Appunti di Fisiologia generale con immagini annesse

Fisiologia generale

La fisiologia è la disciplina che studia le funzioni degli organismi viventi e mira a conoscere le cause, le condizioni e le leggi che determinano e regolano le funzioni vitali. I temi chiave di questa materia sono:

Livelli organizzativi e riduzionismo

La materia è organizzata in diverse scale dimensionali, generalmente vanno dall’atomo (Å (10^-10 m)) fino agli organi passando per molecole (nm (10^-9 m)), organuli (μm (10^-6 m)), cellule (μm (10^-6 m)) e tessuti (cm (10^-2 m)). L’approccio riduzionista prevede l’analisi del funzionamento di un sistema vivente attraverso i suoi componenti elementari.

Rapporto struttura-funzione-dinamica

La struttura che caratterizza la materia vivente risponde alla necessità di una funzione biologica, realizzata attraverso una evoluzione nel tempo (dinamica), ad esempio una proteina nella membrana cellulare che svolge il compito di far entrare ioni all’interno della cellula.

Omeostasi

Capacità degli organismi di mantenere costanti (entro un certo intervallo di variabilità) i parametri chimico-fisici degli organi. Il meccanismo principale attraverso cui si effettua è il ciclo di retroazione, o feedback, che prevede la ricezione di uno stimolo da parte di un organismo recettore che lo manda ad un organismo di controllo che a sua volta lo manda ad un effettore producendo uno stimolo che corregge lo stimolo esterno (retroazione negativa) o amplifica lo stimolo ricevuto (retroazione positiva). Ad esempio, la sensibilità alla percezione della temperatura: se prendiamo come riferimento una temperatura di 37°C.

• Nel caso in cui la temperatura diminuisce i recettori per il freddo inviano un segnale all’ipotalamo che a sua volta invia uno stimolo agli organi effettori che producono uno stimolo di correzione per l’abbassamento di temperatura attraverso brividi e vasocostrizione.
• Nel caso in cui la temperatura aumenti i recettori per il caldo inviano un segnale all’ipotalamo che risponde inviando uno stimolo agli effettori che producono traspirazione e vasodilatazione cutanea.

Plasticità

Capacità di un sistema di modificarsi in seguito a particolari stimoli ambientali. Caratteristica: la modifica perdura oltre lo stimolo che l'ha generata. Ad esempio:

• Plasticità neuronale: capacità del sistema nervoso di riorganizzare la sua struttura e le sue funzioni.
• Plasticità muscolare: capacità del tessuto muscolare di cambiare struttura (dimensioni e composizione).

Sistema nervoso

Le principali componenti cellulari del sistema nervoso sono:

• Neuroni: circa 10¹¹ nell’uomo, responsabili della trasmissione dell’informazione attraverso attività elettrica.
• Cellule gliali: rapporto di 10:1 con i neuroni, funzione di sostegno strutturale, protezione e nutrimento dei neuroni.

La struttura del neurone viene generalmente suddivisa in quattro sezioni che vengono definite in base alla direzione di trasmissione del segnale. Le quattro regioni sono:

• Dendriti: ricevono input da altre cellule.
• Corpo cellulare: contiene il nucleo. Dal corpo cellulare si estendono sia i dendriti sia l'assone.
• Assone: trasmette gli impulsi (potenziali d'azione) verso le sinapsi.
• Bottoni sinaptici: rappresentano il terminale assonico, formano giunzioni con altre cellule neuronali o altri tessuti (sinapsi).

Trasmissione sinaptica

L’immagine a sinistra mostra la struttura di una sinapsi. Si ha un terminale pre-sinaptico, da cui arriva l’informazione, uno post-sinaptico, che la riceve, e lo spazio tra i due prende il nome di spazio sinaptico. La trasmissione sinaptica da un neurone al successivo avviene soprattutto nelle sinapsi chimiche, ovvero con il rilascio di neurotrasmettitori contenuti in vescicole.

