Appunti dettagliati con immagini di Fisiologia umana

Fisiologia

Funzioni vitali e omeostasi

Fisiologia: si occupa delle funzioni vitali del corpo umano in condizioni normali e del mantenimento dell'omeostasi. L'omeostasi è la tendenza naturale al raggiungimento di una relativa stabilità che deve rimanere costante nel tempo anche se variano le condizioni esterne. È importante mantenere un ambiente interno costante, altrimenti possono insorgere patologie. Secondo la legge dell'equilibrio, ogni aumento è compensato da una perdita. L'ambiente interno è quello interno alle mucose e alla cute, comprendendo l'ambiente intra ed extracellulare (non vie urinarie o tratto gastrointestinale che non sono vie di scambio). L'omeostasi viene mantenuta da meccanismi che regolano glicemia (100 mg glucosio nel sangue), pH, pressione arteriosa, osmolarità, temperatura, quantità di globuli rossi e acqua.

H2O è il componente principale del corpo umano; circa 40 L sono divisi in 28 L nei fluidi intracellulari, 11 L nei fluidi interstiziali (liquido tra le cellule) e 3 L nel plasma. Il sistema ha il doppio compito di mantenere costante il rapporto tra l'acqua dell'ambiente intracellulare e dell'ambiente extracellulare e di mantenere costanti i parametri.

Meccanismi di controllo a feedback

I meccanismi di controllo a feedback (retroazione) utilizzano sensori (recettori) che controllano ed inviano informazioni al sistema di controllo, il quale confronta con parametri standard e, se diversi, l'effettore esegue aggiustamenti per mantenere costante il sistema.

Termoregolazione

La termoregolazione mantiene la temperatura corporea costante a 37°C nel nucleo centrale (addome), mentre alle estremità dipende dalle condizioni esterne ed è regolata. Deve rimanere costante grazie al controllo a feedback della temperatura corporea: i sensori (termorecettori), responsabili del mantenimento della temperatura (di due tipi: per caldo e freddo), inviano informazioni al centro integrativo che è l'ipotalamo presente nel SNC e confronta i valori con quelli di riferimento.

La termogenesi avviene se la temperatura è inferiore a 37°C con produzione di calore attraverso vasocostrizione (contrazione muscolare: brividi) e aumento del metabolismo basale; la termodispersione avviene se la temperatura è superiore a 37°C con vasodilatazione, cioè sudorazione. L'ipotalamo controlla la temperatura in modo autonomo nonostante sia in connessione con la corteccia.

Membrana citoplasmatica e trasporti

La membrana citoplasmatica è spessa 5-10 nm ed è costituita da un doppio strato fosfolipidico con un modello a mosaico fluido dotato di trasportatori di membrana e canali ionici. È selettivamente permeabile solo per acqua, gas (anidride, ossigeno e azoto) e piccole molecole idrosolubili prive di carica (ammoniaca, urea, etanolo, glicerolo); per gli altri servono proteine di membrana.

La permeabilità dell'H2O in alcune cellule richiede acquaporine (canali formati da proteine di membrana). Permeabilità degli ioni:

Trasporto di molecole

• Passivo: avviene secondo il gradiente di concentrazione (soluto da ambiente a concentrazione maggiore a concentrazione minore); non richiede energia. Comprende:
• Diffusione semplice: movimento di gas o molecole liposolubili che attraversano facilmente la membrana; la velocità di diffusione dipende da concentrazione, temperatura e pressione; termina quando la concentrazione del gas diventa uguale sui due lati della membrana.
• Diffusione facilitata: trasporto di ioni, amminoacidi, monosaccaridi tramite proteine di membrana che formano canali ionici (selettivi per tipo ione e non direzione; la selettività dipende dalla presenza di cariche elettriche fisse sulla parete del canale, grado di idratazione dello ione, raggio dello ione) e cambiano propria forma. La velocità di diffusione facilitata è minore rispetto alla diffusione semplice (numero limitato di trasportatori).
• Osmosi: diffusione dell'H20 attraverso pori formati da proteine intrinseche; termina se si raggiunge l'equilibrio osmotico; unità di misura della pressione osmotica: osmole (numero di molecole in 1 mol di soluto), osmolalità (numero osmoli di soluto per kg di H20), osmolarità (numero osmoli per L di H20). Nelle cellule la pressione osmotica è 300 mOsm (milliosmoli).
• Attivo: avviene contro il gradiente di concentrazione; richiede ATP; l'idrolisi dell'ATP permette il cambio di conformazione quando si lega a una molecola da trasportare e poi tornerà alla sua forma originaria. Comprende:
• Trasporto semplice: trasportatori formati da 12 α-eliche; può essere uniporto (passaggio di un ione in una direzione), antiporto (passaggio contemporaneo in due direzioni di due ioni), simporto (passaggio contemporaneo di due ioni nella stessa direzione).
• Attivo primario: spesso eseguito da ATPasi, esempio pompa Na/K che porta K all'esterno e Na all'interno.
• Attivo secondario: per essere attivato bisogna prima attivare il primario; sfrutta la differenza di potenziale elettrochimico creata dai trasportatori che pompano ioni fuori dalla cellula; si trova nell'apparato gastrointestinale e nel sistema urinario, esempio pompa Na/glucosio. Si ha cotrasporto se è nella stessa direzione; controtrasporto se in direzione diversa.
• Endocitosi e esocitosi: richiede ATP; per il trasporto di grandi molecole come proteine, polinucleotidi e polisaccaridi. L'esocitosi è il trasporto dall'interno all'esterno; con proteine Rab per adesione delle vescicole alla membrana e proteine Snare per la fusione. L'endocitosi è il trasporto da esterno a interno, con vescicole che si fondono alla membrana.

Canali ionici e trasportatori

Canali ionici: sono proteine transmembrana che permettono il passaggio di ioni seguendo il proprio gradiente e non consumano energia. Ci sono due tipi:

• Chemio dipendenti: si aprono dopo aver legato un messaggero.
• Voltaggio dipendenti: si aprono per depolarizzazione della membrana.

I canali ionici si dividono in classi:

• Classe 1: ligando dipendenti; l'apertura e chiusura della porta dipende dal legame della molecola con il canale ionico e il cambio di conformazione.
• Classe 2: apertura e chiusura dipendono dalla fosforilazione delle subunità del canale ionico (fosforilazione: apertura; defosforilazione: chiusura).
• Classe 3: voltaggio dipendente; l'apertura e chiusura dipendono dal voltaggio in vicinanza dei canali ionici con sensori che misurano la variazione di potenziale e determinano il cambio di conformazione.
• Classe 4: apertura e chiusura dipendono dai cambiamenti della membrana citoplasmatica.

Nei neuroni ci sono quattro principali canali ionici: per Na, per K, per Ca e per Cl. Gli ioni si spostano per movimento elettrochimico dovuto a gradiente elettrico (cariche negative dentro la membrana e cariche positive fuori; gli ioni carichi e il trasporto dipendono dall'attrazione delle cariche) e gradiente chimico (per maggiore concentrazione dello ione).

Esempio: K ha carica positiva ed è concentrato di più nel citoplasma; se segue solo il gradiente chimico è portato all'esterno, se segue il gradiente elettrico rimane dentro. Il movimento di K dipende dal potenziale di membrana a riposo (-70 mV) e ogni ione ha un potenziale di equilibrio (K a -94) in cui non si ha entrata e uscita. Se il potenziale è -70 (maggiore del potenziale di equilibrio) si ha forza chimica maggiore della forza elettrica e K viene portato fuori; se la forza chimica è minore della forza elettrica, K rimane dentro (minore del potenziale di equilibrio).

Le proteine di membrana trasportano molecole e accumulano sostanze contro gradiente di concentrazione (da concentrazione minore a maggiore). La soluzione fisiologica permette alle cellule di mantenere invariato il volume; è formata da cloruro di sodio (isosmotica: stessa concentrazione di soluti; isotonica: no cambio volumi).

