Riassunto esame Fisiologia

Fondamenti di fisiologia

Fisiologia è la branca della biologia che studia il funzionamento degli organismi viventi. La fisiologia studia i principi chimico-fisici del funzionamento ed i particolari anatomici degli esseri viventi, siano essi mono o pluricellulari, animali o vegetali.

Organi vestigiali

Le vestigia sono elementi di un organismo che in esso persistono, ma che hanno perso del tutto la loro funzionalità che invece avevano in un antenato (filogenetico) o nell’embrione (ontogenetico).

• Filogenetico: appendice vermiforme, residuo intestinale erbivoro
• Ontogenetico: ombelico

Parenchima: complesso delle strutture che esplicano le funzioni vitali specifiche di un organo.

Stroma: che ha una pura funzione di sostegno.

Omeostasi

L’omeostasi è la capacità di un organismo di mantenere un ambiente adeguato per la cellula e per le funzioni mantenendo condizioni abbastanza costanti come pH, temperatura, volume, etc. Più precisamente l’omeostasi è il sistema che mantiene i parametri adeguati allo sforzo o alla situazione così da ottenere il rendimento migliore e mantenere l’organismo vegeto ed efficiente.

Il problema che si crea nelle forme pluricellulari è che all’interno del gruppo di cellule può esserci un ambiente nocivo e non a contatto con l’ambiente, quindi le cellule più interne cominciano a morire perché circondate da scarti delle altre cellule. Quindi le cellule hanno cominciato a specializzarsi per far arrivare nutrimento e tenere un ambiente salutare anche all’interno del gruppo di cellule.

Meccanismi di controllo dell'omeostasi

• Stimolo: cambiamento di un parametro
• Input: i recettori mandano informazioni al centro di controllo
• Output: il centro di controllo manda direttive agli effettori
• Risposta: grazie agli effettori avviene una rinormalizzazione dell’ambiente
• Set Point: sono i valori in cui oscillano i parametri per mantenere l’omeostasi ed è il risultato del minimo lavoro di tutti i meccanismi e che convergono ad un valore.

L'omeostasi vegetativa è mediata dal sistema nervoso autonomo. Avere una temperatura media di 37 gradi è la causa dell'omeostasi e della soglia di attivazione dei vari organi che messi insieme producono una temperatura media di 37 gradi.

Fluidi nel corpo

Nel corpo umano vi sono tre compartimenti principali dove all’interno è presente acqua e questi compartimenti sono separati tra di loro da pareti semipermeabili così da poter sfruttare i gradienti diversi tra i compartimenti per ottenere uno spostamento di sostanze nutritive o altro.

• Feto: 90%
• Neonato: 80%
• Bambino: 70%
• Adulto: 60%
• Anziano: 55%

Si noti come la separazione tra i compartimenti intracellulari (ICF) ed extracellulari (ECF) sia determinata da membrane cellulari, mentre quella tra liquido interstiziale e plasma (che sono sottocompartimenti del compartimento extracellulare) sia invece determinata dalla parete capillare. La parete capillare è costituita da uno strato unico di cellule (l’endotelio vasale) e dalla membrana sulla quale esse riposano.

Il componente fondamentale dei liquidi dell’organismo è l’acqua, che è indispensabile per le funzioni vitali a causa di alcune sue caratteristiche fisico-chimiche:

• Elevato calore specifico (1 cal X g X °C^-1), ovvero: (4,18 J X g X °C^-1)
• Elevato calore di evaporazione (543 cal X g^-1), ovvero: (2270 J X g^-1)
• Elevato calore di fusione (80 cal X g^-1), ovvero: (335 J X g^-1)
• Elevata tensione superficiale
• Elevata capacità di solubilizzazione delle sostanze polari

Mediamente nel corpo umano vi sono 42 litri d’acqua che si dividono in 28 litri di acqua intracellulare e 14 litri di acqua extracellulare che vengono suddivisi nuovamente in 10.5 litri di acqua interstiziale e di 3 litri di plasma sanguigno. Lo spostamento di sostanze e fluidi nell’organismo è mediato dal cosiddetto trasporto convettivo o, più semplicemente, dalla convezione.

Convezione

La convezione è definita come lo spostamento di molecole all’interno dei fluidi (liquidi e gas).

