Riassunto esame Fisiologia degli organi e degli apparati, prof. Protasi

Fisiologia

1) Introduzione alla fisiologia

Gli ambienti interni ed esterni

L’ambiente esterno rispetto all’organismo umano è tutto ciò che è al di fuori dell’organismo e ciò che divide questi due ambienti sono gli epiteli. La parte che è contenuta all’interno dell’apparato digerente e respiratorio, per l’organismo è un ambiente esterno perché sono cavità ricoperte da epiteli e collegate direttamente con l’esterno.

L’ambiente esterno ed interno per una cellula: tutte le cellule sono ricoperte da una membrana plasmatica; l’ambiente interno si trova all’interno della membrana, l’ambiente esterno è quello fuori dalla membrana cioè lo spazio liquido extracellulare (questo ambiente è esterno per la cellula ma interno per l’organismo).

Omeostasi

L’omeostasi è il continuo controllo dell’organismo dei suoi livelli fisiologici (da un ambiente caldo ad un ambiente freddo l’organismo si adatta per mantenere un equilibrio termico). L’organismo è continuamente in relazione con l’ambiente esterno e continuamente opera degli adattamenti per farsi che le sue condizioni interne rimangano costanti.

Integrazione dei sistemi corporei

I sistemi corporei comunicano tramite:

• Segnali elettrici: È controllata dal sistema nervoso ed è una comunicazione molto veloce (120 m/s).
• Sanguigna: Controllata dal sistema cardio circolatorio, è meno veloce perché è in grado di fare un giro completo in un minuto. È molto importante perché abbiamo bisogno di segnali che vengono mantenuti più a lungo nel tempo, infatti il sangue trasporta gli ormoni.

Le membrane

La membrana è idrofobica all’interno perciò l’acqua non può attraversare la membrana liberamente ma ci sono dei condotti che permettono il solo passaggio di acqua. Ha la funzione di:

• Isolare ambiente esterno ed interno della cellula.
• Regolare scambi con l’ambiente esterno.
• Supporto strutturale (le cellule hanno una forma data dal citoscheletro).

Costituenti principali delle membrane

• Lipidi (fosfolipidi e colesterolo): Hanno una testa polare rivolta verso l’esterno quindi idrofilia, hanno delle code non polari che sono idrofobiche e impedendo il passaggio di molecole polari compresa l’acqua.
• Proteine (integrate o associate): Le proteine sono costituite da catene di amminoacidi che si ripiegano su se stessi a formare delle strutture (il canale che si forma è una proteina NON un lipide). La struttura primaria di una proteina è la sequenza degli amminoacidi che poi si ripiegano a formare la struttura secondaria che può essere un alfa elica o un foglietto pieghettato. Diverse strutture secondarie si ripiegano a formare la struttura terziaria che è la proteina stessa, ma non tutte le proteine si ripiegano a formare la struttura quaternaria. Le proteine con struttura quaternaria sono costituite da più catene (emoglobina è una proteina che si trova nel sangue costituita da 4 catene polipeptidica).
• Carboidrati: Sono delle catene di zuccheri importanti perché producono energia e sulla membrana sono legati a delle proteine di membrana sulla superficie esterna. Sono una delle costituenti minori della membrana plasmatica.

Modello a mosaico fluido

I fosfolipidi e le proteine non sono completamente bloccati in membrana, sono molto mobili eccetto alcune proteine che sono ancorate al citoscheletro o a strutture esterne.

Proteine integrate di membrana

Sono completamente inserite all’interno della membrana, queste proteine hanno delle parti che attraversano la membrana molte volte con delle strutture ad alfa elica (struttura che riesce ad inserirsi all’interno del doppio strato lipidico perché le proteine che si arrotolano mettono all’esterno la parte idrofobia riuscendo ad interagire con i lipidi della membrana).

Proteine associate o estrinseche

Non sono contenute nella membrana ma sono associate a proteine di membrana perché si trovano al di sotto della membrana stessa ed entrano a far parte del citoscheletro che dà la forma alla cellula.

