Riassunto esame Fisiologia, prof Vassanelli

Appunti di fisiologia per chimica e tecnologia farmaceutiche

Fisiologia cellulare

Il primo capitolo rappresenta una breve introduzione alla fisiologia dal punto di vista delle cellule, serve esclusivamente a contestualizzare la materia e gli argomenti.

Livelli gerarchici di aggregazione

• Cellula = unità morfo-funzionale di tutti gli organismi viventi.
• Più cellule che cooperano per una stessa funzione formano un tessuto (epiteliale, connettivo, muscolare, nervoso).
• Diversi tessuti si associano insieme: organi.
• Insieme di organi: apparati e sistemi.

Composizione dei fluidi presenti nell’organismo

L’ambiente esterno e l’ambiente interno sono separati. Esempi: il tessuto cutaneo (pelle); il tessuto polmonare; il tessuto che riveste il tratto gastrointestinale (→ il tubo che passa dalla bocca fino allo sfintere anale si trova in comunicazione con l’ambiente esterno).

I liquidi corporei si distinguono in:

• Liquido intracellulare
• Liquido extracellulare, che va a costituire il plasma (componente liquida del sangue) e il liquido interstiziale.

Esempio

Si considera una persona di 70 kg.

• Il 60% del peso è costituito da acqua e corrisponde a circa 42 L. Tale valore viene definito come “acqua corporea totale”, che varia da individuo a individuo (60/65%).
• Di questi 42 L, il 20% (=14 L) va a costituire l’acqua extracellulare, detto LEC (liquido extracellulare).
• Il restante 40% del peso corporeo (=28 L) costituisce l’acqua intracellulare, detto LIC (liquido intracellulare).

Il liquido extracellulare ha una differente composizione rispetto al liquido intracellulare.

• In condizioni fisiologiche, il liquido extracellulare è povero di proteine, mentre presenta una elevata [Na⁺]. Il pH è leggermente basico.
• Il liquido intracellulare ha un’elevata [proteine] e di [K⁺]. La presenza di anioni proteici [A^-], all’interno della cellula, determina l’abbassamento del pH.

La maggior parte dell’acqua è concentrata nei muscoli (41,6% di acqua, rispetto al peso corporeo).

Composizione dei liquidi intra ed extra cellulare

• Il potassio è maggiormente concentrato nel citosol (120 mEq/L) piuttosto che nel liquido extracellulare (4 mEq/L).
• Il sodio è maggiormente concentrato nel liquido extracellulare (140 mEq/L rispetto a 4 mEq/L).
• Il cloro è maggiormente concentrato nel liquido extracellulare.

Come fa il nostro corpo a mantenere un ambiente interno costante?

La capacità del nostro corpo di mantenere un ambiente interno costante, anche al variare delle condizioni esterne (esempio: temperatura e pressione), è definita omeostasi e avviene attraverso una serie di meccanismi con controlli a feedback negativo (nella maggior parte dei casi) o a feedback positivo (caso particolare dell’ormone luteinizzante).

In caso di febbre (esempio: T=38°), il nostro corpo deve essere in grado di reagire allo sbilanciamento rispetto alla temperatura corporea normale (in condizioni fisiologiche) e rispondere attraverso dei meccanismi, che ripristinano la variabile iniziale (T deve essere riportata ai 36,5° iniziale). Come avviene?

La variazione di temperatura rispetto ai valori normali rappresenta uno stimolo, che viene percepito da Recettori, consentendone l’attivazione. Nella maggior parte dei casi, sono recettori sensoriali, così definiti perché percepiscono le variazioni sensoriali (come il freddo e il caldo) e inviano dei segnali afferenti a un centro di controllo, che si trova, nella maggior parte dei casi, nel sistema nervoso centrale.

Si attivano dei meccanismi compensatori, che vengono inviati, mediante le vie efferenti, a degli effettori (muscoli, cuore, ghiandole), i quali rispondono modificando la propria attività e ripristinando la variabile.

La temperatura normale corporea va da 35,6 a 37,8, a seconda della zona: più alta a livello rettale, più bassa a livello ascellare e a livello dell’orecchio.

Nel momento in cui c’è uno stimolo associato alla variazione di temperatura, dovuto ad esercizio fisico o al clima troppo caldo, i termocettori (=recettori per la temperatura) inviano dei segnali afferenti a livello di una zona del sistema nervoso, che prende il nome di ipotalamo. Nell’ipotalamo si trovano centri regolatori per la temperatura che inviano segnali ad organi, alla pelle e al letto capillare:

• A livello della pelle viene attivata la sudorazione, un meccanismo compensatorio che permette di abbassare la temperatura.
• A livello capillare, aumenta la temperatura del sangue, liberando così calore.

