Lezioni, Fisiologia generale (cellulare)

Prima lezione 5 marzo 2013

La fisiologia spiega tutti i meccanismi alla base per poter comprendere la fisiologia degli organi e dei sistemi. La fisiologia viene da “fusis” ossia “natura” e come diceva Eraclito: “Alla natura piace nascondere” e al fisiologo piace andare a scoprire quello che la natura nasconde. La fisiologia inizialmente s’intendeva di molte discipline ma poi man mano si è andato a definire l’ambito più specifico della fisiologia. Essenzialmente studia le funzioni e le attività dei viventi. Cerca di studiare quelle che sono le interazioni tra le varie cellule nei sistemi viventi.

Compiti del fisiologo

Quindi studiando l’organismo il fisiologo tende a raggiungere tre compiti:

• Dare un’esatta descrizione di quelli che sono i fenomeni vitali che avvengono negli organismi viventi.
• Localizzare dove avvengono questi fenomeni (nelle singole cellule, in quale organello cellulare avvengono, nei tessuti, negli organi, ecc.).
• Cercare di spiegare e andare ad interpretare i meccanismi.

Quindi la fisiologia cerca di capire i meccanismi che sono alla base delle funzioni vitali delle integrazioni tra i vari sistemi presenti nel vivente. Spiega quelli che sono i meccanismi che avvengono nel nostro organismo, ma per fare ciò dobbiamo conoscere la morfologia dell’organismo, dobbiamo conoscere com’è fatta la cellula e dobbiamo conoscere le cellule biochimiche che vanno a comporre le nostre cellule. Ci fa capire il meccanismo con cui funziona il nostro organismo e in qualche modo ci fa capire le patologie, nel senso che una patologia avviene quando la nostra fisiologia non funziona più, quando c’è un meccanismo fisiologico che non funziona più, è allora che entra in atto una patologia.

Fisiologia di base

Nella fisiologia di base andiamo a capire i meccanismi cellulari che sono alla base della fisiologia degli organi e dei sistemi e soprattutto ci fa capire come interagiscono le varie cellule e i vari organi tra di loro. Due sono i meccanismi di comunicazione e di integrazione che hanno le cellule (perché negli organismi pluricellulari rispetto agli organismi unicellulari c’è bisogno che le varie cellule comunichino tra di loro). Questi due meccanismi di comunicazione sono:

• La comunicazione nervosa (sistema nervoso).
• La comunicazione cellulare (sistema endocrino).

Sistema nervoso

Il nostro SN è organizzato in un SN centrale, localizzato a livello celebrale, e in un SN periferico. Nel SN periferico noi abbiamo dei segnali che partono dalla periferia, dai recettori sensoriali periferici, e arrivano al SN centrale, e segnali che partono dal SN centrale e, attraverso dei neuroni efferenti, vanno, ad esempio, ai neuroni motori somatici che quindi fanno muovere il nostro sistema scheletrico, oppure vanno ad effettuare delle risposte da parte del SN autonomo.

Ad esempio, se noi mettiamo la mano sotto l’acqua bollente immediatamente la tiriamo indietro. In questa frazione di millisecondi i recettori sensoriali, i termo-recettori, che avvertono la temperatura e che stanno sulla nostra mano, avvertono che la temperatura è elevata. Inviano i segnali nervosi che arrivano al SNC che codifica queste informazioni e la passa attraverso i neuroni efferenti ai neuroni motori somatici che fanno contrarre il muscolo e ci fanno togliere la mano. Dobbiamo quindi capire cosa sono i recettori sensoriali e come fanno a trasformare una temperatura in un messaggio elettrico che poi rapidamente arriva rapidamente a livello del SNC.

Dal SNC dobbiamo far ripartire il segnale elettrico e arrivare alle giunzioni neuromuscolari e quindi sul muscolo per far avvenire la contrazione muscolare. Ovviamente questo è un esempio di attivazione di un motore somatico ma ci sono anche i neuroni del SN autonomo (tutto ciò che noi facciamo a livello inconscio), ma anche il SN simpatico e parasimpatico, il muscolo liscio, il muscolo cardiaco.

