Fisiologia Generale e Animale

Membrane biologiche

Hanno spessore 7-10 nanometri. Il limite di risoluzione al microscopio ottico è 200nm, al microscopio elettronico è 1nm circa. Per dimostrare l'esistenza delle membrane posso prendere in considerazione il comportamento dei globuli rossi al variare della tonicità del mezzo. Se il soluto è permeabile può passare attraverso la membrana e la cellula non si gonfia. Se il soluto non è permeabile la cellula si gonfia, ma si trasferisce solo acqua.

Composizione chimica

Le proteine sono presenti in maggiori quantità rispetto ai lipidi (ad eccezione della mielina, poiché i lipidi sono più adatti ad isolare il potenziale d'azione dei neuroni). Il colesterolo e i fosfolipidi sono i principali costituenti, i glicolipidi in quantità minori. I trigliceridi e i fosfolipidi si trovano nel tessuto adiposo e producono il doppio dell'energia dei carboidrati.

• Fosfolipidi: testa idrofila e coda idrofobica, dove c'è il doppio legame O == O c'è un punto di flessione.
• Colesterolo: struttura ciclopentanfenilfelatrenica. Ha una grossa porzione idrofobica e un gruppo OH che funge da piccola testa idrofila, come nei fosfolipidi. Può avere diversi effetti, quello principale è diminuire la fluidità delle membrane.
• Glicolipidi (0-8%): ad esempio galattocerebroside, un glicolipide neutro, con zucchero non carico. Il ganglioside invece è un componente della membrana del neurone.

La tensione superficiale misura quanto i due mezzi sono chimicamente diversi tra loro. Le proteine idrofile non abbassano la tensione superficiale. Nel caso della membrana plasmatica, la risultante tensione superficiale è piccola, perché separa due ambienti. Le proteine devono essere divise in Intrinseche ed Estrinseche. I fosfolipidi sono in continuo movimento, la membrana non è una struttura cristallina (diffusione laterale, rotazione e flessione): il movimento più raro è il flip flop, il passaggio dallo strato interno a quello esterno o viceversa. La testa deve passare attraverso le code. Il movimento laterale è fondamentale per avere una distribuzione omogenea dei componenti. Più grassi saturi significano rigidità.

Le proteine intrinseche si approfondano con una struttura ad alfa elica. Hanno porzioni sia intra che extra cellulari. Quelle che attraversano tutta la membrana sono i trasportatori. Si possono dividere in tre categorie:

• A singolo attraversamento: recettori per l'insulina e fattori di crescita.
• A più attraversamenti: rodopsina, fotorecettore, e recettore gustativo.
• A più subunità: a 4 subunità come canali ionici di K e Ca; a 6 subunità come i canali delle giunzioni gap.

Proteine estrinseche

Sono legate in maniera labile alla membrana. Sul lato citoplasmatico ci sono proteine impiegate nella formazione del citoscheletro: le molecole tetrameriche di spectina sono legate a filamenti di actina e miosina.

• Funzione adesiva
• Recettori di membrana
• Enzimi digestivi

Sul lato esterno prevalgono sfingomielina e glicolipidi. Non è omogenea, esistono dei lipid raft, microdomini lipidici ricchi in sfingolipidi che condizionano la fluidità della membrana. Minore temperatura, minore lunghezza delle catene aciliche, maggior colesterolo e proteine diminuiscono la fluidità. La diffusione può avvenire attraverso lo strato fosfolipidico per sostanza liposolubili (alcool).

Epitelio

Pavimentoso stratificato: funzione protettiva (negli anfibi l'epidermide ha funzione respiratoria e di trasporto). Cilindrico: funzione assorbente e secernente (intestino, il colera aumenta la funzione secernente e provoca morte per disidratazione). Cellule ciliate e mucipare. Pseudostratificato: vie respiratorie, funzione di trasporto di acqua e ioni. È l'unico tipo di cellula in cui la membrana non è tutta uguale e ha diverse specializzazioni. La pompa Na/K è un meccanismo fondamentale per il trasporto di quasi tutti gli animali e si trova sulla membrana laterale.

Il villo ha altezza di circa 0.5 mm; il microvillo di 1-3 micrometri e diametro di 0.1-0.3 micrometri. Possono entrare in contrazione (probabilmente per facilitare il trasporto. Meccanismo simile a actina e miosina in fibre muscolari). Il glicocalice ha una funzione protettiva. La cellula epiteliale è polarizzata.

