Fisiologia Umana - 2° Scienze Motorie

Fisiologia umana - 2° anno scienze motorie

Testo: Fisiologia – D'Angelo/Peres – Edizioni Ermes
Prof: Guatteo – Esame scritto + orale facoltativo (si può non fare se allo scritto si prende più di 25)
48 tra risposte multiple e vero falso (+1/-0.50), 4 domande aperte (+2)

Capitolo 1: Compartimenti e liquidi dell'organismo

Nel corpo umano ci sono sistemi/apparati chiusi o aperti. Si definiscono aperti infatti, quelli che hanno uno sbocco verso l’esterno (esempio: apparato respiratorio o apparato digerente). Tutti gli apparati collaborano e lavorano in sinergia tra loro.

Il principale liquido presente nel corpo umano è l’acqua. L’acqua del corpo umano è situata principalmente nelle cellule, un’altra buona parte di acqua la si trova nel liquido interstiziale che si trova tra le cellule (sarebbe lo spazio che separa una cellula e un’altra) mentre la restante parte di acqua si trova nel plasma sanguigno. Quindi l’acqua si trova in tre compartimenti:

• Cellulare (citoplasma delle cellule)
• Extra-cellulare (liquido interstiziale)
• Plasma sanguigno (circolazione)

Il passaggio dell’acqua tra questi tre compartimenti è regolato dalla pressione idrostatica generata dalla pompa cardiaca (il cuore, sposta acqua dalla circolazione al liquido interstiziale) e dalla pressione osmotica che contrasta quella idrostatica ed evita che l’acqua entri tutta nel liquido interstiziale dalla circolazione e la sposta nella cellula grazie ai suoi osmoliti.

Il passaggio dell’acqua nei tre compartimenti infatti, è sempre finalizzato all’equilibrio osmotico, cioè l’acqua deve essere presente in tutti e tre i compartimenti, compartimenti che hanno la stessa pressione osmotica. Il percorso che l’acqua fa è il seguente:

• Parte dal torrente circolatorio (circolazione sanguigna)
• Poi passa nel liquido interstiziale
• Entra nelle cellule

Si può facilmente dedurre quindi che se manca l’acqua nel sangue, anche gli altri due compartimenti ne risentiranno e vedranno diminuire il loro livello di acqua.

Capitolo 1.1: I soluti dell’acqua

I soluti dell’acqua non possono passare facilmente tra un compartimento e l’altro. I principali soluti, in forma ionica (cioè con carica positiva), sono:

• Sodio, si accumula principalmente nel plasma e nello spazio extra-cellulare (145 mM), in quantità minore nelle cellule (15-40 mM)
• Potassio, si accumula principalmente nel citoplasma delle cellule (quindi spazio cellulare, 150 mM), presente in quantità minime negli altri due compartimenti (4-5 mM)
• Cloro, si accumula principalmente nello spazio extra-cellulare e nel plasma sanguigno (100 mM), molto meno presente invece nelle cellule (10-40 mM)
• Proteine, si accumulano principalmente e in grande quantità nelle cellule (200 mM), presenti anche nel plasma (70 mM), totalmente assenti nello spazio extra-cellulare (0 mM)

Sodio e potassio sono presenti nel corpo sotto forma di cationi, quindi con un elettrone in meno e conseguente carica positiva. Il cloro invece è un anione con un elettrone in più e quindi carica negativa. Le proteine spesso le troviamo come proteinati e quindi con carica negativa.

Come detto, l’acqua passa liberamente mentre i soluti no. Questi ultimi inoltre, sono concentrati in modo asimmetrico nei tre compartimenti. Il gradiente di concentrazione è infatti dato proprio dalla concentrazione asimmetrica del soluto ai due lati della membrana (cioè da un lato è maggiore la sua concentrazione mentre dall’altro è minore). I soluti quindi tenderanno a diffondersi secondo gradiente.

Capitolo 1.2: La membrana plasmatica e i suoi componenti

La membrana plasmatica delle cellule è formata da un doppio strato di fosfolipidi (lipidi anfipatici che hanno una testa polare idrofila e una coda idrofoba). La membrana plasmatica è un mosaico fluido, cioè tutte le sue componenti sono in continuo movimento (le uniche a non muoversi sono le proteine strutturali che sono ancorate al citoscheletro della cellula e che quindi non possono muoversi).

