti i parametri chimico-fisici come il pH, la temperatura e la concentrazione di elettroliti. Il corpo è quindi in grado di monitorare il proprio stato interno e correggere le perturbazioni che minacciano il corretto funzionamento dell’organismo; se non riesce a fare questo, va incontro a una condizione patologica (es. diabete). L’omeostasi è importante per la regolazione dei processi vitali e ci consente l’indipendenza dall’ambiente esterno (es. freddo in montagna). I parametri chimico fisici del liquido intracellulare vengono continuamente modificati a causa di un continuo scambio metabolico; quest’attività rimane costante, anche se nel metabolismo vengono ovviamente eliminate sostanze che danneggiano l’organismo per mantenere costanti questi parametri.

L’omeostasi permette la funzionalità delle proteine, perché una variazione del pH, ma soprattutto della temperatura, potrebbe denaturarle, e questo comporterebbe danni enormi all’organismo.

Meccanismi a feedback e i segnali intercellulari

Servono per la regolazione dell’ambiente interno della cellula.

Sensori ed effettori

Un sensore è un dispositivo capace di misurare in ogni istante il valore del parametro da controllare. Solitamente funziona da trasduttore; ha quindi come punto di riferimento un valore chimico-fisico (pH ecc.) e avverte quanto questo si discosta dai livelli attesi. I sensori sono i barocettori, i termocettori, e i chemiocettori. Quest’informazione passa dai sensori, che avvertono questa variazione, agli effettori, i quali vengono attivati dal sistema nervoso centrale e riportano il parametro al valore atteso.

Esistono due tipi di feedback: quello negativo e quello positivo. Il negativo tende a riportare una variabile ad un valore normale (es. varia pH), esercitando un’azione che lo stabilizzi; si dice infatti che è stabilizzante a causa di un meccanismo di retroazione negativa. Se il parametro aumenta (+) il feedback negativo esercita un qualcosa che comporta l’effetto opposto (-), riportando il parametro alle condizioni fisiologiche (se il parametro diminuisce succede il contrario). Il positivo invece ha un effetto destabilizzante, quindi non interviene nel mantenimento dell’omeostasi (es. febbre/brividi). Invece di ristabilizzare il parametro, ne incrementa l’aumento: ad esempio, quando abbiamo la febbre, ci vengono i brividi e tendiamo a coprirci, portando ad un ulteriore aumento la nostra temperatura corporea.

Ipotalamo

È un importante centro regolatore. Controlla l’equilibrio idrico, la regolazione della temperatura corporea, l’appetito, il sonno e anche altre funzioni importanti, come il funzionamento dell’ipofisi, una ghiandola che regola il funzionamento del sistema endocrino. Regola quindi anche il sistema portale ipofisario. L’ipotalamo è molto importante per la produzione di ormoni, ma anche per la produzione di quelli che vengono chiamati fattori di rilascio e fattori di inibizione. Gli ormoni sono dei messaggi chimici che entrano in gioco per il controllo e la regolazione delle funzioni vitali di un organismo.

• CRH, ormone stimolante il rilascio di corticotropina (ACTH), da parte dell’adenoipofisi (cortisolo, stress)
• MSHRH, ormone melanotropo (MSH) che stimola il rilascio di MSH da parte del lobo intermedio dell’ipofisi.
• TRH, ormone stimolante il rilascio di tireotropina (TSH), da parte dell’adenoipofisi.
• PIF, inibitore di prolattina da parte dell’adenoipofisi.
• GHRH, stimola il rilascio di GH, ormone della crescita, da parte dell’adenoipofisi.
• LHRH, stimola il rilascio dell’ormone luteinizzante (LH)
• GnRH, attivante il rilascio delle gonadotropine. L’LHRH e il GnRH inducono la produzione di FSH e LH da parte dell’adenoipofisi.
• PRH, ormone stimolante il rilascio di prolattina da parte dell’adenoipofisi.
• GHIF, denominato anche somatostatina, inibisce il rilascio di GH da parte dell’adenoipofisi.

Neuroipofisi

A livello della neuroipofisi (ipofisi posteriore) sono liberati due ormoni:

• Vasopressina, ormone antidiuretico che determina una riduzione della produzione delle urine; la vasopressina, nota anche come ormone antidiuretico (ADH) o diuretina, è una sostanza di natura peptidica secreta dall'ipofisi posteriore, ma prodotta principalmente a livello ipotalamico.
• Ossitocina, che agisce sulle ghiandole mammarie e sull’utero durante il parto.

