Domande d'esame Fisiologia

Materia vivente, cellula e membrana

Membrana cellulare: ruolo di barriera selettiva e identità chimica dell'ambiente

 interno La membrana funge da barriera semipermeabile e dinamica che regola il passaggio

di sostanze tra l'ambiente intracellulare (LIC) e quello extracellulare (LEC). Questo

isolamento parziale permette alla cellula di mantenere una composizione chimica interna

specifica e stabile, diversa da quella esterna.

Composizione della membrana e conseguenze sugli scambi È composta

 principalmente da un doppio strato di fosfolipidi (con teste idrofile all'esterno e code

idrofobiche all'interno). Questa natura lipidica rende la membrana facilmente permeabile a

molecole piccole e apolari (es. O , CO , ormoni steroidei), ma impermeabile a ioni e grandi

2 2

molecole polari (es. glucosio, amminoacidi), che per attraversarla necessitano di proteine di

trasporto specifiche.

Ambiente interno e compartimenti liquidi

Definizione di ambiente interno Introdotto da Claude Bernard, l'ambiente interno

 corrisponde al Liquido Extracellulare (LEC) che bagna tutte le cellule dell'organismo. È il

"mezzo" da cui le cellule traggono nutrimento e in cui riversano gli scarti.

Compartimenti dei liquidi corporei L'acqua corporea è divisa in due macro-

 compartimenti: il Liquido Intracellulare (LIC), contenuto dentro le cellule, e il Liquido

Extracellulare (LEC), all'esterno. Il LEC si suddivide ulteriormente in plasma (la parte liquida

del sangue dentro i vasi) e liquido interstiziale (il fluido che circonda fisicamente le cellule nei

tessuti).

Stima dei volumi medi In un adulto medio di circa 70 kg, l'acqua corporea totale è circa il

 60% del peso (42 litri). Il LIC ne costituisce circa i 2/3 (28 litri) e il LEC circa 1/3 (14 litri). Dei

14 litri del LEC, circa 3/4 sono liquido interstiziale (10,5 litri) e circa 1/4 è plasma (3,5 litri).

Variabilità della percentuale di acqua La percentuale d'acqua varia in base a sesso, età

 e massa grassa. Il tessuto adiposo contiene pochissima acqua rispetto a quello muscolare.

Pertanto, individui con una maggiore percentuale di tessuto adiposo (es. persone obese, ma

anche donne rispetto agli uomini in media) avranno una percentuale di acqua totale inferiore

rispetto al peso corporeo.

Omeostasi: significato e parametri regolati

Definizione di omeostasi È la capacità dell'organismo di mantenere le condizioni

 dell'ambiente interno (LEC) relativamente costanti e stabili, nonostante le variazioni

dell'ambiente esterno. È indispensabile perché le cellule (e i loro enzimi) possono

sopravvivere e funzionare solo in range chimico-fisici molto ristretti.

Scambi con l'ambiente interno Dall'ambiente esterno devono costantemente entrare

 nutrienti ed O per sostenere il metabolismo cellulare, mentre devono essere eliminati CO e

2 2

prodotti di scarto metabolico (come l'urea) per evitare tossicità.

Parametri regolati omeostaticamente I principali sono: concentrazione di nutrienti e gas

 respiratori (O /CO ), rimozione scorie, equilibrio del pH, bilancio di acqua ed elettroliti (es.

2 2

Na , K ), temperatura corporea e volume/pressione del sangue.

+ +

Sistemi di controllo omeostatico

Componenti di un sistema di controllo e "set-point" I tre componenti sono: il

 recettore/sensore (che monitora la variabile), il centro integratore (che analizza i dati e li

confronta con un valore di riferimento ottimale, il set-point) e gli effettori (che attuano la

risposta per correggere l'eventuale errore).

Funzione del recettore Il recettore rileva variazioni (stimoli) fisiche o chimiche (es. calore,

 pressione, glicemia) e converte (codifica) questa informazione in segnali elettrici o chimici

(potenziali d'azione o ormoni).

Centro integratore Integrare significa raccogliere informazioni da vari sensori, analizzarle

 in base al set-point e decidere la risposta adeguata. Spesso si trova nel sistema nervoso

centrale (encefalo/midollo) o in ghiandole endocrine, in quanto sono sistemi complessi di

elaborazione.

Effettori Sono tipicamente i muscoli (scheletrici, lisci o cardiaci) e le ghiandole (esocrine o

 endocrine). Producono la risposta meccanica o chimica necessaria per ripristinare il set-

point (es. brivido muscolare per generare calore).

