Fisiologia umana

Fisiologia

Cosa studia la fisiologia?

La fisiologia è lo studio dell’organismo vivente e delle parti che lo compongono, inclusi tutti i processi chimici fisici alla base del suo normale funzionamento.

Definizioni di base

Organo: unità anatomica, fisiologica e funzionale costituita da diversi tipi di tessuti (a loro volta formati da cellule che presentano funzioni correlate) associati per svolgere specifiche funzioni che interessano l’intero organismo.

Apparato: insieme di organi destinati a una determinata funzione o ad un insieme di funzioni analoghe strettamente coordinate.

Omeostasi

Il concetto di un ambiente interno ("milieu interieur") relativamente stabile è stato per la prima volta formulato dal medico francese Claude Bernard a metà del 1800. Successivamente, Walter Cannon definì l’omeostasi come la tendenza dell’organismo a mantenere lo "stato stazionario" ovvero un ambiente fisico-chimico interno stabile a fronte di modificazioni ambientali.

L’omeostasi è, quindi, la condizione in cui le variabili dell’ambiente interno del corpo sono mantenute a livelli relativamente stabili, adatti a consentire la vita. L’omeostasi è tipicamente regolata da meccanismi a feed-back negativo. Molti sistemi a feed-back negativo sono costituiti da un recettore, un centro di controllo, un effettore e dalle rispettive vie di connessione.

Per mantenere uno stato di omeostasi l’organismo utilizza il principio dell’equilibrio di massa. La legge dice che se la quantità di una sostanza nell’organismo deve rimanere costante, ogni aumento deve essere compensato da una perdita di pari entità. Per esempio, la cessione di acqua all’ambiente esterno (output) deve essere bilanciata dall’assunzione di acqua dall’ambiente esterno e dalla produzione metabolica di acqua (input).

Ambiente interno del corpo

Cos’è esattamente l’ambiente interno del corpo? Per gli animali multicellulari è il liquido extracellulare (LEC), che circonda le cellule del corpo. Il liquido extracellulare rappresenta la zona di transizione fra l’ambiente esterno dell’organismo e il liquido intracellulare (LIC; 28 L). Il liquido extracellulare è rappresentato dal liquido interstiziale (11 L) e dal plasma (3 L). Quindi, parlare di stabilità dell’ambiente interno equivale a parlare di stabilità del LEC.

Tra LIC e LEC notiamo delle differenze, così come tra liquido interstiziale e plasma. Il LEC è caratterizzato da una grande presenza di ioni Cl- e ioni Na+; il LIC invece presenta una concentrazione rilevante di ioni K+ e Mg2+. Analizzando le componenti del LEC, il plasma differisce dal liquido interstiziale in quanto presenta delle proteine (ad esempio l’albumina).

Stato stazionario dinamico

In uno stato di omeostasi, la composizione di entrambi i compartimenti corporei (LIC e LEC) è relativamente stabile. Questa condizione viene detta stato stazionario dinamico. L’aggettivo dinamico indica che le sostanze si muovono costantemente tra i due compartimenti, anche se, quando si instaura uno stato stazionario non c’è un movimento di sostanze tra i due compartimenti. Stato stazionario non è sinonimo di equilibrio. L’equilibrio comporta che la composizione di entrambi i compartimenti corporei sia identica. Ma, esaminando LIC e LEC, troviamo che nei due compartimenti le concentrazioni di molte sostanze sono differenti.

L’obiettivo dell’omeostasi è di mantenere lo stato stazionario dinamico dei compartimenti corporei, non di renderli identici. (omeostasi non significa equilibrio).

Sistemi di controllo

Le variabili corporee (pressione arteriosa, glicemia...) vengono mantenute entro la loro gamma di valori accettabili da meccanismi di controllo fisiologici che intervengono quando le variabili si discostano troppo dal loro valore di riferimento. Nella forma più semplice, un sistema di controllo consiste di tre componenti:

• Segnale di ingresso;
• Un centro di controllo, o centro di integrazione, che integra le informazioni in ingresso e dà inizio alla risposta appropriata;
• Un segnale di uscita che crea la risposta.

La forma più semplice di controllo è il controllo locale, limitato al tessuto o alla cellula coinvolta. Tuttavia, quando vi sono modificazioni che avvengono in zone più diffuse nell’organismo (di natura sistemica) si innescano sistemi complessi per il mantenimento dell’omeostasi, definiti vie riflesse. Una via riflessa può essere suddivisa in un circuito di risposta riflessa e un circuito a retroazione.

