Fisiologia generale e animale

FISIOLOGIA ANIMALE

Prof. Michele Mazzanti

anno accademico 2020 / 2021

libro di testo: Meccanismi di base nella fisiologia cellulare - M. Mazzanti, E. Mancinelli

> organismo biologico è vivo se in uno stato di equilibrio dinamico ad alta energia potenziale

> energia potenziale viene trasformata in altre forme utili es: E. cinetica → compiere lavoro

> max efficienza: E potenziale persa facilmente ripristinata

> tutte le reazioni avvengono per urti casuali dovuti all'agitazione termica

> SEPARATORI = membrane biologiche:

• costituiscono ambienti separati a diversa composizione di saluti

• consente interazioni tra molecole altrimenti improbabili

• specificità delle membrane assicurata dalle strutture proteiche associate

> TRASPORTATORI = proteine di membrana specializzate nel passaggio di materiale tra un ambiente e

l'altro

> ACCUMULATORI = sistemi capaci di accrescere l'energia potenziale e mantenere un equilibrio

dinamico

• potenziale elettrico a cavallo delle membrane

• accumuli ionici in compartimenti specifici

• riserve di molecole complesse

> COMUNICATORI = comunicazione e controllo dei vari distretti del sistema pluricellulare

• sintesi e rilascio di messaggeri molecolari captati da recettori specifici presenti sulle cellule

bersaglio

> SENSORI = strutture cellulari altamente specializzate → interfaccia tra organismo e ambiente

esterno

ENERGIA

> differenza di concentrazione per uno ione → potenziale chimico = riserva di energia potenziale

della cellula

* possibile solo se presenti pori acquosi

> potenziale chimico → separazione di cariche → potenziale elettrico → corrente ionica

> spessore membrana biologica: 5×10^-9 m → immobilizza cariche opposte ai 2 lati: CONDENSATORE

LAVORO

> per mantenere omeostasi → essenziale:

• mantenere differenza tra ambienti propri e ambiente esterno

• equilibri dinamici → eventi attivi e passivi

↳ mantenuti anche in condizioni restrittivi

> per relazionarsi con ambiente esterno → aumenta probabilità di sopravvivenza:

• percepire stimoli e generare azioni

• tempi di esecuzione brevi

• stimolo e retroazione di controllo

SISTEMI INFORMATIVI

> basati sul potenziale chimico:

• sfruttano processi diffusivi

• messaggio portato da una molecola

• sistema influenzato da:

- massa particella

- viscosità liquido

- attrito

> basati sul potenziale elettrico:

• particelle cariche (ioni)

• trasferimento di carica come variazione della quantità di moto → rapido e basso consumo

energetico

SEPARATORI

= strutture che dividono 2 ambienti diversi → MEMBRANE CELLULARI

> barriera semipermeabile

> dinamicamente permeabile ai soluti

> 3 caratteristiche:

1) spessore di circa 10 nm

2) costituita da molecole anfipatiche → doppio strato fosfolipidico

3) capacità di raggiungere estensioni notevoli

> struttura attiva → tutti gli scambi e le comunicazioni

> rapporto superficie membrana / volume cellulare → più è alto, più è attiva la cellula; estremi:

neurone - adipocita

MODELLO ELETTRICO DI MEMBRANA

CONDENSATORE e RESISTENZA in parallelo

> CONDENSATORE = doppio strato fosfolipidico → accumula cariche di segno opposto ai lati →

energia potenziale mantenendo elettronentralità delle soluzioni

> RESISTENZA = canali ionici

> tempo di carica dipende da:

• estensione armature

• resistenza di membrana

maggiori sono, maggiore è il tempo di carica del condensatore

1) stato di riposo = equilibrio dinamico tra ambiente intracellulare ed extracellulare mantenuto con

dispendio energetico sfruttando separatori e trasportatori → livello elevato di energia potenziale

2) energia di attivazione o stimolo = stimolo elettrico, chimico, meccanico o variazioni di T o

osmolarità che rimuovono vincoli e permettono temporanea caduta verso equilibrio statico

3) meccanismi attivi e/o passivi ristabiliscono equilibrio dinamico iniziale

ACCUMULATORI

1) energia accumulata = potenziale elettrico

2) stimolo → abbassamento resistenza elettrica di membrana

3) corrente elettrica → dissipazione E potenziale

↳ flusso di ioni

* ione NON attraversa fisicamente la membrana ma passa la carica tra gli ioni fino a

uno ione all'interno della cellula

> meccanismo di accumulo di E potenziale dipende da:

