Riassunti di Fisiologia

Riassunti di fisiologia Università di Catania Facoltà di Scienze Biologiche L-13

Programma del corso

La membrana cellulare

Scambi tra cellule ed ambiente: permeabilità delle membrane – diffusione nella matrice lipidica – Canali ionici – Osmosi - Trasporti mediati (Diffusione facilitata) – Trasporti passivi e attivi primari e secondari – Trasporti mediati da vescicole.

Flussi ionici e potenziali di membrana

Proprietà elettriche di membrana – Equilibri ionici – Potenziali elettrochimici – Genesi e mantenimento del potenziale di membrana. Cellule eccitabili. Canali ionici dotati di “porte” – Genesi e conduzione del potenziale di azione nelle cellule nervose e muscolari – Refrattarietà – Accomodazione – Velocità di conduzione e mielinizzazione – Basi ioniche del potenziale nelle fibre miocardiche – Meccanismo di contrazione muscolare – Contrattile delle fibre muscolari scheletriche e di quelle lisce – Gli ioni Ca²⁺ nell'accoppiamento eccitazione-contrazione.

Comunicazione intercellulare

Meccanismi di comunicazione (autocrina, paracrina, endocrina) – Messaggeri locali - Recettori di membrana e recettori intracellulari - Trasmissione sinaptica – Sinapsi elettriche e chimiche - Esocitosi e Proteine G e secondi messaggeri – Ormoni – Ioni Ca²⁺ - Neurotrasmettitori e neuromodulatori.

La codificazione delle informazioni sensoriali

Recettori (tattili, termici, propriocettivi, visivi, acustici, vestibolari, gustativi, olfattivi) – Gli archi riflessi spinali.

Funzioni generali degli organi e degli apparati

La funzione cardiovascolare, la funzione digestiva, respiratoria - Osmoregolazione ed escrezione - Metabolismo e temperatura - La funzione riproduttiva.

Introduzione alla fisiologia

La biologia studia le diverse forme di vita sul pianeta, scompone la materia vivente e la osserva. La fisiologia studia le funzioni vitali degli organismi viventi. Studia la “normalità” e non la patologia (è la medicina che studia la patologia e cerca la soluzione della patologia).

La prima cellula fu scoperta nel sughero nel 1700, e da allora in poi si ipotizzò che la vita fosse costituita da cellule. È importante capire come la singola cellula possa entrare in correlazione con le altre cellule dell’organismo, per svolgere insieme una precisa funzione.

Nel 1920 si capì che le cellule di un dato organismo hanno una composizione che si mantiene costante: è il principio della costanza dell’ambiente interno di Claude Bernard, che poi fu perfezionato da Walter Cannon nel concetto dell’omeostasi (autoregulatione). Nel frattempo all’interno della cellula si è visto che non sono sufficienti le leggi meccanicistiche per spiegarne il funzionamento.

La fisiologia è una scienza sperimentale: analizza come un organismo vivente possa mantenere l’omeostasi del suo mezzo interno in relazione all’ambiente esterno. È “sperimentale” nel senso che si stabiliscono dei modelli sperimentali, con dei parametri fissi, e poi si fa un confronto.

Oggi ormai sappiamo che non esiste una netta separazione tra le cellule, ma queste sono unità funzionali interconnesse tra loro, così come le proteine intracellulari sono interconnesse con l’ambiente esterno: ogni essere vivente è strettamente legato all’ambiente che lo circonda.

La fisiologia quindi studia l’organismo nell’ambiente, l’organo e la cellula nel loro ambiente, a diversi livelli. Per tutti gli organismi viventi, dal protozoo al vertebrato, sono valide le stesse leggi fisiche, chimiche e matematiche (sia per gli organismi unicellulari che per quelli pluricellulari).

Alcune funzioni di una cellula sono:

• Metabolismo
• Irritabilità
• Conduzione
• Contrazione
• Escrezione
• Eliminazione
• Crescita
• Riproduzione
• Adattamento dinamico

Comunicazione cellulare

Nel momento in cui andiamo a considerare gli organismi viventi ci rendiamo conto che questi, siano essi unicellulari che pluricellulari, sono in grado di comunicare con l’esterno; sia gli organismi unicellulari che gli organismi pluricellulari sono costituiti da cellule che sono in grado di comunicare tra di loro, e questo significa in realtà, che c’è un interscambio continuo tra le cellule, mediante dei segnali intercellulari.