Classificazione dei neuroni

I neuroni sono classificati in base alla morfologia:

• Neuroni bipolari: caratterizzati da un assone e un dendrite come, ad esempio, i neuroni della retina o del sistema olfattivo.
• Neuroni multipolari: caratterizzati da un assone e numerosi dendriti. Sono i neuroni più comuni nel sistema nervoso centrale (SNC), e possono avere morfologie anche molto diverse tra loro ad esempio:
  • Motoneuroni
  • Neurone piramidale presenta soma a forma piramidale
  • Cellula di Purkinje
• Neuroni anassonici: non sviluppano assoni, solo dendriti. Un esempio sono i neuroni delle cellule amacrine (neuroni della retina).
• Neuroni pseudo-unipolari: alcuni neuroni sensoriali. Dal corpo esce un solo assone, biforcato, che raggiunge il midollo spinale e i recettori periferici.

Metodi di visualizzazione dei neuroni

I metodi per la visualizzazione dei neuroni si basano sulla microscopia:

• Metodo di Golgi: Immersione di frammenti di tessuto nervoso in una soluzione di nitrato d’argento. Il precipitato (cromato d’argento) è un sale che colora di nero l’intero corpo cellulare.
• Metodo di Nissl: uso di coloranti per “macchiare” gli "organi di Nissl" presenti nei neuroni.
• Immunoistochimica: uso di anticorpi per proteine neuronali, legati a molecole fluorescenti.

Tipologie di cellule gliali

Le cellule gliali, altro elemento fondamentale del sistema nervoso, svolgono principalmente la funzione di supporto, protezione e nutrimento, a differenza dei neuroni che trasmettono l’informazione, e si distinguono in quattro tipologie:

• Astrociti: tipologia più numerosa. Funzioni di supporto strutturale, protezione e nutrimento (fanno parte della barriera emato-encefalica, struttura cellulare che separa i vasi sanguigni dai neuroni che irrorano e filtrano le sostanze che possono passare) e omeostasi (riciclo dei neurotrasmettitori).
• Oligodendrociti: connessioni tra più assoni, mielinizzazione (isolamento elettrico dell’assone).
• Microglia: Protezione dei neuroni mediante fagocitosi.
• Cellule di Schwann: mielinizzazione degli assoni nel SNP.

Trasmissione del segnale

La comunicazione tra neuroni avviene attraverso le 4 regioni descritte precedentemente e ad ognuna di esse è associata una funzione particolare seguendo una direzione specifica. Muovendosi lungo la direzione prestabilita il segnale incontra:

• Regione dendritica che riceve il segnale dai neuroni vicini
• Soma che integra il segnale
• Assone ha funzione di conduzione (nell’immagine lo vediamo ricoperto dalla guaina mielinica)
• Terminali sinaptici che è la regione di uscita del segnale.

La trasmissione del segnale si basa sulla propagazione attraverso queste regioni di segnali elettrici e per far ciò sfrutta le proprietà della membrana cellulare.

La membrana cellulare

La membrana cellulare, o membrana plasmatica, separa la cellula, dunque l’ambiente citoplasmatico, dall’ambiente esterno e in questa separazione regola il traffico di molecole e ioni tra l’interno e l’esterno. Strutturalmente parlando è costituita da un doppio strato di molecole dette fosfolipidi, contiene al suo interno altre molecole come colesterolo e proteine, glicolipidi e glicoproteine. Spessore 5-10 nm. Il modello di rappresentazione della membrana viene definito modello a mosaico fluido: a mosaico perché costituito da diversi elementi e fluido perché non è una struttura solida. Il doppio strato lipidico costituito da fosfolipidi, tra i fosfolipidi più comuni abbiamo la fosfatidilcolina, con caratteristiche antipatiche ovvero caratterizzate da due parti con caratteristiche chimico-fisiche diverse:

• Testa polare anche detta idrofila → la distribuzione delle cariche favorisce l’interazione con le molecole d’acqua.
• Coda apolare definita idrofoba → in quanto non interagisce con l’acqua.

Dunque, in ambiente acquatico i fosfolipidi si aggregheranno unendo le code apolari e lasciando esposte all’acqua le teste polari creando una struttura a doppio strato. La testa si costituisce da un gruppo fosfato, caratterizzato da un fosforo legato a 3 atomi di ossigeno, e un gruppo colina, costituito da un atomo di azoto circondato da gruppi di CH₂ e CH₃. Le code apolari o idrofobe sono catene di gruppi CH₃ che possono essere acidi grassi saturi o insaturi (presenza di doppi legami tra gli atomi di carbonio).