Canale Na

I canali ionici voltaggio dipendenti per l'entrata di Na sono molto numerosi a livello del cono dell'assone dei motoneuroni (dove si genera il potenziale d'azione) e a livello dei nodi di Ranvier. Sono presenti anche nel sistema di conduzione cardiaco per la trasmissione degli stimoli. Sono formati da subunità α (responsabili delle proprietà e della sua inattivazione; hanno quattro domini uguali che formano un tetramero e vi è il cancello di attivazione cioè il filtro di selettività) e subunità β accessorie. Variazioni del potenziale di membrana sono controllate dalla quarta elica transmembrana ricca di residui carichi positivamente (arginina) e quando vi è depolarizzazione i residui sono respinti all'esterno e aprono il canale mentre il potenziale è negativo la regione è mantenuta ancorata verso l'interno e il canale è chiuso. Vi è una sequenza amminoacidica con amminoacidi idrofobici che corrisponde al cancello di inattivazione e con depolarizzazione o ripolarizzazione chiude il canale.

Se il potenziale è a -70 (potenziale di riposo) o minore di -70 mV: cancello di attivazione chiuso e cancello di inattivazione aperto; Na non entra.

Se ci sono valori depolarizzanti (maggiore di -70): cancello di attivazione si apre (a valori -55), cambio di conformazione; Na entra.

Se i valori sono superiori a 0: cancello di inattivazione chiuso; Na non entra.

Tecniche di studio

Lo studio dei canali ionici con tecnica elettrofisiologica è l'unico metodo per lo studio del funzionamento e il calcolo della quantità di ione che passa per canale, inclusi resistenza e conduttanza. Altri metodi includono fluorescenza, tecniche radioattive, tecniche biochimiche, tecniche cristallografiche. L'uso della tecnica Patch clamp serve per bloccare la differenza di potenziale elettrico in una piccola area della membrana cellulare per misurare le correnti nei singoli canali e analizzare le modalità con cui i canali influenzano la differenza di potenziale di membrana e i processi cellulari.

Regolazione della secrezione di insulina

Quando la glicemia è bassa, vi è un maggiore rilascio di insulina.

Potenziale di membrana a riposo e neuroni

Il potenziale di membrana a riposo è importante per il neurone, l'unità cellulare che costituisce il sistema nervoso, e permette di ricevere e trasmettere impulsi nervosi. Il neurone è una cellula specializzata con struttura precisa: la parte centrale è il corpo cellulare detto pirenoforo o soma; da qui hanno origine prolungamenti citoplasmatici detti neuriti, che sono i dendriti e l'assone o fibra.

I dendriti hanno diramazioni che ricevono segnali da neuroni afferenti e li propagano in direzione centripeta (verso il soma); sono sottili e molto ramificati. Rispetto agli assoni, i dendriti non sono buoni conduttori di segnali nervosi che tendono a diminuire di intensità. Insieme al corpo cellulare, i dendriti fanno parte della zona ricevente del neurone.

L'assone conduce il segnale in direzione centrifuga verso altre cellule; è un ottimo conduttore grazie a strati di mielina; è grande e lungo. Si originano dal pirenoforo a livello del monticolo assonico e si possono ramificare: ciascuna ramificazione termina con un rigonfiamento detto bottone sinaptico (terminazione sinaptica). Tramite il bottone, l'assone può prendere contatto con dendriti o corpo cellulare di altri neuroni per la propagazione dell'impulso. Nell'assone vi sono canali Na e K voltaggio dipendenti responsabili della genesi del potenziale d'azione. Gli assoni del sistema nervoso periferico hanno due membrane protettive per evitare dispersione impulso: neurolemma o guaina di Schwann e guaina mielinica più interna. Lungo il neurolemma vi sono delle strozzature dette nodi di Ranvier (no mielina). I neuroni del sistema simpatico non hanno guaina mielinica. Gli assoni sono classificati in base alla grandezza o al possedere o no mielina. Un assone per neurone.

