Fisiologia umana

Fisiologia umana

Prof. Andrea Minelli

Programma

• Diffusione semplice/facilitata, trasporto attivo: Trasporto attraverso membrana primario/secondario. Canali ionici, gradiente elettrochimico, potenziale a riposo; osmosi, pressione osmotica e tonicità; trasporto transepiteliale.
• Recettori di membrana, tipologie. Comunicazione intercellulare: messaggeri, vie di trasduzione del segnale. Recettori nucleari.
• Potenziali locali e potenziali d’azione: canali voltaggio-dipendenti; periodo refrattario; propagazione potenziale d’azione.
• Sinapsi chimica/elettrica; trasmissione sinaptica: neurotrasmettitori e recettori; sinapsi tripartita; integrazione astrocita-neurone; risposte post-sinaptiche.
• Sensibilità somatiche; vie sensitive ascendenti; sistema nervoso vegetativo.
• Accoppiamento eccitazione-contrazione; energetica della contrazione muscolare: scossa muscolare singola e tetano muscolare; giunzione neuro-muscolare e unità motoria; muscolo liscio.
• Sistema cardiovascolare: ciclo meccanico cardiaco; automatismo cardiaco; regolazione della gittata sistolica e frequenza cardiaca; gittata cardiaca, ritorno venoso e regolazione; controllo locale del flusso da parte dei fattori metabolici, nervosi e umorali; pressione arteriosa e regolazione a breve/lungo termine; forze di Starling.
• Circolo sistemico e pressione arteriosa: cenni anatomo-funzionali. Caratteristiche istologiche della parete dei vasi arteriosi e venosi. Fisiologia del muscolo liscio. La pressione arteriosa sistemica. Fattori che influenzano il valore del polso pressorio e della pressione arteriosa media. Effetti del sistema ortosimpatico e parasimpatico sulla pressione arteriosa sistemica. Regolazione della pressione arteriosa a breve termine: il riflesso barocettivo.
• Reni: ultrafiltrazione glomerulare; funzioni tubulari: riassorbimento/secrezione; riassorbimento di soluti e H₂O nel tubulo prossimale, nell’ansa di Henle, tubulo distale e collettore; concentrazione e diluizione dell’urina; controllo osmolarità e volumi liquidi corporei; clearance renale.

Introduzione

La fisiologia studia il funzionamento degli organismi viventi e dei loro componenti in condizioni normali. Negli organismi pluricellulari, la maggior parte delle cellule non è mai in contatto diretto con l’ambiente esterno, ma vive in un ambiente interno. Il mezzo che bagna tutte le cellule nell’organismo umano è il liquido interstiziale.

Il nostro organismo è capace di interagire con l’ambiente esterno mediante dei sistemi di interfaccia (sistema respiratorio, renale, gastrointestinale, urinario) che in un modo o nell’altro interagiscono tra di loro. L’equilibrio dinamico di questi sistemi garantisce l’integrità e la coordinazione del nostro organismo, ovvero l’omeostasi. Ricordiamo che il nostro corpo è principalmente composto d’acqua (60%).

Quest’acqua si distribuisce in due compartimenti idrici:

• Intracellulare, ovvero l’acqua presente all’interno delle nostre cellule (circa i 2/3 del 60% di acqua).
• Extracellulare, che costituisce l’ambiente interno dell’organismo (1/3). Questo può essere suddiviso in liquido interstiziale (80%) e plasma (20%).

All’interno del nostro organismo avviene un costante scambio di acqua e soluti tra questi compartimenti (ambiente esterno, plasma, liquidi interstiziali, cellule). I compartimenti idrici sono separati da membrane di natura diversa: il liquido intracellulare e l’interstizio sono separati dalla membrana plasmatica, mentre il plasma e l’interstizio sono separati dalla membrana endoteliale. Essendo di natura diversa, l’attraversamento delle due membrane avverrà secondo metodiche diverse.

Trasporto attraverso membrana

Un soluto in acqua si sposta per moto browniano (diffondendo) in modo casuale, secondo determinate caratteristiche chimico-fisiche del mezzo e del soluto stesso (peso molecolare, viscosità, temperatura). Ad un certo punto, il soluto incontrerà la membrana plasmatica e la potrà attraversare secondo due metodi: trasporto passivo e trasporto attivo. Nel trasporto passivo, il soluto si sposta secondo gradiente, mentre nell’attivo contro gradiente; inoltre, quello attivo richiede energia dall’ATP mentre il passivo no.

