Fisiologia Generale, appunti su trasporti di membrana, trasporto epiteliale, sistema nervoso centrale e periferico, fisiologia del muscolo

Fisiologia generale

Testi consigliati

- E. D'Angelo, A. Peres. Fisiologia. Edi-Ermes, Milano 2011

- V. Taglietti, C. Casella. Fisiologia e biofisica delle cellule. EdiSES, Napoli, 2015.

Programma del corso (prof. Lionetto)

Introduzione alla fisiologia

L'organismo vivente come sistema termodinamico aperto e organizzato. Energia nei sistemi biologici. La cellula e le sue funzioni fondamentali.

La membrana cellulare

Struttura e funzioni.

Omeostasi

Principi di base di funzionamento dei processi omeostatici.

Trasporti di membrana

Diffusione di anelettroliti attraverso le membrane biologiche. Trasporto transmembranario passivo facilitato. Diffusione attraverso canali ionici: legge di Nernst-Planck. I canali ionici: voltaggio-dipendenti, chemio-dipendenti, meccano-dipendenti. Trasporto transmembranario attivo primario e secondario. Trasporto mediante vescicole: endo-esocitosi, pinocitosi, endocitosi mediata da recettori.

Osmosi

Osmolarità, pressione osmotica, tonicità.

Trasporto epiteliale

Struttura epiteliale, trasporto epiteliale di soluti. Trasporto epiteliale di acqua: modello di Curran-Bossert-Diamond. Trasporto massivo di acqua. Filtrazione glomerulare renale, formazione del liquido interstiziale, la linfa.

La comunicazione cellulare e le molecole di segnalazione

Ormoni, neurotrasmettitori, citochine, chemiochine, fattori di crescita, prostanoidi e leucotrieni. I recettori dei fattori della comunicazione cellulare e le modalità di trasduzione del segnale intracellulare. Meccanismo d'azione dell'insulina, dell'ADH e dell'aldosterone.

Cellule del sistema nervoso

Neuroni e cellule gliali.

Segnali elettrici

Potenziale di diffusione. Potenziale di equilibrio. Potenziale di Gibbs-Donnan. Il potenziale di membrana a riposo. Il potenziale d'azione e sua propagazione. Trasmissione sinaptica ed integrazione neuronale: Sinapsi elettriche e sinapsi chimiche. Sinapsi eccitatorie e sinapsi inibitorie. I neurotrasmettitori: struttura, sintesi e catabolismo.

Integrazione neuronale

Sommazione spaziale e temporale, codice di frequenza.

Il sistema nervoso centrale

Organizzazione funzionale del SNC. Funzioni integrate del SNC- I riflessi: il riflesso da stiramento, il riflesso flessorio ed estensoriocrociato. I recettori muscolo-tendinei: i fusi neuromuscolari, i recettori del Golgi. Controllo dei movimenti volontari. La corteccia e le vie somatomotorie. I sistemi sensoriali.

Fisiologia dei recettori sensoriali

Stimolo adeguato, meccanismi di trasduzione, codifica sensoriale, relazione stimolo-risposta (legge di Weber-Fechner), adattamento.

Il sistema somatosensoriale

I recettori, la corteccia e vie somatosensoriali. Modalità di stimolazione dei recettori: tattili, visivi, acustici, vestibolari, olfattivi, gustativi.

Il sistema nervoso autonomo

Asse ipotalamo-ipofisi. Ruolo dell'ADH e dell'aldosterone nel bilancio idrico-salino.

Il sistema parasimpatico

Recettori e neurotrasmettitori.

Il sistema simpatico

Recettori e neurotrasmettitori.

Il sistema nervoso somatico

La giunzione neuromuscolare.

Fisiologia del muscolo

Il muscolo scheletrico. Il muscolo liscio. Il muscolo cardiaco: l'attività elettrica del cuore e le sue basi ioniche.

Calendario delle prove d'esame

• 5-2-2018 (h 10:00)
• 19-2-2018 (h 10:00)
• 5-3-2018 (h 10:00)
• 18-6-2018 (h 10:00)
• 2-7-2018 (h 10:00)
• 23-7-2018 (h 10:00)
• 10-9-2018 (h 10:00)
• 12-11-2018 (h 10:00, per laureandi e fuori corso)
• 14-1-2019 (h 10:00, per laureandi e fuori corso)
• 18-3-2019 (h 10:00, per laureandi e fuori corso)

Prima lezione

La fisiologia studia le funzioni dell'organismo e i meccanismi con cui tali funzioni si svolgono. Permette di comprendere le attività funzionali dei vari organi, apparati e sistemi e le relazioni funzionali tra di loro.

