Fisiologia umana

Fisiologia umana

Fisiologia -> da greco: natura + logos (studio – conoscenza) -> si occupa del

Come funziona?

Scienza che studia le funzioni degli organismi viventi – animali e vegetali – per conoscere le cause, le condizioni e le leggi che determinano e regolano i fenomeni vitali. De usu partium

L'iniziatore della fisiologia è considerato Galeno, che nel si pose il problema di dedurre le funzioni dall'analisi della struttura degli organi.

• Fisiologia generale: che studia le funzioni biologiche elementari comuni a tutti gli esseri viventi.
• Fisiologie speciali: vegetale, umana e degli altri animali.
• Fisiologia comparata: che si occupa dell'indagine delle differenze funzionali tra le diverse specie.
• Fisiologia patologica: che si occupa delle funzioni organiche in condizioni morbose.

Fisiologia umana

Funzionamento del corpo umano. Quest'ultima può occuparsi del corpo a riposo (fisiologia umana) o in movimento (fisiologia dell'esercizio).

Liquidi corporei

Sono fondamentali per capire il principio di funzionamento delle cellule (in particolare quelle eccitabili).

Compartimenti idrici

L'acqua è il costituente principale dell'organismo - ACT: acqua corporea totale (mediamente 42 L -> peso corporeo x 0,6). Tuttavia, ci sono delle differenze:

• Nel neonato: 75% del peso corporeo
• Nell'uomo adulto: 60%
• Nella donna adulta: 50% (in relazione alle maggiori quantità di tessuto adiposo, povero di acqua a differenza di quello muscolare)
• Negli obesi e negli anziani: meno del 50%

L'acqua si distribuisce nel corpo occupando diversi spazi:

La colonna centrale corrisponde a un individuo normopeso (uomo adulto di circa 70-75 kg):

• Circa il 40% -> tessuto adiposo – viscerale e sottocutaneo: formato da cellule riempite di acqua che però rimane intrappolata. Queste cellule interessano soprattutto nutrizione -> importanti se si vuole dimagrire ma nel nostro studio non sono fondamentali.
• Circa il 30% -> liquido intracellulare – all'interno delle cellule (della membrana cellulare).
• Circa il 20% -> liquido extracellulare – presente tra le cellule: fuori dalla membrana, nell'interstizio e all'interno del circolatorio (sangue e linfa).

Il liquido extracellulare si divide in:

• Liquido interstiziale -> ¾ dell'extracellulare
• Plasma e linfa -> ¼ dell'extracellulare

Anche se sono entrambi liquidi extracellulari risultano anch'essi separati: tra liquido interstiziale e plasma e linfa è presente l'endotelio (membrana dei capillari sanguigni e linfatici).

Rapporto liquido intracellulare e extracellulare -> 3:2

Composizione in elettroliti

Oltre all'acqua nei diversi compartimenti sono presenti altre sostanze:

Grafico: a sx = cationi e a dx = anioni

• Interstizio:
  • K+, Na+ e poche altre
  • Pochissime proteine e altre sostanze, Cl-, HCO₃
• Plasma: molto simile a interstizio ma ho molte più proteine (albumina) che non riescono a superare membrana. Unico caso in cui proteine vanno nell'interstizio è quando c'è infiammazione che smolla maglie della membrana.
• Intracellulare:
  • K+, Na+, Mg++, e poche altre
  • Fosfati, acidi organici, proteine, Cl-, HCO₃

Gli ioni calcio nel liquido intracellulare sono praticamente assenti perché immagazzinati in mitocondri e reticolo endoplasmatico.

Scambi tra corpo e ambiente esterno - bilancio idrico-salino

Per il funzionamento delle cellule e in particolare di quelle eccitabili è importante che ci sia un equilibrio tra le sostanze nel nostro corpo.

Assunzione di acqua di 2 L e mezzo al giorno:

• 1 L in cibo
• 1200 ml in bevande
• 300 ml in reazioni metaboliche

Perdita di acqua di 2 L e mezzo al giorno:

• 1500 in urine
• 100 ml in sudore
• 200 ml feci
• 700 ml attraverso cute e polmoni in maniera insensibile (perspiratio insensibilis -> dipende da umidità)

Perspiratio insensibilis «traspirazione insensibile», è un processo fisiologico che consiste nella perdita continua ed impercettibile di piccole quote d'acqua dalla pelle, dalle mucose, dalla cornea e dalle vie respiratorie che consente di mantenere un adeguato grado di idratazione cutanea.