La membrana inoltre, può veder variare la sua consistenza, a seconda delle esigenze del corpo, grazie al colesterolo che la irrigidisce o la fluidifica. Il colesterolo è infatti un altro lipide presente in grande quantità nelle membrane plasmatiche, quasi sempre apolare, e si va a mettere tra le code anfipatiche dei fosfolipidi che compongono il doppio strato. Il terzo e ultimo lipide che compone le membrane plasmatiche è il glicolipide.

Il doppio strato è attraversato dalle proteine plasmatiche. Queste proteine plasmatiche non sono altro che le proteine di membrana, specifiche di ogni tipo di cellula (cioè ogni cellula, a seconda di dove si trova nel corpo, ha delle particolari proteine di membrana, che danno anche la “specializzazione” alla cellula).

Le proteine di membrana possono essere intrinseche (se attraversano completamente il doppio strato, più difficili da rimuovere) o estrinseche (se attraversano solo in parte il doppio strato, si possono rimuovere abbastanza facilmente e senza sfaldare la membrana). Le proteine di membrana, come detto, conferiscono le specifiche caratteristiche funzionali della membrana plasmatica. Queste proteine possono avere struttura ad alfa-elica (in questo caso, graficamente, si indicano con un “bastoncino verticale”) o a beta-foglietto (graficamente si indicano con delle “frecce che si intersecano tra loro”).

• Proteine strutturali, mantengono la forma della cellula, ancorate al citoscheletro e non possono quindi muoversi
• Enzimi, catalizzatori di reazioni chimiche
• Recettori, un recettore è in grado di recepire una e una sola sostanza, quindi sono specifici per ogni sostanza
• Canali e trasportatori (proteine carrier/trasfer ecc.)

Capitolo 1.2.1: Tipi di trasporto attraverso la membrana plasmatica

Il trasporto delle sostanze attraverso la membrana plasmatica può essere:

• Trasporto Passivo (NON usa energia) che si divide in
  • Diffusione semplice
  • Diffusione facilitata
• Trasporto Attivo (USA energia) che si divide in
  • Attivo Primario (contro gradiente, uso diretto di ATP)
  • Attivo Secondario (contro gradiente, uso indiretto di ATP)
  • Co-trasporto ionico

Capitolo 1.2.1.1: Trasporto passivo – diffusione semplice e legge di Fick

Il primo tipo di trasporto passivo è, come detto, la diffusione semplice, cioè la diffusione delle sostanze secondo gradiente di concentrazione (da dov’è di più a dove ne è meno) e quindi senza problemi né uso di energia. Interessa sostanze lipofile. Avviene, per esempio, negli alveoli polmonari.

La diffusione semplice è soggetta alla 1° Legge di Fick che afferma che sono presenti due flussi opposti e che la differenza tra questi due dà il flusso netto del passaggio. La legge di Fick è:

J = J_1→2 - J_2→1 = - (P)(C_S2 - C_S1)

• J = flusso netto
• J_1→2 = flusso sostanza da compartimento 1 a compartimento 2 (entrata)
• J_2→1 = flusso sostanza da compartimento 2 a compartimento 1 (uscita)
• A = area della superficie/membrana dove avviene il passaggio
• D = coefficiente di diffusione
• r = coefficiente di ripartizione
• d = spessore della membrana
• (C_S2 - C_S1) = concentrazione della sostanza ai due lati della membrana

Capitolo 1.2.1.2: Trasporto passivo – diffusione facilitata

Il secondo tipo di trasporto passivo è la diffusione facilitata, cioè le sostanze si diffondono grazie a dei trasportatori o grazie a dei canali (carrier) che fanno passare le sostanze da una parte all’altra della membrana. Anche questo tipo di diffusione avviene secondo gradiente, senza uso di energia e ogni trasportatore/canale è specifico di un solo tipo di sostanza (quindi fa passare solo quella).

Interessa quasi sempre sostanze idrofile e quindi polari. Rispetto alla diffusione semplice è più lenta in quanto in questo caso il trasportatore può essere saturo (occupato) e quindi bisogna aspettare che si liberi (completando il passaggio già in corso) per avviare un nuovo passaggio. La saturazione dei trasportatori infatti è ben visibile anche dal grafico che descrive questa funzione. La curva che descrive questo tipo di trasporto infatti è simile a quella di una reazione enzimatica, cioè arrivati a un certo punto del passaggio, la velocità si stabilizza perché si saturano gli enzimi/proteine trasportatori e quindi, anche aumentando il substrato, la velocità non cambia (cambia solamente se aumentiamo la quantità di trasportatori presenti).

