Fisiologia

Potenziali di membrana

Il potenziale di membrana dipende dalla diversa distribuzione di ioni ai lati della membrana, diversi gradienti di concentrazione che portano a una differenza di potenziale.

Il gradiente elettrico tra liquido extracellulare e intracellulare è noto come potenziale di membrana.

• K: il potenziale d’equilibrio è -90 mV.
• Na: il potenziale d’equilibrio è +55 mV.

Il potenziale di riposo della membrana è a -70 mV (più vicino a K+ perché ci sono molti più canali K, ma più basso perché influenzato da Na e Cl).

L’equazione di Nernst

L’equazione di Nernst è utilizzata per calcolare il potenziale di equilibrio del singolo ione attraverso la membrana semipermeabile, quando esiste una differenza di concentrazione tra i due lati della membrana.

E ione = RT/zF* In(ione ex/ione int). Unità di misura mV.

Mentre il potenziale di membrana a riposo, essendo influenzato da più ioni contemporaneamente (K+, Cl- e Na+), viene descritto in modo più completo dall’equazione di Goldman.

• Il K+ ha un potenziale di equilibrio di -90 mV, perché è più concentrato all’interno della cellula.
• Il Na+ ha un potenziale di equilibrio a +55 mV, perché è più concentrato all’esterno della cellula.
• Il Cl- è più concentrato all’esterno della cellula.

Il potenziale di membrana cambia in risposta al movimento di queste molecole:

• Na e Ca sono più concentrati all’esterno e un loro ingresso depolarizza la cellula (positivizza).
• Cl è più concentrato all’esterno della cellula e un suo ingresso iperpolarizza la cellula (negativizza).
• K è più concentrato all’interno e una sua uscita iperpolarizza la cellula.

Potenziale d’azione

I potenziali sono detti “eventi tutto o nulla”.

Se lo stimolo è abbastanza intenso da arrivare a -55 mV (valore soglia), si ha la genesi di un potenziale d’azione.

Quando si raggiunge il valore soglia:

• Genesi del potenziale.
• Riposo (-70): porta di attivazione dei canali Na+ voltaggio-dipendenti è chiusa.
• Soglia (-55): si aprono i canali Na+ voltaggio-dipendenti e la cellula si depolarizza fino ad arrivare a +30 mV.
• Picco (+30): a +30 mV si chiudono i canali Na e si aprono i canali K voltaggio-dipendenti.
• K comincia ad uscire dalla cellula che si ripolarizza e iperpolarizza arrivando a -90 mV, lentamente il potenziale torna a -70 mV grazie ai trasporti attivi che fanno entrare K e fanno uscire Na.

I canali voltaggio-dipendenti hanno due porte:

• Attivazione.
• Inattivazione.

Questo meccanismo permette la propagazione del segnale in una sola direzione.

Refrattarietà assoluta e relativa

La refrattarietà si riferisce alla capacità di una cellula eccitabile (neurone o fibra muscolare) di rispondere a un nuovo stimolo dopo essere stata attivata.

La refrattarietà si divide in due fasi:

Periodo refrattario assoluto

• La cellula è insensibile a nuovi stimoli indipendentemente dalla loro intensità.
• I canali Na+ sono inattivi.
• I canali K+ sono aperti.
• Il periodo comprende la fase di depolarizzazione e ripolarizzazione della membrana.
• I potenziali non possono essere sovrapposti né viaggiare all’indietro, il periodo refrattario assoluto assicura l’unidirezionalità del potenziale.

Periodo refrattario relativo

• I canali di K+ si chiudono.
• I canali di Na+ sono chiusi ma attivi.
• La cellula è iperpolarizzata e ci vorrà uno stimolo maggiore per raggiungere la soglia, il potenziale avrà un'ampiezza minore.

Propagazione del potenziale d’azione

L’evento del potenziale d’azione parte da una zona specifica del neurone a livello del monticolo assonico che è una zona ricca di canali Na, detta anche zona trigger.

Da qui si origina il potenziale d’azione che viaggerà lungo tutto l’assone.

Se lo stimolo è più intenso avrò un potenziale d’azione a frequenza maggiore.

Quindi, in base all’intensità fornita, avrò una frequenza diversa di potenziale d’azione.

Il potenziale può generarsi solo sull’assone perché ci sono i canali voltaggio-dipendenti del Na+.

Il segnale si propaga in una sola direzione.

Quando Na entra diffonde in tutte le direzioni, ma da un lato trovano la membrana che ha appena fatto il suo potenziale d’azione, si trova in refrattarietà e quindi i canali Na sono inattivi, non rispondono al segnale.

Dall’altro lato c’è la membrana pronta ad essere depolarizzata e quindi Na va in solo questa direzione (circuito a retroazione positivo).

