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FISIOLOGIA
La fisiologia è lo studio dei meccanismi fisici e chimici che fanno del corpo umano un organismo vivente. Le cellule sono l’unita fondamentale vivente dell’organismo. Cellule che svolgono funzioni diverse sono coordinate tra di loro per uno scopo comune e presentano comunque caratteristiche fondamentali comuni, ad esempio utilizzo dell’ossigeno per la produzione di energia. Il 56% del nostro corpo risulta costituito da H 2 O che per 2/3 si trova all’interno della cellula e per 1/3 all’esterno. Nel liquido extracellulare sono presenti ioni e nutrienti per il mantenimento della vita cellulare: Na+, Cl-, HCO 3.
Per omeostasi intendiamo il mantenimento di condizioni stabili o costanti nel mezzo interno.
Il liquido extracellulare viene trasportato attraverso le parti del corpo in due stadi: 1- attraverso il circolo del sangue nei capillari 2- scambio con il liquido interstiziale
Il processo di diffusione avviene nelle due direzioni, dal sangue ai tessuti e viceversa. Questo avviene grazie all’energia cinetica delle molecole presenti sia nel plasma che nel liquido interstiziale. Il sangue assume O 2 nei polmoni, carboidrati, AA e acidi grassi dal cibo ingerito nell’apparato digerente. Il fegato modifica molte sostanze assorbite e non direttamente utilizzabili..
CARATTERISICHE DEI SISTEMI DI CONTROLLO
9 Feedback negativo: metodo più presente per il controllo dell’organismo. Quando una variabile aumenta o si riduce interviene un sistema che riporta il valore ad un livello medio per mantenere l’omeostasi. Ad esempio un aumento di CO 2 causa un aumento della ventilazione polmonare in maniera tale da riportare la concentrazione a valori normali. L’efficienza con cui il sistema mantiene condizioni costanti viene definito guadagno. 9 Feedback positivo: uno stimolo iniziale tende ad amplificare lo stimolo stesso. Ad esempio il sistema di coagulazione del sangue o il meccanismo del parto. 9 controllo a feed-forward (negativo ritardato)
PRINCIPI DI EMODINAMICA
Funzione della circolazione è quella di mantenere un ambiente ottimale per la sopravvivenza ed il funzionamento cellulare. Componenti funzionali: 9 arterie: trasporto del sangue ad altri regimi pressori 9 arteriose: rami terminali del sistema arterioso che aprendosi e chiudendosi consentono di variare il flusso di sangue 9 capillari: scambio delle sostanze da sangue ai tessuti 9 venule: raccolgono il sangue dai capillari 9 vene trasporto del sangue dai tessuti al cuore.
Nelle vene sistemiche è contenuta la maggior parte del sangue. La circolazione sistemica contiene l’84% del sangue circolante. A livello venoso si verifica un maggior accumulo di sangue.
Lo stesso volume di sangue fluisce ogni minuto attraverso ciascuna sezione dell’albero circolatorio, la velocità del flusso di sangue è inversamente proporzionale all’area della sezione traversa. Se la velocità media è di 33 cm/sec nell’aorta, nei capillari è mille volte più bassa. La pressione arteriosa varia da 120 mmHg ad 80 mmHg. Nel punto in cui le vene cave entrano nell’atrio destro questa cade a 0. La pressione media funzionale a livello del letto capillare è di 17 mmHg. A livello polmonare la pressione ha valori tra 25mmHg e 8 mmHg. La quantità di sangue che passa attraverso la circolazione polmonare è la stessa di quella che passa attraverso la circolazione sistemica. La bassa pressione presente a livello polmonare è sufficiente a permettere che il sangue sia esposto all’ossigeno e riesca a cedere i prodotti di rifiuto metabolici.
Principi fondamentali della funzione circolatoria: 1- Il flusso sanguigno in ogni tessuto del corpo è controllato secondo le esigenze funzionali e tessutali 2- la gittata cardiaca è il risultato della somma di tutti i flussi locali tessutali 3- la pressione arteriosa è controllata indipendentemente dai sistemi locali di controllo del flusso ematico sia da quelli di controllo della gittata cardiaca.
Relazione tra pressione, flusso e resistenza: La differenza di pressione tra due estremità di un vaso spinge il sangue attraverso il vaso stesso. L’impedimento che trova il sangue nello scorrere viene definita resistenza vascolare. Per calcolare il flusso ematico che scorre in un vaso in un dato momento si utilizza la legge di Ohm che definisce:
Q = Δ P / R
dove Q è il flusso, ΔP è la differenza di pressione tra p1 e p2 ed R è la resistenza del vaso. E’ la differenza di pressione tra le due estremità del vaso a stabilire l’entità del flusso. Per flusso ematico intendiamo la quantità di sangue che passa in un dato punto della circolazione per un dato tempo. In un adulto la quantità di sangue pompata dal cuore in una unita di tempo è di 5l/min. Il sangue che si muove nei vasi, lo fa con flusso laminare questo significa che sono presenti degli strati circolari che dall’esterno verso l’interno della circonferenza del vaso aumentano gradatamente la loro velocità
La pressione del sangue è misurata in mm/Hg ed esprime la forza esercitata dal sangue sull’unita di superficie della parete vasale.