Un sensore percepisce uno stimolo e invia un segnale al centro di integrazione (nei mammiferi sistema nervoso o endocrino); il centro di integrazione valuta l’informazione e innesca un segnale in uscita che si dirige verso il bersaglio per effettuare la risposta. La risposta è un circuito a retroazione o a feedback, in cui la risposta "torna indietro" a modulare lo stimolo in ingresso della via.

Una via nella quale la risposta si oppone o rimuove il segnale è detta a retroazione negativa o feedback negativo. Ad esempio, in un acquario, il dispositivo di riscaldamento riscalda l’acqua (risposta) e rimuove lo stimolo (bassa temperatura dell’acqua); con la perdita dello stimolo, il circuito di risposta si spegne.

Una via nella quale la risposta rinforza lo stimolo, allontanando ancora di più la variabile dal valore di riferimento è una via a retroazione positiva o feedback positivo. Si parla quindi di vie riflesse non omeostatiche.

In conclusione, quando l’organismo va incontro a variazioni che determinano la perdita dell’omeostasi cerca di compensare; se la compensazione ha successo vengono ripristinate le condizioni fisiologiche (benessere), se la compensazione fallisce si sviluppano condizioni patologiche (disordine o malattia).

Membrane

La parola membrana in fisiologia indica una struttura che separa due compartimenti biologici. Ad esempio la membrana pericardica è uno strato di cellule epiteliali appiattite sostenute da connettivo che circonda il cuore separandolo dall’ambiente esterno.

Le differenze tra LIC e LEC sono mantenute dall’esistenza della membrana plasmatica. A livello del LEC, la differenza tra plasma e liquido interstiziale (ovvero proteine) è dovuta ad una membrana basale, il capillare, struttura che rende difficile il passaggio di proteine.

La membrana plasmatica, anche detta plasmalemma, è costituita da un doppio strato (bilayers) di fosfolipidi nel quale sono inserite molecole proteiche. Svolge numerose funzioni:

• Isolamento fisico. La membrana cellulare è una barriera fisica tra LIC e LEC.
• Regolazione degli scambi con l’ambiente. La membrana cellulare è un filtro selettivo; controlla l’entrata di ioni e di nutrienti nella cellula, l’eliminazione di cataboliti e il rilascio di prodotti dalla cellula. L’ingresso e l’uscita delle molecole è permessa da speciali proteine dette trasportatori.
• Comunicazione tra la cellula e il suo ambiente. La membrana plasmatica contiene proteine che permettono alla cellula di riconoscere segnali e di rispondervi.
• Comunicazione intercellulare. La membrana permette la comunicazione tra cellule.
• Supporto strutturale e determinazione della forma cellulare. Alcune proteine della membrana sono ancorate al citoscheletro.
• Attività enzimatica. Alcuni enzimi sono presenti nella membrana plasmatica.

Determinazione del doppio strato lipidico

Gortel e Grendel nel 1925 considerarono degli eritrociti (non presentano organelli e quindi non vi erano membrane oltre alla membrana plasmatica) ed estrassero i lipidi della loro membrana plasmatica grazie all’acetone. Depositarono una goccia lipidica in una vaschetta d’acqua e le molecole formarono un monostrato (monolayer); ciascun fosfolipide presentava la testa polare rivolta verso la fase acquosa e le code apolari rivolte verso l’aria. Attraverso una bilancina ideata dal fisico Langmuir, calcolarono i newton da dover imprimere per far muovere la bilancina stessa.

Giunti ad un certo punto, la quantità di forza necessaria aumentava di molto fino ad arrivare al massimo di comprimibilità del monolayer, successivamente al quale vi sarebbe stata la rottura del monostrato. Calcolarono quindi il valore massimo della comprimibilità del monostrato lipidico. Successivamente, calcolarono l’area totale delle membrane dei globuli rossi dai quali estrassero i lipidi e notarono che questo valore risultava esattamente la metà di quella del monostrato al massimo della compressione. Non vi era altra spiegazione se non quella che la membrana era organizzata in un doppio strato fosfolipidico.

N.B. Seppur lo studio di Gortel e Grendel presentava degli errori, esso permise di scoprire il modello della membrana cellulare. I due scienziati avevano considerato l’area degli eritrociti come sferica, mentre gli eritrociti sono biconcavi; inoltre utilizzarono l’acetone che è un pessimo solvente per i lipidi delle membrane. Ebbero una sottostima dell’area totale delle membrane che però, casualmente, permise la descrizione del modello esatto della membrana plasmatica.