Una modalità di trasporto passivo è la diffusione semplice. Quando un soluto ha una concentrazione diversa in due punti della soluzione, si ha una diffusione netta che tende a tale gradiente. Col passare del tempo, la concentrazione di X in A tenderà a scendere e in B a salire; quindi, il vettore risultante di diffusione netta ridurrà il suo modulo, fino a quando non verrà vanificato il gradiente. Il trasporto avviene senza consumo di energia, dato che viene sfruttato solamente il gradiente di concentrazione.

Un’altra caratteristica di tale trasporto è che, essendo appunto semplice, non prevede l’intervento di proteine trasportatrici, ma le molecole liposolubili, attraversano direttamente il doppio strato fosfolipidico. Non tutti i soluti sono liposolubili e quindi non potrebbero attraversare la membrana cellulare per diffusione obbedendo al loro gradiente di concentrazione. Queste sostanze possono essere molecole polari, ioni, etc. Più precisamente, tali sostanze potrebbero attraversare la membrana, ma il trasporto avverrebbe molto lentamente; la velocità di trasporto sarebbe incompatibile con i processi metabolici della cellula.

Per il passaggio di tali molecole è necessario, comunque, un gradiente ma soprattutto la presenza di proteine che sono in grado di facilitarne il passaggio. Il processo che prevede l’utilizzo di proteine è detto trasporto mediato, che può essere passivo o attivo.

Trasporto mediato passivo: diffusione facilitata

Nel trasporto mediato passivo le molecole vengono spostate secondo il loro gradiente ed il trasporto netto si arresta quando le concentrazioni sono uguali in entrambi i lati della membrana: tale processo prende il nome di diffusione facilitata.

Per facilitare il trasporto di tali molecole, la cellula mette a disposizione due strutture: il canale ionico e il carrier. Entrambe possono mediare un trasporto passivo facilitato ma funzionano in maniera diversa e sono dedicate a soluti diversi.

Il canale ionico è formato da più subunità proteiche che si assemblano in membrana in maniera da formare un poro acquoso. Tale canale permetterà il passaggio di una o più specie ioniche in funzione del loro gradiente elettrochimico (tra i due lati della cellula avremo una differenza di concentrazione dello ione e una differenza di potenziale elettrico che contribuiranno a generare la spinta dello ione). Esistono due tipologie di canali ioni: passivi o ad accesso regolato. I canali ionici mediano solo ed esclusivamente un trasporto passivo di ioni.

Il carrier è costituito da proteine di membrana. Le subunità dei carrier possono cambiare conformazione reciprocamente, esponendo ai due lati della membrana i siti di legame per un determinato soluto. Il trasporto avviene secondo gradiente di concentrazione. Se la concentrazione di un soluto è uguale in ambi i lati della membrana, il carrier continua a lavorare, però non ci sarebbe un flusso netto del soluto (tanto soluto entra, tanto soluto esce).

I siti di legame hanno un’alta affinità per i soluti, la quale non cambia a seconda della conformazione. Quindi, la probabilità che un carrier leghi e quindi trasporti il soluto dipenderà semplicemente dalla concentrazione di quest’ultimo.

Osserviamo graficamente la differenza tra trasporto per diffusione semplice e per diffusione facilitata. Sull’asse delle ascisse poniamo la concentrazione di X e sulle ordinate la velocità di trasporto.

Diffusione semplice

Notiamo che più aumenta la concentrazione di X tra i due compartimenti della membrana, più aumenta il gradiente e di conseguenza la J (legge di Fick) ovvero la velocità. Otteniamo quindi una retta che va all’infinito.

Diffusione facilitata

Poniamo sempre sulle ordinate la velocità di trasporto e sulle ascisse la concentrazione. In un primo momento, man mano che aumenta la concentrazione del soluto aumenta la velocità di trasporto; ad un certo punto, pur aumentando la concentrazione, la velocità non aumenta altrettanto fino ad arrivare ad un plateau, ovvero alla velocità massima di trasporto.