Ad esempio quando dobbiamo fare un esame mettiamo in moto tutto ciò: per cui il muscolo cardiaco aumenta la frequenza cardiaca, ma potremmo avere anche problemi gastrointestinali perché la muscolatura liscia è attiva. O se sentiamo un forte rumore e dobbiamo scappare l’adrenalina che si scarica mette in moto sia il SN motorio per scappare sia il SNA per far aumentare la frequenza cardiaca e quindi far arrivare l’ossigeno ai muscoli per fuggire più rapidamente. Tutto questo viaggia attraverso degli impulsi elettrici. Gli impulsi elettrici sono sempre uguali (sia che mettiamo la mano sotto l’acqua bollente e quindi contraiamo il braccio per togliere la mano da sotto l’acqua; sia quando ascoltiamo una persona che parla e quindi il sistema uditivo avverte una voce e la codifica in delle parole che hanno significato e che trasmettiamo alla nostra mano per scrivere; sia quando guardiamo le slide e andiamo a codificare un segnale luminoso in un segnale visivo e stiamo costruendo un’immagine visiva…tutto questo viaggia con la stessa tipologia di modificazione di segnale elettrico che si chiama potenziale d’azione o potenziale di recettore).

La segnalazione di base è la stessa ma noi abbiamo delle vie nervose etichettate per cui se io guardo e la mia retina viene colpita da un’immagine luminosa questa andrà al nervo ottico dove viaggiano potenziali d’azione uguali a quelli che viaggiano sul nervo acustico o sul nervo che fa muovere la mano. Solo che sono segnalazioni etichettate, hanno, cioè, vie nervose etichettate. Per cui nel momento in cui arrivano a livello del SNC la fibra ottica mi fa codificare questo in un segnale luminoso, la fibra acustica mi invierà una segnalazione che mi deve far codificare questo in un suono e così via. Ma la segnalazione è uguale, viaggia in ugual modo su tutte le fibre nervose.

Comunicazione cellulare

Però i tessuti e organi presenti nel nostro organismo devono comunicare in qualche modo fra di loro. Ad esempio se abbiamo lo stomaco pieno deve avviarsi un segnale dallo stomaco al SNC per dire “basta, non ho più fame”; più frequentemente ci capita l’opposto, stomaco vuoto, abbiamo fame e quindi ci deve essere un segnale per dire “attenzione! il mio stomaco è vuoto”. Ma nel momento in cui mangiamo nel sangue si alza la glicemia che deve avvertire il pancreas a secernere insulina, il quale abbassa la glicemia (perché troppa glicemia nel sangue può portare problemi come la glicosilazione delle proteine e quindi può provocare danno). Quindi c’è bisogno di una comunicazione cellulare.

Ad esempio l’insulina deve essere secreta da una ghiandola endocrina, viaggia nel sangue ma deve andare sulla sua cellula bersaglio che la deve riconoscere. Per cui l’insulina deve avere la sua cellula bersaglio sulla cellula del muscolo scheletrico che deve riconoscere il recettore. L’insulina deve riconoscere il suo recettore e una volta legata deve avviare una via di trasduzione del segnale per far sì che il legame tra recettore e ormone dia una risposta cellulare.

Comunicazione nervosa

La comunicazione nervosa si svolge tutta su dei trasporti di ioni ai lati della membrana e quindi dobbiamo capire quelli che sono i trasporti ai lati della membrana e poter approfondire la comunicazione nervosa. La cellula è l’unità anatomo-funzionale dei tessuti. Ogni cellula, da un punto di vista termodinamico, è un sistema aperto per cui va a scambiare energia e materia con l’esterno. Esse (sia la cellula che i suoi organelli) sono separate dalle membrane che agiscono come barriere di permeabilità, permettono di mantenere una composizione interna diversa da quella esterna e vanno a regolare quelli che sono gli scambi di energia e materia.

Infatti le membrana hanno dei ruoli funzionali importantissimi nella fisiologia perché trasportano materia, convertono l’energia e ci permettono di operare la trasduzione di segnale da un segnale termico ad un segnale elettrico e di elaborare queste informazioni. Il tutto avviene sulla membrana cellulare. La membrana cellulare è un filtro per le sostanze nutritizie e ci serve per mantenere la differenza tra l’ambiente intra ed extracellulare. Le cellule dipendono dall’ambiente esterno per lo scambio di materia e di energia. Le membrane sono selettivamente permeabili e permettono di mantenere quella che è l’omeostasi dell’ambiente interno della cellula. L’omeostasi è un concetto fondamentale della fisiologia cellulare perché omeostasi significa che l’ambiente interno della cellula o di un organismo riesce a mantenersi costante nonostante ci siano delle variazioni nell’ambiente esterno.

