Appunti dettagliati e immagini di Fisiologia comparata

Fisiologia comparata

Prof. Elisa Greggio.

Introduzione alla fisiologia comparata

La fisiologia comparata si occupa di studiare i meccanismi molecolari alla base dei processi biologici che avvengono a livello di cellule, tessuti e organismo, e le ragioni evolutive che hanno portato allo sviluppo di diversi meccanismi fisiologici nelle diverse specie o nelle diverse cladi. Le funzioni biologiche avvengono grazie a flussi di energia, che le sostengono, e flussi di informazione, che le integrano. Diversi tipi di perturbazione nell’ambiente portano a diversi tipi di adattamento a queste. Le variazioni momentanee, percepite grazie a recettori periferici, provocano risposte immediate atte a mantenere le caratteristiche chimico-fisiche dell’ambiente interno e preservare l’integrità dell’organismo.

I cambiamenti duraturi inducono risposte che si realizzano più lentamente e sono più durature, che servono a limitare gli effetti delle variazioni ambientali sulla capacità di sopravvivenza degli organismi (acclimatazione) e regrediscono quando le condizioni tornano favorevoli. I cambiamenti progressivi dell’ambiente possono imporre una pressione selettiva su una popolazione che spinge certi caratteri a modificarsi ed evolversi in modo da migliorare la fitness (sopravvivenza e riproduzione) nel nuovo ambiente (adattamento).

Gli organismi non sono né sistemi isolati né chiusi: scambiano continuamente materia ed energia con l’ambiente e il mantenimento di uno stato stazionario interno richiede un continuo bilanciamento fra input e output. L’omeostasi è costituita da tutti i meccanismi fisiologici coordinati che servono a mantenere costanti specifici parametri che definiscono l’ambiente interno di un organismo (es. pressione sanguigna, temperatura, glicemia, PH, ecc.).

Omeostasi e regolazione

L’omeostasi è controllata dai sistemi nervoso ed endocrino, che ricevono e mandano segnali agli organi effettori. La conformità consiste nell’uniformazione delle condizioni dell’ambiente interno a quelle dell’ambiente esterno. La regolazione consiste invece nel mantenimento di certi valori chimico-fisici a un dato set point, nonostante l’eventuale variare delle condizioni esterne. In base al parametro preso in considerazione gli organismi possono quindi essere distinti in conformi e regolatori. La conformità è meno costosa energeticamente ma le fluttuazioni ambientali possono gravemente compromettere le funzioni biologiche dell’organismo. La regolazione è più costosa ma permette alle funzioni biologiche di funzionare in modo svincolato dalle fluttuazioni ambientali (purché queste rimangano all’interno di un certo range).

I meccanismi coinvolti nell’omeostasi sono essenzialmente meccanismi a feedback negativo (la maggior parte) o a feedback positivo. Il feedback negativo si ha quando la variazione di un parametro che deve essere mantenuto entro certi limiti scatena una risposta che si oppone a tale modificazione agendo in direzione opposta, in modo da riportare il valore nell’intervallo di omeostasi. Per questo i meccanismi a feedback negativo sono detti stabilizzanti. Esempi di feedback negativo sono: riflesso barocettivo; controllo dell’insulina; reazione a cambiamenti esterni della temperatura volti a mantenere la temperatura dell’ambiente esterno costante, ecc.

Le risposte a feedback positivo sono invece destabilizzanti perché rispondono a una modificazione del parametro amplificandola. I meccanismi di feedback positivo devono essere poi associati a meccanismi di feedback negativo, oppure comunque hanno una durata limitata e poi i parametri devono potersi ristabilizzare. Esempi di feedback positivo sono: generazione del potenziale d’azione nelle cellule eccitabili; dilatazione della cervice durante il parto; coagulazione del sangue in seguito a danno.

La percezione dell’ambiente

Gli stimoli raccolti dall’ambiente esterno ed interno generano una risposta a livello del sistema nervoso centrale che permette di attivare gli organi effettori (muscoli, ghiandole) e rispondere allo stimolo in modo adeguato. Il sistema nervoso centrale è formato da encefalo (cervello, cervelletto e midollo allungato), e midollo spinale. Da ciascun punto di contatto fra due vertebre consecutive emergono i nervi spinali, contenenti fibre afferenti ed efferenti, che fanno parte del sistema nervoso periferico.

