Fisiologia generale

Fisiologia generale

La fisiologia va a cogliere l’aspetto dinamico della vita, che ovviamente finisce con la morte dell’individuo. Differentemente dall’anatomia che invece coglie più l’aspetto statico essendo più descrittiva e differentemente anche dalla patologia, la quale riguarda sempre l’aspetto dinamico ma della disfunzione del funzionamento degli organi vitali. L’organismo vivente è sia animale che vegetale; esiste infatti una fisiologia vegetale ed una animale. Nell’ambito della fisiologia animale abbiamo una fisiologia speciale, ossia quella che ci riguarda direttamente, quella umana.

Quando si parla di studio delle funzioni degli organi vitali del nostro organismo si deve partire dallo studio degli elementi cellulari che compongono i tessuti che a loro volta vanno a comporre gli organi. Infatti esiste uno studio di fisiologia cellulare, propedeutica della fisiologia d’organo.

Membrana plasmatica

• Delimita strutturalmente la cellula per garantire un ambiente cellulare intracellulare qualitativamente diverso da quello extracellulare. È l’unica parte della cellula che si trova a diretto contatto con il mezzo extracellulare.
• Costituisce una "barriera" attraverso la quale avvengono gli scambi regolati con l’ambiente extracellulare e con le altre cellule negli organismi pluricellulari.

• Scambi di materia: passaggio di soluti (molecole nutritive, gas respiratori, ioni, ormoni ecc.) e acqua.
• Scambi di energia: energia termica, calore che si libera dalle reazioni metaboliche. Le reazioni che prevedono la trasformazione di reagenti in prodotti portano alla liberazione di calore; questo calore può essere scambiato dalla membrana plasmatica. La membrana grazie al suo piccolo spessore consente gli scambi termici per conduzione.
• Scambi di informazioni: vi è comunicazione tra le cellule tramite molecole segnale. Le molecole segnale sono prodotte da una prima cellula e vanno a dire qualcosa ad una seconda cellula.

La membrana plasmatica non è l’unica membrana presente nella cellula; all’interno della cellula infatti esistono vari organuli delimitati da membrane biologiche. L’ambiente interno di questi organuli viene così mantenuto qualitativamente diverso da quello extracellulare. Gli organi che sono delimitati da membrana sono: mitocondri, lisosomi, nucleo, apparato del Golgi, RER, REL, compartimento endosomico, vescicole.

L’unità strutturale delle membrane biologiche è il bilayer fosfolipidico, composto da lipidi. I lipidi possono essere fosfolipidi e sfingolipidi, posizionati in maniera diversa nei due foglietti del bilayer lipidico (asimmetria di membrana). Nella membrana plasmatica vi sono anche glicolipidi. I lipidi che compongono il bilayer lipidico sono fluidi (modello mosaico-fluido). La fluidità di membrana è garantita dai lipidi e dal colesterolo, importante costituente della membrana plasmatica.

Il colesterolo contorna, si inserisce tra i lipidi di membrana e a secondo dei lipidi che va a circondare ha diversa funzione di regolazione della fluidità. Vi sono parti della membrana plasmatica che sono ricche di sfingolipidi. Gli sfingolipidi sono lipidi che a 37 gradi si troverebbero allo strato solido poiché hanno punto di fusione a 46 gradi, tuttavia grazie al colesterolo non sono solidi.

Vi sono zone della membrana che vengono chiamate ‘’zattere lipidiche’’ o ‘’raft’’, composte da lipidi differenti rispetto alle restanti parti della membrana. Queste zattere sono l’esempio di sfingolipidi circondati da colesterolo; inoltre sono importanti poiché sono aggregati di proteine, altro componente di proteine, con funzione di comunicazione intercellulare.

L’altro costituente della membrana biologica sono le proteine che possono essere disposte in diverso modo nel bilayer lipidico:

• Proteine transmembrana: attraversano completamente il bilayer lipidico con le α-eliche, ossia una struttura secondaria. L’α-elica è utile ad attraversare una catena idrofobica; può essere paragonata ad una molla composta da un filo di amminoacidi ripiegato. Le proteine si organizzano in tal modo in modo da proteggere le proprie parti idrofiliche, ossia i gruppi N degli amminoacidi. Le parti idrofobiche della proteina sono infatti rivolte verso i fosfolipidi, mentre quelle idrofiliche sono protette.
• Proteine periferiche o estrinseche: non attraversano il bilayer ma sono legate, in particolare con catene di acido grasso, ad uno dei due versanti del bilayer lipidico. L’ancoraggio può avvenire attraverso l’interazione con proteine transmembrana o attraverso le catene dell’acido grasso con cui la proteina si lega.