Unita di resistenza E’ l’impedimento che il flusso di sangue incontra durante il suo scorrimento in un vaso, si deduce dalle misurazione del flusso sanguigno e dalla differenza di pressione sanguigno e dalla differenza di pressione del vaso. Se la differenza di pressione è di 1 mmHg e il flusso di 100ml/sec la resistenza sarà pari ad 1 URP
Resistenza periferica totale In soggetto adulto la quantità del flusso ematico nel sistema circolatorio è di 100 ml/sec e la differenza di pressione tra arterie e le vene sistemiche è di 100 mmHg il rapporto è di 1 URP.
Resistenza polmonare totale Essendo la pressione arteriosa media a livello polmonare di 16 mmHg, quella striale di sinistra raggiunge in media 2 mmHg con differenza di pressione di 14 mmHg ossia 0,14 URP
La combinazione della sistole cardiaca con la distensibilità arteriolare permette al sangue di scorrere nel sistema cardio circolatorio attraverso pulsazioni pressorie. La differenza calcolata tra la pressione sistolica e diastolica è definita pressione pulsatoria o differenziale. La pressione pulsatoria è influenzata da: 1- gittata sistolica (volume sistolica) 2- complianza (distensibilità totale)
Distribuzione della gettata cardiaca Il circolo sistemico è costituito da tante sezioni disposte in parallelo. Normalmente il cuore a riposo pompa 5 litri di sangue al minuto e questo corrisponde alla gittata cardiaca. La gittata cardiaca è proporzionale al consumo di ossigeno del corpo. Ogni sezione riceve una frazione della gettata cardiaca, corrispondente alle sue esigenze metaboliche e funzionali. La frazione dipende dal peso dell’organo e dalle sue caratteristiche funzionali. La caduta di pressione nel sistema arterioso non è progressiva ma avviene a cavallo dei vasi di resistenza. La distribuzione della gettata cardiaca è regolata dalle resistenze vascolari di ogni sezione. La somma delle resistenze di ogni sezione (resistenze periferiche totali) contribuisce alla pressione arteriosa. Le resistenze sono regolate in funzione di due esigenze talvolta conflittuali:
- mantenimento della pressione arteriosa, regolazione delle resistenze periferiche totali operata dal controllo nervoso e umorale
- mantenimento di un flusso di sangue adeguato per ogni organo o tessuto, regolazione delle resistenze distrettuali operata dal controllo locale.
Tanto maggiore è la gittata, tanto maggiore deve essere la quantità di sangue accolta dal sistema arterioso. Una minore complianza del sistema arterioso genera un incremento pressorio. Durante la sistole il cuore spinge il sangue in circolo. La forza della spinta si trasmette alle pareti dei vasi che accumulano energia e la rilasciano sotto forma di onda sfigmica che permette al sangue di circolare.
La progressiva diminuzione delle pulsazioni in periferia è detta smorzamento dell’onda di pressione.
Onda sfigmica E’ un onda di pressione generata dal cuore che percorre tutto l’albero arterioso e scompare nei capillari. Le arterie pulsano e il cuore pompa il sangue contro un postcarico. L’albero arterioso è chiuso dalle resistenze periferiche e si presenta elastico. Il sangue espulso dal cuore ad alta pressione si accumula nella parte prossimale dell’albero aumentandone la pressione. L’onda di pressione cosi generata si propaga verso la periferia, essa viene smorzata dalle arteriose. L’ampiezza dell’onda sfigmica aumenta verso la periferia mentre il valore medio cala poco. La velocità di propagazione dell’onda è:
- 3-5 m/sec nell’aorta
- 7-10 m/sec nelle grandi arterie
- 15-35 m/sec nelle piccole arterie
Nei ventricoli la pressione scende vicino a 0 mmHg durante la diastole, nelle arterie rimane elevata e decade esponenzialmente. Questo accade perché le valvole semilunari chiudendosi, separano il compartimento arterioso dal cuore. Le arterie hanno una funzione di mantice.
LE VENE E LE LORO FUNZIONI
Il sangue torna al cuore da tutto il sistema venoso, e finisce nell’atrio destro. La pressione misurata qui, è la pressione venosa centrale. Essa è regolata da un equilibrio tra la capacità del cuore di pompare via dall’atrio il sangue e la tendenza del sangue a ritornare dai vasi periferici all’atrio destro. La pressione normale dell’atrio destro è di circa 0 mmHg, il valore della pressione sistemica può elevarsi fino a 20-30 mmHg in condizioni di gravi anomalie o ridursi fino ad una pressione negativa di -5 mmHg. Le grosse vene quando sono distese offrono poca resistenza. Queste pero quando entrano nel torace sono compresse in parecchi punti. Lo stesso avviene nell’addome. Questi elementi fanno si che le grandi vene offrano di solito una resistenza considerevole al flusso per cui la pressione oscilla tra i 4 e i 7 mmHg, valore più alto della pressione striale. Se la pressione nell’atrio destro si alza al di sopra dello 0, il sangue tende ad accumularsi nelle grosse vene e a distenderle. Nella cavità peritoneale la pressione si aggira attorno ai 4-6 mmHg. Se questa si alza, la pressione nelle gambe deve alzarsi a valori al di sopra di quella addominale prima che le addominali si distendano e permettano al sangue di fluire al cuore. La pressione idrostatica si fa sentire anche sul sistema vascolare. In un uomo fermo in piedi la pressione dovuta al peso del sangue sui piedi raggiunge valori di 90 mmHg. Le vene del collo per effetto della pressione atmosferica tendono a collabire. Le vene interne del cranio sono contenute in una camera rigida e per questo non collassato. Questo rende possibile una pressione negativa nei seni durali della testa. Un effetto di pompa venosa è dovuta al contrarsi dei muscoli delle gambe che contraendosi spremono il sangue fuori dalle vene mantenendo la pressione nelle gambe pari a 25 mmHg. A questa azione si combina la funzione delle valvole venose. La loro funzione viene meno qualora si verifichi uno stiramento delle stesse che ne aumenti il calibro.