-> ogni volta che noi inspiriamo ed espiriamo perdiamo liquidi. Più l'ambiente è secco più acqua perdiamo. Aria diventa più secca in altitudine o lontano da mari, laghi.

Per questo in montagna è fondamentale bere tanto anche se non abbiamo sete, per riavere bilancio idrico-salino.

Se si alterano liquidi corporei c'è uno squilibrio anche a livello ionico -> è importante una corretta reintroduzione di liquidi. Meccanismo della sete non funziona sempre – quindi bere anche quando non si ha sete.

• In condizioni normali si perdono 2500 ml di liquidi.
• In ambiente caldo perdiamo più liquidi 3400 ml -> si riduce la quota di liquidi persa attraverso i polmoni (quando fa caldo la persona ventila di meno anche perché la frequenza cardiaca è minore), aumenta quella del sudore e minore di urine perché rene cerca di trattenere liquidi.
• Esercizio fisico prolungato 6700 ml -> sudore molto di più e anche per polmoni, mentre è molta meno la produzione di urine (sempre a carico del rene).

Scambi all'interno dell'organismo

• Tra liquido extracellulare e intracellulare (dipende da concentrazione di soluti e solventi).
• Tra plasma e liquido interstiziale (pressione idrostatica e colloidosmotica o oncotica, filtrazione e riassorbimento: circolatorio e linfatico).

A noi interessa il primo punto: scambi tra liquido intra e extracellulare mediati da membrana cellulare la quale attua un filtro selettivo, è selettivamente permeabile -> esistono un gradiente di concentrazione e un gradiente elettrico - la risultante mi da la composizione dei liquidi all'interno e all'esterno della cellula.

Neurofisiologia generale

Si occupa dello studio del funzionamento delle cellule eccitabili. Cellula eccitabile –> è una cellula che se stimolata presenta una variazione di stato e una volta rimosso lo stimolo torna al suo stato iniziale (ex nervose, muscolari e poche altre).

Quando una cellula eccitabile viene eccitata cambiano le caratteristiche della membrana (barriera che separa citoplasma dall'esterno) e quindi cambia la distribuzione ionica.

Membrana plasmatica (o plasmalemma)

Funzioni

• Isolamento fisico
• Regolazione scambi (comunicazione cellula-ambiente)
• Supporto strutturale

Composizione

Nicolson e Singer (anni '70) propongono modello a mosaico fluido (molecole incastrate a formare una struttura non rigida ma fluida).

Formata da:

• Lipidi - 50%
• Proteine - 50%
• Glucidi - pochi

Lipidi

• Doppio strato di fosfolipidi: spessore di circa 6-10 nm (posizionati con teste polari rivolte verso l'esterno e code apolari rivolte verso l'interno – struttura trilaminare)
• Sfingolipidi
• Steroli: struttura a 4 anelli di atomi di carbonio. Tra questi: colesterolo (idrofobico) si inserisce nelle code. Irrigidisce la membrana.

Glucidi

• Legati a proteine (glicoproteine) o a lipidi (glicolipidi)
• Funzione recettoriale o protettiva (impegnati anche nell'immunità)

Proteine

• Proteine periferiche o estrinseche (appoggiate su membrana, sulle teste)
• Proteine integrali o intrinseche (incastrate all'interno dello strato di code fosfolipidiche):
  • Transmembrana (la proteina è all'interno delle code fosfolipidiche e vede entrambi i lati della membrana)
  • Monotopiche (associate a un solo lato della membrana)
  • Bitopiche (attraversano strato fosfolipidico una sola volta)
  • Politopiche (più volte)
• Lipoproteine: associate a code o sfingolipidi – si trovano all'interno della membrana o ancorate a superficie extracellulare (formano zattere lipidiche – lipid rafts).

