Appunti Fisiologia

Fisiologia

Sara Della Vedova
Università degli Studi di Roma “Foro Italico” 2021-2022

Fisiologia umana

Studia le caratteristiche di funzionamento di organi e sistemi dell’organismo in condizioni di base ed in risposta a modificazioni ambientali.

Fisiologia dell’esercizio

Studia le modificazioni (risposte) dei sistemi e delle funzioni dell’organismo in risposta all’esercizio fisico acuto o cronico, praticato con regolarità.

Fisiologia dello sport

È l’evoluzione dell’esercizio fisico applicandolo all’allenamento ed alla prestazione sportiva.

Neuro-fisiologia

I neuroni possono essere classificati in vario modo:

• Neuroni sensoriali: hanno terminazioni sensoriali libere e comunicano con specifici recettori:
  • Esterocettori: vista, udito, gusto e olfatto
  • Enterocettori: info viscerali
  • Propriocettori: percepiscono la posizione del corpo nello spazio e lo stato di contrazione dei muscoli.
• Neuroni motori: motoneuroni somatici e viscerali.
• Interneuroni: neuroni di associazione presenti nel sistema nervoso centrale, hanno un’azione eccitatoria o inibitoria.

Omeostasi

Insieme di processi che rispondono a variazioni dei principali parametri fisiologici: Frequenza Cardiaca (FC), Glicemia… Se i principali organi del sistema uomo sono il regime omeostatico, si può definire l’uomo in salute.

Omeostasi ≠ Equilibrio = stato per cui i valori presi in esame sono costanti senza apporto energetico; Omeostasi ≠ Stato stazionario = stato per cui i valori presi in esame rimangono in un range con necessità di apporto energetico.

La componente fondamentale nel nostro organismo per il sotto regime omeostatico è il mezzo interno, che è il liquido interstiziale, cioè il fluido che si trova tra una cellula e l’altra, quindi aiuta la comunicazione cellulare. All’interno di esso ci sono un certo numero di ioni (i più comuni che servono alla comunicazione cellulare sono sodio, potassio, calcio e cloro) che comunicano tra loro attraverso la membrana plasmatica che ha un modello a mosaico fluido.

Liquido extracellulare

È il liquido che si trova nel sangue e che circonda le cellule, si trova all’esterno delle cellule. 20-25% costituito dal plasma; 75-80% costituito dal liquido interstiziale. Le sostanze disciolte nei due liquidi sono più o meno uguali, ad eccezione della componente proteica che è maggiore nel plasma, sono separate dalla parete dei capillari.

Liquido intracellulare

È il liquido presente all’interno della cellula, citoplasma. La comunicazione intercellulare è resa possibile grazie alla presenza di messaggeri chimici:

• Ormoni: prodotti dalle ghiandole endocrine, permettono la comunicazione tra le cellule che secernono l’ormone stesso e le cellule bersaglio mediante la circolazione sanguigna.
• Neurotrasmettitori: permettono la comunicazione tra terminazioni nervose e neuroni, cellule muscolari o ghiandolari mediante il liquido extracellulare.
• Sostanze paracrine: comunicazione locale tra le cellule, inattivate da enzimi locali.

Meccanismi di controllo

• Feedback: risposta a uno stimolo che si presenta in acuto. Può essere positivo (potenzia lo stimolo) o negativo (abbassa lo stimolo).
• Feedforward: è un adattamento anticipatorio di uno stimolo che probabilmente verificherà da apprendimento.

Riflesso

Può essere innato (ce l’hanno tutti) e appreso (risposta non mediata dalla coscienza, gesto che si apprende). La sequenza di eventi che intervengono in un riflesso prende il nome di arco riflesso:

Stimolo (variazione di un parametro) trasmette al recettore che identifica le variazioni e produce un segnale che tramite la via afferente viene inviato al centro di integrazione che elabora l’informazione con quello che sa e la manda attraverso la via efferente all’effettore che produce una risposta.

Se la risposta è indotta a contrastare lo stimolo si parla di feedback negativo; se la risposta amplifica lo stimolo si parla di feedback positivo.

Diffusione

Diffusione semplice

Spostamento di molecole da un luogo a un altro in seguito al loro movimento termico random. (es: molecole di ossigeno entrano ed escono dai vasi sanguigni mediante diffusione semplice, il movimento avviene sempre su brevi distanze poiché i tempi di diffusione sono lunghi). Il flusso netto, cioè la quantità netta di materiale trasferita da un luogo a un altro, procede sempre da regioni a maggior concentrazione verso regioni a minor concentrazione.

Diffusione di ioni

Essendo dotati di carica elettrica bisogna tener conto della differenza di carica elettrica tra un lato e l’altro della membrana, noto come potenziale di membrana che influisce sul movimento degli ioni attraverso la membrana: cariche elettriche dello stesso segno si respingono, quelle del segno diverso si attraggono. I canali ionici non cambiano conformazione e possono essere chiusi o aperti (processo chiamato gating) e il flusso di ioni dipende da quante volte si aprono e si chiudono. Altre molecole come amminoacidi e glucosio sono troppo grandi per attraversare i canali e perciò si servono di proteine integrali di membrana, proteine carrier, attraverso il trasporto mediato che avviene:

• Il soluto si lega a un sito specifico sulla proteina carrier.
• La proteina carrier cambia la sua conformazione.
• Esponendo il sito di legame sul lato opposto della membrana e ciò permette il rilascio del soluto.

Tipi di trasporto mediato

• Trasporto facilitato: come la diffusione semplice ma con l’utilizzo di una proteina carrier per il trasporto del soluto. Non si può produrre uno spostamento da zone a bassa concentrazione verso zone a maggior concentrazione perché non possiedono ATP.
• Trasporto attivo: utilizza ATP per spostare zone a bassa concentrazione verso zone ad alta concentrazione. La proteina carrier viene definita pompa. L’energia per il trasporto attivo primario è fornita dall’idrolisi dell’ATP da parte di una proteina carrier chiamata ATPasi che catalizza la scissione dell’ATP e fosforila se stesso (es: pompa sodio-potassio). Nel trasporto attivo secondario avviene il movimento di uno ione secondo il suo gradiente elettrochimico correlato al movimento di un’altra molecola contro il suo gradiente elettrochimico. Le proteine carrier presentano due siti di legame: per uno ione e per la membrana trasportata. Il secondario, a differenza del primario, utilizza come fonte di energia l’energia immagazzinata di un gradiente elettrochimico.

Osmosi

Diffusione di acqua attraverso una membrana tramite il doppio strato fosfolipidico e i canali proteici, va da una concentrazione alta a quella bassa.

Recettori

Sono proteine o glicoproteine transmembrana o intercellulari che si legano con i messaggeri chimici (ormoni, neurotrasmettitori, agenti autocrini/paracrini) causando una variazione conformazionale del recettore in seguito alla quale avviene la risposta cellulare, processo noto come trasduzione del segnale, è il primo dei passaggi che conduce alla risposta cellulare. Le diverse sequenze di eventi tra l’attivazione del recettore e la risposta cellulare sono dette vie di trasduzione del segnale dove il segnale è l’attivazione del recettore e la trasduzione è il processo che trasforma uno stimolo in una risposta.

• Specificità: recettore lega un solo tipo di messaggero chimico o un gruppo strettamente correlato.
• Affinità: forza con cui un messaggero chimico si lega al recettore.
• Competizione: capacità di molecole differenti di competere con un messaggero chimico per legarsi con un recettore.

Le molecole possono essere:

• Agoniste: messaggero chimico che si lega a un recettore ed evoca la stessa risposta cellulare che evocherebbe il ligando naturale.
• Antagoniste: una molecola che compete con un ligando per legarsi al suo recettore impedendo l’azione del ligando naturale.

Trasduzione sensoriale

Processo mediante il quale uno stimolo è trasformato in una risposta elettrica. Comporta l’apertura e la chiusura dei canali ionici presenti sulla membrana recettoriale, alternando la permeabilità. In questo modo la membrana recettoriale produce un cambiamento nel potenziale di membrana, un potenziale graduato chiamato potenziale recettoriale che avviene in una zona della membrana dotata di canali ionici voltaggio-dipendenti. Nei neuroni mielinici afferenti, la zona dove avviene il potenziale recettoriale è situata al 1° nodo di Ranvier (corrispondenza in cui si ha il passaggio di ioni nell’assone). Finché il potenziale recettoriale mantiene il neurone afferente depolarizzato ad un livello uguale o superiore alla soglia, continueranno a partire potenziali d’azione che si propagheranno lungo il neurone. Per ridurre la frequenza dei potenziali d’azione è attivato un processo di adattamento.