Noi, ad esempio, siamo mammiferi e manteniamo costante la nostra temperatura corporea qualsiasi sia la temperatura esterna. Quindi abbiamo un sistema omeostatico per mantenere sempre costante la nostra temperatura. La cellula, quindi, deve mantenere la sua omeostasi, deve mantenere il suo stato qualsiasi siano le variazioni dell’ambiente esterno. Ovviamente ci sono le variazioni estreme per cui la cellula non riesce a sopravvivere e lì andiamo nella patologia e nella morte cellulare. Però in una situazione fisiologica la cellula deve riuscire a mantenersi in vita attraverso dei sistemi di regolazione dell’ambiente interno nonostante ci siano variazioni nell’ambiente esterno.

La membrana ovviamente sarà permeabile alle sostanze liposolubili. Poiché la membrana è costituita essenzialmente dal doppio strato fosfolipidico le sostanze, che sono liposolubili, riescono ad attraversare abbastanza facilmente il doppio strato lipidico. Ci sono altre molecole che invece sono idrosolubili e che quindi non riescono ad attraversare così semplicemente lo strato lipidico e in questo caso abbiamo grosse molecole che sono importanti per la nostra vita cellulare e dell’organismo, come il glucosio, gli amminoacidi e queste non riescono ad attraversare il doppio strato lipidico e quindi hanno bisogno di sistemi di trasporto attraverso la membrana per riuscire ad entrare all’interno della cellula.

Classificazione dei trasporti attraverso la membrana

Questa immagine è una classificazione dei trasporti che avvengono attraverso la membrana. I trasporti attraverso la membrana li possiamo classificare:

• In base al meccanismo.
• In base alla forza di energia.

Ovviamente se c’è un trasporto ci deve essere un’energia affinché questo trasporto avvenga.

Trasporti in base al meccanismo

In base al meccanismo possiamo distinguere i trasporti:

• In forma libera.
• Tramite proteine transmembranarie.

In forma libera passano quelle sostanze liposolubili che riescono ad attraversare il doppio strato lipidico liberamente e quindi parleremo di diffusione nella matrice fosfolipidica. Mentre le altre molecole hanno bisogno di proteine della membrana che funzionano da carrier, da trasportatori, che portano le sostanze all’interno. Le sostanze idrosolubili, quindi, non possono andare in forma libera ma devono essere trasportate attraverso dei carrier, delle proteine. E in questo caso queste proteine possono essere dei canali che permettono di interrompere il doppio strato lipidico e di far attraversare la molecola idrosolubile, e attraverso i canali passano la maggior parte degli ioni (sodio, potassio, cloro, acqua).

Questi canali sono importantissimi perché li ritroveremo nella comunicazione nervosa (i canali del sodio, i canali del potassio) e che sono la base dei segnali elettrici che fanno muovere le cariche. Oltre questa tipologia di trasporto abbiamo i trasporti mediati dalle proteine. I canali sono dei veri e propri pori, mentre negli altri casi abbiamo delle proteine che non sono dei pori ma fungono come un carrier, una navetta che trasporta una sostanza da una parte all’altra della membrana plasmatica.

Trasporti mediati

E questi trasporti mediati si possono distinguere in:

• Diffusione facilitata.
• Trasporti attivi primari.
• Trasporti attivi secondari.

Per capire cosa sono questi trasporti attivi dobbiamo andare a considerare l’altro modo di classificare i trasporti in base all’apporto di energia. La fonte di energia ci fa classificare i trasporti in:

• Trasporti passivi.
• Trasporti attivi.

Trasporti passivi

I trasporti passivi sono quelli che avvengono secondo gradiente di concentrazione. Se noi mettiamo delle molecole in una vasca da bagno, un bagno schiuma colorato, vediamo che piano piano questo colore si dispone in tutta la vasca perché c’è stata una diffusione da dove le particelle di bagnoschiuma colorato erano più concentrate (dove abbiamo fatto cadere la goccia) a dove sono meno concentrate. Normalmente le sostanze si muovono così, secondo gradiente di concentrazione, quindi da dove sono più concentrate a dove sono meno concentrate. I trasporti passivi sono:

• Diffusione nella matrice fosfolipidica che è in forma libera.
• Migrazione attraverso i canali: diffusione passiva.

