Riassunti Fisiologia cellulare (esame completo)

Riassunti fisiologia cellulare Prof. Perin 3CFU

La prova scritta viene effettuata su Kiro in aula informatizzata e prevede due domande aperte, dieci domande a scelta multipla e tre mappe concettuali (cioè riordinare delle sequenze). L’esito dell’esame è valido per 18 mesi.

Lezione 1

Omeostasi

L’omeostasi è la tendenza degli organismi viventi a sviluppare dei meccanismi di autoregolazione che consentono di raggiungere una relativa stabilità, anche al variare delle condizioni ambientali. Il concetto di omeostasi è importante perché ogni essere vivente intrattiene con l’ambiente che lo circonda un rapporto complesso: da una parte trae dal mezzo in cui vive tutto quanto gli necessita e dall’altra parte esso deve costruire un mondo circoscritto, diverso e più stabile di quello ambientale. In questo rapporto complesso gioca un ruolo cruciale la membrana plasmatica che conferisce identità alla cellula stessa facendo da barriera che regola gli scambi con l’ambiente esterno.

Negli organismi pluricellulari la maggioranza di cellule non è a contatto diretto con l’ambiente esterno, ma si affaccia ad un particolare mezzo interno detto liquido extracellulare che rappresenta l’ambiente in cui vivono le cellule degli organismi pluricellulari. La costanza dei parametri chimico-fisici di questo liquido extracellulare è garantita dai meccanismi omeostatici. I sistemi di controllo omeostatici si suddividono in:

• Controllo ad anello aperto: detto anche controllo a feedforward o regolazione anticipatoria perché la grandezza del segnale in ingresso è indipendente da quella in uscita, ovvero i segnali di correzione vengono applicati "in anticipo" senza misurarne l’effetto. Un esempio di regolazione a feedforward è la preparazione del sistema cardiocircolatorio all’inizio dell’attività fisica: per preparare l’organismo allo sforzo che dovrà fare il sistema cardiocircolatorio fa aumentare la frequenza cardiaca, la frequenza respiratoria e la pressione arteriosa prima che l’attività fisica abbia inizio.
• Controllo ad anello chiuso (retroazione): detto anche feedback che consiste in un circuito chiuso nel quale l’effetto prodotto sul sistema da una causa primaria (disturbo) ritorna indietro a influenzare il processo che lo ha generato.

Lo schema generale del feedback può essere rappresentato come nel grafico a sinistra: un segnale generico, agendo sull’ingresso (I) di un ipotetico sistema causa un altrettanto generico effetto alla sua uscita (O), il feedback consiste nel "trasferimento all’indietro" di un segnale di retroazione (Sr) ricavato dal segnale in uscita (O), in modo che esso agisca sulla stessa causa che lo produce. Il feedback a sua volta può essere:

Feedback positivo: si instaura quando il segnale di retroazione (Sr) ha segno uguale al segnale in uscita dal sistema (O). Quindi il feedback positivo è l’effetto prodotto da una causa primaria (disturbo) che agisce retroattivamente in modo da potenziare l’azione di tale disturbo. È un meccanismo piuttosto raro perché è destabilizzante cioè allontana il sistema da un regime stazionario. Ciò è evidente quando si considera che l’effetto potenzia la propria stessa causa, innescando un processo autorigenerativo che, se non viene subito interrotto, può portare rapidamente alla distruzione del sistema stesso. La retroazione positiva avviene solo in quelle occasioni in cui un processo che sarebbe per sua natura lento debba essere molto accelerato. Un esempio di feedback positivo è durante il parto in cui la distensione della cervice uterina determina il rilascio di ossitocina un ormone che agisce sulla parete uterina aumentando le contrazioni. L’aumento delle contrazioni a sua volta determina il rilascio di altra ossitocina quindi il meccanismo si autogenera e va a crescere e si conclude dopo il parto perché l’utero si rilascia e viene a mancare lo stimolo al rilascio di ossitocina.

