Riassunto Fisiologia - preparazione esame

Fisiologia umana

Grazie all'aiuto di altre materie come genetica, fisica, chimica, anatomia e anche ingegneria, la fisiologia umana spiega il funzionamento dell'organismo.

La cellula

È l'unità funzionale dell'organismo ed è delimitata dalla membrana plasmatica che ha diversi compiti:

• Separa l'ambiente intracellulare da quello extracellulare, ha una funzione di barriera.
• LIC liquido intracellulare e LEC liquido extracellulare.
• Le membrane permettono un certo grado di comunicazione permettendo quindi gli scambi; con la rottura della membrana abbiamo anche la morte della cellula/citolisi.
• Funzione di trasferimento di informazioni grazie alla presenza di proteine che possono essere distinte in:
  • Recettori; i recettori stessi tipicamente sono proteine G.
  • Alcune proteine possono svolgere un’azione enzimatica quindi permettono alla cellula di svolgere reazioni.

L'ambiente intracellulare ha una composizione diversa da quello extracellulare. Concentrazioni: Na⁺ extra, K⁺ intra, Cl^- intra, Ca⁺⁺ extra, Mg⁺⁺ intra, HCO^3- extra (bicarbonato, più importante tampone nel sangue), fosfati intra, glucosio extra, proteine intra, pH extra, osmolarità uguale.

Prima la membrana era interpretata come un mosaico fluido perché era composta da diverse molecole chimiche che erano da un lato i lipidi e dall'altro le proteine, che si pensava potessero muoversi. Oggi si è visto che non è proprio così; ci sono regioni che sono più rigide che vengono denominate microdomini lipidici che si classificano in:

• Lipid rafts (forma lineare/dritta)
• Caveole (forma di Omega rovesciata)

Sono delle porzioni della membrana molto ricche di colesterolo (zattere lipidiche) che conferisce quindi rigidità alla membrana. Queste strutture sono dette microdomini perché risultano essere delle piattaforme di signaling; cioè in queste strutture vengono radunate proteine che fanno parte di una certa trasduzione di segnale.

Devo stare attenta quando utilizzo il Ca⁺⁺ come secondo messaggero perché se metto troppe quantità di Ca⁺⁺ in cellula potrebbe diventare tossico. Es: se la cellula è in stato di riposo la concentrazione citosolica di Ca⁺⁺ è nanomolare, ma perché il Ca⁺⁺ abbia funzione di secondo messaggero deve arrivare a una concentrazione millimolare; quindi ci serve uno stimolo che fa rilasciare Ca⁺⁺ dagli store intracellulari. Questo innalzamento di Ca⁺⁺ richiede tantissimo tempo ed energia come anche per lo "smaltimento" e questo mette in pericolo la cellula.

Quindi cosa fa la cellula?

Mette nelle caveole tutte quelle proteine che servono per quella trasduzione di segnale e qui avrò il recettore in questione da cui parte il segnale. Esempio la proteina GAlfaS che quando attivata permette la liberazione di Ca⁺⁺. Quindi quando arriva il segnale dall'esterno la cellula si lega al suo recettore che ha lì vicino la proteina G che è responsabile dell'attivazione di un'altra proteina che va a liberarmi il Ca⁺⁺ solo in quella zona dove c'è il necessario per far partire il segnale e quindi poi dovrò abbassare il Ca⁺⁺ solo in quella zona lì. Avendo questi microdomini lipidici perdiamo fluidità perché la membrana è più rigida per la presenza di colesterolo.

Le proteine che troviamo nella membrana hanno mobilità ridotta perché sono collegate tra di loro, con i lipidi e con le strutture citoscheletriche. Quindi si può pensare alle membrane come delle strutture dinamiche nel senso che alcuni dei suoi componenti sono continuamente degradati e ricostituiti, quindi c’è un dinamismo detto turnover. Alcuni componenti della membrana si muovono come per esempio i lipidi che hanno un movimento di diffusione laterale (scambio di posto tra loro), possono ruotare su loro stessi, oscillare o il flip-flop (spostamento di un lipide dal foglietto esterno al foglietto interno o viceversa, molto raro ed è un segno che qualcosa non va).

La membrana lipidica è costituita da due foglietti, il doppio strato fosfolipidico. Uno strato che guarda lo spazio extracellulare e l’alto strato che guarda lo spazio intracellulare. Quando un lipide dello strato extracellulare prende il posto di uno intracellulare questo è il flip-flop. I due foglietti contengono lipidi diversi l’uno dall’altro e per questo abbiamo un'asimmetria che però deve essere mantenuta. Un altro motivo per cui possiamo dire che la membrana è asimmetrica è la presenza del glicocalice (residui di zuccheri) sul lato esterno.

