Riassunto Fisiologia

I compartimenti fluidi del corpo

L'acqua

Tutti gli esseri viventi sono organizzati in cellule e l’elemento fondamentale è l’acqua e il suo trasporto. L’uomo può vivere fino a 30 giorni senza cibo ma muore dopo pochi giorni senz’acqua, è composto per il 60% di acqua e l’embrione addirittura dal 95%. Nell’acqua avvengono le reazioni chimiche e vi sono disciolti tutti i soluti necessari. Il nostro corpo è in grado di produrre autonomamente acqua tramite il metabolismo, ma non può bastare a mantenere un equilibrio tra entrate e uscite perché l’acqua esce dal nostro organismo attraverso tutte le mucose e l’apparato tegumentario, per questo la perdita deve essere reintegrata con l’assunzione di acqua:

• Assunzione di acqua 400
• Evaporazione cutanea: anche senza sudorazione causata da regolazione termica 500
• Assunzione di bevande 600
• Aria espirata: durante l’inspirazione l’aria viene portata a una T maggiore e viene saturata d’acqua per permettere gli scambi, durante l’espirazione perdo quest’acqua 350
• Cibi 760
• Urine 1100
• Metabolismo: la respirazione cellulare produce acqua, per 100 grammi di alimento posso produrre: proteine 41, carboidrati 56, grassi 107
• Feci 150

TOTALE 2500 TOTALE 2500

L'organismo è sempre mantenuto in equilibrio in modo che l'entrata e l'uscita di acqua sia uguale, mantenendo così la perfetta idratazione dell’organismo e mantenendo la stessa concentrazione di soluti, quindi la stessa osmolarità. Il 60% di acqua non è distribuito in modo omogeneo nell’organismo ma si distribuisce a seconda della funzione di ogni organo: la saliva è composta per il 99,5% di acqua (il resto sono enzimi) la linfa per il 95%; il rene invece è l’organo che contiene più acqua in assoluto perché la sua funzione è di regolazione dei fluidi e contiene l’82% di acqua anche più del sangue che ne è composto per il 79%. Il tessuto più povero in assoluto di acqua è quello adiposo.

Altri costituenti della materia vivente

Il restante 40% del peso corporeo dell’organismo umano è composto da elementi primari e elementi in tracce, sono cioè altre sostanze essenziali per il funzionamento dell’organismo stesso oltre ai costituenti.

Tutti questi possono muoversi all’interno dell’organismo passando determinate barriere (come la membrana plasmatica o la parete dei capillari) a seconda delle necessità. Infatti, calcio, fosforo e magnesio possono essere presi dalle ossa impoverendole e mandati nel circolo sanguigno se vi è carenza e viceversa. Un eccesso viene eliminato dai reni. In particolare il calcio, per questo si osserva la calcemia del sangue.

Lo spostamento di acqua nei compartimenti dell’organismo e le variazioni di volume

Analizzando un uomo medio di 80 Kg posso dire che: Acqua contenuta 60% PC, 48 Kg = 48L di acqua.

• FIC: fluido intracellulare, 40% PC, membrana plasmatica 32 L
• FEC: fluido extracellulare, 20% PC, parete capillari 16L
• FIS: fluido interstiziale 15% PC, plasma: 5% 4L, 12L

Le 2 barriere che separano i diversi compartimenti dell’organismo regolano tutti gli scambi di acqua e soluti tra loro e con organi comunicanti con l’esterno come reni, polmoni e tubo digerente che permettono di mantenere costante le composizioni e le concentrazioni del FEC in cui il plasma forma con la sua parte fluida il liquido interstiziale e ne regola le concentrazioni dei soluti essenziali per la vita e la stabilità delle cellule immerse.

• Endotelio capillare: barriera non particolarmente selettiva che permette l’uscita di acqua per filtrazione e l’entrata per osmosi, i soluti invece passano per diffusione semplice oppure per trascinamento operato dallo spostamento di acqua; l’unica eccezione alla libertà di movimento dei soluti è per le proteine che all’altezza del glomerulo renale non possono uscire dal capillare per filtrazione causando una diminuzione di pressione di filtrazione.
• Membrana cellulare tra FIC e FEC: responsabile di tutti gli scambi con la cellulare. L’acqua si sposta facilmente per osmosi e quindi segue gli equilibri dei soluti mentre per i soluti il trasporto è complesso e mediato da proteine di membrana.