Morfologia della membrana

Con l’introduzione della microscopia elettronica gli scienziati furono in grado di vedere la membrana cellulare per la prima volta. Singer e Nicolson proposero, nel 1972, il modello a mosaico fluido della membrana cellulare, sulla base delle osservazioni ottenute precedentemente attraverso il metodo della criofrattura (con la tecnica della criofrattura i due strati fosfolipidici vengono separati e osservati in microscopia elettronica). Si parla di modello a mosaico fluido in quanto tutte le componenti della membrana non sono connesse da legami covalenti e sono libere di muoversi in essa.

I lipidi delle membrane sono principalmente fosfolipidi disposti in un doppio strato, in modo che le “teste” contenenti gruppi fosfato, idrofile, si trovino sulla superficie della membrana e le “code” lipidiche idrofobiche siano nascoste nel centro della membrana. La membrana cellulare presenta inoltre proteine e carboidrati.

I lipidi principali sono di tre tipi:

• Fosfolipidi. Costituiti da uno scheletro di glicerolo con due catene di acidi grassi che si estendono da un lato e un gruppo fosfato che si estende dal lato opposto. La testa della molecola, costituita da glicerolo e fosfato, è polare e quindi idrofila; la coda, costituita da acidi grassi, è apolare e quindi idrofobica. L’acido grasso in posizione 2 generalmente è insaturo, presenta quindi una distorsione della catena idrocarburica. Inoltre, il gruppo fosfato può presentare vari sostituenti.
• Sfingolipidi. Lo scheletro della struttura è rappresentato dalla sfingosina, un amminoalcol a catena lunga; le teste degli sfingolipidi possono essere sia fosfolipidi sia glicolipidi. Generalmente gli sfingolipidi hanno lunghezza leggermente superiore ai fosfolipidi.
• Colesterolo. Le molecole di colesterolo si inseriscono tra i fosfolipidi.

Le proteine sulla membrana plasmatica possono essere di varia natura:

• Proteine periferiche.
• Proteine integrali.
• Proteine con ancora GPI.
• Proteine anfitropiche.

Alcune proteine, come le proteine integrali, sono ancorate al citoscheletro, mentre moltissime proteine sono in grado di muoversi nel doppio strato fosfolipidico.

Fluidità della membrana

Come accennato, parliamo di fluidità in quanto le componenti del doppio strato sono libere di muoversi data l’assenza di legami covalenti.

I lipidi possono ruotare, flettere, spostarsi trasversalmente (in maniera catalizzata e non) e lateralmente.

Esperimento diffusione laterale proteine. Le proteine come i lipidi sono libere di diffondere lateralmente; questa teoria fu dimostrata mediante la tecnica FRAP e l’utilizzo di sonde a fluorescenza. Secondo l’esperimento: vengono prese una cellula umana e una cellula di topo che presentano sulla loro superficie proteine diverse; si produce per fusione delle due cellule l’eterocarionte. Vengono utilizzate delle immunoglobuline (anticorpi specifici per un determinato antigene), un tipo specifico per le proteine umane ed uno per le proteine di topo, entrambe marcate a fluorescenza ma con due lunghezze d’onda differenti (producono colori diversi). Le immunoglobuline si legano alle proteine. All’inizio dell’esperimento le proteine di topo e quelle umane appaiono separate sulla superficie cellulare. L’eterocarionte viene incubato a 37 °C per 40 minuti e viene osservato nuovamente al microscopio a fluorescenza: le proteine appaiono ora mescolate, evidenza del fatto che esse sono in grado di diffondere lateralmente.

La fluidità della membrana è influenzata da diversi fattori. In funzione della temperatura, la membrana plasmatica può esistere in due stadi:

• Fase gel (a basse temperature).
• Fase liquida (ad alte temperature).

Un aumento di temperatura determina quindi la transizione da fase gel a fase liquida.

Il colesterolo influenza la fluidità della membrana determinando uno stato fluido ma ordinato; a basse temperature aumenta la fluidità mentre ad alte temperature rende le membrane meno fluide.

Anche la composizione della membrana determina la sua fluidità: maggiore è la concentrazione di acidi grassi insaturi, che presentano quindi insaturazioni, maggiore sarà la fluidità della membrana (aumenta il disordine).

