Riassunto esame Fisiologia Generale, prof. Mastroiacovo

Fisiologia generale

Il termine fisiologia viene dal greco “ϕυσὶς λόγος” (fiusis logos) ovvero conoscenza della natura; infatti, anticamente non c’era distinzione tra scienza e filosofia. Infatti, Aristotele definisce la fisiologia come “funzionamento degli organismi viventi”. Successivamente, Ippocrate la definisce “potere curativo della natura”. Con Galileo e il metodo scientifico (osservazione → ipotesi → esperimento → tesi) cambia il significato della fisiologia e diventa più specifico. Oggi possiamo definirla come “lo studio delle funzioni degli organismi viventi”.

Funzione

Insieme di tutti i processi che consentono il raggiungimento di uno scopo ben definito, utile per l’organismo.

Riduzionismo

È il tentativo di spiegare i fenomeni biologici in base a leggi fisico-chimiche. Da questo deriva la tendenza a scomporre l’organismo in parti: organi, tessuti, cellule, molecole.

Le divisioni della fisiologia umana

• Della vita di relazione: ovvero i sistemi che interagiscono con l’ambiente esterno (sistema nervoso e muscolare).
• Della vita vegetativa: ovvero l’assunzione di nutrienti dall’ambiente esterno (digestione e assorbimento mediante il metabolismo), accrescimento e riproduzione (endocrinologia = le ghiandole a secrezione interna) e l’integrazione delle varie funzioni.

Il principio di August Krogh

“Per ogni problema fisiologico c’è un modello animale più idoneo su cui verificare le proprie ipotesi”, per esempio l’assone gigante del calamaro ha uno spessore di 1 mm a differenza di quello umano il quale ha una dimensione di 0,015 mm. Studiando quindi quello del calamaro già alla fine degli anni 30 si erano potuti chiarire i meccanismi fondamentali della trasmissione dell’impulso nervoso.

Livelli di studio della fisiologia

• Subcellulare
• Cellulare
• Tessuto
• Organo
• Organismo

Modelli fisiologici

• Organismi in vivo: studi che richiedono molto tempo.
• Organi o tessuti animali isolati: si estrae l’organo interessato e si riproducono le condizioni fisiologiche, poi alterandole si vede la risposta dell’organo al cambiamento (es. si varia il ph). Questo metodo viene molto più utilizzato rispetto al primo in quanto l’organismo vivo può cercare di mettere in atto dei meccanismi di difesa di fronte ad un'alterazione dell’ambiente fisiologico.

Inoltre, ora cellule e tessuti vengono conservati in vitro e riprodotti per evitare problemi etici e morali nell’utilizzo di organi e tessuti di animali. Queste cellule vengono coltivate in laboratorio e possono essere conservate in sospensione (durano poche ore) o in capsule (adatte a periodi di conservazione più lunghi). Queste cellule conservate in laboratorio costituiscono delle colture cellulari:

• Colture cellulari primarie: cellule ottenute direttamente dall’animale, sono formate generalmente da diversi tipi di cellule.
• Colture cellulari secondarie
• Linee cellulari: a volte alcune cellule subiscono un cambiamento e diventano capaci di riprodursi illimitatamente, immortali (per es. cellule tumorali o generatesi per mutazioni).

Terreni di coltura

• Devono fornire sostanze nutritizie
• Devono contenere un sistema tampone
• Devono essere isomolari con la cellula e non devono contenere fattori tossici

Gli svantaggi dell’utilizzo di questi metodi è che è un sistema semplificato rispetto a quello integrato, le condizioni fisiologiche e le concentrazioni possono essere diverse da quelle in vivo e difficili da correlare.

Omeostasi

È la condizione di stabilità interna degli organismi che deve mantenersi tale anche al variare delle condizioni esterne attraverso meccanismi autoregolatori e permette quindi la sopravvivenza in ambienti sfavorevoli. L’omeostasi agisce mediante un meccanismo detto feedback (= retroazione) che può essere di diversi tipi:

• Feedback negativo: quando i risultati del sistema vanno a smorzare il funzionamento del sistema stesso stabilizzandolo (es. una ghiandola produce un ormone che va sull’organo bersaglio il quale a sua volta produce una sostanza che inibisce la produzione dello stesso ormone).
• Feedback positivo: quando i risultati del sistema vanno ad amplificare il funzionamento del sistema stesso (es. come prima solo che la sostanza prodotta dalla ghiandola fa aumentare la produzione dell’ormone), questo meccanismo è molto più raro.
• Feedforward = Regolazione anticipata: è un meccanismo che permette di prevedere e anticipare cambiamenti futuri e quindi migliorare la risposta omeostatica (es. alla vista del cibo il nostro stomaco comincia a preparare i succhi gastrici per la digestione prima ancora di ingerire il cibo).

