Fisiologia generale

Prof. Martignani

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Fisiologia

Studia le funzioni di un organismo vivente; studia come le cellule si organizzano in tessuti; studia come le cellule interagiscono; studia come i tessuti contribuiscono a formare gli organi; studia come gli organi contribuiscono a formare l'organismo.

L'omeostasi

L'omeostasi è il mantenimento delle condizioni stabili, affinché l'organismo espleti certe funzioni. Alcuni fattori devono mantenersi entro certi limiti; nel caso in cui variano, l'organismo attua la risposta per controbilanciare la situazione.

Vi sono due tipi di adattamenti per tenere sotto controllo i fattori:

• A rapido adattamento, sistema nervoso, è rapido perché il requisito minimo per arrivare alla cellula bersaglio è una fibra nervosa che comunica con la cellula, vi sono diverse sezioni:
  • Sensitiva, per monitorare;
  • Di integrazione;
  • Motoria o effettore.
• A lento adattamento, sistema ormonale, è lento perché gli ormoni circolano nel sangue e devono essere prodotti.

Comunicazione tra cellule

Vi possono essere diverse comunicazioni:

• Tramite messaggi chimici, le molecole prodotte dalle cellule viaggiano e arrivano sulle cellule bersaglio e generano una risposta, può essere di tipo:
  • Endocrina, il messaggio è liberato nel sangue, quindi è un ormone;
  • Apocrina, il messaggio deve percorrere una distanza breve, è liberato per esocitosi e si propaga nella matrice extracellulare;
  • Autocrina, la cellula stimola o inibisce sé stessa;
  • Epicrina, il messaggio è immobilizzato sulla superficie della cellula quindi c'è bisogno di un contatto;
  • Neurocrina, un neurone rilascia molecole neurotrasmettitrici nel sangue.
• Tramite messaggi elettrici, con eventi elettrici, due cellule a contatto nel cuore sono stretto contatto, ci sono delle proteine che creano delle gap junction che mettono in comunicazione i citoplasmi delle cellule, da qui passano gli ioni; le gap junction sembrano un sincizio in cui le cellule però sono polinucleate.
• Tramite microvescicole, studiato negli ultimi anni, si basa sulla produzione di queste che vengono inviate ad altre cellule che le inglobano.

La risposta delle cellule dipende dai recettori che possiedono, la cellula può variare la sensibilità all'ambiente circostante usando diversi recettori. Se il recettore è esposto sulla superficie esterna, la cellula deve avere dei sistemi interni per trasdurre il messaggio, inviare un secondo messaggio e generare una risposta. Se i ligandi riescono a passare la membrana, il recettore può trovarsi direttamente dentro il citoplasma, passa poi al nucleo per variare l'espressione genica. La diversa struttura determinano la specificità e la capacità di formare un secondo messaggio.

Cellule

Nei mammiferi sono più o meno 100 miliardi, e sono suddivisi in circa 200 classi diverse. Ogni cellula ha diversa:

• Forma;
• Dimensione;
• Struttura interna;
• Funzione.

La specializzazione delle cellule garantisce la vita. Ogni cellula è fatta di:

• Acqua, per il 70-80%;
• Elettroliti;
• Proteine, 10-20%;
• Lipidi, 20%;
• Carboidrati, 1%;
• Acido nucleico.

Membrana

La membrana è di 7-10 nm circa, le proteine ne compongono dal 25 al 75%, i fosfolipidi circa il 50%, il colesterolo il 13%, altri lipidi il 4% mentre i carboidrati il 3%. Separa i due ambienti con diverse composizioni, fa quindi da barriera. Le proteine intrinseche mettono in comunicazione i due ambienti in modo regolato.

Fosfolipidi

I fosfolipidi hanno una testa idrofila polare e una coda lipofila, sono quindi molecole anfipatiche. Nella membrana formano un doppio strato, possono variare la lunghezza della loro coda e il numero dei doppi legami, una catena senza doppi legami è più ordinata, si ha quindi una membrana più rigida e facilmente rompibile. I doppi legami infatti garantiscono la fluidità e possono permettere alla membrana di cambiare la morfologia.

Si distinguono in diversi tipi a seconda della composizione della testa:

• Etanolamina;
• Serina;
• Colina;
• Sfingomielina.

La membrana è un modello a mosaico fluido perché sono facilitati i movimenti dei fosfolipidi perché sono legati da legami non covalenti. Si possono avere diversi movimenti:

• Diffusione laterale;
• Rotazione, aumenta la fluidità;
• Inversione flip-flop, per far andare i nuovi fosfolipidi sul versante extracellulare e viceversa.