La diffusione attraverso la matrice fosfolipidica quindi (etanolo, ossigeno, benzene) si muoveranno secondo gradiente di concentrazione da dove è più concentrato a dove è meno concentrata. Quindi l’energia è data dalla differente concentrazione, quindi dal potenziale chimico dovuta alla differente concentrazione. Si muovono secondo gradiente di concentrazione anche gli ioni attraverso i canali. Ad esempio il sodio si muoverà da dove è più concentrato a dove è meno concentrato. Il sodio è più concentrato all’esterno della cellula e quindi si muoverà dall’esterno all’interno della cellula secondo il gradiente di concentrazione. La migrazione attraverso i canali è un trasporto passivo che avviene in favore di gradiente, secondo il gradiente di concentrazione. La molecola si sposta da dove è più concentrata a dove è meno concentrata.

Diffusione facilitata

La diffusione facilitata rispetto alla migrazione attraverso i canali non ha un vero e proprio canale, un poro, ma, in questo caso, attraverso la membrana, abbiamo una proteina chiusa che però trasporta una sostanza nella diffusione facilitata da dove è più concentrata a dove è meno concentrata. Un esempio è il trasportatore del glucosio: il glucosio, infatti, non può attraversare la membrana ma lo può fare attraverso un carrier del glucosio (GLUT), questo carrier prende il glucosio da dove è più concentrato e lo porta dove è meno concentrato. Per cui se ho mangiato e la glicemia è elevata, l’insulina mi fa esporre sulla membrana del muscolo scheletrico questo GLUT, questa proteina trasportatrice che prende il glucosio nel sangue dove è più elevato e lo porta all’interno della cellula dove è meno elevato.

Trasporti attivi

I trasporti passivi: diffusione nella matrice fosfolipidica, migrazione attraverso i canali e diffusione facilitata avvengono tutti secondo gradiente di concentrazione. Però le nostre cellule potrebbero avere bisogno di trasportare sostanze contro gradiente di concentrazione, ossia da dove sono meno concentrate a dove sono più concentrate. In questo caso c’è sempre una proteina che media questo trasporto ma questa proteina deve avere una fonte di energia (l’ATP) diversa dal gradiente di concentrazione perché deve andare contro gradiente concentrazione. Quindi ci sono delle proteine nei traporti attivi primari che mediano il passaggio di una sostanza a dove è meno concentrata a dove è più concentrata: gli enzimi, degli ATPasi, che devono scindere l’ATP in ADP e avere così l’energia per far avvenire il trasporto contro gradiente di concentrazione. Un esempio importante è la pompa sodio-potassio, il quale è anch’esso un ATPasi, e porta il sodio e il potassio contro gradiente di concentrazione. Quindi se abbiamo detto che il sodio è più concentrato all’esterno ed entra all’interno con dei canali secondo gradiente di concentrazione la cellula quando si è riempita troppo di sodio lo deve cacciare fuori e ci vuole la pompa sodio-potassio che caccia il sodio fuori e porta contemporaneamente il potassio dentro. Il trasporto attivo primario insieme ai canali che fanno migrare gli ioni, sodio e potassio, sono alla base della comunicazione elettrica, lungo la fibra nervosa, sono, quindi, alla base dei potenziali elettrici.

Trasporti attivi secondari

I trasporti attivi secondari anch’essi lavorano contro gradiente di concentrazione ma mentre i trasporti attivi primari sono delle ATPasi e quindi sono degli enzimi che riescono a procurarsi energia da soli perché trasformano l’ATP in ADP i trasporti attivi secondari non sono delle ATPasi, e quindi non sono in grado di scindere ATP. Quindi l’energia non se la ricavano direttamente, non possono prendere energia dal gradiente di concentrazione perché vanno contro gradiente di concentrazione e allora lavorano a scrocco dei trasporti attivi primari e sfruttano la loro energia per lavorare essi stessi.

Premesse teoriche

Premesse che servono per capire come si muovono le particelle in fase libera. Sono concetti riguardanti le forze che muovono le particelle di una sostanza (soluto) che si trova in soluzione acquosa.

Definizione di flusso

Un flusso si indica con Φ. Per flusso si intendono la quantità di molecole che attraversano la superficie immaginaria di separazione nell’unità di tempo. Questo rappresentato è un cubo di acqua in cui abbiamo un soluto. La superficie A è una superficie immaginaria, non c’è un reale setto. Ma immaginiamo ci sia un setto con una superficie A, il flusso, quindi, sarà il numero di molecole che attraverserà questa superficie nell’unità di tempo. E quindi è definita la formula del flusso: