Fisiologia generale - Appunti

Fisiologia generale

Fisiologia generale: studio delle funzioni in termini di meccanismi generali comuni a tutte le specie animali o a molte di esse.

Relazione funzione-struttura

La funzione dipende dalla struttura, infatti tutti i processi fisiologici sono il frutto dell'azione di meccanismi basati su strutture fisiche adatte allo scopo.

Omeostasi

Capacità degli organismi di mantenere una relativa stabilità interna. Negli organismi unicellulari, l'omeostasi è mantenuta grazie alla presenza di una membrana semipermeabile. Negli organismi pluricellulari invece viene regolata e mantenuta da processi a feedback (retroazione) o feedforward (anticipazione). Nel feedback, l'effetto prodotto dal sistema va a disturbare il processo che lo ha generato. Si dice feedback negativo quando l'azione a ritroso contrasta gli effetti del disturbo, mentre si definisce feedback positivo quando gli effetti vengono amplificati. Il feedforward invece punta a prevedere in anticipo gli effetti di una perturbazione o disturbo, per cui le correzioni vengono applicate in tempo.

Membrana cellulare

La membrana cellulare è una barriera selettiva che separa l'ambiente intracellulare da quello extracellulare, garantendo allo stesso tempo un ambiente interno costante e permettendo uno scambio di nutrienti, gas, energia e informazioni necessari per la vita cellulare. Essa è costituita da un doppio strato fosfolipidico in cui sono inserite le proteine di membrana. Le proteine possono essere periferiche (se si trovano solo da un lato della membrana) o integrali (se attraversano completamente la membrana); inoltre alcune proteine sono fisse mentre altre sono mobili.

Esperimenti sulla membrana

Esperimento di Gorter e Grendel: l'area minima della superficie occupata dal monostrato formato da lipidi estratti dalle membrane di globuli rossi di mammiferi è il doppio dell'area della superficie delle cellule.

Tecnica di congelamento e frattura: La digestione enzimatica con un enzima proteolitico provoca la perdita progressiva di particelle immerse nella membrana, messe in evidenza con la tecnica di congelamento e frattura.

Esperimento di recupero della fluorescenza (FRAP): in mioblasti trattati con una proteina fluorescente in grado di legarsi alle glicoproteine di membrana. La ricomparsa della fluorescenza in un'area circoscritta della membrana permette di definire la percentuale di glicoproteine mobili e la velocità con cui diffondono.

Funzioni delle proteine di membrana

• Trasporto: comprendono canali e trasportatori di membrana
• Stabilità strutturale: comprendono proteine strutturali (giunzioni, molecole di adesione, citoscheletro)
• Trasduzione del segnale: comprendono i recettori di membrana
• Attività enzimatica: comprendono gli enzimi

Tipi di trasporto di membrana

Diffusione semplice: è causata dal moto browniano delle molecole in soluzione. Si basa su un gradiente di concentrazione, per cui è un movimento di molecole da una zona a più alta concentrazione verso una a più bassa concentrazione. Non vi è saturazione se c'è un aumento del gradiente; inoltre non c'è competizione tra sostanze diverse (flussi indipendenti).

Legge di Fick: il flusso netto (ds/dt) è proporzionale al gradiente di concentrazione (dc/dx) e all'area A della superficie attraverso cui la sostanza diffonde:

ds/dt = -D * A * dc/dx

dove D = cm²/s è il coefficiente di diffusione.

Nella membrana (con spessore di x = 50 A), dc/dx è dato da:

dc/dx = (C2 – C1)/x = β * (C2 – C1)/x

dove β = C'/C è il coefficiente di ripartizione olio/acqua.

Le sostanze possono attraversare la membrana mediante diffusione semplice se sono solubili nello strato lipidico e l'equazione di Fick diventa:

ds/dt = -D * A * (β * ΔC)/x = -P * A * ΔC

dove P = (Dβ/x) = cm/s è il coefficiente di permeabilità della membrana.

Velocità di permeazione

Le curve mostrano come cresce la Ci (concentrazione intracellulare) delle sostanze (A, B, C, D, E, F) che attraversano la membrana con permeabilità decrescente. La Ce (concentrazione extracellulare) rimane costante mentre la Ci iniziale è 0.

Le Ci crescono con la legge esponenziale: Ci,t = Ce * (1 – e^-t/τ)

dove τ = V/ (A*Px), A è l'area della membrana, V è il volume della cellula, Px è la permeabilità della sostanza x.

La costante di tempo τ (tempo necessario affinché la Ci abbia raggiunto il 63% del valore finale) è inversamente proporzionale al rapporto volume/superficie (V/A). Sostanze con P più grande penetrano più velocemente nella cellula. Cellule con V/A più piccolo permettono un rapido esaurimento delle differenze di concentrazione.

Osmosi

Diffusione dell'acqua da una soluzione più diluita a una più concentrata (l'acqua segue il proprio gradiente di concentrazione). In presenza di un gradiente di acqua, il movimento dell'acqua cambia il volume e la pressione osmotica fino al raggiungimento dell'equilibrio osmotico.

Nelle cellule animali la variazione di volume è in relazione alla osmolarità del mezzo esterno. Nelle cellule vegetali invece la parete cellulare impedisce aumenti di volume e l'ipertonicità del protoplasma è bilanciata da aumento della pressione idrostatica.

Osmolarità: equivale al numero di particelle nell'unità di volume, non tiene conto delle caratteristiche di permeabilità della membrana.

Tonicità: tiene conto dell'effettiva permeabilità della membrana ai diversi soluti (può o no equivalere alla osmolarità). Una sostanza è isotonica con una cellula quando ne rimane invariato il volume; è ipertonica se il volume cellulare diminuisce mentre è ipotonica se il volume cellulare aumenta.