Adenoipofisi

Al contrario della neuroipofisi che riceve i mediatori dall’ipotalamo, l’adenoipofisi (ipofisi anteriore) è in grado di produrre differenti tipi di ormoni ad esempio:

• Ormone tireostimolante o tireotropina che stimola la produzione e la liberazione degli ormoni della tiroide T3 e T4.
• Ormone follicolo stimolante, regola l’ovaio, nel quale stimola lo sviluppo dei follicoli, e i testicoli.
• Ormone della crescita o somatotropina, stimola la crescita dei tessuti dell’organismo.
• Ormone corticostimolante o corticotropina, regola nelle ghiandole surrenali la produzione di cortisolo.
• Prolattina, regola la produzione di latte da parte delle ghiandole mammarie.

Il sistema nervoso centrale è il centro integrato per l’omeostasi (ma non solo). Il sistema nervoso centrale ci permette di regolare i parametri fisiologici vitali, facendo in modo che questi non si discostino e rimangano, possibilmente, costanti. L’ormone prodotto dall’ipotalamo (LHRH) è l’ormone di rilascio dell’ormone luteinizzante (LH), che viene secreto dall’ipofisi. L’LH stimola le ovaie a secernere più estrogeni, i quali stimolano un’ulteriore produzione di LH, che stimola la produzione di estrogeni e così via (feedback positivo). Un altro esempio di feedback positivo è la produzione di ossitocina durante la contrazione del parto.

Conclusioni

Nella regolamentazione di tutte le funzioni organiche, intervengono dei meccanismi di controreazione, che possono essere positivi o negativi, ma che devono mantenere stabile la morfologia, la composizione interna. Per esempio, nel citoplasma, rispetto all’esterno, ci sono i proteinati di sodio, che hanno un sodio negativo, quindi la cellula all’interno è negativa, mentre all’esterno è positiva.

Fisiologia e filosofia

Il sistema nervoso è costituito da miliardi di cellule nervose, caratterizzate dal fatto che hanno un’organizzazione tale da formare un sistema di controllo rapido del corpo, il cui sistema nervoso centrale rappresenta il centro di controllo. La complessità di quest’organizzazione, chiamata anche rete neurale, è alla base delle cosiddette proprietà emergenti (l’intelligenza, la coscienza, l’emotività), ossia quelle proprietà che non possono essere spiegate solo tramite dei meccanismi neurali. Il sistema nervoso si divide in centrale e periferico. Il sistema nervoso periferico si divide attraverso le divisioni sensoriali, ossia le fibre afferenti (o nervi afferenti, meno appropriato nervi di senso), che portano gli impulsi nervosi dai recettori sensoriali, che si trovano in periferia, verso il sistema nervoso centrale, e le fibre efferenti, che compiono il percorso inverso. Quindi il sistema nervoso centrale riceve le informazioni come messaggi afferenti e li manda come messaggi efferenti.

Le informazioni vengono recepite dai recettori sensoriali, possono essere chimiche o fisiche e poi vengono elaborate dal sistema nervoso centrale, che predispone delle risposte. Esistono la fisiologia oggettiva della sensibilità e la fisiologia soggettiva della sensibilità.

Integrazione

Fenomeni con organi di senso: stimoli appropriati sensoriali, potenziali sopraliminari, eccitazione dei nervi sensoriali centrali, integrazione delle strutture nervose centrali sensoriali, soggetto con impressioni sensoriali: esperienza, raziocinio, personalità, percezione.

Possiamo capire quali sono i meccanismi che trasducono un segnale, il quale può essere odoroso (chimico), luminoso (fisico), in un segnale elettrico che passa attraverso i nostri recettori e viene poi elaborato dal sistema nervoso centrale, il quale emette una risposta. Finché esistono questi tre meccanismi (segnale, trasduzione, risposta), possiamo dire che un organismo ha coscienza. La percezione di un oggetto è dovuta però all’esperienza di un soggetto, quindi nel cervello si attuano dei processi automatici: infatti, il nostro cervello manda degli impulsi ancor prima che un individuo abbia avuto il tempo di pensarci, e il nostro sistema motorio è indipendente dalle nostre percezioni consce. Talvolta, questi processi automatici diventano ingannevoli, creando delle illusioni, che vengono percepite diversamente a seconda dell’individuo; inoltre, il 98% delle azioni che compie il cervello sono al di fuori del dominio della coscienza (chiamato anche l’implicito della mente). Es. Figure di Rubin, percezione della lunghezza ecc.

