Fisiologia cellulare (omeostasi, trasduzione segnale, canali ionici, recettori)

Fisiologia cellulare

Omeostasi

Per capire il concetto di omeostasi bisogna tornare ai primi studi iniziati da Claude Bernard (fisiologo francese dell'800), che è definito il padre della fisiologia moderna. Fu il primo a definire il concetto di ambiente interno o “milieu interieur” e a porre l'accento sull’importanza, per gli esseri viventi, di aver sviluppato nel corso dell’evoluzione dei meccanismi per preservare l’ambiente interno, quindi interno a una cellula negli organismi unicellulari o interno a un organismo nel caso di quelli pluricellulari come l’uomo.

Questo equilibrio consiste nella costanza dei fattori chimico-fisici rispetto all’ambiente esterno. Basti pensare agli animali omeotermi rispetto agli eterotermi e al vantaggio che i primi hanno avuto. Quindi è il confronto con l’ambiente esterno e la capacità di non variare più di tanto le condizioni interne rispetto alle variazioni che possono avvenire all’esterno che conferisce un vantaggio evolutivo secondo Bernard.

Questo concetto fu preso e poi sviluppato da un fisiologo americano Walter Cannon (vissuto a cavallo tra ’800 e ’900), che introdusse il concetto di omeostasi dell’ambiente interno più che di costanza. L’ambiente interno non deve essere rigidamente fissato a dei parametri ben definiti, ma deve mantenersi entro un intervallo che non si discosti troppo da dei valori di riferimento. Questo è raggiunto tramite dei meccanismi attivi che fanno sì che l’ambiente interno non sia costante ma sia in uno stato di equilibrio dinamico.

Quindi esiste un valore di riferimento o un set up intorno al quale una serie di variabili fisico-chimiche di una cellula, di un tessuto o di un organismo tendono nel corso del tempo. Queste variabili possono essere ad esempio il pH plasmatico, la pressione parziale di ossigeno, la [Ca], la temperatura corporea, la glicemia etc.

Nel caso della glicemia, ad esempio, i valori di riferimento sono intorno ai 100 mg/dl, ma il valore di glucosio del sangue non è sempre fisso a quel livello. Dopo un pasto ci sono delle oscillazioni verso l’alto e la secrezione di insulina da parte delle cellule beta del pancreas abbassa i valori di glicemia anche al di sotto di quelli normali, poi con una serie di meccanismi compensatori di stimoli positivi e negativi si raggiunge di nuovo il valore di riferimento. Questo vale per tutti i parametri.

Ci sono dei parametri che possono oscillare di più, come la glicemia, e altri che non possono oscillare molto, come la [Ca²⁺] plasmatica, perché ha delle conseguenze importanti. I sistemi biologici sono dei sistemi stabili ma lontani dall’equilibrio termodinamico.

Un altro concetto molto utilizzato per descrivere il concetto di omeostasi è il concetto di stato stazionario. In biochimica si parla di reazioni allo stato stazionario quando c’è un equilibrio tra la formazione dei prodotti e la riformazione dei reagenti a partire dai prodotti stessi. Quindi è un equilibrio dinamico. La stessa cosa si può applicare a sistemi complessi.

Nel caso di una cellula all’interno della quale c’è una certa concentrazione idrogenionica, elettrolitica, di nutrienti etc., un approccio è quello di far sì che questa cellula abbia una membrana talmente impermeabile, talmente spessa che i contatti con l’esterno siano praticamente nulli. Quindi un modo di mantenere la costanza è quello di isolarsi completamente dall’ambiente esterno e di non accettare scambi di materiale con l’esterno né in un senso né nell’altro.

Una seconda ipotesi invece è quella di aprirsi all’esterno, quindi di massimizzare gli scambi con l’ambiente esterno.

Questo secondo approccio è quello che avviene negli organismi viventi: cioè prendono energia dall’ambiente e in continuazione producono delle attività e quindi agiscono sul mondo esterno. Sono dei sistemi che comunicano ampiamente con l’esterno, sistemi aperti. È comunque presente una barriera che però non è impermeabile ma fa passare in maniera selettiva diversi tipi di informazioni e di energie.

