Fisiologia - sistema nervoso con introduzione

Il sistema aperto dell'organismo

L’organismo è un sistema aperto che scambia calore e materiali con l’ambiente esterno. Per mantenere uno stato di omeostasi, utilizza il principio dell’equilibrio di massa: se la quantità di una sostanza deve rimanere costante, ogni aumento deve essere compensato da una perdita di pari entità.

Mantenimento dell'equilibrio di massa

Per mantenere l’equilibrio di massa vi sono due possibilità:

• Escrezione: espulsione di materiale (urina, feci, polmone, pelle, fegato, reni)
• Metabolizzare la sostanza in una differente (i nutrienti diventano substrati di partenza nei processi metabolici)

Clearance: velocità con la quale una molecola scompare dall’organismo attraverso questi metodi. È espressa come volume di plasma sanguigno ripulito dalla sostanza per unità di tempo (misura indiretta), oppure flusso di massa: concentrazione x flusso di volume.

Squilibrio dinamico nei compartimenti liquidi

I compartimenti liquidi si trovano in uno stato di squilibrio dinamico, se si paragona la concentrazione di soluti nel LEC (liquido extracellulare) e nel LIC (liquido intracellulare).

• LEC: ioni sodio, cloro e bicarbonato sono più concentrati, calcio
• LIC: ioni potassio più concentrato

Equilibrio osmotico: la quantità di soluto per volume di liquido è uguale in entrambi i lati della membrana cellulare. Anche il LEC non è in equilibrio con i suoi subcompartimenti: proteine e grossi anioni più concentrati nel plasma che nel liquido interstiziale, perché non possono passare l’endotelio.

Funzionamento degli ioni e delle pompe cellulari

Ioni K⁺ fuoriescono dalla cellula, ioni Na⁺ entrano nella cellula; questi vengono riportati ai loro compartimenti originali da un enzima che utilizza energia noto come Na⁺/K⁺ ATPasi. Il corpo ha un lieve eccesso di ioni negativi nel liquido intracellulare rispetto a quello extracellulare. Uno squilibrio genera segnali elettrici. LIC e LEC sono in equilibrio osmotico e squilibrio chimico ed elettrico, questi realizzano un equilibrio dinamico. Lo scopo dell’omeostasi è mantenere questo equilibrio dinamico.

Trasporto biologico e diffusione

Flusso di massa

Flusso di massa: forma più generale di trasporto biologico. Un gradiente di pressione fa fluire il liquido da regioni a pressione più alta a regioni a pressione più bassa. Esempio: sangue, aria.

Trasporto passivo e diffusione

Trasporto passivo: utilizza l’energia cinetica intrinseca nelle molecole, si muovono per diffusione secondo gradiente chimico, è un movimento di molecole da un’area a concentrazione maggiore ad una a concentrazione minore, si verifica fino a quando la concentrazione diventa uguale ovunque. Non richiede utilizzo di energia. È veloce su brevi distanze. È correlata alla temperatura, temperatura maggiore movimento delle molecole.

Diffusione: lo scambio è limitato dalla membrana cellulare che è selettivamente permeabile (data la sua composizione in proteine e lipidi). Ossigeno, anidride carbonica e lipidi si muovono facilmente attraverso il doppio strato lipidico, mentre molecole più grosse e meno liposolubili possono entrare solo se vi sono specifiche proteine di membrana; molecole ancora più grandi utilizzano vescicole di trasporto.

Diffusione semplice e trasporto mediato

Diffusione semplice: diffusione diretta attraverso il doppio strato lipidico, la velocità di diffusione dipende dalla velocità con cui la molecola si scioglie nel doppio strato lipidico e dallo spessore della membrana.

Trasporto mediato da proteine: se è passivo, diffusione facilitata; se è attivo, trasporto attivo. Sono proteine di membrana = trasportatori, questi possono essere canali o carrier.

Le proteine canale creano corridoi pieni d’acqua che collegano i due compartimenti LEC e LIC, permettono un trasporto più veloce, ma trasportano ioni e acqua. Ci sono canali per il sodio, canali per il potassio, cationi ionici monovalenti non specifici. La selettività del canale è determinata dalla grandezza e dalla carica degli aminoacidi che lo compongono (se sono carichi positivamente gli ioni positivi vengono respinti).

• Canali aperti: restano aperti per la maggior parte del tempo
• Canali controllati: normalmente chiusi, si aprono in caso di arrivo di un messaggero chimico (canali operati chimicamente), quando lo stato elettrico della cellula cambia (voltaggio dipendenti), o per aumenti di pressione o temperatura (canali operati meccanicamente)

Le proteine carrier si legano a substrati specifici e li trasportano attraverso la membrana cambiando conformazione, sono aperti solo su un lato della membrana, sebbene più lenti possono spostare molecole più grandi.

Se trasportano un solo tipo di molecola, carrier uniporto; se trasporta più di una molecola, cotrasportatore. Se trasporta più molecole nella stessa direzione, simporto; se le trasporta in direzioni opposte, antiporto.

