Neurofisiologia

REGOLAZIONI FISIOLOGICHE

I meccanismi di controllo nervoso dell’intera attività somatica, endocrina e automatica dell’organismo agiscono tutti per il

mantenimento dell’omeostasi corporea, uno dei concetti più importanti nella fisiologia

Gli esseri viventi sono sistemi termodinamici aperti, ovvero in continuo scambio di energia e materia con l’esterno

Tali regolazioni e meccanismi di controllo lavorano per mantenere questo equilibrio interno costante, mantenendo all’interno di

un range normale, fisiologico, delle variabili fondamentali dei compartimenti extra e intra cellulari

→ temperatura, volume idrico, osmolarità, pH, O , CO , nutrienti

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La conseguenza di questi meccanismi è la continua regolazione delle variabili strumentali

→ FC, gittata cardiaca, gittata sistolica, pressione sanguigna, ventilazione, forza muscolare

OMEOSTASI

Equilibrio dinamico, regolato da sistemi di controllo, sia intracellulari che extracellulari, ai fini del mantenimento dell’integrità

biochimica, strutturale e funzionale, che si realizza a tutti i livelli: cellulare, tissutale e dell’intero organismo

I meccanismi omeostatici agiscono sia a livello delle singole cellule sia a livello dell’organismo e sono di vario tipo ma tutti

operano con la modalità della retroazione – feedback

Gli elementi sono:

- Sistema di sensori – recettori misura continuamente il valore del parametro controllato

- Centro di integrazione gli giungono i segnali provenienti dai recettori che vengono confrontati con un valore di

riferimento set point: se il valore si discosta vengono generati comandi nervosi e/o ormonali diretti agli effettori

- Sistema di effettori è regolato dal centro di integrazione in risposta a segnali e modifica il valore della variabile

controllata

Feedback negativo risposta che genera tende ad annullare la modifica e ripristinare il normale valore del parametro alterato

Feedback positivo si genera una risposta che tende ad aumentare, e quindi ad amplificare, la variazione stessa

Feed forward sono meccanismi anticipatori che intervengono per indirizzare in processo prima che la variazione si verifichi

MEMBRANA PLASMATICA

Separa l’ambiente intracellulare da quello extracellulare

5 nm

È formata da un doppio strato fosfolipidico a cui sono

associate delle proteine integrate o periferiche

È una struttura fluida nonostante il movimento delle

proteine possa essere limitato o impedito: la fluidità

dipende dal numero di configurazioni cis e dal numero di

molecole di colesterolo

Possono esserci zone funzionali e/o zattere lipidiche

regioni in cui si aggregano i lipidi, che possono muoversi

lateralmente in relazione alla temperatura ma sono

limitati dalle giunzioni cellulari

- Trasporto selettivo di molecole dentro e fuori la cellula tramite proteine di trasporto di membrana

- Riconoscimento cellulare mediato da antigeni di superficie

Comunicazione cellulare attraverso recettori per neurotrasmettitori o ormoni e i meccanismi di trasduzione del

- segnale

Organizzazione tissutale

- Attività enzimatica

-

- Determinazione della forma cellulare attraverso il legame col citoscheletro

FOSFOLIPIDI

Sono molecole anfipatiche: presentano una testa polare idrofilica e una

coda apolare idrofobica

→ se è presenta una sola coda si dispongono a formare una

micella mentre se sono presenti due code si dispongono a doppio

strato

Sono glicerofosfolipidi: contengono il glicerolo come componente

fondamentale a cui si attaccano le catene idrofobiche e un alcol tramite un

gruppo fosfato

La presenza di un doppio legame comporta una piega nella

struttura tridimensionale

PROTEINE DI MEMBRANA

Rappresentano componenti fondamentali della membrana e svolgono un ruolo essenziale nel mantenimento dell’omeostasi

Le proteine possono essere transmembrana o periferiche in base alla posizione rispetto al doppio strato P

INTEGRALI – TRANSMEMBRANA

Sono immerse nel doppio strato, lo attraversano interamente

Generalmente presentano regioni idrofobiche che interagiscono con le code lipide e regioni idrofile esposte verso i

compartimenti acquosi

Possono muoversi liberamente mov di lateralità nel doppio strato o possono raggrupparsi in clusters tramite il legame

con proteine transmembrana, della matrice extracellulare, del citoscheletro o di altre cellule

AQPs

ACQUAPORINE

Proteine canale che permettono il rapido passaggio passivo dell’acqua dentro o fuori la cellula