Convezione naturale o diffusione

Dovuta al moto casuale (cosiddetto “moto Browniano”) indotto dall’energia posseduta dalle molecole, che è proporzionale alla temperatura del fluido in cui esse si trovano.

Convezione forzata o avvezione

Dovuta alla formazione, nel fluido, di correnti macroscopiche. Negli organismi viventi queste correnti sono causate dall’applicazione di gradienti di pressione.

Prima equazione di Fick

Descrive il processo della diffusione e il comportamento di una certa massa di molecole in moto disordinato. In questo moto casuale esse possono muoversi attraversando confini come membrane cellulari o definiti matematicamente. Mostra anche che, a parità di superficie, la diffusione è costante se lo è anche il gradiente. Quando la diffusione avviene tra due compartimenti separati da una membrana, la costanza del gradiente viene mantenuta se le molecole che sono passate in un compartimento vengono allontanate dallo stesso con la stessa velocità con cui esse diffondono in questo.

Js = -D A [dc / dx]

• A è l’area da cui passa la sostanza
• D è il coefficiente di diffusione (determinato empiricamente) [m²/s]
• C è la concentrazione della sostanza
• x è la distanza percorsa

Questa relazione indica che a parità di coefficiente di diffusione D il tempo impiegato da un processo diffusivo varia con il quadrato della distanza.

Lipidi anfipatici

Sono costituiti da molecole che hanno due estremità, una idrofoba e l’altra idrofila. Le interazioni che si manifestano in ambiente acquoso tra le diverse molecole lipidiche determinano la loro aggregazione sotto varie forme.

Colesterolo

I lipidi che compongono la membrana cellulare sono diversi tra loro. Circa il 50% della superficie della membrana cellulare è occupata da proteine che sono immerse nel doppio strato lipidico con i loro residui amminoacidici idrofobici (proteine integrali di membrana). Queste proteine possono muoversi liberamente lungo il doppio strato lipidico (movimento laterale), oppure aggregarsi in agglomerati meno mobili a causa della formazione di legami intermolecolari.

Gli spazi interposti tra cellule epiteliali adiacenti costituiscono una via di passaggio denominata paracellulare, anch’esse percorsa sia da acqua che da soluti. L’accesso alla via paracellulare è regolato dalle tight junctions, che sono giunzioni cellulari che chiude lo spazio tra le cellule. Esistono altre giunzioni come canali cellulari che si allineano creando un unico canale di scambio tra le due cellule coinvolte o giunzioni che ancorano le cellule allo strato basale o tra di loro.

Diffusione del solvente

Un caso particolare di diffusione del solvente (acqua) attraverso le vie transcellulari e paracellulari è dato dalla osmosi.

Osmosi

L’osmosi rappresenta il movimento di molecole di acqua da un compartimento a bassa concentrazione di soluti a un compartimento a elevata concentrazione di soluti, separato dal primo da una membrana permeabile al solvente, ma non ai soluti (membrana semipermeabile). La componente lipidica apolare delle membrane cellulari lascia abbastanza spazio per un passaggio diffusivo transcellulare di acqua. Inoltre, l’acqua passa abbastanza facilmente, salvo poche eccezioni, attraverso le vie paracellulari delle barriere epiteliali, la cui permeabilità è regolata da variazioni dello stato conformazionale delle proteine delle tight junctions.

A ciò si aggiunge che specifiche proteine integrali di membrana, chiamate acquaporine, intervengono a regolare il passaggio transcellulare di acqua. Pertanto, alla diffusione dell’acqua attraverso le membrane cellulari, descritta dalla prima equazione di Fick, si aggiunge un passaggio diffusivo che, dipendendo dall’intervento localizzato di proteine di membrana, prende il nome di diffusione facilitata.

