CONCEPTE CHEIE ÎN DOMENIUL FIZIOLOGIEI PDF

CONCEPTE CHEIE ÎN DOMENIUL FIZIOLOGIEI Fiziologia reprezintă știința care se ocupă cu studiul mecanismelor chimice și fizice ce se derulează la nivelul structurilor organismului, precum și modul în care aceste structuri interrelaționează pentru a menține organismul în viață. Pentru a î...

CONCEPTE CHEIE ÎN DOMENIUL FIZIOLOGIEI Fiziologia reprezintă știința care se ocupă cu studiul mecanismelor chimice și fizice ce se derulează la nivelul structurilor organismului, precum și modul în care aceste structuri interrelaționează pentru a menține organismul în viață. Pentru a înțelege modul de funcționare a organismului trebuie să ne formăm o idee despre modul în care structurile simple ce alcătuiesc țesuturi și organe, comunică și interrelaționează pentru a putea îndeplini funcții complexe. HOMEOSTAZIA Homeostazia poate fi definită în cei mai simpli termeni ca fiind un proces fiziologic de autoreglare prin intermediul căruia sistemele biologice ale organismului își mențin stabilitatea în timp ce se adaptează la modificările unor condiții externe. Putem spune că organismul menține mediul intern într-o stare de stabilitate relativă. Vom descoperi faptul că majoritatea parametrilor nu au o valoare unică constantă ci își modifică valoare în intervalul unor limite fiziologice, pe măsură ce sistemele de autocontrol își manifestă efectele. Un exemplu în acest sens este temperatura. Temperatură centrală sau temperatura organismului poate varia în mod fiziologic între 37,9 și 39,9°C la același individ. Temperatura centrală se modifică ca răspuns la temperatura mediului extern și mediului intern (de exemplu în timpul exercițiului fizic). Pentru animalele diurne, cea mai mică valoare a temperaturii interne poate fi înregistrată în timpul somnului, în primele ore ale dimineții. Acest concept explică faptul că un organism poate supraviețui chir și atunci când este expus unui mediu extern nefavorabil, dar și faptul că afecțiunile patologice apar ca o urmare a perturbării mecanismelor complexe de autoreglare. Mediul intern al organismului variază în limite foarte restrânse. Aceste limite sunt asigurate cu ajutorul unor sisteme de tip feedback. Sistemul de feedback reprezintă o structură prin intermediul căreia modificarea mediului intern al organismului (ca o urmare a unei acțiuni desfășurate anterior în organism) este percepută și utilizată pentru a controla o acțiune viitoare. Se deosebesc două tipuri de sisteme de feedback: Feedback negativ: un mecanism ce răspunde în sensul opus perturbării produse – de exemplu, creșterea concentrației unei substanțe peste necesarul organismului poate determina oprirea sintezei acelei substanțe în țesutul de origine. Feedback pozitiv: un mecanism ce răspunde în același sens perturbării produse și are în general un rol în accelerarea sau inițierea unui proces. Aceste sisteme de feedback sunt la rândul lor supuse unui control central. Totodată, un centru de control poate reprezenta și un mecanism de tip feedforward deoarece poate iniția un răspuns fără participarea sistemelor de tip feedback. Această reacție feedforward poate ajuta în predicția unei modificări a mediului intern, ca o precauție împotriva variațiilor extreme. Un mecanism de feedback negativ implică existența unui senzor, a unui centru de control, și a unor efectori. Cel mai simplu exemplu ar fi reglarea temperaturii. 1. SENZORI Termosenzori (piele și hipotalamus) 4. RĂSPUNSUL EFECTORILOR 2. CENTRU DE CONTROL Modifică rezistența periferică, rata de secreție a glandelor (Hipotalamus) sudoripare, tremuratul 3. EFECTORI Vase de sânge, glande sudoripare, mușchi scheletici Odată cu creșterea sau scăderea temperaturii ambientale, senzorii de la nivelul pielii vor percepe modificarea din mediul extern, iar senzorii de la nivelul hipotalamusului vor percepe orice schimbare a temperaturii mediului intern.  Această informație este apoi transmisă către centrul de control (hipotalamus), care mai departe va direcționa organele sau țesuturile efectoare pentru a obține un răspuns ce se opune modificării de temperatură. Ex: Dacă temperatura mediului scade, primul răspuns al organismului va fi de modificare a rezistenței periferice. Acest lucru reprezintă scăderea diametrului vaselor superficiale pentru a evita pierderea suplimentară de căldură. Dacă hipotalamusul percepe și o scădere a temperaturii mediului intern, acesta va compensa prin activarea efectorilor musculari, respectiv apariția tremuratului. Odată cu contracția mușchilor scheletici, se va genera un surplus de căldură care este utilizat pentru menținerea mediului intern în parametrii optimi (ex. 37,9 – 39,9°C). Mecanismele responsabile pentru menținerea homeostaziei au în vedere reglarea unui număr mare de variabile. Printre acestea putem să amintim de: presiunea parțială a oxigenului și dioxidului de carbon arterial, concentrația unor ioni precum potasiu și calciu, concentrația ionilor de hidrogen (pH-ul), concentrația de glucoză din sânge (glicemia), temperatura centrală a organismului, presiunea arterială, volemia (volumul de sânge) și osmolaritatea fluidelor. ORGANIZAREA STRUCTURALĂ A ORGANISMULUI Abordarea mecanismelor fiziologice necesită investigarea fenomenelor derulate la nivel de molecule, celule, țesuturi, organe, sisteme de organe, și apoi, în final la nivel de organism. Organizarea moleculară a organismului Organismul este alcătuit din particule subatomice ce formează atomi. Acești atomi pot fi utilizați sub formă de ioni, sau intră în alcătuirea unor molecule mai complexe. Aceste molecule pot fi utilizate ca atare prin modificarea structurii lor (procese de sinteză sau descompunere) pentru a obține energie în cadrul proceselor metabolice ale organismului, sau sunt folosite pentru a „construi” celule și țesuturi de susținere. Organismul este alcătuit în cea mai mare parte din atomi de oxigen, urmați de carbon, hidrogen, azot și calciu. Ionii liberi au numeroase roluri și sunt indispensabili pentru realizarea funcțiilor vitale. Ionii precum sodiu și potasiu sunt necesari pentru formarea curentului electric ce permite comunicarea în sistemul nervos, oxigenul este necesar pentru obținerea energiei în celulă, iar calciul este utilizat pentru realizarea contracției musculare. Structurile complexe precum carbohidrații, lipidele și proteinele au roluri bine definite în organism. Carbohidrații reprezintă surse de energie pentru organism, lipidele intră în compoziția membranei celulare și în structura unor molecule importante precum hormonii steroizi, iar proteinele au rol structural (formează citoscheletul celular) și intră în alcătuirea moleculelor precum enzime, hormoni și anticorpi. 1 0.4 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 1.5 3.2 9.5 18.5 65 Oxigen Carbon Hidrogen Azot Calciu Fosfor Potasiu Sulf Sodiu Clor Magneziu Zinc, Cobalt, Fier etc. Celula ca unitate de bază Organele ce compun un organism sunt formate din diferite țesuturi. Fiecare țesut în parte este la rândul său compus din diferite tipuri de celule. O celulă reprezintă o unitate funcțională delimitată de o membrană celulară, ce conține în interiorul său moleculele fundamentale din care sunt alcătuite toate ființele vii. În cazul viețuitoarelor unicelulare, o celula reprezintă un organism și poate îndeplini toate funcțiile vitale (digestie, respirație, excreție). Organismele pluricelulare au dezvoltat mai multe tipuri de celule, fiecare cu funcții distincte. Nu există un singur tip de celule capabile de îndeplini toate funcțiile necesare pentru a menține organismul în viață. Supraviețuirea organismului necesită cooperarea unui număr mare de celule cu caracteristici și funcții distincte. Exemplu: lobul anterior al glandei hipofize conține cinci tipuri de hormoni, iar fiecare hormon este produs de către o celulă distinctă. Toate celulele alcătuiesc însă țesutul glandular al lobului anterior al hipofizei. Fiecare tip de celulă din organism are o alcătuire unică și un rol foarte bine determinat. Toate celulele sunt alcătuite din membrană celulară, citoplasmă, nucleu (cu excepția hematiilor mature și a plachetelor sangvine la mamifere) și diverse organite. Nucleul controlează și reglează activitatea celulei, și stochează materialul genetic, respectiv AND-ul. Mitocondriile au rol în producerea energiei celulare, reticulul endoplasmatic neted (REN) are rol în sinteza de lipide și stocarea unor molecule precum ioni de calciu. Reticulul endoplasmatic rugos (RER) participă la procesul de sinteză proteică realizată de către ribozomi. Ribozomii se pot găsi liberi în citoplasmă și atașați de RER. Aparatul Golgi cunoscut și sub denumirea de complex Golgi are rol în modificarea proteinelor sintetizate de celulă și „ambalarea” lor în vezicule. Într-o celulă pot fi întâlnite una sau mai multe tipuri de vezicule. Acestea pot fi: - vezicule de transport ce mută diferite substanțe de la o componentă intracelulară la alta - vezicule secretorii ce fuzionează cu membrana celulară pentru a elibera conținutul vezicular în afara celulei - peroxizomii conțin enzime cu rol în catabolizarea unor lipide și toxine - lizozomii conțin enzime cu activitate digestivă Membrana celulară reprezintă învelișul extern al celulei și este alcătuită în principal din fosfolipide dispuse într-un strat dublu (bistrat lipidic). Moleculele de fosfat sunt hidrofile și sunt dispuse către mediul apos (fluidul extracelular și citoplasmă), iar acizii grași sunt molecule hidrofobe și sunt îndreptate spre interiorul membranei celulare. Datorită acestei structuri și dispunerii specifice, membrana celulară este impermeabilă pentru moleculele hidrosolubile precum ioni și majoritatea moleculelor biologice. O altă componentă importantă a membranei celulare este colesterolul. Acesta nu este prezent în structura peretelui celular la bacterii sau plante, dar reprezintă un element funcțional esențial pentru celula  animală. Datorită structurii sale rigide, colesterolul are un rol important în stabilirea fluidității membranei celulare, crește sau scade permeabilitatea pentru molecule mici și protejează peretele celular de îngheț. Molecule de fosfat hidrofile Acizi grași – molecule hidrofobe Dacă lipidele reprezintă elementele structurale de bază ale membranei celulare, proteinele au rol în realizarea unor funcții membranare specifice. Proteinele membranei celulare pot fi integrale (traversează bistratul lipidic) sau periferice (sunt ancorate la suprafața celulei de proteine integrale). Proteinele integrale pot transmembranare și traversează în totalitate membrana celulară, având porțiuni expuse atât în exteriorul celulei cât și in interiorul acesteia. Aceste proteine pot avea diverse roluri: Acționează ca joncțiuni intercelulare (ancorează o celulă de celula vecină) Au activitate enzimatică (pot fi situsuri de legare pentru enzime) Transport (activ sau pasiv) Recunoaștere celulară (sistemul imun)  Ancorarea sau atașarea unor molecule la suprafața celulei Transducția semnalului (traducerea unui mesaj primit de la altă celulă și realizarea unui răspuns în interiorul celulei) TRANSPORTUL TRANSMEMBRANAR Funcțiile majore ale membranei celulare sunt legate de menținerea integrității celulare și reglarea concentrației de substanțe din interiorul celulei. Pot fi transportate prin membrana celulară molecule precum: ioni, zaharuri, acizi grași, aminoacizi. Membrana celulară are permeabilitate selectivă:  Pot traversa liber membrana celulară doar anumite particule nepolare: lipide, oxigen, dioxid de carbon, alcool, apă.  Moleculele hidrosolubile au nevoie de ajutor pentru a traversa membrana: glucoză, aminoacizi, electroliți. Transportul pasiv Transportul pasiv se poate realiza prin intermediul procesului de difuziune (vezi LP1). În acest caz, substanțele traversează membrana celulară în funcție de gradientul de concentrație (de la concentrație mai mare la concentrație mai mică – ex. transportul gazelor respiratorii), sau de la concentrație mică la concentrație mare (în cazul osmozei – când are loc transportul solventului – apa). Acest tip de transport pasiv permite mișcarea moleculelor în ambele direcții (de la exterior la interior, și invers) – Imaginea 1. Anumite molecule pot traversa membrana celulară și prin canale ionice specifice (Imaginea 2). Aceste canale ionice sunt reprezentate de proteine transportatoare transmembranare și nu necesită consum de energie. Un al treilea tip de transport pasiv este reprezentat de difuziunea facilitată, pentru moleculele ce nu pot traversa membrana celulară prin difuziune pasivă ( ex. glucoză, sodiu, aminoacizi). În exemplul din imaginea de mai sus se poate observa faptul că proteina transportatoare prezintă un situs de legare pentru moleculă. După realizarea cuplului moleculă-receptor, proteina își schimbă forma și funcțiile – se deschide spre citoplasmă și eliberează molecula în mediul intracelular (ex. mecanismul de transport facilitat al glucozei).  Transportul activ Această metodă specializată de transport a moleculelor prin membrana celulară este realizată cu consum de energie. Energia utilizată provine din surse precum ATP (adenozin trifosfat) sau din energia potențială stocată odată cu realizarea unei diferențe de sarcină electrică în imediata vecinătate a membranei celulare. Se pot deosebi mecanisme de transport activ primar și mecanisme de transport activ secundar. Transportul activ primar Se realizează cu ajutorul pompelor ionice. Principiul de funcționare a acestor mecanisme de transport este asemănător cu cel povestit la difuziunea facilitată. Există pompe ionice pentru H, Ca, și alte elemente. Cea mai importantă și cea mai studiată pompă ionică este însă cea de Na/K. Transportul activ al moleculelor permite trecerea ionilor dintr-un mediu cu concentrație mare într-un mediu cu concentrație mică, deci, împotriva gradientului de concentrație. Pompa ionică de sodiu-potasiu utilizează ca sursă de energie ATP-ul și scoate din celulă 3 molecule de sodiu pentru a introduce 2 molecule de potasiu. Proteina de transport va avea astfel, atât receptori pentru sodiu, cât și pentru potasiu. Legarea ionilor de sodiu din citoplasmă de receptorii proteinei de transport va duce la captarea unui mol de ATP și transformarea acestuia în fosfat și ADP (adenozin difosfat). Fosfatul va produce fosforilarea proteinei de transport, schimbându-i forma și afinitatea pentru sodiu. Astfel, proteina este deschisă către mediul extracelular, iar sodiul este eliberat de pe receptor. Această modificare de formă va crește afinitatea proteinei de transport pentru potasiu. Legarea celor două molecule de potasiu de receptori va produce eliberarea fosfatului și în consecință, modificarea formei proteinei de transport. Pompa ionică se va deschide către citoplasmă și va pierde afinitatea pentru ionii de potasiu, care sunt eliberați de pe receptori. Odată cu eliberarea potasiului în citoplasmă, proteina de transport devine din nou receptivă pentru sodiu, iar ciclul se reia.  Transport activ secundar Transportul activ secundar utilizează energia generată de ionii transportați prin pompele ionice (transport activ primar) atunci când aceștia sunt reintroduși în celulă. Acest mecanism utilizează proteine co- transportatoare ce permit pătrunderea în celulă a ionilor precum și a altor molecule. Cel mai bun exemplu pentru acest tip de transport activ este mecanismul de transport al glucozei ce utilizează energia produsă de pătrunderea a 2 molecule de sodiu pentru a introduce o moleculă de glucoză. În această situație, sodiul trece de la concentrație mai mare la concentrație mai mică, deci, conform gradientului de concentrație.  Endocitoza și exocitoza Endocitoza reprezintă un proces fiziologic de transport transmembranar ce presupune înglobarea substanțelor transportate într-o veziculă delimitată de membrana celulară. Se pot deosebi trei forme de endocitoză: fagocitoză, pinocitoză și endocitoză mediată de receptori. Toate aceste forme active de transport au un mecanism comun ce începe cu invaginarea membranei celulare și extinderea marginilor către exterior. Acest fenomen va crea un spațiu pentru substanțele ce urmează a fi transportate. Apoi, cu ajutorul unor proteine specializate, membrana celulară fuzionează în jurul particulelor externe pentru a forma o veziculă. Fagocitoza reprezintă fenomenul de ingestie a unor particule de dimensiuni mari și are o importanță majoră pentru funcționarea unor celule specializate ale sistemului imun (ex. macrofage, neutrofile, monocite, celule dendritice, osteoclaste, microglii). De menționat este faptul că și alte celule ale organismului au capacitatea de realizare a fagocitozei, dar cu un potențial redus (ex. fibroblaste, celule epiteliale).2 Pentru organismele unicelulare, fagocitoza reprezintă un proces esențial pentru obținerea nutrienților. Celulele specializate pot fagocita microorganisme, corpi străini, resturi celulare și chiar celule întregi. Procesul de fagocitoză cuprinde câteva etape distincte reprezentate de: detectarea particulelor externe, formarea fagozomului (vezicula sau vacuola ce înglobează particula ingerată de celulă) și formarea fagolizilomului (prin fuzionarea fagozomului cu lizozomi și formarea unei organite celulare cu rol în degradarea particulelor ingerate – conține și numeroase enzime hidrolitice precum proteaze, lipaze, catepsine). Pinocitoza are un mecanism de realizare asemănător cu cel al fagocitozei. Utilitatea cestui mod de transport activ este de a introduce în spațiul intracelular o cantitate mare de molecule de dimensiuni mici dizolvate în fluidul extracelular. Veziculele formate sunt foarte reduse în dimensiuni, de cele mai multe ori fiind necesară examinarea cu ajutorul unui microscop electronic. Este o formă de transport relativ ineficientă deoarece se realizează cu consum mare de energie iar înglobarea particulelor nu este selectivă. Endocitoza meditată de receptori este o formă de transport activ ce necesită participarea unor proteine specializate dispuse pe anumite zone ale suprafeței membranei celulare. Când o moleculă