Valutazione della pressione venosa A 10 mmHg le vene del collo appaiono distese. Misurazioni dirette possono essere effettuate con l’inserimento di un CVC. Punto di riferimento per le misurazioni è in corrispondenza della valvola tricuspide. Le vene fungono da riserva di sangue, contengono infatti il 60% del sangue in circolo. Funzionano quindi come deposito, tra queste consideriamo:
- milza
- fegato
- grosse vene addominali
- plesso venoso sottocutaneo La milza ha due porzioni che fungono da riserva la polpa ed i seni venosi.
La pressione colloido osmotica nel liquido interstiziale è data da una piccola quantità di proteine plasmatiche che escono dai pori e filtrano negli spazi interstiziali. La pressione capillare media all’estremo arteriolare dei capillari è di 15-25 mmHg più grande di quello venulare.
Forze che causano filtrazione all’estremo arteriolare Le forze che spingo il liquido all’esterno sono:
- pressione capillare 30 mmHg
- pressione liquido libero interstiziale 3 mmHg
- pressione colloido osmotica interstiziale 8 mmHg
- FORZE TOTALI VERSO ESTERNO 41 mmHg
Forze che spingono liquido all’interno
- Pressione colloido osmotica plasmatica 28 mmHg
- FORZE TOTALI VERSO INTERNO 28 mmHg
FORZE EFFETTIVE VERSO L’ESTERNO 41-28 = 13 mmHg
Forze che causano il riassorbimento Forze che spingono verso l’interno
- pressione colloido osmotica plasmatica 28 mmHg
- FORZA TOTALE VERSO L’INTERNO 28 mmHg
Forze che spingono verso l’esterno
- pressione capillare 10 mmHg
- pressione liquido libero interstiziale negativa 3 mmHg
- pressione colloido osmotica liquido interstiziale 8 mmHg
- FORZE TOTALI VERSO ESTERNO 21 mmHg
FORZE EFFETTIVE VERSO L’INTERNO 28-21 = 7 mmHg
A livello della membrana si trova uno strato vicino all’equilibrio tra quello che filtra all’esterno del capillare e quello che viene riassorbito. Il lieve squilibrio che esiste da ragione dlela piccola quantità di liquido che torna al circolo per la via linfatica Forze medie che spingono liquido all’esterno dei vasi
- pressione capillare media 17.3 mmHg
- pressione negativa liquido libero interstiziale 3.0 mmHg
- pressione colloido osmotica del liquido interstiziale 8.0 mmHg
- FORZE TOTALI VERSO ESTERNO 28.3 mmHg
Forze medie che spingono verso l’interno dei vasi
- pressione colloido osmotica del plasma 28.0 mmHg
- FORZE TOTALI VERSO INTERNO 28.0 mmHg
FORZE EFFETTIVE VERSO L’ESTERNO 28.3-28 = 0.3 mmHg
La differenza di 0,3 mmHg causa una filtrazione di liquido netta di 2 ml/min attraverso il sistema linfatico
CONTROLLO LOCALE DEL FLUSSO EMATICO
Ogni distretto del corpo regola il proprio flusso locale in proporzione alle esigenze metaboliche. Tanto più elevato è il metabolismo di un organo tanto più rapido è il suo metabolismo. Il flusso ematico in ogni tessuto è regolato al minimo livello per rispondere alle esigenze funzionali. Meccanismi di controllo: 9 a breve termine: cambiamenti del grado di costrizione delle arteriose metarteriole e degli sfinteri precapillari, meccanismo che avviene in pochi secondi o minuti. 9 a lungo termine: variazioni lente che richiedono giorni settimane o mesi. Sono variazioni di calibro e/o del numero dei vasi. 9 O 2 : fattore di controllo più importante, ogni volta che diminuisce nei tessuti aumenta il flusso ematico.
Teorie sull’aumento del flusso ematico: 1- Teoria della vasodilatazione: Maggiore è il grado di metabolismo o minore è la disponibilità di ossigeno, più grande è la liberazione di una sostanza vasodilatatrice. Tra queste sostanze si pensa svolgano ruolo importante: adenosina, acido lattico, fosfati, istamina, ioni potassio, idrogeno. Alcuni pensano che l’adenosina sia il fattore più importante. 2- Teoria richiesta di ossigeno (nutrienti) O 2 è necessario per mantenere la muscolatura in contrazione. Mancando, i vasi tendono spontaneamente a dilatarsi. I capillari possiedono sfinteri per la regolazione ematica. Questi sono costituiti da tessuto muscolare che quando contratto causa la chiusura degli sfinteri. Quando manca O 2 la contrazione non avviene e aprendosi gli sfinteri permettono il passaggio del sangue. Anche altri nutrienti possono causare vasodilatazione. Si è visto ad esempio che la carenza di glucosio per alcuni minuti nei tessuti può causare vasodilatazione.
