Fisiologia Generale - trasporto cellulare (1/5)

Appunti di fisiologia generale

Introduzione alla fisiologia generale

La fisiologia generale si occupa della funzione dei tessuti, organi e sistemi di organi degli animali pluricellulari. La funzione dipende dalla struttura.

Adattamento e acclimatizzazione

Adattamento: la fisiologia di un animale è in sintonia con l'ambiente in cui vive e ciò è essenziale per la sua sopravvivenza. L'adattamento in una specie è un fenomeno lento, irreversibile e richiede migliaia di generazioni.

Acclimatizzazione: cambiamenti anatomici, biochimici e fisiologici che avvengono nel singolo animale quando questo si trova cronicamente esposto a nuove condizioni intervenute nell'ambiente naturale a cui l'animale era adattato.

Quando i cambiamenti sono prodotti in laboratorio o sul campo dallo sperimentatore si parla di acclimatazione.

Processi fisiologici e coordinamento

Un processo fisiologico è adattivo se ricorre con elevata frequenza nella popolazione perché produce una più elevata probabilità di sopravvivenza e riproduzione rispetto a situazioni alternative.

Tutto è coordinato da processi nervosi ed endocrini:

• Funzioni vegetative: essenziali per la cellula
• Funzioni necessarie: sono funzioni sensitive e motorie
• Funzioni specifiche: difesa, riproduzione...

Omeostasi e regolatori

In generale, i sistemi collaborano per il mantenimento dell'ambiente interno costante per svolgere le funzioni cellulari, si ha quindi il mantenimento dell'omeostasi. Nell'organismo non si riflette la variabilità dei valori espressi nell'ambiente grazie a diversi controlli che riescono ad agire se i valori interni oscillano tra un determinato intervallo di valori (se si passa il limite si perde il controllo).

Gli organi che controllano le variazioni interne rispetto a quelle esterne sono detti regolatori, nello specifico:

• Termoregolatori: controllano la temperatura
• Ossiregolatori: controllano la concentrazione di ossigeno nel sangue e ne mantengono il consumo a livelli stazionari
• Osmoregolatori: controllano la composizione delle particelle disciolte in un fluido, mantenendo le concentrazioni ioniche nei liquidi corporei

Esistono organismi detti osmoconformi che sono in grado di mantenere costanti le condizioni interne adattandosi alle condizioni esterne (es. pesci che passano da acqua dolce a acqua salata). Altri animali, vivendo in un ambiente stabile, hanno una variabile interna stabile ma non grazie al loro controllo. Animali che non hanno una regolazione della temperatura corporea sono detti pecilotermi, animali che non producono calore sono detti ectotermi e animali che producono calore sono endotermi.

Parametri cellulari

Concentrazione del glucosio nel sangue (glicemia) a riposo → 5 mM (millimolare)

pH sanguigno: 7,4

pH nei neuroni: 7,2-7,3

pH nei muscoli: fino a 6,8

Omeostasi: stabilità nella composizione, pH, temperatura ecc. Termine coniato da Walter Cannon nel 1929, vincitore del Premio Nobel grazie alle ricerche sull'omeostasi.

Concentrazioni ioniche

Controlli di retroazione (Feedback)

Controllo di retroazione (Feedback): ritorno delle informazioni relative ad una certa variabile raccolte dai sistemi periferici e inviati al centro di controllo, regola la stessa variabile considerata.

• Feedback negativo: le cellule percepiscono la variazione tramite sensori e mandano un segnale all'amplificatore che inverte il segno. L'uscita invertita compensa la perturbazione e stabilizza il sistema vicino al punto di regolazione. NB: nell'amplificare c'è un dispendio di energia. Es. troppa presenza di CO₂ nel sangue, il sistema nervoso amplifica il segnale e il sistema muscolare consuma energia per aumentare la frequenza respiratoria.
• Feedback positivo: il segnale viene amplificato (il segno rimane uguale) e si va a produrre lo stesso effetto della perturbazione causandone un rafforzamento. I cicli di feedback positivo vengono interrotti dalla regolazione negativa. Es. Serve per risposte rapide come la coagulazione del sangue.

Meccanismi di trasporto

Si dividono in attivo (con consumo di energia) e passivo (senza consumo di energia).

Diffusione semplice: dato dal movimento termico casuale delle molecole che ne provoca la dispersione da regioni a concentrazione maggiore a regione a concentrazione minore (processo estremamente lento e privo di consumo energetico).

NB: le particelle non sono mosse da vere forze. Il profilo di diffusione nel tempo è una curva gaussiana: la larghezza ne indica il tempo necessario a distribuirsi ovvero l'efficacia di diffusione.

2<x> = Dt dove D → coefficiente di diffusione che indica l'efficacia di spostamento (varia col peso/natura delle molecole), il coefficiente diminuisce al crescere del peso molecolare.

Valori utili:

• Molecola D (x10^-5) cm²/s
• H ₂O: 2,22
• O ₂: 2
• Cl^-: 1,3
• K⁺: 2
• Na⁺: 0,6
• Glucosio: 0,07
• Emoglobina: 0,4
• Lattosio: 1
• Glicina: 1

Flusso di diffusione e legge di Fick

Per piccole molecole che diffondono a distanze cellulari la diffusione è un metodo efficace ma solo per misure sub-cellulari! (per questo gli animali senza sistema circolatorio hanno uno spessore molto piccolo).

