Fisiologia delle cellule

lunedì 4 gennaio 2021

Fisiologia cellulare

Studio del comportamento delle cellulare, quali sono i meccanismi che

mettono in atto per dare luogo a determinati fenomeni che sono

particolarmente importanti.

Tutto si basa sul principio di complementarietà, secondo cui la funzione

riflette sempre la struttura. Ciò che un organo può fare dipende dalla sua

struttura, che si è evoluta affinché l’organo potesse effettuare quella

determinata funzione. Il riduzionismo in fisiologia:

Consiste nel tentativo di spiegare i fenomeni biologici in base a leggi fisico-

chimiche. Da questo deriva la tendenza a scomporre l’organismo in parti:

organi, tessuti, cellule, componenti subcellulari, molecole.

Questo approccio sperimentale ha avuto molto successo, ma è opportuno

ricordare che l’insieme è più delle parti che lo compongono perché comprende

anche le interazioni tra le parti.

In un organismo i sistemi deputati a mantenere le interazioni tra le parti sono

fondamentalmente il sistema nervoso e il sistema endocrino.

Quindi lo studio dell’organismo si bassa sullo studio delle piccole parti da cui è

composto, andando a capire i singoli meccanismi.

L’organismo umano è fatto da tante parti che interagiscono fra di loro e queste

interazioni sono molto importanti. Esse avvengono grazie al sistema nervoso e

endocrino. Lo studio della fisiologia:

Claude Bernard (1813-78) introdusse il concetto di stabilità dell’ambiente

interno dell’organismo

”Milieu interieur”

Walter Cannon (1871-1945) definì l’omeostasi come la tendenza

dell’organismo a mantenere lo “Stato stazionario” ovvero un ambiente interno

stabile a fronte di modificazioni ambientali

Con la fisiologia studiamo quello che Bernard definiva come milieu interieur

quell’ambiente interiore, che l’organismo tende a tenere stabile a fronte di

tutte quelle modificazioni sia nell’ambiente esterno che interno.

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La vita ha avuto origine nel mare, quindi un ambiente in cui ossigeno, PH, la

salinità non subivano grosse variazioni, cambiava solo la luce e la temperatura.

Nonostante questo gli organismi erano in grado di rispondere a variazioni

delle sostanze nutritive (quindi di spostarsi verso queste sostanze)

Quando anche gli organismi più evoluti si sono trasferiti dal mare verso

ambiente salmastri e poi verso ambienti terresti.

Si son dovuti evolvere e cambiare una serie meccanismi fisiologici, strumentali

e comportamentali che avevano come scopo quello di mantenere l'ambiente

interno costante. Trasferendosi sulla terra l’acqua non è più in continua

disposizione, l’ambiente non è umido, non c’è salinità, la temperatura cambia

drasticamente e l’ossigeno bisogna approvigionarsene per cui ce voluto tutta

una serie di evoluzioni.

Gli animali terrestri come l’uomo tendono a perdere liquidi in un ambiente

esterno asciutto e molto variabile:

superfici corporee impermeabili

Solo una piccola parte di cellule dell’organismo è in contatto diretto con

l’ambiente esterno (le cellule di scambio).

La maggior parte delle cellule è circondata dal fluido extracellulare che

funziona da interfaccia con l’ambiente esterno.

Se mutano le condizioni esterne ciò si riflette sul liquido extracellulare che a

sua volta influenza le cellule, le quali non sono molto tolleranti a variazioni che

si verificano nelle loro immediate vicinanze.

Quando il liquido è diverso dal normale entreranno in gioco tutta una serie di

meccanismi che ripristineranno il liquido nelle sue normali condizioni.

Di conseguenza l’organismo mette in atto una serie di meccanismi per

mantenere invariata la composizione del fluido extracellulare (omeostasi).

omeostasi

L’ ha lo scopo mantenere costante il fluido extracellulare, le cellule

in contatto con l’esterno hanno evoluto il loro sistema di protezione ( strati più

esterni sono cheratinizzati, quindi impermeabili)

Quando ci saranno delle variabili, l’organismo perde il suo equilibrio e si avrà

quello che viene chiamato perdita di omeostasi, quindi l’organismo tende a

compensare questa variazione. Se si ha successo portando la variabile nel suo

ranch di normalità continueremo in condizioni di benessere.

