Fisiologia (sistema nervoso, sistema muscolare scheletrico, sistema digerente e metabolismo, sistema endocrino)

Fisiologia - Prof. Alfredo Manfridi

Introduzione

Gli organismi viventi sono costituiti da diversi apparati, grazie ai quali sono in grado di svolgere tutte le proprie funzioni:

• Apparato respiratorio: permette lo scambio di gas, in particolare:
  • Assunzione di O₂: necessario allo svolgimento delle diverse reazioni chimiche, grazie alle quali viene prodotta energia.
  • Eliminazione di CO₂: prodotto di scarto delle reazioni chimiche, che se accumulata diventa tossica per l'organismo.
• Apparato circolatorio: sistema idraulico che permette la circolazione del sangue. Questo apparato nasce in funzione dell’apparato respiratorio: permette il trasporto dei gas in entrambi i sensi.
• Apparato escretore: sistema di filtraggio del sangue, che permette di mantenerlo sempre pulito da sostanze non necessarie.
• Apparato digerente: un organismo non può autonomamente prodursi l'energia, per questo motivo esiste un apparato che permette l'introduzione e l'assimilazione di molecole organiche utilizzate come substrati per la produzione di energia.
• Altri apparati per la comunicazione, il movimento, la riproduzione ecc.

Omeostasi

L’omeostasi è un processo che permette il mantenimento dello status quo. L’organismo non vive in un ambiente costante, ma sono presenti diversi fattori che ne alterano l’equilibrio; il processo di omeostasi permette di compensare queste variabili:

• La compensazione funziona: l’organismo rimane in una condizione fisiologica.
• La compensazione fallisce: l’organismo entra in una condizione patologica.

Il concetto di omeostasi implica che ci siano una serie di parametri da mantenere, che vengono controllati da recettori (sensori). Il controllo dei parametri avviene attraverso un meccanismo di feedback negativo: quando il parametro rientra nel proprio range viene disattivato il processo di compensazione.

L'acqua

L'acqua è il liquido di base di tutti gli organismi, all'interno del quale avvengono tutte le reazioni chimiche. Si tratta di una molecola polare, motivo per il quale è in grado di formare legami a idrogeno: in questo modo si crea un reticolo di legami che permette alle molecole di restare legate tra di loro. Questo consente all'acqua di rimanere liquida nonostante le temperature terrestri.

La vicinanza tra le molecole di acqua permette la formazione di una tensione superficiale: la superficie dell'acqua rimane nettamente separata dall'aria, formando una sorta di barriera. L'acqua permette di creare delle soluzioni: inserendo in acqua molecole con una carica, ad esempio NaCl, gli ioni che la compongono vengono separati e circondati da un mantello di acqua (gli atomi di Na⁺ vengono circondati dall’ossigeno - parzialmente negativo - e le molecole di Cl^- vengono circondate dall’idrogeno - parzialmente positivo).

La diffusione

L'inserimento di molecole polari (come lo zucchero - costituito da saccarosio) in un contenitore contenente acqua determina la separazione tra gli atomi che, analogamente agli ioni, vengono circondati da un mantello di acqua. Gli atomi possiedono una agitazione termica: forma di energia, generalmente definita calore, grazie alla quale sbattono e si distribuiscono in tutto il contenitore. Gli atomi (e più in generale le molecole) si muovono secondo gradiente di concentrazione: tendono a spostarsi da una zona in cui si trovano a maggiore concentrazione ad una zona in cui si trovano a minore concentrazione.

Nota Bene: Il movimento non avviene per “intelligenza” delle molecole, ma è statistico e puramente casuale (si definisce stocastico). Questo fenomeno è conosciuto appunto come diffusione.

Il pH del corpo

Il pH del corpo umano deve mantenersi in generale tra i valori 7,3 - 7,4. Sono presenti però alcune eccezioni, per le sostanze che vengono secrete in ambienti esterni, quali: la saliva, l’urina o i succhi gastrici.

Nota Bene: Ambiente esterno non è un ambiente necessariamente esterno al corpo, ma un ambiente in comunicazione con l’esterno (tubo digerente, vie urinarie, parte dell’apparato respiratorio).

Fisiologia cellulare

Membrane biologiche

Le membrane biologiche costituiscono le pareti delle cellule animali. I costituenti principali delle membrane biologiche sono fosfolipidi e sfingolipidi: molecole caratterizzate da una testa polare idrofila e due code di acidi grassi apolari idrofobiche. Queste molecole sono quindi definite anfipatiche: sono sia polari che apolari, per questo motivo possono interagire sia con molecole polari che con molecole apolari.

