Fisiologia cellulare, parte 1

Introduzione

Funzione (Fisiologia) Struttura (Anatomia)

Fisiologia

La fisiologia studia le funzioni vitali degli animali e dell'uomo, anche in modo comparato a vari livelli di complessità. Analizza come l'organismo vivente ottenga e mantenga l'omeostasi del suo mezzo interno a livello molecolare, cellulare e tissutale, nel contesto delle modificazioni dell'ambiente circostante. Studia la biofisica, i meccanismi elettrofisiologici e funzionali dei sistemi di trasporto e comunicazione nelle membrane biologiche, della motilità cellulare, nonché le funzioni specializzate delle singole cellule. Dall'unitarietà delle soluzioni funzionali escogitate dall'evoluzione formula l'enunciazione di leggi fisiologiche di carattere generale. Verifica la validità di tali leggi nei modelli di massima complessità studiando, nell'uomo e negli altri primati, meccanismi e interrelazioni di tutte le funzioni vegetative e i fondamenti generali dell'endocrinologia. Valuta le caratteristiche nutrizionali degli alimenti, lo stato di nutrizione, il dispendio e bisogno energetico, l'utilizzo fisiologico dei nutrienti nella dieta. Studia i fondamenti neurobiologici e psicofisiologici relativi al comportamento e alle interazioni cognitive ed emotive fra il soggetto e l'ambiente. Analizza inoltre il funzionamento integrato dei diversi organi e apparati nel corso delle attività motorie e in condizioni ambientali estreme. Studia infine le potenziali applicazioni di tali conoscenze in campo ambientale, biotecnologico e sportivo.

Organismi unicellulari

• Necessità di isolarsi dal disordine esterno
• Essendo sistemi aperti dipendono dall'ambiente
• Importanza della membrana plasmatica
• Capacità di 'rispondere' all'ambiente => continuo dialogo

→ Da organismi unicellulari a organismi pluricellulari

Organismi pluricellulari

L'aggregazione migliora la capacità di sopravvivenza (sono più resistenti delle singole cellule). Permette di creare ed organizzare un 'ambiente interno' (che si separa dal liquido extracellulare esterno) => organi in grado di mantenere costante e in equilibrio l'ambiente interno: omeostasi (quando viene a mancare questa capacità: malattia).

Sistema integrato

Mantenimento dell'ambiente interno: La membrana della singola cellula coincide a livello macroscopico con la cute (protezione ed emissione di calore, acqua e sali); Ambiente interno formato circa per il 70% da acqua => si parla di compartimenti liquidi dell'organismo: fluido cellulare ed extracellulare; Polmoni: si occupano degli scambi gassosi. Cervello = "organo nobile" che si occupa dell'omeostasi, di mantenere l'equilibrio di tutto l'organismo. Riceve segnali sia interni che esterni (sensori), li elabora ed integra attraverso SNC e ormoni e poi si occupa della regolazione di tutto il corpo. Comportamento = serie di azioni che il cervello mette in atto e che vanno ad influire e determinare le regolazioni necessarie. Sangue = mezzo di comunicazione fluido di tutto il corpo.

• Rene (filtra il sangue e si occupa dell'escrezione di sostanze di rifiuto e tossine)
• Fegato (filtra i prodotti assorbiti a livello intestinale: assunzione di sostanze nutritive, acqua e sali; distribuzione agli organi che ne necessitano attraverso il sangue ed escrezione di sostanze di rifiuto e tossine) (Eliminazione di farmaci perché riconosciuto come qualcosa di estraneo al nostro corpo)

Livelli di organizzazione

1. Chimico
2. Cellulare
3. Tissutale
4. Di organi
5. Di sistemi
6. Di organismo

Bilancio metabolico

Organismo = sistema aperto. Bilancio metabolico: relazione tra ciò che entra ed esce dall'organismo. Scambio di energia => calore! = metabolismo basale (in base all'O₂ consumato a riposo). Reazioni esotermiche => non tutta l'energia è utilizzata, ma in parte viene dissipata sottoforma di calore: il corpo umano non è una macchina ideale.