I meccanismi di cui sopra sono detti metabolici. Casi particolari: Iperemia reattiva Î se l’apporto ematico viene bloccato in un tessuto e successivamente ripristinato, il flusso aumenta da 4 a 7 volte rispetto la norma. Se il blocco è durato molto anche il fenomeno di iperemia dura molto Iperemia attiva Î quando l’attività metabolica in un tessuto aumenta lo fa anche la quantità di flusso ematico.
In qualsiasi tessuto del corpo un rialzo rapido della pressione arteriosa provoca aumento di flusso ma successivamente si ha il ritorno a valori normali per autoregolazione del flusso.
A questo proposito troviamo due teorie: 9 Teoria metabolica: Quando la pressione è troppo alta lo è anche il flusso e di conseguenza l’apporto di fattori nutritivi. L’ossigeno causa costrizione dei muscoli ed un ritorno del flusso a valori più vicini alla norma. 9 Teoria miogena: Il brusco stiramento dei vasi provoca la contrazione della muscolatura vasale. Lo stiramento dovuto all’alta pressione provoca costrizione vascolare.
Secondariamente all’attivazione del microcircolo si attua un meccanismo in grado di dilatare le arterie più grandi. Le cellule endoteliali che rivestono le arteriole sintetizzano delle sostanze che influiscono sul grado di contrazione della parete vasale. E’ questo il fattore rilasciante endoteliale (ossido nitrico). Quando il sangue scorre nelle arterie produce uno stress dovuto alla trazione della forza viscosa del sangue che induce le cellule endoteliali a rilasciare ossido nitrico. La regolazione a lungo termine
arterie. Sono molto abbondanti alla biforcazione delle carotidi comuni in un area chiamata seno carotideo. Da qui attraverso il nervo di Hering gli impulsi sono portati al tratto solitario del bulbo. I barocettori del seno carotideo sono stimolati a pressioni arteriose al di sopra dei 60 mmHg. Anche lievi modificazioni pressorie sono in grado di modificare la risposta riflessa. Dopo che i segnali sono arrivati al bulbo, segnali di secondo ordine vanno ad inibire il centro vasocostrittore ed eccitano il centro vagale andando cosi a diminuire la frequenza e la forza di contrazione e causando vasodilatazione. E’ importante la funzione dei barocettori nel controllo pressorio nei cambiamenti di postura. I barocettori non svolgono ruoli significativi nel controllo a lungo termine poiché in uno o due giorni si adattano a qualsiasi livello pressorio a cui vengano sottoposti. 9 Controllo dei chemocettori I chemocettori sono cellule sensibili alla carenza di ossigeno, eccesso di ioni idrogeno e anidride carbonica. Si trovano alla biforcazione delle carotidi comuni con il nome di corpi carotidei, e nell’arco aortico con il nome di corpi aortici. Ogni corpo è fornito di abbondante vascolarizzazione cosi che i chemocettori sono sempre in stretto contatto con il sangue. Se stimolati inviano segnali effettori al centro vasomotore per innalzare la pressione arteriosa. 9 Recettori a bassa pressione Presenti negli atri e nelle arterie polmonari. Non rilevano direttamente la pressione arteriosa sistemica, rilevano invece i simultanei aumenti pressori nelle aree a bassa pressione. Il riflesso di Bainbridge è un aumento della pressione atriale che provoca un aumento di frequenza cardiaca dovuto a recettori di stiramento nella parete atriale. 9 Risposta ischemica del SNC Quando il flusso ematico scende a livello del centro vasomotore gli stessi neuroni del centro rispondono all’ischemia. La pressione arteriosa sale di molto e questo si ritiene sia causato dall’aumento di concentrazione di CO 2. La risposta ischemica del SNC è uno dei più potenti riflessi che attivano il sistema vasocostrittore. Si attiva solo in situazioni di emergenza quando la PA scende a livelli di 15-20 mmHg. 9 Reazioni di Cushing Provocata da un aumento pressorio intracranico. Ad esempio la pressione del liquido cerebrospinale cresce fino ad occludere i vasi arteriosi, si attiva una risposta ischemica che causa un aumento pressorio fino a che la pressione arteriosa non sale a livelli pressori superiori di quella del liquido cefalorachidiano. 9 Riflesso di compressione addominale Quando si stimola il sistema vasocostrittore simpatico, segnali inviati ai muscoli scheletrici, ne aumentano il tono. In particolare in quelli addominali permettono il riversamento di molto sangue in circolo.
LEGGI DEI GAS
Legge generale dei gas: il prodotto della pressione per il volume di un gas è uguale al numero di moli del gas moltiplicato per una costante e per la temperatura.
PV = nRT
Legge di Boyle: per una data temperatura, il prodotto della pressione per il volume di un gas è costante.
P 1 V 1 = P 2 V 2
Legge di Dal ton: la pressione parziale di un gas in una miscela gassosa è uguale alla pressione che il gas eserciterebbe se occupasse da solo tutto il volume occupato dalla miscela.
Px= Pb x C Px = (Pb –PH20) x C
Legge di Henry: all’equilibrio, la pressione parziale di un gas nella fase liquida è uguale alla pressione parziale nella fase gassosa.