I fosfolipidi (e sfingolipidi) si possono disporre in diversi modi:

• Doppio strato fosfolipidico: coda a coda in maniera “lineare”. È il caso delle nostre cellule.
• Micelle: coda a coda formando una sfera piena.
• Liposomi: coda a coda formando una sfera piena.

Alla costituzione delle membrane biologiche partecipano anche altre molecole:

• Colesterolo: partecipa attivamente alla costituzione del doppio strato lipidico.
• Proteine e carboidrati: si uniscono tra di loro (anche con i lipidi) andando a formare molecole complesse che consentono alla membrana di svolgere diverse funzioni:
  • Recettoriale
  • Trasporto
  • Differenziare tra loro cellule di tessuti e/o con funzioni differenti

Trasporti cellulari

Lo studio dei trasporti cellulari riguarda i meccanismi attraverso cui la cellula scambia materiale con l’ambiente extracellulare. Le membrane biologiche, essendo costituite da un doppio strato fosfolipidico, permettono teoricamente soltanto il passaggio di molecole apolari: le molecole apolari si sciolgono nella membrana e la attraversano.

In realtà, la possibilità di attraversamento della membrana è determinata da diversi fattori:

• Polarità
• Dimensione
• Spessore della membrana
• Gradiente di concentrazione
• Area di superficie della membrana
• Composizione dello strato lipidico

Nota Bene: La maggiore influenza sulla possibilità di passaggio è comunque data dalla tipologia di molecola (polare o apolare).

Vengono in generale distinte due tipologie di trasporto:

• Diffusione: il movimento avviene secondo gradiente di concentrazione, motivo per cui non viene consumata energia. Si divide a sua volta in:
  • Diffusione semplice
  • Diffusione facilitata
• Trasporto attivo: il movimento avviene contro gradiente di concentrazione, motivo per cui viene utilizzata energia (ATP). Si divide a sua volta in:
  • Trasporto attivo primario
  • Trasporto attivo secondario

Diffusione semplice

La membrana viene attraversata liberamente da molecole apolari di piccole dimensioni, che si muovono secondo gradiente di concentrazione. Il flusso della molecola è determinato dal gradiente di concentrazione, con proporzionalità diretta: più è elevato il gradiente di concentrazione, più sostanze passano.

Nota Bene: Il movimento è sempre statistico (infatti anche a gradiente zero: le molecole non stanno ferme, ma statisticamente entrano tante molecole quante ne escono).

La diffusione è determinata dall’energia cinetica del movimento molecolare e non è richiesto l’intervento di una fonte energetica esterna; quando viene raggiunto l’equilibrio (gradiente zero) il flusso si interrompe, ma, come detto, il movimento delle molecole no.

Diffusione facilitata

Le molecole polari, alle quali non è permesso l’attraversamento della membrana, si muovono grazie alla presenza di proteine di membrana, che fungono da:

• Proteina canale
• Proteina trasportatrice

Proteina canale

Permette il passaggio a molecole polari di piccole dimensioni. Il flusso della molecola è determinato dal gradiente di concentrazione. Si tratta di strutture proteiche che attraversano la membrana formando un foro acquoso. I canali possono presentare caratteristiche differenti:

• Possono essere selettive nei confronti delle specie ioniche.
• Possono essere sempre aperti o aprirsi e chiudersi selettivamente (in questo caso anche il meccanismo di apertura del canale varia).

Proteina trasportatrice

Permette il passaggio a molecole polari di grandi dimensioni. Il flusso della molecola è determinato dal gradiente di concentrazione. Si tratta di strutture proteiche che legano le molecole e le “accompagnano” attraverso la membrana. Il trasporto avviene tramite modificazione della struttura terziaria della proteina (questo avviene sempre quando alla proteina si lega qualcosa) che si ribalta e permette l’uscita della molecola o delle molecole dalla parte opposta.

Il sistema di trasporto è variabile:

• Uniporto: trasporto di una singola molecola; il trasporto può avvenire in entrambi i sensi.
• Trasporto accoppiato (simporto e antiporto): vengono accoppiate due molecole. Il gradiente di una delle due molecole viene sfruttato anche per il passaggio dell’altra (che invece si muove contro gradiente), in questo modo non c’è consumo di energia.

