Fisiologia cellulare (fisiologia 1) appunti

Cos'è la fisiologia cellulare

Fisiologia = studio funzioni organismi viventi. Funzione = insieme dei processi che consentono il raggiungimento di uno scopo definito e utile per organismo.

Claude Bernard

Padre fisiologia moderna. Per primo ha provato a spiegare organismi viventi con chimica e fisica. Meccanismi vita hanno il solo scopo di mantenere stabili le condizioni per la vita. Intuì che dell’ambiente interno. Sistema tegumentario esterno + sistema interno.

Corpo umano: Si può entrare a interno con bocca, ano, e altre cavità. Ambiente interno —> 3 parti.

• Liquido interstiziale —> riempie spazi tra una cellula e l’altra.
• Membrane cellulari.
• Ambiente intracellulare.

Acqua

Corpo umano fatto almeno da 60% acqua. Per studiare ambiente interno bisogna comprendere proprietà di acqua. Molecola polare (dipolo) con parziale carica positiva dell’idrogeno e parziale carica negativa dell’ossigeno. Interagisce con ioni —> legami dipolari (ad esempio, sale in acqua si scioglie perché ioni interagiscono con acqua). Forma legami a idrogeno con molecole polari, anche con molecole molto grandi come proteine. Non si lega con molecole apolari. Molecole lipofile tendono a stare insieme in modo da massimizzare legami a idrogeno tra molecole d’acqua. Ciò crea strutture in cellula, le più importante delle quali sono strati o doppi strati di lipidi (componenti di membrane).

Sistemi termodinamici

Abbiamo diverse zone acquose, in contatto con ambiente esterno. 3 tipi di sistema termodinamico:

• Isolato => non scambia materia né energia con esterno.
• Chiuso => scambia energia ma non materia con esterno.
• Aperto => scambia materia ed energia con esterno.

Cellula sistema aperto —> scambiare energia e materia con esterno.

Principi della termodinamica

I principio => energia può essere convertita da una forma in un’altra, ma non può essere né creata né distrutta. Conseguenza: per un sistema chiuso, energia interna cambia solo se si fornisce calore o lavoro. II principio => per un sistema isolato, entropia (=misura di grado di disordine) può solo aumentare o restare costante. Energia libera di Gibbs = energia disponibile per organismi viventi per compiere lavoro. Se voglio compiere lavoro, devo continuamente avere energia. Questa energia la prendo da ossigeno di respirazione e da alimenti che assumo. Da molecole che ingeriamo come glucosio vengono prodotte molecole come ATP (adenosintrifosfato), che poi posso usare in cellula. Gruppi fosfato hanno carica negativa —> fanno fatica a stare vicini, bisogna fornire energia.

Walter Cannon e omeostasi

Esseri viventi sono sistemi aperti. Sistema aperto ha bisogno continuamente di energia. Sistema aperto per essere stabile ha bisogno di qualcosa che lo mantenga tale. C’è cioè autoregolazione organizzata che dà stabilità dell’organismo, omeostasi (=mantenimento di un dato parametro). Omeostasi => meccanismi in cooperazione che agiscono simultaneamente o in successione.

Tipi di omeostasi

• Strutturale —> continuo ricambio cellulare: cellula continua a produrre proteine che servono, cambiando quelle che non funzionano più.
• Metabolica —> cellula deve avere sempre a disposizione abbastanza amminoacidi, zuccheri, ATP, ecc.
• Ionica —> mantenere concentrazioni ioni stabili per gestire energia nei vari distretti.
• Osmotica —> dove passano soluti non è detto che passi solvente. Importante per integrità strutturale.

Per mantenere omeostasi sono necessari:

• Sensore —> misura valore parametro.
• Comparatore —> misura differenza tra valore misurato e valore atteso.
• Attuatore —> modifica parametro.

Processo tramite cui attuatore influenza parametro misurato è feedback (o retroazione).

Esempio: temperatura corporea

Deve rimanere a 37 gradi. Devo avere:

• Sensore di temperatura —> termorecettori.
• Comparatore di temperatura —> ipotalamo.
• Attuatore che modifica parametro se ho temperatura corporea più alta o più bassa del dovuto —> ghiandole sudoripare (se temperatura è più alta del dovuto).