1) presenza di 2 ambienti con caratteristiche biofisiche diverse

2) membrana selettivamente permeabile → permeabile solo a H2O e piccoli ioni (K e Cl):

• ioni Cl- → armatura interna del condensatore

• ioni Na+ e Ca 2+ → armatura esterna

↳ elettroneutralità: flusso di cariche netto nullo

* equilibrio di Donnan: differenza di potenziale a cavallo della membrana = -10 / -15 mV

> diversi tipi di cellule usano energia in modo diverso:

• lavoro acuto ad alta intensità: es: cellule muscolari scheletriche

- sfruttamento energia in tempi brevi o brevissimi

- utilizzo E chimica per ripristino E potenziale

- meccanismi di recupero parziale di E per ridurre consumo

• lavoro cronico di bassa intensità prolungata / continua: es: cellule epitelio assorbente

- produzione e consumo continuo di E chimica

- equilibrio dinamico ad alta E potenziale

* eccesso di E potenziale sempre presente → possibilità di:

• compiere lavoro anche in presenza di un temporaneo blocco di produzione E chimica

• compiere lavoro di intensità superiore a quello usuale

* per aumentare E potenziale → aumentare differenze di concentrazione ioniche → trasportatori ed

E

TRASPORTATORI

DIFFUSIONE SEMPLICE

> secondo gradiente

> sfrutta agitazione termica

> segue LEGGE DI FICK:

• Φ = flusso = n° di moli che si spostano nell'unità di tempo

= − · = − · • A = area della sezione

• R = costante dei gas

• T = Temperatura assoluta * se costante → D

• N = numero di Avogadro

• f = coefficiente di attrito (contrasta diffusione)

• D = coefficiente di diffusione * tipico di ciascuna sostanza

• dc/dx = gradiente di concentrazione

> diffonde meglio molecola piccola con viscosità minore

> Φ costante se dc/dx costante

> Φ = 0 quando dc/dx = 0

DIFFUSIONE ATTRAVERSO MEMBRANA

> S (sostanza solubile) può diffondere liberamente attraverso la membrana

> D uguale nei 2 ambienti

> Φns (flusso netto di S) si esaurisce nel tempo in quanto ciascun flusso unidirezionale di S è

proporzionale alla differenza di concentrazione dei 2 ambienti

• Jns = flusso netto di S per unità di area A

( )

= = −

1 2 • Pm = coefficiente di permeabilità di S in membrana *

proporzionale a Dm; * velocità lineare con cui S attraversa la

membrana

• Cs = concentrazione di S nei 2 ambienti

PORI ACQUOSI

> acqua si muove liberamente per mantenere costanti le pressioni osmotiche

↳ da ambiente più diluito a quello più concentrato: OSMOSI

> pressione osmotica = differenza di pressione idrostatica che controbilancia il flusso

(

= − ) • Jv = flusso volumetrico di acqua

• Posm = coefficiente di permeabilità osmotica * dipende da

mobilità dell'acqua e coefficiente di ripartizione per l'acqua

• Δπ = differenza di pressione osmotica tra i 2 ambienti

• Δp = differenza di pressione idraulica tra i 2 ambienti

> osmolarità = somma delle concentrazioni di tutte le molecole e di tutti gli ioni in soluzione

CARRIER

> proteine integrali di membrana

> sito di legame specifico per una molecola

> trasporto facilitato → flusso netto altamente specifico secondo gradiente che dipende da

probabilità di legame

↳ dipende da concentrazione e probabilità di cambiamento conformazionale del carrier

↳ dipende da T e proprietà chimico-fisiche

> flusso con cinetica simile a quella enzimatica (Michaelis - Menten)

↳ cinetica di saturazione (n° finito di carrier disponibili )

[]

· • J = flusso

max

=

• Km = costante di dissociazione tra carrier e sostanza S

[] +

> inibitori competitivi e non competitivi possono interferire con il flusso di S:

• con inibitori competitivi si raggiunge comunque Jmax ma con concentrazioni maggiori

• con inibitori non competitivi: Jmax inferiore

MODELLO DI TRASPORTO DEL GLUCOSIO: COTRASPORTO

> G utilizzato nei mitocondri per produrre ATP (E chimica)

> assorbito a livello di:

• epitelio intestinale

• tubulo convoluto prossimale del nefrone

> trasportatore: proteina integrale di membrana (carrier) con:

• poro per Na

• sito di legame per G

> ciclo:

• poro per Na aperto e siti per G verso esterno (alta affinità)

• passaggio Na e legame G

• cambiamento conformazionale → siti per G verso interno

• rilascio G e Na per perdita di affinità e bassa concentrazione intracellulare

> energia: gradiente di Na fornito da Na/K ATPasi

> G esce dalla cellula per trasporto facilitato secondo gradiente → carrier specifico sulla membrana

basolaterale

ATPasi (POMPE)

> trasporto attivo → utilizzo di ATP

> proteine integrali di membrana

MODELLO DI TRASPORTO DELLO IONE SODIO

> flusso continuo di Na verso interno → serve trasportatore per far uscire Na dalla cellula contro

gradiente

> caratteristiche del trasportatore:

• sito di attacco per ATP

• siti ad alta affinità per Na

• siti allosterici → modulati da cambiamenti conformazionali

> ciclo:

• siti per Na verso interno

• alta affinità → saturazione

• cambiamento conformazionale → legame ATP al sito specifico → fosforilazione proteina

• cambiamento conformazionale → siti per Na verso esterno

• drastica diminuzione dell'affinità → rilascio Na all'esterno

• distacco ADP → ritorno alla conformazione iniziale

MODELLO DI TRASPORTO DELLO IONE POTASSIO

> flusso continuo di K verso esterno → serve trasportatore per far entrare K nella cellula contro

gradiente

> sistema identico a Na ma al contrario

POMPA SODIO/POTASSIO

o ATPasi Na+ / K+ DIPENDENTE o Na+ / K+ ATPasi

> proteina integrale di membrana altamente conservata:

• 2 subunità α (70 KDa) → siti di legame e sito di fosforilazione

• 2 subunità β (35 KDa) → glicoproteine

> 8 - 10 domini transmembrana

> accoppia trasporto contro gradiente di Na e K → utilizzo di 1 sola ATP

> ciclo:

• siti per Na ad alta affinità e siti per K a bassa affinità verso interno

• saturazione siti Na

• autofosforilazione

• cambiamento conformazionale → siti di legame verso esterno

• drastica diminuzione dell'affinità per Na → rilascio Na all'esterno e legame K ai siti ad alta

affinità

• distacco p → ritorno alla conformazione iniziale

• rilascio K

> 3 Na all'esterno e 2 K all'interno

> cariche + bilanciate dal Cl -

> carica + in eccesso all'esterno e carica - in eccesso all'interno si bilanciano a ridosso della

membrana

> ione attivatore: Mg

> funzioni:

• formazione potenziale di riposo → elettrogenica

• impedire accumulo di ioni all'interno della cellula

• mantenere costante potenziale elettrochimico di Na e K → possibile flusso di ioni per

potenziale di riposo e d'azione

> cinetica di saturazione

> funzionamento influenzato da T e pH

> se gradienti troppo alti → flussi contrari → formazione di ATP

OMEOSTASI DEL CALCIO

> funzioni ione Ca 2+:

• azione elettrogenica sul potenziale di membrana come ione permeante

• funzione citoplasmatica come secondo messaggero: trasferimento e amplificazione del

messaggio portato dallo stimolo primario → attivazione di specifiche funzioni (apertura /

chiusura canali ionici, attivazione enzimi, regolazione proteine, stimolazione trascrizione

genica)

> ruolo fondamentale in:

• contrazione muscolare

• rilascio ormoni

• comunicazione sinaptica

• regolazione cascate enzimatiche intracellulari

> concentrazione citoplasmatico:

• 10^-8 - 10^-9 M a riposo

• 10^-6 - 10^-3M per tempi lunghi è tossica

> riserve Ca:

• ambiente extracellulare

• stores = specializzazioni del RE che funzionano come riserve di Ca intracellulari → [Ca] =

10^-2 - 10^-3 M

> calsequestrina = proteina che lega Ca con bassa affinità nel RE per:

• ridurre la reale concentrazione nel reticolo

• rilasciarlo velocemente quando necessario → transienti di Ca = rilascio massivo di Ca dagli

stores e risequestro dopo pochi ms da parte di ATPasi Ca-dipendente

> concentrazioni e tempi di permanenza di Ca nel citoplasma determinano diverse azioni

es: contrazione muscolare: pochi ms; fecondazione: decine di min

• per tempi più lunghi: più transienti di Ca molto ampi

ATPasi Ca 2+ dipendente (pompa del calcio)