Nella diffusione facilitata il flusso delle molecole è determinato dal gradiente di concentrazione, con proporzionalità diretta, ma solo fino a un certo punto: nel momento in cui le proteine trasportatrici raggiungono il proprio livello di saturazione.

Nota Bene: Questo nel nostro organismo non è generalmente un problema in condizioni fisiologiche perché i trasportatori sono presenti in quantità sovrabbondante. In condizioni patologiche si: ad esempio nel diabete i trasportatori del sodio a livello del tubulo renale (che dovrebbero riportare il glucosio nel sangue) non riescono a trasportarlo tutto perché è troppo (quindi i trasportatori dei tubuli renali sono arrivati a saturazione ed in condizioni fisiologiche non dovrebbero arrivarci).

Trasporto attivo

Trasportatori attivi primari: sono proteine che trasportano contro gradiente di concentrazione consumando energia sotto forma di ATP. Sono definiti pompe attive ed hanno la caratteristica di generare gradienti di concentrazione. La più conosciuta è la pompa Na⁺/K⁺: pompa il sodio all’esterno della cellula e potassio all’interno.

Trasportatori attivi secondari: sono alcune delle proteine trasportatrici che agiscono attraverso il sistema di trasporto accoppiato. In questo caso sono considerati dei trasportatori attivi perché sfruttano il gradiente generato dalle pompe attive.

Come avviene la “collaborazione” fra trasportatori attivi primari e secondari (esempio):

1. La pompa attiva Na⁺/K⁺ pompa il sodio all’esterno della cellula contro gradiente di concentrazione, andando in questo modo a creare un gradiente di concentrazione (grazie al quale il sodio tenderà a rientrare nella cellula).
2. Il trasportatore attivo secondario utilizza un sistema di trasporto accoppiato, accoppiando il sodio a una molecola che deve entrare nella cellula contro gradiente di concentrazione. Il gradiente del sodio viene in questo modo sfruttato per permettere l’ingresso anche dell’altra molecola.

Pressione osmotica

Quando due soluzioni acquose sono separate per mezzo di una membrana semipermeabile (che permette il passaggio ai solventi e non ai soluti), l’acqua si muove dalla soluzione in cui è presente una minor concentrazione di soluti verso la soluzione in cui è presente una maggior concentrazione di soluti. La pressione osmotica viene applicata ovunque nel corpo umano, in modo tale da mantenere tutto l’organismo alla medesima concentrazione di soluti.

Si tratta di un equilibrio costante tra ambiente intracellulare, ambiente extracellulare e sangue; quando in una zona questo equilibrio viene sballato si instaura un gradiente osmotico che permette di riportare all’equilibrio iniziale. Tutto il corpo si trova quindi alla stessa concentrazione osmotica (considerata come la somma dei soluti) che vale 300 mOSM. Questo parametro è fondamentale per l’omeostasi.

Le cellule:

• In ambiente ipoosmotico: si verifica un ingresso eccessivo di acqua, quindi scoppiano.
• In ambiente iperosmotico: si verifica un’uscita eccessiva di acqua, quindi si raggrinziscono.

Per questo motivo è necessario somministrare sempre fluidi isoosmotici (definiti soluzione fisiologica), che prevede:

• Concentrazione osmotica = 300 mOSM
• Concentrazione dei sali = 0,9%

Potenziali elettrici nelle cellule

Le cellule presentano concentrazioni specifiche dei diversi ioni, in ambiente intracellulare ed extracellulare:

• K⁺: extracellulare 5 mM, intracellulare 150 mM
• Na⁺: extracellulare 145 mM, intracellulare 15 mM
• Cl^-: extracellulare 108 mM, intracellulare 10 mM
• Ca²⁺: extracellulare 1 mM, intracellulare 0 mM

Queste differenze vengono create da parte delle pompe ioniche e portano gli ioni ad avere ciascuno un proprio gradiente di concentrazione.

Nota Bene: Il passaggio attraverso un canale da parte di uno ione determina anche il movimento di cariche elettriche, in quanto lo ione è per definizione portatore di una carica. La distribuzione degli ioni ai due lati della membrana ha determinato la presenza di due campi elettrici opposti a cavallo della membrana. Gli ioni presenti sono quindi soggetti a due forze:

• Forza chimica: gli ioni tendono a muoversi secondo il proprio gradiente di concentrazione.
• Forza elettrica: le cariche tendono a muoversi secondo il proprio gradiente elettrico (ovvero a muoversi verso il lato di membrana con carica opposta alla propria).