Giunzioni

• Tight junction: giunzioni occludenti, funzione meccanica, mantengono la polarità delle cellule epiteliali.
• Desmosomi: desmosomi a cintura o giunzioni aderenti.
• Emidesmosomi: connessione tra connettivo ed epitelio
• Gap junction: giunzioni comunicanti. I messaggeri passano da una cellula a quella adiacente (gruppi di cellule che funzionano in maniera omogenea).

Le giunzioni tight non sono impermeabili, ma lasciano passare piccole molecole e impediscono il passaggio delle proteine da una membrana all'altra. L'occludina è una delle proteine caratteristiche delle tight (proteina integrale). Hanno spessore di circa 100-200 nm. Vengono anche chiamate zonula occludens. Sotto le tight si trova la zonula adherens. I bottoni desmosomici sono giunzioni di ancoraggio: la funzione è di ripartire sollecitazioni meccaniche tramite tonofilamenti. Gli emidesmosomi collegano epitelio e connettivo attraverso speciali proteine dette lamine.

Le gap junction sono punti di connessione con proteine cave (connessoni). Sono strutture regolari distribuite in modo non omogeneo. Permettono il passaggio di piccole molecole e ioni e sono di grande importanza nelle cellule muscolari cardiache. I connessoni sono formati da connessine, che possono ruotare in modo da regolare il poro centrale. Quando i livelli di calcio all'interno della cellula aumentano, le gap si chiudono per non influenzare negativamente le cellule circostanti (stessa cosa per le variazioni di pH).

La dimostrazione dell'esistenza delle gap può essere effettuata attraverso l'uso di elettrodi a AgCl. L'impulso può passare solo grazie alla gap, perché la resistenza delle membrane è di per sé molto alta. Il potenziale varia (delta V). La membrana è caratterizzata da una forza elettromotrice e da una resistenza: si comporta come un condensatore che ha una capacità. Una volta entrata nella cellula, la corrente deve uscire passando attraverso la membrana o attraverso le gap (se viene superata una gap però, la corrente trova la resistenza della membrana della cellula adiacente). La corrente I è definita come il rapporto tra forza elettromotrice (fem) e R, ovvero la sommatoria delle varie resistenze che la corrente incontra (Prima legge di Ohm, delta V = IR).

Il microelettrodo è un ago contenente una soluzione salina, che ha diametro di circa 1 micrometro, in modo da poter essere tranquillamente inserito in una cellula. È il punto di congiunzione tra un conduttore di primo tipo (metallo) e uno di secondo tipo (soluzione salina, contenente ioni). Se parte del filo clorurato rimane al di fuori della cellula, le misure saranno scorrette. Se il filo invece è costituito in superficie solo da argento, riesce a comunicare in tutti i suoi punti. Le variazioni di potenziale sono dovute alla pompa sodio potassio: la concentrazione di K+ all'interno della cellula è circa 100mM.

Via paracellulare

• Esperimenti con il lantanio
• Selettività di un epitelio confrontata con quella delle membrane citoplasmatiche
• Comportamento ohmico dell'epitelio e resistenza confrontata con singola membrana

Dalla definizione di conduttanza come inverso della resistenza G = 1/R, si ha che la conduttanza totale è data dalla somma di tutte le conduttanze (le resistenze sono in parallelo). Gtot = G1 + G2 + G3... Riferendosi a un epitelio, la conduttanza complessiva sarà data dalla somma delle singole vie di conduttanza. Se la via paracellulare Rsh ha una resistenza trascurabile, allora la resistenza dell'epitelio è circa uguale a Rsh. La via cellulare è selettiva: la paracellulare è molto utile quando il materiale da trasportare è tanto. La resistenza della membrana può cambiare a seconda della sua struttura: nella via paracellulare, dominata da giunzioni tight non regolabili, la resistenza non varia. I ponti proteici che collegano due cellule adiacenti delle giunzioni tight variano di numero a seconda del tipo di epitelio: quando la lunghezza della giunzione è maggiore, anche la resistenza è maggiore. Due ambienti sono in equilibrio quando il flusso netto tra loro è uguale a 0.

Quando l'energia in entrata è più grande del flusso in uscita allora si ha uno stato transiente. Quando il flusso in entrata è uguale al flusso in uscita, il livello rimane costante pur essendo il flusso diverso da 0. Si ha uno stato stazionario (c'è ancora scambio tra ambienti diversi); un esempio è la pompa sodio-potassio quando la concentrazione di K+ è 100mM: se la pompa funziona male la concentrazione di K+ diminuisce all'interno della cellula (stato transiente). Quando la cellula muore, le pompe smettono di funzionare, le concentrazioni si abbassano e si ha uno stato di equilibrio, poiché il flusso diventa uguale a 0.