Ognuna è formata da 6 domini transmembrana e un poro centrale, solitamente formano dei tetrameri

Sono distribuite in tutti i distretti corporei e esistono in diverse isoforme 1, 2, 3, 4

Alcune permettono il passaggio di altre molecole oltre all’acqua → acquagliceroporine

CANALI IONICI

Permettono il passaggio di ioni, molecole idrofiliche → si trovano in tutte le cellule

e sono molto importanti per quelle eccitabili

Sono classificati in base a:

- Selettività in base alla natura degli ioni che attraversano il canale

- Conduttanza numero di ioni che attraversano il canale → può essere

diversa in entrata e in uscita definendo canali chiamati rettificanti

- Gating in base a cosa determina l’apertura – chiusura del canale → c

voltaggio-dipendenti o c ligando-dipendenti

RECETTORI

Sono proteine che decodificano e trasmettono

segnali chimici e sono selettive per una molecola /

classe di molecole, definite ligandi o antagonisti

R metabotropi

Il legame tra recettore e ligando avvia reazioni

intracellulari che porta a modificare le caratteristiche

funzionali della cellula

R ionotropi

Il legame tra recettore e ligando modifica direttamente

la forma del recettore trasformandolo in un canale

ionico

PROTEINE CARRIER

Uniporto trasportano una molecola dentro e/o fuori dalla cellula → GLUT1 che trasporta il glucosio dentro la cellula

Simporto trasportano due o più molecole in una sola direzione

Antiporto trasportano due o più molecole in direzione opposta → pompa Na-K

TRASPORTATORI ATP-DIPENDENTI

T ATPasici IONICI

- Tipo P trasporta ioni e viene fosforilato durante il trasporto → Na-K ATPasi che usa l’energia dell’idrolisi dell’ATP

- Tipo V trasporta H+ e è intracellulare

- Tipo F trasporta H+ e è usato a livello mitocondriale lavorando senza consumare ATP: la sintetizza lavorando secondo

gradiente

T ABC

Sono trasportatori ATP-binding cassette presenti nelle cellule procariote e eucariote

Sono domini di AA che legano l’ATP e, usando l’energia dell’idrolisi dell’ATP, consentono di trasportare diversi ioni o molecole

P PERIFERICHE

Sono associate a un solo layer con diverse modalità di interazione:

- Ancoraggio tramite interazione idrofoba

- Legame covalente con la catena lipidica ancorando la proteina alla membrana

- Legame con oligosaccaridi a loro volta legati a fosfatidilinositolo

- Legame non covalente con altre proteine

Molte proteine esposte verso l’ambiente extra-cellulare sono glicosilate e insieme ai carboidrati formano il glicocalice,

una struttura coinvolta nel riconoscimento cellulare e nella interazioni tra cellule

DIFFUSIONE E TRASPORTO DI SOLUTI

I fluidi e le sostanze si muovono mediante convezione movimento di molecole all’interno dei fluidi

- C naturale – diffusione dovuta al moto browniano delle molecole → proporzionale alla T° del fluido

- C forzata – avvezione dovuta alle correnti presenti all’interno del fluido → causato da gradienti di pressione

DIFFUSIONE

Processo per cui le molecole si muovono spontaneamente secondo gradiente da un’area ad alta concentrazione verso

un’area a bassa concentrazione fino a che il gradiente non viene dissipato → è necessaria energia per mantenere il gradiente

- D semplice segue la legge di Fick e appartiene alle molecole apolari

- D facilitata appartiene alla molecole polari e usa proteine di trasporto

Legge di Fick

Descrive la diffusione

Il flusso di una sostanza J (mol/(s cm2)) è direttamente proporzionale al

gradiente di concentrazione di quella sostanza attraverso la membrana

Allo stato stazionario il gradiente di concentrazione è uguale alla differenza di

concentrazione del soluto su entrambe i lati della membrana diviso lo spessore

di essa

Equazione di Einstein-Stokes

Si usa in un liquido quando le molecole sferiche del solvente sono molto più

grandi delle molecole di soluto

Applicando l’equazione di Fick a molecole che diffondono attraverso il doppio strato si deve considerare il coefficiente di

partizione β

Il flusso non dipende più solo dal coefficiente di diffusione ma anche da quello di partizione

Se una molecola è apolare si dissolve e passa facilmente attraverso la membrana lipidica e β è >1