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Quando invece questa compensazione non ha

successo allora andremo incontro a disordine o a

delle patologie.

Abbiamo uno stimolo (variazione/disturbo) che va

a portare una serie di eventi:

Esempio:

Usciamo dalla nostra casa che ce caldo verso un

ambiente freddo quindi la nostra temperatura

corporea inizia a diminuire.

La variazione di glucosio nel sangue durante la

notte si abbassa in quanto sono passate molte ore

dalla cena. Questi stimoli vengono

recepiti da un sensore

sensoriale che controllano

continuamente la variabile

a cui sono deputati.

Quando questi sensori ricevono questi stimoli, tramite

dei neuroni, li portano al centro di integrazione

(centralina di controllo-cervello) e dara luogo a delle

risposte che cercano di portare nella norma il

parametro uscito dall’omeostasi.

Lo stimolo deve essere abbastanza forte da essere

sufficiente per attivare il sensore.

Esempio:

Se la temperatura scende da 20°c a 19,9°c il sensore

non sarà in grado di percepire questa variazione,

mentre se scende a 19,5°c probabilmente lo percepirà

facendo partire la risposta.

Le cellule endocrine invece fanno da se (a se sestanti ) quindi rispondono loro

stesse alle variazioni.

Esempio: Nel pancreas quando il glucosio è troppo alto, le cellule beta produco

insulina che vanno ad abbassare il glucosio.

All’interno dell’organismo ci sono cellule sensoriali in ogni singola parte, all’

interno muscolatura, tendini, articolazioni, e funzionano costantemente.

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La temperatura è uno di quei stimoli che devono essere sempre tenute sotto

controllo, per cui quando essa fuori esce da quella variazione che è ritenuta

nella norma si attivano tutta una serie di stimoli:

•In caso di aumento della temperatura, il termostato

segnala all’ipotalamo (è una piccolissima zona di

encefalo, la parte più antica, ha tantissime funzioni) è il

centro di integrazione controlla la temperatura, questo

stimolo.

Che mette in atto dei processi che abbasseranno la

temperatura:

1.Si dilatano i vasi sanguigni soprattutto i capillari,

aumenta cosi la superficie che fa scorrere il sangue

(cald0) che irradia maggiormente calore. Andiamo così a

perdere calore;

2.Si attivano le ghiandole sudoripare che producono

maggior sudore che si stratificherà sulla pelle e userà la

temperatura corporea per evaporare. Solo mantenendo

in contatto il sudore con la pelle si avrà una perdita di

calore.

•In caso di diminuzione della temperatura, una volta

segnalata all’ipotalamo, vengono messe in atto anche qui

due sistemi:

1.La superficie dei capillari diminuisce in modo da

irradiare meno calore;

2.Vengono attivati delle contrazioni involontarie, i

brividi, della muscolatura che genera calore.

Sistema a feedback negativo in cui lo stimolo iniziale porta una risposta che fa

abbassare lo stimolo iniziale il circuito di risposta poi si inattiva evitando che

ci sia un circolo vizioso (es. la temperatura si continui ad abbassare senza che

ce ne sia bisogno). In genere sono

tutti stimoli negativi in cui la

risposta fa spegnere lo stimolo

iniziale.

Sistema feedback positivo, lo

stimolo iniziale da una risposta e

questo porta a una variazione che

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stimola periodicamente lo stimolo iniziale, si crea un loop. Interviene quindi

uno stimolo esterno che porta ad arrestare questo circolo.

Esempio:

La produzione di ossitocina che avviene durante il parto.

La testa del bambino spinge contro il varco uterino* producendo questo

ormone che inizia a dare delle contrazioni alla muscolatura uterina che

inducono un ulteriore protezione di ossitona, che sua volta porta a maggiori

contrazioni. Il sistema quindi si autosostiene producendo contrazioni sempre

più forti.

E una volta concluso il parto, quindi non avendo più la testa del bambino che

spinge sull’utero, si ha questo arresto del circolo.

CELLULE

La maggior parte delle cellule non sono in contatto con l’ambiente esterno ma

sono circondate da quello che viene comunemente chiamato liquido

interstiziale.

Abbiamo due compartimenti liquidi corporei

1.Liquido intracell

2.Liquido extracellulare

diviso in due

compartimenti:

- liquido interstiziale

- plasma (all’interno dei

vasi)

Gli scambi tra le cell e i vasi avviene solo con i capillari, in quanto le vene e le

aorte hanno pareti più spesse.