La velocità massima è raggiunta nel momento in cui tutti i siti di legame sono occupati dal substrato. A questo punto, si dice che i carrier hanno raggiunto la saturazione. Il momento in cui il carrier raggiunge la saturazione è determinato dalla velocità del trasportatore nel passare da una conformazione all’altra; se il passaggio dallo stato A allo stato B è rapido, la velocità massima sarà maggiore (verrà raggiunta più tardi), e viceversa.

I carrier hanno una costante di attività k_m: è la concentrazione del soluto trasportato alla quale si ha la metà della velocità massima del trasporto V_max. Questo significa che se un trasportatore ha una k_m bassa, la concentrazione del soluto alla quale si ha V_max è piccola: di conseguenza, l’affinità del carrier per quel soluto sarà alta. Più bassa è la k_m, più è alta l’affinità, poiché basterà poco soluto per trasportarlo velocemente.

Ad esempio, molte cellule necessitano del glucosio per il proprio metabolismo, in particolar modo i neuroni e le cellule della glia: infatti, i trasportatori di glucosio di queste cellule (GLUT3) hanno una k_m molto bassa (1,8).

Esiste una legge fisica che descrive l’entità del trasporto diffusionale: la legge di Fick. Essa descrive la velocità netta di trasporto su base diffusionale:

• J: velocità netta di diffusione
• D: coefficiente di diffusione
• A: area membrana
• ΔC: differenza di concentrazione attraverso la membrana
• ΔX: spessore membrana

RICORDA: il trasporto passivo vanifica o tende a vanificare un gradiente.

Trasporto mediato attivo

Nel trasporto mediato attivo i soluti vengono spostati contro gradiente di concentrazione/elettrochimico mediante l’utilizzo di energia. Tali trasporti non vanificano un gradiente, come fanno i trasporti passivi, ma lo creano. Poiché i canali ionici possono mediare solo un trasporto passivo, in funzione del gradiente, nei trasporti attivi il passaggio è mediato da dei carrier.

Il trasporto attivo può essere suddiviso in due tipi, in base alla modalità di utilizzo di energia: trasporto attivo primario e trasporto attivo secondario.

Nel trasporto attivo primario, l’energia necessaria a spingere i soluti contro il loro gradiente deriva direttamente dal legame fosfato ad alta energia dell’ATP (proteine ad attività ATPasica), generando dei gradienti.

Quando, invece, un soluto viene trasportato contro il suo gradiente sfruttando il passaggio secondo gradiente di un altro soluto col cui trasporto è accoppiato, si parla di trasporto attivo secondario. Il carrier utilizza l’energia potenziale creata dal gradiente (generata dai trasporti primari), convertendola in energia cinetica per il trasporto contro gradiente; solitamente si sfrutta il passaggio secondo gradiente del Na⁺. Le molecole trasportate possono andare nella stessa direzione (co-trasporto) o in direzioni opposte (contro-trasporto).

Una delle proteine più importanti che media un trasporto attivo primario è la pompa Na⁺/K⁺ ATPasi. Tale proteina ha il compito di trasportare ioni Na⁺ all’esterno e ioni K⁺ all’interno, entrambi contro il loro gradiente. Per attuare il trasporto la proteina deve cambiare conformazione ma, a differenza dei carrier che mediano la diffusione facilitata, cambiano l’affinità dei siti di legami per i due ioni: questo è di fondamentale importanza per la creazione del gradiente, perché se no la probabilità di legare lo ione sarebbe in funzione della sua concentrazione. Inoltre, oltre ai siti di legame per gli ioni, questa pompa presenta un sito per legare e idrolizzare l’ATP ad ADP e fosfato inorganico. In particolare, presenta 3 siti per il Na⁺ e 2 per il K⁺.

Il meccanismo della pompa può essere riassunto in 3 fasi:

1. La pompa si troverà nella conformazione A rivolta verso il citosol. In questa conformazione, la pompa ha un’elevata affinità per il Na⁺ ed una bassa affinità per il K⁺. Quindi legherà tre molecole di Na⁺ e una di ATP la quale viene idrolizzata. La fosforilazione causa una variazione di conformazione della pompa, che passerà al lato extracellulare;
2. Nella conformazione B la pompa presenta una bassa affinità per il Na⁺, che verrà rilasciato all’esterno, e un’elevata affinità per il K⁺, che verrà legato ai siti di legame;
3. Il legame con il K⁺ induce una defosforilazione e la proteina modifica la sua conformazione, riportando la pompa allo stato A.

