Introduzione alla Fisiologia

Introduzione alla Fisiologia

• Lo studio della Fisiologia si fonda su tre principi fondamentali: la creazione di ambienti distinti, la capacità di questi ambienti di immagazzinare energia, e l'efficace utilizzo di tale energia attraverso strutture che la convertono in lavoro.
• I sistemi biologici necessitano di accumulare e conservare energia creando separazioni, riducendo così i gradi di libertà e specializzando le strutture.
• I processi fisiologici si basano su ambienti acquosi con diverse concentrazioni di soluti.
• I primi organismi si sono sviluppati nel mare grazie alla facilità di creare differenze con alte concentrazioni di [NaCl], che nel mare sono circa 500 mM, mentre nel sangue sono 150 mM.
• Le strutture vitali si formano in acqua grazie alla sua capacità di facilitare l'incontro tra sostanze.
• L'aggregazione di fosfolipidi ha permesso la formazione di membrane biologiche capaci di creare ambienti con diverse concentrazioni di soluti.
• Le membrane riducono gli ambienti, potenziando le interazioni molecolari altrimenti improbabili.
• Le reazioni cellulari e subcellulari derivano da urti casuali causati dall'agitazione termica.
• La concentrazione di molecole in spazi limitati riduce i gradi di libertà e aumenta l'interazione molecolare, rendendo le cellule piccole.
• Elementi fondamentali nei sistemi biologici includono:
  • Separatori: isolano ambienti con diverse composizioni di soluti.
  • Trasportatori: spostano soluti tra ambienti.
  • Accumulatori: accrescono l'energia potenziale e mantengono l'equilibrio dinamico.
  • Comunicatori: controllano e comunicano tra sistemi pluricellulari.
  • Trasformatori: convertono l'energia potenziale in lavoro.
  • Sensori: interfacciano l'organismo con l'ambiente.
• I sistemi biologici sono in equilibrio dinamico, non statico, perché l'equilibrio statico equivale alla morte.
• I sistemi mantengono un alto livello di energia potenziale attraverso equilibri dinamici.
• Quando è richiesto, l'equilibrio si perturba, rilasciando l'energia e raggiungendo nuovi equilibri.
• Le reazioni chimiche ricaricano il sistema di energia potenziale al termine di questi processi.
• Un sistema perturbato tenta sempre di ritornare all'equilibrio.
• Un organismo deve creare ambienti separati con differenti contenuti e composizioni di soluti, assicurando però la comunicazione tra essi.
• Le interfacce tra ambienti devono permettere l'accumulo e il mantenimento di energia potenziale.
• È necessaria la capacità di utilizzare l'energia potenziale per svolgere lavoro elettrico, chimico o meccanico.
• Tutti i meccanismi che compiono lavoro volontario utilizzano l'elettricità, mentre i meccanismi biochimici recuperano energia.
• I meccanismi elettrici, che sfruttano il movimento di cariche, sono cruciali per l'attuazione del lavoro perché più veloci.

Digitale vs Analogico

• Il segnale analogico comprende un numero infinito di punti ed è individuato da una coppia di valori, mentre il segnale digitale ha un numero finito di punti ed è individuato da un solo valore con intervalli di tempo costanti.
• La biologia tende ad essere digitale, con segnali analogici o digitali a seconda del range di percezione.
• La riproduzione della musica tramite giradischi è un esempio di segnale analogico, mentre il compact disc rappresenta un segnale digitale.
• Nel giradischi, la puntina vibra a contatto con il solco, traducendo le vibrazioni in frequenze elettriche che arrivano allo speaker riproducendo il suono.
• Nel compact disc, un laser legge un codice a barre che viene trasformato da un decodificatore digitale/analogico in frequenze per lo speaker.
• Il digitale è più preciso perché associa numeri a funzioni.
• La biologia predilige il digitale perché l'utilizzo di elementi uguali che svolgono la stessa funzione, basandosi sulla probabilità, funziona meglio.
• Gli elementi base dei meccanismi cellulari sono composti da oggetti tutti uguali che funzionano con la dinamica di popolazione, la quale si basa sulla probabilità.
• L'analogico è "fluido" e naturale, ma meno preciso e più sensibile al rumore.
• Il digitale è preciso e riproducibile, facile da controllare, correggere e trasmettere senza errori.
• La biologia è considerata digitale per la sua modularità, ripetibilità e dinamiche di popolazione.
• Le cellule utilizzano molecole tutte uguali tra loro, come proteine ed enzimi.
• Queste molecole agiscono in gruppo, e la probabilità che ciascuna sia attiva o spenta determina un comportamento collettivo, simile a una rete di interruttori digitali.
• Il fatto che un gene sia acceso o spento, un canale ionico aperto o chiuso, o un recettore occupato o meno, ricorda il mondo digitale.
• Il comportamento apparentemente casuale delle molecole a livello individuale si traduce in un comportamento regolare e prevedibile su larga scala, che è il cuore della dinamica di popolazione.