Temperatura corporea deve essere mantenuta tra 36-37° e 43°. Quando temperatura è troppo bassa, abbiamo meccanismi di produzione di calore, tipo brividi (=contrazione involontaria di muscoli che genera calore), pelle d’oca (per noi non molto utile, ma per negli animali, se il pelo si rizza, essi si scaldano). Se temperatura è troppo alta, sudo (=perdo acqua), divento rossa (circolazione cutanea aumenta). Segnali vengono mandati a ipotalamo (comparatore), che a sua volta manda risposta a neuroni di sistema simpatico (ortosimpatico e parasimpatico). Ipotalamo manda risposte a ghiandole sudoripare che producono sudore se devo abbassare temperatura corporea. Quando ho febbre ci sono pirogeni che alzano temperatura di riferimento agendo su ipotalamo. Comincio a sentire freddo anche a una temperatura normale. Organismo deve mettere in atto meccanismi che mi devono scaldare, quindi mi si alza temperatura a 39°. Febbre serve a far star male patogeni. Parametri non sono sempre perfettamente stabili —> fluttuazione di parametri tra quando si rileva problema e quando si è riuscito a risolverlo.

Sistemi di controllo / omeostatici

Controllo ad anello aperto => segnale in ingresso è indipendente da quello in uscita, cioè i segnali di correzione vengono applicati in anticipo, senza misurare effetto. Esempio: preparazione di sistema cardiocircolatorio prima di una corsa. Per preparare organismo a sforzo che dovrà affrontare frequenza cardiaca e respiratoria e pressione arteriosa aumentano prima che questo abbia inizio.

Retroazione negativa / positiva

Retroazione negativa: Risposta contrasta stimolo, controbilanciando perturbazione iniziale.

• Livello cellulare: Enzima (=proteina che fa da catalizzatore a qualcosa) catalizza la reazione di produzione di un composto. Prodotto può inibire azione di enzima legandosi ad un sito di inibizione o inibire sintesi dell’enzima o accelerare la sua degradazione.
• Livello sistemico: Ormone può inibire sua stessa sintesi agendo sulle cellule che lo producono o su quelle che le controllano.

Esempio: Tiroide rilascia t3 e t4 in sangue. Posso bloccare ipotalamo, che controlla anche ghiandole endocrine.

Retroazione positiva: Amplifica perturbazione, al posto di spegnerla. Genera meccanismi che si autosostengono. Altri meccanismi indipendenti provocano la fine del processo (es. parto). Solo 2 casi:

• Potenziale d’azione (segnale elettrico cellule più importante) => più cariche positive (ioni sodio) entrano in cellula, più canali di sodio si aprono; potenziale di membrana diventa più positivo quando entrano cariche positive.
• Parto => durante parto, pressione di feto su utero provoca rilascio di ossitocina (ormone), che aumenta contrazione utero, che quindi aumenta segnale che fa rilasciare ossitocina —> meccanismo che si autosostiene, ossitocina e contrazione utero si compensano l’uno con l’altro. Quando neonato nasce non c’è più pressione, quindi retroazione positiva finisce. Meccanismi si spengono perché qualcosa da fuori li fa spegnere.

Organismo multicellulare

Ci sono situazioni in cui devo far morire delle cellule per far nascere delle altre. Esempio: embrione —> bimbo nasce con dita palmate, poi dita si staccano.

Plasticità

Non siamo finiti. Sistema può cambiare. Esempio: Sistema nervoso —> posso imparare delle cose. Per farlo devo modificare sinapsi in cervello. Ci sono meccanismi che consentono a sistema di adattarsi in modo irreversibile all’ambiente. Questo è alla base di apprendimento e di allenamento muscolare, ma anche di patologie. Plasticità può essere maladattativa, perché può essere alla base di patologie, come dolore cronico (miei circuiti di dolore si attivano anche quando non devono) —> plasticità patologica.

Flussi

Flusso (J) = quanta sostanza passa in una data superficie in unità di tempo.

Tipi di flusso

• Flusso massivo (volume): volume di sostanza che attraversa unità di superficie in unità di tempo (L/m² s).
• Flusso molare (J_m): quante moli di sostanza passano in unità di tempo e superficie (mol/m² s).
• Densità di corrente (I): quantità di carica che attraversa l’unità di superficie in unità di tempo (A/m² s).