Possono intervenire nel trasporto anche degli inibitori competitivi (inibisce l’enzima occupando il suo sito attivo) o inibitori non competitivi (inibisce l’enzima legandosi a un sito diverso da quello attivo, velocità ridotta molto di più rispetto a quelli competitivi) che ne abbassano la velocità.

Capitolo 1.2.1.3: Trasporto attivo primario – pompa sodio-potassio e pompa calcica

Il primo tipo di trasporto attivo è quello primario. Le sostanze vengono spostate contro gradiente (da dove è meno a dove è più). È un tipo di trasporto che usa direttamente energia idrolizzando ATP (ATPasi). L’energia viene usata dai trasportatori. Questo tipo di trasporto può usare:

• Una pompa protonica
• Una pompa del calcio/calcica
• Una pompa sodio-potassio (la più importante delle tre)

La pompa sodio-potassio (Na⁺/K⁺) è formata da due sub-unità (α e β). È una pompa che utilizza molta energia (dal 30% al 70% di ATP cellulare), soprattutto nei neuroni. Come si capisce anche dal nome, è una pompa che scambia sodio e potassio con un rapporto di 3-2 (cioè escono 3 molecole di sodio e ne entrano 2 di potassio, quindi all’interno ci sarà un esubero di cariche negative), questo rapporto genera quindi una differenza di potenziale. Le fasi del passaggio sodio-potassio fatto da questa pompa, sono 6. Nella fase 2 e nella fase 5 avviene rispettivamente la fosforilazione e de-fosforilazione dell’ATP.

La funzione quindi di questa pompa è quella di mantenere stabile i livelli di potassio e sodio ai due lati della membrana (infatti i due soluti si accumulano in zone differenti come descritto nei capitoli precedenti). È una pompa che lavora costantemente perché deve continuamente contrastare l’effetto di altre proteine (si trovano soprattutto sulle cellule eccitabili) che fanno esattamente l’azione opposta, cioè portano dentro sodio e fanno uscire potassio (proteine che troviamo nel trasporto attivo secondario e che fanno entrare il sodio secondo gradiente).

La pompa calcica/del calcio spinge il calcio contro gradiente di concentrazione. È una pompa che sposta unicamente questa sostanza, senza scambiare altro. Questa pompa spinge il calcio dalla cellula al reticolo endoplasmatico liscio (o nello spazio extra-cellulare), dove si accumula (avviene soprattutto nelle cellule muscolari dove serve per la contrazione del muscolo).

Capitolo 1.2.1.4: Trasporto attivo secondario

Questo tipo di trasporto attivo, utilizza energia indirettamente. Le sue proteine infatti non sono ATPasiche (non idrolizzano ATP). È un trasporto che muove sempre le sostanze contro gradiente. Prende il nome di trasporto attivo secondario perché, come detto, non usa direttamente ATP/energia.

Questo meccanismo infatti, trae energia sfruttando il passaggio all’interno della cellula del sodio che entra secondo gradiente (quindi senza usare energia). In pratica, questo tipo di trasporto fa entrare le sostanze nella cellula sfruttando il passaggio del sodio, cioè il sodio entra secondo gradiente, quindi senza usare energia, al sodio si lega la sostanza che deve entrare che quindi entra insieme al sodio (detto in parole poverissime, la sostanza si prende il passaggio dal sodio).

È un processo utile quindi perché, grazie all’ingresso del sodio, possono entrare nella cellula anche altre sostanze senza usare energia (ricordiamo che questo ingresso del sodio viene bilanciato dall’uscita di quest’ultimo grazie alla pompa sodio-potassio). Questo tipo di trasporto viene usato anche dagli amminoacidi eccitatori.

Capitolo 1.2.1.4.1: Trasporto attivo secondario – antiporto vescicolare delle vescicole sinaptiche

Questo tipo di trasporto secondario utilizza delle vescicole già cariche di neurotrasmettitori. Questi neurotrasmettitori, quando devono inviare il segnale, si fondono con la membrana della vescicola ed escono fuori in modo rapido.