I recettori

Sono delle proteine di membrana che permettono alla cellula di comunicare con l’esterno, ricevere segnali dall’esterno e trasmettere il segnale senza che alcuna sostanza attraversi la membrana. Il recettore è specifico per un determinato segnale che arriva sulla superficie della cellula come un ormone che legandosi al recettore comunica il segnale che l’ormone deve portare. È in grado di legare un ligando in maniera specifica cioè solo le cellule che vogliono leggere un segnale hanno uno specifico recettore ma la maggior parte delle cellule hanno recettori diversi perché vogliono leggere segnali diversi. Quando il ligando arriva si lega al recettore che è in grado di portare il segnale all’interno della cellula.

Proteine di trasporto

Permettono la comunicazione della cellula con l’esterno ma con il passaggio di sostanze. Si dividono in due categorie: Canali e Carrier.

Carrier

Sono delle proteine che sono in grado di trasportare una sostanza all’interno o all’esterno della cellula senza che avvenga una comunicazione tra il liquido intracellulare e extracellulare. Sono delle proteine specifiche per il trasporto di alcune sostanze da una parte all’altra della cellula senza mettere a contatto i due compartimenti liquidi.

Canali

Sono delle proteine che permettono il passaggio di sostanze mettendo in comunicazione i due compartimenti liquidi (un canale è l’acquapurina che permette il passaggio di acqua nella membrana). Esistono tanti canali che hanno delle strutture in grado di controllarne l’apertura e la chiusura (canale a cancello aperto con comunicazione tra i due liquidi e a cancello chiuso). Il canale chiuso può essere aperto solo da un determinato ligando.

Il movimento delle sostanze attraverso le membrane

Ci sono due caratteristiche principali che influenzano il passaggio delle molecole attraverso le membrane:

• Dimensione: Più una molecola è grande e meno attraverserà la membrana, più è piccola e più attraverserà la membrana.
• Polarità: Esistono molecole polari cioè cariche positivamente o negativamente e ci sono molecole neutre cioè non polari. La membrana essendo idrofila all’esterno e idrofobica all’interno non verrà attraversata da molecole polari perché si disciolgono in acqua che è anch’essa polare (sale si scioglie in acqua). Una sostanza piccola e non polare può attraversare la membrana, un esempio può essere l’O₂ che è piccolo e neutro.

Diffusione: Avviene attraverso processi specifici. Gettando del sale nell’acqua, la molecola di sale NaCl si dissolve e diventa Na⁺Cl^-, l’Na⁺ però è polare quindi per attraversare la membrana avrà bisogno di processi specifici cioè ha bisogno di un canale per il sodio.

Diffusione nei liquidi

La diffusione utilizza l’energia del movimento molecolare cioè le molecole nei gas e nei liquidi sono in continuo movimento perciò quando immettiamo un soluto in un liquido questo si sposterà da zone a più alta concentrazione a zone con più bassa concentrazione. La concentrazione degli ioni poi diventerà uniforme in tutto il liquido ma le molecole continueranno a muoversi.

Proprietà della diffusione

• Le molecole vanno da una zona a più alta concentrazione ad una zona a più bassa concentrazione.
• La diffusione è un processo passivo cioè avviene automaticamente.
• Il movimento netto di molecole continua fino a quando la concentrazione diventa uguale ovunque e si raggiunge l’equilibrio.
• La diffusione è un processo molto efficiente ma ha dei limiti; è rapida a breve distanza ma è molto lenta a lunga distanza.
• La velocità di diffusione è direttamente proporzionale alla temperatura.
• La velocità di diffusione è inversamente proporzionata alla grandezza delle molecole.

Diffusione attraverso le membrane

La velocità di diffusione dipende dalla capacità della molecola di sciogliersi nel doppio strato lipidico; esistono anche delle molecole grandi che attraversano lo strato lipidico cioè molecole che hanno la base polare (colesterolo). La velocità di diffusione è proporzionale all’area della membrana (più è grande la membrana e più è veloce) e alla differenza di concentrazione (più è alta la differenza di concentrazione fra un lato e l’altro e più attraverserà velocemente). Le membrane permettono una separazione del liquido extracellulare e intracellulare molto selettiva. Se questa membrana si rompe i due liquidi si mischiano con conseguenze abbastanza gravi.