Tutto ciò vale per le cellule, che ricevono nutrienti e che comunicano con l’esterno tramite canali e recettori e tramite la matrice extracellulare che spesso è collegata a proteine citoscheletriche interne, ma è vero anche per organismi complessi come siamo noi. L’uomo riceve informazioni sensoriali, termiche, elettriche, visive, meccaniche dall’esterno, le elabora e le trasforma in segnali che escono.

Ovviamente noi siamo un sistema molto complesso perché sono presenti molte vie di ingresso, sono presenti vari sistemi che elaborano le informazioni e comunicano tra loro. Infatti ciò che succede in un punto dell’organismo non è mai ignorato dal resto dell’organismo.

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Se si inizia un’attività fisica intensa i muscoli richiedono una quantità maggiore di ossigeno e di nutrienti. Questo è possibile perché il cuore inizia ad aumentare la gittata cardiaca, avviene una vasodilatazione delle arteriole che irrorano il muscolo scheletrico a discapito delle arteriole che portano sangue al sistema splancnico (stomaco, intestino, fegato). I polmoni ricevono dai chemiocettori il segnale che si sta abbassando la pressione parziale di ossigeno e sta aumentando la concentrazione di CO₂ e di H⁺ prodotti dall’aumentato catabolismo delle cellule muscolari.

Tutto ciò è regolato dal sistema nervoso autonomo (per i meccanismi di riflesso) e centrale (per i meccanismi predittivi o di feedforward). Non siamo un sistema lineare, quindi non c’è proporzionalità tra gli input in entrata e gli output in uscita, ma un’elaborazione delle informazioni per un’ottimizzazione del funzionamento dell’organismo.

Perché questo avvenga devono esserci dei sistemi di controllo dei valori rispetto a dei parametri di riferimento. Nel corpo umano ci sono strutture specializzate a controllare i valori come la pressione arteriosa tra 80 e 120, la pressione parziale di ossigeno attorno a 95 mmHg, il pH a 7,4 e dei sistemi che aggiustino questi valori quando sono alterati.

Quindi è presente un segnale comando che stabilisce il set point. Nel caso della temperatura corporea questo si trova a livello ipotalamico, dove è stabilita dal set point la temperatura di 37°. Poi sono presenti sistemi che controllano che la temperatura sia mantenuta a questo valore e se si discosta da 37° vengono attivati meccanismi forzati che riportano la temperatura al valore stabilito dal set point.

Poiché il corpo è un sistema aperto questo valore va incontro a perturbazioni al variare della temperatura esterna. Quindi per mantenere l’omeostasi rispetto a questa variabile sono presenti diversi meccanismi. Questi sono sistemi di controllo retroattivi o a feedback e sistemi di controllo predittivi o a feedforward.

Per i sistemi a feedback la perturbazione porta alla variazione del valore nell’organismo rilevata dai sistemi di controllo che porta all’attivazione di meccanismi per riportare il valore entro i parametri stabiliti. Questa risposta viene definita a feedback perché una volta che la variabile è ritornata nei valori normali il segnale si spegne.

Quindi la risposta rimane attiva finché è attivo il segnale che viene dal sistema di controllo, quando il segnale si spegne perché è stato raggiunto di nuovo il valore normale anche la risposta si spegne.

Il sistema di controllo predittivo o a feedforward si basa sul fatto che la perturbazione che sta per arrivare al sistema, contemporaneamente arriva anche al sensore. Quindi c’è un guadagno di tempo in quanto il sensore è avvisato prima che arrivi la perturbazione e potrà mettere in atto dei meccanismi per evitare che la variabile venga modificata.

Quindi è un meccanismo più efficiente con un minore dispendio di energia ma è più complesso e meno diffuso. È molto presente nel sistema nervoso centrale e nei meccanismi collegati all’apprendimento, in quanto si basa su esperienze pregresse dalle quali il SNC ha “appreso” che un determinato stimolo porterà alla variazione di un determinato valore nell’organismo e quindi “predice” che ci sarà quella variazione e mette in atto preventivamente meccanismi per contrastarla.