Del sistema nervoso periferico fa parte anche il sistema nervoso autonomo (si contrappone al sistema nervoso somatico), che si divide in simpatico e parasimpatico, e controlla le funzioni vegetative. Le informazioni riguardo all’ambiente esterno ed interno sono raccolte attraverso cellule recettoriali, nella cui membrana plasmatica sono presenti recettori proteici specializzati. Di questi fanno parte i canali ionici, che mediano una risposta più rapida, e le proteine accoppiate a proteine G, che innescano una trasduzione interna del segnale e una risposta più lenta.

La risposta a livello della cellula recettoriale è la formazione di un potenziale del recettore. Questo nelle cellule eccitabili (nervose, le cui terminazioni assoniche rappresentano la parte di ricezione sensoriale) porta alla formazione di un treno di potenziali d’azione la cui frequenza è proporzionale all’ampiezza del potenziale del recettore. Nelle cellule non eccitabili porta al rilascio di un messaggero che va a sua volta ad eccitare cellule eccitabili (neurone sensitivo).

Classificazione dei recettori sensoriali

I recettori sensoriali possono essere classificati in base alla provenienza dello stimolo che raccolgono in:

• Esterocettori, che fungono da interfaccia fra l’ambiente esterno e il sistema nervoso centrale.
• Enterocettori, che raccolgono informazioni sullo stato interno e quindi su parametri che sono sotto controllo omeostatico.
• Propriocettori, che si trovano in tendini e muscoli e raccolgono informazioni relative a tensione muscolare, disposizione delle parti del corpo nello spazio e ai suoi movimenti.

Esterocettori e propriocettori fanno parte della sensibilità somatica mentre gli enterocettori fanno parte della sensibilità viscerale. Sulla base del tipo di stimolo ricevuto i recettori possono inoltre essere suddivisi in: fotocettori, meccanocettori, termocettori, nocicettori, elettrocettori, chemiocettori e magnetocettori.

Spesso la risposta generata da un recettore si riduce progressivamente durante il permanere dello stimolo, meccanismo detto adattamento. Il grado di adattamento di un particolare recettore è utile per la codificazione temporale della persistenza dello stimolo. Sulla base del tempo di adattamento si distinguono recettori tonici, che hanno un tempo di adattamento molto lungo o non si adattano, continuando quindi a rispondere anche se lo stimolo permane a lungo (in genere però la frequenza di scarica diminuisce nel tempo), e i recettori fasici, che invece hanno un adattamento molto rapido e segnalano tempestivamente solo l’inizio e il termine della stimolazione. Molti recettori hanno un’attività spontanea di base, per cui rilasciano potenziali d’azione a una certa frequenza anche in assenza di stimoli. A seconda del tipo di stimolo o della sua intensità la frequenza del treno di potenziali d’azione viene o aumentata oppure diminuita.

La fotorecezione

L’occhio, il principale organo fotorecettivo, si è evoluto indipendentemente dalle 40 alle 65 volte durante il corso dell’evoluzione dei metazoi. Nonostante la struttura fisica dell’occhio sia molto diversa fra diversi cladi, il meccanismo di trasduzione del segnale a livello delle cellule fotosensibili è ben conservato, e le proteine che recepiscono la luce sono sempre proteine della famiglia delle opsine. È conservato anche il gene PAX6, che ha un ruolo fondamentale come fattore di trascrizione nella regolazione della struttura dell’occhio.

La forma più primitiva di recezione della luce è quella degli ocelli, in grado di dare informazioni non direzionali sull’intensità di luce. Da queste forme si sono poi sviluppate strutture in grado di dare anche informazioni direzionali sulla luce e poi di formare immagini, con risoluzione sempre più elevata. Occhi in grado di formare immagini si trovano in 6 dei 33 phyla di metazoi, che corrispondono però al 96% di tutte le specie conosciute. Tratteremo soltanto degli organi fotosensibili formanti immagini: gli occhi.

Occhi composti e occhi dei cefalopodi

Gli artropodi, alcuni molluschi e alcuni anellidi hanno occhi composti, formati da numerose unità ottiche dette ommatidi (da 1 a 25000 a seconda della specie). L’ommatidio è costituito da una porzione ottica, che cattura e trasmette la luce, e da una porzione sensoriale, che converte l’energia luminosa in potenziali d’azione. Della porzione ottica fanno parte la lente esterna (cornea) e il cristallino. Nella parte terminale del cristallino è presente un pigmento schermante che protegge le cellule retinulari (che fanno parte della porzione fotosensibile) e che avvolge l’ommatidio, isolandolo dagli altri. Questo isolamento genera una visione nitida e a mosaico, particolarmente sensibile ai movimenti. Negli insetti notturni le cellule pigmentate avvolgono solo la parte superiore dell’ommatidio, dando una visione per sovrapposizione meno nitida ma sensibile anche a luminosità più basse.