In questo modo si abbassa la temperatura corporea.

Al contrario, in condizioni di basse temperature, l’ipotalamo agisce promuovendo l’aumento della temperatura corporea: la vasocostrizione dei capillari e il fatto che il corpo inizi a tremare consente di ripristinare la temperatura normale.

Alcune persone possono avere delle patologie come la sindrome di Raynaud, in cui i vasi che si trovano sugli arti superiori e inferiori non rispondono più ai cambiamenti (come se fossero paralizzati). Spesso assumono un colore bluastro.

Omeostasi del glucosio

Quando la concentrazione di glucosio aumenta fino a 300/400 mg/dL (la concentrazione normale è di 100 mg/dL), le cellule β pancreatiche ricevono lo stimolo e producono insulina, un ormone che ha diverse funzioni:

• Può catturare il glucosio dal sangue e portarlo all’interno delle cellule (meccanismo anabolico).
• Può favorire la cattura del glucosio nel fegato, dove viene trasformato in glicogeno.

La concentrazione del glucosio diminuisce fino a tornare ai valori standard.

Perché la concentrazione del glucosio non si abbassa ulteriormente, fino ad andare in ipoglicemia?

• Perché le stesse cellule β vengono indotte a ridurre la produzione di insulina (da un sistema di controllo centrale).
• Mentre le cellule α producono glucagone, ormone che favorisce il rilascio di glucosio nel sangue.

Una delle patologie che portano ad una variazione dell’omeostasi del glucosio è il diabete, una malattia metabolica che influisce sui livelli di glucosio e provoca problemi, tra cui stanchezza, appetito, perdita di liquidi e problemi sessuali.

La cellula, l'unità morfo-funzionale degli organismi viventi, è costituita da una serie di organelli e strutture che ne permettono il corretto funzionamento.

Fisiologia cellulare

È compartimentalizzata da una membrana cellulare, che dal punto di vista strutturale è costituita da fosfolipidi, colesterolo, proteine e carboidrati e viene definita a mosaico fluido a causa dei movimenti flip flop dei fosfolipidi. La membrana plasmatica è una barriera selettiva, semipermeabile, che permette il passaggio di alcune molecole e non di altre.

La fisiologia del passaggio di molecole attraverso la membrana cellulare

• Molecole idrofobiche o lipofiliche passano facilmente per diffusione semplice. O₂, CO₂, i lipidi e il benzene sono esempi di molecole aventi un’alta affinità.
• Piccole molecole polari, privi di carica, come l’acqua, l’urea e il glicerolo, hanno una permeabilità abbastanza elevata, ma necessitano di canali (non passano per diffusione semplice).
• Grosse molecole polari, come glucosio e saccarosio, hanno una permeabilità minore e necessitano di trasportatori, detti carrier.
• Gli ioni, essendo carichi, non attraversano la membrana, ma necessitano di canali ionici specifici. Hanno una permeabilità molto bassa.

Meccanismi di passaggio attraverso la membrana cellulare

• Meccanismi di trasporto passivo, che non richiedono energia (ATP): diffusione semplice e diffusione facilitata.
• Meccanismi di trasporto attivo, che richiedono energia per funzionare: trasporto attivo primario e secondario. Questi meccanismi sono mediati da proteine transmembrana, che possono essere canali, trasportatori o carrier.

Diffusione

Avviene spontaneamente per semplice movimento browniano, caotico, delle molecole, dovuto alle interazioni e alle repulsioni fra le molecole. Il movimento va dal compartimento a più alta concentrazione a quello a più bassa concentrazione fino al raggiungimento dell’equilibrio (tendenza naturale). Dipende da una serie di parametri:

• Coefficiente di permeabilità della membrana, che indica quanto la membrana è più o meno impermeabile per uno ione. Questo coefficiente di permeabilità può variare in base alle condizioni in cui ci troviamo. Ad esempio, in alcuni casi, la membrana ha un potenziale d’azione e ha un aumento di permeabilità per il sodio, in altri casi può avere una permeabilità superiore per il potassio.
• Entità del gradiente: la differenza di concentrazione tra un compartimento e l’altro.
• Gradiente chimico, creato dai contatti chimici che ci sono tra le molecole e la membrana.
• Gradiente elettrico, creato da rapporti di tipo elettrostatico delle molecole. Per esempio, le molecole cariche esplicano delle repulsioni e delle attrazioni con i canali di membrana.