Scambi

Ci concentreremo sugli scambi che intervengono nella membrana cellulare. Excursus membrana cellulare: la sua funzione primaria è quella di mantenere una diversa composizione tra il mezzo intracellulare e quello extracellulare. È costituita da un doppio strato fosfolipidico, secondo il modello di Singer-Nicholson, con delle proteine e dei lipidi che si distribuiscono in una maniera non omogenea. Le proteine possono essere integrali, periferiche, transmembrana e multipasso.

I fosfolipidi sono costituiti da una parte idrofobica e una parte idrofilica; le proteine si attaccano alla membrana con delle ancore nella parte idrofobica. La membrana cellulare è molto dinamica, grazie alla sua struttura, la quale determina anche la sua funzione. Nella parte esterna sono presenti la fosfatidilcolina e la fosfatidiletanolamina, mentre nella parte interna sono presenti soprattutto la fosfatidilserina e la sfingomielina. Il doppio strato è mobile e dipende dal tipo di acido grasso, dalla lunghezza della catena e dal numero dei doppi legami presenti, quindi dipende anche dal fatto che gli acidi grassi siano saturi o insaturi.

La disposizione a micelle dei fosfolipidi è termodinamicamente favorita perché tende a diminuire il contenuto dell’energia libera di Gibbs, garantendo il loro comportamento ecc, in modo tale da diminuirne il dispendio energetico. Un’altra componente della membrana è costituita dai glicolipidi, ossia dei lipidi che terminano con una catena saccaridica diversa a seconda dei tessuti; sono fondamentali nel caratterizzare la superficie a mosaico. Tra questi è presente il galattocerebroside, che è presente in alte percentuali nelle cellule nervose (es. glia). Chiaramente, i glicolipidi presentano una polarità diversa a seconda della catena saccaridica, e questa può determinare la ricezione da parte delle membrane di alcune sostanze, quindi sono molto importanti anche per la tipizzazione della cellula stessa.

Un’altra importante componente della membrana è il colesterolo, che contribuisce ad accrescere la rigidità della membrana e la mantiene meno fluida. Anche il colesterolo ha una parte idrofobica e una polare; deriva dal ciclopentanoperidrofenantrene, il quale risulta essere la struttura base degli steroli e degli steroidi. Un altro aspetto fondamentale della membrana nella sua parte lipidica, sono le zattere lipidiche (lipid rafts), che sono degli accumuli di lipidi ancorati a delle proteine. Questi lipidi hanno delle catene di acidi grassi più lunghe rispetto a quelle dei lipidi che compongono la membrana. Costituiscono quello che viene chiamato un micro-dominio, e svolgono tante funzioni: sono ad esempio importanti per l’assemblaggio di messaggi e la regolamentazione del traffico di sostanze come i neurotrasmettitori.

Proteine

Sono costituite da amminoacidi. Possono essere recettori, enzimi, anticorpi ecc. Le proteine membranali possono essere delle strutture periferiche ecc, ma hanno tutte un dominio che si trova a contatto sia intercellularmente che extracellularmente, e si trovano ancorate ai fosfolipidi. L’ancora è formata da GPI (glicosilfosfatidilinositolo) ed è attaccata al dominio del carbonio C-terminale. Attraverso le proteine di membrana e grazie ai suoi domini operano quei meccanismi che agiscono sia legando il recettore, scatenando una risposta all’interno della cellula, che per via enzimatica (es. l’insulina, di natura proteica, si lega a un recettore proteico di membrana, operando quindi per via enzimatica).

Possono essere dei recettori canali, dei recettori legati e collegati ad altre proteine, i quali possono innescare altri meccanismi che coinvolgono altri messaggeri; ci sono delle proteine caratterizzate da un unico segmento transmembrana, chiamati antigeni di superficie: si tratta di antigeni che tipizzano la cellula e, quindi, determinano quelli che a contatto con una proteina o una sostanza sconosciuta, causano una risposta anticorpale. Le proteine adesive sono quelle che determinano un meccanismo di adesione nella cellula nel caso di cellule che vengono allestite, ad esempio, nelle colture cellulari.

Ci sono proteine che presentano sette domini, i quali sono formati da amminoacidi disposti ad alfa elica e attraversano sette volte la membrana cellulare, perciò presentano sette volte i siti di glicosilazione e di fosforilazione, favorendo quindi un’attività enzimatica: vengono chiamati recettori sinaptici per ormoni e neurotrasmettitori, o per recettori di molecole olfattive. Queste proteine possono anche stabilire dei pori, quindi essere la via di passaggio per sostanze non gassose.