Diffusione semplice

È il processo per cui un soluto in soluzione o un gas in ambiente tende ad occupare in virtù dell'agitazione termica tutto lo spazio disponibile. Dall'ambiente più concentrato a quello meno concentrato. È più probabile che le molecole si spostino dove non c'è concentrazione. Il movimento termina (solo apparentemente, l'agitazione è continua) solo quando il mezzo diventa omogeneo. Random walk —> cammino casuale delle particelle. Ogni passo successivo è indipendente dal precedente. Dipende dal soluto e dal solvente e in modo specifico dalla membrana che sto considerando. La legge di Fick può essere utilizzata in vari modi (calcolare concentrazioni di soluto in un determinato ambiente, rapporto di Hussing per stabilire se c'è diffusione semplice). Il rapporto di Hussing non è l'unico modo per riconoscere la diffusione semplice. L'unico metodo di trasporto con andamento lineare è la diffusione semplice. Non è necessario conoscere P, bastano il flusso e C: per due punti passa solo una retta. I valori riportati nel grafico devono essere la media di più misurazioni: è consigliabile ricavare più punti, per essere sicuri che il risultato sia una retta e non un altro tipo di curva.

Quando il cane è ionico o abbiamo acquaporine, la situazione è diversa:

• Pure: solo acqua
• Acquagliceroporine: lasciano passare anche il glicerolo, che è in parte idrofilo e in parte idrofobo. Hanno andamento a clessidra.

Anche a livello delle giunzioni extracellulari (via paracellulare) passano perlopiù ioni. La differenza di potenziale è nulla, la legge di Fick è ancora utilizzabile in questo caso. L'ossigeno è un esempio di diffusione semplice attraverso la membrana plasmatica. Insieme ad esso anche tutte le sostanze lipofile e gli ormoni steroidei. La concentrazione di una sostanza liposolubile all'inizio della membrana è maggiore. Se la sostanza è idrofila e attraversa pori acquosi ma non è liposolubile, allora la concentrazione all'interno della membrana sarà uguale a quella all'esterno.

Immagino cosa succede se delta Pi greco è presente, ma delta P no (le particelle di soluto sono più grandi del poro). All'interno del poro c'è solo acqua, quindi non si muove per gradiente di concentrazione: quando l'acqua si muove alle estremità del poro però, si crea una differenza di pressione idrostatica, che permette all'acqua di muoversi anche all'interno del poro. L'acqua del volumetto A si muove nell'ambiente 2 per gradiente di concentrazione. Tra A e B si crea una pressione idrostatica perché vengono a mancare delle molecole d'acqua in A (si sono trasferite nell'ambiente 2). L'acqua può trascinare con sé dei soluti, come se fosse un fiume. Le sostanze che sono troppo grandi non passano (proteine ad alto peso molecolare), ma molecole come il glucosio sì. La larghezza dei pori è di circa 40 A. Quanto più mi allontano dal cuore, la pressione media del sangue si abbassa, per cui non ho valori minimi o massimi, ma ne ho uno unico che all'inizio del capillare è di circa 24mmHg, al suo interno invece si abbassa a 15 mmHg. Se la pressione iniziale è sempre la stessa e la lunghezza della tubatura aumenta, il P finale deve diminuire se delta P aumenta.

Secondo il principio di Pascal, in presenza di una superficie limite, la pressione esercitata è uguale su tutti i punti della superficie. Il flusso si muoverà in base a quale delle due pressioni è più consistente. All'estremità arteriosa delta Pi Greco = 24mmHg e delta P = 34mmHg. La risultante si dirige verso i tessuti. Se la delta P diminuisce e diventa minore di delta Pi Greco, avremo un flusso di rientro (questo avviene all'estremità venosa). Un decimo dell'acqua in uscita passa attraverso i vasi linfatici, invece di rientrare nel capillare. Si evita di avere una pressione oncotica rilevante nel tessuto interstiziale, perché i grossi soluti sono in grado di essere assorbiti dal sistema linfatico.