Fisiologia come scienza integrativa

"Integrazione funzionale comunicazione sistema nervoso → sistema circolatorio => necessità di percepire degli stimoli: organi di senso (“...i nostri sensi e la nostra mente apprendono sì dal mondo esterno, ma in questo processo ci mettono parecchio del loro...” I. Kant) che il cervello fa di tutti i segnali che riceve.

Fisiologia d'organo

Comportamento. Fisiologia dei sistemi integrati: insieme di azioni attivate dal nostro cervello e finalizzate ad un preciso scopo biologico (alimentazione, termoregolazione, accoppiamento, riproduzione, libidine, avversione, curiosità, desiderio, rabbia, paura, invidia).

Comportamenti fondamentali

• Riproduzione
• Alimentazione (fame e sete)

Omeostasi

• Termoregolazione
• Pressione arteriosa
• Comportamenti istintivi
• Battito cardiaco

Comportamenti volontari

La fisiologia comprende etologia, sociologia e psicologia.

Stati motivazionali

(freddo, caldo, fame, sete, sazietà...) = Processi omeostatici (termoregolazione, assunzione di cibo, ecc), che tendono a mantenere l'equilibrio corporeo. Sono situazioni dell'organismo di necessità, che lo portano a fare qualcosa, in seguito a stimoli percepiti da sensori e recettori. Il centro di integrazione di tutto questo è il cervello che riceve segnali dalle vie afferenti e invia risposte con quelle efferenti. => Stimoli + risposte = meccanismo per mantenere l'omeostasi.

Controllo a feed-back negativo

È un meccanismo di anticipazione = meccanismi per cui, man mano che ci si avvicina ad esempio alla temperatura richiesta (nel caso dell'omeostasi termica), il riscaldamento inizia a spegnersi ed accendersi in modo che, appena si raggiunge la temperatura ideale, il sistema si spegne. Tutto questo per arrivare ad una precisione ed accuratezza (evita che si vada troppo sopra/sotto all'obiettivo).

Il sistema è poi sempre collegato ad un comparatore di soglia che elabora a sua volta un comportamento => regolazione. Meccanismi di anticipazione:

1. Inibitoria (feed-back e feed-forward)
2. Stimolatoria

Energia nei sistemi biologici

Bilancio energetico: L'energia rappresenta la capacità di un sistema di svolgere un determinato lavoro. Per poter svolgere il lavoro deve esistere una differenza di potenziale (= forza motrice).

E input macchina termica lavoro ↓ E output (= calore ceduto dalla macchina).

NB: Non è possibile, neanche in linea di principio, realizzare una macchina termica il cui rendimento sia del 100%; implicitamente, il 2º principio della termodinamica sancisce l'impossibilità di realizzare il moto perpetuo e la non reversibilità dei processi termodinamici => definisce una freccia nel tempo.

I principio della termodinamica

Se avviene uno scambio di energia e non di sostanze, sistema chiuso => energia costante. U = Q - W, dove:

• U = energia interna
• Q = calore assorbito
• W = lavoro

• Reazioni esotermiche: ΔH negativo
• Reazioni endotermiche: ΔH positivo

II principio della termodinamica

Ogni reazione spontanea è esotermica. ΔG = ΔH – TΔS. ΔG = entalpia libera, ΔS = entropia, TΔS = calore sviluppato.

Entropia: indica il disordine del sistema. NB: In un sistema chiuso all’aumento di entropia esterna, si ha una perdita di energia libera e quindi del disordine.

Legge: in natura ogni reazione è esotermica

Va verso un maggiore stato di disordine (entropia).

Entropia nei sistemi biologici

Struttura dissipativa: L'organismo scambia energia con l'ambiente esterno e, pur producendo entropia, è capace di autostrutturarsi, acquisendo una qualche organizzazione interna (aumenta l'entropia esterna ma si mantiene l'ordine interno). Tutto questo vale solo per la vita biologica, in cui si verifica un'evoluzione attraverso un ordine (=> è diverso dalla chimica che si riferisce a sistemi aperti puri). In tutti i sistemi biologici avviene una diffusione spontanea: da una zona a maggior concentrazione, a una a minor concentrazione.

Importanza dell'informazione (= entropia negativa) per creare un flusso di energia da un punto ad un altro => si ricostruisce la condizione iniziale tramite l'apporto di informazione (=nega-entropia) ritorno all'ordine.