Ioni si muovono —> generano corrente. Considero soprattutto flusso molare e densità di corrente. Essi sono correlati.

Cosa provoca i flussi

Se qualcosa si muove c’è qualcosa che spinge. Flusso può essere provocato da:

• Differenza di concentrazione ΔC (flusso di diffusione) —> J = D × ΔC.
• Differenza di potenziale elettrico —> I = g × ΔV.
• Differenza di pressione (flusso massivo) —> J = k × Δp.

Generalizzazione di questa idea => equazione di Teorell: J = k × X per avere flusso devo avere forza X che spinge. Forza può essere forza di diffusione, forza di potenziale elettrico, differenza di pressione, ecc. Intensità di un flusso è proporzionale a forza che lo genera, e quindi a velocità. k = costante di proporzionalità.

Regime viscoso

Tutto questo avviene perché siamo in regime viscoso. Penso a tubo dell’acqua: se io ho forza che spinge particelle, queste non sono accelerate in vuoto, ma ogni movimento che deve fare particella in acqua subisce scontri con altre particelle. Quando devo spingere qualcosa in regime viscoso attriti tra varie molecole producono legge diversa da F = m × a, quindi non legge accelerativa, ma legge velocità direttamente proporzionale a forza perché quello che farebbe accelerare molecola viene fermato da attriti con tutte le altre. Se cerco di avere flusso, forza spinge le molecole, ma le molecole vengono rallentate.

Flusso di massa

Flusso di massa —> macroscopico. Serve in fisiologia dei sistemi per capire come funziona sistema circolatorio. Esempio: flusso sangue in vasi sanguini è moto a regime viscoso. Normalmente è laminare; in tale moto uno strato infinitamente sottile di liquido, a contatto con la parete del condotto, non si muove; lo strato immediatamente più interno si muove con velocità molto bassa, quello successivo con velocità maggiore, e così via; la velocità è massima al centro della corrente. Il moto del sangue in un vaso sanguigno può diventare turbolento per effetto di una riduzione del diametro del vaso. Se c’è moto turbolento ci sono problemi a livello circolatorio.

Flusso per diffusione

In funzione di temperatura, molecole compiono movimento continuo, si urtano continuamente —> movimento dato da agitazione termica NON lineare. Agitazione termica permette flussi di molecole. Effetti di flussi di molecole sono effetti statistici. Statistically, risultato di movimento caotico di molecole è flusso, che si può vedere anche a livello macroscopico. Flusso per diffusione si verifica quando esiste differenza di concentrazione tra due regioni di soluzione. Si ha allora un flusso di particelle dalla regione più concentrata a quella meno concentrata finché non si raggiunge l’equilibrio. In questo caso la differenza di concentrazione è la forza che spinge (driving force).

Esempio di diffusione

Becher diviso in due da setto impermeabile. Condizione 1: Particelle rosse sono particelle solubili in acqua. In compartimento 2 non ce ne sono. Condizione 2: Se tolgo setto, particelle da compartimento 1 vanno anche a 2, ma da 2 non torna indietro nulla perché prima non c’era nulla. Statistically, probabilità che particella vada da 1 a 2 è più alta rispetto che da 2 a 1. Condizione 3: Particelle cominciano ad andare da 2 a 1. Condizione 4: All’equilibrio numero di particelle che vanno da 1 a 2 e numero di particelle che vanno da 2 a 1 è uguale. Probabilità di movimento di tutte particelle è uguale.

Diffusione è effetto di probabilità di movimento caotico di molecole. Grafico dice che alla fine concentrazione è a metà e rimane stabile all’infinito. Equazione deriva da fatto che posso calcolare moto di diffusione da equazione di Teorell. Equazione di Teorell dice che flusso è direttamente proporzionale a forza che spinge, che in questo caso è forza statistica che è differenza di concentrazione. Diffusione è spinta dalla distribuzione delle concentrazioni. J = D × (C₁ - C₂) Flusso quindi è direttamente proporzionale a differenza di concentrazioni: D = coefficiente di diffusione.