La porzione fotosensibile delle cellule retinulari è detta rabdomero e contiene numerosi microvilli atti ad aumentare la superficie di recezione. Su questi sono presenti le opsine, che a seconda del tipo rispondono a diverse lunghezze d’onda. In Drosophila sono presenti 7 diversi tipi di opsine, per cui lo spettro visibile risulta molto ampio. Essendo i rabdomeri organizzati in modo ortogonale, l’occhio composto è in grado di percepire la luce polarizzata (luce che si propaga su un unico piano), dando informazioni anche in caso di scarsissima luminosità. Gli occhi composti permettono di avere un campo visivo molto ampio (ciascun ommatidio ha circa 3 gradi di campo visivo).

Occhi dei cefalopodi e dei vertebrati

I cefalopodi hanno un occhio strutturalmente simile a quello dei vertebrati, con le stesse strutture di base: cornea/sclera, coroide, retina, cristallino, iride, humor acqueo e humor vitreo. Si tratta di un caso di convergenza evolutiva. La pupilla è di forma circolare nelle specie abissali e di forma rettangolare nelle specie che vivono in acque poco profonde e più illuminate. Il cristallino è sferico e la sua posizione è controllata dai muscoli ciliari, permettendo di mettere a fuoco oggetti a diverse distanze. Le cellule fotosensibili sono di un solo tipo, con rabdomeri contenenti un solo tipo di rodopsina. I cefalopodi non sono quindi in grado di distinguere i colori ma solo di formare immagini in base al contrasto.

I rabdomeri sono strutture cilindriche in intimo contatto, con microvilli nel loro segmento esterno sulle cui membrante è presente il pigmento. I microvilli di un rabdomero sono disposti ad angolo retto rispetto a quelli dei rabdomeri adiacenti e questo fa si che siano in grado di recepire segnali dalla luce polarizzata, il che è un carattere adattativo per ambienti marini con poca luce in quanto fa apparire gli oggetti più contrastati. La capacità di percepire la luce polarizzata esiste anche in altri animali acquatici ma mentre i fotorecettori di cefalopodi hanno massimo assorbimento a 480 nm, quelli di molti teleostei sono sensibili ai raggi UV. La retina dei cefalopodi è definita conversa perché i fotorecettori sono disposti in modo che il segmento esterno fotorecettivo sia esposto direttamente alla luce. Le cellule fotorecettive rappresentano quindi il primo strato della retina, quello più esterno, al di sotto del quale si trovano cellule bipolari e orizzontali e poi cellule amacrine e gangliari.

L’occhio dei vertebrati ha una retina inversa, in cui i fotorecettori hanno la porzione sensibile alla luce rivolta verso l’interno, a contatto con la coroide. In questo caso quindi i fotorecettori costituiscono lo strato più interno della retina, ricoperto da cellule bipolari, orizzontali, amacrine e gangliari. Il fatto di avere le cellule fotosensibili direttamente a contatto con la coroide è vantaggioso in quanto questa è coinvolta nel loro nutrimento (è molto vascolarizzata), nel loro turnover (ricicla le porzioni apicali vecchie dei fotorecettori), e nella protezione da sovrastimolazione (contiene dei pigmenti che assorbono la luce in eccesso, evitando riflessi). La luce riesce a raggiungere i fotorecettori attraversando gli altri strati della retina grazie alle cellule gliali di Muller, che funzionano come delle fibre ottiche. Un’altra differenza per quanto riguarda la parte fotosensibile dell’occhio, fra vertebrati e invertebrati, è che i primi hanno perlopiù opsine ciliari mentre i secondi hanno perlopiù opsine rabdomeriche. Nei vertebrati inoltre il cristallino non è sferico ma ovale e deformabile a seconda di come viene tirato dai muscoli ciliari, processo detto accomodazione e che serve a modificare la curvatura della lente e quindi le sue capacità di rifrazione. Infine, i vertebrati hanno due tipi di fotorecettori invece che uno: coni e bastoncelli.

Spettro visibile e cellule fotosensibili nei vertebrati

Lo spettro del visibile è limitato rispetto alla totalità delle onde elettromagnetiche trasmesse dal sole e questo è dovuto alla storia evolutiva dei metazoi: la vita animale è iniziata in acqua, dove sono comparse anche le prime strutture fotorecettoriali, e soltanto una piccola porzione delle onde elettromagnetiche può attraversare l’acqua. Le cellule fotosensibili si sono quindi evolute per rispondere ad onde elettromagnetiche in grado di attraversare l’acqua. Per gli esseri umani lo spettro del visibile va dai 380 ai 750 nm. Nella retina umana sono presenti 4 diversi fotorecettori:

• Bastoncelli, contenenti il pigmento rhodopsina, con uno spettro di assorbimento abbastanza ampio e attivo solo a basse luminosità (oltre una certa luminosità sono tutti saturati).
• 3 tipi di coni, contenenti conopsine che recepiscono luce solo ad elevata luminanza, con assorbimento massimo nella lunghezza d’onda del blu, del verde o del rosso.