Segnali elettrici di cellule nervose

I segnali elettrici di cellule nervose servono per la comunicazione tra cellule. Il potenziale di membrana a riposo è -70 mV, una differenza di potenziale ai capi della membrana, tra interno ed esterno, dovuta a un eccesso di proteine di membrana cariche negativamente sul foglietto interno della membrana. Questa differenza è dovuta all'ineguale distribuzione degli ioni (K e Na carichi positivamente; amminoacidi e proteine caricate negativamente) elettricamente caricati sulle due facce della membrana (mantenuta dalla pompa Na/K che porta Na fuori e K dentro) e dalla permeabilità selettiva della membrana verso K (più permeabile per K). Presente in tutte le cellule, condiziona l'ambiente circostante e lo spostamento degli ioni. A potenziale di membrana a riposo i canali ionici sono sempre aperti e K tende a uscire: sulla faccia esterna della membrana vi è un eccesso di cariche positive e all'interno cariche negative.

Potenziale di equilibrio

Il potenziale di equilibrio è il momento in cui cessa il flusso di ioni attraverso la membrana. Si ha equilibrio del gradiente di concentrazione e forza elettrica e forza di diffusione sono uguali e opposte.

• Iperpolarizzazione: mi sposto verso valori più negativi (introduzione di cariche negative). Esempio: entrata di Cl o uscita di K.
• Depolarizzazione: vado verso valori più positivi. Esempio: entrata di Na o Ca.
• Ripolarizzazione: torno al potenziale di membrana a riposo.

Cl, Na, Ca sono più concentrati all'esterno; K è più concentrato all'interno.

Stimolo alla cellula

Stimolo alla cellula: quando una cellula è eccitata si ha un potenziale graduale e, se la soglia è superata, si genera un potenziale d'azione. Il potenziale graduato è il momento di depolarizzazione o iperpolarizzazione di una cellula nervosa; segnali a intensità variabile che si estendono per piccole distanze servono per raggiungere il potenziale soglia e generare un potenziale d'azione. Sono risposte passive nel neurone: non superano la soglia; l'ampiezza e il verso dipendono dallo stimolo; la durata dipende dalla durata dello stimolo. Si possono sommare con sommatoria spaziale (due punti adiacenti interessati da uno stimolo che arriva nello stesso istante e avviene nel punto intermedio) e sommatoria temporale (sulla stessa sinapsi ma in tempi diversi; nello stesso punto stimolo 1 non consuma il proprio effetto se non arriva stimolo 2). Queste sommazioni avvengono nel monticolo assonale (prima parte dell'assone raggiunto da differenza di potenziale).

La frequenza è il numero di stimoli in un secondo e per stimolare il neurone deve essere alta.

Potenziale d'azione

Il potenziale d'azione è una variazione rigenerativa del potenziale di membrana di ampiezza di 100 mV (da -70 a +30); nel neurone va dall'assone alle terminazioni che sono in rapporto con altre cellule eccitabili e si ha comunicazione (permette la propagazione degli stimoli); ampie depolarizzazioni si generano nel monticolo assonale, la durata è di circa 2ms prima di riportare la membrana alle sue condizioni originarie a riposo; deve superare la soglia. Detto anche "fenomeno tutto o nulla" perché si verificano con depolarizzazioni massimali se lo stimolo raggiunge la soglia o non si verificano (se lo stimolo è sotto soglia). Ogni cellula ha un solo tipo di potenziale d'azione.

Il potenziale d'azione si verifica solo in cellule eccitate e vi sono presenti i canali ionici che sono voltaggio-dipendenti (cambio di conformazione).