Il meccanismo della pompa Na⁺/K⁺ ATPasi

È un trasporto attivo che utilizza energia. Sposta 3 molecole di sodio verso l’esterno e due molecole di potassio verso l’interno. È in grado di scindere ATP ma è anche in grado di estrarre dell’ATP energia. Il carrier ha una conformazione che permette al sodio interno di legarsi a 3 siti di legame e quando si legano al sodio, questa struttura è in grado di leggere questo segnale e idrolizzare l’ATP. In questo modo rilascia nel citoplasma l’ADP e immagazzina l’ATP che all’interno della proteina viene utilizzata per generare un cambiamento della forma della proteina. Nel cambiare forma espone i siti di legami del sodio verso l’esterno e fa sì che il sodio possa essere rilasciato all’esterno. Quando viene rilasciato questa molecola diventa recettiva al potassio che viene trasportato all’interno. Viene chiamata pompa o ATPasi perché utilizza energia.

Trasporto attivo secondario: il simporto Na⁺-glucosio

È un trasporto attivo perché utilizza energia ma non direttamente cioè utilizza energia potenziale che è stata immagazzinata in altri sistemi. Può essere immagazzinata all’interno dell’ATP dell’energia creando un gradiente di concentrazione tra l’ambiente interno ed esterno. Questo sistema sposta degli ioni tra i due ambienti creando un gradiente di concentrazione che in realtà è l’energia potenziale.

Trasporto tramite vescicole

Le molecole che vengono trasportate da canali sono molto piccole però la cellula ha bisogno di comunicare con l’esterno per trasportare molecole più grandi (come le proteine) perciò esiste un trasporto attraverso le vescicole (è un processo specifico). Questo trasporto si può dividere in:

• Endocitosi: le sostanze vengono portate verso l’interno
• Esocitosi: le sostanze vengono portate verso l’esterno

Comparti liquidi dell’organismo

Come organismo vivente siamo costituiti quasi per il 60% di acqua la quale è la base di tutti i meccanismi che permettono il funzionamento dell’organismo. L’acqua è divisa in 3 compartimenti principali:

• Liquido intracellulare (membrana): qui c’è la maggiore quantità di acqua.
• Liquido extracellulare (al di fuori): diviso in liquido interstiziale cioè quello che si trova fra le cellule e il plasma (componente extracellulare delle cellule del sangue) che è in continuo contatto con il liquido interstiziale. Vengono entrambi considerati liquido extracellulare perché a livello dei tessuti l’epitelio del capillare è fenestrato perciò i due ambienti sono in collegamento continuo permettendo il passaggio di ioni. Si differenziano invece perché non tutte le sostanze passano liberamente; il plasma ad esempio contiene globuli rossi, bianchi e piastrine che non passano attraverso l’epitelio.

Distribuzione degli ioni nei compartimenti liquidi dell’organismo

I 4 ioni che analizzeremo sono 4:

• Sodio: è positivo e monovalente
• Potassio: è positivo e monovalente
• Calcio: è positivo e bivalente cioè ha 2 cariche
• Cloro: è negativo

Il potassio è molto più concentrato all’interno della cellula che non all’esterno, il sodio è molto concentrato all’esterno della cellula, il cloro è più concentrato fuori e il calcio è molto più concentrato all’esterno della cellula ma è contenuto anche all’interno della cellula non nel citoplasma bensì all’interno degli organelli. Il calcio è il messaggero intracellulare ed extracellulare più importante dell’organismo ed è per questo che viene messo in compartimenti particolari dal quale viene rilasciato o ricatturato in maniera molto precisa.