Tipi di proteine transmembrana e funzioni

• Proteine per ancoraggio a citoscheletro e a matrice extracellulare (strutturali)
• Proteine che si legano ad altre strutture proteiche (dette ligandi strutturali) -> modificano la plasticità di una porzione di membrana (più o meno rigida) legandosi ad altre strutture proteiche.
• Proteine recettore: trasporto informazione -> proteine che trasportano info all'interno della cellula; operano una trasduzione di segnale da chimico ad altro tipo.
• Proteine enzimatiche: catalizzatori -> Recepisce info e catalizza una certa reazione all'interno della cellula agendo dunque sul metabolismo cellulare.
• Proteine trasportatrici: funzione di trasporto -> permette il passaggio di sostanze poiché presenta un punto di passaggio (proteine canale o carrier)

Proteine canale

• Formano pori
• Sono formate da un numero variabile di subunità (da 4 a 6) disposte a cerchio a creare un poro idrofilico.
• Tra queste: acquaporine e canali ionici

Acquaporine

• Per il passaggio bidirezionale delle molecole di acqua. Sono costituite da sei domini proteici. Presentano anse extracellulari A, C, E e anse intracellulari B e D.
• Specifiche: consentono solo il passaggio dell'acqua
• Acquagliceroporine: consentono anche il passaggio di glicerolo.

Canali ionici

Sono più o meno selettivi: all'interno del canale c'è una regione critica dove è situato un filtro di selettività. Possono passare (in risposta ad uno stimolo) da uno stato attivato, in cui possono passare gli ioni, a uno stato chiuso, in cui gli ioni non possono transitare (processo di transizione tra questi due stati è detto gating).

5 categorie:

• Canali controllati dal voltaggio (canali voltaggio dipendenti) in cui la transizione è determinata da una variazione del potenziale di membrana
• Canali controllati dal ligando (canali ligando dipendenti o chemiodipendenti): transizione determinata dal legame a uno specifico sito recettoriale del canale
• Canali controllati da sollecitazioni meccaniche (canali meccanosensibili) - rianodina
• Canali controllati dalla temperatura (canali temperatura sensibili)
• Canali controllati dalla luce (canali luce sensibili).
• Gap junction (di collegamento tra più cellule)

Alcuni dei canali ionici sono sprovvisti del meccanismo di gating e sono perciò chiamati non gated channels. Sono questi che generano il potenziale di membrana.

Canali voltaggio dipendenti e passivi

I canali voltaggio dipendenti sono simili a passivi con la differenza che i canali passivi sono sempre aperti invece voltaggio dipendenti dipendono appunto da potenziale. In base al potenziale presente il canale riceve un segnale che apre un punto di passaggio (filtro di selettività) al termine del quale c'è una sorta di cancello. In questo caso il potenziale è già presente e non è creato dalla pompa sodio-potassio (quindi non vi è dispendio di energia). Una volta che il canale è aperto le sostanze seguono semplicemente il gradiente di concentrazione.

I canali voltaggio dipendenti possono funzionare come proteine che operano un trasporto attivo secondario. Se ad essere trasportata è infatti una sostanza ionica come ad esempio il sodio entra in campo anche la pompa sodio potassio per ristabilire il gradiente elettrico.

Ligando-operati

Proteina recettore e canale. Con l'arrivo del substrato il recettore apre il canale e fa avvenire il passaggio.

Gap junction ("colma distanza")

Sono punti di contatto tra cellule (esistono in fibre cardiache ma non in quelle muscolari)

Ciò che colma la distanza sono le proteine che essendo sulla membrana mettono in comunicazione i citoplasmi delle due cellule. Proteina in questo caso è un connessone che è composto da 6 subunità (connessine) che attivate ruotano creando un pertugio in grado di far passare sostanze.

Inattivazione dei canali

Esempio A

A riposo: la membrana è polarizzata (all'esterno cariche positive e all'interno negative) e i canali sono chiusi. I canali si aprono nel momento in cui vi è una depolarizzazione della membrana. Quando il canale è aperto attraverso esso possono passare sostanze ioniche. Poi il canale resta aperto ma si chiude cancello (periodo refrattario). Inattivazione data dal tempo.

Esempio B: Inattivazione omologa

L'inattivazione è dovuta al legame dello ione specifico (una volta entrato) con il canale: il legame fa chiudere cancello.

Esempio C: Inattivazione eterologa

L'inattivazione è dovuta al fatto che sul lato interno della membrana ci sono proteine fosfatasi -> il canale si chiude perché lo ione (in questo caso Ca++) attiva proteine che fanno perdere il fosforo al canale e lo chiudono. In tutte e tre le situazioni alla chiusura del canale si ha refrattarietà.