Quindi, a parità di temperature, pH e pressione, influiscono sulla fluidità della membrana:

• Il rapporto colesterolo/glicerofosfolipidi.
• Il rapporto catene aciliche sature/insature.
• Il rapporto proteine/lipidi.

Lipid rafts

Kai Simons studiò gli sfingolipidi presenti sulla membrana plasmatica e definì la struttura della zattera lipidica o lipid raft. Si tratta di zone a bassa fluidità, dove le proteine hanno una minore mobilità, e si comportano per questo come zattere nel “mare” di lipidi. I lipid rafts sono formati dall’interazione del lungo gruppo acilico degli sfingolipidi con il lungo anello del colesterolo e ricoprono circa il 50% dell’intera superficie lipidica. Sono particolarmente ricchi di proteine con ancora GPI ed in essi sono segregate molte proteine in grado di legarsi a recettori. Le zattere lipidiche determinano asimmetrie sul piano della membrana.

I lipid rafts furono studiati anche grazie all’ausilio del microscopio a forza atomica (AFM), strumento in grado di riprodurre la topografia superficiale dei campioni sotto esame.

Asimmetria a livello della morfologia della cellula stessa. In alcuni tipi cellulari, come gli epiteli, esistono una parte apicale e una parte baso-laterale, che hanno una composizione lipidica e proteica completamente differente. Si parla quindi di polarizzazione della cellula.

Diffusione e trasporto

Hoverton, agli inizi del 900, scoprì che esisteva una stretta correlazione tra il coefficiente di ripartizione di una molecola tra acqua e olio (capacità della molecola di ripartirsi nei due ambienti in base al suo stato di idrofobicità/idrofilicità) e la permeabilità della membrana a quella molecola. Più la molecola è idrofobica, più il suo coefficiente di ripartizione la porta nella fase oleosa, più facilmente passerà la membrana plasmatica.

Grosse/medie molecole e ioni hanno un coefficiente di permeabilità di membrana bassissimo: la membrana risulta praticamente impermeabile al loro passaggio per tempi molto più lunghi rispetto a quelli della crescita e della divisione cellulare. Passano in maniera fisiologicamente rilevante (in un tempo utile ai processi biologici) gas e molecole idrofobiche.

Ad esempio, acqua e ammoniaca passano, ma in tempi poco rilevanti fisiologicamente. Necessitano di trasportatori per assumere rilevanza fisiologica.

Il trasporto di una molecola senza l’ausilio di trasportatori è detto diffusione semplice. Le regole della diffusione semplice attraverso la membrana possono essere espresse matematicamente in un’equazione, nota come legge di Fick della diffusione. Fick fu un fisico che mise in relazione la velocità di diffusione di una molecola attraverso la membrana (flusso) con alcuni parametri. La legge di Fick è la seguente:

Una cinetica di questo genere può essere descritta solo da gas (ossigeno, anidride carbonica e NO) o alcune molecole chimiche di interesse farmacologico.

Trasportatori passivi

Molecole con un coefficiente di permeabilità basso passano la membrana soltanto mediante proteine, che abbassano l’energia di attivazione necessaria per il trasporto di soluti e ioni. Queste proteine sono dette trasportatori o carrier e permettono il passaggio di un soluto grazie a variazioni conformazionali specifiche.

Proteine che permettono la diffusione secondo gradiente (da un’area a concentrazione più elevata a un’area a concentrazione più bassa) di un soluto sono detti trasportatori passivi e il trasporto è definito diffusione facilitata. La velocità di diffusione è inversamente correlata al peso e alla dimensione molecolare; le molecole più piccole diffondono più rapidamente.

Esempi di trasportatori sono:

• GLUT 2 (glucosio);
• GLUT 5 (fruttosio);
• UT-A1 (urea);
• Ferroportina/IREG-1 (Fe³⁺).

Saturazione. Mentre in un modello di diffusione semplice il flusso del soluto attraverso la membrana aumenta all’aumentare della concentrazione del soluto stesso, il trasporto facilitato può raggiungere una velocità massima quando tutti i siti di legame del carrier sono riempiti di substrato. Graficamente ciò è descritto da una cinetica simile alla Michaelis-Menten.

La diffusione facilitata porta il glucosio all’interno della cellula secondo il suo gradiente di concentrazione usando una proteina carrier GLUT. La diffusione raggiunge...