Appunti Fisiologia 1 e 2

Fisiologia 1

Libro: fisiologia: dalle molecole ai sistemi integrati (terza edizione) - Edises - G. Aicardi, V. Carabelli.

Introduzione ai concetti chiave

La membrana plasmatica

È una struttura estremamente sottile, alcuni nanometri di spessore, che racchiude il citoplasma delle cellule ed è essenziale per separare il liquido extracellulare e il liquido intracellulare.

Ha altre funzioni: regola gli scambi con l’ambiente esterno (esempio l’entrata di ioni e nutrienti delle cellule ma anche l’uscita di ioni, cataboliti ecc.), permette anche la comunicazione fra le cellule e l’ambiente circostante grazie alle molecole prodotte dalle cellule circostanti che interagiscono direttamente con i recettori di membrana.

La membrana regola anche la stabilizzazione dei tessuti perché interagisce con le proteine del citoscheletro delle cellule.

Modello a mosaico fluido: doppio strato fosfolipidico, organizzati con le code idrofobe di acidi grassi dei fosfolipidi orientate all’interno, e le teste idrofile orientate verso l’esterno.

Oltre ai fosfolipidi ci sono varie proteine associate alla membrana plasmatica, possono essere: le proteine integrali, proteine periferiche (che si internano nella membrana), catene di carboidrati (interagiscono con le proteine del citoscheletro della cellula), (legati a lipidi o legati a proteine e possono rispondere a diversi segnali che provengono dal liquido extracellulare), e colesterolo. Abbiamo anche delle molecole di.

La composizione di questo strato influenza la permeabilità delle molecole che lo attraversano e questa conformazione discrimina quali sono le molecole che possono attraversare facilmente la membrana e quali hanno bisogno di qualche aiuto per attraversarla. La trapasseranno facilmente le molecole idrofobiche, le molecole di natura idrofilica (ioni) non riescono ad attraversare facilmente la membrana ma richiedono di supporto.

Meccanismi di trasporto e diffusione attraverso la membrana

Endocitosi

Si verifica quando la cellula ingloba al suo interno molecole che si trovano nell’ambiente extracellulare. Si creerà un’invaginazione della membrana dalla quale si origina una vescicola che ingloba il contenuto portandolo dentro la cellula. Si differenziano 4 meccanismi di endocitosi: fagocitosi che riguarda soprattutto le cellule del sistema immunitario (macrofagi, neutrofili) utilizzano questa modalità per inglobare i batteri, virus, …, poi c’è la pinocitosi in cui si inglobano principalmente piccole molecole e molecole di natura lipofila, la terza modalità è l’endocitosi mediata da recettori che si differenzia per la presenza di recettori a livello dell’invaginazione (creata dalla clatrina) della membrana che permettono di fare un ingresso selettivo delle molecole inglobate (vengono inglobati ad esempio, ormoni, lipoproteine, molecole di grandi dimensioni), l’ultima modalità sono le caveole, anche qui c’è un ingresso selettivo grazie a proteine chiamate caveoline che si posizionano dall’invaginazione e si legano a queste dei recettori specifici, anche loro per mediare e selezionare l’entrata di molecole esterne.

Esocitosi

Rilascio di contenuto interno alla cellula all’esterno. Il materiale viene inglobato in vescicole all’interno della cellula e poi la vescicola si fonde con la membrana e rilascia all’esterno il contenuto (meccanismo della trasmissione sinaptica, dove si rilasciano neurotrasmettitori).

Diffusione semplice

È un meccanismo che avviene sempre secondo gradiente di concentrazione, ovvero che le molecole si spostano da una zona in cui sono più concentrate a una zona in cui sono meno concentrate.

4 modalità diverse. Per diffusione semplice si muovono attraverso il doppio strato fosfolipidico. Saranno avvantaggiate le molecole idrofobiche.

Coefficiente di partizione olio/acqua K = rapporto tra concentrazione della molecola disciolta nei lipidi e la concentrazione della stessa molecola disciolta nell’acqua. La permeabilità non dipende dalla dimensione delle molecole. La natura chimica è quella che influenza maggiormente la velocità di diffusione.

Acquaporine = canali che attraversano la membrana che sono altamente selettivi al passaggio di molecole d’acqua.

Osmosi = processo che regola il movimento di acqua. L’acqua si muove da una zona in cui il soluto è meno concentrato a una zona in cui è più concentrato.

