Fisiologia

Fisiologia 1

La fisiologia è la branca della biologia che studia il funzionamento degli organismi viventi ed in particolare le modalità con le quali il corpo riesce a mantenere la stabilità dell’ambiente esterno.

La membrana citoplasmatica

Sorta di goccia d’olio contenente tutte le particelle della cellula. Non si mescola con l’acqua esterna ma contiene una componente acquosa.

È importante perché la membrana non isola la cellula completamente. Entrano le sostanze nutrienti (potassio, sodio, calcio, …) grazie ai canali della membrana citoplasmatica. Le sostanze tossiche di scarto vengono buttate fuori sempre attraverso i canali.

La membrana è formata da:

I fosfolipidi: le porzioni idrofile (code gialle) stanno a contatto tra loro mentre quelle idrofobe (teste azzurre) possono stare a contatto solo con l’acqua.

Mettendosi in questo modo possono formare una cavità interna con dentro dell’acqua. Così si forma la cellula.

Nel mezzo si inseriscono le proteine che hanno un canale in mezzo in modo che si formi un collegamento tra interno ed esterno della cellula. Sono le strutture più solide e conferiscono rigidità alla cellula.

Le proteine possono inserirsi parzialmente nella membrana o possono essere collegate tra loro.

Le proteine transmembrana sono quelle che permettono il passaggio di sostanze dall’interno all’esterno della cellula.

Il colesterolo è molto importante per la struttura della membrana. Con livelli troppo bassi o troppo alti di colesterolo la membrana viene danneggiata.

I glucidi sono molecole complesse di zucchero (che vengono prodotte all’interno della cellula) legate tra loro. Nelle cellule stanno ancorati all’esterno della cellula e sono importanti perché a seconda del tipo di glucide e dalla configurazione viene per esempio stabilito il gruppo sanguigno.

Hanno anche la funzione di proteggere la cellula.

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Quando alcuni elementi non riescono a passare dai canali proteici la cellula, a cui serve la sostanza, attua il sistema di pinocitosi, fagocitosi, diffusione o trasporto…

Pinocitosi: la cellula crea un’invaginazione nella membrana e progressivamente la chiude e porta la sostanza dentro la cellula. Poi subentrano enzimi che sciolgono la membrana rimanente e recuperano il contenuto.

Fagocitosi: la fanno i globuli bianchi quando abbiamo una infezione batterica. Il globulo bianco avvolge il batterio, lo tira dentro la membrana e poi lo uccide.

Tabella: principali costituenti dei liquidi intra ed extracellulari

Principali costituenti dei liquidi intra (nella cellula) ed extra (nel sangue) cellulari:

• C’è poco sodio dentro la cellula ma ce n’è tanto fuori.
• C’è tanto potassio dentro la cellula ma ce n’è poco fuori.
• C’è poco calcio dentro la cellula ma ce n’è tanto fuori.
• C’è tanto glucosio dentro la cellula ma ce n’è poco fuori.
• C’è poco HCO3 dentro la cellula ma ce n’è tanto fuori.

La diffusione e l’osmosi

Il gradiente è la forza che tende a muovere senza consumo di energia una molecola da un comparto a maggiore concentrazione verso quello a minore concentrazione.

Principio della diffusione: gli atomi hanno una energia intrinseca e sono in continuo movimento. Diversità di pressione e concentrazione generano uno spostamento.

Si muove il soluto. (es. zolletta di zucchero nel caffè)

Il soluto è quello che viene aggiunto mentre il solvente è la soluzione. (es. zucchero e caffè)

Soluto/concentrazione = solvente.

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Aumentando il solvente diminuisce la concentrazione.

Osmosi: passaggio di solventi tra diverse concentrazioni attraverso la membrana semipermeabile.

Si muove il solvente.

Meccanismo di trasporto transmembrana

Ci sono alcune molecole che passano attraverso la membrana cellulare perché hanno una struttura che gli permette di passare attraverso i grassi.

C’è una molecola che passa la membrana cellulare: l’alcol, che è idrofilo e idrofobico. Tutto quello che beviamo passa rapidamente nelle cellule. Può farlo perché è un olio ma anche una sostanza polare (che si scioglie nell’acqua).

Il gradiente di concentrazione: la cellula non ha alcol ma fuori ce n’è molto. Quindi si attiva il principio di diffusione.

La velocità di trasporto dipende dal gradiente di concentrazione e dal numero di canali.