Variando gli equilibri di concentrazione dei soluti possono variare le pressioni osmotiche e quindi ottenere spostamenti di acqua che cambiano i volumi di cellula o liquido extracellulare: l’organismo cerca comunque di tornare a uno stato di equilibrio in cui la pressione osmotica dentro e fuori la cellula sia uguale (stesse concentrazioni di soluti) grazie allo spostamento di acqua. Ottengo quindi un nuovo equilibrio in cui la pressione osmotica è diversa da quella normale ma comunque in equilibrio tra le 2 parti.

Assunzione di acqua

Bevo, oppure iniezione in endovena di acqua distillata.

• Il volume del FEC aumenta
• I soluti sono più diluiti
• Diminuisce la pressione osmotica
• Il FEC cede acqua (conc minore) al FIC che aveva la stessa pressione osmotica del FEC iniziale, quindi ora è maggiore
• Aumenta il volume cellulare (FIC)
• Le concentrazioni diminuiscono
• Diminuisce la pressione osmotica = al FEC che ora è uguale a quella esterna del FEC: equilibrio

Le pressioni osmotiche sono uguali ma minori rispetto all’inizio. Le cellule aumentano di volume (perdita funzione globuli rossi).

Uscita di acqua

Disidratazione.

• Il FEC a contatto con l’esterno perde acqua (disidratazione)
• Diminuisce il volume del FEC
• Aumentano le concentrazioni dei soluti del FEC
• Aumenta la pressione osmotica del FEC
• La maggiore pressione richiama acqua dalle cellule
• Le cellule diminuiscono il loro volume
• Aumentano le concentrazioni e aumenta la pressione osmotica del FEC

Le pressioni osmotiche sono uguali ma maggiori rispetto a prima. Le cellule diminuiscono di volume.

Entrata di NaCl

Mangio salato, eccessivo riassorbimento renale, somministro un farmaco troppo concentrato.

• Aumenta la concentrazione del soluto nel sangue, quindi nel FEC
• Aumentando la concentrazione, aumenta la pressione osmotica
• La maggiore pressione richiama acqua dalle cellule che diminuiscono di volume a favore del FEC
• Diminuendo il volume cellulare aumenta la pressione osmotica del FIC che eguaglia quella esterna
• La pressione osmotica diminuisce e eguaglia l’esterna

Le pressioni osmotiche sono uguali ma maggiore rispetto all’inizio. Le cellule diminuiscono di volume.

Uscita di NaCl

• I soluti vengono dispersi e diminuisce la concentrazione nel FEC
• Diminuisce la pressione osmotica perché la soluzione è più diluita
• Le cellule allora acquistano acqua perché hanno pressione osmotica maggiore perché hanno più soluti
• Le cellule aumentano di volume
• La concentrazione dei soluti diminuisce perché diluiti

Le pressioni osmotiche sono uguali ma minori rispetto all’inizio. Le cellule aumentano di volume.

Gli equilibri osmotici sono importanti per la somministrazione di medicinali in endovena: se somministrati in acqua distillata avrei una situazione di entrata eccessiva di acqua come nel primo caso, se somministrassi solo il PA non diluito avrei un aumento di soluti come nel 3° caso, ma se somministro una soluzione fisiologica non ho conseguenze perché viene somministrata una soluzione di acqua e NaCl a concentrazione 0.9% che ha pressione osmotica uguale a quella normale del FEC che è uguale a quella del FIC; in questo modo aggiungo sia un soluto che un solvente nelle giuste proporzioni e non do vita a nessun flusso di acqua che scompensa gli equilibri.

La membrana cellulare

La membrana cellulare è la forma più semplice di barriera tra FIS e FIC ed è caratterizzata da una struttura a mosaico fluido formata da un doppio strato di fosfolipidi con immerse proteine (e glicoproteine), i 2 strati sono diversi e hanno caratteristiche diverse. Prima della teoria del mosaico fluido si pensava che la membrana fosse costituita da un doppio strato fosfolipidico ricoperto completamente di proteine che creavano dei pori acquosi (ipotesi di Danielle e Davinson).