Pressione osmotica = pressione che si crea con lo spostamento dell’acqua mediante osmosi.

Tonicità di una soluzione = definisce quello che è il comportamento di una cellula immersa all’interno di una soluzione. La soluzione può essere isotonica (la cellula non varia la sua dimensione, quindi non ho né uscita né ingresso di acqua nella cellula. Quando la concentrazione dei soluti nel citoplasma della cellula è uguale alla concentrazione dei soluti all’interno del plasma della cellula), ipertonica (una cellula immersa all’interno di questa soluzione cambia totalmente forma e dimensione, in particolare subisce un restringimento dovuto ad un movimento di acqua per osmosi dall’interno all’esterno della cellula. Concentrazione di soluti nel liquido maggiore della concentrazione di soluti nella cellula), ipotonica (una cellula al suo interno subisce un rigonfiamento, quindi cambia forma e dimensione, ingloba acqua in entrata della cellula.

Osmolarità = concentrazione totale di un soluto in una soluzione.

Una mole di soluto in 1 litro di soluzione è definita 1 MOLARE (300 milliosmoli per litro di fluido).

Canali ionici = proteine integrali di membrana, si integrano con i componenti del doppio strato fosfolipidico e appartengono alla classe delle proteine trans-membrana, ovvero costituita da tante subunità che si distribuiscono in modo da formare un poro acquoso che attraversano per 7 volte lo strato fosfolipidico e permettono agli ioni di passare attraverso la membrana.

Gradiente elettrico = si basa sul principio per cui le cariche di segno opposto si attraggono e le cariche di stesso segno si respingono.

Gradiente chimico e gradiente elettrico determinano la direzionalità dello ione, che nell’insieme verrà chiamato gradiente elettrochimico, ovvero una combinazione delle due forze.

Passaggio tramite giunzioni comunicanti (gap junction)

Proteine canale chiamate connessoni che attraversano lo strato fosfolipidico e sono localizzate in particolari zone della membrana, ciascuno di questi connessoni è costituito da 6 subunità chiamate connessine, sempre proteine trans-membrana costituite da 4 segmenti trans-membrana ad alfa elica che attraversa la membrana e va a formare un poro centrale attraverso cui passano le sostanze. Questo poro si vede in maniera chiara quando il connessone è aperto.

È una modalità che permette sempre il passaggio di ioni secondo il loro gradiente elettrochimico (non selettivo). Permette di collegare due cellule elettricamente (sinapsi di tipo elettrico).

Diffusione facilitata

Secondo gradiente, mediata da proteine trasportatrici (proteine costituite da un’unica subunità e molto selettive, chiamate anche carrier) un esempio di carrier è il trasportatore GLUT che permette il passaggio di zuccheri all’interno della cellula.

Diffusione semplice e diffusione facilitata NON richiedono energia.

Trasporto attivo

Trasporto contro gradiente di concentrazione, da una zona in cui sono meno concentrate a una zona in cui sono più concentrate, mediato da proteine trasportatrici.

Si divide in:

• Trasporto attivo primario (energia fornita direttamente da ATP), esempio: pompa sodio-potassio, pompa del calcio e pompa protonica.
• Trasporto attivo secondario (energia cinetica fornita da uno ione o molecola che si muove secondo il suo gradiente di concentrazione per trasportare contro gradiente di concentrazione un’altra sostanza), esempio: ione sodio.

Sistema nervoso

• Sistema nervoso centrale (encefalo e midollo spinale), centro di raccoglimento e elaborazione di tutte le informazioni periferiche per poi andare a coordinare una risposta a livello degli effettori.
• Sistema nervoso periferico (recettori sensoriali, nervi cranici e periferici, gangli periferici). La parte afferente rileva gli stimoli, sia dall’esterno che dagli organi sensoriali (natura viscerale) e li porta al sistema nervoso centrale. La sezione efferente trasporta le informazioni dal sistema nervoso centrale agli effettori, controlla le attività e le risposte degli organi.

Le cellule eccitabili sono principalmente neuroni, cellule muscolari, sono cioè cellule in grado di generare potenziali elettrici e trasmetterli alle altre cellule. È stato poi scoperto che anche le cellule endocrine del pancreas sono in grado di generare potenziali elettrici, e in questo caso servono per portare al rilascio di insulina. Un altro tipo di cellule sono quelle gliali, che occupano fino al 90% della costituzione del SNC.