La forza totale agente sugli ioni viene quindi definita gradiente elettrochimico.

Equilibrio di potassio e sodio

Potassio

1. Date le concentrazioni di potassio a cavallo della membrana, l’apertura dei canali per il potassio porta a un movimento degli ioni verso l’esterno della cellula (secondo gradiente).
2. Questo porta alla fuoriuscita di cariche elettriche positive, che non possono essere bilanciate dal controione in quanto quest’ultimo è costituito dalle proteine intracellulari (che non possono uscire dalla cellula).
3. Si forma in questo modo un dipolo a cavallo della membrana: la cellula è carica negativamente all’interno e positivamente all’esterno.
4. Il dipolo determina una forza elettrica, che spinge gli ioni potassio (carichi +) verso l’interno della cellula (carico -).

Equilibrio: viene raggiunto quando la forza chimica, che spinge il potassio all’esterno, e la forza elettrica, che spinge il potassio all’interno, sono uguali ed opposte (e quindi si annullano). L’equilibrio determina un ddp = -92/93 mV (differenza di potenziale tra l’ambiente extracellulare, considerato nullo, e l’ambiente intracellulare).

Sodio

1. Date le concentrazioni di sodio a cavallo della membrana, l’apertura dei canali per il sodio porta a un movimento degli ioni verso l’interno della cellula (secondo gradiente).
2. Questo porta all’ingresso di cariche elettriche positive, che non possono essere bilanciate dai controioni Cl^- in quanto non sono previsti canali per questi ioni.
3. Si forma in questo modo un dipolo a cavallo della membrana: la cellula è carica positivamente all’interno e negativamente all’esterno.
4. Il dipolo determina una forza elettrica, che spinge gli ioni sodio (carichi +) verso l’esterno della cellula (carico -).

Equilibrio: viene raggiunto quando la forza chimica, che spinge il sodio all’interno, e la forza elettrica, che spinge il sodio all’esterno, sono uguali ed opposte. L’equilibrio determina un ddp = +60 mV.

Equilibrio finale: Nelle cellule del nostro corpo, essendo presenti sia i canali per il potassio che i canali per il sodio, i due ioni tendono a muoversi ed a raggiungere i propri potenziali di equilibrio. Il risultato finale è una via di mezzo tra i potenziali di equilibrio di sodio e potassio (è dato da un’equazione). L’equilibrio finale determina un ddp = -70 mV, definito potenziale di riposo.

Nota Bene: L’equilibrio finale è molto più vicino all’equilibrio del potassio rispetto a quello del sodio, questo perché sono presenti molti più canali per il potassio che canali per il sodio. Alla maggior parte delle cellule questo potenziale non serve a niente, ad eccezione di cellule eccitabili quali: le cellule del sistema nervoso e le cellule del sistema muscolare.

Fisiologia delle cellule nervose

Trasmissione dell'impulso nervoso

L’assone delle cellule nervose permette la trasmissione del segnale elettrico ad un altro neurone. Potenziale di riposo: -70 mV. Depolarizzazione: il potenziale si sposta verso valori più positivi. Iperpolarizzazione: il potenziale si sposta verso valori più negativi. Ripolarizzazione: ritorno al potenziale di riposo.

Studio delle variazioni di potenziale

Per studiare la variazione di potenziale di membrana del neurone è sufficiente rilasciare degli stimoli elettrici a livello dell’assone, per mezzo di un elettrodo. Rilascio di stimoli elettrici con carica positiva: determina una depolarizzazione direttamente proporzionale all’intensità ed alla durata dello stimolo. Rilascio di stimoli elettrici con carica negativa: determina una iperpolarizzazione direttamente proporzionale all’intensità ed alla durata dello stimolo.

Quando la variazione del potenziale di membrana è direttamente proporzionale all’intensità ed alla durata dello stimolo ricevuto si parla di potenziali graduati. Il rilascio di stimoli ad alta intensità produce invece un risultato differente: se lo stimolo è sufficientemente intenso da determinare il raggiungimento di una certa soglia, allora la variazione del potenziale diventa sproporzionata allo stimolo.

Si nota inoltre che:

• Per stimoli ad intensità maggiore (rispetto a quello dato per il raggiungimento della soglia): comportano una variazione del potenziale sproporzionata, ma identica a quella ottenuta per lo stimolo precedente (lo stimolo che raggiunge la soglia).
• Per stimoli ad intensità minore (rispetto a quello dato per il raggiungimento della soglia): comportano una variazione del potenziale.