Adattamento

Uno dei fattori che determinano l’ampiezza del potenziale recettoriale. È una riduzione della sensibilità recettoriale che, nonostante ci sia uno stimolo costante, provoca una diminuzione della frequenza nel potenziale d’azione. I recettori sensoriali presentano 2 gradi di adattamento:

• Recettori tonici, a lento adattamento, mantengono un potenziale d’azione persistente nel tempo, cioè durante tutta la durata di uno stimolo costante avviano potenziali d’azione. Es: recettori muscolari, recettori articolari.
• Recettori fasici, a rapido adattamento, potenziale recettoriale e potenziale d’azione sono generati solo all’insorgere dello stimolo; alcuni recettori rispondono solo a variazioni dell’intensità di stimolazioni. Es: recettori cutanei.

Sistema sensoriale

È una parte del sistema nervoso costituita da recettori sensoriali che ricevono stimoli:

• Sia dall’ambiente interno sia dall’ambiente esterno
• Dalle vie nervose che trasportano le info dai recettori al midollo
• Dalle zone del cervello principalmente dedicato alla loro elaborazione

Se l’info arriva alla consapevolezza si può definire sensazione (es: avvertire dolore); se capisco il significato di un info si può definire percezione (es: capire da dove venire il dolore).

Recettori sensoriali

Sono terminazioni specializzate degli stessi neuroni afferenti che trasformano le info provenienti dall’ambiente esterno ed interno, in potenziali graduati che possono attivare potenziali d’azione. Oppure possono essere cellule recettoriali distinte che inviano segnali ai neuroni afferenti primari rilasciando neurotrasmettitori. Es: termorecettori per le sensazioni di caldo; fotorecettori per identificare varie lunghezze d’onda. Tutte le vie sensoriali, tranne quella olfattiva, passano per il talamo che elabora le info e le trasmette ai centri corticali.

Potenziale di membrana

Evento elettrico a cavallo della membrana cellulare, tra lo spazio citoplasmatico intracellulare e lo spazio extracellulare. È determinato dalla differenza di potenziale elettrico/transmembrana: interna è carica negativamente ed esterna è carica positivamente. A riposo il potenziale di membrana è di -70mV perché all’interno della membrana abbiamo la concentrazione di ioni negativi maggiore rispetto a quella esterna. I principali ioni che determinano il potenziale di membrana sono potassio (K⁺), sodio (Na⁺), calcio (Ca²⁺) e cloro (Cl⁻). Il gradiente ionico è mantenuto dalla pompa sodio-potassio e dalla differente permeabilità di diffusione semplice degli ioni attraverso i canali (questa permette la carica negativa all’interno della membrana).

Richiamo sul trasporto degli ioni

Gli ioni vengono trasportati dall’interno all’esterno della cellula, o viceversa, attraverso proteine trasportatrici di membrana (trasporto attivo degli ioni contro gradiente di concentrazione, la proteina cambia configurazione quando lo ione si va a legare al suo sito attivo, es: pompa sodio-potassio) o attraverso canali ionici (proteina a forma di canale dove all’interno passa uno o due ioni ai quali il canale è permeabile che si diffondono secondo gradiente di concentrazione). Tra i canali ionici aperti che consentono agli ioni di poter attraversare la membrana cellulare, i canali per potassio sono maggiormente coinvolti. La permeabilità di potassio è 20 volte maggiore rispetto al sodio e, rispetto ad altri ioni, attraversa la membrana molto facilmente. All’interno della cellula ci sono proteine in forma anionica, quindi negative e non sono diffusibili quindi contribuiscono al differente di potenziale.

Quando il potenziale di riposo varia significa che la cellula è stata eccitata da uno stimolo e si ha una depolarizzazione e il potenziale da negativo diventa positivo. Il potenziale di membrana è importante per il mantenimento di un gradiente elettrochimico, per la genesi dei potenziali d’azioni nelle cellule eccitabili (neuroni, fibrocellule muscolari) e per il mantenimento dell’equilibrio osmotico.

Potenziale d’azione

Evento elettrico che fa comunicare due cellule distanti. È alla base dell’eccitazione delle cellule. Potenziale di membrana a riposo polarizzato -70mV è mantenuto dalla pompa sodio-potassio in omeostasi. All’interno della membrana è concentrato di potassio e all’esterno è concentrato di sodio.