Feedback negativo: si instaura quando il segnale di retroazione (Sr) ha segno opposto al segnale in uscita dal sistema (O). Quindi l’azione a ritroso agisce in modo da contrastare la causa primaria (disturbo) e il risultato complessivo sarà quello di riportare il sistema alla condizione iniziale, cioè alla condizione prima dell’occorrenza del disturbo. Un esempio di feedback negativo è l’aumento di glicemia che stimola il rilascio di insulina. L’insulina è un ormone che determina un aumento della traslocazione di glucosio dal sangue ai suoi depositi (fegato, muscolo, tessuto adiposo) e quindi diminuisce la quantità di glucosio nel sangue tornando al range normale 60-110mg/dl e questo quindi va a far mancare lo stimolo nella secrezione dell’insulina.

Quindi l’omeostasi è il mantenimento di un parametro ad un dato valore dettato dall’organismo in funzione di variabili interne ed esterne (es. temperatura). Per mantenere l’omeostasi sono necessari:

• Un sensore cioè un dispositivo capace di misurare in ogni istante il valore del parametro da controllare.
• Un comparatore che rilevi le variazioni rispetto al valore di riferimento vicino al quale il parametro deve essere mantenuto dalla controreazione. Il sensore ed il comparatore forniscono il "segnale di errore" che deve operare all’indietro.
• Un amplificatore invertente che riceve il segnale di errore, lo amplifica e lo inverte di segno.
• Un attuatore o effettore che è un dispositivo che, ricevendo il segnale di errore amplificato ed invertito di segno, agisce sul parametro oggetto di regolazione in modo da riportarlo verso il suo valore di riferimento.

Il processo tramite cui la misura influenza l’attuatore è definito feedback o retroazione.

Plasticità

La plasticità è la capacità delle funzioni biologiche di modificarsi persistentemente in seguito a particolari stimoli ambientali. Le modificazioni persistono ben oltre la durata della sollecitazione che le ha prodotte. La plasticità implica apprendimento e rappresenta la base della capacità degli organismi di imparare, ricordare ed adattarsi a svariate modifiche ambientali. Alcuni esempi di plasticità sono:

• Le modificazioni della massa muscolare con l’esercizio fisico e l’alimentazione.
• L’adattamento all’alta quota grazie all’aumentata produzione di globuli rossi e alle modificazioni dei meccanismi di trasporto dell’ossigeno.

Quando compare un adattamento plastico, il sistema coinvolto si allontana dall’omeostasi, o meglio, la plasticità comporta lo spostamento del punto di lavoro del sistema e l’omeostasi lo ricondurrà al nuovo set point.

Lezione 2

Flussi

Il flusso (J o F) è la quantità di sostanza che attraversa l’unità di superficie nell’unità di tempo. Consideriamo una superficie ideale (S) di area A, la quale separi, all’interno di una soluzione acquosa, due compartimenti: sinistro (1) e destro (2). Se n è il numero delle particelle di soluto che attraversano l’area A in un senso, ad esempio da sinistra a destra, si definisce flusso molare unidirezionale, esprimibile in mol/(cm² x s) la grandezza:

f = n / (N A Δt) Dove:

• n = numero delle particelle di soluto che attraversano l’area A,
• N = numero di Avogadro,
• A = area,
• Δt = tempo.

In modo analogo si può definire il flusso unidirezionale in direzione opposta (f_2→1). Il flusso molare netto o globale (F_A) è dato dalla differenza tra due flussi unidirezionali:

F_A = (f_1→2) - (f_2→1)

ed è diretto verso destra o verso sinistra a seconda che f_1→2 sia maggiore o minore di f_2→1; sarà ovviamente nullo quando i due flussi unidirezionali sono uguali. Le forze che determinano il moto delle particelle di un qualunque soluto (i) in una certa direzione possono essere di diversa natura (meccanica, chimica, elettrica) ma il flusso che esse determinano può essere sempre espresso, in forma generale, dalla semplice relazione:

F_i = K_iX_i Dove:

• F_i = flusso,
• K_i = coefficiente di proporzionalità,
• X_i = driving force.

Questa equazione, nota come equazione di Teorell, afferma che l’intensità di un flusso è proporzionale ad una forza (driving force) che genera lo spostamento delle particelle e a un costante di proporzionalità la quale dipende primariamente delle caratteristiche delle particelle del soluto. L’equazione di Teorell richiede, per essere valida, che le singole particelle di soluto che si spostano nella soluzione non interagiscano tra loro, che quindi ognuna ubbidisca solo alla driving force che agisce su di essa, indipendentemente da tutte le altre. È questo il principio della indipendenza dei flussi, principio che in pratica è valida solo in prima approssimazione.