Possiamo studiare una funzione vitale a vari livelli di complessità:

• Livello di organismo
• Livello del sistema di organo
• Livello di organo
• Livello di tessuto
• Livello macromolecolare
• Livello molecolare

La fisiologia è anche una scienza che integra conoscenze relative a diversi livelli di organizzazione biologica. La funzione movimento, ad esempio, è un processo integrato a cui prendono parte diversi livelli di organizzazione biologica, che vanno dal livello molecolare (contrazione proteine contrattili) che si ripercuote a livello del tessuto muscolare che a sua volta si integra nella funzione del muscolo il quale infine si integra nella funzione movimento dell'intero organismo.

Analizzando sempre la funzione movimento e quindi studiando il tessuto muscolare bisogna considerare anche l'attività elettrica del sistema nervoso che supporta e controlla tale funzione.

Il vivente è assimilabile ad un sistema termodinamico aperto. In termodinamica il sistema termodinamico aperto è un sistema che scambia energia e materia con l'esterno. Un sistema termodinamico isolato non scambia né materia né energia con l'esterno (ad es. l'universo). Un sistema termodinamico chiuso scambia energia, ma non materia con l'ambiente circostante. Il vivente è definito un sistema termodinamico aperto perché è un sistema che scambia energia e materia con l'esterno. Noi scambiamo materia con l'esterno a livello di gas o a livello di introduzione di cibo, energia a livello di temperatura corporea (attorno ai 37 gradi).

Ciò avviene a qualsiasi livello, quindi anche a livello delle singole cellule.

L'ambiente interno

L'organismo per mantenersi distinto dal mondo fisico che lo circonda deve mantenere il suo ambiente interno distinto dall'ambiente esterno. L'ambiente interno è caratterizzato da tutte quelle condizioni chimico fisiche (es. concentrazioni ioniche, pH, concentrazione di O₂ e di anidride carbonica, ecc.) che sono appropriate per lo svolgimento dei processi biologici dell'organismo.

L'ambiente interno è rappresentato dal solo ambiente intracellulare nel caso degli organismi unicellulari. Nel caso degli organismi pluricellulari è formato dall'ambiente intracellulare sommato a quello extracellulare.

L'ambiente extracellulare:

• È unico se non esiste apparato circolatorio o se l'apparato circolatorio è aperto
• È costituito dal liquido circolante (sangue, emolinfa) + compartimento interstiziale che rappresenta un compartimento intermedio tra il liquido circolante e il citoplasma cellulare (se l'apparato circolatorio è chiuso)

Gli scambi di materia ed energia tra ambiente interno e ambiente esterno avvengono mediante flussi passivi e flussi attivi.

Flussi passivi

Ad esempio è lo scambio di calore o gas con l'ambiente circostante. Il flusso passivo è definito come la tendenza termodinamica generale della materia o dell'energia a muoversi secondo gradiente di potenziale. Se trascorre un intervallo di tempo sufficiente e sono assenti altri processi, il flusso passivo riduce il gradiente fino ad annullarlo. In tal caso si arresta anche il flusso. I flussi passivi sono equilibrati.

Flussi attivi

Permette ai sistemi biologici di accumulare sostanza contro un gradiente di concentrazione. Il flusso attivo richiede un consumo di energia poiché si oppone alla tendenza dei flussi fisici di liberare energia. Per impedire ai processi fisici e chimici di distribuire la propria energia in modo uniforme in tutto l'ambiente in cui vive e per costruire e mantenere la propria struttura, l'organismo compie lavoro in modo da mantenere la propria integrità.

Ad esempio, per mantenere una temperatura superiore a quella ambientale abbiamo bisogno di ingerire enormi quantità di energia attraverso il cibo sfruttato per alimentare il metabolismo basale molto alto. Spendiamo energia anche per ventilare e mantenere costante il gradiente di concentrazione di ossigeno a livello delle superfici respiratorie. In generale qualsiasi funzione richiede una quantità di energia, sfruttata anche per mantenere l'organismo distinto dall'ambiente circostante.

Il vivente è un sistema termodinamico aperto in stato stazionario, cioè uno stato in cui sistema perde l'energia e l'energia persa viene recuperata con energia acquisita. Vi è cioè un disequilibrio permanente, mantenuto da un flusso di energia in entrata ed in uscita dal sistema ossia l'energia guadagnata compensa l'energia perduta. L'energia guadagnata proviene nel caso degli autotrofi per assimilazione diretta dalla luce solare, nel caso degli eterotrofi per assimilazione degli alimenti. Ad esempio, gli organismi endotermi (uccelli e mammiferi) hanno un metabolismo maggiore e quindi devono mangiare di più. Ciò ci dà un'idea riguardo all'approvvigionamento di cibo per svolgere le funzioni vitali.