La comunicazione tra le cellule è possibile perché le cellule sono in grado di produrre delle sostanze, dei segnali, dei meccanismi, e sono in grado ovviamente una volta prodotti questi segnali, di riceverli, quindi di recepirli. In realtà esistono molti meccanismi che ci consentono di parlare di comunicazione cellulare: nel momento in cui noi consideriamo un organismo vivente costituito da miliardi di cellule, tutte, nessuna esclusa, sono in grado di comunicare tra di loro e la coordinazione della funzione di tutte queste cellule dà all’organismo la proprietà di omeostasi, quindi mette in relazione qualunque cellula con l’altra, in maniera da costituire un tutto unico.

Nella comunicazione cellulare quindi ci sono chiaramente dei recettori che si trovano nell’ambito della membrana e che sono fondamentali ai fini della comunicazione. Pensiamo ad una comunicazione qualunque, se due persone parlano una l’italiano e l’altra lo spagnolo non si capirebbero; lo stesso vale per le cellule: se una cellula produce un messaggio, quelle che stanno accanto sono in grado di sentire quel messaggio solo se hanno dei recettori di membrana in grado di poter comprendere il messaggio inviato. Questo discorso rientra in tantissime funzioni che sono indispensabili per un organismo perché rientrano nella normalità di quelli che sono i rapporti tra le cellule.

Riconoscimento cellulare

Le cellule di un organismo si riconoscono tutte, infatti è impossibile fare una qualunque azione con cellule molto diverse dell’organismo stesso (pensiamo ai trapianti, alle trasfusioni di sangue, ai globuli rossi che hanno una vita media di 120-140 giorni dopodiché vengono eliminati dal circolo non appena perdono determinate molecole della membrana e quindi invecchiano). Quindi il meccanismo di riconoscimento cellulare è alla base dei processi che avvengono quotidianamente in un organismo.

Un altro esempio può essere quello di inviare segnali chimici sotto diverse forme, meccanismi che sono alla base della comunicazione tra cellule nervose e cellule di altra natura, tra cellule endocrine e cellule dell’organismo, e quindi segnali che possono avere un’importanza per diverse funzioni.

Comunicazione autocrina e paracrina

Se una cellula produce una sostanza X e contiene nella sua membrana cellulare i recettori che legano la sostanza X, la sostanza prodotta si lega alla stessa cellula e agisce in maniera autocrina (dal greco autos = su se stessa). Quando invece la sostanza viene prodotta da una cellula, e una volta rilasciata all’esterno agisce sulle cellule vicine si dice che ha un’azione paracrina.

Gap junction e altre funzioni cellulari

Ci sono poi le gap junction, che sono delle giunzioni comunicanti tra le cellule, dei tratti della membrana in comune tra una cellula e un’altra, che permettono che il liquido intracellulare di una cellula possa diffondere attraverso questa giunzione comunicante, spostarsi alla cellula adiacente e quindi trasferire un’informazione direttamente. Quindi nella comunicazione cellulare sono molto usate perché garantiscono una rapidità d’azione e una rapidità di funzione tra le cellule che sono legate.

Riconoscimento di cellule estranee e funzione delle cellule bersaglio

- Riconoscimento di cellule estranee: ci mette davanti alla possibilità da una parte di riconoscere per esempio i batteri, ma dall’altra anche di rigettare un organo dopo un trapianto.

- Funzione delle cellule bersaglio: tutte le cellule possono essere un “bersaglio” quando presentano dei recettori per una determinata sostanza, e in questo sono in grado di rispondere all’effetto che è legato all’azione di una sostanza particolare.

A queste situazioni si collegano sempre degli eventi intracellulari.

Risposta cellulare

La risposta di una cellula può essere una modificazione nel metabolismo, per esempio degli enzimi che prima non erano funzionanti diventano attivi, o viceversa degli enzimi che prima funzionavano vengono inattivati; la risposta può essere una modificazione all’interno di una cellula, cioè un tratto di DNA può essere trascritto e quindi si ha la produzione di una singola proteina oppure il blocco della sintesi di una proteina. Risposta cellulare è un termine generico che ci consente di identificare tutte le possibili risposte cellulari di una cellula.