Le proteine

Possono essere distinte in:

• Transmembrana che attraversano completamente il doppio strato lipidico. Le proteine hanno queste funzioni che possono essere presenti tutte sulla stessa proteina sono:
  • Hanno funzione di trasportare ioni e molecole.
  • Queste proteine possono essere anche recettori quindi avere un ruolo recettoriale.
  • Possono essere degli enzimi.
  • Possono avere un ruolo strutturale, di collegamento e funzioni meccaniche.
• Periferiche che sono associate al lato interno o a quello esterno della membrana ma non l’attraversano. Hanno un ruolo strutturale se legate all’interno della cellula e un ruolo informazionale se legate all’ambiente esterno. Esempio la spectrina ha un ruolo strutturale nei globuli rossi.

La membrana plasmatica è una barriera che permette delle vie di scambio; queste vie di trasporto sono:

• Endocitosi (o pinocitosi) /esocitosi: il trasporto avviene attraverso vescicole, attivo sempre, ATP.
• Trasporto mediato dalle proteine: diffusione facilitata passivo, trasporto attivo secondario cioè non consuma ATP ma ha bisogno che qualcuno la consumi se no lui non può avvenire.
• Trasporto per diffusione semplice: passivo sempre, no ATP.

Queste tipologie possono anche essere distinte in base al fatto che consumino o meno energia:

• Attivo se consuma energia come endocitosi e esocitosi. Si consuma energia perché bisogna costruire una rete citoscheletrica che forma la vescicola.
• Attivo se ha bisogno di energia per poter avvenire come i trasporti mediati da proteine oppure passivo se il trasporto avviene senza consumo di energia e viene chiamato diffusione facilitata.
• Passivi se non richiedono consumo di energia, sono i trasporti per diffusione e alcuni trasporti mediati.

La diffusione semplice è un trasporto che avviene attraverso la membrana semplicemente attraverso il doppio strato fosfolipidico. Le molecole che utilizzano questo trasporto sono molecole piccole non cariche perché devono essere lipofile (es gas, no glucosio) e ioni. La diffusione è guidata dalla tendenza. Le reazioni metaboliche si spostano da un’alta energia quindi con una concentrazione più elevata, verso una bassa energia cioè una concentrazione meno elevata. Il gradiente chimico guida gli spostamenti.

Un flusso è il numero di moli di una certa specie chimica che attraversa una superficie di membrana in un dato tempo (mol/cm²min):

• Flusso unidirezionale: una molecola passa da un ambiente più concentrato ad uno meno concentrato.
• Flusso netto e nullo: non è corretto dire che non c’è flusso perché ci sarà sempre qualche molecola che passa da una parte all’altra e viceversa.

I fattori che regolano il processo diffusivo:

• Forza: gradiente di concentrazione (ΔC).
• Superficie: maggiore è la superficie maggiore è il flusso (DA).
• Caratteristiche della molecola es lo spessore (ΔX).

La Prima legge di Fick descrive la diffusione semplice. Il flusso (J) è direttamente proporzionale alla superficie (A) alle caratteristiche della diffusione quindi al coefficiente (D), al gradiente di concentrazione (ΔC) e inversamente proporzionale allo spessore della membrana (ΔX).

J=-DA ΔC/ΔX

L’acqua essendo polare si sposta attraverso le acque porine. L’osmosi è il flusso di acqua attraverso la membrana secondo il proprio gradiente di concentrazione, la pressione osmotica è la pressione necessaria per bloccare l’osmosi. L’osmolarità è data dal numero dei soluti osmoticamente attivi presenti in una soluzione. Es: se ho una soluzione di 100 millimolari di calcio cloruro (Ca++Cl2) quando metto il Ca++Cl2 in soluzione diventa Ca++ e poi ho due molecole di Cl. Quindi il totale delle molecole è tre. Quindi l’osmolarità sarà 3x100= 300 milliosmoli.

Un soluto è osmoticamente attivo se richiama acqua:

• Iso-osmotico: stesso numero di soluti osmoticamente attivi il movimento dell’acqua è nullo.
• Ipo-osmotico: è un ambiente che ha meno soluti osmoticamente attivi rispetto ad un altro ambiente. Qui l’acqua va dall’ambiente ipo-osmotico all’altro che è iper-osmotico. Ha meno soluti e più acqua che però cede.
• Iper-osmotico: se ho un ambiente che è più ricco di soluti osmoticamente attivi. Questo ambiente richiama acqua.