Controllo intrinseco vs estrinseco Il controllo intrinseco (o locale) è un meccanismo di

 autoregolazione confinato all'interno di un singolo organo (es. dilatazione dei vasi in un

muscolo che lavora). Il controllo estrinseco coinvolge sistemi regolatori che agiscono

dall'esterno dell'organo per coordinare intere funzioni corporee (sistema nervoso o

endocrino).

Feedforward vs Feedback Il feedforward interviene per anticipare un cambiamento prima

 che esso avvenga (es. salivazione prima di mangiare). Il feedback è invece un meccanismo

di correzione che interviene solo dopo che il cambiamento si è già verificato.

Feedback negativo È il meccanismo cardine dell'omeostasi. Quando una variabile devia

 dal set-point, il sistema innesca una risposta che si oppone al cambiamento iniziale,

riportando la variabile alla normalità (es. se la temperatura sale, sudo per abbassarla). Il

vantaggio è la forte stabilizzazione del sistema.

Feedback positivo In questo caso la risposta amplifica lo stimolo iniziale allontanando

 sempre di più la variabile dal set-point. È biologicamente utile solo per processi fisiologici

che devono essere "esplosivi" e arrivare rapidamente a una conclusione (es. il parto con

l'ossitocina, o la cascata coagulativa).

Struttura e proprietà della membrana plasmatica

Componenti e mosaico fluido Costituita da lipidi, proteine e carboidrati. Il modello "a

 mosaico fluido" descrive la membrana non come rigida, ma come un fluido bidimensionale in

cui lipidi e proteine possono scivolare e spostarsi lateralmente.

Colesterolo Inserito tra le code idrofobiche dei fosfolipidi, regola la fluidità della membrana:

 impedisce che diventi troppo rigida alle basse temperature e troppo fluida/instabile alle alte.

Tipi di proteine

 Integrali (transmembrana): attraversano completamente il doppio strato; fungono da

o canali ionici, pompe di trasporto o recettori recettori di segnali.

Periferiche: associate alla superficie (spesso interna); fungono da enzimi o ancorano

o la membrana al citoscheletro.

Carboidrati di membrana Glicoproteine e glicolipidi si trovano solo sul lato esterno,

 formando il glicocalice. Sono fondamentali per il riconoscimento cellulare ("carta d'identità"

della cellula) e l'interazione con altre cellule e molecole.

Principi generali del trasporto di membrana

Trasporto passivo vs attivo Il trasporto passivo avviene spontaneamente, seguendo il

 gradiente (da dove ce n'è di più a dove ce n'è di meno) e senza consumo di energia (ATP). Il

trasporto attivo avviene "in salita", contro il gradiente, e necessita obbligatoriamente di

dispendio energetico (ATP).

Gradiente di concentrazione ed elettrochimico Il gradiente di concentrazione è la

 differenza di concentrazione di una molecola tra due compartimenti. Se la molecola ha una

carica elettrica (es. uno ione), subirà anche l'influenza del gradiente elettrico (differenza di

carica tra interno ed esterno). La somma delle due forze costituisce il gradiente

elettrochimico, che stabilisce l'effettiva direzione verso cui lo ione tenderà a muoversi in

modo passivo.

Trasporto passivo: diffusione semplice

Diffusione semplice attraverso il doppio strato lipidico: La diffusione è influenzata da

 diversi fattori fisici e chimici. Nello specifico è facilitata da una maggiore liposolubilità, piccole

dimensioni molecolari, una vasta area di membrana a disposizione, uno spessore ridotto

della barriera e un elevato gradiente di concentrazione.

Agitazione termica e moto casuale delle molecole: Il fenomeno si basa sull'agitazione

 termica che genera un movimento costante e del tutto casuale delle molecole. A livello

macroscopico, questo moto probabilistico porta a uno spostamento netto dalle aree ad alta

concentrazione verso quelle a bassa concentrazione.

Legge di Fick: Le variabili che aumentano la velocità di diffusione netta sono il gradiente di

 concentrazione, la superficie della membrana e la permeabilità della sostanza. Le variabili

che la riducono sono lo spessore della membrana e il peso (o le dimensioni) molecolare.

Osmosi e pressione osmotica/idrostatica

Definizione di osmosi: È definita come il flusso di H O (acqua) che si muove seguendo il

 2

proprio gradiente di concentrazione attraverso una membrana semipermeabile.

Caso in cui passa H O ma non il soluto: Se l'acqua fluisce verso un compartimento in cui

 2

il soluto non può attraversare la membrana, si avranno variazioni di volume nel

compartimento ricevente. Questo aumento di volume determina la comparsa di una

pressione idrostatica sulle pareti, la quale inizia a opporsi fisicamente al flusso osmotico.