specifică este captată de receptorul celular este declanșat în mod reflex procesul de endocitoză. Acest mod de transport este foarte util pentru captarea selectivă a unor molecule importante pentru celule, precum hormoni, vitamine, factori de creștere și proteine. Cele mai studiate proteine implicate în acest proces fiziologic sunt reprezentate de clatrină și caveolină. Totodată, endocitoza mediată de receptori este una dintre cele mai importante modalități de pătrundere (sau ieșire) a virusurilor în celule. Acest mod de transport prezintă interes sporit în cercetare deoarece face posibilă captarea intracelulară a nanomaterialelor, precum cele utilizate în manipularea genetică sau administrarea medicamentelor.  ORGANIZAREA TISULARĂ A ORGANISMULUI Țesuturile reprezintă grupări de celule ce comunică între ele și îndeplinesc o funcție comună. Putem deosebi patru tipuri majore de țesuturi: țesut epitelial, țesut nervos, țesut conjunctiv, și țesut muscular. Comunicarea intercelulară Comunicarea la nivel celular are o importanță vitală pentru realizarea cooperării necesare menținerii funcționalității organismului viu. Toate celulele corpului primesc și emit constant mesaje chimice. Aceste mesaje chimice sunt denumite liganzi și permit comunicarea în interiorul celulei (intracelulară) și comunicarea între celule alăturate sau aflate la distanță (comunicare intercelulară). Comunicarea la nivel celular mai este denumită și semnalare, iar liganzii sunt captați de către receptori specifici aflați la suprafața celulei (dispuși pe membrana celulară) sau în interiorul celulei (în citoplasmă). Odată receptat, mesajul chimic este „tradus” de către celula receptoare, ceea ce va produce un efect specific ligandului și celulei țintă (ex. sinteza de proteine). Pot fi întâlnite numeroase tipuri de semnalare, în funcție de celula emițătoare, celula țintă și calea de transmitere a ligandului. Se pot deosebi: Semnalarea autocrină atunci când celula țintă este celula care a emis mesajul chimic. Celula prezintă receptori pentru proprii liganzi. Acest mod de semnalare este util pentru autoreglarea celulelor dintr-un țesut, de exemplu: în timpul dezvoltării embrionare, unele glande endocrine, eliberarea de citokine de către macrofage în procesul inflamator, unele procese neoplazice etc. Semnalare paracrină, atunci când o celulă eliberează liganzi ce sunt receptați de celule din vecinătate ce deseori alcătuiesc același țesut sau organ. Această cale de semnalare este întâlnită în comunicarea nervoasă prin sinapse chimice și pentru hormoni. Este important de notat faptul că unele celule pot folosi atât semnalare autocrină cât și paracrină, deci pot determina răspunsuri atât în cadrul celulei emițătoare cât și la nivelul celulelor din vecinătate. Semnalare endocrină, atunci când ligandul este transportat prin sânge cu ajutorul sistemului cardio- circulator, către celule țintă aflate la distanțe mari. Acest mod de comunicare intercelulară este caracteristic  pentru hormoni. De exemplu, insulina, un hormon (ligand) sintetizat de celulele β ale insulelor Langerhans din pancreas, este transportată prin sânge către toate celulele organismului. Semnalare prin contact direct, atunci când celulele alăturare comunică între ele prin intermediul unor conexiuni strânse, denumite joncțiuni gap. Aceste veritabile canale permit trecerea bilaterală a unor molecule și favorizează comunicarea rapidă în anumite țesuturi. Prin joncțiunile gap pot trece molecule precum electroliți și metaboliți de dimensiuni mici (ex. glucoză). Acest mod de comunicare poate fi observat în sinapsele de tip electric, și țesuturi precum cord sau epiderm. Liganzii pot fi captați de receptori specifici aflați la suprafața celulei, cum este și cazul semnalării sinaptice (sinapse chimice). Acest mecanism este necesar deoarece unele mesaje chimice nu pot traversa membrana celulară. Legarea mesajului chimic de receptorul membranar va declanșa producerea de mesaje chimice în interiorul celulei, iar aceste mesaje chimice proprii vor produce un efect. Un mod particular de comunicare prin contact direct poate fi descris în cazul celulelor imune. În acest caz, atât liganzii cât și receptorii sunt dispuși la suprafața celulei. De exemplu, unele celule ale sistemului de autoapărare al organismului, precum limfocitele NK au receptori pe suprafață care prin „atingerea” altor celule verifică prezența sau absența liganzilor specifici. Absența liganzilor va anunța limfocitul că acea celulă nu face parte din organism.