Se una molecola è idrofilica β è <1

Il coefficiente di permeabilità deriva dal prodotto tra coefficiente di partizione e di diffusione e riflette le

proprietà del soluto e del percorso che il soluto deve fare per diffondere

TRASPORTO VESCICOLARE

Transcitosi quando il processo di endocitosi e di esocitosi sono contigui

ENDOCITOSI

Avviene in 3 modalità

- Pinocitosi porta molecole piccole e acqua all’interno della cellula

- Fagocitosi responsabile dell’interiorizzazione di grandi particelle

- E mediata da recettori permette la captazione di molecole specifiche e sono necessarie proteine accessorie

ESOCITOSI

- Costitutiva è tipica delle plasmacellule che rilasciano immunoglobuline o fibroblasti che secernono collagene

- Regolata avviene nelle cellule endocrine, nei neuroni e nelle c esocrine ghiandolari

Il prodotto escretorio è sintetizzato nel RER e nel Golgi quindi impacchettato in granuli secretori citoplasmatici

Una volta giunto il segnale, la membrana dei granuli si fonde con la membrana plasmatica e il prodotto è rilasciato

OSMOSI

Particolare tipo di diffusione

È il movimento di molecole d'acqua da un compartimento con bassa concentrazione di soluti ad uno con alta concentrazione

di soluti, essendo i due compartimenti divisi da una membrana permeabile al solvente ma non al soluto

L’acqua non può attraversare liberamente il doppio strato lipidico della membrana cellulare, perché la componente lipidica è

impermeabile alle molecole polari. Per questo esistono le acquaporine, canali proteici specifici che permettono il rapido

passaggio passivo dell’acqua tra i compartimenti cellulari

Il movimento dell’acqua attraverso la membrana avviene per osmosi, un tipo particolare di diffusione regolato dagli stessi

principi della diffusione semplice descritti dalla legge di Fick, anche è mediato da proteine transmembrana come le acquaporine

Una membrana semipermeabile lascia passare solo l’acqua e non i soluti: se la concentrazione dei soluti è diversa, l’acqua si

muove dal compartimento dove è più concentrata, dove ci sono meno soluti, verso quello dove è meno concentrata, fino a

ridurre il dislivello di concentrazione. Questo genera un flusso netto di acqua verso il compartimento con maggiore

concentrazione di soluti, il cui volume aumenta fino al raggiungimento dell’equilibrio, quando il flusso netto diventa zero

Il movimento osmotico dell’acqua è guidato dalla

pressione osmotica, che rappresenta la forza che

spinge l’acqua verso il compartimento più

concentrato. All’equilibrio, la pressione idrostatica

generata dall’aumento di volume del compartimento

di arrivo bilancia la pressione osmotica e impedisce

ulteriori spostamenti netti di acqua

OSMOLE

Unità di misura della pressione osmotica: è il numero di moli di particelle di soluto / Kg solvente

Se il soluto non si dissocia in acqua, il numero di osmoli è uguale al numero di moli

Se il soluto si dissocia, il numero di osmoli è il numero di moli della sostanza indissociata per il numero di particelle

generate dalla dissociazione

Molarità numero di moli di soluto / L di soluzione

Molalità = numero di moli di soluto / Kg di sovente

Osmolarità numero di osmoli / L di soluzione

Si riferisce alla pressione osmotica generata dalle molecole di soluto dissolte in 1L di solvente

Osmolalità numero di osmoli / Kg di solvente

Numero di molecole dissolte in 1kg di solvente

REGOLAZIONE DEL VOLUME CELLULARE

È un processo omeostatico fondamentale che permette alla cellula di mantenere costante dimensioni, concentrazione

ionica e integrità strutturale nonostante variazioni dell’ambiente extracellulare

TONICITA’

Indica gli effetti di una soluzione sul volume cellulare e dipende dalla capacità delle molecole di attraversare la membrana

Una soluzione isotonica non modifica il volume della cellula

Una soluzione ipotonica aumenta il volume cellulare → rigonfiamento e lisi della cellula

Una soluzione ipertonica diminuisce il volume cellulare → restringimento e disfunzione metabolica

R IN CONDIZIONI ISOTONICHE

Anche quando la cellula si trova in soluzione isotonica, il volume cellulare non è massima ma richiede un controllo continuo

Il meccanismo principale è la pompa Na/K – ATPasi: utilizzando ATP riduce l’osmolarità intracellulare mantenendo bassa la

concentrazione intracellulare di sodio, impedisce l’ingresso eccessivo di acqua e previene il rigonfiamento cellulare