I canali formati dalle proteine possono portare dentro due diversi tipi di molecole, dipende dalla struttura del canale stesso.

Quando ne fa entrare due ne farà uscire altre due in modo che si formi un equilibrio elettrico.

La cellula regola il nucleo dai canali per far sì di avere la giusta quantità di una certa sostanza. In caso dovesse cambiare la quantità la cellula produrrà più proteine, in modo da avere più canali, e viceversa.

Ogni tipo di ione ha il suo tipo di canale.

Più importanti tipi di canali:

• Canale da ligando: è una proteina sulla membrana che si apre quando si lega una molecola specifica (ligando), permettendo il passaggio di ioni dentro o fuori dalla cellula.
• Canale da fosforilazione.
• Canale da potenziale: se arriva un impulso elettrico ad un canale da potenziale questo si apre.

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• Canale da temperatura.
• Canale meccanico.

La cellula è in equilibrio con quello che sta intorno. Il liquido extracellulare è isotonico (stessa concentrazione di cariche positive rispetto all’interno della cellula) quindi non c’è movimento di acqua tra interno ed esterno.

Se dentro la cellula c’è 10Na+H2O ed è isotonica fuori ci sono 10Na+H2O.

Se andiamo nel deserto e non beviamo perdiamo l’acqua extracellulare ma il sodio rimane. La concentrazione esterna di sodio aumenta (componente ipertonica) quindi, per il processo di osmosi, l’acqua che c’è nella cellula va fuori nel tentativo di diluire il sodio e riportare il sistema in equilibrio. La cellula però, perdendo l’acqua, muore.

Quando entra troppo acqua nella cellula quest’ultima scoppia: soluzione ipotonica.

Parlando di canali si fa riferimento al trasporto passivo.

Ci sono casi in cui la cellula deve liberarsi di certi elementi contro gradiente di concentrazione: trasporto attivo. Si chiama così perché richiede energia.

L’ATP (energia) si lega alla molecola da espellere che a sua volta si lega al canale, successivamente viene buttata fuori.

Fattori che influenzano la velocità di diffusione:

• Quanto maggiore è la differenza di concentrazione tra due soluzioni.
• Quanto maggiore è la temperatura.
• Quanto minore è la distanza tra le due soluzioni.
• Quanto maggiore è la sezione trasversa dell’area attraverso la quale avviene la diffusione.
• Quanto minore è il peso molecolare della sostanza che diffonde.

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I canali ionici

1. Canali ionici passivi e aperti al voltaggio.
2. Canali ionici aperti a ligandi.
3. Canali ionici delle gap-junction: canali di comunicazione tra due cellule. Passano elettroliti e citoplasma.

Thight junctions: riguardano entrambe.

Desmosomi: la forza con cui mantengono unite le cellule.

Comunicazione delle cellule

Come fanno le cellule a dialogare tra loro? C’è un sistema soprattutto per quanto riguarda le cellule nervose.

Le cellule comunicano tra loro tramite:

• Potenziale a riposo: rappresenta la situazione basale delle cellule. È la differenza di potenziale tra interno ed esterno della cellula.
• Potenziale d’azione: succede quando il potenziale a riposo della cellula arriva a -55 millivolt. I canali si aprono ed entra tantissimo potassio fino ad arrivare a +60 millivolt. Viene generato un impulso elettrico.

Due soluzioni stanno insieme rispettando il processo di diffusione però ci sono altri tipi di gradiente. Non sempre il gradiente di numero (già fatto sopra) deve essere rispettato.

• Gradiente chimico: deve essere sempre rispettato. È la differenza di concentrazione di una sostanza (es. ioni) tra due lati della membrana. Le molecole tendono a spostarsi dal lato con più concentrazione a quello con meno.
• Gradiente elettrico: è la differenza di carica elettrica tra due lati della membrana. Gli ioni si muovono verso il lato con carica opposta per bilanciare il potenziale elettrico.

Pompa sodio potassio

Sodio tanto fuori poco dentro.

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In questa pompa si consuma ATP; il sodio viene portato dentro e il potassio viene buttato fuori. La pompa sodio potassio espelle tre molecole di sodio e ne porta dentro due.

Per diffusione, essendoci tanto potassio nella cellula, questo esce e la membrana diventa ancora più negativa.

