Fisiologia generale per scienze biologiche

1 FISIOLOGIA GENERALE

INTRODUZIONE

lunedì 30 marzo 2020

11.35

Esame orale:

16 giugno

14 luglio

16 settembre

Testi:

Fisiologia (d'angelo-peres) ediermes

Fisiologia animale (randal e altri)

Nicholis e altri DAL NEURONE AL CERVELLO zanichelli

Kandal e altri PRINCIPI DI NEUROSCIENZE CEA

FISIOLOGIA = meccanismi di base di funzionamento delle cellule in relazione alla dinamica dell'organismo e

alle sue funzioni. Si studia l'organismo nel suo complesso in condizioni in cui le cellule siano intatte. I

metodi devono essere molto sensibili e non invasivi.

• FISIOLOGIA VEGETATIVA = organi che permettono all'organismo e alle cellule di continuare la loro

vita nelle condizioni migliori possibili in base alle loro esigenze individuali. Le cellule utilizzano O2 ed

emettono CO2 per le loro necessità metaboliche. Questi scambi avvengono attraverso le superfici

polmonari. C'è una respirazione a livello di organi che permette di svolgere tale funzione a livello

cellulare permettendo il trasporto di sostanze attraverso il flusso sanguigno. Lo stesso avviene con il

sistema gastroenterico che permette l'assorbimento dei nutrienti utili alle cellule. A livello di

escrezione la CO2 viene eliminata attraverso i polmoni, i residui azotati invece vengono eliminati

tramite il sistema renale, che è anche un sistema di controllo della composizione del sangue

(osmolarità, bilancio idrico e osmotico)

• FISIOLOGIA NELLA VITA DI RELAZIONE

È la fisiologia della relazione dell'organismo con l'ambiente e altri organismi attraverso sistemi

locomotori e sensoriali. Ciò include anche stimoli neuromuscolari

Il sistema nervoso ed endocrino coordinano tutti questi processi

IMPORTANZA DEGLI SCAMBI DI MEMBRANA

La composizione ionica delle soluzioni e i trasporti di membrana sono utili per capire:

• Assunzione o espulsione di sostanze utili o dannose

• Comunicazione mediante segnali elettrici tra cellule

• Esocitosi e contrazione cellulare mediante segnali elettrici

• Scambi di membrana per la regolazione della composizione intra ed extracellulare (pH e osmolarità,

ovvero numero di particelle libere)

• Azione di ormoni e regolatori tramite recettori di membrana

2 FISIOLOGIA GENERALE

L'organismo tende a mantenere una certa stabilità dell'ambiente interno, detta OMEOSTASI

Variabile esterna che durante il tempo può andare incontro a fluttuazioni di tipo diverso (oscillazioni o alti e

bassi)

La variazione può anche essere interna (acidità del sangue ad esempio) che tende ad oscillare.

Tutte queste variazioni e oscillazioni vengono tamponate in una certa misura. La temperatura interna ad

esempio, pur di fronte a variazioni della temperatura esterna a livello giornaliero e stagionale, negli

omeotermi si mantiene costante. Questo perché c'è un sistema che permette la stabilità. Questo

mantenimento della stabilità interna dipende da meccanismi sofisticati che però hanno dei limiti. La

temperatura ad esempio: l'organismo riesce a mantenere una temperatura stabile entro un certo ambito

di variazione. Se la temperatura diminuisce si ha gradualmente una diminuzione dell'efficacia del controllo.

Il mantenimento di valori costanti richiede comunque e sempre energia

Gli organismi CONFORMI sono quelli che non riescono a mantenere questi valori costanti

L'andamento di variabile in funzione del tempo è una retta, c'è proporzionalità diretta tra i due

• Ossiconformi\ossiregolatori

• Osmoconformi\osmoregolatori

• Pecicotermi\omeotermi. I primi possono avere comunque condizioni stabili interne se l'ambiente in

cui vivono è stabile.

È più corretto parlare di:

• Endotermi ed ectotermi: i primi hanno meccanismi endogeni di regolazione della temperatura, i

secondi hanno bisogno delle condizioni esterne per regolarsi

Un controllo molto importante è quello dei FLUIDI ORGANICI

Ci sono molti compartimenti nell'organismo che contengono fluidi di natura diversa

• FLUIDO INTRACELLULARE di composizione diversa e variabile (citoplasma o compartimento

cellulare). Variano di solito composizione, pH, concentrazione di calcio

• FLUIDI EXTRACELLULARI

• Liquidi interstiziali = tra le cellule nei tessuti (esempio liquidi cerebro-spinale con composizione

controllata dalla barriera emato-encefalica)

• Plasma (sangue senza componente cellulare)

Le differenze sono minori (la composizione ionica è generalmente simile, ma le proteine, elementi

regolatori e altri sono diversi)

OMEOSTASI = stabilità dell'ambiente interno

Negli omeotermi:

• TEMPERATURA = 37 gradi

• pH = 7.4 circa nel sangue controllato strettamente. Nella cellula è leggermente più acido (un muscolo

in attività che produce acido lattico può arrivare fino a 6.8).

le cellule che funzionano attivamente producono CO2.

