Appunti completi Fisiologia

Fisiologia

La fisiologia studia i sistemi e gli apparati del corpo umano, in particolare i processi che portano a meccanismi basici/fisiologici e patologici. Alla base dello studio troviamo le cellule che formano i tessuti, che a loro volta formano gli organi, che si organizzano per formare gli apparati.

La cellula

La cellula è composta da diversi organelli ed è delimitata da una membrana cellulare fosfolipidica.

La membrana cellulare

La sua funzione è quella di separare, proteggere, comunicare. Questa membrana è formata da un doppio strato fosfolipidico utile a separare il lume dall’esterno della cellula. Le molecole lipidiche che formano la membrana sono:

• Colesterolo: formato da anelli aromatici che tendono a mantenere rigida la membrana.
• Glicolipidi: formati da residui di glucosio nella parte esterna.
• Fosfolipidi.

Le proteine presenti sulla membrana sono molteplici e rappresentano il mezzo con cui la cellula comunica con l’ambiente esterno o con le altre cellule. Le proteine con funzione di trasporto servono a portare le molecole all’interno e all’esterno della cellula.

La fisiologia cellulare

La fisiologia cellulare studia il comportamento delle cellule, in particolare quando essa trasporta ioni all’interno e all’esterno della cellula per influenzare il potenziale di membrana. Quest’ultimo dipende dal tipo di ioni intra ed extracellulari. Il liquido intracellulare rappresenta i 2/3 di tutto il volume dell’acqua corporea, mentre quello extracellulare è il restante 1/3 del volume che compone il nostro organismo. Il liquido esterno viene definito liquido interstiziale (liquido presente fra due cellule adiacenti) e plasma.

La composizione ionica è la parte fondamentale per determinare i due liquidi (intra ed extra). Il sodio è uno ione importantissimo perché il suo potenziale esterno è molto minore rispetto a quello interno, mentre il potassio è opposto, mentre il cloro si comporta come il sodio. Il sodio e il potassio in particolare si muovono in modo passivo secondo il gradiente di concentrazione perché il sodio si sposta dall’ambiente a maggior concentrazione verso quello a minor concentrazione, allo stesso modo del potassio, fino al raggiungimento di un equilibrio dinamico (NON statico), quindi il passaggio continuerà ad avvenire.

La pompa sodio-potassio o ATPasica è un canale che sfrutta il trasporto attivo primario per mandare gli ioni da una parte all’altra del liquido senza mai fermarsi. Questa particolare pompa trasporta 2 ioni potassio dentro e tre ioni sodio fuori.

Il trasporto di membrana

Il trasporto si differenzia in base all’utilizzo o meno dell’ATP:

• Trasporto passivo: questo tipo di trasporto avviene senza l’utilizzo dell’ATP e si differenzia a sua volta in due tipologie:
  • Diffusione semplice: le molecole che passano sono liposolubili o gassose (O₂, CO₂, H₂S). La velocità del trasporto dipende dallo spessore della membrana e dal gradiente di concentrazione. La legge di Fick descrive il movimento dello ione/molecola da una parte all’altra della membrana.
  • Pori acquosi e proteine trasportatrici definiti diffusione facilitata: è un trasporto mediato da trasportatori di membrana perché entra in gioco il gradiente e la saturazione del trasportatore (quando il sistema è a saturazione, tutto quello che c’è internamente ed esternamente si ferma finché il passaggio non è avvenuto), quindi in questo caso abbiamo una velocità massima con cui avviene il trasporto.
• Trasporto attivo: si divide a sua volta in:
  • Primario: per funzionare necessita di ATP e sposta ioni contro gradiente di concentrazione.
  • Secondario: si definisce tale perché a sua volta comprende:
    • Simporto: è un trasporto in cui due ioni vengono trasportati nello stesso momento e stessa direzione.
    • Uniporto: passa solo uno ione specifico in un’unica direzione.
    • Antiporto: passano due ioni/molecole nello stesso momento ma in direzioni opposte.

Nel trasporto attivo secondario, l’energia utilizzata deriva dal trasporto attivo primario: la pompa ATPasica consuma ATP, crea energia spostando due ioni contro gradiente formando così una corrente che porterà un solo ione a rientrare nella cellula producendo ATP; sulla stessa membrana, infatti, saranno spesso associati i due trasporti attivi perché vicini fisicamente.