Pressione = concentrazione gas disciolto/coefficiente di solubilità
Legge di Fick: per i gas la velocita di diffusione è direttamente proporzionale alla forza, al coefficiente di diffusione ed all’area della superficie disponibile per la diffusione, ed è inversamente proporzionale allo spessore della struttura attraverso cui avviene il processo
Vx= D x A x/ X
La seconda fase del processo respiratorio è la diffusione dell’ossigeno dagli alveoli al sangue e dalla anidride carbonica in direzione opposta. Si tratta di una diffusione semplice dovuta ai movimenti casuali delle molecole che passano da un lato all’altro della membrana respiratoria. Tutti i gas nella fisiologia respiratoria sono molecole semplici, libere di muoversi le une rispetto le altre. Perché la diffusione possa verificarsi è necessaria una fonte di energia costituita dall’energia cinetica delle molecole stessa. Se in un recipiente o in una soluzione è contenuto un gas la cui concentrazione non è omogenea, si verificherà una diffusione netta del gas dal punto a concentrazione maggiore verso il punto a concentrazione minore. La pressione che un gas esercita su una superficie è dovuta all’impatto che costantemente si verifica tra le molecole che si agitano a causa dell’energia cinetica e la superficie stessa. La pressione esercitata da un gas sulla superficie delle vie aeree e degli alveoli è proporzionale alla somma della forza d’urto di tutte le molecole contro la superficie. La pressione totale di un gas è direttamente proporzionale alla sua concentrazione. L’aria che respiriamo è una miscela di gas e la velocità di diffusione di ciascuno di questi gas è direttamente proporzionale alla pressione che esso avrebbe se considerato singolarmente, cioe alla pressione parziale del gas. La pressione di un gas in una soluzione è dovuta non solo alla sua concentrazione ma anche al coefficiente di solubilità del gas. Alcune molecole sono fisicamente o chimicamente attratte dalle molecole di H 2 O, mentre altre ne sono respinte. Nel secondo caso è sufficiente una concentrazione molto bassa per sviluppare una pressione alta. Quando nelle vie respiratorie entra aria, dalla sua superficie evapora acqua che umidifica l’aria. Questo perché le molecole di acqua sfuggono dalla superficie acquosa per entrare in quella gassosa. La pressione che le molecole d’acqua esercitano quando sfuggono attraverso la superficie si chiama tensione di vapore d’acqua. Alla normale temperatura di 37°C questa tensione è pari a 47 mmHg. Più è elevata la temperatura maggiore è la probabilità che le molecole entrino in fase gassosa.
La diffusione netta di un gas da un area ad alta pressione verso una zona a bassa pressione, è uguale al numero di molecole che si muovono lungo la prima direzione meno il numero di molecole che si muovono lungo la direzione opposta Î gradiente di pressione.
BIOFISICA DELLE MEMBRANE CELLULARI
A causa dell’interno idrofobico, il doppio strato lipidico delle membrane serve da barriera al passaggio della maggior parte delle molecole polari. Questa funzione è importante in quanto permette alla cellula di mantenere concentrazioni di soluti nel citosol diverse da quelle del fluido extracellulare. E’ necessario pero che le cellule abbiano mezzi idonei per il trasferimento attraverso la membrana di sostanze nutrienti e per l’eliminazione delle sostanze di rifiuto. Il trasporto degli ioni inorganici e delle piccole molecole organiche idrosolubili attraverso il doppio strato lipidico è ottenuto per mezzo di proteine transmembrana specializzate. Doppi strati lipidici privi di proteine sono altamente impermeabili agli ioni.
Se si aspetta a lungo, qualsiasi molecola diffonderà attraverso un doppio strato lipidico privo di proteine seguendo semplicemente il suo gradiente di concentrazione. La velocità di diffusione varia pero enormemente in rapporto alla solubilità della molecola attraverso il doppio strato lipidico. Generando concentrazioni ioniche diverse, le membrane cellulari conservano energia potenziale sotto forma di gradienti elettrochimici. Molecole piccole e non polari si dissolvono rapidamente attraverso le membrane. Anche molecole polari prive di carica diffondono rapidamente attraverso il doppio strato lipidico. Molecole cariche (ioni) per quanto piccole che siano non passano attraverso la membrana Esistono due classi principali di proteine specializzate nel trasporto attraverso la membrana lipidica:
- proteine di trasporto: si legano al soluto specifico che deve essere trasportato subendo una serie di modificazioni conformazionali per trasferire il soluto attraverso la membrana.
- proteine canale: non hanno bisogno di legare il soluto, formano pori idrofilici attraverso il doppio strato lipidico.
Entrambe permettono il passaggio di ioni e molecole. Se la molecola trasportata è priva di carica, è semplicemente la differenza di concentrazione sui due lati della membrana che spinge il trasporto passivo e ne determina la direzione. Se il soluto ha una carica netta invece, sia il suo gradiente di concentrazione che la differenza di potenziale elettrico attraverso la membrana ne influenzano il trasporto. (gradiente elettrochimico)
Quando parliamo di diffusione, si intende un movimento molecolare casuale sia attraverso aperture nella membrana che in combinazione con una proteina trasportatrice. Per il trasporto attivo abbiamo un movimento contro un gradiente di energia.