Poiché si può eccitare solo la parte di membrana vicino a quella eccitata, l’avanzamento del potenziale è lento.

Gli assoni sono quindi rivestiti da una guaina mielinica che isola l’assone aumentando la velocità di conduzione.

La guaina mielinica è formata da cellule gliali:

• Nel SNC sono gli oligodendrociti, possono mielinizzare più di un assone alla volta.
• Nel SNP sono le cellule di Schwann, mielinizzano un solo assone.

Le porzioni di assone non mielinizzate sono detti nodi di Ranvier, conduzione saltatoria.

Sinapsi

La comunicazione tra neuroni si definisce sinapsi che coinvolge la terminazione pre-sinaptica e la membrana post-sinaptica.

Le sinapsi si dividono in chimiche ed elettriche.

Sinapsi elettriche

I due neuroni sono a contatto grazie a delle giunzioni comunicanti.

I potenziali graduati sono variazioni locali e temporanee del potenziale di membrana che si verificano in risposta a stimoli.

Sono fondamentali nella comunicazione neuronale, poiché preparano la membrana a generare un potenziale d’azione se raggiunge il valore soglia.

Si verificano principalmente nel soma e nei dendriti, aree dove avviene la ricezione degli stimoli.

L’ampiezza del potenziale graduato dipende dall’intensità dello stimolo.

Sommazione dei potenziali post-sinaptici

• A e B sono due neuroni presinaptici che emettono segnali eccitatori e hanno un effetto depolarizzante.
• C emette un segnale inibitorio, quindi ha un effetto iperpolarizzante che riduce l’effetto dei segnali eccitatori.
• Il primo grafico mostra che gli EPSP prodotti singolarmente da A e B non superano la soglia.
• Quando invece si verifica la sommazione spaziale (A+B), il potenziale raggiunge la soglia generando un potenziale d’azione.
• Il secondo grafico invece mostra come l’aggiunta dell’IPSP di C abbassa il potenziale complessivo.
• Sommazione temporanea.
• Sommazione spaziale.

Sinapsi elettrica

• È meno comune nel sistema nervoso dei mammiferi.
• La trasmissione del segnale avviene tramite giunzione gap, canali proteici formati da connessine; più connessine formano il connessone che costituisce i canali che collegano direttamente due cellule.
• È bidirezionale.
• Favorisce l’attivazione simultanea di gruppi di cellule, utile in tessuti che richiedono contrazioni coordinate.

Sinapsi chimica

• È il più comune nel sistema nervoso dei mammiferi.
• La trasmissione del segnale avviene tramite neurotrasmettitori, rilasciati dal neurone presinaptico.

Come funziona?

• Il potenziale raggiunge la terminazione del neurone presinaptico.
• Si aprono i canali per il Ca+.
• L'ingresso del Ca provoca la mobilitazione dei neurotrasmettitori nelle vescicole sinaptiche per esocitosi.
• I neurotrasmettitori attraversano la fessura sinaptica e si legano ai recettori del neuro-postsinaptico.
• È unidirezionale.
• Quando il segnale elettrico arriva alla sinapsi si trasforma in segnale chimico perché viene prodotto il neurotrasmettitore.

I neurotrasmettitori si dividono in due tipi:

• Basso peso molecolare: vengono sintetizzati da enzimi nei terminali presinaptici, immagazzinati in vescicole sinaptiche, agiscono rapidamente per brevi periodi e sono i più abbondanti nel corpo.
• Neuropeptidi: vengono sintetizzati nel corpo cellulare, risposte lente e durature.

Sistema nervoso

Si divide in 2 parti:

• Un sistema nervoso centrale che comprende encefalo e midollo spinale.
• Sistema periferico costituito da fasci di nervi che partono dal centrale e arrivano in periferia, si divide in parte:
• Somatica che controlla le funzioni volontarie.
• Divisa in sensitiva e motoria.
• Autonoma o sistema neurovegetativo che esercita il controllo sulle funzioni involontarie, divisa in simpatico e parasimpatico.

Il centrale è la parte più importante, è il principale centro superiore di coordinazione e elaborazione di tutte le attività coscienti e involontarie.

L’encefalo è dentro la scatola cranica, avvolto da uno strato di liquor che lo protegge dagli urti e dalla disidratazione e alleggerisce anche l’encefalo.

È avvolto da 3 meningi: dura madre, aracnoide e pia madre.

SNA

Si divide in due rami che agiscono sugli stessi organi bersaglio ma usano neurotrasmettitori con funzioni opposte, sono antagonisti.

Il simpatico ha funzione eccitatoria (fight and fly), entra in azione in stati di stress, paura e agitazione.