Il doppio strato non è un elemento rigido ma ha una sua fluidità e qui sotto sono rappresentati i moti caratteristici dei fosfolipidi all’interno del doppio strato. Nella parte a destra i moti sono rappresentati in funzione della loro frequenza caratteristica (inverso del tempo: alte frequenze → tempi brevi, basse frequenze → tempi lunghi). I moti che avvengono con maggior frequenza: le vibrazioni intramolecolari, le flessioni delle catene idrofobe, la rotazione delle singole molecole fosfolipidi che è la diffusione laterale perché le molecole fosfolipidi che si muovono all’interno del doppio strato, i moti di corrugamento ovvero le oscillazioni nella membrana ed infine il moto flip flop che avviene in tempi più lunghi che prevede lo spostamento di una molecola di fosfolipide da uno strato all’altro della membrana.

Come abbiamo detto le proprietà funzionali della membrana sono fondamentali per la comunicazione con l’esterno favorendo l’ingresso delle sostanze necessarie al metabolismo cellulare. Alcune delle sostanze possono passare spontaneamente attraverso la membrana come:

• Piccole molecole apolari (ossigeno e anidride carbonica).
• Occasionalmente, piccole molecole polari (acqua e urea) anche se generalmente restano normalmente nel solvente.

Quelle che vengono respinte e che necessitano di agenti che aiutino il trasporto sono:

• Gli ioni (K⁺, Na⁺, Ca⁺⁺, Cl^-).
• Grosse molecole polari (glucosio e amminoacidi): queste molecole per poter passare necessitano delle proteine di membrana.

Le proteine e il trasporto attraverso la membrana

Le proteine sono costituite da catene polipeptidiche formate dalla ripetizione di singoli elementi detti amminoacidi che si uniscono tra loro. Questa struttura fondamentale, ovvero l’amminoacido, è costituito da una backbone, che è comune a tutti gli amminoacidi, e da una catena laterale (R) che danno le proprietà fisico-chimiche all’amminoacido. Abbiamo detto che gli amminoacidi si uniscono tra loro attraverso un legame, detto legame peptidico, che lega due residui amminoacidici in particolar modo tra il carbonio terminale e l’azoto terminale del successivo. Due amminoacidi formano un dipeptide ma più amminoacidi formano una catena polipeptidica o amminoacidica e in questo caso si parla di struttura primaria amminoacidica, essa però può disporsi nello spazio in due conformazioni: α elica e foglietto β, entrambe sono mantenute da legami H tra gli atomi della catena polipeptidica, e vengono definite strutture secondarie. A loro volta tratti di strutture secondarie possono ripiegarsi nello spazio formando la struttura terziaria come l’emoglobina (proteina solubile costituita da 4 α catene).

Tutto ciò per dire che le proteine di membrana presentano diverse strutture, partendo da sinistra abbiamo:

• Proteine con una sola α elica transmembrana;
• Proteine con diverse α eliche transmembrana che attraversano la membrana più volte che possono presentare l’N-terminale all’interno o all’esterno e il C-terminale si trova alla parte opposta dell’N-terminale;
• Proteine costituite da filamenti β transmembrana;
• Proteine associate, la loro struttura non è inglobata nella membrana ma è situata sulla superficie interna o esterna. Possono poi verificarsi dei casi misti;
• Proteine associate con però un’ancora che va a legarsi nella membrana;
• Proteine globulari che presentano un’ancora transmembrana.

Le proteine di membrana che al momento ci interessano possono avere, rispetto alle funzioni della cellula, diversi ruoli funzionali:

• Enzimi: catalizzatori di particolari reazioni chimiche.
• Recettori: ricevono un segnale e agiscono in funzione di quest’ultimo producendone un altro.
• Canali ionici: favoriscono il passaggio di ioni attraverso la loro struttura. Essi permettono il passaggio degli ioni secondo gradiente di concentrazione, cioè gli ioni si spostano da una zona a concentrazione maggiore a quella minore, e possono essere selettivamente permeabili a specifici tipi di ioni.
• Trasportatori: trasportano ioni o molecole attraverso la membrana con un meccanismo diverso da quello dei canali. Essi trasportano ioni attraverso la membrana contro il gradiente di concentrazione e nel loro trasporto contro gradiente mantengono il gradiente di concentrazione portando gli ioni da dove ce ne sono di meno a dove ce ne sono di più.