Compito della membrana

• Mantenere 2 ambienti separati con concentrazioni e componenti diverse
• Deve mantenere le concentrazioni dei 2 stati che divide costanti nel tempo
• Divide anche una differenza di potenziale tra interno e esterno

I soluti possono spostarsi attraverso la membrana secondo gradiente (trasporto passivo) o contro gradiente (trasporto attivo) e a seconda delle loro caratteristiche di idrofilicità, carica e dimensioni possono essere coadiuvate dall’azione di proteine come canali, proteine per il trasporto facilitato (secondo gradiente) o per trasporto attivo (pompe e scambiatori).

Le diverse concentrazioni tra interno ed esterno

• Trasporto attivo: come nel caso della pompa sodio potassio che mantiene costantemente una bassa concentrazione di sodio all’interno e un’alta all’esterno e un gradiente elettrico, questo processo si oppone ai normali flussi che si spostano secondo gradiente (canale del sodio e del potassio che fanno passare gli ioni secondo gradiente) formo quindi una situazione di stato stazionario (costanza nei flussi).
• Caratteristiche di permeabilità della membrana: come nel caso dell’emoglobina contenuta nei globuli rossi. Se la consideriamo come un normale soluto tenderebbe a uscire nel plasma dove la concentrazione è 0, ma resta nei globuli rossi perché non può attraversare la membrana.

Al contrario la membrana deve essere permeabile a tutte le sostanze nutritive e all’ossigeno e alle sostanze di rifiuto in modo che anche le loro concentrazioni restino costanti.

Il liquido interstiziale

Il liquido interstiziale è caratterizzato da una composizione e da concentrazioni di soluti ben precisa che può oscillare entro limiti ristrettissimi compatibili con la vita: tutte le funzioni dell’organismo sono volte a mantenere questo stato di equilibrio:

• pO2, pCO2: costanti per mantenere le condizioni in cui è possibile la respirazione cellulare
• [Sostanze nutritive]: devono essere presenti in una concentrazione tale da creare un gradiente per entrare nella cellula, anche se presenti ma in concentrazioni troppo basse non varcherebbero comunque la membrana
• [Prodotti di rifiuto] la concentrazione deve essere mantenuta il più possibile bassa grazie agli scambi con il plasma in modo da poter permettere alla cellula di cedere in modo passivo i suoi rifiuti al liquido interstiziale
• pH
• Pressione osmotica: globalmente deve essere mantenuta una certa somma di pressioni osmotiche che altrimenti causerebbe dei flussi d’acqua
• Anioni e cationi
• Volume interno: sempre legato alla funzione

Osmosi e pressione osmotica

L’osmosi è un fenomeno per cui si ha un flusso d’acqua da una zona meno ricca di soluto a una più ricca di soluto. Questa pressione è stata misurata per la prima volta grazie a un esperimento in cui si studia una situazione di equilibrio in cui la pressione osmotica è opposta alla forza idrostatica rappresentata dall’altezza raggiunta dall’acqua in una canula. L’esperimento prevede l’immersione di un sacchetto membranoso dotato di una canula in un becher pieno d’acqua; la membrana è permeabile all’acqua ma non al soluto (fruttosio). In questo caso quindi la pressione osmotica è uguale alla forza peso esercitata dalla soluzione nella canula.

La pressione osmotica può essere misurata in diversi modi:

• Metodo diretto: appena descritti
• Plasmo lisi: via sperimentale in cui un globulo rosso viene immerso in una soluzione, osservando le sue modificazioni desumo la pressione osmotica della soluzione in cui è immerso
• Punto di congelamento: più una soluzione è concentrata e più il T di congelamento è bassa
• Tensione di vapore

Il flusso osmotico

Quantità d’acqua che passa nell’unità di tempo attraverso la membrana quando c’è una differenza di concentrazione di soluto tra i 2 ambienti. Questo parametro è stato misurato grazie a un secondo esperimento in cui si analizza un cilindro separato da una membrana, da un lato trovo uno stantuffo mobile, mentre dall’altro trovo un capillare. A diverse concentrazioni tra i 2 ambienti osservo lo spostamento di acqua verso il compartimento con maggiore concentrazione di soluto che farà innalzare il livello di acqua nel capillare e spostare lo stantuffo nell’altra sezione. Posso così misurare la quantità di acqua che si è spostata per raggiungere l’equilibrio.