Nel caso reale di una soluzione acquosa si possono avere tre modalità di flusso delle particelle che la compongono:

• Flusso massivo (F_m): in cui la driving force è generata da una differenza di pressione idraulica tra regioni diverse della soluzione. F_m = KΔP_m. Il flusso massivo si realizza quando tra due regioni di una soluzione esiste una differenza di pressione idraulica. Tutte le particelle, allora, sia dal soluto che dell’acqua, vengono spinte a muoversi consensualmente ("in massa") dalla regione a pressione maggiore a quelle a pressione minore. Questo flusso si realizza ad esempio quando la soluzione si trova in due recipienti (1 e 2) riempiti a livello diverso e comunicanti tra loro mediante un condotto che permette alla soluzione di fluire dall’uno all’altro. In questo caso la driving force è generata dalla differenza di pressione ΔP = (P₁ - P₂) quindi dal dislivello tra i recipienti. L’intensità del flusso massivo nel condotto è: F_m = K (P₁ - P₂) perciò l’intensità del flusso è tanto maggiore quanto è maggiore la differenza di pressione. Mentre la costante di proporzionalità K dipende unicamente, in assenza di turbolenze, dalla viscosità della soluzione η e dalla geometria del condotto.
• Diffusione (F_d): in cui la driving force è generata da una differenza di concentrazione delle particelle in zone diverse della soluzione. F_d = KΔC_d. La diffusione si verifica quando tra due regioni di una soluzione esiste una differenza di concentrazione. Si ha allora un flusso di particelle dalla regione a concentrazione maggiore verso quella a concentrazione minore finché le particelle non si siano distribuite in modo omogeneo in tutto lo spazio disponibile. Nel loro moto caotico di agitazione termica le molecole continueranno a spostarsi da un compartimento all’altro anche quando sarà stata raggiunta questa condizione di equilibrio stazionario ma non vi sarà più alcun incremento di concentrazione perché i due flussi unidirezionali saranno uguali.

Prima legge di Fick

F_d = K (C₁ - C₂) dove K = coefficiente di diffusione, e (C₁ - C₂) = gradiente di concentrazione, questa equazione rappresenta la prima legge di Fick che afferma che il flusso netto delle particelle da compartimento 1 al compartimento 2 è proporzionale al gradiente di concentrazione. Quindi la diffusione è un fenomeno a carattere statico, non è altro che la legge di Teorell in cui la driving force è rappresentata dalla differenza di concentrazione e la costante di proporzionalità (K_d) è nota come coefficiente di diffusione e può essere scritta come:

D = (R/N) (T/f) dove:

• R = costante universale dei gas perfetti,
• N = numero di Avogadro,
• T = temperatura assoluta,
• f = coefficiente di attrito,
• (T/f) = energia cinetica delle molecole.

Se la molecola che diffonde è sferica il coefficiente di attrito è espressa dalla legge di Stokes: f = 6πηr, dove r = è il raggio della particella ed η la viscosità del solvente indica la forza delle interazioni tra la particella e le molecole del solvente. Il coefficiente di diffusione è inversamente proporzionale alla radice cubica del peso molecolare quindi una molecola grande (es. proteina) è meno diffusibile di una molecola piccola.

Seconda legge di Fick

Stabilisce che il tempo necessario affinché la concentrazione del soluto raggiunga una certa percentuale della concentrazione iniziale ad una certa distanza dalla sorgente della diffusione cresce con il quadrato della distanza. Notoriamente infatti il trasporto di materia per diffusione può essere rapidissimo (nell’ordine di ms) quando le distanze da percorrere sono nell’ordine dei µm ma è un processo lentissimo in scala macroscopica.