Osmosi

L’acqua attraversa le membrane, però l’ambiente intracellulare e extracellulare hanno diverse concentrazioni ioniche. Se separiamo due ambienti liquidi (che potrebbero essere quello intracellulare ed extracellulare) da una membrana che ha la caratteristica di lasciar passare l’acqua ma non i soluti, nel momento in cui questi due compartimenti hanno 2 concentrazioni diverse, l’acqua si sposterà dalla zona meno concentrata alla zona più concentrata per generare un equilibrio di concentrazione (facendo sport, quando perdiamo liquidi, li perdiamo dall’ambiente extracellulare ma la membrana essendo permeabile manterrà una certa concentrazione; infine la concentrazione dei soluti è cambiata e si ha la disidratazione).

Per pressione osmotica infatti è la pressione che dovremmo applicare a questo ambiente per far sì che l’acqua non diminuisca nella zona con minor concentrazione. Anche se i due ambienti, intra e extracellulare hanno una composizione di proteine e ioni completamente diverse, l’acqua si sposterà sempre dall’esterno verso l’interno per far sì che l’osmolarità sia sempre uguale.

La separazione delle cariche elettriche nel corpo

Ogni cellula è in una costante situazione di disequilibrio elettrico e chimico con l’ambiente esterno perché la composizione dei due liquidi è diversa però sono in equilibrio osmotico perché l’acqua si sposterà (basta che applichiamo una pompa sodio potassio si crea un disequilibrio chimico ma crea anche un disequilibrio elettrico perché genera un campo elettrico più positivo all’esterno). Questi disequilibri si chiamano gradiente elettrico e chimico, insieme definiti gradiente elettrochimico. Tutte le cellule dell’organismo hanno un ambiente intracellulare negativo nei confronti dell’esterno. La maggior parte delle cellule hanno una negatività di -40 millivolt mentre ci sono delle cellule eccitabili, ovvero quelle che trasportano segnali elettrici e permettono la contrazione che hanno una differenza di potenziale con l’esterno di -70 millivolt; questa differenza viene chiamata differenza di potenziale di membrana a riposo o potenziale di membrana.

Potenziali di equilibrio

Nell’ambiente intracellulare c’è il potassio, nell’ambiente extracellulare c’è il sodio. In questo caso la membrana è chiusa quindi non può essere attraversata da ioni. In questo caso c’è un canale specifico nella membrana che diventa permeabile ad un determinato ione. Quando si apre questo canale il potassio che è molto concentrato all’interno della cellula fluisce all’esterno con uno spostamento passivo lungo il gradiente di concentrazione per un meccanismo di diffusione (cerca di andare all’esterno verso la zona dove è meno concentrato). Mentre il potassio esce all’esterno porta via cariche positive così che l’interno della cellula diventa più negativo e l’esterno più positivo rompendo l’equilibrio elettrico.

Inizialmente appena apriamo il canale il potassio viene spinto fuori molto velocemente dal gradiente di concentrazione per cui l’interno della cellula diventa negativo e l’esterno positivo. A questo punto il potassio che è positivo verrà riattratto dentro e si creano due forze che cercano di spostare il potassio, il gradiente di concentrazione verso l’esterno e un potenziale elettrico che cerca di riportarlo verso l’interno. Quando queste due forze saranno uguali, il flusso netto di potassio smette e raggiungiamo l’equilibrio per lo ione potassio. Il potenziale di equilibrio per uno ione è il potenziale di membrana in cui il gradiente elettrico e chimico si muovono in direzione diversa con la stessa forza. Il potenziale di equilibrio del potassio è di -90 perciò quando la differenza tra l’interno e l’esterno raggiunge -90 il potassio è in equilibrio. Lo stesso è per il sodio solo che si trova al di fuori della cellula; il potenziale di equilibrio del sodio è +60.

2) Il sistema nervoso

Sistema nervoso

Il compito principale del sistema nervoso nell’organismo è quello di mettere in comunicazione diversi distretti corporei. La cellula che porta il segnale elettrico è il neurone.

Organizzazione del sistema nervoso

Il sistema nervoso centrale è costituito da una parte principale chiamata encefalo e dal midollo spinale che sono molto ben protette dallo scheletro ed è per questo che è più difficile da studiare. È molto ben protetto perché le cellule che costituiscono il midollo spinale hanno una pochissima capacità rigenerativa perciò se vengono danneggiate si possono avere delle lesioni permanenti.