Richiamo sulla pompa sodio-potassio ATPasi

Lo ione sodio è più concentrato all’esterno e quindi tende ad entrare nella cellula e il potassio al contrario. La pompa riporta le concentrazioni fisiologiche di sodio e potassio contro gradiente di concentrazione, fa uscire ione sodio e fa rientrare ione potassio. È una pompa elettrogenica perché genera anche lei una differenza di potenziale a cavallo della membrana cellulare. Costituita da due subunità, è presente nella membrana cellulare tra 10 domini transmembrana. Può avere due conformazioni: E1 (ha dei siti di legame che sono rivolti verso l’ambiente intracellulare e vengono rimossi i siti di legame per lo ione sodio che sono 3: la pompa si lega ad una molecola di ATP così che gli ioni sodio si legano ai 3 siti, la molecola di ATP viene idrolizzata e si libera ADP e rimane legato il gruppo fosfato così che la pompa subisce un cambiamento di conformazione) ed E2 (ha i siti di legame dello ione sodio che sono rivolti verso l’ambiente extracellulare, l’affinità dei siti per gli ioni sodio cambia e si abbassa e di conseguenza gli ioni sodio sono rilasciati, i siti di legame per gli ioni potassio si legano con 2 ioni potassio grazie al gruppo fosfato, si distacca il gruppo fosfato che determina un cambiamento di conformazione della pompa che torna a E1 e i siti di legame sono rivolti nuovamente verso l’ambiente intracellulare, una nuova molecola di ATP si lega e diminuisce l’affinità dei siti con gli ioni di potassio che si distaccano.

La nascita del potenziale d’azione avviene attraverso la depolarizzazione di membrana attraverso il potenziale graduato che è locale e porta il potenziale di membrana a potenziale di soglia (-55mV):

• I canali dipendenti voltaggio di sodio si aprono e si innesca un meccanismo a feedback positivo per i canali del sodio.
• Il potenziale di membrana arriva a +30mV si chiudono i canali del sodio e si aprono quelli del potassio e il flusso di potassio in uscita causa una ripolarizzazione e il potenziale scende a -90mV attraverso la pompa sodio-potassio il potenziale di membrana torna a -70mV.

Potenziale d’azione nelle cellule nervose

La depolarizzazione fino alla soglia è ottenuta mediante un potenziale graduato generato da un input sinaptico al neurone mediante un cambiamento spontaneo del potenziale di membrana. Il potenziale d’azione permette la trasmissione delle info tra le cellule del sistema nervoso, i neuroni, e lo fa tramite la sinapsi elettrica e la sinapsi chimica.

Nella sinapsi chimica il rilascio del neurotrasmettitore:

1. Ha inizio quando un potenziale d’azione raggiunge la terminazione della membrana presinaptica.
2. La depolarizzazione induce l’apertura dei canali del calcio.
3. Gli ioni calcio entrano e si legano con una famiglia di proteine associate alle vescicole (sinaptogamine).
4. Avviene una modificazione conformazionale nelle proteine che porta a una fusione della membrana e al rilascio del neurotrasmettitore.
5. Dopo la fusione, le vescicole possono essere riciclate tramite endocitosi o ritirarsi nuovamente dopo aver rilasciato il neurotrasmettitore (meccanismo chiamato fusione “kiss and run”).
6. In base alle risposte della cellula post-sinaptica, le sinapsi chimiche sono eccitatorie o inibitorie. Per attivare la cellula post-sinaptica, i neurotrasmettitori rilasciati diffondono lungo la fessura dove avviene il legame su recettori plasmatici della cellula post-sinaptica (recettori ionotropi) e agiscono su canali ionici separati (recettori metabotropi). Il risultato è l’apertura o la chiusura dei canali ionici specifici ligando-dipendenti nella membrana post-sinaptica che induce modificazioni strutturali in quel neurone e si torna in una situazione di riposo quando il recettore non è più legato.

I neurotrasmettitori che non legano (REUPTAKE) vengono ritrasportati di nuovo nella terminazione assonale post-sinaptica, si diffondono via dal sito recettoriale e vengono trasformati in sostanze inattive dagli enzimi.

Acetilcolina

Neurotrasmettitore presente nel sistema nervoso periferico, è rilasciato da neuroni colinergici (secernono acetilcolina). Presenta due tipi di recettori a cui si può legare.