Un esempio di trasporto attivo accoppiato è il SGLUT (trasporto di glucosio sodio-dipendente), in cui viene utilizzato il trasporto secondo gradiente del Na⁺ per trasportare il glucosio contro gradiente.

Canali ionici, gradiente elettrochimico e potenziale elettrochimico all’equilibrio

Parlando del trasporto di ioni, è necessario considerare sia il gradiente di concentrazione che quello elettrico: si parla infatti di gradiente elettrochimico. Gli ioni tendono a spostarsi passivamente secondo il loro gradiente elettrochimico tramite i canali ionici. In soluzione, le molecole d’acqua circondano lo ione in modo da orientare la carica dell’uno verso la carica opposta dell’altro: questo tipo d’interazione prende il nome di solvatazione. Lo ione attraverserà il canale assieme alla sua acqua di solvatazione.

I canali ionici sono altamente selettivi. La loro selettività è determinata dal diametro del suo poro centrale ma, soprattutto, dalla carica elettrica degli amminoacidi posti in determinate geometrie: se gli aa sono carichi positivamente, gli ioni negativi possono attraversare il canale mentre quelli positivi verranno respinti e viceversa. Durante il passaggio, lo ione viene “liberato” dall’acqua di solvatazione che successivamente tornerà a circondarlo, una volta raggiunto l’ambiente intracellulare. In questo modo si forma un “filtro di selettività”.

Le nostre cellule hanno a disposizione un gran numero di canali ionici che in generale possono suddividersi in due categorie: passivi e ad accesso regolato. I canali passivi sono sempre disponibili per una o più specie di ioni ma non presentano un meccanismo di regolazione, quindi gli ioni possono muoversi liberamente avanti e indietro secondo il loro gradiente elettrochimico. Sono chiamati anche canali di fuga e sono importantissimi per la generazione e mantenimento del potenziale di riposo delle cellule.

I canali ad accesso regolato presentano un’affinità per una o più specie ioniche, però per la maggior parte del tempo mantengono uno stato di chiusura, permettendo loro di regolare il movimento degli ioni che li attraversano. Tali canali, quindi, attendono dei segnali per modificare la loro conformazione, aperta/chiusa. La regolazione può avvenire in diversi modi: segnali chimici (neurotrasmettitori, ligandi), fosforilazione, canali voltaggio-dipendenti (variazione del potenziale di membrana) o stimoli meccanici.

Equazione di Nerst

Osservando questo modello, vediamo che ci sono due compartimenti idrici, A e B, separati da una membrana, all’interno dei quali poniamo un catione X⁺ con concentrazioni diverse. Se nella membrana poniamo dei canali ionici passivi, X⁺ fluisce da A a B secondo il gradiente di concentrazione.

Quando X⁺ si sposta, su base chimica (in base al gradiente di concentrazione), da A verso B si porta dietro una carica positiva: tanti ioni X⁺ si spostano dal comportamento A verso B, tante cariche positive si accumulano nel compartimento B, con il conseguente aumento di cariche negative nel compartimento A. La diffusione di X⁺ da A a B genera, quindi, una differenza di potenziale (gradiente elettrico) a cavallo della membrana. La creazione di un gradiente elettrico implicherà la presenza di una forza elettrica che influenzerà il passaggio dello ione: tale forza spingerà X⁺ dal compartimento B, dove si sono accumulate cariche positive, al compartimento A.

Riassumendo: il gradiente chimico spinge X⁺ da A verso B e mentre lo spinge carica elettricamente la membrana, creando un gradiente elettrico che genera una forza opposta spingendo X⁺ da B verso A. Col passare del tempo, X⁺ arriverà all’equilibrio e non ci sarà più un flusso netto ma il gradiente elettrochimico tra A e B sarà nullo. In una cellula permeabile, il potenziale di membrana che si oppone esattamente al gradiente di concentrazione/elettrochimico è detto potenziale di equilibrio o potenziale di Nernst.