Il colesterolo, essendo una molecola lipofila con quattro anelli aromatici, è più rigida e quindi aumenta la rigidità nella porzione di membrana in cui è presente, raft, limita la libertà di movimento dei fosfolipidi.

Proteine

Possono essere di due tipi:

• Intrinseche o integrali, attraversano il doppio strato quindi vi sono una:
  • Porzione extracellulare;
  • Porzione transmembrana, ricca di amminoacidi lipofili che quindi sono in grado di rimanere in soluzione con i fosfolipidi;
  • Coda citoplasmatica.
  Sono perciò anfipatiche, sono recettori canali e comprendono circa il 70% del totale delle proteine di membrana;
• Estrinseche o periferiche, sporgono solo da un lato, di solito nel citoplasma, sono quelle regolatrici.

Carboidrati

La glicosilazione è l'unione di carboidrati e proteine. Sono per lo più glicoproteine al 90% e poi glicolipidi al 10%, formano il glicocalice che riveste la cellula, determinano carica negativa netta e permettono l'adesione tra cellule. Sono recettori di altre molecole e per il sistema immunitario.

Trasporti

Trasporti passivi

Le sostanze si muovono secondo gradiente di concentrazione ed elettrico, durante questo tipo di passaggio viene liberata energia potenziale. Per molecole neutre il trasporto è sempre da alta a bassa concentrazione.

• Diffusione attraverso il doppio strato fosfolipidico, gli elementi passano senza problema se sono sostanze liposolubili. Possono passare gas respiratori, ormoni steroidei, vitamine liposolubili. Acqua e urea non sono liposolubili ma passano comunque, l'acqua è molto piccola e passa nei canali chiamati acquaporine. L'acqua diffonde verso il lato con l'osmolarità più alta, cioè con concentrazione di acqua più bassa, ciò è definito osmosi e determina un aumento del volume cellulare. Una sostanza che non lo modifica è detta isotonica, mentre quelle che ne determinano un aumento o una riduzione sono dette ipotoniche e ipertoniche. La tendenza dell'acqua a muoversi è bilanciata dalla pressione osmotica che segue la legge di Boyle e quella di Van't Hoff:
  • ^P = ^π = ^i×R×T×C
  La quantità di particelle in una soluzione può essere definita per litro, osmolarità, o per kg di solvente, osmolalità. Un osmole è il numero di particelle osmoticamente attive che se dissolte in 22,4 L di solvente a 0°C genera una pressione osmotica di 1 atm. Una soluzione con 1 Osm/L contiene una quantità di grammi pari al peso molecolare di una sostanza non ionizzata o al peso molecolare di una sostanza ionizzata divisa il numero di ioni liberi.
• Diffusione facilitata, alcune delle proteine di membrana creano pori o canali per il passaggio di sostanze idrofile. Passano per lo più ioni e per questo vengono definiti canali ionici. I canali ionici hanno una certa selettività: se nel canale abbondano le cariche negative possono passare gli ioni positivi, gli ioni che passano devono rispettare il diametro del canale, si tiene conto quindi del raggio idrato. Un'eccezione è rappresentata dalle giunzioni comunicanti che hanno un diametro sufficientemente grande per far passare anche piccole molecole organiche.
• Diffusione con carrier, molte molecole idrofile possono passare passivamente, queste si legano a proteine trasportatrici il cui legame ne modifica la conformazione provocando l'esposizione della molecola sull'altro versante. L'apertura di questi carrier può essere regolata dal voltaggio o dal controllo chimico. Questo trasporto è più specifico e limitato, inoltre può subire competizione se i carrier possono legare diverse sostanze.

Trasporti attivi

Per essere attuati richiedono energia, in questo caso è possibile il passaggio contro gradiente. Anche questi hanno bisogno di proteine trasportatrici e hanno le stesse caratteristiche. Questo tipo di proteine sono definite pompe e possono verificarsi in due modalità:

• Primario, utilizza ATP come energia, la proteina lo idrolizza e ne utilizza una parte.
• Secondario, utilizza energia potenziale immagazzinata sotto forma di differenza di concentrazione di un particolare ione, questo tipo di trasporto di solito è accoppiato ad un simultaneo trasferimento dello ione secondo il suo gradiente elettrochimico con una riduzione dell'energia potenziale dello ione in parte utilizzata per il trasporto.