Nel SNC le cellule possono essere: astrociti, oligodendrociti, cellule della microglia. Le cellule gliali hanno funzione di sostegno e supporto ai neuroni, ogni tipologia ha poi le sue particolarità, ad esempio gli astrociti regolano l’omeostasi del liquido extracellulare, oltre che protezione verso sostanze tossiche.

Gli oligodendrociti costituiscono la guaina mielinica che ricopre l’assone, ovvero il prolungamento che parte dal soma del neurone, fondamentale per la trasmissione degli impulsi nervosi. Le cellule della microglia sono altamente ramificate, grazie alle quali riescono a rilevare le variazioni dell’ambiente in cui sono immerse per elaborare le risposte.

Nel sistema nervoso periferico le cellule gliali presenti sono le cellule di Schwann, con stessa funzione degli oligodendrociti, poi ci sono le cellule satelliti che avvolgono i neuroni per controllare l’omeostasi.

Classificazione dei neuroni

I neuroni possono essere classificati in 3 classi:

• Neuroni afferenti: neuroni sensitivi, raccolgono informazione dalla periferia e le trasmettono al SNC (ad esempio i neuroni del sistema somato sensoriale, neuroni dei sensi speciali come la vista, l’olfatto, l’udito ecc.).
• Neuroni efferenti: trasmettono le informazioni dal SNC agli organi effettori.
• Interneuroni: ricevono info di natura sensoriale, elaborano l’informazione e le trasmettono ai neuroni efferenti. Modulano e coordinano l’attività dei neuroni efferenti.

I neuroni possono essere diversi nella forma ma ci sono delle caratteristiche comuni:

• Soma, hanno un ovvero un corpo cellulare, che elabora i segnali provenienti dai dendriti del neurone precedente.
• Dal soma partono due processi: i dendriti (comunicare tra un neurone e l’altro) e l’assone (permette la conduzione dell’impulso nervoso).
• Bottone sinaptico (ramificazioni nella parte terminale del neurone dove avviene il rilascio del neurotrasmettitore).

Canali ionici

• Voltaggio-dipendenti (rispondono a variazioni del voltaggio, ovvero la variazione di potenziale elettrico tra l’interno e l’esterno della cellula).
• Dipendenti da stimolazioni meccaniche (ad esempio quando vado a comprimere la cute, succede che andiamo ad attivare i recettori sensoriali e percepiamo la stimolazione meccanica).
• Dipendenti da stimolazioni chimiche (quando un canale chiuso si lega a questa sostanza, il canale cambia conformazione e si apre).
• Dipendenti da stimolazioni termiche (canali ionici che si aprono in funzione della temperatura, li troviamo nei termocettori).

Potenziale di membrana

Lo possiamo registrare in una cellula eccitabile quando questa è in una condizione di riposo.

Il potenziale di membrana è dato dalla differenza tra il potenziale nel liquido intracellulare e il potenziale nel liquido extracellulare. Può essere misurata attraverso due elettrodi conduttori legati ad un amplificatore connesso ad un scitoscopio.

Vm = Vi - Ve

Ioni con carica positiva e ioni con carica negativa distribuiti in maniera omogenea.

Quando immergo il microelettrodo nella sostanza, misuro un potenziale negativo. Questo dice che la cellula di riferimento ha un maggior numero di cariche negative.

La distribuzione degli ioni cambia tra la parte interstiziale e l’interno della cellula: non siamo mai in una condizione di equilibrio ionico (ioni non concentrati allo stesso modo) ma abbiamo grandi differenze. Lo ione sodio è molto più concentrato nel liquido extracellulare. Ioni calcio anch’essi concentrati di più nel liquido extracellulare. Gli ioni potassio invece sono molto più concentrati dentro la cellula.

Altra differenza è la differenza di anioni: gli anioni (grandi molecole con carica negativa, ad esempio proteine, nucleotidi) sono tutti all’interno della cellula e non riescono a passare attraverso la membrana perché sono troppo grandi.

Ione magnesio più concentrato all’interno, ione cloro più concentrato all’esterno. Nessuno ione è all’equilibrio.

Pompa sodio-potassio: porta fuori contro gradiente di concentrazione 3 ioni sodio e porta dentro 2 ioni potassio. -90 mV.

Di solito il potenziale di membrana a riposo di una cellula neuronale eccitabile è di -40 a -90 mV. Nelle cellule in generale va.