Specializzazioni e farmaci

Specializzazioni a risposte diverse sono in relazione alle caratteristiche di un tessuto, quindi le cellule di tessuti diversi manifestano recettori di membrana diversi. In questo discorso entrano tutti i farmaci e tutte quelle sostanze che noi possiamo utilizzare su tutti i punti di vista, perché i farmaci agiscono solo perché ci sono dei recettori nell’ambito delle membrane cellulari a cui possono legarsi e quindi possono dare un effetto, e a tutte le sostanze di origine naturale che si possono legare ai recettori di membrana e dare così degli effetti.

La membrana plasmatica

La membrana plasmatica è una struttura che separa due ambienti, il liquido intracellulare o citosol e il liquido extracellulare; questi due liquidi presentano composizione diverse, quindi la membrana cellulare è una barriera, un limite o una via di comunicazione. Sia l’esterno che l’interno sono due ambienti acquosi, nel senso che sono delle soluzioni che contengono acqua e soluti. La membrana cellulare è costituita da un doppio strato lipidico in cui sono immerse le proteine. I lipidi di membrana sono così organizzati: testa polare - coda idrofobica - coda idrofobica - testa polare.

La struttura chimica del doppio strato lipidico non è la stessa, ma è differente tra lo strato lipidico esterno e lo strato lipidico interno. La zona interna favorisce la presenza di cariche negative, quello esterno favorisce invece le cariche positive. Anche se tutte le membrane hanno un doppio strato con immerse proteine, cellule diverse appartenenti a tessuti diversi hanno delle membrane che differiscono tra loro per i tipi di costituenti e per la presenza percentuale dei costituenti stessi.

Composizione della membrana

La composizione della membrana può essere interessante da un punto di vista funzionale. Ad esempio, il recettore della tossina del colera è una componente carboidrata della membrana e viene definita ganglioside GM1 (cioè nell’organismo umano è presente nell’ambito della membrana un recettore che consente alla tossina colerica di legarsi e di determinare l’effetto del colera). Un altro esempio è dato dagli antigeni del sangue di gruppo A, B che sono componenti carboidrate di gangliosidi posti sulle membrane degli eritrociti umani. Il gruppo 0 non ha gangliosidi e per questo è un donatore universale.

Proteine di membrana

Il doppio strato lipidico contiene nella sua struttura molecole proteiche, che sono sempre polari, (quindi se il doppio strato lipidico si definisce apolare, cioè prevalentemente senza cariche è perché la parte maggiore è priva di cariche, la componente proteica invece presenta delle cariche positive e negative). Abbiamo proteine che attraversano tutto il doppio strato lipidico e che vengono definite intrinseche, e proteine che sono solamente da un lato e che vengono definite estrinseche. Le proteine sono importantissime per:

• Localizzazione
• Composizione chimica
• Struttura tridimensionale

La carica negativa della superficie cellulare dipende molto dall’acido sialico caricato negativamente presente in glicolipidi e glicoproteine. Le glicoproteine in particolare rappresentano un modo importante per il riconoscimento cellulare e un modo per poter interagire tra le cellule. Sono sostanze che consentono alle cellule di legarsi insieme, come le integrine che servono a mantenere le cellule collegate insieme; un altro esempio è dato dai virus che riescono a legarsi a cellule ospiti tramite le proprie glicoproteine di membrana.

Funzioni delle proteine di membrana

Le funzioni che svolgono le proteine di membrana sono diverse:

• Canali
• Trasportatori (carrier)
• Enzimi
• Recettori

Le proteine estrinseche e intrinseche possono rientrare in una di queste quattro funzioni, perché queste sono strutture che consentono una funzione ben precisa. La prima funzione che possiamo considerare è legata alla presenza di un citoscheletro all’interno delle cellule. Per fare questi studi si utilizzano dei globuli rossi (perché sono cellule separate le une dalle altre, sono privi di nucleo, e sono facili da reperire).

Il citoscheletro è ancorato alla membrana plasmatica, e lo possiamo immaginare simile ad una impalcatura, ed è importante perché garantisce la forma cellulare.