Il potenziale di membrana

Il potenziale è dato da due elementi: il gradiente di concentrazione ed elettrochimico. Quest’ultimo dipende dalla carica dello ione. Il potenziale di equilibrio di uno ione viene descritto dall’equazione di Nernst in cui spiega che il potenziale di uno ione è uguale a delle costanti (R, T, F) per la carica dello ione per il logaritmo naturale della concentrazione dello ione all’interno e all’esterno. In un sistema reale le membrane sono permeabili a più ioni, quindi per valutare il vero potenziale di membrana dobbiamo considerare le conduttanze, ovvero l’Energia generata da ogni ione che attraversa la membrana e viene indicato con G. In generale il potenziale di membrana è di circa -70 millivolt/-90 millivolt, simile a quello del potassio che è -94. La legge di Ohm indica invece il flusso di carica elettrica trasportata da uno ione.

La classificazione dei canali di trasporto

I canali di trasporto presenti sulla membrana si classificano in base a:

• Selettività ionica.
• Dipendenza dal voltaggio.
• Proprietà funzionali.
• Controllo regolato da trasmettitori e/o secondi messaggeri intracellulari.
• Canali modulati da secondi messaggeri
• Attivi: aperti.
• Inattivi: i canali chiudono solo una porzione per un tempo sufficiente tra uno stimolo e un altro per far sì che l’azione finisca (es. cellule cardiache durante la contrazione).
• Chiuso.

Segnali elettrici

I segnali elettrici si propagano tra una cellula all’altra tramite:

• Potenziale graduato: è sempre una perturbazione dell’equilibrio, ma rimane costante solo per brevi distanze, quindi non è in grado di propagarsi lungo tutta la cellula con la stessa potenza (la perde gradualmente). Il potenziale in questione può essere di due tipi:
  • Depolarizzante: potenziale che innesca nella cellula l’inversione della carica di membrana (aumento del potenziale di membrana; es. da -70 a -50 millivolt) quindi rappresenta la futura eccitazione della cellula.
  • Iperpolarizzante: la cellula andrà a valori ancora più negativi, quindi è uno stimolo che porta all’apertura dei canali del potassio per farlo uscire e per inattivarla.
• Potenziale d’azione: variazione delle cariche da un lato all’altro della membrana, quindi indica la perturbazione dell’equilibrio della cellula. Questo potenziale porta ad ampie depolarizzazioni che perdurano nel tempo per grosse distanze nella cellula, quindi il contrario del potenziale graduato. Questo potenziale viene anche definito rigenerante.

Il valore soglia del potenziale d’azione lo possiamo osservare bene nel neurone: al livello del monticolo assonico si sviluppa l’assone in cui si propagherà il segnale fino al terminale assonico che prende contatto con i dendriti del neurone successivo; il potenziale graduato si genera al livello del corpo cellulare, quindi nel punto in cui si forma la sinapsi, mentre il potenziale d’azione si genera al livello del monticolo. Per capire la relazione dobbiamo immaginare che il potenziale graduato serva a preparare la cellula al futuro stimolo che lo porterà all’attivazione del potenziale d’azione. Il potenziale d’azione avviene solo seguendo la legge del tutto-nulla in cui spiega che il valore soglia deve essere raggiunto per far passare lo stimolo (sotto soglia), se invece non viene raggiunto (sovra soglia) il passaggio non avverrà; il valore soglia è di circa, in media, -50 millivolt e rappresenta il valore del potenziale d’azione da raggiungere.

Parlando nello specifico del potenziale d’azione

• Potenziale del motoneurone.
• Potenziale del muscolo scheletrico.
• Potenziale del muscolo cardiaco: è il più rapido perché la salita verso i valori positivi è più diretta (è completamente perpendicolare alla x).

Il potenziale d’azione viene definito da:

• Risposta tutto-nulla: la risposta o si genera o no, non c’è una via di mezzo.
• Potenziale soglia.
• Propagazione non decrementale: si rigenera da solo, quindi il segnale non diminuisce nella distanza.

Guardiamo un esempio di propagazione del segnale nei neuroni: il potenziale d’azione non si perde mai in un assone non mielinico perché le pompe presenti sull’assone continuano ad aprirsi in successione e perché sono localizzate su ogni punto della membrana. Se osserviamo un assone mielinico dobbiamo ricordare che sono presenti i nodi di Ranvier fra una zona mielinizzata e l’altra; in queste interruzioni avremo la membrana cellulare libera in cui troveremo un’altissima densità di canali del sodio voltaggio-dipendenti, quindi è in questa zona che avviene la depolarizzazione che permette la propagazione del segnale elettrico. La conduzione negli assoni mielinizzati viene definita saltatoria.