Equilibrio osmotico: Il flusso netto di acqua si arresta nel momento in cui la pressione

 idrostatica generatasi eguaglia esattamente la spinta derivante dalla pressione osmotica.

Diffusione facilitata tramite canali

Canali proteici e meccanismi di gating: I canali possono essere non regolati (ovvero

 sempre aperti al passaggio) oppure regolati da meccanismi di "gating". I tipi di gating si

suddividono in: voltaggio-dipendente (in base alle cariche elettriche transmembrana),

ligando-dipendente (legame di una molecola), meccano-sensibile (stiramento fisico) e termo-

sensibile (variazioni di temperatura).

Aquaporine: Sono particolari canali proteici specializzati nel trasporto ultra-rapido

 dell'acqua attraverso le membrane.

Canali ionici e forze elettriche: Questi pori permettono il flusso in base ad attrazione e

 repulsione elettrica. La direzione di flusso dei cationi (carica positiva) e anioni (carica

negativa) è determinata dal gradiente elettrochimico.

Diffusione facilitata tramite carrier

Ruolo dei carrier: Le molecole grandi o poco liposolubili non riescono a passare da sole e

 richiedono l'uso di specifiche proteine trasportatrici chiamate carrier.

Meccanismo "a cambiamento conformazionale": Il carrier si lega alla molecola, modifica

 fisicamente la propria conformazione (forma) e la rilascia dal lato opposto della membrana

cellulare.

Caratteristiche chiave: Il trasporto mediato da carrier presenta specificità (riconosce

 target precisi), competizione (molecole simili possono competere per il legame) e

saturazione. Il concetto di trasporto massimo (Tmax) indica la velocità limite che si

raggiunge quando tutti i carrier disponibili sono simultaneamente occupati.

Trasporto attivo: ATP e pompe

Struttura/funzione dell'ATP: L'ATP è la principale valuta energetica; il legame tra la sua

 idrolisi (rottura del legame fosfato) e il lavoro cellulare permette l'esecuzione di processi

contro le forze naturali.

Caratteristiche del trasporto attivo: Avviene contro gradiente, è mediato

 obbligatoriamente da proteine ed è fondamentale per creare o mantenere i gradienti

elettrochimici della cellula.

Trasporto attivo primario vs secondario: Il primario (definito anche ATPasi) idrolizza e

 consuma direttamente l'ATP. Il secondario non consuma ATP direttamente, ma è accoppiato

a gradienti generati precedentemente da un trasporto primario.

Pompe: Hanno un'alta specificità, spesso eseguono uno scambio simultaneo di ioni e

 possono differenziarsi in trasporto elettrogenico (se alterano l'equilibrio delle cariche nette) o

non elettrogenico.

Pompa Na /K -ATPasi

+ +

Ciclo funzionale e stechiometria: In un singolo ciclo funzionale, estrude 3 ioni Na (fuori

 +

dalla cellula) e importa 2 ioni K (dentro la cellula).

+

Significato fisiologico: Il suo lavoro è cruciale per il mantenimento dei gradienti ionici e

 offre un fondamentale contributo alla genesi delle proprietà elettriche della membrana.

Trasporto attivo secondario

Idea di "ione trainante": Si basa sullo sfruttare l'energia di uno ione trainante (per

 esempio il Na+) che scorre fluidamente secondo il gradiente creato a monte da una pompa

primaria. L'energia di questo flusso alimenta lo spostamento contro gradiente di un'altra

molecola.

Simporto vs antiporto: Nel simporto le molecole accoppiate attraversano la membrana

 nella stessa direzione, mentre nell'antiporto si muovono in direzioni opposte.

Trasporto attraverso epiteli

Due vie: paracellulare vs transcellulare: Nel passaggio attraverso tessuti epiteliali, le

 sostanze possono percorrere la via paracellulare (passando nello spazio tra una cellula e

l'altra) o la via transcellulare (attraversando le membrane per passare all'interno del

citoplasma della cellula).

Elementi di potenziale di membrana

Permeabilità e potenziale di membrana: Il contributo di uno ione specifico al potenziale di

 membrana (Vm) dipende direttamente dalla sua permeabilità; maggiore è la permeabilità per

un dato ione, più il Vm si avvicinerà al potenziale di equilibrio di quello ione.

Media pesata: In una cellula permeabile a più ioni, il potenziale di membrana risultante è

 una "media pesata" dei potenziali di equilibrio dei singoli ioni, dove il peso è dato dalla

rispettiva permeabilità (conduttanza) di ciascuno.