Selettività dei canali ionici

I canali sono selettivi. La selettività dipende da:

• Grandezza ioni: lo ione potassio è più grande dello ione sodio, ma la presenza delle molecole di acqua intorno a tale ione lo rendono più grande.
• Filtro di selettività: all'interno del canale vi è un sito legante per un particolare ione (se è specializzato per Na non passa il Cl). Non c'è più di un sito legante in un canale ionico.

Proteine carrier

• Possono far passare ioni e piccole molecole organiche.
• Contengono siti di riconoscimento per il ligando o substrato mediante legami a bassa energia.
• Trasporto può avvenire in modo attivo o passivo.

Le proteine transmembrana possono anche avere più funzioni (ex: trasporto e recettore –> recettori nicotinici su fibre muscolari: si legano a acetilcolina e diventano canale per trasporto).

Meccanismi di trasporto della cellula

Classificazione in base a modalità di permeazione

• Diffusione semplice (ossigeno, anidride carbonica, molecole liposolubili – vitamine e ormoni steroidei – e piccole molecole idrosolubili prive di carica)
• Canali transmembranari (per molecole polari)
• Carrier o trasportatori (per molecole di interesse metabolico)
• Vescicole (per il trasporto di macromolecole, virus, batteri e frammenti di cellule)

Classificazione in base a requisiti energetici di trasporto

• Trasporti passivi: secondo gradiente, non richiedono energia
• Trasporti attivi: contro gradiente, richiedono energia

Trasporto indiretto: senza attraversamento della membrana

Trasporto tipico di virus, batteri … che entrano nella cellula. Possibile grazie alla presenza su una porzione di membrana delle proteine che si legano a ligandi strutturali. Le proteine sono affini a un certo tipo di molecola (molecola preferenziale oppure ligando) -> specifiche. Quando il ligando si lega al recettore esso varia la plasticità della membrana la quale diventa più lassa. La membrana assume la forma di una semisfera fino a diventare quasi una sfera. Questa sfera si stacca dalla membrana e diventa una vescicola. Proteine di ancoraggio si staccano da vescicola e si riattaccano a membrana. Il recettore perde affinità con ligando e rimane intrappolato in una sottovescicola che si stacca e torna verso la membrana rifondendosi con essa e riacquistando la rigidità iniziale. La vescicola con il ligando viene invece metabolizzata da un organello (ad esempio l'apparato di Golgi).

Trasporto diretto: con attraversamento della membrana

(Quello che ci interessa per cellule eccitabili)

Trasporti in forma libera

Diffusione

È un processo passivo. Segue il gradiente di concentrazione: le molecole si spostano da un'area a maggiore concentrazione verso una a più bassa concentrazione. Procede fino a raggiungere l'equilibrio dinamico.

La velocità di diffusione:

• È inversamente proporzionale al quadrato della distanza: la diffusione avviene più rapidamente su distanze microscopiche
• È direttamente proporzionale alla temperatura
• È inversamente proporzionale alla dimensione delle molecole
• È direttamente proporzionale alla permeabilità di membrana
• È inversamente proporzionale allo spessore di membrana.

Segue la Legge di Fick: F (flusso) = P(C1-C2)

P è il coefficiente di permeabilità che dipende a sua volta da D (coefficiente di diffusione che dipende da dimensioni molecola), A (area di superficie), K (coefficiente di ripartizione che dipende dal numero dei gruppi polari presenti sulla molecola) e X (spessore membrana).

Diffusione grazie a proteine canale (che formano pori)

-> la sostanza sfrutta punti di passaggio particolari (interruzioni della membrana) perché non è in grado di passare da sola. Se le molecole sono tante all'esterno la velocità è alta. Tuttavia, vi è un appiattimento della curva: questo appiattimento è spiegato dal fatto che si va incontro a un fenomeno di saturazione (ingorgo nelle porte, nei canali aperti).

Trasporti in forma mediata

Trasporti con proteine

-> concetto simile a 2. La curva è molto simile. L'unica differenza è che il trasporto è mediato da proteine.

A livello energetico ho due tipi di trasporti:

• Trasporto attivo - con consumo di ATP
• Trasporto passivo - no consumo di ATP – si basa su gradiente di concentrazione

Trasporto passivo - diffusione facilitata

Grazie a presenza di proteine carrier. Ex: glucosio