Fisiologia generale

Introduzione alla fisiologia

Per fisiologia s'intendono i meccanismi di base del funzionamento delle cellule messi in relazione in modo coordinato tra organi diversi (si studiano quindi nell'insieme), in condizioni in cui il tessuto sia intatto. I metodi di studio devono perciò essere non invasivi, non distruggere la cellula/tessuto.

Categorie di fisiologia

Fisiologia vegetativa

La fisiologia vegetativa riguarda le funzioni basali di un organismo: respirazione, sistema circolatorio, assorbimento di nutrienti, eliminazione dei cataboliti azotati e bilancio idro-salino.

Fisiologia della vita di relazione

La fisiologia della vita di relazione riguarda l'interazione dell'organismo con l'ambiente o con altri organismi, attraverso sistemi sensoriali e meccanismi locomotori. Implicano soprattutto meccanismi neuromuscolari, cioè elaborazione nervosa e risposte muscolari.

Il sistema nervoso e quello endocrino coordinano tutti questi processi. Nel complesso, un organismo tende a mantenere una certa stabilità, l'omeostasi.

Omeostasi e organismi conformi

L'organismo riesce a mantenere una stabilità tamponando le fluttuazioni che avvengono entro un certo range, delle variabili esterne o interne (come T° o pH cellulare), consumando energia. Gli organismi che non riescono a controllare queste variabili sono detti organismi conformi.

Il comportamento di organismi conformi in un grafico mostra come l'ambiente interno segua le fluttuazioni della variabile esterna. Ad esempio, in un estuario di un fiume, a seconda del regime del fiume o delle maree varia la salinità dell'acqua. Gli invertebrati che vivono in questi estuari, se c'è acqua più dolce all'esterno, assumono acqua; se invece l'acqua è salata, perdono acqua.

Organi osmo-conformi e regolatori

In questo caso, la variabile era l'osmolarità, quindi si parla di organismi osmo-conformi o regolatori quando regolano la concentrazione totale delle molecole, degli ioni nel loro ambiente intra ed extra cellulare. A seconda delle variabili in considerazione, si può parlare di organismi ossiconformi o ossiregolatori (per l'O₂).

Ectotermi e endotermi

Ectotermi sono organismi che hanno bisogno di una fonte di calore esterna, sono in contrapposizione con gli endotermi che hanno meccanismi termoregolativi sofisticati e producono calore endogenamente.

I pecilotermi, all'interno degli ectotermi, sono organismi la cui temperatura varia molto nel tempo (es. lucertola, sono detti a sangue freddo, hanno un bradimetabolismo). Gli omeotermi invece sono organismi a temperatura costante.

Sono termini fuorvianti perché, per esempio, quando si parla di uccelli non basta dire che siano omeotermi ma si aggiunge che sono endotermi poiché in grado di produrre calore endogenamente. Questo perché ci sono anche organismi che, pur non endotermi, mantengono una temperatura quasi costante vivendo in ambienti in cui appunto questa non varia particolarmente (es. fondale marino).

Composizione dei fluidi organici nei mammiferi

Una variabile che viene controllata particolarmente nei mammiferi è la composizione dei fluidi organici. Possiamo avere fluidi intracellulari ma anche fluidi extracellulari, questi si distinguono in:

• Liquidi interstiziali: bagnano le cellule nei tessuti, che stanno fra le cellule dei tessuti (ne fa parte anche il liquido cerebro-spinale).
• Plasma: la parte non corpuscolata del sangue.

Le differenze sono minori rispetto ai diversi fluidi intracellulari dove la presenza di ioni a concentrazioni abbastanza differenti rendeva notevole la diversità fra i liquidi di ogni organello.