Poiché l’organismo è un sistema aperto:

• Scambia energia e materiali con l'esterno;
• Assume sostanze nutritive ed emette rifiuti metabolici (scorie);
• Mantiene costante, o abbassa, l'entropia (es. gradienti ionici) => segue il 1º principio della termodinamica;
• È capace di svolgere lavoro continuamente, producendo poca entropia (riesce quindi a mantenere il proprio ordine interno);
• La maggior parte delle vie metaboliche, di solito irreversibili, seguono un equilibrio di flusso. In questo intervengono degli enzimi con la loro capacità di regolare la velocità di reazione.

Nel vivente le analogie con l'impossibilità del moto perpetuo e la freccia del tempo, sono univocamente espresse dal fisiologico processo di invecchiamento = corrispettivo biologico del progressivo e irreversibile aumento di entropia all'interno del corpo, che avviene spontaneamente. => Invecchiamento = unico leggero aumento i entropia all'interno del nostro corpo, che avviene in tempi molto lunghi:

• L'ipotesi puramente genetica si riscontra con una realtà termodinamica;
• L'entropia può aumentare rapidamente anche in presenza di una genetica ”vantaggiosa".

Osmosi, pressione osmotica e oncotica

• Interviene nella regolazione dei fluidi biologici;
• Osmolarità = rapporto tra acqua e sali in essa disciolti. Esiste all'interno del nostro organismo un'osmolarità ematica e extracellulare. È regolata dal bilancio idrico-salino (all'interno del corpo alcune concentrazioni di ioni devono essere costanti).

Questo fenomeno è stato osservato con un esperimento in cui si è notato che, una volta "aperta" la membrana semipermeabile, il liquido aumenta e si sposta nella parte in cui si trova una maggior concentrazione di soluto => H₂O passa da dove il soluto è meno concentrato a dove è più concentrato;

Pressione osmotica = pressione esercitata dall'H₂O (è la forza creata dall'osmosi);

È il movimento di H₂O da una zona dove essa è più concentrata a una dove è meno concentrata [H₂O] = quantità di molecole di acqua in un volume, rispetto alla quantità di soluto. Il soluto, a parità di volume, porta via molecole di H₂O => questa diffonde spontaneamente verso la zona dove è meno concentrata (l'H₂O segue le regole delle sostanze chimiche e va a diluire il soluto dall'altra parte, a parità di volume).

Definizione

• L'osmosi è un tipo speciale di diffusione;
• È il movimento di H₂O attraverso una membrana semipermeabile, da una regione ad alta concentrazione, ad una regione a bassa concentrazione (di H₂O);
• Le molecole disciolte in H₂O (ioni, composti organici, etc) sono dette soluti.

La maggior parte dei soluti non possono attraversare la membrana plasmatica; mentre la [soluto] aumenta, la [H₂O] diminuisce.

• Soluzione ipertonica => alta [soluto]
• Soluzione ipotonica => bassa [soluto]

Si può dedurre una legge: legge di Van't Hoff: Il flusso di H₂O è direttamente proporzionale a nRT o RTC e inversamente proporzionale al V.

NB: Se si applica una forza che va a controbilanciare lo spostamento di volume, i due parametri avrebbero lo stesso valore. Questa forza è la pressione osmotica (forza da applicare per evitare che cambi il volume) = forza esercitata dall'H₂O nel suo movimento per passare in senso opposto attraverso la membrana semipermeabile si calcola applicando una forza in senso contrario finché i due volumi si eguagliano.

Pressione idrostatica = P esercitata da un fluido. All'equilibrio (quando si verifica osmosi), c'è una differente P idrostatica nelle due colonnine di H₂O pressione osmotica delle soluzioni singole:

= RTC₁ = RTC₂

P₁ - P₂ = RT(C₁ - C₂)

La differenza tra le due pressioni mi dà il flusso di H₂O (!)