La maggioranza dei mammiferi ha una visione dicromatica, con solo due tipi di coni. Alcuni uccelli hanno una visione tetracromatica, con 4 coni diversi, e possono quindi vedere anche la luce ultravioletta. Nella retina di vertebrati sono presenti circa 1,25 x10⁹ cellule fotosensibili, ciascuna con circa 10⁹ fotopigmenti (opsine). Tutte le opsine sono recettori a 7 alfa-eliche trans membrana associati a proteine G. Contengono un pigmento detto retinale che a riposo è in conformazione 11-CIS e quando riceve uno stimolo luminoso (fotone) passa in conformazione tutto-TRANS. Il cambiamento conformazionale nel retinale determina un cambio di conformazione nell’opsina che innesca la trasduzione interna del segnale, la quale culmina con la modificazione dei flussi ionici attraverso la membrana e quindi del potenziale di membrana.

A riposo la membrana del segmento esterno dei fotorecettori presenta un’elevata conduttanza al sodio, il quale entra nella cellula attraverso canali che sono mantenuti aperti grazie ad un’elevata concentrazione intracellulare di cGMP, che si lega al canale. La membrana è quindi depolarizzata, con una differenza di potenziale fra i -30 e i -40 mV (non è un potenziale di riposo, nel senso che, essendo la cellula depolarizzata, continua a provocare rilascio di neurotrasmettitore). Quando i fotorecettori rispondono a uno stimolo luminoso la cascata di trasduzione e amplificazione del segnale determina l’attivazione di una fosfodiesterasi che idrolizza il cGMP, diminuendo la conduttanza della membrana per il sodio. Come conseguenza il segmento esterno dei fotorecettori si iperpolarizza, generando un potenziale graduato proporzionale all’intensità dello stimolo (intorno ai -65 mV).

I recettori della retina funzionano quindi in modo opposto alla maggior parte dei recettori, che invece si depolarizzano in risposta a uno stimolo. La proteina G è anche detta transducina. Nei mammiferi circa 400 transducine al secondo sono attivate per ciascuna opsina attivata, però l’emivita di una transducina è di solo 0.04 sec., quindi il numero totale di transucine che vanno effettivamente ad attivare a loro volta la fosfodiesterasi sono solo 400 x 0.04 = 16 al secondo.

Negli esseri umani sono presenti, per ciascun occhio, 90 milioni di bastoncelli e 4,5 milioni di coni. I bastoncelli sono responsabili di una visione scotopica mentre i coni sono responsabili di una visione fotopica. La visione mesopica è data dall’attivazione sia di coni che di bastoncelli (l’intervallo fra quando i coni cominciano ad essere attivati e quando i bastoncelli sono completamente saturati). La sclera ha un’apertura posteriore detta disco ottico, da cui esce il nervo ottico, formato dagli assoni delle cellule gangliari. Nel disco ottico non ci sono cellule fotorecettrici e quindi questo è detto punto cieco della retina.

La maggior parte dei coni si concentrano nella fovea (infossamento della retina verso cui convergono i raggi luminosi), che contiene solo coni, e nel resto della macula lutea (detta così perché ha un colore giallo conferito dal pigmento xantofilla, che serve a proteggere dai raggi UV), mentre i bastoncelli aumentano sempre di più in concentrazione allontanandosi da questa. Nell’occhio umano ci sono circa 100 milioni di coni e 6/7 milioni di bastoncelli. La cellula fotosensibile (cono o bastoncello) e le cellule bipolari generano solo potenziali graduati (non sono cellule eccitabili) mentre le uniche cellule nella retina che generano il potenziale d’azione sono le cellule gangliari. Il campo recettivo di una cellula gangliare corrisponde alla regione dello strato fotorecettoriale della retina la cui stimolazione porta ad alterare il treno di potenziale d’azione rilasciato da quella particolare cellula gangliare. Nella fovea i campi recettivi sono particolarmente piccoli, il che significa che vi è un basso grado di convergenza, e questo determina un’acuità sensoriale elevata. Nella parte più periferica della retina i campi recettivi si allargano, vi è una maggiore convergenza, e quindi l’acuità visiva è minore (minore risoluzione).