Coefficiente di diffusione

Se sono in soluzione dove c’è attrito (regime viscoso), attorno a una data particella ci sono particelle solvente che continuano a sbattere contro questa particella. Nel vuoto oggetto di massa soggetto ad una forza si muove di moto accelerato (F = ma). In presenza di attrito (regime viscoso), una particella soggetta ad una forza si muove di moto rettilineo uniforme (F = fv). Coefficiente di attrito viscoso f = 6πrη (dove r è raggio di particella e η è viscosità di solvente) indica forza di interazioni tra particella e molecole del solvente. Dipende da:

• Molecole di soluto.
• Molecole di solvente.
• Temperatura (diffusione diventa più rapida se scaldo soluzione).

D dipende da f. Coefficiente di diffusione: D = RT/Nf. R (costante dei gas) = 8.31 J / K·mol. T —> temperatura assoluta. N (numero di Avogadro) = 6.022 x 10²³. Coefficiente di diffusione in acqua o urea è più alto rispetto a proteine come albumina (30 volte più grossa dell’acqua).

Leggi di Fick

La probabilità che le particelle in un punto x₁ si muovano verso un punto x₂ dipende dalla concentrazione in x₁.

I legge di Fick: diffusione è fenomeno statistico; è legge di Teorell riarrangiata in modo da esplicitare la driving force come differenza di concentrazione.

D = coefficiente di diffusione

J = -D × (ΔC/Δx)

Flusso netto di soluto tra x₁ e x₂ è proporzionale a differenza di concentrazione ΔC.

II legge di Fick: tempo necessario finché concentrazione di soluto raggiunga una certa percentuale di concentrazione iniziale a una certa distanza da sorgente di diffusione, cresce con il quadrato della distanza. Infatti, trasporto di materia per diffusione può essere rapidissimo quando le distanze da percorrere sono dell’ordine di μm, ma è processo lentissimo su scala macroscopica.

Esempio su trasporto di glucosio

Glucosio in acqua a 37°, se devo spostarlo di 10 micron, ci vogliono 3,5 secondi. Ma se dovessi far andare stesso glucosio in acqua a 10 cm di distanza, ci metterebbe 11 anni.

Esempio: Ho contenitore con buco. Continuo a vuotare acqua in contenitore, ma intanto acqua esce. Se riempio contenitore meno di quanto riesca a svuotarsi, non riuscirò mai ad alzare livello. Se i flussi di una sostanza in ingresso e in uscita da un compartimento sono diversi, si accumulerà tale sostanza nel compartimento.

Derivata temporale di concentrazione è uguale a derivata seconda dello spazio:

dC/dt = D (d²C/dx²)

Ad un tempo fissato equazione ha soluzione: C = A - Bxe^-Dt. In un punto fissato: C = A - Be^-tt. Con II legge di Fick posso calcolare, se conosco proprietà di sistema, dove vanno particelle, quanto ci mettono e che concentrazione avrò alla fine dell’equilibrio. Il sistema circolatorio porta il sangue in tutto il corpo per flusso massivo (rapido), e dai vasi sanguigni le sostanze vengono scambiate con i tessuti su distanze molto brevi (<1 mm).

Corrente di ioni in soluzione acquosa

Maggior parte di sostanze in ambiente cellulare sono cariche —> anche soggette a forze elettromagnetiche. In nostro corpo elettroni si spostano da soli in respirazione cellulare. In fisiologia, se parliamo di corrente elettrica, parliamo di corrente portata da ioni in soluzione acquosa. Cationi (ioni positivi) migrano verso catodo se metto elettroni, anioni migrano verso anodo.

Flusso elettrico (J_e) —> particelle negative si muovono verso polo positivo e quelle positive verso polo negativo. Flussi diffusivi (J_d) —> tengo conto di spostamento di particelle da soluzione più concentrata ad meno concentrata.

J_e = z × k × (dV/dx)

Flusso dovuto al campo elettrico:

• z = carica ionica
• k = forze che legano ione e solvente

Molecole d’acqua sono dipoli —> forze che determinano mobilità ionica sono diverse rispetto alle particelle non cariche.

Equazione di Nernst - Plank

Uno ione in soluzione acquosa è soggetto a flussi diffusivi e migrazione in campo elettrico. Einstein e Nernst hanno dimostrato che k dipende da coefficiente di diffusione e da...