Costituenti chimici della cellula

I costituenti inorganici della cellula sono acqua e sali minerali. Gli animali sono costituiti per circa il 75% di acqua, il feto ne contiene molta di più e con l’avanzare dell’età la percentuale di acqua diminuisce sempre di più. Questa è la causa dell’invecchiamento cellulare. Infatti, le nostre cellule sono costituite per circa il 90% da essa, che va a formare il liquido intracellulare. Inoltre, altra acqua va a costituire il liquido extracellulare, che si trova in parte negli spazi tra le cellule ed è detto liquido interstiziale e in parte nel plasma.

Funzioni dell’H₂O

• È un prodotto metabolico
• Partecipa alle eliminazioni di sostanze di rifiuto
• Assorbe il calore ed evita bruschi cambiamenti di temperatura (→ sudorazione)

La maggior parte della spesa energetica del corpo è utilizzata per conservare l’acqua. Il 95% dell’acqua corporea è utilizzato per formare soluzioni e come disperdente per colloidi. Gli ioni si legano alla molecola d’acqua in modi diversi, ovvero alcuni possono legare a sé molte più molecole d’acqua di altri. Le molecole di acqua che si attaccano ad uno ione vanno a formare l’alone di solvatazione che determina la grandezza dello ione.

I sali minerali sono molti e indispensabili per l’organismo; li possiamo introdurre solo con l’alimentazione poiché non siamo in grado di sintetizzarli.

Costituenti organici della cellula

I costituenti organici della cellula sono, invece, carboidrati, lipidi, amminoacidi e nucleotidi. I carboidrati costituiscono l'1% del peso corporeo, si trovano soprattutto nel sangue sotto forma di glucosio e nei muscoli e nel fegato sotto forma di glicogeno.

I monosaccaridi presenti sono: glucosio, fruttosio e galattosio. I disaccaridi presenti sono: saccarosio (frut+gluc), maltosio (gluc+gluc) e lattosio (gluc+gala). I polisaccaridi animali sono glicogeno e chitina (insetti), mentre quelli vegetali sono amido e cellulosa (quest’ultima non la digeriamo).

Funzioni dei carboidrati

• Energetica
• Plastica
• Riconoscimento cellulare
• Proprietà chimico-fisiche
• Mantenimento della pressione osmotica

I lipidi o grassi sono quei composti non solubili in acqua: si definiscono grassi se solidi o oli se liquidi. Possono essere di diversi tipi:

• Monogliceridi: glicerolo + 1 acido grasso
• Digliceridi: glicerolo + 2 acidi grassi
• Trigliceridi: glicerolo + 3 acidi grassi
• Fosfolipidi: glicerolo + 2 acidi grassi + fosfato
• Eicosanoidi: tra cui le prostaglandine
• Steroidi: il cui capostipite è il colesterolo
• Lipoproteine
• Glicolipidi

Funzioni dei lipidi

• Componenti della membrana cellulare
• Riserva energetica
• Ormoni
• Vitamine A, D, E, K
• Pigmenti di assorbimento della luce (caroteni)
• Trasduzione del segnale
• Modulazione dell’attività enzimatica

I principali lipidi alimentari sono i trigliceridi e gli acidi grassi saturi (es. palmitico e stearico) e insaturi (es. linoleico e linolenico); questi ultimi non siamo in grado di sintetizzarli.

I nucleotidi sono costituiti da una base azotata, uno zucchero a 5 atomi di carbonio (ribosio o deossiribosio) e 1 gruppo fosfato.