• OSMOLARITA' = circa 300 mOsm (si controllano anche le concentrazioni dei diversi ioni e molecole

organiche)

• CONCENTRAZIONE DEI VARI IONI

o CATIONI

3 FISIOLOGIA GENERALE

Il principale catione a livello extracellulare e il sodio, con concentrazione 150 mM

Sodio: 150 mM esterno, 12 mM interno

Potassio: 4 mM esterno, 150 mM interno (principale catione interno)

Calcio libero: 2 mM esterno, 3 mM totali (nel citoplasma < 10^-7 mM in quanto è un

importantissimo segnalatore cellulare)

Magnesio: 1 mM esterna e 17 mM totale interna. È uno ione che si lega a molte molecole

organiche, è un cofattore enzimatico

o ANIONI

Cloruro (Cl-): 120 mM esterno, molto variabile all'interno (4-40 mM)

Bicarbonato (HCO3-) 25 mM esterno, 10-20 mM interno

Fosfato (HPO32-): 0.7 mM esterno, 6 mM interno

Altri: 6 mM esterno e 84 mM interno (es. aa)

• PROTEINE = non passano nei fluidi interstiziali (è ciò che differenza sangue e fluidi interstiziali): 13

mM esterno, 6 mM interno

• GLUCOSIO = 3-4 mM

• O2\CO2

• COMPOSTI ORGANICI VARI (regolatori, ormoni eccetera)

LOGICA DEI MECCANISMI DI CONTROLLO

• RETROAZIONE NEGATIVA

Sistema controllato ha una sua variabile che può cambiare, producendo un'uscita (es. aumento di

CO2 nel sangue). Questa variazione viene percepita da un sensore, il quale deve essere anche capace

di mandare un segnale al sistema di controllo. Questo è una sorta di amplificatore, perché percepito il

segnale lo amplifica: consuma energia per mettere in moto una risposta per ovviare alla variazione. Il

segnale può essere invertito attraverso un segnale negativo, che fa per esempio diminuire la CO2 nel

sangue. Attraverso il polmone la CO2 fuoriesce, se questa aumenta il modo per liberarsi velocemente

di questa si aumenta la frequenza respiratoria. Il segnale è stato amplificato perché la risposta è di

tipo muscolare, con conseguente maggior consumo di energia.

• RETROAZIONE POSITIVA

Potenzia la deviazione che si è creata, può produrre risposte esplosive.

Un esempio è la coagulazione: in seguito a un taglio si forma un coagulo in seguito al rilascio di fattori

locali. Il continuo rilascio favorisce l'allargamento del coagulo

È pericolosa perché è veloce e va controllata molto bene. Va infatti interrotta rapidamente. Nel caso

del sangue altrimenti si rischierebbe la coagulazione di tutto il sangue.

ALLOSTASI

= stabilità attraverso il cambiamento

L'organismo in genere è in grado di prevedere l'occasione a cui si sta andando incontro. Il mantenimento

delle condizioni o le loro modificazioni sono anticipative, il che è più complesso. Lo stato interno viene

quindi modificato prima

L'organismo anticipa le variazioni che dovrà trovare modificando i parametri organici in revisione di

cambiamenti.

Controllo anticipato = FEEDFORWARD, non è un sistema passivo

4 FISIOLOGIA GENERALE

DIFFUSIONE SEMPLICE

martedì 31 marzo 2020

16.40

È un tipo di trasporto passivo

È la diffusione in soluzione di ioni o molecole semplicemente a causa dell'agitazione termica

Una molecola in seguito ad agitazione termica va incontro a un moto casuale che la allontanerà dal punto

iniziale

Dopo un certo tempo deltaT avrà percorso una certa distanza

Per le esigenze fisiologiche non è un processo molto veloce. La distanza media percorsa è proporzionale alla

radice del tempo che è passato secondo una costante di velocità che ci dice in che modo la molecola

interagisce con quelle circostanti. Questo aspetto dipende da:

• Tipo di molecola

• Dimensioni della molecola

Non c'è relazione lineare tra tempo e distanza, ma è una relazione esponenziale.