Controllo della temperatura corporea

La capacità di saper controllare la temperatura corporea ha fornito agli animali omeotermi un enorme vantaggio evolutivo in quanto anche a grandi variazioni della temperatura esterna la temperatura interna può essere mantenuta pressoché costante e quindi sono mantenute attive le funzioni vitali, a differenza degli eterotermi per i quali la temperatura interna è invece direttamente proporzionale a quella esterna.

Per quanto riguarda l’uomo innanzitutto la temperatura corporea non è uguale in ogni distretto. Quando diciamo che la temperatura corporea è di 37° ci riferiamo al “core” o nucleo centrale. Mano a mano che ci si allontana dal nucleo centrale c’è un abbassamento della temperatura. Alle estremità la temperatura è più bassa e la sua variazione è regolata dal sistema circolatorio.

Quindi quando la temperatura esterna è molto bassa la circolazione a livello periferico diminuisce per mantenere costante la temperatura del “core”, in quanto si disperde meno calore. Nella situazione opposta si ha vasodilatazione delle arteriole delle estremità e c’è un maggiore scambio di calore con l’esterno.

A livello ipotalamico è presente il set point e nell’ipotalamo anteriore sono presenti i sensori che rilevano la temperatura a livello locale, all’ipotalamo posteriore giungono le afferenze periferiche, quindi informazioni che provengono dalla cute. Nell’ipotalamo vengono integrate le informazioni provenienti dai sensori locali (ipotalamo anteriore) e quelli periferici (ipotalamo posteriore).

L’ipotalamo rielabora queste informazioni e a seconda della variazione della temperatura mette in atto meccanismi di termogenesi o di termodispersione.

La termogenesi basale è a spese principalmente delle cellule del fegato. Queste hanno infatti un’intensa attività metabolica e tutte le reazioni chimiche che avvengono in una cellula disperdono energia sotto forma di calore. La stessa cosa avviene nel tessuto muscolare dove solo ¼ dell’energia fornita dai combustibili (glucosio, acidi grassi) viene trasformata in energia meccanica, il resto si disperde come energia termica. Quindi anche l’attività muscolare è un’importantissima fonte di calore.

La risposta ad un abbassamento della temperatura si può definire come una termogenesi con brivido e una termogenesi senza brivido. La prima prevede il coinvolgimento dei muscoli scheletrici tramite la contrazione dei muscoli agonisti e antagonisti che non producono movimento ma producono calore.

La termogenesi senza brivido è più articolata. Ad esempio la piloerezione (pelle d’oca), pur non producendo calore, ne riduce però la dispersione perché sollevando i peli forma una camera d’aria tra la cute e i peli che isola parzialmente il corpo dall’esterno.

Un altro meccanismo è legato all’aumento del metabolismo, quindi l’attivazione del sistema nervoso autonomo con il rilascio di adrenalina e noradrenalina, ormoni coinvolti nell’aumento del metabolismo di tutto il corpo, e un’aumentata produzione di ormoni tiroidei che ugualmente determina un aumento del metabolismo (uno degli effetti dell’ipertiroidismo è infatti la sensazione di elevata temperatura). Un altro esempio ancora è la lipolisi del grasso bruno, soprattutto nel neonato, nella quale vengono bruciati grassi per produrre calore.

La termodispersione può avvenire in vari modi: irraggiamento, conduzione, convezione, evaporazione.

• L’irraggiamento è la perdita di calore attraverso raggi termici.
• La conduzione è la dispersione di calore attraverso aria o acqua.
• La convezione è la capacità di cambiare frequentemente l’aria che è a contatto con il nostro corpo.
• L’evaporazione avviene attraverso le mucose, quando respiriamo e l’aria viene saturata in un processo in cui l’acqua passa dallo stato liquido a quello gassoso di vapore acqueo che richiede energia termica che viene così rilasciata dal corpo. Stessa cosa avviene sulla superficie cutanea con il sudore prodotto dalle ghiandole sudoripare.
• Altri meccanismi importanti sono quelli circolatori controllati dal sistema nervoso autonomo. Il sistema circolatorio predilige l’apertura o la chiusura di certi vasi. Nel caso di esposizione a basse temperature viene prediletto il ritorno venoso di vene adiacenti alle arterie per evitare un’eccessiva dispersione di calore (scambio controcorrente). Quando la temperatura esterna è elevata viene privilegiata la circolazione a livello dei vasi periferici per favorire invece la dispersione.