Valori di omeostasi per mammiferi

• Temperatura: 37°C.
• pH: 7,4 nel sangue, controllato strettamente. Le cellule possono tollerare anche pH più acidi: ad esempio, quelle muscolari producendo acido lattico arrivano anche a 6,8. Tendenzialmente, le cellule che metabolizzano attivamente producono acidi, CO₂, acido lattico, piruvato, acidi organici, ecc.
• Osmolarità: numero totale di particelle disciolte, 300 mOsm; concentrazione dei diversi ioni.
• Glucosio: 4-5 mM (cioè mmol/L). (MW glucosio = 180 g/mol; quindi in 4 mM quanti grammi di glucosio? 180 g:1 mol = x:0,004 mol → x=0,72 g in un litro → sono 720 mg/L → se 1 dL sono 0,1 L allora → 720 mg/10 dL = 72 mg/dL. Il valore medio di glucosio nel sangue è 70-100 mg/dL quindi ci siamo).
• Controllo di O₂/CO₂: la saturazione dell'ossigeno è la percentuale di emoglobina satura di ossigeno rispetto all'emoglobina totale nel sangue (misurata con il saturimetro), saturazione normale: 95%.

Molto importante per la fisiologia è la composizione ionica delle soluzioni dell'organismo.

• Sodio Na⁺: nello spazio extracellulare è il catione più presente con valori intorno a 150 mM e circa 10 volte meno all'interno della cellula (10-15 mM).
• Potassio K⁺: concentrazione extracellulare 4 mM, ma invece nella cellula 150 mM.
• Calcio Ca²⁺: concentrazione extracellulare di 2 mM, e invece nella cellula ha concentrazioni variabili, è 10^-7 M nel citoplasma mentre nel RE è 10^-3 M.

Gli anioni devono bilanciare i cationi (i fluidi biologici sono neutri dal punto di vista elettrico).

• Cloruro Cl^-: principale anione. Concentrazione extracellulare di 120 mM mentre intracellularmente varia da cellula a cellula da 4-40 mM. Durante lo sviluppo la sua concentrazione intracellulare dipende dai trasportatori NKCC, alla nascita avviene uno shift e si passa a trasportatori KCC. Il cambio di concentrazione intracellulare influisce sul potenziale di Nernst dello ione, fattore importante per i canali del GABA che quando aperti sono appunto permeabili al Cl^- e al HCO₃^-.
• Bicarbonato HCO₃^-: implicato anche nel controllo del pH, ha una concentrazione di 25 mM esternamente mentre internamente un po' meno, intorno ai 10-20 mM.

Le proteine sono presenti extracellularmente solo a livello del siero mentre nei fluidi interstiziali la concentrazione è vicina allo zero. Nella cellula una certa quota invece c'è.

Lezione 2 – Trasporto passivo

Diffusione semplice

La diffusione semplice è il più semplice esempio di trasporto passivo. È la diffusione in soluzione di ioni o molecole a causa dell'agitazione termica.

Supponiamo di avere una molecola, ad es. di glucosio, al tempo 0 si trova in un determinato punto di una soluzione, questa viene colpita dalle molecole vicine per agitazione termica quindi agli istanti successivi si troverà in altri punti della soluzione.

Si è visto che non c'è una relazione lineare tra il tempo e la distanza percorsa ma è esponenziale: dopo un certo tempo abbiamo una distanza totale percorsa 1, per percorrere una distanza doppia (2x) ci vuole il quadruplo del tempo, per una distanza tripla (3x) ci vogliono 8 volte il tempo iniziale. La distanza media percorsa x = radice(∆t).

La diffusione diventa un processo sempre meno efficiente di trasporto quando più aumentano le distanze.

Coefficiente di diffusione

Comparando i coefficienti di diffusione (D), espressi in cm²/sec moltiplicati per 10^-5:

• Per molecole piccole: acqua, CO₂, O₂, K⁺, Cl^- sono abbastanza simili (intorno a 2 * 10^-5 cm²/s).
• Per grosse molecole come l'emoglobina invece, il coefficiente di diffusione diventa molto più piccolo e quindi la diffusione più lenta (0,07 * 10^-5 cm²/s).

Per valutare entro che distanza è efficace la diffusione come metodo di distribuzione introduco allora il coefficiente di diffusione:

t = (x²) / D → cm² / (cm²/sec) = secondi.

Esempio: D = 2*10^-5 cm²/sec, x = 10 micron quindi 10^-3 cm

t = 50 msec cioè una molecola come l'ossigeno o uno ione come il K⁺ in una cellula in media diffonde di 10 micron (approssimativamente da una parte all'altra della cellula) in media in 50 millisecondi.

Se aumento le distanze la diffusione diventa molto meno efficiente, per 1 cm ci vogliono 14 ore, per 1 metro ci vogliono anni. Quindi inadeguati per processi fisiologici che necessitano tempi brevi, la diffusione è adeguata solo a livello cellulare.

Organismi basali, che non hanno un sistema circolatorio, possono svolgere processi metabolici solo se i tessuti non sono superiori in spessore di 1-2 mm perché altrimenti la diffusione diventa troppo lenta, è questo infatti il limite dato dalla diffusione semplice (per 1 mm ci vogliono 15 minuti circa).

Profilo della diffusione semplice

Se ad esempio inietto in un tessuto o in una cellula una concentrazione di glucosio avrò al tempo 1 un'alta concentrazione in un punto, quello d'iniezione. Arrivati a un tempo 2 le molecole cominciano ad occupare lo spazio di destra e di sinistra, è un processo statistico per questo il profilo è proprio una gaussiana. Se facessimo passare abbastanza tempo, t infinito, quando si arriva allo stato stazionario (il parametro che considero non varia più nel tempo) le molecole si sono distribuite in tutto il "contenitore" o segmento cellulare che sia.

La densità di flusso è il numero di moli della specie che passa attraverso una certa area unitaria, nell'unità di tempo, espresso quindi in (mol)/(cm²)*(sec).

J = N/A*t = moli (o molecole se divido per il numero di Avogadro)/cm²*sec

Se invece vogliamo il flusso totale (quindi non per unità di area ma attraverso tutta l'area che stiamo considerando): J_tot = Area*J = mol/sec

Legge di Fick

Il flusso attraverso un'area infinitesima (es. quella di una membrana) è proporzionale alla derivata della concentrazione rispetto alla distanza (perché la distanza è inversamente proporzionale al flusso), secondo un certo coefficiente, una costante di diffusione D.

Infatti, se facciamo tendere lo spessore di questa membrana a 0, la deltaX diventa 0: si può descrivere il flusso in corrispondenza di un certo punto, possiamo usare la derivata.

J = - D (coeff. diffusione) * (dC(x)/dx) se deltaX tende a 0.

Questa è la prima legge di Fick: mi serve per trovare qual è il flusso attraverso un'area infinitesima, in un punto quindi.

A rigore va detto che il flusso è un vettore, bisogna precisare una direzione. Perché il segno -? Se facessi la derivata per un punto deltaX tendente a 0 ottengo un valore che sarà negativo, la pendenza è negativa (basta guardare il grafico, perché il flusso si ha dalla zona più concentrata a quella meno) motivo per cui metto il - davanti a D così ottengo il flusso positivo, è una convenzione.

Diffusione semplice attraverso la membrana cellulare - Modello soluzione-diffusione

Abbiamo 2 concentrazioni per questa molecola, una fuori dalla membrana C_extra maggiore e una interna C_intra minore (quindi ce n'è di più fuori). Questa molecola è capace di attraversare la membrana sciogliendosi nella membrana stessa. Come varia la legge di Fick? La caduta della concentrazione all'interno della membrana posso considerarla lineare perché è molto sottile (in realtà fa parte di una gaussiana ma è un breve tratto).

Nell'equazione di Fick quindi non devo più considerare la derivata ma al denominatore metto lo spessore della membrana deltaX. Allora avrò la legge di Fick come:

J = -D_m * deltaC/∆x

In membrana il D coefficiente di diffusione della mia molecola cambia perché sono in ambiente lipidico, chiamo questo valore D_m.

Se la molecola è lipofila si distribuirà in modo diverso tra l'ambiente acquoso e quello lipidico, introduciamo allora il K_p, coefficiente di partizione che ci dice che frazione delle molecole nella soluzione acquosa si sciolgono nella membrana.

Il gradiente di concentrazione (deltaC) è quello all'interno della membrana, la formula diventa allora:

J = -D_m * (K_p*C_intra - K_p*C_extra) / delta x

Raccolgo K_p:

J = -D_m*K_p(C_intra-C_extra) / delta x

Chiamo -D_m*K_p/deltaX come permeabilità P_m (permeabilità della membrana) e ho:

J = -P_m (C_intra-C_extra) → J = P_m(C_extra-C_intra)

La P_m si può misurare sperimentalmente, è per questo che introduco questo fattore, uno dei suoi 3 componenti magari non li conosco a priori.

Passaggio attraverso la membrana cellulare

Ma che cosa passa attraverso la membrana cellulare e cosa passa con difficoltà? Studiamo il coefficiente di partizione K_p.

Per simulare un ambiente lipidico e distinguerlo da uno polare si usa come esperimento olio d'oliva-acqua. Grafico di Collander: x → K_p cioè [soluto nel lipide]/[soluto in H₂O]; y → permeabilità alla membrana (cm*h^-1).

L'acqua ha una K_p bassa quindi è poco lipofila tuttavia nel grafico di Collander si vede che la sua permeabilità alle membrane è alta. Stesso discorso per la CO₂ (polare), CO, NO.

Per le molecole polari devono esserci dei meccanismi di trasporto specifici quindi.

Lezione 3 – Trasporto d'acqua attraverso le membrane biologiche

Osmosi

L'osmosi è il flusso d'acqua che si ha attraverso una barriera semipermeabile (permeabile al solvente ma non al soluto) causato della differenza di concentrazione di soluto (es. glucosio).

Per quantificare questa forza, questo flusso d'acqua, applico un peso, una pressione che impedisce, che si oppone a quella data dall'osmosi, questa forza è detta pressione osmotica della soluzione.

Tra i compartimenti intra ed extra cellulari la concentrazione è circa la stessa, quindi la pressione osmotica non è alta.

Legge di Van't Hoff

Rappresenta la pressione osmotica e vale in condizioni ideali, cioè per soluzioni diluite. Le soluzioni fisiologiche rientrano nella categoria delle soluzioni diluite, quindi è una buona approssimazione.

Pressione osmotica = π*V=nRT (legge analoga a quella dei gas) – n = numero moli del soluto nella soluzione

pR = costante dei gas T = temperatura assoluta V = volume

Da qui: π = RT*c (poiché la molarità è uguale a = moli/V)

πRT poi essendo costanti possiamo dire che la relazione è lineare tra π e la concentrazione: la pressione osmotica dipende dalla concentrazione, se la soluzione è più concentrata il flusso osmotico sarà maggiore.

Osmolarità

Per esprimere la pressione osmotica di 2 soluzioni diverse non c'è bisogno di dare per forza i valori in pressione, atm, mmHg, Pa o altro. Basta esprimere la concentrazione totale dei soluti, cioè l'osmolarità.

Tutte le soluzioni con lo stesso numero di molecole o particelle disciolte hanno la stessa osmolarità, è una proprietà colligativa quindi dipendente solo dal numero e non dalla specie, fino a certe concentrazioni!

Un conto è dire per esempio il Na⁺ è 15 mM e un conto è dire che intracellularmente l'osmolarità è 300 mOsm, in questo caso mi riferisco al numero totale di particelle disciolte, che siano Na⁺, proteine o altro.