Ioni e molecole sono incostante movimento e questo produce calore. La diffusione attraverso le membrane può avvenire per :
- diffusione semplice: dove il movimento di molecole avviene attraverso aperture della membrana, non è necessario il legame con proteine trasportatrici (proteine canale)
- diffusione facilitata: interazione delle molecole o degli ioni con una proteina trasportatrice
Le proteine canale Le proteine canale formano pori idrofilici attraverso le membrane. La maggior parte dei canali proteici hanno pori stretti ed altamente selettivi e sono deputate soprattutto al trasporto di ioni inorganici e quindi sono detti canali ionici. Le caratteristiche per i canali ionici sono: 9 permeabilità selettiva: dipende dal forma, diametro e natura delle cariche elettriche disposte lungo le sue pareti interne. Ad esempio i canali del sodio presentano forte elettronegatività interna che trascina lo ione disidratato del sodio. 9 gating: apertura e chiusura dei canali ad opera di modificazioni conformazionali della proteina canale. L’apertura e la chiusura sono regolati da porte a voltaggio dipendenti in cui
la conformazione varia al variare del potenziale elettrico; porte a controllo chimico, dove le porte si aprono per effetto della combinazione chimica della proteina canale con un'altra molecola che provoca modificazione conformazionale. Il canale conduce corrente “tutto o nulla”
La diffusione facilitata Si necessita di un trasportatore che carica la molecola da portar all’interno della cellula. Nella diffusione facilitata la velocità aumenta in modo non proporzionale fino a raggiungere una Vmax. Tra le sostanze che diffondono per diffusione facilitata troviamo il glucosio e gli amminoacidi. Le sostanze che diffondono in una direzione possono farlo anche in senso contrario. Per la cellula è importante la velocità netta di diffusione in una direzione determinata da:
- differenza di concentrazione tra i due lati della sostanza
- differenza di potenziale tra i due lati della membrana
- differenza di pressione tra i due lati della membrana
- Per determinare la diffusione netta Concentrazione esterna – concentrazione interna
- applicando una differenza di potenziale gli ioni cominciano ad attraversare la membrana per effetto della carica. La differenza di concentrazione tende a riportare gli ioni nella posizione originaria. Ad un dato punto la differenza di concentrazione sarà aumentata tanto da bilanciare l’effetto del gradiente elettrico. Per calcolare la differenza di potenziale elettrico capace di equilibrare una data differenza di concentrazione di ioni monovalenti si usa l’equazione di Nerst
E (in millivolt) = 61 ± log C 1 /C 2
- La pressione è la somma delle forze che agiscono contro la parete in un dato istante
H 2 O diffonde attraverso la membrana ed è bilanciata in maniera che non si ha un movimento netto di acqua. Il movimento di acqua per effetto di una differenza di concentrazione si chiama OSMOSI.
La pressione osmotica: è la pressione minima necessaria per bloccare l’osmosi e dipende dal numero delle particelle per unità di volume di liquido.
Energia cinetica media K = mv^2 / 2
Per esprimere la concentrazione in funzione del numero di particelle si usa l’osmole ossia il numero di particelle in un grammo molecola di soluto. Ad esempio 180 g di glucosio = 1 grammo-molecola di glucosio = 1 osmole. Alla normale temperatura di 37°C una concentrazione di 1OSM/litro stabilisce nella soluzione una pressione di 19300 mmHg.
Il trasporto attivo Si necessitano concentrazioni di ioni più alte all’interno della cellula rispetto all’esterno. Situazione che non si può realizzare attraverso diffusione semplice. Serve energia per il movimento di potassio verso l’interno della cellula e sodio verso l’eterno (TRASPORTO ATTIVO). Distinguiamo:
- trasporto primario : che necessita di energia da degradazione di ATP
- trasporto secondario : che ricava energia dai un processo di immagazzinamento che consiste in un gradiente di concentrazione ionica.
Il potenziale in questione può essere misurato con grande precisione con un microelettrodo e sperimentalmente si trova un valore di –90 mV, con negativo il potenziale del liquido intracellulare. I liquidi intracellulare ed interstiziale possono essere paragonati dal punto di vista fisico a due soluzioni acquose in cui sono disciolti ioni monovalenti positivi e negativi come: Na+, K+, Cl-, A-.
MEMBRANA
CELLULARE
A B
Liquido interstiziale liquido intracellulare
(esterno) (interno)
Na+ …142 14
K+……. 4 140 PER
Cl-……108 4 LA
A-…….. 0.11 4.11 FISICA
POMPA
Na - k
In A gli ioni K+^ tendono a diffondere verso l’esterno portando con essi cariche positive e lasciando all’interno cariche negative. La differenza di potenziale che si instaura tende a riportare il potassio all’interno ed è pari a – 94mV. Lo stesso si può dire per il sodio che tende ad uscire.