La pompa più importante è quella Na⁺/K⁺: trasferisce gli ioni Na⁺ all'esterno e ne fa fluire K⁺ all'interno, è responsabile del mantenimento delle differenze di concentrazione di questi due ioni e del potenziale elettrico negativo all'interno della cellula, è alla base del processo di trasmissione dei segnali nel sistema nervoso. I mitocondri usano l'energia potenziale degli ioni idrogeno per fosforilare l'ADP in ATP, l'enzima che fa ciò è in origine una pompa ionica ATP dipendente che opera al contrario.

• Un solo tipo di ione: Uniporto
• Due contemporaneamente nello stesso versante della cellula: Simporto
• Due contemporaneamente in direzioni opposte: Antiporto

Effetto Gibbs-Donnan

L'effetto Gibbs-Donnan è l'equilibrio passivo, in cui la diffusione di ioni avviene senza utilizzo di energia, a cui arriva un gradiente di specie ioniche separate da una membrana dove una specie non è diffusibile attraverso essa. Nelle membrane cellulari le proteine rappresentano la specie non diffusibile, questa fa sì che dalla parte della membrana di queste gli ioni con lo stesso segno avranno concentrazione minore, e quelli di segno opposto maggiore.

Nell'equilibrio di Gibbs-Donnan delle membrane cellulari, si crea un gradiente proteico tra le due facce della membrana, il cui lato a più alta concentrazione richiama acqua con un aumento della pressione osmotica, tuttavia il prodotto delle concentrazione delle specie ioniche diffusibile rimane uguale sui due versanti:

• [K⁺] × [Cl^-] × [Na⁺]_A = [K⁺] × [Cl^-] × [Na⁺]_B

Le concentrazioni dei singoli ioni non saranno uguali, poiché compenseranno la carica che la proteina presenta. Dunque, in linea di massima, è possibile affermare che, in una cellula, la concentrazione di sostanze osmoticamente attive è maggiore dove sono presenti ioni non diffusibili. Le cellule contengono un eccesso di questo anioni perciò vi è una distribuzione ineguale tra cationi e anioni diffusibile anche in assenza di trasporto attivo, i cationi all'interno sono più numerosi, la cellula tende a gonfiarsi per gli effetti osmotici e lo spostamento degli ioni determina un potenziale elettrico.

Bisogna ricordare però che la cellula è solo un sistema Donnan-simile poiché la membrana non perfettamente semipermeabile, il mezzo intracellulare non è una soluzione acquosa omogenea, nella cellula gli ioni diffusibile non sono completamente dissociati.

Fenomeni elettrici

In quasi tutte le cellule dell'organismo si generano potenziali elettrici a livello della membrana, il sistema nervoso utilizza dei potenziali d'azione per trasferire velocemente le informazioni. In altre cellule, come quelle ghiandolari, i macrofagi e le cellule ciliate, le variazioni di potenziale sono importanti anche per altre funzioni cellulari. Le cellule che possono generare i potenziali d'azione sono dette eccitabili, queste posseggono particolari canali ionici permeabili a Na⁺ e Ca²⁺. Quasi tutte le cellule posseggono un voltaggio negativo nella parte citosolica in paragone al versante extracellulare, i valori assoluti possono essere differenti ma restano nell'intervallo tra -60 e -90 mV.

All'inizio si ha un accumulo di cariche negative all'interno mentre all'esterno vi è un accumulo di cariche positive per la fuoriuscita di K⁺ secondo gradiente, in questo modo si crea un gradiente elettrico che si oppone all'uscita degli ioni positivi. Esiste un potenziale d'equilibrio per cui il gradiente elettrico è in equilibrio con quello chimico, in questo momento il flusso di K⁺ che esce è uguale a quello che entra, il valore si ricava grazie all'equazione di Nernst:

E(K⁺) = (R × T / z × F) × log₁₀([K⁺]_e / [K⁺]_i)

• E = Differenza di potenziale tra i due versanti
• R = Costante dei gas
• T = Temperatura in Kelvin
• z = Valenza dello ione
• F = Costante di Faraday

Da questa equazione risulta che nella cellula nervosa il potenziale d'equilibrio è di -90mV ma in realtà è di -70mV perché sono coinvolti altri ioni. In questo caso il K⁺ tende ad uscire per raggiungere il suo potenziale. L'equazione di Nernst definisce il rapporto tra potenziale e differenza di concentrazione. Siccome la membrana è permeabile a diversi ioni si fa uso dell'equazione di Goldman-Hodgkin-Katz che pesa i diversi contributi:

E = (R × T / F) × ln((P_K[K⁺] + P_Na[Na⁺] + ...)_e / (P_K[K⁺] + P_Na[Na⁺] + ...)_i)

Per ottenere una stima accurata del potenziale a riposo è sufficiente tener conto degli ioni maggiormente coinvolti: Na⁺, K⁺, Cl^-. In condizioni di riposo quest'equazione descrive il potenziale di un sistema in equilibrio dinamico che richiede energia per essere mantenuto. L'influenza di una specie ionica aumenta all'aumentare della permeabilità della membrana a quello ione. Se prevale la permeabilità ad una specie, il potenziale di membrana sarà vicino a quello di equilibrio di quella specie. Il potenziale negativo della membrana è dovuto ad una permeabilità maggiore per i K⁺ rispetto agli altri. Se si verifica uno spostamento verso valori più positivi si dice che la membrana viene depolarizzata, al contrario viene invece iperpolarizzata verso valori negativi. Le varie tipologie di segnale si basano su rapide modificazioni della permeabilità.

La membrana si comporta come un condensatore: le cariche positive e negative rimangono in equilibrio tranne che a ridosso della membrana altrimenti si genererebbero forti potenziali elettrici. Per mantenere il potenziale deve essere trasferito un numero piccolissimo di ioni, per questo basta creare una coppia di dipoli a cavallo della membrana. Per cambiare il potenziale devono muoversi pochissimi ioni.

Quando una cellula viene iperpolarizzata il potenziale di membrana aumenta proporzionalmente all'ampiezza della corrente, quando invece la cellula viene depolarizzata oltre un certo valore soglia:

• Si innesca un potenziale d'azione in un tempo inferiore a 0,5-1 ms, il potenziale passa dal valore soglia di -60 mV ad un valore positivo compreso tra 20 e 50 mV (depolarizzazione).
• Entro 1 ms il potenziale ritorna al valore di riposo (ripolarizzazione).
• Durante i millisecondi successivi la cellula resta debolmente iperpolarizzata (iperpolarizzazione postuma).

Il potenziale d'azione è del tipo tutto o nulla, ciò significa che la sua ampiezza e la sua forma sono costanti e indipendenti dall'intensità dello stimolo, per questo tutti i potenziali sono simili. Non è possibile generare un nuovo potenziale subito dopo il primo, il periodo di ineccitabilità della cellula è detto refrattarietà assoluta. Per tutto il periodo in cui la cellula è iperpolarizzata si parla di refrattarietà relativa in quanto è necessario uno stimolo maggiore del valore di soglia per depolarizzare la membrana.

Oltre ai canali per il potassio sempre aperti, i principali canali responsabili del potenziale nelle cellule muscolari e negli assoni sono quelli permeabili al sodio che sono voltaggio dipendenti: quando il potenziale della membrana è quello a riposo questi sono chiusi. La permeabilità della membrana al sodio aumenta sempre di più a causa dell'apertura di un numero sempre maggiore di canali, in questo modo il potenziale raggiunge rapidamente il valore positivo, la persistenza della depolarizzazione per circa 0,5 ms determina la chiusura dei canali sodio e di conseguenza la permeabilità al potassio aumenta facendo ritornare il potenziale negativo. I canali K⁺ presentano sia un'apertura ritardata che una lenta chiusura rispetto agli Na⁺ perciò dopo il picco del potenziale la permeabilità ai K⁺ rimane per pochi millisecondi.

Sistema nervoso

• Periferico
• Centrale

L'elaborazione dell'informazione nel sistema nervoso si basa sul legame tra le sostanze segnale e le cellule bersaglio. I neuroni trasmettono le informazioni mediante potenziali d'azione fino a punti di contatto su altre cellule, i punti di contatto sono chiamati sinapsi. Le molecole segnale, o neurotrasmettitori, vengono liberate nello spazio esiguo che separa le cellule ed esercitano i loro effetti sulle cellule bersaglio. L'elevata velocità di conduzione degli impulsi nelle fibre nervose consente al sistema nervoso di attivarsi rapidamente in seguito all'applicazione dei diversi stimoli.

I potenziali d'azione che vengono generati da questo sistema sono chiamati impulsi nervosi, le correnti elettriche associate a questi sono generate da ioni, difatti l'impulso è una modificazione transitoria della differenza di potenziale.