π = RTC i dove:

• π = pressione osmotica
• R= costante dei gas = 0.0820 [l][atm][mol]^-1[K]^-1;
• T= temperatura assoluta in K;
• C= concentrazione del soluto [mol] [l]^-1;
• i= coefficiente di Van't Hoff, fattore di correzione che tiene conto del numero di molecole in soluzione (derivanti dalla eventuale dissociazione del soluto)

Unità di misura: osmoli (= moli osmoticamente attive nell'unità di volume). NB: Occorre considerare il grado di dissociazione (i) che il soluto presenta => questa misura tiene conto degli strati di idratazione delle molecole => in ambiente acquoso. Osmolarità = osmoli/volume (1 mOsm crea una pressione di 18.4 mmHg pari a 0.0242 atm)

NaCl: 1 mole in acqua si dissocia in 2 ioni => 2 osmoli (Na⁺ e Cl^-) i= 2 perché entrambe le molecole vengon ricoperte vengono ricoperte da uno strato di acqua ed ha quindi 2 strati di idratazione.

Glucosio: 1 mole in acqua non si dissocia in ioni => 1 osmole i=1

OGNI SOLUZIONE SALINA HA LA CAPACITÀ DI GENERARE UN FENOMENO OSMOTICO (OSMOSI) IN FUNZIONE DELLA CONCENTRAZIONE DEL SOLUTO

Osmolarità dei fluidi biologici: regolazione ↔ Osmolarità ematica Osmolarità ECF ↑ Bilancio idrico-salino => a P e T costanti, l’osmolarità è uguale al prodotto tra la molarità e il coefficiente di Van't Hoff (= numero di particelle di soluto che si formano in seguito alla dissociazione del soluto stesso). => La formula della legge (π = RTC i) diventa: π = C i

Es.

NaCl 150 mM (0.15 M) = 0.15 x 2 = 0.3 NaCl: Valori normali: 280-290 mOsm/L o Kg di acqua

Glucosio 150 mM (0.15 M) = 0.15 x 1 = 0.15

Plasma e soluzioni

In fisiologia, a seconda dell'ambiente in cui si mette una cellula, si possono avere 3 differenti casi:

• Plasma isotonico => globuli rossi hanno forma normale e svolgono la loro funzione (nessun flusso netto di acqua)
• Plasma ipotonico => globuli rossi raggrinziscono (flusso d'acqua uscente)
• Plasma ipertonico => globuli rossi si riempiono (flusso d'acqua entrante), si gonfiano e scoppiano (emolisi)

Questo è importante ad esempio per flebo/iniezioni:

• SOLUZIONE FISIOLOGICA = soluzione sterile salina isotonica con il plasma (usata in caso di carenza di liquidi). È formata:
  • Per lo 0.9% dal NaCl => 0.9g in 100 ml = 9g in 1l
  • Per il 6% da glucosio

SOLUZIONE GLUCOSATA = soluzione che contiene glucosio in una soluzione isotonica con il plasma (usata in caso di carenza di liquidi e nutrienti).

Unità di misura

1. Osmolarità: n° di particelle originate da una grammomole di soluto per lt di acqua Osm/L.
2. Osmolalità: n° di particelle originate da una grammomole di soluto per Kg di acqua Osm/Kg. È più corretta perché non risente della temperatura che fa variare il volume di acqua. Nei liquidi corporei (soluzioni diluite) la differenza tra i due valori è <1 %.

La membrana cellulare è permeabile ad alcuni soluti e ad altri no. Tonicità e osmolarità non coincidono nel caso di soluzioni contenenti molecole permeabili attraverso la membrana. Una soluzione isoosmolare di urea (300 mOsm) crea ipotonicità (rigonfiamento) in quanto le molecole di urea diffondono all'interno della cellula creando una pressione osmotica che richiama acqua, con conseguente aumento del volume cellulare. L'urea è creata dal fegato: prende aa, stacca da questi il gruppo amminico e usa i carboni per produrre zucchero. L'ammoniaca che rimane è tossica per l'organismo => il fegato la trasforma in urea che può passare la membrana cellulare nonostante le grosse dimensioni. L'urea fa aumentare l'osmolarità del GR che si gonfia proprio perché questa molecola è in grado di trapassarne la membrana.

Malattia: uricemia malattia "dei ricchi" che mangiavano pochi carboidrati e tante proteine.

Concentrazioni da mantenere

Concentrazioni che devono essere mantenute all'interno delle nostre cellule (altrimenti si rischia la morte). Diversità di concentrazioni ioniche del liquido intracellulare, interstiziale e plasmatico. C'è corrispondenza tra liquido interstiziale e plasmatico, che sono in contatto.