Oltre alla capacità di mantenere costanti certi valori, il vantaggio evolutivo degli omeotermi è anche quello di saper variare il set point. Un esempio è la febbre. Quando abbiamo un’infezione batterica sia il lipopolisaccaride della parete batterica sia l’interleuchina-1 prodotta in risposta ad un’infezione esterna possono agire a livello ipotalamico e variare il set point attivando tutti i meccanismi descritti di termogenesi per adattare la temperatura al nuovo set point.

L’innalzamento della temperatura anche solo di alcuni gradi ostacola fortemente la proliferazione batterica. Quindi la febbre è un importantissimo meccanismo di difesa.

In conclusione questo è un sistema plastico che si adatta alle esigenze contingenti del corpo variando i set point per fornire risposte adeguate alle varie situazioni che l’organismo si trova a fronteggiare.

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Meccanismi di trasduzione del segnale

Per gli organismi multicellulari è necessario coordinare il movimento cellulare, le azioni cellulari e la risposta intracellulare in modo tale che ci sia un risultato coerente con un dato stimolo. Per fare questo dobbiamo trasmettere e ricevere delle informazioni attraverso sistemi che sono perlopiù sistemi chiusi. La membrana deve avere una serie di molecole (di natura proteica) che le consentono di intercettare i segnali.

Una grandissima parte di patologie ha a che fare con malfunzionamenti di meccanismi di trasporto, motivo per cui moltissimi farmaci vanno ad interagire con questi sistemi di trasporto.

Si ricordi che la membrana è costituita da un doppio strato fosfolipidico in cui le molecole anfipatiche si dispongono in maniera tale che la parte non polare si trovi all'interno, mentre la parte polare sia nell'interfaccia tra la membrana e il liquido.

Nella membrana albergano molecole, soprattutto molecole proteiche che possono anche presentare una porzione glicosilata o lipidica, che possono avere diversi tipi di allocazione:

• Proteine integrali: sporgono su entrambi i lati della membrana, tutti i canali ionici sono proteine integrali.
• Proteine estrinseche/intrinseche: proteine che non attraversano completamente la membrana, ma che sporgono solo su uno dei due lati.

Le cellule sono delle vere e proprie macchine chimiche che funzionano sulla base di una corretta sequenza di reazioni chimiche. Un gradiente di concentrazione è qualcosa di necessario affinché ci sia una diffusione netta in una direzione finché non si raggiunge un equilibrio; quando il processo diffusivo continua imperterrito, in questo caso però il flusso netto di molecole è equivalente in entrambe le direzioni, si parla quindi di equilibrio dinamico.

Esistono molecole che possono attraversare la membrana solo seguendo il gradiente di concentrazione, come per esempio la CO₂, mentre altre molecole non possono passare spontaneamente, o comunque ne passa una percentuale irrilevante: perlopiù si tratta di molecole idrosolubili e di ioni e oltrepassano la barriera grazie a proteine di trasporto.

Bisogna distinguere i processi di scambio in attivi (primario e secondario) e passivi attraverso le membrane cellulari.

Il tipo più semplice di trasporto passivo è la diffusione: quanto più facilmente la molecola si muove nella barriera tanto più rapida sarà la diffusione; per ogni tipo di barriera e ogni molecola di interesse è possibile definire un coefficiente di diffusione, che dipende dalle proprietà chimico-fisiche della barriera (viscosità) e della molecola (dimensione molecolare e mobilità nella matrice della barriera).

• Il flusso diffusivo da un compartimento all’altro è ovviamente proporzionale alla concentrazione della molecola nel compartimento di partenza. Ne consegue che il flusso netto tra due compartimenti è proporzionale alla differenza di concentrazione.
• Queste osservazioni si riassumono nella legge di Fick: A = S × D × (C₁ − C₂).

Questa legge è applicabile anche allo scambio di gas a livello alveolare, in caso di fibrosi o di edema polmonare si ha un ispessimento della parete alveolare che determina una minore diffusione dell'ossigeno.

La diffusione di una sostanza da un compartimento all’altro può avvenire anche attraverso i pori,