Abbiamo detto che i viventi sono sistemi aperti in disequilibrio stazionario in cui un continuo flusso di materia ed energia in entrata è compensato da un corrispondente flusso di energia. I flussi si definiscono come quantità di energia o di materia che passano da un punto ad un altro punto nell'unità di tempo. Il flusso J è direttamente proporzionale alla forza X che lo genera in base alla seguente relazione J = LX (Equazione di Teorell) dove L è il coefficiente di proporzionalità. È evidente che di volta in volta occorrerà individuare la forza coniugata al flusso ed esprimerla adeguatamente. Ad ogni modo la forza X è sempre esprimibile come energia potenziale (W) utilizzata per compiere un tratto unitario di percorso (gradiente di potenziale).

Dalle proprietà del vivente deriva la capacità di mettere a disposizione energia libera e di compiere lavoro, cioè il vivente è una macchina chimica autoregolata (trae la sua energia di funzionamento direttamente dai composti chimici). L'energia chimica è trasferita direttamente da un composto chimico all'altro e solo una frazione è trasformata in calore (che è più che altro un prodotto collaterale). Il vivente pur rimanendo costantemente se stesso sa adattarsi alle condizioni ambientali e sa cambiare le sue azioni in funzione dei fattori esterni.

Il vivente va oltre: al variare dell'ambiente esterno il suo ambiente interno rimane costante e la sua azione pur adattandosi persiste nel suo fine (si ha la quella che fisiologicamente è definita omeostasi).

Omeostasi

Nel 1929 Walter Cannon coniò il termine omeostasi (ossia la tendenza dell'organismo a mantenere lo stato stazionario). In particolare definiamo omeostasi la capacità di un organismo di mantenere condizioni costanti del proprio ambiente interno rispetto alle variazioni dell'ambiente esterno. L'omeostasi richiede una spesa energetica all'organismo. Grazie ai processi omeostatici eventuali variazioni dei parametri interni vengono prontamente rilevate e vengono prontamente attuate opportune azioni compensatorie.

Omeostasi cellulari: ioni, pH, acqua, glucosio, potenziale di membrana.

Omeostasi sistemiche:

• Regolazione della temperatura corporea
• Regolazione concentrazione di acqua e soluti
• Regolazione della concentrazione di O₂ nel sangue
• Regolazione della concentrazione ematica di glucosio
• Regolazione della concentrazione ematica di calcio

Affinché possa realizzarsi omeostasi è necessario ci siano centri di controllo che possano comunicare con le varie parti del sistema. Ad esempio la temperatura corporea è regolata a 37 gradi. Se ci sono discostamenti da questo valore, il sistema di controllo rappresentato dall'ipotalamo riceve informazioni dai tessuti periferici e invia segnali agli organi effettori (ad esempio le ghiandole) per ripristinare la condizione iniziale. Il controllo può essere a livello locale o a livello sistemico, cioè a livello di più parti distanti nell'organismo collegate dal sistema nervoso ed endocrino.

Proprietà dei processi omeostatici

Indipendentemente dal particolare meccanismo di regolazione, ogni forma di omeostasi presenta le proprietà di un sistema a retroazione negativa (o feedback negativo). La retroazione (o feedback) negativa si verifica quando influenze esterne fanno variare lo stato normale o desiderato di un sistema e i meccanismi interni di risposta agiscono in modo da ripristinare lo stato normale.

La risposta allo stimolo iniziale, attraverso l'azione del sistema di controllo e del sistema effettore, porta ad un cambiamento nello stato interno del sistema. Tale cambiamento agisce a monte sul sistema tendendo ad annullare l'effetto dello stimolo iniziale (feedback negativo).

Gli elementi essenziali di un sistema di retroazione negativa sono:

• Un meccanismo di rivelazione dello stato interno dell'organismo, e cioè un sensore, come ad esempio i termorecettori. Se osserviamo una variazione della temperatura il termorecettore si attiva perché ad esempio percepisce il freddo ed invia questo segnale al cervello attraverso l'ipotalamo alla nostra corteccia.
• Un sistema di controllo che confronti lo stato interno effettivo con lo stato desiderato: un sistema di controllo è rappresentato dall'ipotalamo che attiva il brivido, dà il comando ai muscoli di contrarsi per produrre calore. Anche la vasocostrizione serve per mantenere il calore all'interno ed evitarne la dissipazione. La ghiandola tiroide interviene per aumentare il metabolismo basale per bruciare di più.
• Un effettore che consenta di variare lo stato interno del sistema al fine di raggiungere lo stato desiderato in modo tale che non ci sia una differenza tra la temperatura di set point e la temperatura reale.

