FISIOLOGIA UMANA Appunti di Elena Di Mario (2023/2024) PDF

FISIOLOGIA UMANA Appunti di ELENA DI MARIO (2023/2024)  FISIOLOGIA (04/03/24) (INTRODUZIONE) Prof. Andrea d’Avella → andrea.davella@uniroma2...

FISIOLOGIA UMANA Appunti di ELENA DI MARIO (2023/2024)  FISIOLOGIA (04/03/24) (INTRODUZIONE) Prof. Andrea d’Avella → [email protected] COS’È LA FISIOLOGA? È una scienza che studia gli organismi viventi e mira a conoscere le cause, le condizioni e le leggi che determinano e regolano i fenomeni vitali Quindi, studia il funzionamento, a diversi livelli, degli organismi viventi in condizioni normali (non patologiche) … il fine ultimo è capire come funziona un organismo. Etimologia da greco → discorso sui fenomeni naturali ovvero “studio della natura” LIVELLI DI ORGANIZZAZIONE Possiamo andare a studiare il funzionamento andando a ricostruire i diversi livelli di organizzazione degli organismi. Al livello più basso c’è l’organizzazione degli atomi e molecole, seguito poi dal livello cellulare, tissutale, di organi, fino ai sistemi… sistemi che nel complesso costituiscono un organismo nella sua totalità Livello 1 – livello chimico: una molecola nella membrana che è un involucro che delimita la cellula Livello 2 – livello cellulare: una cellula nella mucosa dello stomaco (interazioni, forma e funzioni di proteine) Livello 3 – livello tissutale: più cellule costituiscono un tessuto Livello 4 – livello di organo: più tessuti costruiscono un organo Livello 5 – sistemi: più organi che interagiscono tra loro determinano un sistema Quindi la fisiologia usa i principi chimico-fisici per spiegare il funzionamento degli esseri viventi. A seconda della specializzazione la fisiologia si avvale delle conoscenze di numerose discipline che sono strettamente connesse ad essa come, chimica, biologia molecolare, biologia cellulare, ecologia ecc… quindi i fisiologi hanno una varietà molto ampia di campi tra cui muoversi. TEMI CHIAVE DELLA FISIOLOGIA - Correlazione tra struttura e funzione a tutti i livelli di organizzazione (x. es la funzione di una proteina o tessuto dipende dalla sua struttura) - Capacità di sfruttare, conservare e trasferire l’energia - Flusso, immagazzinamento ed elaborazione delle informazioni (per poter sopravvivere ogni organismo deve saper captare, immagazzinare ed elaborare le informazioni… come semplici decisioni) - La spiegazione del meccanismo è una spiegazione storica e quindi l’evoluzione per spiegare il diverso funzionamento dei diversi organismi - Omeostasi (mantenimento e controllo dell’ambiente interno da parte dell’organismo) OMEOSTASI L’omeostasi → la maggior parte delle cellule in un organismo pluricellulare non può funzionare senza il contributo delle altre cellule perché non è in contatto con l’ambiente. Ogni cellula è immersa in un ambiente interno acquoso con la quale effettuare scambi necessari per la vita. Quindi l’ambiente interno deve essere mantenuto costante e in condizioni adeguate per sostenere la vita, quindi, è indispensabile per la sopravvivenza Fattori regolati omeostaticamente: - Concentrazione nutrienti - Concentrazioni gas (O2 e CO2) - Concentrazione prodotti di scarto - pH - Concentrazione di acqua e elettroliti - T° - Ecc Come faccio a regolarli? L’omeostasi NON è uno stato invariabile e fisso ma è uno stato stazionario dinamico che deve essere costantemente regolato per compensare ogni perturbazione → per esempio l’equilibrio di massa: per mantenere la quantità di una sostanza nell’organismo ogni aumento deve essere compensato da una perdita di quantità di pari entità Un sistema di regolazione omeostatica deve essere in grado di: 1. rilevare le deviazioni della norma di un parametro 2. Integrare tali info con quelle di altri parametri 3. Effettuare le appropriate regolazioni Quindi un sistema di controllo include differenti componenti [Sistema di ingresso > centro di integrazione > segnale in uscita > risposta] e avviene a diversi livelli come di tessuti e organi (– livello locale) ma anche a livello di sistema e organismo (- controllo sistematico) Quindi parliamo di un controllo riflesso tramite feedback (è il principale meccanismo di regolazione) Questo feedback può essere: Positivo = la risposta rinforza lo stimolo (aumenta la quantità dell’entità controllata dallo stimolo) Negativo = la risposta riduce lo stimolo e si blocca la risposta (la risposta contrasta lo stimolo) In ultima analisi… se abbiamo delle perturbazioni il feedback negativo può compensare ma esso NON può prevenire il cambiamento che innesca il riflesso… esiste infatti un controllo anticipatorio (feedforward) che innesca la risposta in anticipo rispetto al cambiamento (sentire un odore di cibo può attivare alcuni processi digestivi o salivazione)  FISIOLOGIA CELLULARE (04/03/24) (membrana, trasporto, canali ionici, potenziale di membrana, potenziale d’azione) MEMBRANA CELLULARE La cellula è un sistema termodinamico aperto delimitato da una barriera che è la membrana cellulare. La membrana cellulare è un involucro che delimita sia la cellula che gli organelli ed è costituita da lipidi e proteine fondamentalmente, ma anche zuccheri. FUNZIONI DELLA MEMBRANA: 1. Definisce i contorni della cellula 2. Mantiene la differenza tra il suo contenuto e l’ambiente esterno 3. Costituisce un filtro di selettività 4. Controlla ingresso e uscita di sostanze nutritive e di scarto → Trasporto (carrier e canali) 5. È semipermeabile 6. Sono asimmetriche (ciò che si trova sul versante esterno è diverso da quello che sta su quello interno) 7. Dinamiche 8. Ricezione e trasduzione segnale 9. Sede di numerosi processi biochimici e chimici STRUTTURA DELLA MEMBRANA → La struttura base della membrana sono i glicerofosfolipidi che hanno tra loro interazioni idrofobiche e all’interno del quale sono inserite le proteine. Il modello della membrana è detto a “mosaico fluido”. I lipidi si dispongono a doppio strato ed è un processo spontaneo grazie al fatto che hanno 2 code idrofobiche che fanno assumere a queste molecole una struttura cilindrica che si dispone così, con le teste verso l’ambiente acquoso e le code verso la parte interna. I principali lipidi di membrana sono: Fosfolipidi Sfingolipidi Glicolipidi Colesterolo (esso controlla la fluidità delle membrane e quindi anche la loro permeabilità) Le sottoclassi principali di fosfolipidi sono fosfatidilcolina (esterno), fosfatidilserina e fosfatidiletanolammina (interne) e a loro è dovuta la caratteristica delle membrane di essere asimmetriche. Son presenti anche carboidrati associati a proteine e lipidi di membrana hanno fx soprattutto di segnalazione. Le proteine possono interagire con la membrana in diversi modi: ▪ Attraversarla tutta (integrali monopasso) ▪ Attraversarla + volte (integrali multipasso) ▪ Organizzarsi a foglietto β a barile ▪ Interagiscono solo con uno strato ▪ Attaccate ad ancore lipidiche nel foglietto interno o esterno ▪ Attraccati ad un’altra proteina Generalmente la porzione di proteina che attraversa la membrana ha una conformazione ad α-elica perché è la conformazione secondaria strutturale più stabile nel doppio strato lipidico. Le membrane permettono di creare, mantenere e regolare l’ambiente intero che è inteso come ambiente dentro le cellule, extracellulare e plasma. Circa 2/3 del compartimento liquido dell’uomo è LIC mentre solo 1/3 è LEC. L’ambiente esterno è, invece, separato dal tegumento e è in comunicazione con l’ambiente interno tramite sistema digerente, respiratorio. Un’altra caratteristica dei compartimenti liquidi è che grazie alle membrane cellulari si possono mantenere delle differenti concentrazioni di alcuni soluti. Quindi i diversi compartimenti NON solo in equilibrio chimico (stato stazionario dinamico) e questo avviene grazie alle membrane che sfruttano diversi sistemi di trasporto. TRASPORTO DI MEMBRANA Esistono diversi sistemi di trasporto di membrana: Trasporto PASSIVO → essi dissipano gradienti chimici e/o elettrici già presenti, non richiede energia proveniente dal metabolismo cellulare e trasporta, perciò, secondo gradiente di concentrazione - Diffusione semplice (non richiede un trasportatore) - Diffusione facilitata (c’è un trasportatore di membrana) - Diffusione regolata (determinata da canali) Trasporto ATTIVO → muovono ione e molecole contro gradiente di concentrazione e usano energia prodotta dal metabolismo (ATP) - Attivo primario - Attivo secondario La diffusione facilitata, trasporto attivo primario e secondario sono mediati da trasportatori di membrana che sono carrier o canali: Carrier = sono strutture di natura proteica che possono trasportare sostanze secondo o contro gradiente di concentrazione (aa, glucosio, molecole grandi, ecc…). sono sistemi saturabili, trasportano con elevata velocità e sono specifici per una determinata molecola. Quelli del trasporto attivo hanno anche siti di legame del gruppo P di ATP, domini di legame per ATP ecc... Canali = sono proteine transmembrana che permettono il passaggio degli ioni. Trasportano secondo gradiente di concentrazione, non saturabili, trasportano a velocità elevata, sono selettivi DIFFUSIONE SEMPLICE È un tipo di trasporto passivo determinato dal fatto che molecole come O2, CO2 sono in grado di attraversare la membrana senza l’ausilio di trasportatori. Esse, infatti, diffondono