Gli ioni sodio e potassio i due meccanismi non portano ad una condizione di equilibrio, quindi ci deve essere un altro meccanismo in grado di garantire l’equilibrio. Questo è garantito dalla pompa Na+/K+ La pompa Na+/K+^ aiuta a conservare l’equilibrio osmotico mantenendo la concentrazione di sodio bassa all’interno della cellula. Bisogna che ci siano pero altri cationi per bilanciare internamente alla cellula le cariche negative delle sostanze organiche. Questa funzione è svolta dal potassio. Esso è pompato attivamente nella cellula e può uscire da essa attraverso i canali passivi per il K+ Il numero di ioni che si deve muovere attraverso la membrana per stabilire il potenziale di membrana è molto piccolo. Si può quindi pensare al potenziale come sei si formasse per movimenti di cariche che lasciano le concentrazioni degli ioni praticamente inalterate. La condizione di equilibrio in cui non c’è flusso netto di ioni attraverso la membrana plasmatica, definisce il potenziale di membrana a riposo per quella cellula in esame. Attraverso l’equazione di Nerst esprime la condizione di equilibrio ad una concentrazione nota.
Potenziale di Nerst Livello del potenziale di membrana in grado di impedire la diffusione netta di uno ione attraverso la membrana sia in una direzione che nell’altra.
E (in millivolt) = 61 ± log C 1 /C 2
dove C 1 = concentrazione dello ione esterna alla membrana dove C 2 = concentrazione dello ione interna alla membrana
Usando questa formula si assume che il potenziale all’esterno sia sempre a 0 ed il potenziale di Nerst calcolato è il potenziale all’interno della membrana.
Se la membrana è permeabile a diversi ioni il potenziale che ne deriva dipende da:
- segno delle cariche di ogni specie ionica
- permeabilità della membrana
- concentrazione di ogni specie ionica interna ed esterna alla membrana
Potenziale di riposo Se non trasmettono impulsi le fibre nervose hanno potenziale di membrana pari a – 90mV (il potenziale interno della membrana è 90 volte più negativo rispetto al liquido extracellulare). Gradienti dovuti alla pompa Na+/K+
Na+^ (esterno) 142 mEq/litro 0, Na+^ (interno) 14 mEq/litro
K+^ (esterno) 4 mEq/litro 35 K+^ (interno) 140 mEq(litro
A livello della membrana sono presenti dei canali proteici denominati canali passivi (o con perdita) molto più permeabili al potassio. Abbiamo detto che un potenziale di membrana si genera quando esiste una differenza di carica elettrica sui due lati di una membrana, dovuta ad un leggero eccesso di ioni positivi su di un lato ed un leggero deficit sull’altro. In una cellula animale, sono i movimenti passivi di ioni che contribuiscono maggiormente al potenziale elettrico attraverso la membrana plasmatici.. La pompa Na+/K+^ aiuta a conservare l’equilibrio osmotico mantenendo bassa la concentrazione di sodio nella cellula. Essendoci poco sodio nella cellula sono necessari altri cationi per bilanciare le cariche negative intracellulari. Questo ruolo equilibratore è svolto in gran parte dal potassio che si muove liberamente attraverso canali passivi per il potassio. Quando questo si muove verso l’esterno della cellula, lascerà dietro di se cariche negative non bilanciate che generano un campo elettrico che tenderà ad opporsi ad un ulteriore efflusso di potassio dalla cellula.
Come si origina il potenziale di riposo 9 contributo del potenziale di diffusione del potassio si considera il potassio unico movimento di ioni ad un potenziale all’interno della fibra di
- 94 mV 9 contributo diffusione del sodio attraverso la membrana lieve permeabilità nella membrana al sodio attraverso i canali passivi sodio/potassio. Considerando anche il potenziale del potassio di – 94 mV avremo un potenziale interno di
- 86 mV 9 contributo della pompa Na+/K+ pompati continuamente ioni sodio verso l’esterno e ioni potassio verso l’interno, grado addizionale di elettronegatività di – 4 mV
Date queste costanti avremo un potenziale di riposo di – 90 mV
Il potenziale d’azione Una serie di fenomeni elettrici dei sistemi biologici, indicati con il termine di potenziali bioelettrici. Questi fenomeni sono originati dalla presenza, all’interno del corpo, di differenze di potenziale, queste possono essere stazionarie (come nel caso del potenziale di membrana) o transienti (come nel caso del potenziale d’azione). Il potenziale d’azione si manifesta solo in cellule eccitabili cioè in grado di mutare temporaneamente le loro caratteristiche di permeabilità a seguito di stimoli esterni.
- ioni negativi non in grado di attraversare la membrana quali molecole proteiche, fosfati organici, composti solforati.
- ioni calcio trasportati esternamente o in organelli. Si attivano lentamente e sono molto numerosi nel muscolo cardiaco e nei muscoli lisci.
La concentrazione degli ioni calcio nel liquido extracellulare ha forte influenza sul valore del voltaggio al quale i canali del sodio sono attivati. Questo fa diventare la fibra altamente eccitabile.
COSA DA INIZIO AL POTENZIALE D’AZIONE
Senza variazioni del potenziale di membrana non si può avere potenziale d’azione. Se un evento induce una variazione del potenziale e se questa è sufficiente si apriranno molti canali del sodio. Si instaura cosi un feedback positivo che genera il potenziale d’azione. Il valore di membrana al quale si attiva il potenziale è di -65 mV. Il potenziale d’azione una volta instaurato non presenta un'unica direzione di propagazione, si propaga infatti per tutta l’estensione della membrana secondo il principio del tutto o nulla. Le concentrazioni ai valori iniziali sono riportate dalla pompa Na+/K+^ che richiede ATP per il funzionamento. In alcuni casi la membrana non si ripolarizza immediatamente dopo la depolarizzazione ma rimane in uno stadio di plateau. Ad esempio nel cuore il plateau dura due tre millisecondi e determina la contrazione miocardica. Concorrono a determinare questo i canali rapidi e i canali lenti. La ritmicità è data da determinate scariche ripetitive da ripetitivi potenziali d’azione. Essa si genera spontaneamente se la membrana è per sua natura permeabile al sodio da consentire una depolarizzazione automatica della membrana. Situazione caratteristica dei tessuti autoeccitabili. In una fibra eccitabile non si può generare un potenziale d’azione finche essa rimane depolarizzata. Viene definito questo, periodo refrattario.