Un neurotrasmettitore è una sostanza rilasciata da un neurone e che viene captata da un altro neurone o da una fibra muscolare. La vita di un neurotrasmettitore è brevissima perché vengono intercettati dal loro destinatario in modo praticamente istantaneo. Quando in questo processo agiscono degli inibitori (come la cocaina), questi neurotrasmettitori non vengono più recepiti e restano attivi per più tempo, provocando degli squilibri nel corpo (sempre nel caso della cocaina, il neurotrasmettitore che non viene recepito è la dopamina che quindi resta attiva e ci “sballa”).

Capitolo 1.3: Proprietà bioelettriche delle membrane

Quasi sempre, i soluti hanno una carica netta (positiva o negativa), quindi bisogna anche considerare il gradiente di potenziale elettrico generato dal fatto che, i soluti, sono disposti ai due lati della membrana in modo asimmetrico e questo genera quindi un gradiente di concentrazione (chimico) e un gradiente elettrico. Questi due gradienti sono spesso opposti e quindi, ad un certo punto, si arriverà in una condizione di equilibrio detta equilibrio elettrochimico (cioè nel passaggio dei soluti dall’altra parte, prima o poi si arriverà a punto che i due gradienti avranno pari valore ma segno opposto e quindi ci sarà equilibrio).

Ogni membrana ha un suo potenziale elettrico ed è proprio un particolare valore di questo che rende particolarmente eccitabili le cellule nervose e quelle muscolari. Il potenziale elettrico di membrana di un neurone a riposo è di -65mV. Questo valore viene definito come potenziale di riposo ed è specifico delle cellule eccitabili (neuroni e muscoli), e ovviamente deriva dalla asimmetria degli ioni ai due lati della membrana. Nella zona adiacente alla membrana infatti, si accumulano, ai due lati, cariche di segno opposto (se le sommiamo tutte otteniamo un valore pari a 0 quindi, singolarmente, i due ambienti sono neutri). Precisiamo che a riposo, la membrana tiene aperti tanti canali per il potassio e pochi per il sodio.

Si arriva a questo valore di -65mV con un semplice esperimento fatto prendendo due compartimenti che presentano al centro una membrana semipermeabile solo al potassio:

• Nel primo compartimento (primo da sinistra) dove la concentrazione delle sostanze (potassio e cloro) è uguale ai due lati (1mM) della membrana, si avrà uno scambio di soluto uguale in entrambe le direzioni e quindi saremo in equilibrio con conseguente potenziale elettrico pari a 0
• Nel secondo compartimento invece, a sinistra della membrana abbiamo una concentrazione di potassio 10 volte superiore rispetto a quella che c’è a destra della membrana e quindi questo si sposterà, secondo gradiente di concentrazione, verso destra. Siccome la membrana fa passare solo potassio, il cloro presente nella soluzione resterà fermo, accumulandosi quindi da una sola parte. Questo accumulo porta a un accumulo di cariche elettriche opposte ai due lati della membrana con conseguente creazione di potenziale elettrico (questo perché il potassio [K⁺] ha carica positiva mentre il cloro [Cl^-] ha carica negativa). Questo scambio arriverà ovviamente all’equilibrio quando il gradiente di concentrazione verrà bilanciato da quello elettrico che avrà un valore di -58mV

Con questo esperimento quindi, abbiamo capito che -58mV dei -65mV del potenziale di riposo sono dati dallo spostamento del potassio ai due lati della membrana. La condizione di equilibrio elettrochimico per ciascuno ione, si calcola con la Legge di Nernst:

E_ion = 2,303 x log([ion]_o / [ion]_i)

• E_ion = valore del potenziale ionico dello ione all’equilibrio (tipo E_K se parliamo del potassio)
• R = costante del gas
• T = temperatura assoluta
• Z = carica dello ione
• F = costante di Faraday
• [ion]_o = concentrazione dello ione fuori dalle cellule
• [ion]_i = concentrazione dello ione dentro le cellule

La prima parte dell’equazione (cioè tutto fino al logaritmo), è una costante e viene 61,54. I valori della concentrazione dello ione sono valori certi e che si possono ricavare anche secondo i parametri espressi nel capitolo 1.1.

Per arrivare però a questo famoso valore di -65mV, dobbiamo considerare un Sistema di Donnan che prevede un compartimento, uguale a quello visto sopra, ma con una membrana semi-permeabile al potassio (K⁺) e al cloro (Cl^-).

Con una membrana di questo tipo, ci sarà uno spostamento in entrambe le direzioni sia di potassio che di cloro, mentre le uniche sostanze che si accumuleranno ai due lati saranno i proteinati.