Seconda lezione

Le membrane cellulari

La sopravvivenza della cellula dipende dagli scambi che avvengono a livello della membrana plasmatica con l'ambiente circostante; la membrana plasmatica costituisce un elemento strutturale fondamentale per comprendere le funzioni della cellula stessa. Un altro importante principio della fisiologia è il legame struttura – funzione: la funzione è condizionata dalla struttura.

Le cellule possono avere forme e dimensioni diverse, ma tutte sono accomunate dall'avere una membrana plasmatica essenziale per la sua sopravvivenza e la sua integrità; una lesione a livello della membrana porterebbe alla fuoriuscita del materiale citoplasmatico e di conseguenza alla morte cellulare.

La membrana plasmatica in termini di spessore si misura in nanometri. Siamo nell'ordine di 100 angstrom. Al microscopio elettronico la membrana appare con un profilo scuro chiaro scuro. Questo sottile profilo non è altro che l'espressione della struttura della membrana stessa. Il modello di membrana introdotto di Singer e Nicholson è quello del mosaico fluido ed è quello più accreditato. Secondo questo modello, la membrana plasmatica è formata da un bilayer fosfolipidico, cioè un doppio strato di fosfolipidi; questi ultimi sono dei lipidi che hanno un paio di code idrofobe rivolte verso l'interno e teste polari idrofile.

Nel bilayer fosfolipidico osserviamo molecole di colesterolo che si inseriscono come se fossero delle forcine tra i fosfolipidi di membrana. Inoltre ci sono proteine che possono attraversare la membrana che possono essere intrinseche o estrinseche. Fuoriescono dalla membrana catene carboniose di carboidrati che possono legarsi sia ai protidi che ai lipidi e questi servono per il riconoscimento di elementi extracellulari.

Elementi costitutivi della tela fosfolipidica

La tela fosfolipidica è formata da fosfolipidi costituiti da:

• Testa polare idrofila formata da glicerolo legato ad un fosfato che si lega a sua volta alla colina. Si ottiene in questo caso la fosfatidilcolina; si potrebbe ottenere anche fosfatidilserina o fosfatidiletanolammina se si cambiassero le basi legate al fosfato.
• Le code idrofobe sono formate da acidi grassi. Sono dette catene aciliche perché hanno una ripetizione di CH₂. In base alla geometria dei legami carbonio-carbonio, possiamo avere una catena dritta o ripiegata a gomito (legami semplici o doppi). I fosfolipidi della membrana cellulare si dispongono in doppio strato con le terminazioni idrocarburiche rivolte all'interno e quelle polari verso le fasi acquose (foglietto bimolecolare a doppio strato lipidico). Ciò accade perché le code idrofobe evitano il contatto dell'acqua per via della presenza di una repulsione; ne deriva che la struttura tridimensionale più stabile è quella del doppio foglietto. Possiamo trovare fosfolipidi in acqua sia sotto forma di micelle che di foglietto.

Le membrane biologiche contengono colesterolo. Il colesterolo contribuisce a determinare la struttura della membrane plasmatica intercalandosi tra le molecole dei fosfolipidi. Il nucleosteroideo del colesterolo ha una struttura planare relativamente rigida, che è in contatto con i gruppi -CH₂ prossimali (C1-C10) delle catene alifatiche dei fosfolipidi, mentre il suo gruppo idrossilico in posizione 3 è in contatto con il mezzo acquose extracellulare in prossimità delle teste polari dei fosfolipidi.

Lipidi di membrana e fluidità

Normalmente i lipidi di membrana esistono in uno stato “cristallino liquido”, cioè intermedio tra una struttura altamente fluida e una abbastanza rigida, tale da garantire una viscosità della membrana che consenta il funzionamento ottimale della componente proteica di membrana (enzimi, proteine di trasporto, recettori, ecc). La fluidità della membrana è essenziale affinché essa possa svolgere le sue funzioni. Le proteine di trasporto presenti in essa sono spesso soggette a cambi conformazionali per consentire appunto il trasporto di sostanze all'interno. Ma il cambio conformazionale della proteina deve essere anche consentito da un adeguato microambiente lip...