Più aumentano le distanze, meno efficiente è il trasporto

COEFFICIENTI DI DIFFUSIONE IN ACQUA

Diminuisce con l'aumentare delle dimensioni della molecola (la diffusione sarà più lenta)

Acqua = 2.2x10^-5 cm^2\s

Ossigeno molecolare, Cl-, K+ = 2.0 x 10^-5 cm^2\s

Na+ = 1.3 x 10^-5 cm^2\s

Glicina = 1.0

Glucosio = 0.6

Lattosio = 0.4

Emoglobina = 0.07

Una molecola come l'ossigeno o uno ione come il potassio in un cellula in media diffonde di 10 micron nel

giro di 50 ms (da una parte all'altra della cellula)

Con x = 1cm

Tempo medio = circa 14 ore

5 FISIOLOGIA GENERALE

Con x = 1m (lunghezza di un assone)

Tempo medio = anni

Cilindro pieno di acqua: inserendo del glucosio in uno spessore moto sottile

A t=0 il glucosio sarà concentrato solo al centro, ai lati non ci sarà nulla. In seguito il glucosio inizierà a

diffondere. Il grafico assumerà la forma di una gaussiana

Tempo infinito (stato stazionario) = il glucosio si è distribuito in tutta la superficie

FLUSSO

= numero di moli di una molecola o ione che passa attraverso una certa area nell'unità di tempo

Flusso netto = da sx a dx (per ragioni statistiche). Infatti se ci sono più molecole a sx in una certa unità di

tempo saranno di più le particelle che passeranno da sx a dx

Se si parla di unità di area è più corretto parlare di DENSITA' DI FLUSSO

FLUSSO TOTALE = flusso complessivo attraverso una certa superficie (somma di unità di area, come la

membrana di una cellula). Si moltiplica il flusso per l'area totale

Il flusso attraverso una superficie da sx

a dx netto è proporzionale alla

differenza di concentrazione tra sx e dx

Se lo spessore della membrana tende a

0 si può descrivere il flusso in

corrispondenza di un certo punto. Si

utilizza una derivata

6 FISIOLOGIA GENERALE

Maggiore è il rapporto, maggiore è la caduta di concentrazione e maggiore il flusso

Il flusso è proporzionale alla derivata della concentrazione lungo la distanza secondo il coefficiente di

diffusione. In questo caso la concentrazione non varia nel tempo. Si considera solo la variazione nello

spazio. Basta prendere in considerazione un tempo non troppo lungo o un tempo infinito (es.

concentrazione del glucosio)

A rigore il flusso è un vettore: in genere in biologia si hanno due compartimenti a concentrazione

relativamente costante (es. esterno e interno di una cellula). L'unica differenza è lungo l'asse della

membrana, per cui l'unico flusso che va preso in considerazione è quello a livello della membrana. Si

considera una sola direzione. Il verso (se il flusso sta entrando o uscendo) si sistema con un segno -. Se la

concentrazione da sx a dx diminuisce (la derivata quindi è negativa) ma il flusso è positivo (le molecole

vanno nella direzione della x crescente). Il flusso è così positivo, ovvero nello stesso verso del moto netto

delle molecole.

Si può anche scegliere l'altra convenzione, ma questa è più immediata.

La forza diffusiva non è così rigorosa come forza di gravità o forza elettrica. Le molecole si muovono in

modo casuale. C'è un flusso netto solo in presenza di un gradiente di concentrazione, quindi una differenza.

MODELLO SOLUZIONE-DIFFUSIONE

Es. passaggio attraverso una membrana di una molecola che ha una certa concentrazione nello spazio 1

(extracellulare) maggiore rispetto allo spazio 2 (intracellulare ad esempio). Questa molecola è capace di

attraversare la membrana sciogliendosi in essa (essendo quindi lipofila)?

Se queste condizioni sono presenti la diffusione semplice è possibile

L'equazione di Fick si modifica:

Nella membrana si può considerare un flusso lineare (in realtà sarebbe una gaussiana, ma le membrane

cellulari sono molto sottili per cui si può approssimare a una retta), quindi non si fa derivata (al

denominatore si mette lo spessore della membrana.

Il coefficiente di diffusione va modificato: non si può considerare quello in acqua, ma quello nella

membrana.