Ci sono tanti canali di potassio e pochi di sodio. Si crea una differenza di voltaggio tra interno ed esterno della cellula. La differenza tra interno (caricato negativamente) ed esterno è di 70 millivolt.

Questo è dovuto al numero dei canali e all’attivazione della pompa.

Gradualmente il sodio tende a entrare nella cellula per cercare di ridurre la negatività. Da -70 millivolt (potenziale a riposo) tende ad arrivare a -55 millivolt.

Se la pompa si dovesse fermare si perderebbe la negatività della membrana.

Il neurone è una cellula che tende ad autoeccitarsi (così come anche la cellula muscolare cardiaca), tende a generare un potenziale d’azione che è una scarica elettrica.

A -70 millivolt succede che, grazie al flusso di ioni, gli ioni positivi tendono ad entrare e il potenziale a ripositivizzarsi.

Quando la negatività arriva a -55 millivolt parte il potenziale d’azione con una scarica elettrica. Si aprono i canali del sodio che entra dentro molto velocemente generando la scarica elettrica.

Lo spike elettrico poi scende anche al di sotto del potenziale a riposo.

Successivamente torna in moto la pompa sodio-potassio che riporta la cellula a -70 millivolt.

Quando è partito tutto il potenziale d’azione qualsiasi altro stimolo arrivi alla cellula viene completamente ignorato in quanto la membrana è polarizzata: periodo refrattario.

Periodo refrattario relativo: quando il potassio esce la membrana si iperpolarizza (va a -90). Serve uno stimolo molto potente.

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Potenziale d’azione: risposta ad uno stimolo depolarizzante che possono dare cellule elettricamente eccitabili.

Nei neuroni segnale elettrico che propagandosi lungo la fibra nervosa permette la trasmissione di messaggi elettrici.

Nelle fibrocellule muscolari innesca il processo di contrazione.

Caratteristiche del potenziale d’azione:

• Soglia (-55 millivolt): stimolo minimo per raggiungere il potenziale d’azione.
• Legge del tutto e del nulla: se raggiungo i -55 millivolt parte il potenziale d’azione se non lo raggiungo non parte niente.
• La refrattarietà assoluta o relativa.

Il neurone

Ogni cellula nel nostro corpo ha una forma legata alla funzione che la cellula ha.

Tanti neuroni messi insieme fanno il fascio nervoso.

Il neurone, dovendo trasmettere info a distanza è fatto così:

Questa cellula può essere lunga anche un metro. Se si rompe l’assone non si può rigenerare; resta rotto.

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Non c’è rigenerazione del sistema nervoso centrale.

Se si lesiona la parte di un nervo, il nostro sistema nervoso centrale fa passare l’informazione da un’altra parte.

• Sinapsi (antenne di trasmissione): strutture che passano l’informazione al neurone successivo il quale prende l’informazione.
• Dendriti (antenne riceventi).

Però succede che, essendo l’assone estremamente lungo, deve essere protetto.

Guaina mielinica

Viene protetto dalla guaina mielinica che avvolge l’assone a spirale.

Ogni pezzo della guaina mielinica è una guaina mielinica che avvolge l’assone.

Le sinapsi

La sinapsi è una interconnessione tra due neuroni. L’informazione arriva ad una cellula da un’altra attraverso le sinapsi.

• Sinapsi elettrica: numero esiguo nel nostro corpo umano ed è la connessione tra due neuroni attraverso le gap-junction. Sono una forma di sinapsi perché dove termina una cellula ce n’è un’altra senza spazio intersinaptico.
• Sinapsi chimica: utilizzo di neurotrasmettitori come vettori per il trasferimento dell’informazione da un neurone all’altro.

Quando un impulso nervoso arriva alla fine del neurone presinaptico, questo stimola il rilascio di neurotrasmettitori (molecole chimiche) in uno spazio chiamato fessura sinaptica. I neurotrasmettitori attraversano questa fessura e si legano ai recettori sul neurone postsinaptico, generando un nuovo impulso nervoso o modulando l'attività della cellula ricevente.

La neurotrasmissione è facilitata dal calcio.

In sintesi: le vescicole sinaptiche sono piccole “bolle” che contengono neurotrasmettitori e si fondono con la membrana presinaptica per rilasciare il messaggio chimico nella sinapsi.

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L’impulso nervoso passa attraverso la fessura sinaptica:

1. Arriva il potenziale d’azione nella membrana presinaptica. I neurotrasmettitori si fondono con la membrana e fanno uscire una sostanza chimica (adrenalina).
2. La sostanza chimica si lega ai recettori sulla membrana postsinaptica.
3. I recettori fanno aprire i canali di potassio.