Equazioni: L'equazione di Nernst serve a calcolare il potenziale di equilibrio per un singolo

 ione, mentre l'equazione di Goldman-Hodgkin-Katz (GHK) viene utilizzata per calcolare il Vm

tenendo conto della permeabilità relativa di più ioni contemporaneamente.

Potenziale di membrana e sue variazioni

Potenziale a riposo: È negativo perché, a riposo, la membrana è molto più permeabile al

 potassio (K ) che al sodio (Na ), tendendo quindi verso il potenziale di equilibrio del potassio,

+ +

che è un valore negativo.

Variazioni di Vm: Il potenziale di membrana cambia quando variano le conduttanze (gNa e

 gK). Se aumenta la permeabilità per il sodio, il Vm si sposta verso E (depolarizzazione); se

Na

aumenta quella per il potassio, il Vm si sposta verso E (iperpolarizzazione).

K

Cellule eccitabili: risposte passive

Depolarizzazione vs Iperpolarizzazione: La depolarizzazione è una riduzione della

 negatività interna (Vm meno negativo), mentre l'iperpolarizzazione è un aumento della

negatività (Vm più negativo) in risposta a correnti di stimolo.

Membrana come circuito RC: La risposta elettrica è lenta perché la membrana si

 comporta come un circuito elettrico formato da un condensatore (la capacità del doppio

strato lipidico, C ) e un resistore (i canali proteici aperti, R /g ).

m m m

Costante di tempo (τ): Rappresenta la velocità con cui il potenziale di membrana cambia

 in risposta a uno stimolo; dipende dal prodotto della resistenza (R ) e della capacità (C ).

m m

Costante di lunghezza (λ): Indica la distanza lungo cui un potenziale elettrotonico si

 propaga prima di decadere significativamente; dipende dal rapporto tra resistenza di

membrana (R ) e resistenza interna del citoplasma (R ).

m i



Risposte attive: potenziale d'azione (PA)

Concetto di soglia: È il valore critico di depolarizzazione che la cellula deve raggiungere

 per innescare un potenziale d'azione "tutto o nulla".

Fasi del PA:

 1. Depolarizzazione: Innescata dall'apertura rapida dei canali Na voltaggio-dipendenti.

+

2. Ripolarizzazione: Dovuta all'inattivazione dei canali Na e alla contemporanea

+

apertura dei canali K voltaggio-dipendenti.

+

3. Post-iperpolarizzazione e ritorno al riposo: Il potenziale scende momentaneamente

sotto il livello di riposo a causa della persistenza dei canali K aperti, prima di tornare

+

al valore basale.

Ruolo della pompa: La Na /K -ATPasi è fondamentale nel lungo periodo per ripristinare e

 + +

mantenere i gradienti ionici consumati durante il potenziale d'azione.

Periodo refrattario e codifica

Refrattario assoluto: Periodo in cui è impossibile generare un nuovo PA, causato dal fatto

 che i canali Na sono inattivati e devono recuperare.

+

Refrattario relativo: Periodo in cui è possibile generare un PA, ma è necessario uno

 stimolo di intensità maggiore perché la soglia è più alta; l'ampiezza del PA potrebbe risultare

ridotta.

Conseguenza: Questi periodi impongono un limite fisico alla frequenza massima con cui

 un neurone può scaricare potenziali d'azione.

Propagazione del potenziale d'azione

Meccanismo: Il PA si propaga tramite correnti locali elettrotoniche che depolarizzano il

 segmento di membrana adiacente, innescando un nuovo PA.

Unidirezionalità: È garantita dal periodo refrattario del segmento di membrana appena

 attivato, che impedisce la propagazione all'indietro.

Monticolo assonico: È la zona specializzata del neurone, solitamente sede di innesco del

 PA grazie a un'alta densità di canali voltaggio-dipendenti.

Mielina e conduzione saltatoria

Fibre mieliniche vs amieliniche: La mielina isola l'assone, aumentando notevolmente la

 velocità di conduzione e riducendo il dispendio energetico.

Nodi di Ranvier: Sono i punti privi di mielina dove si concentra l'attività elettrica

 (generazione del PA). La conduzione è "saltatoria" perché il segnale sembra saltare da un

nodo all'altro.

Effetto della mielina: Aumenta la costante di lunghezza (λ) riducendo la dispersione di

 corrente e diminuisce la capacità di membrana (C ), permettendo una propagazione più

m

rapida delle correnti elettrotoniche.

Trasmissione sinaptica (colin