7 FISIOLOGIA GENERALE

La differenza di concentrazione che determina il flusso è quella subito all'interno e all'esterno delle due

facce della membrana, che non saranno identiche a quella dello spazio acquoso in quanto dovranno entrare

all'interno della membrana

COEFFICIENTE DI PARTIZIONE Kp = dice che frazione di molecole nella soluzione acquosa si sciolgono nella

membrana. Va moltiplicato per ciascuna concentrazione

Non sempre si conoscono tutti i componenti della permeabilità, motivo per cui si raggruppano in un solo

fattore Pm (si misura sperimentalmente)

Il flusso quindi sarà uguale alla permeabilità di una membrana moltiplicato per la differenza di

concentrazione

Il coefficiente di partizione ci dice se una molecola passa dalla fase acquosa a quella lipidica oppure no

Lo stesso procedimento si può anche applicare a una membrana di un tessuto

GRAFICO DI COLLANDER

In ordinata la permeabilità di una molecola

In ascissa il coefficiente di partizione (es. tra olio e acqua)

8 FISIOLOGIA GENERALE

Più è grande il coefficiente, più la molecola è lipofila (verso dx)

Le molecole sono distribuite in modo approssimativamente lineare

Eccezioni:

• L'acqua è una molecola polare. Le membrane biologiche generalmente hanno una buona

permeabilità all'acqua.

• Come l'acqua anche altre molecole polari attraversano facilmente la membrana, ad esempio CO2,

NO e CO

Siccome per gli ioni il trasporto è abbastanza complicato, per le molecole polari ci vogliono dei complessi

proteici che coadiuvino alla diffusione

9 FISIOLOGIA GENERALE

OSMOSI E FILTRAZIONE

mercoledì 1 aprile 2020

16.00

OSMOSI = flusso di acqua che si ha attraverso una membrana semipermeabile a causa della differenza di

concentrazione di un soluto. Passa solo l'acqua e non il soluto dalla soluzione meno concentrata a quella

più concentrata.

La pressione esercitata dall'acqua in movimento è chiamata PRESSIONE OSMOTICA. Se si applica una forza

a livelli della soluzione più concentrata che impedisce il flusso di acqua verso di essa (deve essere opposta

al flusso osmotico), l'acqua non passa. La pressione osmotica è la pressione che deve essere applicata alla

soluzione più concentrata per evitare il flusso di acqua verso di essa

OSMOMETRI = permettono di misurare la pressione osmotica. Si fa partire il tempo nel momento in cui

parte il flusso. Questo vene impedito da un pistone che esercita una pressione (fxs). Nel caso delle soluzioni

biologiche le pressioni osmotiche sono molto alte (tra le 7 e le 8 atmosfere). In condizioni fisiologiche le

concentrazioni dei soluti dentro e fuori dalla cellula sono tendenzialmente uguali.

LEGGE DI VANT'HOFF

Vale per soluzioni diluite (quindi reali) = concentrazioni che si trovano in condizioni fisiologiche

In condizioni ideali la pressione osmotica è proporzionale alla

concentrazione del soluto. R e T sono costanti, quindi questa

equazione in condizioni fisiologiche è una retta

Perché questa legge è analoga alla legge dei gas?

La pressione osmotica è la pressione che esercitano le molecole di soluto che pressano sulla membrana

nella parte più concentrata, ed è opposta al flusso idrico

In generale si ritiene che ci sia una parte di flusso che dipende dal bombardamento di molecole sulla

membrana. Le molecole che hanno componente di moto verso la membrana arrivano alla membrana e poi

rimbalzano, portando con sé dell'acqua che però poi con il rimbalzo richiamano, quindi l'effetto sul

trascinamento di acqua è nullo. Le particelle invece che hanno una direzione del moto verso l'interno

portano con sé delle molecole di acqua da fuori verso l'interno, e possono continuare ad andare verso

l'interno (o verso il basso o verso l'alto) e non verso la membrana. In questo modo continuano a richiamare

acqua verso l'interno, per cui dall'ambiente esterno all'ambiente interno.

Per misurare la pressione osmotica di compartimenti diversi basta comparare le due pressioni in base alla

concentrazione parziale dei soluti = OSMOLARITA'

L'OSMOLARITA' è uguale in due soluzioni con la stessa concentrazione con la stessa pressione osmotica.

Una soluzione con osmolarità 1 osmolare è una soluzione che ha la stessa pressione osmotica di una

soluzione 1 molare di un non-elettrolita in condizioni ideali.

OSMOLARITA'\OSMOTICITA' = numero di particelle disciolte

Fa parte delle proprietà colligative (dipendono dal numero e non dalla natura chimica delle particelle) di

una soluzione

Esempi

10 FISIOLOGIA GENERALE

Con un sale binario che si scioglie totalmente in acqua l'osmolarità è doppia rispetto alla molarità (KCl è una

molecola, che in acqua si divide in due particelle)

Soluzione 10 mM KCl = 20 mM k+ + Cl-

In una soluzione con diverse componenti queste si sommano

Soluzione 5 mM glucosio + 5 mM NaCl. Osmolarità 5+10 = 15 mOsm

Se la concentrazione aumenta, a un certo p