Appunti esame Fisiologia dello sport

Omeostasi e ambiente interno

Argomenti

• Fisiologia delle cellule eccitabili (tessuto nervoso, potenziali di membrana)
• Meccanismi di controllo nervosi (sinapsi, neurotrasmettitori, giunzione neuromuscolare, sistema sensoriale, recettori)
• Muscolo (struttura muscolare, meccanica della contrazione, relazione lunghezza-tensione, affaticamento muscolare, tipi di fibre muscolari, unità motoria, tono muscolare, postura, adattamenti muscolari, dolore muscolare, programmi di allenamento con sovraccarichi, invecchiamento)
• Cuore (tessuto muscolare cardiaco, innervazione, contrazione, sequenza eccitazione, tono cardiaco, ciclo cardiaco, gittata cardiaca, composizione sangue, flusso ematico, FC, pressione, resistenza e adattamenti cardiovascolari)
• Respirazione (vie aeree, volumi polmonari, capacità, meccanica, trasporto ematico, controllo nervoso, adattamenti respiratori, VO2 max)
• Rene (formazione e composizione urina, processi di base, clearance renale, ormoni)
• Macronutrienti (sistemi energetici, quoziente respiratorio, calorimetria, metabolismo basale, soglia del lattato, allenamento aerobico e anaerobico)
• Principi di nutrizione (macronutrienti, vitamine, vari elementi)
• Termoregolazione (modi di trasferimento, bilancio termico)

Omeostasi e ambiente interno

L’omeostasi è l’insieme dei meccanismi attraverso i quali un organismo tenta di mantenere costanti i caratteri chimico-fisici del suo ambiente interno. I liquidi del corpo sono racchiusi in compartimenti. Volume acqua totale 42L (60% del peso totale). Il mezzo interno è il liquido extracellulare nel quale sono immerse le cellule. Il liquido extracellulare è costituito dal liquido interstiziale (11L-80% che si trova tra una cellula e l’altra) ed il plasma sanguigno (3L-20%) che presenta una concentrazione di proteine più elevata e svolge la funzione di interfaccia tra la cellula e l’ambiente esterno.

Il liquido intracellulare (28L-66% dell’acqua totale corporea) è contenuto all’interno della cellula e grazie alla membrana plasmatica è separato dall’esterno. Le cellule non possono tollerare troppe variazioni dell’ambiente esterno.

L’omeostasi è resa possibile da risposte regolatrici di compenso dette meccanismi omeostatici, essi sono un sistema di controllo che serve a mantenere costante una variabile del mezzo interno. Tra i sistemi nasce una sinergia e un “antagonismo”.

I parametri regolati omeostaticamente sono: la concentrazione dei nutrienti, la concentrazione di ossigeno e anidride carbonica, il livello di pH, la concentrazione dei prodotti di rifiuto, concentrazione di acqua ed elettroliti, il volume e la pressione, la temperatura. Esistono anche dei sistemi di controllo locali che agiscono in una precisa area del nostro corpo senza influenzare il resto e non coinvolgono ormoni o strutture nervose.

In un sistema di controllo a feedback negativo la modificazione di un parametro fisiologico incide su delle risposte compensatorie che tendono a ripristinare il valore originale della variabile, nel sistema di controllo a feedback positivo è il cambio nella variazione a regolare un’amplificazione del cambio stesso, mentre una regolazione feedforward anticipa le modificazioni di un parametro fisiologico migliorando la velocità di risposta omeostatiche ad una variazione.

Il controllo riflesso necessita di un passaggio e quindi un controllo con un invio di un segnale da uno stimolo ed una successiva risposta. Un arco riflesso è costituito da uno stimolo, recettore, via afferente, centro di integrazione, via efferente, bersaglio e risposta. Le vie afferenti posso essere nervose o ormonali.

Lo stimolo è rappresentato da una variazione che scatena una serie di eventi. Un recettore controlla continuamente l’ambiente di sua pertinenza e quando avverte un cambiamento invia un segnale lungo la via afferente, costituita da segnali chimici ed elettrici trasportati da un neurone sensoriale, che mette in comunicazione il sensore con il centro di integrazione che valuta il segnale entrante. La via efferente nel sistema nervoso è rappresentata da neuroni efferenti. Il bersaglio delle vie nervose sono i muscoli, le ghiandole, tessuto adiposo ecc.

La risposta avviene nella cellula bersaglio e si ripercuote sul tessuto e sull’organismo.

La teoria umorale sostiene che il corpo sarebbe governato da quattro umori (sangue, bile gialla, bile nera e flegma) esse condurrebbero alla salute (eucrasia) nel caso in cui siano in equilibrio; oppure alla malattia (discrasia) in caso di disequilibrio.

Fisiologia delle cellule eccitabili

Il sistema nervoso è diviso in due parti: il sistema nervoso centrale (SNC) è costituito da cervello e midollo spinale, mentre il sistema nervoso periferico (SNP) è costituito dai nervi al di fuori del SNC.

L’unità di base del sistema nervoso è il neurone. Il corpo cellulare e i dendriti (estroflessioni molto ramificate) ricevono informazioni da altri neuroni, mentre l’assone può essere ricoperto da sezioni di mielina (da 20 fino a 200 strati) prodotta dalle cellule di Schwann a livello del SNP e dagli oligodendrociti a livello del SNC. L’assone nella parte iniziale denominata segmento iniziale è la zona d’innesco dove sono generati gli impulsi elettrici. In alcuni tratti la guaina mielinica si assottiglia, essi sono denominati nodi di Ranvier, questi permettono la conduzione saltatoria in cui i potenziali viaggiano rapidamente da un nodo al successivo, infatti nelle fibre amielinizzate la conduzione nervosa è più lenta. Il trasporto assonale di materiali e organelli è svolto da proteine motori specializzate; le chinesine effettuano il trasporto anterogrado mentre le dineine il trasporto retrogrado.

I neuroni sono classificati in tre modi: i neuroni afferenti trasmettono informazioni al SNC da recettori periferici, essi hanno un solo processo che si divide in processo periferico e centrale; i neuroni efferenti trasmettono informazioni dal SNC a cellule effettrici; gli interneuroni sono completamente contenuti nel SNC e formano dei circuiti con altri interneuroni o collegano fra loro neuroni afferenti ed efferenti.

Il riflesso patellare è un esempio di arco riflesso che attiva i muscoli della coscia senza coinvolgere interneuroni, infatti i neuroni afferenti interagiscono direttamente con gli effettori.

I neuroni operano generando segnali elettrici che si spostano all’interno della cellula o tra cellule adiacenti. Il segnale elettrico causa il rilascio di messaggeri chimici, i neurotrasmettitori, che comunicano con le altre cellule. I neuroni di grosso diametro conducono più rapidamente gli impulsi nervosi perché presentano una minore resistenza al flusso di corrente.

Le membrane plasmatiche non sono semplici vie di comunicazione, infatti presentano peculiari caratteristiche fisico-chimiche e complessi meccanismi di regolazione. I canali sono strutture complesse facenti parte della membrana, possono essere dotati di particolari dispositivi molecolari denominati cancelli, che ne regolano lo stato di apertura e chiusura. Il passaggio di molecole attraverso i canali è attentamente controllato.

Esistono differenze di concentrazione fra il liquido intra ed extracellulare, in particolare: sodio e cloro all’esterno, proteine e potassio all’interno. Cariche uguale quindi ++ o – si respingono, al contrario cariche opposte +- si attraggono.

Tutte le cellule viventi sono cariche elettricamente (differenza di potenziale). In condizioni di riposo presentano una differenza di potenziale transmembrana con l’interno della cellula carico negativamente rispetto all’esterno carico positivamente, esso è definito potenziale di membrana a riposo. Il potenziale di membrana a riposo è -70 mV, ciò significa che è polarizzato ovvero c’è una grande differenza tra l’interno e l’esterno della membrana.

Cariche elettriche separate creano il potenziale per effettuare lavoro, si verifica quando particelle cariche producono una corrente elettrica scendendo lungo un gradiente di potenziale. La membrana plasmatica fosfolipidica è un isolante ad alta resistenza che tiene separati fra loro gli ioni carichi, mentre la corrente ionica scorre nei liquidi intra ed extracellulari. Anche la pompa sodio-potassio contribuisce a mantenere il potenziale di membrana. Il potenziale di riposo non è uguale al potenziale di equilibrio del potassio (-90mV) né del sodio (+60 mV).

La pompa sodio/potassio (Na+/K+-ATPasi) trasporta ioni sodio e potassio contro il loro gradiente elettrochimico garantendo così che la concentrazione rimanga diversa tra interno ed esterno. Essa essendo contro gradiente di concentrazione necessita del consumo di ATP.