Un eccessivo rigonfiamento di acqua in cellula può portare a lisi cellulare, in caso opposto possiamo avere un addensamento del citosol e anche in questo caso abbiamo la morte cellulare. Nel trasporto mediato dalle proteine di membrana le proteine possono essere classificate come:

• Proteine canale (canali ionici): non contraggono rapporto con le molecole cioè non generano legami chimici. Movimento molto rapido.
• Proteine trasportatrici: prendono la proteina e la portano dall’altra parte e la rilasciano. È un trasporto lento perché crea un legame con la molecola. Ha una cinetica di saturazione. Specificità chimica, cinetica di saturazione e competizione rendono simile il trasportatore ad un enzima (l’enzima trasforma la molecola che trasporta il trasportatore no). Direzioni:
  • Uniporto: una molecola.
  • Simporto: più molecole nella stessa direzione.
  • Antiporto/contro trasporto: direzioni diverse.

Hanno in comune il fatto che la molecola non entra in contatto con il doppio strato fosfolipidico (si crea una galleria).

La diffusione facilitata è un trasporto passivo, no ATP ma richiede la presenza di una molecola trasportatrice (es glucosio). Siccome è un trasporto passivo, la forza che guida il trasporto è il gradiente di concentrazione.

Il trasporto attivo può venire anche contro gradiente di concentrazione perché l’affinità della molecola per l’affinità del trasportatore per le molecole da trasportare è diversa ai due lati della membrana. Esempio pompa NaK che permette l’estrusione di tre ioni Na e l’ingresso in cellula di due ioni K antiporto cationico; questo grazie a spese di ATP. La molecola ha diversa affinità per la specie da trasportare a seconda che sia aperta all’esterno o verso l’interno; un altro esempio è la pompa del Ca è un uniporto, PMOA se si trova sulla membrana della cellula, SERCA se si trova sul reticolo. Un altro esempio è il trasporto attivo di HK che è il responsabile dell’acidità del pH dello stomaco.

I trasporti attivi secondari sono trasporti che sfruttano il gradiente elettrochimico essenzialmente del Na (il gradiente è stato generato dall’utilizzo dell’ATP da parte della pompa NaK). Tipicamente trasportano almeno due molecole (uno è lo ione Na) quindi sono simporti/contro trasporti.

I canali ionici

I canali ionici sono delle proteine transmembrana (la pompa NaK non è un canale ionico) che formano un poro che permette il passaggio degli ioni. Una volta aperti hanno un trasporto che è guidato dal gradiente elettrochimico (no ATP). Funzioni:

• Per le cellule eccitabili sono responsabili dei potenziali d’azione.
• Cellule non eccitabili.

In tutte le cellule sono responsabili del potenziale di membrana a riposo e dell’aumento di Ca citosolico (il Ca è un secondo messaggero). Controllare il volume cellulare può essere importante per le funzioni di assorbimento o riassorbimento degli ioni. I canali ionici possono essere definiti:

• Passivi che sono canali che sono costitutivamente aperti (flusso costante).
• Normalmente chiusi ma che possono essere aperti da stimoli come:
  • La deformazione meccanica della membrana e questi canali si chiamano meccanoattivati.
  • Canali ligando che per aprirsi devono avere un ligando che può essere un neurotrasmettitore (segnale chimico).
  • Canali a voltaggio attivato o voltaggio dipendenti si aprono in risposta a cambiamenti di voltaggio (potenziale di membrana).

I canali ionici sono proteine di grandi dimensioni che presentano dei siti di ancoraggio sia a livello citoplasmatico sia a livello extracellulare dove qui presentano glicosilazioni. Abbiamo un arricchimento di aminoacidi idrofilici verso la parte del poro mentre di aminoacidi idrofobici nella parte che attraversa il doppio strato fosfolipidico. Quando è aperta si riempie di acqua ed è attraversata da ioni. Il canale ionico è dotato di filtro selettivo e discrimina per:

• Carica (+ e – si attraggono).
• Dimensione: dimensione del poro.
• Energia di solvatazione: energia necessaria da fornire allo ione affinché le molecole d’acqua si sganciano.

