Introduzione alla fisiologia: omeostasi, comunicazione cellulare e canali ionici

Introduzione alla Fisiologia

217 LEZIONE 1 - FISIOLOGIA - 03/10/2023 - Prof. Carla Mucignat Linda Ardiani, Veronica Cietto, Andrea Dalla Via, Martina Breda

Cos'è la Fisiologia

La fisiologia è la scienza che studia il funzionamento di un organismo vivente e delle parti che lo compongono. In particolare, analizza i processi chimico-fisici che avvengono sia a livello molecolare, nelle cellule, che a livello macroscopico, nei tessuti, negli organi e negli apparati.

L'Omeostasi

Uno dei concetti fondamentali per la fisiologia è l'omeostasi, ossia il processo che tende a mantenere stabili le condizioni interne dell'organismo. Si tratta di un equilibrio dinamico che è reso possibile grazie a sistemi regolatori presenti nel nostro corpo che controllano i parametri fisiologici (temperatura, pressione, glicemia, ... ). È detta "condizione fisiologica" lo stato in cui si verificano le normali funzioni di un organismo o di un sistema, mentre una "condizione patologica" è caratterizzata da variazioni dei parametri fisiologici che si traducono in malattie, le quali possono avere effetti permanenti o reversibili. In medicina si parla di "restitutio ad integrum", per indicare il ritorno alla normalità strutturale e funzionale di tessuti, organi, apparati colpiti da fenomeni patologici. Tuttavia, in fisiologia si ritiene che qualsiasi danno tasci un segno e che la condizione precedente alla comparsa della malattia non venga in nessun caso completamente ripristinata, nonostante ci sia comunque un ritorno alle condizioni fisiologiche. Prerequisiti necessari per il corso specificati dalla professoressa: strutture della cellula, comunicazione tra cellule (sinapsi, potenziale d'azione, .. ), sintesi delle proteine.

Comunicazione Extracellulare

La comunicazione endocrina coinvolge la secrezione di un ormone all'interno del torrente sanguigno e l'effetto di esso avviene a distanza, nelle cellule bersaglio dotate di specifici recettori (di membrana o citoplasmatici) Nella comunicazione autocrina l'effetto avviene nelle vicinanze e in cellule dello stesso tipo. Nella comunicazione paracrina l'effetto avviene nelle vicinanze ma in tipologie cellulari differenti L'mRNA da' origine a tre classi di proteine:

• proteine del citoplasma: sintetizzate nei poliribosomi liberi, rimangono nel citoplasma, subiscono poche modificazioni dopo essere state tradotte, vanno a costituire gli elementi fibrillari e gli enzimi
• proteine nucleari, mitocondriali e perossisomali: sintetizzate nei poliribosomi liberi nel citoplasma, raggiungono la destinazione dopo la sintesi a seconda delle sequenze amminoacidiche
• proteine di membrana e proteine secretorie: sintetizzate nei poliribosomi del RER o sostanza di Nissl, hanno una sequenza segnale all'N-terminale, proteolizzata nel lume del RE. Si dividono in:
  • proteine adese alle membrane del RE, dell'apparato di Golgi e delle vescicole che si staccano da esso. Possono essere:
    • inserite: attraversano il doppio strato lipidico, (es. recettori dei neutotrasmettitori)
    • ancorate tramite legami covalenti alla membrana
    • associate, ossia mantenute in posizione tramite interazioni proteina/proteina o proteina/lipide (es. anidrasi carbonica)
  • proteine del lume del RE o del Golgi, non adese alle membrane
  • proteine sintetizzate insieme a quelle delle membrane, ma che poi si distaccano in vescicole (lisosomi e vescicole secretorie)

Processi Chimico-Fisici Fisiologici

Esempio di processi chimico-fisici fisiologici Le proteine associate sono mantenute in sede da interazioni di forza minore rispetto ai legami covalenti; perciò, per far si che non venga alterata la loro posizione è necessario avere un controllo della forza ionica. Nei reni si trova il sistema che regola l'equilibrio elettrolitico Funzioni della membrana plasmatica:

• consentono un trasporto selettivo delle sostanze
• riconoscimento delle cellule (antigeni)
• comunicazione (recettori)
• organizzazione tissutale
• attività enzimatica
• forma della cellula (citoscheletro)

Trasporto e Scambi Attraverso la Membrana Cellulare

Il trasporto attraverso la membrana plasmatica è altamente selettivo e si può suddividere in diverse tipologie.

Trasporto Tramite Vescicole

Le sostanze non attraversano lo strato lipidico ma entrano ed escono dalle cellule mediante vescicole, consumando energia. Questo tipo di trasporto di divide a sua volta in esocitosi, pinocitosi ed endocitosi.

Diffusione

La diffusione è un processo che non richiede energia e riguarda tutte le molecole dotate di moto casuale termico (moto browniano). Avviene solo a favore di gradiente ed è un processo molto lento in termini biologici: in 1 millesimo di secondo la molecola percorre 1 micron. Un esempio di molecole che diffondono nel nostro organismo sono i gas respiratori come l'ossigeno. La diffusione, infatti, avviene a livello degli alveoli polmonari, i quali possiedono pareti sottilissime. Il fenomeno della diffusione viene utilizzato solo laddove le distanze da percorrere sono molto piccole. Il tempo di percorrenze è proporzionale al quadrato della distanza Per tutte le molecole che si diffondono tramite le membrane cellulari vi è un coefficiente di diffusione che si calcola con l'equazione di Stokes-Einstein, che va ad indicare il valore che mi indica la facilità di movimento della molecola attraverso la membrana:

D = kT 6πμ k= costante di Boltzmann: è data da R (R=costante dei gas perfetti; Na= numero di Avogadro) Na T= temperatura in Kelvin >>la diffusione è direttamente proporzionale alla temperatura, quindi, più aumenta la temperatura più lo scambio avviene facilmente 6Tr= sei volte « per il raggio della molecola >>il coefficiente di diffusione è inversamente proporzionale al raggio della molecola; quindi, più è grande la molecola più fa fatica a muoversi per diffusione. u= viscosità del doppio strato fosfolipidico; può variare nel nostro organismo (la resistenza allo scorrimento) In patologie come l'edema polmonare o la fibrosi aumenta la superficie che la molecola deve percorrere tra la parete del vaso e l'aria per accumulo di liquido, di conseguenza aumenta a sua volta il tempo di diffusione, rendendo così lo scambio respiratorio meno efficiente.

• 6Tr= sei volte 7 per il raggio della molecola, il coefficiente di diffusione è inversamente proporzionale al raggio della molecola, più grande è la molecola più sarà complicata la diffusione.
• u= viscosità del mezzo in cui si muove la molecola, cioè la resistenza allo scorrimento che la molecola può subire, che favorisce o sfavorisce l'entrata o l'uscita della molecola, questo valore può subire delle variazioni in base alle composizioni biologiche di cui è fatta la membrana.

Legge di Fick

Velocità Netta di Diffusione

Invece la velocità di diffusione di una molecola dipende dal coefficiente di diffusione tipico della stessa molecola e da altre condizioni: come, ad esempio, la superficie della membrana su cui avvengono gli scambi e la differenza di concentrazione delle sostanze ai due capi della membrana. Questa relazione è espressa dalla legge di Fick: essa definisce la velocità netta di diffusione (V) che dipende da:

• coefficiente di diffusione (D), è proporzionale alla velocità con cui una molecola può muoversi nel liquido biologico costitutivo della membrana. (C)
• area di membrana, cioè la sezione interessata al processo diffusivo (A), più è grande la membrana e più scambi possono avvenire, ciò spiega ad esempio come in neuroni diversi per loro dimensione siano attivati più o meno velocemente
• gradiente di concentrazione del soluto ai lati della membrana (G) la diffusione avviene dalla zona a concentrazione più alta a quella più bassa C · A · G V=‘‘ É importante specificare che quando si parla di movimento si parla di movimento netto, termine che definisce l'uguale numero di particelle in movimento continuo ma con modulo diverso. Se sono in una condizione d'equilibrio dinamico, cioè con la stessa concentrazione del soluto da entrambe le parti, lo stesso numero di ioni si muoverà in un senso e nell'altro ma il flusso netto sarà pari a zero. Più la concentrazione varia a destra a sinistra più il flusso sarà sbilanciato in un senso o nell'altro, la diffusione va sempre dalla concentrazione più alta a quella più bassa.
• spessore della membrana (S)
• coefficiente di diffusione del soluto (D)

Dunque, la diffusione risulta fondamentale principalmente per i gas respiratori, ma non solo, anche per la diffusione di molecole piccole in spazi ridotti e per le piccole molecole liposolubili (< 200 Da). Ciò risulta rilevante perché le concentrazioni delle diverse sostanze risultano differenti nei vari compartimenti, il focus principale gira attorno agli ioni di sodio, potassio, carbonato, cloro e l'acqua sostanza in cui sono disciolti, che, oltre a stanziare attorno gli ioni cambiandone il diametro, produce un movimento, basato sulla concentrazione, che avviene in seguito allo spostamento di sostanze, influenzando il volume dei liquidi intracellulari (volume cellulare) ed extracellulari.

I liquidi intracellulari ed extracellulari sono fortemente caratterizzati dalla presenza o meno di determinati soluti ciò ne caratterizzerà il movimento. Osservando la tabella possiamo notare (da sapere):

• Na+ è molto più concentrato all'esterno della cellula quindi, potendo, si muove verso l'interno,
• K+ invece è l'unico più concentrato all'interno dunque, potendo, il flusso sarà verso l'esterno.
• pH cambia leggermente causato dal metabolismo cellulare che produce metaboliti acidi che si accumulano all'interno della cellula.
• Osmolarità del plasma che risulta identico sia all'interno sia all'esterno dato fondamentale per evitare la modificazione del volume cellulare (raggrinzimento - rigonfiamento).

Tipi di Trasporto

Trasporto Senza Attraversamento

• Endocitosi
• Esocitosi
• Pinocitosi

Trasporto Attraverso la Membrana

• Diffusione semplice
• Trasporto mediato da proteine

Molto importante dal vista biologico, sono i trasporti mediati da proteine che seguono una cinetica di saturazione, dove la velocità di trasporto aumenta fino a raggiungere il massimo seguendo la l'equazione di Michaelis-Menten (da sapere). Questo tipo di trasporto ha delle caratteristiche come il fatto che viene definito a specificità riunita in quanto diversi tipi di molecole, con forme simili, competono per lo stesso trasportatore, inoltre questo tipo di trasporti ha il vantaggio di velocizzare gli scampi. Tipi di trasporti mediati da proteine:

• diffusione facilitata, proteina inserita in membrana che consente il passaggio di una sostanza, questo tipo di trasporto non sfruttando l'ATP avvengono esclusivamente a favore di gradiente, dalla concentrazione più alta alla più bassa, tendendo a rendere simili le concentrazioni da una parte e dell'altra, esempio i trasportatori di glucosio.
• trasporti attivi primari, consente di trasportare contro gradiente delle sostanze, sfruttando direttamente l'energia metabolica, ne sono esempio tutte le pompe come ad esempio quelle per il sodio potassio, per il calcio, pompe protoniche

Focus Pompa Sodio Potassio

La pompa sodio potassio, è la base di gran parte degli scambi che avvengono in tutte le cellule del nostro corpo, tant'è vero che per rimanere vivi dobbiamo fornire al nostro corpo un quota di energia