autonomamente secondo gradiente di concentrazione… tanto maggiore è la differenza di concentrazione, tanto più veloce sarà il trasporto → la velocità di un soluto carico dipende sia dalla differenza di concentrazione, sia dal potenziale elettrico!! Ioni e molecole in soluzione sono in movimento per l’effetto dell’agitazione termica (x es. vibrazione molecolare). Un soluto diffonde da una regione a concentrazione più alta ad una concentrazione più bassa E questo si può capire dalla legge di Fick DIFFUSIONE FACILITATA e REGOLATA Nel trasporto facilitato i trasportatori non formano mai un passaggio continuo. I siti di legame del ligando cambiano affinità quando cambia la conformazione della proteina. Il flusso dipende: dalla concentrazione del substrato è ridotto dalla presenza di inibitori competitivi satura quando tutti i siti di legame sono occupati I trasportatori sono proteine integrali che attraversano entrambi gli strati di lipidi e permettono il passaggio specifico di molecole anche grandi. I soluti arrivano in prossimità dei carrier idratati ma devono perdere il contatto con l’acqua (deidratati) perché la zona della proteina in cui passano è idrofobica. I legami che questi soluti fanno con l’acqua saranno rimpiazzati con quelli che si istaurano tra loro e gli atomi degli aa che costituiscono il poro. Quando i soluti si legano nei loro siti specifici la proteina è indotta a cambiare conformazione e ciò determina l’internalizzazione del soluto che sarà emesso nel versante opposto e una volta rilasciato ripristinerà i legami con l’acqua, mentre il carrier torna nella sua conformazione nativa [x es. trasportatore del glucosio-GLUT] T. ATTIVO PRIMARIO Trasporto attivo indica che il passaggio dei soluti è mediato dall’ATP che deriva dal metabolismo. Il trasporto attivo primario usa direttamente l’energia che deriva dall’idrolisi dell’ATP per ottenere il trasporto. Come il trasporto facilitato è soggetto a saturazione e inibizione competitiva. “Prendere energia” significa che l’ATP dona un suo gruppo fosfato ad un residuo aa che si trova nel trasportatore (aspartato) nel dominio di fosforilazione… questo legame induce un cambiamento conformazionale che determina il passaggio dei soluti. Quando il P si stacca la proteina torna della sua conformazione nativa [x es. pompe ATP-asi come pompa Na/K, pompa Ca, pompa H/K] T. ATTIVO SECONDARIO Nel trasporto attivo secondario un soluto X è portato contro gradiente di concentrazione usando ATP, poi è riportato all’interno della cell lungo gradiente di [ ] e nello stesso tempo porta con se un soluto che va contro gradiente di concentrazione… poi il soluto X è riportato fuori con un sistema di trasporto primario contro gradiente. Quindi un composto che si muove lungo gradiente di concentrazione aiuta un secondo soluto ad andare contro gradiente. Abbiamo diversi sistemi di trasporto: 1) co-trasporto = il gradiente elettrochimico di uno ione è sfruttato come fonte di energia per il trasporto contro gradiente 2) carrier simporto = ione trainante e molecola co-trasportata si muovono nella stessa direzione 3) carrier antiporto = ione e molecola in direzioni opposte [x es. trasporto lattosio in E. Coli, trasportatore SGLT, trasportatori vescicolari dei neurotrasmettitori] (05/03/24) CANALI IONICI A differenza delle pompe e dei trasportatori, che producono e mantengono i gradienti di concentrazione ionica ai lati della membrana, i canali ionici consentono i cambiamenti selettivi di permeabilità perché lasciano passare gli ioni secondo gradiente. Canali ionici = sono strutture proteiche integrali di membrana che trasportano essenzialmente ioni sempre secondo gradiente di concentrazione. Caratteristiche: 1. Non sono saturabili 2. Trasportano sempre secondo gradiente di concentrazione 3. Alta velocità di trasporto 4. Sono selettivi per i diversi ioni 5. Possono trovarsi in uno stato aperto o chiuso → apertura e chiusura sono regolati da diversi stimoli I canali ionici sono macromolecole di natura glicoproteica cost da proteine integrali di membrana che formano un poro, con un restringimento, idrofilico nel doppio strato fosfolipidico attraverso il quale gli ioni si spostano spinti dal gradiente elettrochimico… i canali possono avere più subunità! I canali ionici possono essere SELETTIVI e questo dipende da: - aa che costituiscono il poro di passaggio degli ioni - dalle interazioni che gli ioni hanno con le regioni del canale. I canali hanno filtri di selettività la cui grandezza è specifica per la grandezza dello ione → Gli ioni arrivano in prossimità del canale legati debolmente all’acqua e per permettere