Vm=Vi-Ve Potenziale di membrana a riposo Vm cioè il potenziale intracellulare che ha sempre un valore negativo. Potenziale all’interno della cellula Vi Potenziale all’esterno della cellula Ve. Es: le cellule eccitabili come neuroni, cellule cardiache e muscolari hanno un potenziale di membrana a riposo che varia tra i -60 e i -90 millivolt, le cellule non eccitabili come endoteli e epiteli vanno da -20 a -30 millivolt.

La direzione della corrente viene definita dal movimento delle cariche positive, esempio il Na entra quindi si definisce entrante perché essendo caria positiva si muove da fuori a dentro (ed è più presente nella parte esterna), il Cl essendo che è carica negativa si muove da dentro a fuori (ed è più presente all’interno). – è anioni e + è cationi. È depolarizzante una corrente che riduce la separazione di cariche a cavallo della membrana, aggiunge cariche positive esempio il Na, è una corrente iperpolarizzante quella che rende più negativo l’ambiente come per esempio il K.

I principali ioni sono Na⁺, Cl^-, K⁺, amioni organici (proteine). A pH cellulare tutte le proteine sono cariche negativamente (è per questo che la cellula è negativa). Equilibrio di Donnan Le proteine non possono passare attraverso le membrane e non diffondono. Le membrane separano le proteine. L’altro fattore che contribuisce alla genesi del potenziale di membrana di riposo è la presenza dei canali ionici passivi.

Nerst ha generato una formula che ci permette di calcolare il potenziale di equilibrio (di qualsiasi ione) conoscendo la concentrazione dello ione all’esterno della cellula e all’interno:

Ex=RT/zF ln (x)e/(x)i

• Costante dei gas R
• Temperatura T (Espressa in Kelvin K)
• Costante di Faradei F
• Valenza ionica dello ione z (cioè la carica dello ione, es: +1, +2, -1, -2)
• Logaritmo naturale ln
• Rapporto tra la concentrazione extracellulare e la concentrazione intracellulare (x)i/(x)e

Goldman: formula per calcolare il potenziale di riposo di una cellula (è una media ponderata sul numero dei canali, è negativo), dobbiamo considerare RT/F, tutti gli ioni, la permeabilità della membrana (numero dei canali) e la concentrazione dentro e fuori la cellula.

Vm=RT/F ln Pk(K+)e+Pna(Na+)e+Pcl(Cl-)i/Pk(K+)i+Pna(Na+)i+Pcl(Cl-)e

Il potenziale di riposo è la diversa distribuzione delle cariche a cavallo della membrana ed è dovuto alla presenza di canali ionici passivi, al fatto che le proteine sono trattenute dentro la cellula e alla pompa NaK.

La conduzione elettronica

Meccanismi di comunicazione locale: le proprietà elettriche passive del neurone sia il potenziale graduato sia il potenziale d’azione sono dei segnali elettrici. Quando il neurone si trova in condizioni di riposo il suo potenziale d’azione è -70mV, quando viene stimolato abbiamo l’apertura di canali ionici (perché è una cellula nervosa/eccitabile come il cuore e i muscoli). La stimolazione può essere:

• Depolarizzante tipo eccitatorio cariche positive.
• Iperpolarizzante tipo inibitorio, cariche negative.

Queste risposte vengono definite potenziali post-sinaptici, cioè all’arrivo di uno stimolo la cellula risponde con una variazione del potenziale di riposo. Questo tipo di variazione di segnale viene definito potenziale graduato (tipicamente eccitatorio). Se un potenziale graduato arriva a soglia allora parte il potenziale d’azione (è un segnale elettrico diverso). Il potenziale graduato è modulabile in ampiezza cioè che la variazione di potenziale che ottengo dipende:

• Dall’intensità dello stimolo cioè dalla corrente che lo ha generato (corrente piccola piccola, corrente grande variazione grande).
• Man mano che il potenziale graduato si sposta dal punto dove è stato generato, perde in ampiezza, perché la membrana delle cellule non è un perfetto isolante quindi si hanno vie di fuga di correnti.

Il potenziale d’azione non è modulabile in ampiezza, cioè quando si genera, si genera sempre nello stesso modo e con la stessa ampiezza. L’importante è arrivare a soglia perché da lì in poi i potenziali d’azione sono sempre uguali e si propaga senza subire decremento. Come si può aumentare l’isolamento della membrana? Con la guaina mielinica. Gli assoni sono l’asse lungo il quale avviene la propagazione del segnale elettrico e sono ricoperti da mielina (non tutti i neuroni hanno la mielina). Una cellula nervosa è fatta da:

• Un corpo cellulare
• Dai dendriti
• Dall’assone