La parete che divide il liquido interstiziale dai capillari si chiama endotelio.

Il passaggio di sostanze dal plasma al liquido interstiziale avvengono

abbastanza facilmente. Questo

perché nell’endotelio ci sono degli

spazi che permettono il passaggio di

sostanze più piccole, gli ioni, che si

metteno in equilibrio fra loro (es.

sodio), se è troppo da una parte esso

si sposterà in modo che ci sia la

stessa quantità in entrambe le parti.

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Le molecole più grandi contenute nel plasma (proteine) non riescono a

passare.

Tra liquido interstiziale e intracellulare c’è la membrana cellulare che non

permette il passaggio di sostanze, se non sostanze che sono estremamente

controllate.

Questi liquidi hanno tutti la stessa molarità, è importante che sia mantenuta

costante.

Essa viene mantenuta costante in quanto i diversi ioni non sono ugualmente

distribuiti tra l’interno e l’esterno della cellula.

Ca

Il nella cellula viene segregato all’interno di zone ben particolari e viene

2

liberato solo in determinati

momenti.

Nella cellula ci sono

tantissimi A (anioni), sono

tutte proteine, concentrate

tutte all’interno della cellula

perché non riescono a uscire.

+ −

Na , Cl sono concentrati di

più all'esterno della cellula,

+

K

mentre e A ne troviamo

di più all’ interno della cell

Meccanismi che permettono

il passaggio di sostanze

all’interno della cellula:

• Diffusione semplice, O , CO , N

Si ha quando si parla di piccole molecole senza carica ( , benzene,

2 2 2

H O

, glicerolo etanolo, e anche le vitamine idrofobiche) possono passare senza

2

problemi le membrane cellulari. Questo tipo di meccanismo non richiede

trasportatori, né energia ma seguono il gradiente di concentrazione fino

all’equilibrio;

• Canali ionici,

Sono strutture proteiche che si dipongo all’interno della membrana in modo

da creare un foro che permette il passaggio di alcune sostanze.

Sono selettivi, ogni tipo di canale ionico può passare una determinata ++

Ca

sostanza. Sono selettivi ma non completamente specifici: il canale del

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+

Na

lascia passare anche il ma con un’efficienza 1.000 volte inferiore.

Non tutte le cellule hanno gli stessi canali.

Sono ad accesso controllato:

1. A controllo di potenziale: si apre e si chiude in risposta a variazioni di

voltaggio. All’interno membrana c’è un potenziale elettrico e quando

questo cambia, porta ad aprire e chiudere determinati canali;

2. A controllo di ligando: si apre e si chiude in risposta all’interazione con il

ligando specifico (interno o esterno). Canali che si aprono o chiudono

quando si lega una determinata sostanza;

3. A controllo meccanico si apre e si chiude in risposta a stimolazioni della

membrana. In base a quanto la membrana viene stirata;

• Trasporto attivo,

Molecola che si occupa del trasporto, la più importante è Na/K ATPasi.

Serve per mantenere le concentrazioni intracellulare diverse da quelle

extracellulare. Essa consuma il 20% dell’ATP prodotta dalle cellule, addirittura

nei neuroni consuma il 70%.

+ +

Na K

L’uscita di tre ioni e l’ingresso di due ioni causa la presenza, all’interno

della cellula, di un potenziale elettrico negativo.

Dall’ouabaina (una pianta ) vengono estratte queste sostanze che hanno

proprietà anestetiche e se utilizzate in quantità sopraelevate sono tossiche.

Migliorano l’attività del cuore.

Le sostanze che hanno una concentrazione diversa tendono a cercare di

diffondere.

Il flusso che si genera è sempre proporzionale alla forza che lo genera:

J=UcX

−1 −2

sec cm

J: moli ,

U: mobilità della sostanza in esame

c :concentrazione della sostanza nel tratto percorso

X: è la forza che sposta una mole di materiale

L’equazione di Teorell può essere utilizzata per descrivere i trasporti sia attivi

che passivi.

Ogni volta andrà individuata la forza coniugata al flusso.

Le forze coniugate al flusso possono essere espresse come lavoro compiuto per

spostare una mole in un tratto unitario di percorso.