Migrazione in campo elettrico (Fe o I)

Di particelle elettricamente cariche (ioni), in cui la driving force è generata da una differenza di potenziale elettrico tra regioni diverse della soluzione. La migrazione in campo elettrico è lo spostamento di particelle dotate di carica elettrica (positiva o negativa) che si verifica in seno ad una soluzione nella quale si stabilisca un campo elettrico per mezzo di due elettrodi: le particelle con carica positiva (cationi) migrano verso il catodo e le particelle con carica negativa (anioni) migrano verso l’anodo. Il flusso F delle particelle che attraversano nell’unità di tempo una sezione ideale e immaginaria della soluzione è proporzionale alla differenza di potenziale (V_a - V_c) applicata agli elettrodi. La proporzionalità sussiste a meno di un fattore (k_zE) comprensivo della concentrazione e delle caratteristiche degli ioni, nonché della loro mobilità. Il flusso nel campo elettrico è:

F = K_e (V_a - V_c) questa relazione non è che la formulazione della legge di Ohm riferita ad una soluzione degli elettroliti cioè I = g ΔV dove g che sarebbe la conduttanza equivale a k_zE e ΔV è la differenza di potenziale.

Elettrodiffusione

Quando si considerano molecole che in soluzione acquosa si dissociano in ioni bisogna tenere in considerazione sia la diffusione semplice che la migrazione in campo elettrico. Sono infatti presenti le differenze di concentrazione e le differenze di potenziale elettrico che agiscono simultaneamente sugli ioni, quindi il loro flusso deve essere descritto da una legge che ne consideri congiuntamente gli effetti. L’equazione di Nerst-Plank prevede che il flusso di ioni spinti simultaneamente da un gradiente di concentrazione e da un gradiente elettrico (cioè un gradiente elettrochimico) è pari alla somma dei flussi che si avrebbero solo per il gradiente di concentrazione e solo per il gradiente elettrico. Il flusso elettrodiffusivo F_ed viene descritto dalla seguente equazione:

F_ed = F_d + F_e = K_d (C₁ - C₂) + K_zE (V₁ - V₂)

Nel caso in cui le particelle siano sprovviste di carica elettrica (V₁ - V₂ = 0) l’equazione di Nerst-Plank si riduce alla prima equazione di Fick; se invece non sono presenti differenze di concentrazione (C₁ - C₂ = 0) l’equazione di Nerst-Plank si riduce a quella della migrazione nel campo elettrico.

Membrana cellulare

La membrana cellulare non solo delimita strutturalmente la cellula ma costituisce anche una barriera attraverso cui avvengono e sono selettivamente regolati gli scambi di materia, energia e informazioni con l’ambiente extracellulare e con le altre cellule. La funzione primaria della membrana è quella di mantenere molto diversa la composizione del mezzo intracellulare rispetto a quello extracellulare. Una rottura della membrana plasmatica, quando non è immediatamente riparata, comporta in genere la morte della cellula per la totale disorganizzazione del suo citoplasma (citolisi) perché questo viene in diretto contatto con il mezzo esterno.

La membrana plasmatica, secondo il modello di Singer-Nicholson, è un doppio strato fosfolipidico dello spessore totale di circa 70Å in cui le molecole fosfolipidiche sono disposte con le loro estremità idrofiliche (le teste) rivolte verso le due superfici interna ed esterna della membrana, mentre le loro estremità idrofobiche (le code) costituite dalle due catene carboniose alifatiche degli acidi grassi ne formano la parte intermedia detta anche core. Il core è idrofobico ed è quindi permeabile a sostanze lipofile e praticamente impermeabile a moltissimi soluti presenti nel liquido extra e intra-cellulare. Ma poiché il passaggio di queste particelle attraverso la membrana è necessario per la sopravvivenza delle cellule, il doppio strato fosfolipidico è integrato dalla presenza di numerose proteine che mediano il passaggio transmembranario delle sostanze idrofile.

La membrana plasmatica quindi è costituita da:

• Fosfolipidi e colesterolo: La componente lipidica della membrana è prevalentemente costituita da due fosfolipidi che sono la fosfatidilcolina (o lecitina) e la fosfatidiletanolammina (o cefalina). Un altro costituente lipidico di grande importanza è il colesterolo che pur non essendo un fosfolipide presenta un carattere debolmente anfipatico e la sua componente idrofobica tende ad addensarsi nella parte mediana della membrana contribuendo ad aumentare la rigidità della membrana stessa. Le molecole fosfolipidiche sono notevolmente mobili nella tela membranale, tanto che si parla di modello a "mosaico fluido".