Esempio: proteine carrier come trasportatori GLUT spostano il glucosio e gli zuccheri esosi attraverso la membrana (in entrambi i sensi). Le molecole si muovono secondo il loro gradiente di concentrazione, il processo non richiede energia. Non appena una molecola di glucosio entra nella cellula, viene fosforilata a glucosio-6-fosfato, questo impedisce l’accumulo di glucosio nella cellula e quindi che esso esca dalla cellula.

Trasporto attivo

Trasporto attivo: sposta le molecole contro il loro gradiente di concentrazione, questo genera un disequilibrio. Questo spostamento necessita di energia che deriva dal legame fosfato ad alta energia dell’ATP.

• Trasporto attivo primario (diretto): l’energia deriva dal legame fosfato ad alta energia dell’ATP. Molti trasportatori sono noti come ATPasi, questi enzimi idrolizzano ATP ad ADP e Pi liberando energia riutilizzabile, a volte le ATPasi sono dette pompe (pompa sodio/potassio: 3Na⁺ verso l’esterno, 2 K⁺ verso l’interno).
• Trasporto attivo secondario (indiretto): utilizza energia potenziale immagazzinata nel gradiente di concentrazione di una molecola per spingere altre due molecole contro il loro gradiente di concentrazione. Il gradiente di sodio con un’elevata concentrazione nel LEC e una bassa concentrazione nel LIC è una sorgente di energia potenziale.

Esempio: sodio – glucosio: il sodio si lega ad un trasportatore attivo secondario, questo cambia conformazione e crea un sito di legame ad alta affinità per il glucosio, cambia nuovamente conformazione e rende possibile l’entrata di questo nella cellula. Trasportatore Na⁺ - K⁺ -2Cl^-: energia cinetica di Na⁺ è legata allo spostamento contro gradiente di K⁺ 2Cl^- nella cellula.

Specificità: capacità di un carrier di trasportare solo una molecola o gruppo di molecole correlate. Competizione: i substrati competeranno tra loro per i siti di legame. Talvolta una molecola che compete non viene trasportata, ma blocca il trasporto di altre (inibitore competitivo). Saturazione: punto in cui tutti i siti di legame sono associati al substrato. I carrier lavorano alla velocità massima.

Osmosi e potenziale di membrana

Osmosi

Osmosi: movimento di acqua attraverso una membrana in risposta a un gradiente di concentrazione di soluto. L’acqua si muove per diluire la soluzione più concentrata. L’acqua è in grado di muoversi finché non si arriva ad un equilibrio osmotico.

• Osmolarità: numero di particelle per litro di soluzione [osmoli/litro]
• Osmolalità: osmoli/kg
• Soluzione ipotonica: cellula acquista acqua e si gonfia
• Soluzione ipertonica: cellula perde acqua e si restringe
• Soluzione isotonica: il volume non cambia

Nel LIC K⁺ ioni fosfato, proteine cariche negativamente. Nel LEC Na⁺ Cl^- Ca²⁺. L’ossigeno è accumulato all’esterno perché appena entra nella cellula (sciogliendosi nel substrato) viene subito utilizzato. CO₂ deve essere eliminata, sempre più abbondante nella cellula.

Il LIC non è neutro, possiede carica negativa netta, mentre il LEC possiede carica positiva netta. I due compartimenti non sono in equilibrio elettrico, permangono in uno stato di disequilibrio elettrico.

Potenziale di membrana

Potenziale di membrana a riposo -70mV: questo gradiente elettrico è presente in tutte le cellule viventi, è fonte di energia accumulata, rappresenta una differenza nella quantità di carica elettrica all’interno e all’esterno della cellula. Le cellule reali possiedono dei canali sempre aperti e trasportatori proteici che permettono agli ioni di spostarsi tra il citoplasma e il LEC. Due fattori influenzano il potenziale di membrana: i gradienti di concentrazione degli ioni e la permeabilità della membrana a quegli ioni.

Se la differenza di potenziale diminuisce si ha una depolarizzazione (da -70 a -30 diventa meno negativo), se aumenta si ha una iperpolarizzazione (da -70 a -90 diventa più negativo). Il potenziale di membrana cambia in risposta allo spostamento di uno ione. La cellula a riposo è scarsamente permeabile. L’entrata di Ca²⁺ o Na⁺ depolarizza la cellula (rende il potenziale di membrana più positivo), l’ingresso di Cl^- iperpolarizza la cellula (rende il potenziale di membrana più negativo).

La maggior parte delle cellule a riposo sono permeabili al K⁺, se diventa più permeabile aumenta l’uscita di potassio e la cellula si iperpolarizza, se diventa meno permeabile al potassio diminuisce l’uscita di potassio e la cellula si depolarizza. L’ampiezza è direttamente proporzionale allo stimolo. Se apro con una pressione doppia, si ha un numero doppio di canali aperti.

Ruolo dei segnali elettrici

Na⁺ e K⁺ hanno un ruolo nel generare segnali elettrici nei tessuti eccitabili, ma anche in tessuti non eccitabili come le ghiandole endocrine. Le cellule del pancreas β sintetizzano l’ormone insulina e lo immagazzinano in vescicole secretorie. Quando i livelli ematici di glucosio aumentano, queste cellule rilasciano insulina per esocitosi. L’insulina ordina ad altre cellule de...