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L’energia che si traduce in lavoro è parte dell’energia libera del sistema

(trasporto passivo) o è fornita dal metabolismo (trasporto attivo).

Il flusso quindi è la quantità di soluto che attraversa un'area unitaria nell’unità

di tempo.

Questi flussi vengono regolati dalla I° legge di Fick: la diffusione dipende

dalla concentrazione di sostanza e dallo spazio che deve percorrere.

flusso diffusivo

C’è un flusso netto di colorante dalla zona ad alta concentrazione a quelle a

bassa concentrazione

La costante di proporzionalità

dipende dalla mobilità del soluto

è la pendenza del gradiente di

concentrazione

Gli spostamenti di questi ioni avvengono all'interno di un campo elettrico, per

questo è importante anche tenere in considerazione le cariche degli ioni.

All’interno della cellule abbiamo molti anioni (cariche negative), mentre

all’esterno abbiamo cariche positive date dal sodio, quindi sodio. Esso tenderà

ad entrare all’interno della cellula mentre gli anioni tenderanno ad uscire dalla

cellula.

L’equazione di Nernst Planck: ci dice che il flusso di particelle da una

parte all’altra della membrana è proporzionale alla concentrazione segue

gradiente elettrico di concentrazione ed è inversamente proporzionale alla

distanza.

Una differenza di cariche (Δq) ovvero di potenziale elettrico (ΔV) ai due capi

della membrana influenza il movimento degli ioni

Quindi, il flusso di

particelle cariche

dipende non solo dal

gradiente di

concentrazione ma

anche dal gradiente

elettrico

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• Forza osmotica,

Avendo due “contenitori” separati da una membrana impermeabile questo

soluto non riesce a passare da una parte all’altra.

Ma è permeabile all’acqua e essendo un soluto avente concentrazioni diverse

ai due lati della stessa, l’acqua si muoverà cercando di uguagliare le

concentrazioni di soluto ai due lati della membrana.

Questo sistema crea una pressione

idrostatica che va a controbilanciare la

forza di osmosi .

Questa forza osmotica si misura con

π=nRT/V

R: costante dei gas

n: numero di moli

V: volume di soluzione

n/V : concentrazione del soluto

Quanto vale la pressione osmotica di una soluzione fisiologica?

Soluzione di NaCl 150 mM a 25°C P = 5,7 atm

• Trasporto passivo

• Trasporto accoppiato

Molarità (M)

numero di moli in un litro di soluzione

Osmolarità (Osm)

È il numero di particelle che contribuiscono alla pressione osmotica della

soluzione.

Si calcola come il prodotto tra la molarità e il Coefficiente di Van’t Hoff (il

numero di partice

lle di soluto che si formano in seguito alla dissociazione del soluto stesso).

Se il soluto non è un elettrolita e quindi non si dissocia, l'osmolarità è uguale

alla molarità.

Le cellule devono essere isotoniche :

Concentrazione di NaCl nel fluido extracellulare

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La forma della

cellula cambia in

base

all’osmolarità.

Normalmente la

[NaCl]

extracellulare

bilancia la [soluto]

intracellulare. Il Raggrinzita. Normale. Rigon a Lisata

bilancio è

mantenuto dalla Concentrazione: da ipertonica a isotonica a ipotonica

pompa Na-K

ATPasi

Ogni cellula ha un potenziale di membrana a riposo, cioè una differenza

di cariche tra l’esterno e l'interno della membrana.

I canali di voltaggio dipendenti del sodio e di potassio sono chiusi finché non

ci sono variazioni di voltaggio. Ma ci sono dei canali passivi che permettono

questi passaggi (di Na e K), per questo interviene Na/K ATPasi che invece

porta fuori il sodio e riporta dentro il potassio

Il gradiente ionico e la selettività della membrana (cioè quali canali sono

presenti) contribuiscono alla genesi del potenziale di membrana

Il sodio tende entrare sia per gradiente di concentrazione (chimico), quindi in

base alla quantità di soluto presente, sia per gradiente elettrico (carica) grazie

al fatto che è un catione tende a spostarsi verso un ambiente negativo (cioè

quello intracellulare).

Potassio invece per gradiente di

concentrazione tende a uscire verso ambiente

extracellulare, ma essendo anche lui è un

catione il gradiente elettrico si oppone al

passaggio del potassio verso esterno,

riportandolo dentro (sono quindi da

considerare entrambi i gradienti).