La cellula presenta catene oligosaccaridiche solo sul versante extracellulare della membrana plasmatica. Queste possono essere legate ai lipidi formando i glicolipidi o alle proteine formando le glicoproteine. Si forma dunque un mantello di carboidrati che va a circondare la cellula, il quale ha delle funzioni importanti:

• Scudo: protegge la cellula da eventuali agenti meccanici.
• Adesione temporanea: dove le cellule sono libere di muoversi (ad esempio contatto tra cellula uovo e spermatozoo: lo spermatozoo deve stabilire una adesione, stabilita grazie al mantello di carboidrati che prende il nome di glicocalice. Il glicocalice ha tra le sue funzioni quella di scudo e quella di adesione temporanea di cellule libere di muoversi).

Premesse teoriche ai trasporti di membrana

Prendiamo un contenitore in cui vi è una soluzione acquosa diviso in due compartimenti con una superficie immaginaria S. Attraverso la superficie S si assiste ad un flusso bidirezionale di soluto o di solvente che si spostano dal compartimento 1 al compartimento 2 e dal compartimento 2 al compartimento 1. Δt.

Il flusso di particelle che si stabilisce è la quantità di particelle che attraversano la superficie A nel tempo. Il flusso bidimensionale può dar origine al flusso netto quando il flusso da 1 a 2 è diverso dal flusso 2 a 1. Se i due flussi sono uguali, non vi è flusso netto ma abbiamo lo stesso numero di particelle che si spostano da 1 a 2 e da 2 a 1. C’è flusso, ma è identico, dunque non c’è spostamento particolare delle particelle verso una delle due determinate aree; i flussi sono quindi uguali ma opposti.

Le forze che spingono le particelle a spostarsi sono le stesse che determinano il flusso di qualunque particella in una certa direzione e possono essere di diversa natura:

• Meccanica
• Chimica
• Elettrica

In base alla forza che causa lo spostamento delle particelle (driving force), avremo per quelle particelle una determinata intensità del flusso che viene descritta dall’equazione di Teorell: “L’intensità del flusso è direttamente proporzionale alla forza spingente che causa lo spostamento delle particelle a meno di una costante di proporzionalità che dipende primariamente dalle caratteristiche delle particelle”. Teorell afferma dunque che le particelle si possono spostare stabilendo un flusso, alla base del quale c’è una forza che le spinge. Più grande è questa forza e più intenso è il flusso. Tenendo conto di una costante di proporzionalità che mette in conto delle caratteristiche di soluto e solvente e del mezzo.

Modalità di flusso in una soluzione acquosa

In base alle forze spingenti (driving force) possiamo distinguere 3 modalità di flusso:

• Flusso di massa: la forza spingente, è generata da una differenza di pressione idraulica (che è una forza meccanica) tra regioni diverse della soluzione.
• Diffusione / flusso diffusionale: la driving force è generata da una differenza di concentrazione di particelle in zone diverse della soluzione; si basa quindi su una forza di natura chimica, dato che tiene conto delle concentrazioni di zone diverse di una soluzione delle particelle che si spostano.
• Migrazione in campo elettrico (elettroforesi) di particelle elettricamente cariche (ioni): la driving force è generata da una differenza di potenziale elettrico tra regioni diverse della soluzione. Si basa quindi su una forza di natura elettrica che può influenzare particelle elettricamente cariche, ossia ioni.

Ogni modalità di flusso ha una forza spingente di natura diversa.

Flusso di massa

Nel flusso di massa, la forza ha una natura meccanica ed è rappresentata dalla differenza di pressione idraulica: tutte le particelle di soluto e di solvente (acqua) vengono spinte a muoversi in massa dalla regione a pressione maggiore a quella a pressione minore. Un esempio è quello dei recipienti comunicanti.

I due recipienti sono messi in comunicazione da un condotto. Essi hanno un diverso riempimento con la stessa soluzione (solvente + soluto).