La membrana semipermeabile consente il passaggio delle molecole di acqua, ovvero del solvente, ma non delle molecole di soluto. Questa asimmetria genera uno spostamento di acqua che non è dovuto a una differenza di pressione, ma al fatto che l’acqua presente nel compartimento 1 è più concentrata rispetto al compartimento 2. Ciò implica che il flusso netto di acqua sia diretto dal compartimento 1 al compartimento 2. All’equilibrio si avrà un incremento di volume della soluzione contenuta nel compartimento 2. Poiché le pareti dei compartimenti sono rigide, il dislivello finale di liquido tra i due compartimenti diviene una misura della pressione che sarebbe necessario applicare al compartimento 2 per evitare il passaggio di acqua dal compartimento 1. Questa pressione, che prende il nome di pressione osmotica (Π), dipende dall’eccesso di soluto nel compartimento 2. All’equilibrio, il potenziale chimico dell’acqua contenuta nel compartimento 2 è pari a:

w = w* + RTln Xw

• w* è il potenziale chimico del solvente puro
• Xw è la frazione molare del solvente

Considerando che la situazione di equilibrio può essere rappresentata anche dall’applicazione di una pressione P al compartimento 2, di valore sufficiente a impedire il passaggio di acqua proveniente dal compartimento 1, si ha che la differenza (w* - w) che all’equilibrio è costante, sia proporzionale al prodotto tra pressione e volume. Assumendo per P la notazione della pressione osmotica, si avrà che:

P V = - RT ln Xw

Equazione di Van’t Hoff

Π = n C RT

Dove n rappresenta il numero di particelle in cui si dissocia la specie molecolare considerata, C la concentrazione (espressa come molarità) del soluto e R la costante e T la temperatura. Esempio: NaCl in acqua si dividerà in Na⁺ e Cl^- e quindi n=2, o più precisamente si userà il suo coefficiente di dissociazione.

Soluzioni

• Isotonica: quando non altera il volume cellulare
• Ipotonica: quando aumenta il volume cellulare
• Ipertonica: quando diminuisce il volume cellulare

Due soluzioni possono essere iso-osmotiche pur non essendo isotoniche. Ad esempio, una cellula contenente un soluto non-permeante a 300 mOsm/Kg è immersa in una soluzione di 300 mOsm/Kg di urea. L’urea è una sostanza che attraversa lentamente la membrana cellulare e che per questo porterà la concentrazione intracellulare di soluti oltre le 300 mOsm/Kg. Di conseguenza, l’acqua fluirà dall’esterno all’interno della cellula.

Osmosi inversa

Nell’osmosi inversa si applica, al compartimento contenente un eccesso di soluti, una pressione tale per impedire lo svilupparsi di un normale processo osmotico. Aumentando ancora la pressione si otterrà un flusso d’acqua dalla parte più concentrata a quella meno concentrata.

Filtrazione e scambi idrici capillari

Nel sistema circolatorio, le regioni dove avviene lo scambio di ossigeno e la filtrazione di molecole avviene normalmente nelle regioni vascolarizzate da capillari. I capillari sono assimilabili a tubi con permeabilità variabile alla regione e alla conformazione e servono ad irrorare l’interstizio con sostanze utili alle cellule che poi verranno trasportate per diffusione.

I capillari possono essere di tre tipi:

• Continui: sono capillari con permeabilità molto bassa e che fa passare solitamente solo gas
• Fenestrati: sono capillari con permeabilità intermedia
• Sinusoidi/Discontinui: sono capillari con permeabilità alta e anche le proteine riescono a filtrare all’esterno.

Diffusione

Processo passivo e bidirezionale che deriva dalla differenza di concentrazione tra i soluti e trasporta prevalentemente gas e particelle piccole ma l’acqua non si muove e si muove solo il soluto.

Filtrazione

Deriva dai gradienti di pressione ed è monodirezionale e muove prevalentemente acqua. Il fenomeno di filtrazione avviene in base al bilanciamento delle varie pressioni che sono presenti a livello capillare, come la pressione idrostatica generata dal cuore, la pressione osmotica generata dalle diverse concentrazioni dei soluti e dato che lungo il capillare queste pressioni cambieranno, cambierà anche l’equilibrio tra esse e ci potrà essere filtrazione o riassorbimento.

La pressione osmotica si oppone alla pressione idrostatica poiché il sangue è più concentrato e richiama acqua ma, come già detto, la pressione osmotica e idrostatica cambiano attraverso il capillare. Quindi all’inizio ci sarà una filtrazione di acqua all’esterno poiché la spinta idrostatica sarà maggiore, poi verso la fine del capillare ci sarà un riassorbimento di acqua poiché la pressione idrostatica è calata a tal punto di non riuscire ad opporsi alla pressione osmotica (circa 26mmHg).