Trasmettitori:

• Eccitatori (es. dopamina e adrenalina): neurotrasmettitore eccitatorio interagisce con recettori post sinaptici determinando una depolarizzazione della membrana aprendo i canali del sodio. L’impulso viene trasmesso gradualmente da una cellula all’altra. Si aprono i canali del sodio.
• Inibitori (es. Gaba): l’impulso viene trasmesso ma dato che incontra una carica negativa nessuno stimolo fa partire un nuovo potenziale d’azione. Si aprono i canali del cloro.
• Misti (es. acetilcolina): la sostanza passa nel neurone dopo ma viene riassorbita di nuovo dalla cellula di origine.

Anche se la sinapsi può essere differente il meccanismo di trasmissione dell’impulso è uguale.

Meccanismo lento:

• Avviene in millisecondi.
• I neurotrasmettitori (come acetilcolina, glutammato, GABA) si legano a recettori canale ionico (ionotropi) sulla membrana postsinaptica.
• L’attivazione di questi recettori apre direttamente i canali ionici, facendo entrare o uscire ioni → cambiamento rapido del potenziale di membrana.

Meccanismo veloce:

• Avviene in secondi o più.
• I neurotrasmettitori si legano a recettori accoppiati a proteine G.
• Questi non aprono direttamente i canali, ma attivano vie di segnalazione intracellulare (secondi messaggeri).
• Il risultato può essere una modulazione prolungata dell’attività neuronale.

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Fisiologia del tessuto muscolare

Le cellule muscolari possono essere:

• Muscolo striato scheletrico: le cellule sono una in fila all’altra.
• Muscolo liscio: le cellule sono lisce e non hanno la striatura verticale e generalmente avvolgono una cavità.
• Muscolo striato cardiaco: devono avere un’attività ritmica di contrazione e rilascio costante. Fortificate tra loro possono contenere elevata pressione del sangue.

Il muscolo striato scheletrico

Questa è una cellula:

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Queste cellule si devono contrarre (accorciarsi) e decontrarre (allungarsi).

Non cambia rispetto a una cellula normale ma il citoplasma è confinato alla periferia della cellula.

Proteine: strutture organiche che a seconda di come si intersecano tra loro possono creare una sostanza di maggiore resistenza.

Miofibrille: actina e miosina.

Le fibre muscolari messe insieme formano i muscoli.

Il muscolo così com’è finisce con una parte biancastra che è sostanza collagene (fa parte del tendine). Termina con il tendine che è ancorato all’osso.

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All’interno di ogni fibra muscolare (cioè una cellula), ci sono molte miofibrille, ognuna delle quali è formata da tanti sarcomeri disposti in serie, che sono le unità responsabili della contrazione muscolare.

Nelle bande più scure dei muscoli ci sono più proteine.

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Actina legata al sarcomero.

Quando la miosina si attacca all’actina il sarcomero si accorcia c’è consumo di ATP ed è così che avviene il movimento.

La contrazione muscolare è regolata dal calcio.

Il calcio si lega alla troponina (è una proteina) e libera la tropomiosina.

Fa sì che avvenga la contrazione muscolare.

Quando poi il calcio viene assorbito il muscolo si rilassa.

La contrazione muscolare

Via della fosfocreatina:

• È la più veloce, dura pochissimo (circa 10 secondi).
• La fosfocreatina immagazzinata nel muscolo rigenera subito l’ATP, la “moneta” di energia.
• Usata in sforzi brevi e intensi, come uno scatto o un sollevamento pesi.

Via della glicolisi anaerobia:

• Usa il glucosio (o glicogeno) senza ossigeno.
• Produce ATP rapidamente, ma genera acido lattico, che causa fatica muscolare.
• Dura da 30 secondi a 2 minuti, utile in sforzi medi e intensi.

Via aerobia:

• Usa ossigeno per ricavare energia da carboidrati e grassi.
• Produce molto ATP, ma più lentamente.
• Serve per attività di lunga durata e bassa intensità.

Fasi della contrazione:

1. Eccitazione
   • Un segnale nervoso arriva alla fibra muscolare e si diffonde lungo la membrana della cellula.
   • Il segnale entra nei tubuli T (piccoli canali nella fibra) e fa uscire ioni calcio.