Funzioni dei nucleotidi

• Composizione degli acidi nucleici
• Forniscono energia come ATP
• Si combinano per dare enzimi
• Sono messaggeri intracellulari

Gli amminoacidi sono i costituenti delle proteine; circa 20 tra quelli conosciuti si trovano all’interno degli organismi viventi. Sono formati da una parte variabile che è la catena radicalica centrale che è quella che diversifica un amminoacido dall’altro, e delle parti fisse che sono il gruppo carbossilico e il gruppo amminico. Si distinguono in:

• Non polari (glicina, alina, leucina)
• Polari (tirosina)
• Elettricamente carichi (glutammato)

Gli amminoacidi si legano tra loro con legame peptidico. Il legame peptidico si genera nel momento in cui, tramite un processo di condensazione (ovvero l'unione di due strutture molecolari con la perdita di una molecola di H₂O), la parte basica di un amminoacido (il gruppo funzionale amminico -NH₂) si unisce con quella acida di un amminoacido diverso (il gruppo carbossilico -COOH). Quando ciò avviene, uno degli idrogeni (H⁺) legati all'azoto si separa e si unisce al gruppo -OH legato al carbonio formando una molecola d'acqua e permettendo a C e ad N di unirsi con un legame detto appunto peptidico. L'idrogeno e l'ossigeno sono sempre in posizione trans rispetto al legame peptidico che è molto forte ed impedisce la rotazione su di esso. Questo legame può essere sciolto da enzimi idrolitici.

Ci sono alcuni amminoacidi che sono essenziali per il nostro organismo, ovvero, bisogna assumerli con la dieta, questi sono nell’adulto: istidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptofano, valina; in aggiunta a questi, nel bambino sono essenziali anche arginina e istidina (che invece vengono sintetizzati nell’adulto).

Ci sono altri amminoacidi che non formano proteine ma hanno altre funzioni:

• Omocisteina: associato a patologie cardiache
• Acido gamma-ammino butirrico: neurotrasmettitore del SNC
• Creatinina: immagazzina energia nel muscolo
• Taurina: regola la pressione osmotica e la pressione arteriosa (infatti la pressione osmotica dipende dal volume del sangue e se la pressione osmotica aumenta, aumenta il volume del sangue e quindi la pressione arteriosa)

Alcuni amminoacidi sono, invece, di importante interesse farmaceutico o commerciale:

• Glutammato sodico: esaltatore di sapidità
• L-diidrossifenilalanina o DOPA: usato per il morbo di Parkinson
• S-idrossitriptofano: per i sintomi neurologici
• GABA: utilizzato come integratore

Le proteine

Le proteine sono quindi i polimeri degli amminoacidi e si organizzano in diverse strutture:

• Primaria: la sequenza lineare degli amminoacidi
• Secondaria: struttura che può essere ad alfa elica o foglietto ripiegato
• Terziaria: riavvolgimento della proteina nello spazio
• Quaternaria: si uniscono più subunità per formare proteine fibrose o globulari

Le proteine si possono legare a delle strutture chiamate ligandi. Questi sono appunto dei siti di legame specifici per una determinata proteina o ad una determinata parte di una proteina, ovvero il sito di legame. Se ci sono più ligandi che possono legare una proteina si crea una sorta di competizione tra questi ligandi e “vince” il legando che ha maggiore affinità. Si dicono isoforme quelle proteine che hanno simile funzione ma diversa affinità per i ligandi.

I cofattori invece sono sostanze che permettono alla proteina di legarsi al ligando e sono quasi sempre vitamine (altro componente essenziale del nostro organismo) o ioni metallici. Sono quindi intermediari tra la proteina e il ligando (o substrato).

Ci sono fattori fisici che influenzano il funzionamento delle proteine:

• Temperatura: oltrepassata una certa temperatura, circa 50 gradi, la proteina si denatura e perde tutte le sue proprietà poiché perde la struttura terziaria e quindi i siti attivi che le permettono di legarsi. Se la proteina si denatura non può più tornare indietro.
• Ph: cambiando il ph, invece, cambia l’esposizione dei gruppi carichi.

Le funzioni delle proteine

1. Strutturale: forniscono supporto meccanico e base per i movimenti cellulari (collagene, elastina, tubulina ecc.).
2. Trasporto: che può essere trasporto di membrana: pompe ioniche e canali come le proteine canale; o trasporto di sostanze: compito che svolgono albumina, emoglobina e altri.
3. Invio di segnali: ormoni (insulina) e fattori di crescita.
4. Recezione di segnali: infatti, le proteine cambiano conformazione con l’arrivo di segnali. Un esempio è il recettore nicotinico, un recettore chemiodipendente, ovvero che si apre solo con fattori chimici come l’acetilcolina o la nicotina.
5. Difesa: es. gli anticorpi.
6. Regolano la funzione dei geni.
7. Enzimi.

Gli enzimi

Gli enzimi sono proteine che si legano con un substrato in modo temporaneo dando luogo ad un prodotto di reazione. L’enzima può essere usato molte volte poiché nelle reazioni non si consuma ma svolta la sua funzione torna in circolo per essere riutilizzato. Gli enzimi agiscono accelerando di moltissimo una reazione che però è termodinamicamente possibile abbassando l’energia di attivazione necessaria. L’enzima ha solitamente struttura terziaria, la quale permette di far avvicinare meglio le diverse parti della molecola che formano il sito attivo.