La diffusione semplice viene anche detta via translipidica. Molecole lipofile o idrofobiche, avendo le stesse caratteristiche dei fosfolipidi, passano attraverso la membrana, senza aver bisogno di trasportatori. La diffusione avviene secondo la legge di Fick e Graham e dipende dal flusso netto e dalla permeabilità della molecola.

Se da una parte è un processo economico, che non necessita di ATP, dall’altra, può rivelarsi mortale. Ad esempio, il DTT è una molecola estremamente lipofila, che attraversa la membrana cellulare senza problemi e arriva al sistema nervoso centrale, danneggiandolo. Così come la maggior parte dei fumi prodotti dalle centrali di prodotti chimici e il fumo delle sigarette (benzoαpirene, anidride carbonica, nitrito, acetati ecc.).

Canali polari

L’acqua attraversa la membrana cellulare mediante l’utilizzo di Acquaporine, dei canali polari acquosi, che permettono il passaggio molto selettivo. Questo spiega l’elevata permeabilità dell’acqua per la membrana cellulare. Hanno una struttura multimerica, transmembrana, con 6 domini transmembrana.

Dalla loro struttura tridimensionale, si osserva la presenza di un poro, con un filtro di selettività (NAP), costituito da amminoacidi (Asparagina, Prolina, Alanina), carichi. Le interazioni elettrostatiche favorevoli (di tipo attrattivo), esercitate dagli amminoacidi che costituiscono il poro, consentono il passaggio di molecole di acqua, senza problemi.

Ci sono 12 tipi di acquaporine, distribuiti nelle varie parti del corpo. Ad esempio, l’AQP 1 è presente a livello dei ventricoli delle cellule ependimali del sistema nervoso centrale; l’AQP 4 è presente a livello degli astrociti, mentre l’AQP 2 è presente a livello del dotto correttore del rene dove media il riassorbimento di acqua. Questa acquaporina è controllata dalla vasopressina, un ormone antidiuretico.

Diffusione facilitata

Glucosio, fruttosio e altri tipi di monosaccaridi, necessitano di trasportatori, carrier, detti anche molecole vettrici, per attraversare la membrana. Queste proteine funzionano in maniera semplice: in condizioni normali espongono il sito di legame verso l’esterno. Il legame del glucosio al sito della proteina induce un cambiamento conformazionale della proteina, permettendo così l’apertura della proteina sul lato citosolico e il passaggio di glucosio.

I canali ionici voltaggio dipendenti si aprono e si chiudono in dipendenza del potenziale che si genera. Se arriva un’onda elettrica (voltaggio), questi canali si attivano, si aprono e fanno passare lo ione.

Canali ionici a controllo chimico. L’apertura del canale è permesso dal legame di una molecola in un sito specifico. Esempio: canale per il GABA (acido gamma-aminobutirrico), un neurotrasmettitore, inibitore, nel cervello. Questo canale viene attivato da farmaci della famiglia delle benzodiazepine, come Valium, Xanax, ecc, che vanno ad agire sul sito di legame e potenziano l’apertura del canale per il cloro.

Canali ionici associati a proteine G. La molecola segnale si lega al recettore. Si attiva la proteina G (alpha, beta, gamma), che va a fosforilare e attivare il canale ionico. Esempi: Fosfolipasi C e Adenilato Ciclasi.

Differenza tra diffusione semplice e facilitata

Dal punto di vista di gradiente di concentrazione:

• La diffusione semplice ha sempre un andamento constante, nel rapporto tra gradiente di concentrazione e flusso (retta).
• Nella diffusione facilitata, all’inizio, quando le molecole si legano ai trasportatori per attraversare facilmente la membrana, l’andamento è simile a quello della diffusione semplice. Avviene però un processo di saturazione: una volta che tutti i trasportatori sono legati da altrettante molecole, le molecole rimanenti non passano facilmente, ma impiegano più tempo. Questo spiega l’andamento della curva a plateau.

Trasporto attivo

Consiste nel trasporto di soluti contro gradiente elettrochimico. Mantiene la differenza di concentrazione ionica intracellulare. Funzionano sia da trasportatori che da enzimi. Si distinguono le: Pompe ad ATP o permeasi attive e le Pompe foto-alimentate.

Pompa Na+/K+

Svolge un ruolo da protagonista nell’economia energetica della cellula e assorbe il 30% del consumo totale di ATP. È una pompa antiporto che espelle 3 ioni sodio all’esterno della cellula e permette l’ingresso di 2 ioni potassio all’interno della cellula. Questo produce la formazione di tre gradienti:

• Gradiente per lo ione Na⁺ maggiormente concentrato all’esterno (anche se il Na⁺ tenderebbe ad entrare all’interno, la pompa Na⁺/K⁺ lo respinge all’esterno).
• Gradiente per lo ione K⁺ maggiormente concentrato all’interno.
• Gradiente elettrochimico dovuto al rilascio di 3 cariche positive all’esterno della cellula e 2 all’interno, mantenendo così il potenziale di membrana (=differenza di carica tra l’ambiente esterno e interno).