Flusso o velocità di diffusione (J): è la quantità di soluto che attraversa un'area unitaria ogni secondo per superficie.

Nel nostro caso D: coefficiente di diffusione, dx/dx: è la derivata del gradiente di concentrazione (il flusso dipende dalla derivata del gradiente).

Iº Legge di Fick: J = J x Atot i. NB: il flusso è vettoriale ma dato che le concentrazioni interna/esterna sono uniformi interessa solo la componente perpendicolare alla membrana. Il flusso ha verso positivo se va verso le x crescenti (convenzione).

Diffusione dei gas e legge di Henry

Nel caso della diffusione dei gas non si esprime la concentrazione in termini molari ma con pressioni parziali grazie alla legge di Henry: C = P x K_i s.

Per studiare il trasferimento dei gas si usa l'equazione di Fick introducendo la pressione parziale:

dove -D K = K costante di Krogh: costante di diffusione s.

Il composto per passare attraverso la membrana lipidica per diffusione semplice dev'essere lipidico poiché la parte lipidica tende ad escludere le molecole polari (es. ormoni stereoidei derivati dal colesterolo).

Trasporto attraverso la membrana

La concentrazione interna è minore rispetto a quella interna ma risulta più uniforme: di ha un decadimento dove Dm è coefficiente di diffusione (C_i-C_e) è la differenza delle concentrazioni. Ed è lo spessore della membrana perciò ho tutto invertito di segno.

Per entrare in membrana, il composto si scioglie perché liposolubile perciò, la sua concentrazione all'interno risulta più alta rispetto a quella nella fase acquosa. Il profilo della sua curva in grafico non cambia ma si sposta di uno "scalino" più in alto. K_p: coefficiente di partizione all'equilibrio, è il rapporto di concentrazione nella fase lipidica e nella fase polare. Indica come il composto si scioglie nella membrana.

Permeabilità della membrana

Permeabilità della membrana: è la velocità alla quale una sostanza attraversa passivamente la membrana. Grafico di Collander:

Se la molecola è lipidica aumenta la permeabilità in uguale proporzione alla sua solubilità in olio. K_p = [soluto] del lipide/[soluto] in H₂O.

Eccezioni: componenti con alta permeabilità ma bassa solubilità nei lipidi (es. H₂O, CO₂ e NO).

La solubilità nei lipidi è data dalla capacità delle molecole di formare ponti a H: se formano ponti ad H legano più strettamente le molecole d'acqua e abbassano la solubilità nella fase lipidica e quindi la permeabilità della membrana.

Es. Gli scambi respiratori avvengono per diffusione semplice grazie alla permeabilità delle superfici respiratorie. Dove V è la ventilazione (P₂-P₁) pressioni parziali (legge di Henry).

La ventilazione indica che i parametri possono essere modificati per aumentare/diminuire gli scambi gassosi, dato che né la solubilità dei gas né il coefficiente di diffusione possono variare di molto, l'organismo cerca di mantenere alta la variazione di pressione per aumentare gli scambi.

Scambi di CO₂/O₂

Il coefficiente di diffusione per CO₂ e O₂ è molto simile (dipende dalle dimensioni), ciò che varia notevolmente è la solubilità: la CO₂ ha una solubilità 30 volte maggiore rispetto a quella dell'O₂. Gli scambi CO₂/O₂ avvengono nelle stesse strutture: la CO₂ esce facilmente e diffonde velocemente in atmosfera perché presente solo allo 0,03%. L'ossigeno invece è facilitato a sciogliersi perché ha una concentrazione parziale in atmosfera attorno al 20%.

Gradienti e trasporto accoppiato

La cellula è facilitata a mantenere determinati gradienti grazie alle sostanze polari che non attraversano le membrane e che devono passare attraverso proteine di membrana.

I gradienti possono essere di tipo:

• Chimico: dato dalla differenza di concentrazione ai lati della membrana
• Elettrico: dato dalla differenza di potenziale elettrico attraverso la membrana

Tipi di trasporto accoppiato

• Uniporto: trasporta una sola sostanza
• Simporto: trasportano due sostanze dallo stesso lato e contemporaneamente
• Antiporto: trasportano due sostanze dal lato opposto e contemporaneamente

Trasporto passivo

Si ha la diffusione semplice attraverso la membrana, può avvenire attraverso:

• Canali acquosi, pori della membrana: la molecola non lascia mai la fase acquosa
• Canali ionici: proteine integrali di membrana costituite da numerose sub unità che circondano una parte interna permeabile a determinate molecole. Lasciano fluire in forma passiva gli ioni.
• Proteine trasportatrici (carrier) che si combinano e mediano il passaggio della molecola mascherando i gruppi polari (detta diffusione facilitata)
• Mediato da permeasi o carriers: la proteina espone il sito in maniera fluttuante all'interno/esterno in maniera casuale, tut...