L’enzima ha quindi un sito principale che è detto sito attivo che è quello che lega il substrato. Ma a volte può essere presente anche un sito allosterico al quale si può legare una sostanza inibitrice o attivatrice che quindi permette o impedisce al substrato di legarsi all’enzima. A volte può accadere che l’inibitore si leghi direttamente al sito attivo impedendo comunque che il substrato si leghi alla proteina. Gli enzimi possono essere attivati dalla protolisi. Subiscono quasi sempre feedback negativo.

Classificazione degli enzimi

• Ossidoreduttasi: allontanamento o aggiunta di elettroni
• Transferasi: trasferimento di gruppi chimici es. chinasi
• Idrolasi: trasferimento di acqua
• Sintetasi

Molti farmaci agiscono da inibitori enzimatici, ad esempio la neostigmina inibisce l’acetilcolina, o l’aspirina inibisce il cicloox. Altri farmaci invece richiedono l’attività di alcuni enzimi che li rendono attivi. Molti enzimi sono anche utilizzati nell’industria alimentare: come l’amilasi che scioglie l’amido.

Diffusione e trasporti di membrana

La membrana rappresenta una zona di confine cellulare attraverso la quale avviene un efficace scambio di ioni, molecole e gas che sono vitali per il mantenimento degli equilibri cellulari.

Le funzioni della membrana cellulare

• Contiene il materiale interno
• Isola la cellula in modo parziale ovvero è selettiva, fa passare solo acqua e soluti (N.B.: diverso da semipermeabile cioè che fa passare solo acqua)
• Sostegno
• Movimento
• Contiene sistemi enzimatici per il metabolismo
• Contiene sistemi di trasporto

Dopo diverse teorie sulla struttura della membrana nel 1970 fu formulato da Singer e Nicolson il modello che utilizziamo ancora oggi, ovvero il modello a mosaico fluido. La membrana cellulare ha uno spessore di 6-8 nm. La membrana è costituita da un doppio strato fosfolipidico. I fosfolipidi possiamo dividerli in due parti: testa costituita dal gruppo fosfato, idrofila, e le code costituite dalle catene degli acidi carbossilici idrofobiche. Questi due strati sono disposti in modo da avere le code all’interno e le teste all’esterno.

La fluidità della membrana è determinata dalla sua composizione lipidica. Ovvero uno stretto impacchettamento dei fosfolipidi rende la membrana meno fluida ed inoltre più sono lunghe le code e maggiori sono i doppi legami in esse più la membrana è fluida. Questa fluidità permette diversi movimenti alla cellula: laterali, trasversali, di rotazione flessione delle teste dei fosfolipidi, flessione della catena. L’unico movimento non consentito è il passaggio di un fosfolipide dalla catena interna a quella esterna e viceversa (movimento flip flop).

Nel doppio strato sono inserite proteine di membrana alcune delle quali esternamente sono legate a glicolipidi e glicoproteine (con funzione di recettori). Inoltre, un altro importante componente è il colesterolo il quale si lega debolmente ai fosfolipidi immobilizzandoli parzialmente e rendendo il doppio strato meno fluido. Il colesterolo è una molecola essenzialmente idrofobica e possiede una parte polare idrofoba costituita dall’–OH, una parte rigida costituita dagli anelli steroidei e una coda apolare idrofoba. La quantità di colesterolo presente varia da cellula a cellula. L’eccessiva quantità però causa una perdita di flessibilità e questo fenomeno è alla base dell’indurimento di arterie e vene che portano a patologie cardiovascolari.

Le proteine di membrana

Ogni cellula ha dai 10 ai 50 tipi diversi di proteine che possiamo raggruppare in 3 classi:

• Proteine estrinseche: che interagiscono debolmente o con il lato esterno o con quello interno della membrana e possono essere facilmente staccate.
• Proteine ancorate
• Proteine integrali: interagiscono fortemente con la membrana e possono essere rimosse solo usando forti detergenti chimici. A queste appartengono le proteine transmembrana composte da uno o più segmenti che attraversano lo strato lipidico e sono accessibili ad entrambi i lati della cellula. Sono classificate in base al numero di segmenti. Quelle più diffuse sono quelle da 7 segmenti ad α-elica.