Se la pressione idrostatica è elevata (circa > 35 mmHg) riuscirebbe sempre ad opporsi alla pressione osmotica e quindi ci sarebbe filtrazione per tutto il capillare e non ci sarebbe riassorbimento (come avviene nei reni). Durante l’infiammazione vi è una maggiore permeabilità e quindi è presente un maggiore pressione interstiziale.

Il volume di liquido filtrato è di poco maggiore del volume di liquido riassorbito e quindi questo porterebbe ad un aumento di volume interstiziale (edema), per ovviare a questo problema è presente il sistema linfatico che parte da dei canali a fondi ciechi, cioè che nascono direttamente nell’interstizio, e che drenano l’interstizio dall’acqua in eccesso. In fenomeni come edema o elefantite, vi è una capacità drenante insufficiente di questo sistema che porta ad un rigonfiamento sottocutaneo, principalmente degli arti inferiori.

Equazione di Starling (derivante dall’equazione di Van’t Hoff)

Jv= Kf [(Pc - Pis) – σ (Πc - Πis)]

• Kf: coefficiente di filtrazione
• P_c - P_is: è la differenza di forze che spingono l’acqua ad uscire e ad entrare nel vaso
• Π_c - Π_is: equazioni di Van’t Hoff calcolate dove n per le proteine è uguale a 1
• σ: il coefficiente di riflessione che indica quanto le proteine riescono a filtrare dal vaso. Si 0-1 no

Trasporti transcellulari

I trasporti transcellulari di sostanze sono passivi o attivi.

Passivi

Se le sostanze seguono un gradiente di concentrazione e attraversano la membrana per l’intermediazione di una proteina (diffusione facilitata). Definiti anche uniporti dato che fanno passare di solito una molecola alla volta (ad esempio il glucosio, acqua, ioni e amminoacidi).

Canali

Le proteine formano un involucro contenente acqua che viene attraversato dalle sostanze polari per diffusione.

Trasportatori

Usa l’energia potenziale delle concentrazioni per far passare molecole che non passerebbero normalmente da un semplice canale.

Attivi

Se le sostanze si spostano contro un gradiente di concentrazione e quindi usando energia per compiere questo lavoro.

Primario (pompe)

Usa ATP per trasportare molecole contro gradiente.

Secondario (co-trasporti)

Sfrutta l’energia del gradiente di una molecola per far passare anche un'altra molecola.

• Simporto: se le due molecole vanno nella stessa direzione
• Antiporto: se le due molecole vanno in direzione opposte

La diffusione semplice è il flusso di sostanza derivante dal moto browniano mentre la diffusione facilitata è la diffusione semplice accoppiata a meccanismi organici come canali o trasportatori. A parità di concentrazione della sostanza che si diffonde, la diffusione facilitata è più rapida della diffusione semplice ma, all’aumentare della concentrazione, essa raggiunge rapidamente un limite che è dovuto al numero delle proteine trasportatrici specifiche per la sostanza che sono tutte impegnate nel trasporto a concentrazioni più elevate.

Canali

I canali possono essere sempre aperti (detti pori) o ad accesso controllato. Il controllo dell’accesso dipende da modificazioni conformazionali delle proteine costituenti il canale. Queste modificazioni conformazionali sono causate da diversi segnali fisici o chimici.

Tipi di canali

• Canali voltaggio dipendenti: si aprono e si chiudono in base alla polarizzazione della membrana.
• Canali meccanici: sensibili alle deformazioni fisiche della membrana.
• Canali chimici: gli agenti chimici possono legarsi alla proteina del canale e farlo aprire sia con un legame interno alla membrana sia da un legame esterno alla membrana.

Si conoscono 4 tipi fondamentali di proteine integrali di membrana che attuano il trasporto attivo primario:

• P: che trasportano soprattutto ioni (le più note sono la pompa sodio-potassio, alcune pompe protoniche, la pompa del calcio)
• V: che trasportano protoni e usata dai lisosomi
• F: che trasportano protoni (la più nota è la ATP-sintasi delle membrane interne mitocondriali)
• ABC: (ATP Binding Cassette) espresse negli archei, procarioti ed eucarioti, che sono responsabili del trasporto non di ioni, ma di piccole molecole.