In condizioni non sperimentali è possibile calcolare la pressione osmotica grazie alla legge di Van’t Hoff dei gas ideali:

\[ \Pi = nRT \]

Questa legge è valida per soluzioni molto diluite e non di elettroliti, ciò perché gli elettroliti in soluzione si sciolgono e quindi danno vita a 2 molecole, la pressione osmotica quindi raddoppia. Correttamente dovrei usare le attività e non le concentrazioni. L’osmolarità è il parametro reale della somma delle pressioni osmotiche in un ambiente complesso caratterizzato da una soluzione contenente più soluti e non in uno stato ideale di diluizione.

\[ \text{Osmolarità} = \sum (m \cdot \Phi \cdot \text{Concentrazione dei soluti}) \]

In questo modo posso calcolare l’osmolarità della soluzione fisiologia in cui ho un solo soluto NaCl allo 0,9% di concentrazione. \[ \text{Osmolarità} = 286,45 \]. Un’osmolarità minore causerebbe un’entrata di acqua nelle cellule e in particolare nei globuli rossi che perderebbero la loro caratteristica forma biconcava e quindi la loro funzione.

Il flusso (di soluti): numero di moli che passano attraverso la sezione A (membrana) nell’unità di tempo. È quindi uno spostamento di moli di soluto da una soluzione più concentrata a una meno concentrata. Il concetto di flusso può essere applicato a molte altre materie: flusso di calore o flusso di carica (spostamento di ioni, elettricità).

La legge di Fick

Legge secondo cui le molecole si muovono nella soluzione per agitazione termica e, se libere di passare attraverso la membrana, queste la attraversano passando da un ambiente alfa a un ambiente beta secondo un parametro: il coefficiente di permeabilità che è caratteristico del tipo di membrana e che è simile a una probabilità. Ogni molecola ha la stessa probabilità di attraversare la membrana, quindi l’ambiente con maggiore concentrazione pur avendo stessa % di probabilità vedrà uno spostamento maggiore di moli (10% di 100, e 10% di 2000). Osservo quindi un flusso netto del soluto che è dato dalla differenza del flusso da alfa a beta e del flusso da beta a alfa. Quindi anche se esternamente sembra avere un flusso unidirezionale, in realtà ho flussi in entrambe le direzioni ma uno è maggiore dell’altro e dipende dalla diversa concentrazione del soluto:

\[ J = -D \cdot \frac{dC}{dx} \]

Osservo inoltre che aumentando lo spessore della membrana, diminuisce anche il flusso di molecole che riescono a passare da un ambiente all’altro. Quindi la probabilità che una mole passi (k) è inversamente proporzionale allo spessore della membrana e la costante di proporzionalità è il coefficiente di diffusione.

\[ J = -D \cdot \frac{dC}{dx} \]

Il flusso applicato alla membrana cellulare

La caratteristica della membrana cellulare è che è formata da fosfolipidi e quindi caratterizza uno strato idrofobico con cui i soluti entreranno in rapporto. I soluti si sciolgono diversamente nel solvente acquoso e in quello lipidico per questo osserverò delle concentrazioni diverse tra il liquido extracellulare, le facce della membrana rivolte su di esso e il liquido intracellulare.

Un’ipotesi ideale mi dice che le concentrazioni passando da alfa a beta hanno un andamento lineare e quindi, dalla concentrazione alfa più alta passando attraverso la membrana diminuiscono fino alla concentrazione beta della membrana rivolta sul secondo ambiente (ciò significherebbe che il soluto si scioglie nell’acqua come nei lipidi). In realtà la concentrazione di soluto in alfa e quella della membrana che vi è affacciata non sono uguali, riconosco una c alfa e una c* (limite) alfa, legate tra loro da un coefficiente: il coefficiente di ripartizione: B: indica il rapporto tra la concentrazione del soluto nella fase lipidica con la concentrazione del soluto nella fase acquosa. Osservando questo dato capisco quanta differenza c’è tra i 2 stati, se il valore è uguale a 1, significherebbe che il soluto si scioglie in modo uguale in acqua e nei lipidi, e quindi non avrei differenza tra le concentrazioni degli ambienti e quelle ai limiti della membrana.