Ione sodio

Lo ione sodio è concentrato 10 volte di più nel liquido extracellulare che nel liquido intracellulare, tenderà a spostarsi dall’esterno all’interno spinto dalla forza del gradiente di concentrazione. Gli ioni sodio, via via che entrano all’interno della cellula, spostano il valore del potenziale di membrana verso valori positivi generando un’altra forza, quella del gradiente elettrico: è la forza contraria a quella del sodio che respinge l’ingresso di ulteriori ioni sodio (se aumenta la positività respingerà la positività del sodio perché stesso segno si respingono). La forza del gradiente di concentrazione sarà contrastata ma di uguale intensità dalla forza del gradiente elettrico. Quando queste due forze si bilanciano non si muovono più gli ioni sodio.

L’equilibrio si può misurare con l’equazione di Nernst, che mi permette di stabilire il valore di potenziale per cui lo ione sodio è in equilibrio e quindi non avremo più spostamento di ioni:

E_X (mV) = 61 log(X)_out / (X)_in → X = concentrazione. +61 mV.

Nel caso in cui la membrana avesse solo lo ione sodio avremmo.

Ione potassio

Lo ione potassio è più concentrato dentro la cellula che fuori. Qui si verifica che la forza del gradiente di concentrazione spingerà il potassio verso l’esterno, via via che escono gli ioni potassio, avremo una riduzione di cariche positive, generando una forza di gradiente elettrico che cercherà di attrarre gli ioni potassio all’interno. Quando le forze del gradiente di concentrazione saranno bilanciate dalla forza del gradiente elettrico non avremo più movimento di ioni e saremo all’equilibrio elettrochimico.

Anche per il potassio vale l’equazione di Nernst. -94 mV. Nel caso in cui la membrana avesse solo lo ione potassio avremmo.

Quando il neurone è a riposo, il movimento di ioni dipende dai canali “Leak” per il potassio. A riposo sono sempre aperti. Di base permettono soprattutto lo spostamento degli ioni potassio dall’interno all’esterno della cellula. Hanno anche una piccolissima permeabilità agli ioni sodio dall’esterno all’interno della cellula. (Differenza di 100 V di permeabilità per il potassio, che passa 100 volte più facilmente dello ione sodio).

Per arrivare al valore di potenziale dobbiamo prendere tutti gli ioni che possono attraversare la membrana ma anche la permeabilità della membrana; quindi, è stata ideata l’equazione di Goldman che prende in considerazione i principali ioni che passano attraverso la membrana quando la cellula è a potassio: sodio, potassio, cloro (anche se contribuisce in maniera poco significativa). -86 mV.

Sodio e potassio insieme danno il valore di potenziale di membrana a riposo ricavato dall’equazione di Goldman; quindi, il potassio incide di più (il valore è più vicino a quello del potassio). Il contributo è dato dalla pompa sodio-potassio ATPasi che porta fuori 3 ioni sodio e porta dentro 2 ioni potassio, al netto perdiamo una carica positiva che contribuisce per -4 mV al valore di potenziale di membrana a riposo e arriviamo al valore di potenziale di membrana a riposo di un neurone di -90 mV.

Potenziale d’azione

Quando un neurone si attiva si ha una modificazione del suo potenziale di membrana a riposo che porta alla creazione del potenziale di azione. È il valore del potenziale di membrana a riposo nel momento in cui un neurone a riposo viene attivato in risposta ad un segnale.

Entrano in gioco altri canali:

• Canale voltaggio-dipendente per il sodio “a doppio Gate”: canale che si modifica quando abbiamo una variazione del potenziale di membrana a riposo. È un canale selettivo che mi permette lo spostamento solo degli ioni sodio. Ha 3 conformazioni diverse perché ha due porte, una nel versante intracellulare e una nel versante extracellulare. Quando la porta di riposo è aperta, la porta di attivazione è chiusa e viceversa e si è nello stato di riposo. Per far passare gli ioni sodio, è necessario che siano aperte entrambe le porte. Quando il potenziale di membrana si modifica (verso valori positivi, in particolare a -65 mV fino a valori di +35 mV che è il valore soglia), il canale cambia conformazione in risposta a questa variazione del potenziale di membrana e diventa in uno stato attivo perché la porta esterna di attivazione si apre. Questa fase è chiamata fase di depolarizzazione della membrana (è molto veloce perché via via si aprono sempre più canali per il sodio). Questo canale viene ch