il passaggio prima questi devono essere deidratati e i legami che questi facevano con l’acqua vengono sostituiti temporaneamente con gli atomi delle catene laterali degli aa che costituiscono il poro. I canali ionici possono essere PASSIVI e AD ACCESSO VARIABILE: I canali passivi → sono sempre aperti, il flusso è determinato dalla forza netta elettrochimica e hanno un ruolo fondamentale nel potenziale di membrana a riposo. I canali ad accesso variabile → possono essere aperti o chiusi determinata da cambiamenti conformazionali del canale e questo dipende da diversi stimoli come: - Depolarizzazione di membrana (canali voltaggio-dipendenti) - Ligandi (canali ligando-dipendenti) - Stimoli meccanici (canali regolati meccanicamente) TECNICA DEL PATCH CLAMP → tecnica che ha permesso di capire cosa succede ad ogni singolo canale ionico misurando la corrente elettrica che attraversa ogni singolo canale ionico. Un micro-elettrodo è posto a livello della membrana cellulare e con una pressione si crea un sigillo tra membrana e estremità della pipetta e in questo modo possono esser fatte passare e misurate delle correnti. Se si rompe la membrana l’elettrodo arriva ad essere in contatto con il citosol posso misurare la differenza di potenziale. (00:18)  Inoltre, i canali ionici ad accesso variabile possono avere anche uno stato refrattario (un altro stato rispetto allo stato aperto o chiuso) → il transito degli ioni può essere impedito da un meccanismo distinto da quello che ne regola l’apertura e la chiusura. Questo canale ionico può entrare in uno stato refrattario per lo stesso stimolo che l’ha fatto aprire, per depolarizzazione o per defosforazione. Questo stato per poter tornare aperto lo stato del canale deve tornare a uno stato chiuso. CANALI VOLTAGGIO DIPENDENTE Sono attivati dalle variazioni dello stato di polarizzazione della membrana… si aprono quando il voltaggio diventa meno negativo, cioè la membrana è depolarizzata. A livello molecolare è dovuto al fatto che gli aa che lo cost hanno una carica netta e quindi risentono dell’effetto di un campo elettrico generato da differenza di carica della membrana Canale del sodio = ai valori di potenziale di membrana a riposo i canali del sodio sono chiusi e si aprono quando avviene una depolarizzazione I canali del sodio hanno diverse subunità α e β di cui la alfa è fatta da 4 domini ognuno cost da 6 segmenti transmembrana con diverse funzioni come sensore del voltaggio, filtro di selettività ecc.. Canali del calcio = sono proteine oligomeriche formate da diverse subunità simile a quella del sodio (4 domini disposti a formare il poro con 6 segmenti transmembrana) Canali del potassio = cost una famiglia assai numerosa rispetto agli altri e possono essere attivati dal voltaggio, calcio o quando la membrana è invece iperpolarizzata oppure alcuni sono sempre aperti. Anche loro si presentano costituiti da 4 subunità distinte, ognuna con 6 TM Abbiamo tantissimi tipi di canali del K voltaggio-dipendenti: → Alcuni canali potassio possono essere attivati dall’incremento di calcio intracellulare e si dividono in tre gruppi (big, intermediate, small). → Per quanto riguarda il potassio abbiamo anche canali che si aprono quando la membrana è iperpolarizzata (canali che rettificano verso l’interno). → Altri canali del potassio si dicono a background che sono canali semplici dal punto di vista molecolare (dimeri) che permettono il passaggio selettivo del potassio e sono sempre aperti CANALI REGOLATI DA STIMOLI TERMICI O MECCANICI Alcuni canali possono essere termosensibili come la famiglia dei TRP = si aprono in risposta a specifici intervalli di temperatura Altri sono regolati da sollecitazioni meccaniche e infatti sono attivati da una distorsione della membrana plasmatica (famiglia canali Piezo) POTENZIALE DI MEMBRANA Il potenziale di membrana è la differenza di potenziale, misurabile in una cellula, tra il versante citoplasmatico, che presenta cariche negative, e quello extracellulare, che presenta cariche positive. Per questo si dice che la membrana è polarizzata e tale differenza è definita potenziale di membrana a riposo. Sperimentalmente si può misurare la polarizzazione di una membrana cellulare con un microelettrico che è un sottile capillare di vetro assottigliato al calore con una punta di dimensione 3 KHz la testa rappresenta un ostacolo alle onde acustiche e forma un “ombra” acustica a suoni che provengono da una sorgente laterale. I circuiti del LSO calcolano tali differenze di intensità tramite proiezioni eccitatorie dal nucleo ventrale anteriore omolaterale ed inibitorie dal nucleo controlaterale Per frequenze