Il suo neurotrasmettitore è l’adrenalina/noradrenalina con recettore beta 1 che ha effetti eccitatori sugli organi, aumenta la frequenza cardiaca, costrizione dei vasi, aumenta il ritmo respiratorio.

Il simpatico è costituito da due file parallele di gangli molto vicini alla colonna vertebrale, quindi abbiamo un neurone pregangliare con fibra molto breve e il postgangliare con fibra molto lunga.

Le fibre hanno origine nella parte tronco lombare.

Nella midollare del surrene non c’è fibra post-gangliare, al suo posto agisce il torrente ematico che trasporta adrenalina.

Nel ganglio agisce recettore nicotinico perché è veloce, cationico, depolarizzante.

Il parasimpatico ha una funzione rilassante, il suo neurotrasmettitore è acetilcolina.

Il parasimpatico parte dalle estremità della colonna a livello cervicale/craniale e sacrale.

I gangli sono situati molto in periferia, alle volte anche all’interno dell’organo bersaglio, quindi la fibra pregangliare è molto lunga e la postgangliare molto breve.

I recettori: recettori muscarinici, nicotinici e beta1.

I nicotinici agiscono anche da canali.

Nel sistema nervoso, possiamo distinguere due grandi divisioni:

• Afferente (o sensitiva): si riferisce ai segnali che vengono trasmessi dai recettori sensoriali ai centri nervosi, cioè le informazioni che vengono percepite dall’ambiente esterno e trasmesse al sistema nervoso.
• Efferente (o motoria): si riferisce ai segnali che vengono trasmessi dai centri nervosi ai muscoli e alle ghiandole, cioè le risposte che il sistema nervoso invia ai vari organi e tessuti del corpo.

La divisione efferente si divide ulteriormente in due sottocategorie:

• Motoria somatica: si riferisce ai segnali che vengono trasmessi ai muscoli scheletrici, cioè ai muscoli che controllano i movimenti volontari del corpo.
• Effettore autonoma (o viscerale): si riferisce ai segnali che vengono trasmessi ai muscoli lisci, alle ghiandole e agli organi interni, cioè ai sistemi che controllano le funzioni involontarie del corpo, come la digestione, la respirazione, la frequenza cardiaca, ecc.

Sistema endocrino

Assieme al sistema nervoso, regola e coordina processi cellulari a lungo termine.

Quindi nervoso e endocrino lavorano assieme per mantenere l’omeostasi dell’organismo.

• Agisce mediante ormoni trasportati dal plasma sanguigno.
• Produce regolazioni di lunga durata.

È costituito da un insieme di ghiandole che producono ormoni:

• Ghiandole esocrine dove le cellule che producono il secreto lo riversano all’interno di un canale escretore che lo riversa nell’ambiente esterno, come nel tubo digerente.
• Ghiandole endocrine a secrezione interna secernono le sostanze riversandole nel flusso ematico.

Gli ormoni sono sostanze secrete dalle ghiandole endocrine in grado di regolare l’attività metabolica delle cellule dell’organismo.

Tuttavia, agiscono solo su certi tessuti bersaglio o su certe cellule bersaglio che presentano i recettori proteici specifici per un certo ormone.

L’azione di un ormone è quella di aumentare o ridurre il ritmo di un processo metabolico cellulare.

Può avere un’azione a distanza o a breve raggio:

• Meccanismo autocrino: l’ormone prodotto serve per autoregolare la ghiandola stessa.
• Meccanismo paracrino: l’ormone prodotto ha effetti sulle cellule vicine con i recettori specifici.

Effetti degli ormoni

• Produzione, uso e immagazzinamento dell’energia.
• Mantenere l’equilibrio idrosalino.
• Crescita e sviluppo dell’individuo.

Chimica degli ormoni

• Derivati degli AA: derivano dalla dieta alimentare come l’adrenalina e melatonina.
• Derivati da proteine: derivano da catene di AA come GH, ormone della crescita, l’insulina.
• Derivati dal colesterolo: derivati di lipidi sono idrofobici quindi hanno bisogno di essere legati a proteine di trasporto per transitare nel circolo, come ad esempio tutti gli ormoni sessuali estrogeni e androgeni (vengono sintetizzati solo se necessari).

Meccanismo di azione

Gli ormoni AA e peptidici: l’ormone interagisce con un recettore posto sulla membrana della cellula bersaglio, questo recettore regola la sintesi di secondi messaggeri e l’attivazione di eventi a cascata.

Gli ormoni steroidei: attraversano facilmente la membrana quindi il loro effetto raggiunge l’interno della cellula e agisce sulla sintesi proteica, quindi altera l’espressione genetica.

Sistema ipotalamo-ipofisi

È un sistema organizzato in modo verticale dove una struttura ghiandolare controlla un’altra ghia