Modello del mosaico fluido

Il modello classico è quello del mosaico fluido (proposto da Singer-Nicholson nel 1972), detto così perché i due strati di fosfolipidi e le proteine di membrana si muovono. Quindi la membrana non è una struttura statica, ma è dinamica, le proteine si muovono; ciò significa che questi recettori, questi canali, questi trasportatori possono essere formati, inseriti, cambiati, spostati, regolati; in definitiva c’è quindi un turn-over (regolati vuol dire che possono essere aumentati o diminuiti di numero).

Caratteristiche delle cellule viventi

Le cellule viventi possono avere forma e dimensione diversa quando si passa a un tipo cellulare ad un altro, queste caratteristiche sono correlate al tipo di cellula considerata; tutte però sono circondate da una membrana cellulare. La membrana cellulare svolge numerose funzioni; la prima di queste funzioni ci mette in correlazione allo scambio di materia e di energia tra la cellula e l’ambiente extracellulare (cioè materia ed energia passano dall’esterno verso l’interno e viceversa).

Funzioni della membrana plasmatica

La membrana plasmatica svolge le seguenti funzioni:

• Scambio di materia ed energia tra cellula e ambiente esterno
• Permeabilità
• Diffusione del soluto e del solvente
• Canali ionici
• Trasporti mediati

Uno scambio è la possibilità di diffusione attraverso la membrana di molecole diverse (d’acqua, di soluti, di solventi) e quindi per poter identificare cosa avviene esattamente a livello delle membrane biologiche in genere si fa riferimento a concetti di chimica e fisica. A livello della membrana abbiamo la possibilità di studiare due tipi di trasporto:

Trasporto passivo e attivo

• Trasporto passivo: consente la diffusione semplice, ossia la possibilità di poter attraversare il doppio strato lipidico attraverso le proteine di membrana.
• Un altro tipo di diffusione è consentita dalla presenza di particolari molecole, e si parla in tal caso di diffusione facilitata: cioè esistono dei trasportatori di membrana (carrier) che facilitano il passaggio di una determinata molecola all’esterno o all’interno di una cellula.
• Trasporto attivo: richiede energia, che viene prodotta dal metabolismo cellulare, ed è sempre un trasporto che avviene contro gradiente. Il trasporto attivo si differenzia in trasporto attivo primario e trasporto attivo secondario; entrambi questi tipi sono dipendenti da strutture di membrana che facilitano il passaggio di una determinata specie ionica e quindi dipendono da un vettore, da una struttura proteica che funge da vettore.

Per la diffusione semplice e la diffusione facilitata non c’è utilizzo di energia, mentre per il trasporto attivo è necessario il dispendio energetico della cellula.

In chimica e in fisica la diffusione è il flusso di energia o materia da zone in cui la concentrazione è maggiore verso dove è minore, in modo da formare una distribuzione finale omogenea. La diffusione è garantita da un gradiente di concentrazione, e nel momento in cui si raggiunge l’equilibrio tra i due gradienti si dice che il gradiente è zero, ma non il flusso. Attraverso una membrana biologica si può studiare lo stesso fenomeno, anche se la membrana riesce a differenziare l’ambiente extracellulare da quello intracellulare.

Il solvente di tutte le soluzioni in questioni è l’acqua. Quando modifichiamo la concentrazione dei liquidi, modifichiamo la condizione di pressione osmotica del liquido che bagna la nostra cellula: se aumentiamo la concentrazione all’esterno, l’acqua all’interno della cellula fuoriesce e la cellula raggrinzisce. Se la concentrazione della soluzione all’esterno della cellula è maggiore rispetto all’interno, condizione detta iposmotica, l’acqua si sposta dall’esterno verso l’interno e si ha la lisi cellulare. A livello della membrana ci sono delle cinetiche diverse, cioè la velocità di un processo è differente se c’è un meccanismo o se ce n’è un altro. Generalmente il flusso ai due lati della membrana si mantiene costante, anche quando i due ambienti sono diversi.

In questo caso invece, la diffusione si blocca perché NH3 non riesce ad attraversare la membrana, mentre NH4⁺ riesce.

Saturabilità nella diffusione facilitata

La saturabilità nella diffusione facilitata è dovuta ad un numero limitato del trasportatore interessato. Un esempio di diffusione facilitata si ha con le proteine liposolubili. Certe vitamine liposolubili possono attraversare per diffusione semplice la membrana, così come uno ione può attraversare per diffusione semplice.