[glucosio] 1M → pressione osmotica = 1 Osm

[alanina] 1M → pressione osmotica = 1 Osm

Queste 2 soluzioni hanno diverse concentrazioni della molecola organica e queste le diamo in molarità ma dal punto di vista della pressione osmotica però le consideriamo equivalenti.

Per un sale invece in cui le particelle si dissociano:

[NaCl] 10 mM → pressione osmotica = 20 mOsm (è un sale che si dissocia completamente in 2 ioni).

[CaCl₂] 10 mM → pressione osmotica = 30 mOsm

Per il sangue la pressione osmotica è di circa 300 mOsm, questo dato è stato ottenuto sommando l'osmolarità di tutte le specie singole presenti in soluzione (K⁺, Na⁺, Cl^-, HCO₃^- ecc).

Per condizioni ideali l'equazione di van't Hoff è lineare e valida, ma quando le concentrazioni aumentano guardando un grafico di pressione osmotica su concentrazione vedo che la curva della mia specie si allontana da quella linearità che aveva a basse concentrazioni. Introduco allora il coefficiente osmotico:

π = Xi* RTc_p

Più il coefficiente osmotico si avvicina a 1 allora approssimativamente la relazione sarà lineare perché la formula diventa come quella di van't Hoff.

Se sto entro i 300 mOsm di concentrazione totale tutte le molecole hanno un coefficiente osmotico che si avvicina a 1, un po' di meno per i sali ma comunque per concentrazioni dell'ordine di quelle biologiche l'equazione di van't Hoff va bene.

Tonicità e effetto sulla cellula

Se mi riferisco all'effetto di una soluzione sulla cellula si usa il termine tonicità, ovvero gli effetti sul volume della cellula che dipendono dall'osmolarità e la composizione della soluzione in cui metto la cellula:

• Soluzione ipertonica (fa diminuire il volume della cellula)
• Soluzione ipotonica (aumenta il volume cellulare)
• Soluzione isotonica (non varia il volume).

L'osmolarità invece indica la pressione osmotica che si può misurare con un osmometro ideale. Due soluzioni isosmotiche sono soluzioni che hanno la stessa osmolarità (pressione osmotica). È un termine che si usa di più per paragonare due soluzioni tra loro (come iposmotica o iperosmotica).

L'effetto sul volume della cellula può dipendere non soltanto dal flusso d'acqua che dipende dall'osmolarità. Il Ca⁺ ad esempio ha effetti sui meccanismi del trasporto di membrana, quindi non per forza l'osmolarità dice tutto sul comportamento delle cellule dal punto di vista dei flussi d'acqua.

Oltre a dipendere dall'osmolarità, il flusso d'acqua può dipendere da una pressione meccanica (convezione), per gli organismi è il cuore il fattore chiave, esercita una pressione sul fluido sanguigno. Se prendo per esempio l'endotelio, il flusso d'acqua attraverso le membrane cellulari dipenderà sia dalla pressione sanguigna data dal cuore, sia dalla pressione osmotica che dipende da una diversa concentrazione di soluti tra il sangue e i fluidi interstiziali.

J = L_p * (P₁-P₂)

Il flusso in questo caso dipende dalla differenza di pressione ai due lati della membrana per un coefficiente che dice quanto facilmente l'acqua passa attraverso questa membrana (L_p = conduttanza o permeabilità idraulica).

Per completare la formula, ipotizzo di essere in un endotelio: all'interno c'è il sangue (con proteine libere), all'esterno i liquidi interstiziali (che non hanno proteine libere) ci sarà un flusso, una pressione detta oncotica (è comunque una pressione osmotica), che fa fluire l'acqua verso il vaso, mentre il flusso dato dalla pompa cuore spinge l'acqua fuori dal vaso attraverso l'endotelio: pressione arteriosa vs pressione oncotica.