Differenze tra eccitamento sinaptico e potenziale d’azione Nel potenziale sinaptico il movimento di sodio e potassio avviene simultaneamente mentre nel potenziale d’azione avviene in successione (prima si aprono i canali per il sodio, poi quelli per il potassio). Il neurotrasmettitore apre un solo canale con permeabilità quasi uguale per il sodio e per il potassio. L’apertura del canale responsabile dell’eccitamento sinaptico dipende dalla concentrazione di acetilcolina (non aumenta la conduttanza sinaptica totale, i potenziali sono relativamente piccoli e soggetti a sommazione). I canali che generano il potenziale d’azione sono voltaggio dipendenti. Il PdA ha caratteristiche di tutto o nulla. Il potenziale di riposo delle cellule nervose è pari a -55 mV, quello delle fibre a -90 mV.
BIOFISICA DELLA CONTRAZIONE MUSCOLARE
LA CONTRAZIONE DEL MUSCOLO SCHELETRICO
I muscoli scheletrici rappresentano il 40% del peso corporeo e sono composti da fibre con un diametro di 80-100 micron. Queste possono estendersi per tutta la lunghezza del muscolo. Sarcolemma: membrana cellulare della fibra muscolare costituita da membrana propriamente detta e rivestimento polisaccaridico. Miofibrille: costituente delle fibre muscolari. Queste risultano a loro volta costituite da 1500 molecole di miosina e 3000 di actina.
I filamenti di miosina ed actina sono tra loro interdigitati in maniera che le miofibrille presentano bande chiare e scure alternate. Le bande chiare contengono principalmente filamenti di actina e sono dette bande I (isotrope alla luce polarizzata). Le bande scure sono formate da filamenti di miosina e dalle estremità dei filamenti di actina e sono le bande A. Ogni banda I presenta la linea Z al centro. Ogni banda A presenta al centro una linea più chiara, la banda H bisecata a sua volta dalla linea M. I filamenti di actina sono collegati ad un estremità al disco Z. La porzione di miofibrilla compresa tra due dischi Z successivi viene detta sarcomero. La titina è una proteina di natura filamentosa che può assumere disposizione spiraliforme e da intelaiatura dove i filamenti di actina e miosina sono alloggiati. Sarcoplasma: matrice in cui sono immerse le miofibrille. Presente K+^ Mg+^ un elevato numero di mitocondri e proteine enzimatiche. Reticolo sarcoplasmatico: importante per la contrazione può essere più o meno sviluppato.
Generazione della contrazione: 1- potenziale d’azione trasmesso da motoneurone alle fibre muscolari 2- rilascio dalle terminazioni nervose di acetilcolina. 3- apertura dei canali acetilcolina-dipendenti 4- ingresso sodio nella fibra muscolare ed insorgenza PdA 5- propagazione lungo la membrana della fibra muscolare del PdA 6- depolarizzazione membrana fibra e propagazione in profondità con liberazione dal RE di CA 7- generazione forze attrattive actina/miosina 8- rimozione degli ioni calcio attraverso la pompa di membrana
La contrazione avviene per un meccanismo di scorrimento dei filamenti che si instaura per l’interazione di ponti trasversali dei filamenti di miosina con quelli di actina. Queste forze si attivano grazie agli ioni calcio. I filamenti di miosina sono costituiti da molecole di miosina affiancate, due catene pesanti e quattro leggere. Le due catene pesanti sono avvolte a spirale le cui estremità sono ripiegate a formare la testa della miosina (due teste). Le quattro catene leggere si dispongono due per ogni testa. Ogni filamento di miosina risulta costituito da circa duecento molecole di miosina. Il corpo è dato dall’affiancamento delle code. Lateralmente al corpo troviamo le teste che vanno a costituire con il braccio i ponti trasversali ognuno dei quali si ritiene flessibile in due punti uno dove il braccio lascia il corpo e l’altro dove il braccio diventa testa. I bracci sono incernierati dal centro del filamento verso le estremità. Ogni serie di ponti è spostata lungo l’asse rispetto al precedente di 120°. La testa della miosina ha attività ATPasica.
IL FILAMENTO DI ACTINA
Costituito da molecole di actina tropomiosina troponina
L’ossatura del filamento è data da due filamenti ad elica di F-actina il quale a sua volta risulta costituito da 13 molecole di G-actina ogni giro. Ad ogni molecola di G-actina è legata una molecola di ADP e si ritiene che questo sia il sito attivo. Le basi dei filamenti sono inserite nei dischi Z. La tropomiosina è una proteina che costituisce un ulteriore filamento unita debolmente ai filamenti di F-actina. Allo stato di riposo la tropomiosina copre i siti attivi dell’actina.