Concetto di Separazione

• Gli organismi devono essere capaci di creare ambienti diversi, mantenerli e consentire la comunicazione tra loro.
• L'interno e l'esterno di una cellula differiscono per la distribuzione degli ioni.
• Ione Na+:
  • Abbondante all'esterno (150 mM).
  • Poco concentrato all'interno (10 mM).
• Ione K+:
  • Poco concentrato all'esterno (5 mM).
  • Abbondante all'interno (140 mM).
• Le strutture biologiche si sono evolute per avere composizioni ioniche diverse in ambienti distinti.
• Le prime forme di vita si sono evolute nel mare, dove [Na+] è di circa 500 mM e [K+] è tra 1-5 mM.
• La presenza di K+ è stata probabilmente favorita per creare differenze di concentrazione e un potenziale chimico.
• Creare due ambienti distinti è più vantaggioso se uno è più piccolo, come nelle cellule.
• Le dimensioni dell'ambiente più piccolo sono fondamentali dal punto di vista fisiologico; il rapporto tra superficie e volume è molto importante, poiché un aumento delle dimensioni può sovraccaricare la superficie di scambio.
• Esiste un limite ottimale di superficie per controllare volume e scambi.

Concetto di Energia

• Una differenza di concentrazione e una diversa distruzione di soluti ai lati di una membrana possono essere sfruttate come energia per compiere del lavoro
• I soluti si muovono attraverso la membrana a causa dell'agitazione termica, con una probabilità di passaggio proporzionale alla loro concentrazione e alla temperatura.
• La presenza di pori acquosi permette il passaggio di soluti, ma senza una differenza di concentrazione (se la concentrazione di un determinato ione è uguale ai due lati di una membrana), non si ha un flusso netto di sostanze attraverso la membrana → per avere un flusso netto, è necessario che esista una differenza di concentrazione ai lati della membrana
• La differenza di concentrazione tra i 2 ambienti crea un potenziale chimico per ciascuno ione e costituisce la riserva di energia potenziale della cellula → questa energia può essere utilizzata per compiere lavoro, ma ciò è possibile solo in presenza pori acquosi e richiede tempi compatibili con la diffusione dei soluti
• Negli organismi biologici, al potenziale chimico prodotto da ioni è associato un potenziale elettrico, prodotto dalla separazione di cariche dovuta alla differenza di concentrazione
• la differenza di potenziale elettrico dà origine a una corrente elettrica (ionica) che si sviluppa rapidamente
  • nei metalli, la corrente fluisce con una velocità che approssima quella della luce (è portata dagli elettroni)
  • nelle soluzioni saline, la corrente fluisce ad una velocità che è di poco inferiore a quella della luce (è portata dagli ioni)

Concetto di Lavoro

• Ogni organismo deve compiere del lavoro per riuscire a sopravvivere e riprodursi
• Il lavoro a livello cellulare può essere di 2 tipi :
  • Lavoro per mantenere l'omeostasi → è essenziale
  • Lavoro utile per avere relazioni con l'ambiente esterno → aumenta la probabilità di sopravvivenza dell'organismo e gli consente di avere un migliore successo evolutivo sviluppandosi in un organismo più complesso
• Nel mondo biologico, gli equilibri dinamici sono mantenuti attraverso una combinazione di meccanismi che consumano energia chimica e eventi passivi dovuti alla struttura dell'organismo → il rapporto tra struttura e funzione deve permettere la creazione e il mantenimento di ambienti diversi in equilibrio dinamico, minimizzando il lavoro e il dispendio energetico => si utilizzano dei processi passivi perchè rappresentano il metodo più veloce : avvengono nel momento in cui si ha un sistema ad alta energia potenziale e l'unica cosa che bisogna fare è rilasciare i vincoli per andare all'equilibrio
• Quando un organismo aumenta di dimensioni e necessita di interazioni con l'ambiente, il solo mantenimento dell'omeostasi non basta più
• è necessaria la coordinazione e il controllo delle diverse parti dell'organismo per garantire sviluppo e funzionamento
• l'organismo deve percepire stimoli e reagire, richiedendo un sistema di comunicazione e controllo che stimoli, coordini e sincronizzi le attività trasformando l'energia in lavoro
• l'organismo deve essere in grado di rispondere rapidamente agli stimoli ambientali, rendendo prioritari i tempi di reazione e di esecuzione
• Per compiti di trasferimento di informazione vengono sfruttati sia il potenziale chimico che quello elettrico, ma i tempi con cui le 2 forme di energia vengono trasformate in lavoro utile sono decisamente diversi
  • I sistemi che si basano sul potenziale chimico sfruttano la diffusione → influenzata dalla massa delle particelle, dalla viscosità del fluido e dall'attrito
  • I sistemi che si basano sul potenziale elettrico sfruttano il flusso di ioni → avvengono molto più rapidamente e con minor consumo di energia
• La corrente è molto veloce in confronto alla diffusione poiché non si ha una stessa particella carica che si sposta da un punto all'altro → il processo avviene per trasferimento di carica come variazione della quantità di moto
• Per avere un vantaggio evolutivo bisogna svolgere tutte le azioni nella maniera più veloce possibile → la maniera più veloce possibile è una comunicazione elettrica (e non una comunicazione diffusiva)
• Tappe fondamentali nello sfruttamento dell'energia potenziale per per compiere del lavoro (per essere in grado di costruire sistemi fisiologici più complessi) :
  • Acquisizione di meccanismi omeostatici per immagazzinare energia potenziale
  • Comunicazione di messaggi chimici tra cellule
  • Strutturazione di vie di comunicazione per i processi diffusivi
  • Utilizzo del potenziale elettrico e delle correnti ioniche per i processi informativi
  • Comunicazione diretta tra cellule.
  • Stretto rapporto tra struttura e funzione per trasformare efficientemente i messaggi in lavoro