Confronto tra potenziale graduato e potenziale d'azione

Fasi del potenziale d'azione

Il potenziale d'azione è diviso in tre fasi:

• Fase 1: Depolarizzazione (ingresso di cariche positive, cioè Na; da -70 a -55 e culmina a +30). Il potenziale d'azione raggiunge il punto massimo; voltaggio-dipendente con apertura dei canali ionici: Na e Ca entrano in cellula; poco K esce aumentando la conduttanza per Na. Il canale Na voltaggio dipendente responsabile dell'ossidazione ha due porte (attivazione: chiusa a potenziale di membrana a riposo; inattivazione: aperta a potenziale di membrana a riposo). Na non entra ed è concentrato fuori a potenziale di riposo = canale chiuso ma attivabile. Se vi è depolarizzazione (da potenziale di riposo -70 a -50), cambio conformazione del canale, apertura della porta di attivazione e porta di inattivazione aperta; Na entra = canale aperto. Si ha cambio di polarità della membrana.
• Fase 2: Ripolarizzazione. Si torna al potenziale di membrana a riposo. Porta di inattivazione chiusa e porta di attivazione aperta = canale chiuso e inattivabile. Aperti solo canali K che entra e aumenta la permeabilità per K, aumentando la conduttanza per K.
• Fase 3: Avviene solo per il 5% dei neuroni; potenziale di riposo = si allunga la durata del potenziale d'azione; canale K solo in poche cellule eccitabili che si apre se di poco inferiore a -70.

Per avere un potenziale d'azione, vi è bisogno di uno stimolo depolarizzante per superare il valore soglia: la depolarizzazione è detta eccitatoria siccome tende ad aumentare la capacità di generare un potenziale d'azione. Mentre l'iperpolarizzazione è inibitoria.

Il potenziale d'azione è più veloce in assoni di diametro maggiore perché Na trova meno resistenza interna durante il passaggio da livello extra a intracellulare e in fibre mieliniche perché la guaina mielinica si comporta come isolante (i potenziali d'azione si propagano a cascata da un nodo di Ranvier all'altro perché dove vi è mielina non vi sono canali ionici). Maggiore è la durata del potenziale d'azione, minore è la frequenza massima di scarica del neurone.

Gli assoni possono avere o no la mielina, un manicotto di membrana prodotto da cellule di Schwann. Tra una cellula di Schwann e l'altra c'è il nodo di Ranvier. Oligodendrocita dà origine a più manicotti di mielina. La mielina aumenta la velocità di propagazione del segnale. Se l'assone non ha mielina, vi è distribuzione uniforme di canali Na responsabili del potenziale d'azione.

Sinapsi

Le sinapsi sono il punto di passaggio di informazioni da un neurone a un altro neurone o cellula muscolare o sensoriale. Quelle chimiche sono punti di contatto intracell che instaurano rettificazione monodirezionale del flusso del segnale nervoso dalla cellula a monte (presinaptica) alla cellula a valle (postsinaptica).

Classificazione delle sinapsi

Classificazione delle sinapsi in base alla sede di localizzazione:

• Sinapsi asso-dendritica: tra assone (neurone 1) e albo dendritico (neurone 2).
• Sinapsi asso-somatica: tra assone e soma.
• Sinapsi asso-assonica: tra assone e assone (più forte rispetto alle altre; sinapsi di modulazione che modula attività tra due neuroni).

Classificazione delle sinapsi in base alla funzione:

• Sinapsi elettrica: consentono conduzione in entrambe le direzioni; adatte per riflessi in cui è necessaria rapida trasmissione tra cellule; particelle intermembranarie delle giunzioni comunicanti sono formate da 6 subunità che circondano un canale centrale, disposte ad esagono e formano connessone e ciascuna subunità è formata da proteina connessina. I connessoni si aprono e chiudono in risposta a variazioni metaboliche e fanno passare piccole molecole, soluzioni idrosolubili e ioni per generare corrente elettrica. Sono presenti nelle sedi che necessitano una sincronizzazione rapida degli stimoli e risposte. Bidirezionale; tante negli invertebrati.
• Sinapsi chimica: formata da terminale presinaptico (o bottone sinaptico), spazio sinaptico e membrana postsinaptica. Nella parte presinaptica vi sono vescicole contenenti neurotrasmettitori: il terminale include membrana presinaptica dotata di canali per Ca, quando il potenziale d'azione raggiunge il terminale, le vescicole si fondono con la membrana presinaptica rilasciando neurotrasmettitori nello spazio sinaptico. Il neurotrasmettitore entra in contatto con la membrana postsinaptica.