Meccanismi di trasporto

I meccanismi di trasporto possono essere distinti in due classi principali:

Trasporto passivo

Movimento secondo gradiente, guidato dalla differenza di concentrazione e/o differenza di potenziale elettrico. Esso si divide in:

• Diffusione semplice: La molecola (substrato) passa la membrana lungo il gradiente di concentrazione es. sostanze lipofile (ormoni steroidei), vitamine (A, D, K), gas (O₂, CO₂, CO). Questa diffusione è anche detta diffusione passiva in quanto vi è assenza di saturazione, infatti, all’aumentare della concentrazione del substrato il flusso di molecole che attraversa la membrana non si interrompe. La diffusione semplice è regolata dalla legge di Fick che afferma che il flusso (J) è proporzionale al gradiente di concentrazione (C).
• Diffusione facilitata: Il substrato passa attraverso proteine di membrana come canali ionici o trasportatori es. ioni, glucosio. Questa diffusione presenta saturazione, infatti, ad un certo punto, all’aumentare della concentrazione del substrato, il flusso di molecole che attraversano la membrana diventa costante. In questo caso il flusso di un substrato dipende dalla permeabilità per esso della membrana, determinata da quanti canali e trasportatori per quella molecola sono presenti e dalle loro proprietà.

Caratteristiche:

• Specificità: per particolare substrato.
• Competizione: tra diversi substrati.
• Saturazione: numero massimo di molecole per unità di tempo.

Le prime strutture di canali ionici sono state ottenute per un canale K⁺ batterico (cristallografia a raggi X). Quattro subunità, ognuna ha due eliche transmembrana, connesse dal pore-loop. Le subunità sono disposte a formare il poro centrale. Verso l’interno il poro si apre in una cavità più grande contenente molecole d’acqua, mentre verso l’esterno una regione più stretta costituisce il filtro di selettività per lo ione K⁺.

Diffusione facilitata attraverso proteine di trasporto

Esse si occupano del trasporto di piccole molecole (zuccheri, amminoacidi) e la loro caratteristica che li differenzia dai canali ionici è che non crea comunicazione diretta tra ambiente intracellulare ed extracellulare ma hanno una struttura tale che è in grado di legare a una molecola che deve entrare nella cellula.

Trasporto attivo

Movimento contro gradiente di concentrazione e/o di potenziale utilizza energia prodotta da altre reazioni biochimiche. Distinguiamo:

• Trasporto attivo primario: Consumo diretto di ATP. es. pompa Na⁺/K⁺ ATPasi. Questa tipologia di trasporto crea e mantiene i gradienti ionici utilizzando energia, tali gradienti vengono strutturati dai canali ionici visti in precedenza. Un esempio di trasporto attivo primario sono le pompe ATPasi, cioè che traggono l’energia per la traslocazione degli ioni direttamente dall’idrolisi di ATP. A questo tipo di pompe appartengono:
  • Na⁺/K⁺ ATPasi che mantiene le concentrazioni cellulari di Na⁺ e K⁺. Questa pompa per esplicare la sua funzione attraversa quattro stadi conformazionali. La conformazione 1 prevede l’apertura verso lo spazio intracellulare e chiusa verso lo spazio extra permettendo il legame degli ioni Na⁺ ai suoi siti di legame. All’arrivo di una molecola di ATP si ha una reazione di fosforilazione che causa il passaggio dalla conformazione 1 a 2 liberando gli ioni Na⁺ nello spazio extracellulare mentre gli ioni K⁺ si legano nei loro siti di legame all’interno del trasportatore causando la chiusura della pompa dando origine ad una terza conformazione che poi, per effetto della defosforilazione, torna nella conformazione 1 rilasciando gli ioni K⁺ nello spazio intracellulare. In questo suo meccanismo di trasporto la pompa trasporta 3 ioni sodio fuori e 2 ioni potassio dentro: mantiene difetto di cariche positive dentro la cellula → Funzione elettrogenica.
  • Pompa Ca²⁺, che mantiene la concentrazione di calcio (esce il calcio dalla pompa).
• Trasporto attivo secondario: Sfrutta il gradiente generato da un primario. Questo trasporto non comporta l’utilizzo di ATP ma il gradiente generato da un trasportatore primario come fonte di energia per trasportare ioni o altri substrati contro gradiente. Si parla di antiporto o simporto a seconda che le specie vengano trasportate nella stessa direzione o in direzioni opposte.