> su membrane di miociti, reticolo sarcoplasmic delle cellule muscolari scheletriche

> sempre attiva

> attivata da Ca intracellulare in presenza di ATP

> 1 sito di fosforilazione

> 2 siti di legame per la

> funzionamento mediante cambiamenti conformazionali

MODELLO DI CURRAN E MclNTOSH

= modello a 3 ambienti per il trasporto d'acqua attraverso l'epitelio intestinale

> ambienti:

• lume

• interstizio

• lato serosale

> meccanismo:

• canali ionici specifici per Na sulla membrana apicale → Na entra in cellula secondo

gradiente

canali ionici specifici per K sulla membrana basolaterale → K esce dalla cellula secondo

gradiente

• sulla membrana basolaterale: Na/K ATPasi → Na scambiato con K → concentrazioni

citoplasmatiche: [Na] = sempre bassa; [K] = sempre alta

• gradiente di Na crescente dal lume al liquido interstiziale * DISEQUILIBRIO STABILE

• richiamo di acqua per osmosi → passaggio

attraverso membrane apicali e gap junction

* a livello dei tessuti: situazione simile ma con gradienti e flussi opposti

SISTEMI IN CONTROCORRENTE

TRASPORTO IN CONTROCORRENTE

> 2 soluzioni scorrono in tubi affiancati in direzione opposta

> DISEQUILIBRIO STABILE = gradiente di concentrazione costante a livello di ciascun settore

> es: branchie: acqua di mare cede al sangue fino all'80% dell'ossigeno disciolto

SCAMBIO IN CONTROCORRENTE

> tubo ripiegato ad ansa

> DISEQUILIBRIO STABILE

> permette di NON assorbire una eccessiva quantità di soluto / perdere eccessiva quantità di calore

MOLTIPLICAZIONE IN CONTROCORRENTE

> presenza di ATPasi specifiche sulla seconda parte del tubo ripiegato ad ansa

> creare ambiente ipertonico con basso consumo di ATP

> es: ansa di Henle nel nefrone dei mammiferi / aumento di volume della vescica natatoria dei pesci

teleostei

CANALI IONICI

> proteine integrali di membrana:

• porzione idrofoba → inserimento in membrana

• porzione idrofila → poro acquoso

> ione in soluzione attraversa la membrana solo attraverso canali ionici secondo gradiente

> diametro tale da selezionare lo ione che lo attraversa (non preciso)

> 2 conformazioni: chiusa / aperta

> spesso coinvolti in meccanismi propri delle cellule eccitabili

> 2 tipologie:

• voltaggio dipendenti

• tempo dipendenti

> famiglie:

• canali del Na

• canali del K

• canali del Ca

• canali del Cl

> canali del Na, K e Ca codificati da 3 geni derivanti dallo stesso gene ancestrale

> canali del Cl: origine non chiara

> configurazione base: canale del K → omotetramero: 4 domini transmembrana da 6 elementi

ciascuno con sequenze idrofile di collegamento;

• generano correnti ripolarizzanti e iperpolarizzanti per ristabilire le condizioni di riposo nei

fenomeni bioelettrici

> canali del Na e Ca → eterotetrameri;

• generano corrente ionica entrante depolarizzante

• forniscono ioni Ca

> canale del Cl → struttura diversa non ancora chiara;

• modulano eccitabilità nervosa

• mantengono potenziale di riposo delle cellule muscolari scheletriche

• in cellule non eccitabili: controllo volume cellulare, movimento cellulare e trasporto

transepiteliale di acqua

CANALE DEL Na

> complesso molecolare di circa 320 KDa

> 3 subunità:

• subunità α → canale

- 1 catena

- 4 domini omologhi → 6 segmenti idrofobi transmembrana ciascuno + loop idrofili

di collegamento intra ed extracellulari

- N-ter, C-ter e siti di fosforilazione → intracellulari

- siti di glicosilazione, siti di legame per tossine specifiche → extracellulari

• subunità β1 → modulazione espressione / attività

• subunità β2 → modulazione espressione / attività

> loop intracellulari tra i segmenti S:

• tra 1 e 2: siti di fosforilazione → importanti per regolazione del flusso di ioni

• tra 3 e 4: loop h → inattivazione del canale

• tra 5 e 6: poro → conduttanza e selettività ionica: ione Na idratato forma legami

elettrostatici con aa carichi -→ stabilizzazione carica → reidratazione e diffusione

- anche sito per tetrodossina (TTX) = bloccante del canale più noto

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