Fasi del potenziale d’azione nel motoneurone e nella cellula muscolare

1. Potenziale a riposo a valori di -70 millivolt.
2. Stimolo depolarizzante che fa aprire i canali.
3. La membrana si depolarizza fino alla soglia. I canali voltaggio-dipendenti per il sodio e per il potassio si iniziano ad aprire.
4. Il rapido ingresso del sodio depolarizza la cellula.
5. I canali del sodio si inattivano, NON SONO CHIUSI e si aprono quelli del potassio.
6. Il potassio si sposta dalla cellula al liquido extracellulare.
7. I canali del potassio continuano a rimanere aperti portando all’iperpolarizzazione.
8. I canali del potassio si iniziano lentamente a chiudere.
9. La cellula torna alla situazione di partenza, quindi il potenziale di membrana è a riposo.

Ricorda: polarizzazione significa entrata ioni sodio, mentre depolarizzazione significa entrata degli ioni potassio.

Il periodo refrattario del potenziale d’azione

Il periodo refrattario del potenziale d’azione è la quarta caratteristica che va ad indicare il periodo in cui la cellula non innesca un nuovo potenziale d’azione, quindi durante un potenziale non se ne può generare immediatamente un altro, deve passare un certo periodo di tempo. Si può dividere in due momenti:

• Periodo refrattario assoluto: in questo periodo qualsiasi altro stimolo che arriva alla cellula andrà a vuoto perché nessun potenziale può essere generato a causa del potenziale d’azione già in atto in quel momento.
• Periodo refrattario relativo: in questa fase solo uno stimolo superiore al normale può innescare un potenziale d’azione mentre ce n’è già uno in atto. In questo periodo il valore soglia si sposta da -55 a 0.

I canali del sodio voltaggio-dipendenti hanno un “cancello di attivazione e di inattivazione”: quando è chiuso, il sodio non passa, ma se arriva lo stimolo si apre e il sodio inizia ad entrare fino al massimo voltaggio possibile (+20); una volta raggiunto il voltaggio, il tutto si ferma e il canale è inattivo/bloccato. Solo quando il canale sarà chiuso si potrà generare un nuovo potenziale d’azione.

La velocità di conduzione

La velocità di conduzione dipende dal diametro dell’assone, dalla resistenza della membrana e dalla presenza o meno della guaina mielinica; parlando di quest’ultima si tratta di una sostanza fosfolipidica prodotta dalle cellule di Schwann e dagli oligodendrociti che si avvolgono attorno all’assone. La degenerazione walleriana è un processo in cui avviene un’interruzione, dovuta a traumi o patologie, della guaina mielinica e dell’assone, quindi il segnale sarà interrotto; in alcuni casi, ad esempio nei nervi periferici, possiamo osservare una piccola rigenerazione nel punto di rottura, ma avviene solo nel sistema periferico non nel sistema centrale.

Come comunica il sistema nervoso?

In primis dobbiamo ricordare che il cervello è formato da circa 80-100 miliardi di neuroni ed è una quantità impressionante anche solo per la rete comunicativa che si va a creare in un singolo individuo. I neuroni però vengono sostenuti dalle cellule gliali che hanno diverse funzioni:

• Sistema nervoso centrale:
  • Cellule ependimali: sono cellule epiteliali specializzate che si trovano al livello dei ventricoli e sono incaricate di produrre il liquido cerebrospinale, quindi hanno una funzione protettiva.
  • Astrociti: sono cellule a forma stellata con funzione di protezione nei confronti dei vasi e capillari che arrivano al livello dell’encefalo, quindi hanno una funzione trofica e di protezione ematoencefalica. Quando le cellule prendono contatto con i capillari iniziano a produrre neurotrofine, ovvero molecole che aumentano la presenza di giunzioni serrate (GAP Junction) fra una cellula e l’altra.
  • Microglia: sono le cellule immunitarie col compito di fagocitare eventuali patogeni, sostanze di scarto e tossiche, quindi sono dei macrofagi.
  • Oligodendrociti: sono le cellule adibite alla mielinizzazione di più neuroni avvolgendosi attorno ad esso e mantenendo sempre il nucleo esterno e il citoplasma sparso per tutta la struttura per mantenere la funzione trofica anche nelle parti più interne.
• Nel sistema nervoso periferico troviamo solo:
  • Cellula di Schwann: cellule che producono la guanina mielinica solo in un neurone e hanno anche funzione neuro-trofica come il fattore neurotrofico chiamato NGF (fattore di crescita neuronale).
  • Cellule satellite: hanno la funzione di sostegno dei corpi cellulari e sono presenti nei gangli.