Primo esempio

Il recipiente di sinistra ha un maggior riempimento rispetto a quello di destra; ciò significa che in quello di sinistra c’è una maggiore pressione idraulica e lo si può notare dalla differente altezza della soluzione all’interno dei due recipienti. Ciò fa sì che le particelle di soluto e del solvente della soluzione con cui abbiamo riempito i recipienti si spostino dalla regione a maggiore pressione idraulica a quella a minore pressione, come indicato dalla freccia rossa. La freccia rossa indica il flusso netto, ovvero la direzione prevalente di spostamento delle particelle. Le particelle di soluto e di solvente si possono spostare nelle due direzioni e sono rappresentate dalle due frecce nere che vanno in direzione opposta: quella più lunga rappresenta lo spostamento in massa delle particelle del soluto e del solvente dalla regione a maggiore concentrazione a quella a minore pressione, mentre quella più corta indica lo spostamento nel senso opposto, che avviene però con minore intensità. Dalla differenza di questi due flussi deriva il flusso netto. Le particelle di soluto e di solvente si spostano quindi in entrambe le direzioni, ma la direzione di spostamento prevalente è quella che segue il gradiente di pressione idraulica, ovvero che spinge le particelle dalla regione a maggiore pressione idraulica a quella a minore pressione idraulica.

Secondo esempio

I recipienti sono stati riempiti in modo opposto rispetto al primo esempio, il recipiente a destra ha un riempimento maggiore rispetto a quello a sinistra, quindi la pressione idraulica data dall’altezza del riempimento del recipiente di destra è maggiore. Attraverso il condotto si stabilisce un flusso bidirezionale, ma il flusso vedrà le particelle di soluto e di solvente muoversi dalla regione a maggiore pressione idraulica verso quella a minore pressione, stabilendo un flusso netto indicato dalla direzione della freccia rossa.

Terzo esempio

Abbiamo uno stesso riempimento dei due recipienti, quindi non c’è differenza di pressione idraulica. Ciò non significa che le particelle di soluto e di solvente non si muoveranno, ma che i due flussi di soluto e di solvente che si stabiliscono attraverso il condotto saranno uguali e opposti, pertanto non si verifica flusso netto (non c’è nessuna freccia rossa). Tante particelle di soluto e di solvente si sposteranno in una direzione, tante altre si sposteranno nell’altra direzione. Il flusso c’è, ma non c’è flusso netto, non c’è una direzione prevalente di spostamento delle particelle perché non c’è una differenza nella forza che le sposta in quanto la forza è la stessa (le due frecce nere sono identiche in lunghezza, stessa intensità). Quindi il flusso netto è pari a 0.

L’intensità del flusso di massa è rappresentata dalla formula: Questa equazione è l’applicazione dell’equazione di Teorell al flusso di massa. L’equazione di Teorell descrive l’intensità del flusso generico come direttamente proporzionale alla driving force (forza che spinge il movimento delle particelle) a meno di una costante di proporzionalità che dipende dalla natura delle particelle, dal mezzo in cui le particelle si spostano e da altre caratteristiche generali.

Applicando l’equazione di Teorell al flusso di massa per descriverne l’intensità notiamo che l’intensità del flusso di massa (Fm) è uguale alla driving force, ovvero la differenza di pressione idraulica dei due recipienti, moltiplicato per una costante di proporzionalità (Km). La costante di proporzionalità dipende da:

• Caratteristiche della soluzione (viscosità della soluzione)
• Geometria del condotto attraverso cui le particelle si spostano (lunghezza e sezione del condotto)

Premessa alla diffusione

In una soluzione, le particelle che la compongono si muovono continuamente per effetto dell’agitazione termica. Il moto delle particelle dipende dalla mobilità delle particelle, ovvero dalla temperatura (maggiore è la temperatura, maggiore è il movimento delle particelle) e dalla massa (più grande è la massa, più difficile è il movimento). Nell’insieme, questi due fattori vengono definiti come mobilità delle particelle.

In questo moto continuo sostenuto dall’agitazione termica, le particelle di un fluido non seguono un percorso rettilineo, ma lo spostamento è casuale; le particelle si urtano tra loro, rimbalzano, cambiando continuamente direzione, percorrendo in senso rettilineo una distanza molto piccola. Questo moto è definito moto casuale. Quindi nei fluidi, le particelle di soluto e di solvente sono mosse da un moto casuale, sostenuto da agitazione termica e dipendente dalla massa delle particelle.

Diffusione di soluti

Consideriamo un contenitore più grande, riempito con una soluzione acquosa, all’interno del quale viene posto un contenitore più piccolo, le cui pareti sono permeabili solo alle particelle di soluto e quindi non a quelle di solvente. In questo modo osserviamo solo lo spostamento del soluto. Anche il piccolo contenitore è riempito con una soluzione acquosa. Attraverso le pareti semipermeabili si stabiliscono flussi diffusionali che vanno in entrambe le direzioni.

Le particelle di soluto presenti nei due contenitori sono mosse in modo casuale. La direzione di spostamento prevalente sarà quella che segue la differenza di concentrazione del soluto. Se, ad esempio, nel piccolo contenitore, le particelle di soluto sono più concentrate rispetto al contenitore più grande, allora si stabilirà un flusso netto che segue il gradiente di concentrazione che va dal piccolo al grande contenitore; le particelle, quindi, si spostano dalla regione del piccolo contenitore in cui sono a maggiore concentrazione a quello più grande in cui c’è minore concentrazione.

Se abbiamo invece la stessa concentrazione di particelle di soluto nei due contenitori, il flusso netto è 0: tante particelle si sposteranno dal piccolo al grande contenitore, altrettante se ne sposteranno in direzione opposta.

Prima legge di Fick

Anche in questo caso è possibile applicare l’equazione di Teorell che ci porta a descrivere la che regolamenta la diffusione dei soluti da una regione all’altra di una soluzione. L’intensità del flusso diffusionale (Fd) è uguale alla differenza di concentrazione che esiste nelle due regioni (tra piccolo e grande contenitore) moltiplicato per una costante di proporzionalità che tiene in considerazione la mobilità delle particelle (temperature e massa). La prima legge di Fick descrive quindi l’intensità del flusso diffusionale che è dipendente dal gradiente di concentrazione. Se esiste una differenza di concentrazione ci sarà un flusso netto che sarà tanto più intenso quanto più grande sarà la differenza di concentrazione. Se non c’è differenza di concentrazione non c’è flusso netto.

Esempio di flusso diffusionare: Nel contenitore A abbiamo due compartimenti (1 e 2). Nell’1 abbiamo una soluzione acquosa (acqua + particelle), nel 2 abbiamo solo il solvente (acqua). La differenza di concentrazione di soluto è grande, perché nel 2 non sono presenti particelle. Le particelle quindi passeranno dal contenitore 1 al contenitore 2. Mano a mano che le particelle si spostano verso il contenitore 2, comincerà ad esserci un movimento, anche se piccolo, come intensità, dal compartimento 2 all’1 (freccia molto più piccola). Le frecce diventeranno uguali come lunghezza (D) ad indicare che il flusso in entrambe le direzioni è lo stesso quando nei due compartimenti si avrà la stessa quantità di soluto. Quando i flussi unidirezionali (da 1 a 2 e viceversa) risulteranno uguali ma opposti, il flusso netto sarà 0.

Seconda legge di Fick

La seconda legge di Fick descrive quanto è veloce un flusso diffusionale di soluti. La legge afferma che il tempo necessario affinché, a una certa distanza dalla sorgente della diffusione, la concentrazione del soluto raggiunga un determinato livello cresce con il quadrato della distanza. La diffusione è un fenomeno lento su scala macroscopica a causa della frequenza delle collisioni che rendono bassa la velocità media delle particelle in una sola direzione.

Su scala microscopica un equilibrio diffusionale può venire raggiunto rapidamente (msec) a causa delle piccolissime distanze che le particelle devono percorrere (ad esempio scambi di sostanze tra cellula e sangue).

Abbiamo un becher riempito con l’acqua, a cui andiamo ad aggiungere un cubetto di un soluto colorato. Questo cubetto si deposita sul fondo del becher che rappresenta la sorgente della diffusione. Dal fondo del becher, infatti, le particelle di soluto colorate inizieranno, in modo casuale, a spostarsi secondo il gradiente di concentrazione verso le zone limitrofe. Col tempo tutta l’acqua (soluzione) presente nel becher ha assunto l’aspetto omogeneo del colore del soluto.