EFFETTO GIBBS-DONNAN

All’interno della cellula sono presenti proteine cariche negativamente che

non possono attraversare la membrana plasmatica Queste

macromolecole attirano cationi e alterano la distribuzione ionica tra

interno ed esterno della cellula, aumentando il numero totale di

particelle osmoticamente attive nel liquido intracellulare

Di conseguenza si crea una forza osmotica che tende a richiamare

acqua nella cellula quindi la Na⁺/K⁺-ATPasi contrasta continuamente

questo effetto, mantenendo stabile il volume cellulare

R IN CONDIZIONI NON ISOTONICHE

In alcuni distretti midollare renale, liquido cerebrospinale l’osmolarità extracellulare può variare: le cellule possono inizialmente

gonfiarsi o raggrinzirsi a causa dei movimenti osmotici dell’acqua

Per evitare danni cellulari, vengono attivati meccanismi compensatori basati sulla regolazione del contenuto intracellulare di

osmoliti, sostanze osmoticamente attive trasportate dentro o fuori la cellula

Se la cellula è esposta a un ambiente ipotonico e tende a gonfiarsi, attiva una risposta detta Regulatory Volume Decrease

RVD, che consiste nell’espulsione di ioni come K⁺ e Cl⁻ e di altri osmoliti; la diminuzione dell’osmolarità intracellulare

favorisce l’uscita di acqua e il ritorno al volume normale

In ambiente ipertonico la cellula perde acqua e si restringe: si attiva la Regulatory Volume Increase RVI aumentando

l’ingresso di ioni e osmoliti per richiamare acqua all’interno e ristabilire il volume cellulare

Gli osmoliti coinvolti possono essere:

- ioni inorganici

- molecole organiche

- polioli come sorbitolo e mio-inositolo

- metil-ammine

- alcuni amminoacidi

Quando l’esposizione a condizioni non isotoniche è prolungata, la cellula modifica anche i propri processi metabolici per

regolare stabilmente la concentrazione degli osmoliti organici intracellulari. Questo adattamento è particolarmente importante

nei neuroni, che sono molto sensibili alle variazioni di volume

In sintesi, il volume cellulare è determinato dall’equilibrio osmotico tra interno ed esterno della cellula. In condizioni isotoniche la

Na⁺/K⁺-ATPasi mantiene attivamente il volume contrastando l’effetto Gibbs-Donnan, mentre in condizioni non isotoniche la

cellula regola dinamicamente il contenuto di osmoliti intracellulari per compensare i movimenti di acqua. La regolazione del

volume cellulare rappresenta quindi un processo attivo e continuo essenziale per la sopravvivenza e la corretta funzione

cellulare.

GRADIENTE ELETTROCHIMICO

È la forza complessiva che determina la diffusione di molecole cariche

elettricamente (ioni) attraverso una membrana biologica e deriva dalla

combinazione di:

- gradiente chimico – di concentrazione legato alla differenza di

concentrazione di uno ione

- gradiente / potenziale elettrico legato alla carica e alla differenza di

potenziale elettrico

Equazione di Nernst

Descrive la situazione in cui una molecola è

all’equilibrio

Serve per calcolare il potenziale di membrana per cui uno ione non ha movimento netto all’interno o all’esterno della cellula

Quando una molecola passa seguendo la direzione prevista dal ∆μx, il movimento di acqua attraverso le AQPs, il trasporto di

ioni mediante uniporto sono tipi di trasporto passivo che usano una proteina integrale – transmembrana

Se una molecola si muove in direzione opposta al gradiente è un trasporto attivo che necessita di energia ottenuta

idrolizzando ATP

POTENZIALE DI MEMBRANA

È la differenza di potenziale tra interno ed esterno della membrana cellulare → influenzano i segnali

elettrici e chimici che sono alla base della trasmissione delle informazioni: le proprietà elettrochimiche

delle cellule rappresentano il fondamento della comunicazione nel sistema nervoso

È determinato dalla distribuzione asimmetrica degli ioni ai due lati della membrana cellulare e

rappresenta la conseguenza di un piccolissimo disequilibrio, eccesso di cariche concentrato in una

sottilissima regione a ridosso del doppio strato fosfolipidico → è direttamente proporzionale alla

quantità di carica separata dalla membrana

−70 mV nel neurone

PM A RIPOSO

Il potenziale di membrana a riposo Vr non dipende da un solo ione ma da altri fattori:

DISTRIBUZIONE ASIMMETRICA DEGLI IONI

Determina il potenziale che si genera ai lati della membrana

Nonostante la differenza di cariche, viene mantenuta l’elettroneutralità complessiva: la somma delle cariche su ogni

lato rimane neutra

Avviene perché la membrana plasmatica possiede caratteri