Una molecola di ATP si lega all’ATPasi. Questo attiva il sito di legame per 3 molecole di Na+ nel versante interno del trasportatore. Il legame con il Na+ induce la fosforilazione del sito sul carrier e il rilascio di ADP all’interno della cellula legando solo un gruppo fosfato. La fosforilazione provoca un cambiamento conformazionale del carrier così da esporre e rilasciare gli ioni sodio al liquido extracellulare. Questa nuova conformazione aumenta l’affinità del carrier per il K+ permettendo a 2 molecole di K+ di legarsi ai siti ora esposti sul versante extracellulare. Il legame del K+ provoca la defosforilazione del carrier che torna alla sua conformazione originale, rilasciando il potassio all’interno della cellula. Ora nuove molecole di Na+ e ATP possono legarsi al carrier e ricominciare il ciclo.

Distinguiamo il gradiente di concentrazione chimico e il gradiente di carica elettrico.

Il flusso netto di ioni attraverso la membrana si verifica dalla regione a maggiore concentrazione a quella a minore concentrazione. Bisogna tener conto anche della permeabilità della membrana stessa.

I neuroni inviano e ricevono informazioni mediante potenziali graduati e potenziali d’azione. Essi sono modificazioni transitorie del potenziale di membrana che producono segnali elettrici, questi cambiamenti sono il mezzo tramite il quale i neuroni elaborano e trasmettono informazioni.

I potenziali graduati sono potenziali locali di ampiezza variabile che si esauriscono entro 2 mm dalla loro sede d’origine quindi in una regione relativamente piccola della membrana. Essi possono indurre ad una depolarizzazione o a un’iperpolarizzazione, sono decrementali ovvero all’aumentare della distanza diminuisce il flusso della carica, possono dar luogo ad un processo di sommazione, non hanno un periodo refrattario, non hanno un livello soglia. Sono chiamati graduati perché l’entità del potenziale può variare. A seconda della sede o della funzione possono essere recettoriali, sinaptico o pacemaker.

Un potenziale d’azione è un cambiamento rapido del potenziale di membrana durante il quale la membrana si depolarizza (da -70mV si avvicina allo 0) e ripolarizza velocemente (dallo 0 torna verso -70mV), permette la trasmissione di segnali su lunghe distanze dalle membrane neuronali e muscolari. Essi non si sommano, hanno una risposta a tutto o nulla ovvero una volta superata una soglia il fenomeno si avvia e non può più essere fermato, hanno un periodo refrattario, conducono senza decrementi e depolarizzano solamente.

Tutte le membrane possono produrre potenziali graduati, ma solo le membrane eccitabili possono produrre potenziali d’azione.

Il termine overshoot si riferisce a un'inversione della polarità del potenziale di membrana, ovvero quando l’interno della cellula diventa positivo in relazione all’esterno.

I canali ionici permettono di generare i cambiamenti del potenziale di membrana, essi sono regolati da diversi meccanismi. I canali ligando-dipendenti si aprono in risposta al legame con molecole segnale. I canali meccano-dipendenti si aprono in risposta a deformazione fisica delle membrane plasmatiche. Essi servono da stimolo iniziale per un potenziale d’azione.

I canali voltaggio-dipendenti danno la capacità alla membrana di andare in contro ai cambiamenti di voltaggio.

I canali del Na+ (sodio) e K+ (potassio) mediano la maggior parte dei potenziali d’azione neuronali, cambiano forma in maniera reversibile in risposta alle modificazioni del potenziale di membrana.

Il concetto principale che spiega i ruoli differenti di questi canali nella produzione del potenziale d’azione è che i canali del Na+ rispondono molto più velocemente ai cambiamenti di voltaggio, infatti quando la membrana si depolarizza improvvisamente i canali locali del Na+ si aprono prima di quelli del K+, essi quando successivamente la membrana si ripolarizza si chiuderanno anche più lentamente rispetto a quelli del Na+.

Un’altra differenziazione sono i gate di inattivazione del Na+. Questa struttura limita il flusso di ioni Na+ bloccando il canale appena dopo la depolarizzazione che l’ha aperto.