Le tipologie di neuroni

Le tipologie di neuroni sono:

• Sensoriali.
• Interneuroni: caratterizzati da delle grosse ramificazioni.
• Efferenti: caratterizzati da un lungo assone.

Il trasporto assonale

Questo trasporto riguarda i processi biochimici che entrano in gioco durante la comunicazione nervosa. Il neurone è formato dai dendriti, assone, corpo cellulare e monticolo assonale. Al livello del corpo possiamo osservare un numero elevato di mitocondri (la quantità definisce l’energia di cui avrà bisogno il neurone) e, grazie ad essi, avviene la sintesi dei neurotrasmettitori che vengono successivamente spostati verso il terminale assonico per svolgere il ruolo di messaggeri. Il trasporto assonale è quella struttura formata da proteine del citoscheletro che si organizza per formare dei “binari” o vescicole trasportatrici per trascinare i neurotrasmettitori verso il terminale; le vescicole sono porzioni di citoplasma avvolte da una membrana fosfolipidica ricca anche di proteine che si attaccano ai microtubuli e hanno la funzione di essere trascinate verso il terminale. Quando queste arrivano alla fine dell’assone, grazie alla delocalizzazione dei mitocondri, si fondono con la membrana assonica e lasciano uscire il neurotrasmettitore (esocitosi). Una volta rilasciato le vescicole vengono riciclate per risparmiare energia.

Il trasporto assonale può essere veloce (400 millimetri al giorno) o lento (0,2 e 8 millimetri al giorno) e il neurone si organizza per avere sempre un neurotrasmettitore pronto per essere utilizzato.

La sinapsi

La sinapsi è il punto in cui i neuroni comunicano; la sua formazione avviene durante lo sviluppo e viene mediata da fattori neurotrofici. Questo processo è abbastanza lungo, viene definito plasticità sinaptica ed è molto versatile perché più sono gli stimoli esterni più si verificherà facendo sviluppare al bambino più sinapsi. Ci sono due tipologie di sinapsi:

• Sinapsi elettrica: sono le sinapsi più semplici, ancestrali, antiche, e in queste avviene un passaggio di un segnale elettrico senza interruzione fra la zona pre e post sinaptica, quindi sono molto rapide. Il messaggio in queste sinapsi può viaggiare in entrambe le direzioni in base a chi si depolarizza prima, quindi il segnale è bidirezionale. Queste sinapsi, avendo una continuità fisica, permettono alle cellule di potersi comportare tutte allo stesso modo in contemporanea. Queste sinapsi sono munite di GAP Junction, ovvero giunzioni di membrana chiamate connessoni; ogni cellula presenta sulla membrana un emicanale o connessone che quando si lega all’emiconnessone della membrana adiacente forma il canale intercellulare. Ogni emiconnessone è formato da 6 subunità proteiche chiamate connessine. Le sinapsi elettriche sono presenti principalmente nel cuore (sincizio funzionale), nella muscolatura dell’utero per la contrazione durante l’avanzata del feto verso l’esterno, ma sono presenti anche nelle cellule pancreatiche. Le sinapsi elettriche però possono anche chiudersi quando il pH intracellulare cambia, o quando si verifica un aumento della concentrazione di ioni calcio che può portare all’apoptosi cellulare.
• Sinapsi chimica: sono più specializzate, complesse, più lente a causa del rilascio del neurotrasmettitore (molecola chimica); il vantaggio di questa sinapsi è l’alta specializzazione, quindi il messaggio che passa è univoco e garantisce l’amplificazione del segnale grazie alla possibilità di modularne la forza (reazione a cascata). In queste sinapsi non c’è continuità fisica e lo spazio fra i due neuroni viene definito spazio/vallo sinaptico, quindi il segnale è unidirezionale. La cellula post-sinaptica ovviamente è munita di recettori specifici per i neurotrasmettitori che hanno il compito di interagire con essi per mandare verso il corpo cellulare lo stimolo.