Meccanismo di funzionamento: l’ATPasi si apre da un lato, entrano 3 ioni Na⁺. Si stacca un gruppo fosfato, proveniente dall’ATP. Gli ioni Na⁺ vengono liberati all’esterno. L’ATPasi si apre dall’altro lato ed entrano 2 ioni K⁺ che vengono trasportati verso l’interno.

Esempio della Digitalis purpurea che contiene all’interno principi attivi come la digossina e la digitossina, dei farmaci glicosidi cardi attivi, che bloccano il sito di legame del K⁺ e, di conseguenza, l’intera attività della pompa Na⁺/K⁺. Vengono utilizzati per modulare l’attività del cuore.

Trasporto attivo secondario

È una diretta conseguenza del trasporto attivo primario e viene così chiamato, perché l’energia viene fornita dai gradienti di concentrazione creati nel trasporto attivo primario. Dove: a livello intestinale degli enterociti del duodeno. La parte superiore da verso il lume intestinale, mentre la parte inferiore, detta membrana basolaterale, si trova a contatto con i capillari sanguigni.

Il trasporto attivo primario è mediato dalla pompa Na⁺/K⁺ ATPasi, che si trova sulla membrana basolaterale dell’enterocita. La pompa permette agli ioni Na⁺ di uscire dalla cellula. La diminuzione della [Na⁺] intracellulare crea un gradiente di Na⁺: nel lume intestinale, il Na⁺, che si trova libero nel liquido intestinale, viene pompato all’interno della cellula da un trasportatore simporto con il glucosio. Il gradiente formato dalla pompa Na⁺/K⁺ induce il trasporto di Na⁺ secondo gradiente attraverso il trasportatore simporto, consentendo così di ripristinare la concentrazione di Na⁺. Questo trasporto secondario è associato al trasporto di glucosio, che viene portato dagli enterociti ai capillari da GLUT 2 (a livello intestinale) e GLUT 4 (a livello muscolare).

Esempio: il processo di emesi (vomito), provoca una forte disidratazione. In questi casi, si beve acqua con un po’ di sale e zucchero. Il sale (NaCl → Na⁺), permette il trasporto di glucosio all’interno della cellula.

Endocitosi e esocitosi

Sono due processi coordinati che interessano macromolecole (carboidrati, proteine, acidi nucleici, lipidi), grosse particelle, goccioline di lipidi. Con l’endocitosi acquistiamo delle molecole dall’ambiente esterno verso l’interno della cellula. Con l’esocitosi portiamo del materiale all’interno all’esterno della cellula.

• Dal RE al Golgi, alla membrana plasmatica o ai Lisosomi (VIA BIOSINTETICA-SECRETORIA)
• Dalla membrana ai Lisosomi (VIA ENDOCITICA)

L’RNA che giunge dal nucleo viene elaborato e trascritto a livello del RER (dove si trovano i ribosomi). Si formano dei polipeptidi, che attraverso delle vescicole giungono nel cis-Golgi. Entrano quindi nell’apparato di Goldi, dove vengono modificati attraverso una serie di processi enzimatici (ad esempio: rottura ponti disolfuro, aggiunta gruppi metili). Una volta pronti, escono dal trans-Golgi e vengono indirizzati in distretti diversi.

• Alcune di queste vescicole contengono delle proteine che verranno indirizzate sulla membrana, come nel caso dei recettori. Le proteine danneggiate, non funzionali, vengono indirizzate verso i lisosomi.

La secrezione esocitica (il passaggio di macromolecole, dall’interno all’esterno della cellula, tramite formazione di vescicole), può essere endocrina o esocrina.

• Nel caso della secrezione endocrina, il prodotto è un ormone, che viene riversato prima nel sangue, per poi raggiungere l’organo bersaglio.
• Il prodotto della secrezione esocrina viene invece riversato direttamente verso l’ambiente esterno, come la mucosa gastrica o l’apparato respiratorio.

Esempio. Il pancreas ha una componente endocrina, che sono l’insulina e il glucagone, e una componente esocrina, il succo pancreatico, che attraverso vari dotti, va a finire nel duodeno e rilascia nella mucosa gastrointestinale il succo pancreatico.