Un soluto a cui la membrana è permeabile non determina la tonicità del mezzo ma ha solo effetti osmotici transitori. La tonicità della soluzione è determinata solo dalla concentrazione dei soluti impermeabili.

Volume osmoticamente inerte: occorre sottrarre il volume osmoticamente inerte per verificare se la cellula si comporta come un osmometro.

Diffusione facilitata

La permeabilità è elevata per la presenza di proteine carriers che permettono il passaggio di sostanze che non possono diffondere liberamente attraverso la membrana. Anche in questo caso il movimento è secondo gradiente, ma dato il numero finito di proteine carriers, quando la sostanza raggiunge concentrazioni elevate si ha saturazione.

L'interazione delle sostanze col carrier è specifica; sostanze con caratteristiche affini competono per lo stesso carrier.

La specificità dell'interazione degli zuccheri col carrier dipende dai valori di Km che sono minimi per il Destrosio e crescono passando dagli aldoesosi (glucosio, mannosio, galattosio) agli aldopentosi (xilosio, arabinosio, ribosio, lixosio), e dalle forme D alle forme L. Il grado di inibizione reciproca dipende dall'affinità del carrier per lo zucchero; così in presenza di destrosio il trasporto di tutti gli zuccheri risulta fortemente inibito, mentre il trasporto di destrosio è inibito dal mannosio, inibito in parte da galattosio, xilosio e arabinosio, mentre è indifferente alla presenza di sorbosio e levulosio (2 chetosi).

Cinetica del trasporto facilitato

La velocità con cui il glucosio viene trasportato segue una cinetica di saturazione descritta da:

Equazione di Michaelis-Menten: è una stima dell'affinità del carrier per il glucosio

v₀ = V_max [S]/ Km + [S]

dove V_max è il trasporto massimo, e Km è la concentrazione di glucosio alla quale la velocità di trasporto è ½ V_max.

Modelli di trasporto

Modello del carrier mobile: le molecole carrier si legano alla molecola da trasportare su un versante della membrana, migrano sul versante opposto, dove liberano la molecola trasportata.

Modello del Flip-Flop: la proteina trasportatrice, ancorata alla membrana, ha un carattere bistabile, cioè esiste in 2 stati in cui i siti di legame per la molecola da trasportare sono esposti alternativamente sui due versanti opposti della membrana.

Trasporto del glucosio

Le diverse isoforme delle glucosio-permeasi sono adattate alla funzione delle cellule. Ad esempio l'isoforma presente nelle cellule nervose (GLUT3) ha una Km bassa; nell'ambito fisiologico della glicemia il trasporto di glucosio nelle cellule nervose è sempre vicino al massimo, le cellule nervose non devono essere sensibili alle variazioni della glicemia.

L'isoforma delle cellule β del pancreas (GLUT2) ha una Km elevata; nell'ambito fisiologico della glicemia, il trasporto di glucosio varia significativamente e come conseguenza le cellule β secernono insulina (ormone ipoglicemizzante) in funzione della concentrazione extracellulare di glucosio.

La membrana è anche responsabile del potenziale transmembranario.

Equilibrio elettrochimico e potenziale di membrana

Potenziale di membrana

Ai 2 lati della membrana plasmatica di tutte le cellule esiste una differenza di potenziale con l'interno negativo rispetto all'esterno. Il potenziale di membrana è dovuto alla ineguale distribuzione di ioni ai due lati di una membrana selettivamente permeabile, ed è mantenuto per la presenza sulla membrana di pompe ioniche.

Potenziale di equilibrio

Ai 2 lati della membrana si stabilisce l'equilibrio quando il lavoro chimico Wc necessario per trasportare il K⁺ contro il gradiente di concentrazione è uguale al lavoro elettrico We necessario per trasportarlo contro il gradiente elettrico.

Wc = R * T * Ln( [K⁺]'/[K⁺]'' )

We = z * F * (E'' – E')

Wc = We ⇒ R * T * Ln( [K⁺]'/[K⁺]'' ) = z * F * (E'' – E')

da cui: Equazione di Nerst: (E' – E'') = E = (R * T)/(z * F) * Ln( [K⁺]''/[K⁺]' )

Nel caso di una cellula muscolare di un vertebrato, in cui [K⁺]' = 140 mM e [K⁺]^° = 2.5 mM, la ddp ai 2 lati della membrana è:

Ek = (R * T)/F * Ln( [K⁺]^°/[K⁺]' ) = 0,0257 * Ln (2,5 mM/ 140 mM) = -0,103 V

Esempio: “Quanti ioni K⁺ devono diffondere attraverso la membrana per generare una ddp di -100mV?”

Carica sulla membrana: 10^-6 Farad/cm² * 0,1 V = 10^-7 C/cm²

Numero di moli di ioni per unità di superficie di membrana: Q/F = 10^-7 cm^-2/96500 C/mol = 10^-12 mol/cm²

Numero di ioni per unità di superficie: 10^-12 * 6,02 * 10²³ = 6 * 10¹¹ ioni/cm²

Cellula sferica di vertebrato di raggio r= 25 µm, [K⁺]_i= 140 mM

V= 4/3 π r³ = 6.5 x 10^-8 cm³ S = 4 π r² = 7.8 x 10^-5 cm² S/V= 3/r = 3/(2.5*10^-3cm) ≈ 1000

Numero di ioni che diffondono attraverso la superficie: 6 * 10¹¹ ioni/cm² * 7,8*10^-5 cm² = 4,7 * 10⁷

Numero di cationi K⁺ della cellula: 1,4*10^-4 mol/cm³ * 6,5*10^-8 cm³ * 0,8 * 6,02*10²³ ioni/mol = 4,4*10¹²

Il numero di ioni che diffondono è perciò una frazione...