• 19 mmHg: sono dovuti alla pressione oncotica capillare
• -4 mmHg: sono persi a causa della pressione oncotica nell'interstizio
• 9 mmHg: sono dovuti alla differenza di pressione oncotica dei piccoli soluti

Jv / Js = Jv (1- sigma) Cs / Jv1-sigma mi dice la percentuale di soluto che viene trasportata dall'ambiente di partenza insieme con l'acqua.

Capillari glomerulo renale

Il nefrone è l'unità morfologica che costituisce il rene. La parte terminale del nefrone si ricollega a condotti sempre più grandi fino ad arrivare a uretra e vescica. La prima parte del nefrone è il tubulo prossimale. L'ansa di Henle si suddivide in branca ascendente e discendente e in entrambe si possono distinguere un tratto spesso e uno sottile. Succedono il tubulo contorto distale e infine un dotto collettore che raccoglie i nefroni adiacenti. Il glomerulo è avvolto dalla capsula di Bowmann, una matassa di capillari che prende il nome di rete mirabile. Nello spazio intercapsulare arriva un liquido ultrafiltrato dal sangue (in un uomo circa 180 L al giorno). Il rene ha funzione di filtro: getta via gli scarti e poi riassorbe quello che serve. I capillari della rete sono inseriti tra due arteriole. La parete si comporta come una membrana con pori grandi 80A. L'acqua passa con un flusso in massa: passano anche ioni e piccole molecole, ma non proteine ad alto peso molecolare (>70000). Se sono di dimensioni inferiori, il coefficiente si sposta progressivamente a zero.

L'emoglobina (64500 uma) si trova negli eritrociti, che essendo di grandi dimensioni non riescono a passare attraverso ai pori. Se inibisco il flusso dell'acqua lo spazio intracellulare collassa e viceversa. Nell'ambiente 2 c'è un aumento di concentrazione. A quanto deve ammontare questo aumento per permettere assorbimento di acqua? Circa il 2%, che è un valore molto piccolo perché Posm e Pi greco sono più grandi di quanto ci si aspettasse (incremento di circa 6mM). L'acqua passa sia attraverso la via cellulare che attraverso la paracellulare, ma è nettamente superiore la prima (area di superficie maggiore). Il sodio può passare attraverso la via paracellulare, perché ha un peso atomico inferiore a 100 uma; per fare questo il sodio dovrebbe avere sigma basso, vicino a 0 (non funzionerebbe il modello). Glucosio e aa contribuiscono all'incremento di Pi Greco reale, ma hanno sigma=1 (il loro peso molecolare è rispettivamente 180 e tra 200-300).

Acquaporine

Studiate a livello del tessuto renale. Sono proteine di membrana. I loop si affiancano e determinano un poro. Solitamente si presentano in tetrameri. Ne sono state individuate circa 11. Acquaporina 1: globuli rossi, tubulo prossimale del rene. Si trova sulla membrana basale e basolaterale. Costitutivamente attiva (sempre). Presente anche in membrana apicale. Acquaporina 2: dotto collettore del rene, membrana apicale e vescicole intracellulari. Sono regolate da ADH (ormone antidiuretico), sensibili a Hg. Non sono sempre attive. Quando la quota di riassorbimento è bassa si ha diabete insipido (urina molto diluita). Può avere due cause: non viene prodotto ADH o l'acquaporina 2 non funziona correttamente. L'adenilato ciclasi provoca la formazione di ADH. Le acquaporine sono contenute in vescicole intracellulari; le fosforilazioni producono ADH, l'ADH si ancora alle vescicole e le trasporta alla membrana cellulare. Le acquaporine si inseriscono e viene aperta la via alle molecole d'acqua.

Sia nel caso del diabete mellito, sia in quello insipido, ciò che cambia sono le concentrazioni nelle urine. Le acquaporine possono essere pure (acquaporina 1 e 2) o aquagliceroporine, che lasciano passare anche il glicerolo, il quale serve per mantenere l'omeostasi della cellula (che perde glicerolo per mantenere costante la sua pressione osmotica). Non è chiaro se sono presenti acquaporine sulla membrana apicale dei villi: può essere che passi acqua solamente attraverso il doppio strato fosfolipidico.

Assorbimento del glucosio

Il trasporto molecolare può essere mediato da canali (non cambiano forma), da vettori o da strutture chiamate carrier. Il canale mette in contemporanea in comunicazione due ambienti. Nel carrier all'inizio si ha contatto con un ambiente, quando poi si cambia conformazione l'ambiente in comunicazione è un altro. Il canale è più veloce, ma la velocità è comp...