Sequenza del potenziale d’azione

1. Un neurotrasmettitore si lega ad uno specifico canale ionico e permette al Na+ di entrare nella cellula, esso corrisponde ad uno stimolo di depolarizzazione locale della membrana in quanto il sodio è positivo.
2. Questa depolarizzazione stimola l’apertura dei canali del Na+ voltaggio-dipendenti e l’ulteriore entrata di Na+ si aggiunge alla depolarizzazione locale portandola attraverso un ciclo a feedback positivo a tutta la membrana.
3. Questo porta ad un overshoot ovvero la membrana diventa positiva all’interno e negativa all’esterno.
4. Quando il potenziale raggiunge il valore di picco, la permeabilità del Na+ declina perché i gate di inattivazione spezzano il ciclo a feedback positivo.
5. Nel frattempo, lo stato depolarizzato della membrana ha cominciato ad aprire i canali del K+ voltaggio-dipendenti e il flusso di K+ verso l’esterno della membrana riportandola ad un voltaggio negativo verso il suo valore di riposo.
6. Poi che i canali del K+ si chiudono lentamente, immediatamente dopo il potenziale d’azione vi è un periodo in cui la membrana è iperpolarizzata verso il potenziale d’equilibrio del K+ (-84 mV), diventando quindi anche più negativa rispetto al potenziale di riposo, definita post-iperpolarizzazione. La chiusura dei canali del K+ voltaggio-dipendenti riporta il potenziale di membrana al suo valore di riposo.

Il potenziale soglia delle membrane eccitabili è -55 mV, quindi superata questa soglia si genera il potenziale d’azione. I potenziali sottosoglia depolarizzano la membrana di un valore inferiore alla soglia e quindi non avviano il ciclo a feedback positivo, di conseguenza poco dopo la membrana torna a livello di riposo.

Una volta raggiunta la soglia, gli eventi di membrana non dipendono più dalla forza dello stimolo, non fa differenza se viene raggiunta la soglia, da qui il principio del tutto o nulla.

Una membrana è refrattaria per un breve periodo in seguito ad un potenziale d’azione. In questo periodo, un secondo stimolo non produrrà un secondo potenziale d’azione indipendentemente dalla sua intensità, in quanto la regione interessata si trova nel periodo refrattario assoluto. In questo periodo i canali del Na+ voltaggio-dipendenti già aperti o nella fase inattiva, ciò causato dal primo potenziale d’azione, per riaprirli necessita rimuovere il gate di inattivazione e quindi ripolarizzare la membrana prima che i canali rispondano ad un secondo stimolo.

Il PR relativo ha una durata che varia da 1 a 1.15 msec e coincide con la fase di post-polarizzazione, durante questo periodo alcuni canali K+ voltaggio-dipendenti rimangono aperti, in questo lasso di tempo può essere prodotto un secondo potenziale d’azione ma solo se la forza dello stimolo è considerevolmente intenso e duri più a lungo del PR relativo stesso.

I periodi refrattari limitano il numero di potenziali d’azione che una membrana eccitabile è in grado di produrre in un dato periodo di tempo.

Il potenziale d’azione produce correnti locali che depolarizzano le regioni adiacenti generando successivi potenziali d’azioni inducendone così la propagazione. Un’area che ha appena subito un potenziale d’azione è refrattaria e di conseguenza non può averne subito un altro e questo permette di mandare la propagazione lontano dall’area d’origine.

Nei neuroni la propagazione è unidirezionale, mentre nelle cellule muscolari scheletriche il potenziale d’azione inizia vicino al centro della fibra e si propaga alle due estremità, in entrambe le direzioni.

Nella conduzione saltatoria, maggiore è il diametro dell’assone e più velocemente si propaga il potenziale, infatti offre una minore resistenza al passaggio del flusso di corrente e più ioni fluiscono nell’unità di tempo. La mielina funge da isolante (pochi canali del Na+) e i potenziali si verificano solo nei nodi di Ranvier. Tutto ciò permette una conduzione più veloce in quanto il potenziale d’azione non salta da un nodo di Ranvier al successivo ma viene generato in ciascun nodo.

Gli assoni mielinici sono metabolicamente più efficienti. La mielina, infatti, aggiunge velocità e riduce il costo metabolico.

La conduzione continua invece riguarda le fibre amieliniche, in questo caso PA si propaga lungo l’assone ma più lentamente.

Meccanismi di controllo nervosi (le sinapsi)

Le sinapsi sono i punti di contatto tra due cellule nervose, a questo livello l’