Riassunto esame Neurofisiologia e fisiologia del sistema endocrino, Prof. Aicardi Giorgio, libro consigliato Fisiologia: dalle molecole ai sistemi integrati, Carbone, Aicardi, Maggi

Neurofisiologia e fisiologia del sistema endocrino

Fisiologia cellulare

Il modello della membrana cellulare viene definito a mosaico fluido. La membrana è formata da un doppio strato fosfolipidico in cui sono presenti fosfolipidi (permettono il passaggio alle sostanze lipofile), proteine (interne, esterne e integrali) e catene carboidrati con ruoli funzionali molto importanti. Questa complessa composizione è molto importante poiché influenza la diffusione delle molecole attraverso essa. I meccanismi che consentono i passaggi di vari tipologie di elementi (ad esempio ioni o altre molecole) sono molto complessi.

Meccanismi di trasporto

Endocitosi: processo attraverso il quale una cellula ingloba molecole presenti nello spazio extracellulare. Inizialmente si crea un’invaginazione della membrana plasmatica, per poi creare una vescicola interna che viene portata nel citoplasma. Si riconoscono 4 tipologie di endocitosi:

• Fagocitosi: non avviene in tutte le cellule, solo alcune sono capaci come ad esempio quelle immunitarie, e riguarda l’inglobazione di macrofagi (particelle di grandi dimensioni).
• Pinocitosi: caratteristica che riguarda molte cellule e consta nell’inglobare parti piccole e liquide.
• Endocitosi mediata da recettori: presenti recettori, come ad esempio catene carboidrati legati a proteine, che attivano processi di endocitosi.
• Caveola: metodo che prevede l’utilizzo di proteine specifiche che permettono l’attraversamento della membrana a determinate molecole (ad esempio anticorpi, fattori della coagulazione del sangue) che non sono in grado di attraversarla in altro modo.

Esocitosi: processo cellulare con il quale la cellula riversa al suo esterno delle molecole accumulate all’interno di una vescicola, tramite fusione di quest’ultima con la membrana plasmatica.

Nota bene: I processi di esocitosi ed endocitosi sono molto importanti e necessari affinché possa avvenire la trasmissione sinaptica: il neurotrasmettitore deve uscire dal terminale pre-sinaptico attraverso processo di esocitosi e quelli di endocitosi consentono di recuperare tutto o parte di tale neurotrasmettitore.

Diffusione semplice: avviene secondo gradiente di concentrazione. Non necessita di un elemento trasportatore e avviene da una sostanza più concentrata ad una meno concentrata. Può avvenire in diversi modi:

• Doppio strato fosfolipidico: permette il passaggio alle sostanze lipofile i cui recettori si trovano già all’interno della cellula (es. ormoni steroidei molto lipofili).
• Acquaporine: sono proteine integrali di membrana che permettono il passaggio dell’acqua per osmosi secondo gradiente di concentrazione. Affinché avvenga il processo di osmosi la membrana deve essere solubile all’acqua ma non al soluto (semipermeabile). La forza osmotica è data dalla concentrazione ionica, ovvero la concentrazione di ioni che non possono passare nella membrana; es. un soluto importante è il sodio, ione che non passa liberamente. Sono presenti canali ionici appositi con caratteristiche speciali quindi le nostre cellule sono poco permeabili ad esso (passa solo in certe condizioni). L’acqua in questa casistica può passare in direzione opposta andando a diluire il sodio dove è maggiormente concentrato. Nel corpo umano bisogna sempre immettere soluzioni isotoniche (es. fisiologica flebo contiene sodio che non è uno ione penetrante e quindi va bene per il corpo); se mettiamo nel corpo soluzioni ipotoniche (acqua distillata) la cellula si gonfia. Al contrario se ci sono troppi ioni penetranti nella soluzione, viene definita ipertonica, e questo fa sì che la cellula si raggrinzisca. Es. globulo rosso.

Nota bene: Dopo l’esercizio fisico è fondamentale bere perché tutte le cellule, dopo aver sudato, si raggrinziscono. In particolare dei neuroni (osmocettori ipotalamici) presenti nell’ipotalamo che attivano la sensazione di sete. La vasopressina o ormone antidiuretico viene rilasciato dai neuroni che si raggrinziscono a livello della neuroipofisi. Questo ormone va nel sangue e arriva alle cellule bersaglio presenti nel dotto collettore del nefrone del rene. A livello del dotto collettore attivano un processo di acquaporine rendendo permeabile la membrana delle cellule del dotto collettore perché vengono spostate dall’interno delle cellule alla parete. Senza l’arrivo di questi ormoni la membrana del dotto collettore sarebbe impermeabile. Nei dotti passa la preurina, rendendo permeabili le sue pareti è possibile recuperare per osmosi un po’ di acqua.

Canali ionici: sono proteine trasmembrana definite come strutture specializzate nel passaggio di determinati ioni. Questa capacità avviene sempre per diffusione semplice ed è regolata da varie modalità: voltaggio dipendenti (differenza di potenziale di membrana), meccanico dipendenti (osmocettori dell’ipotalamo che si raggrinziscono che sono sensibili allo stiramento della membrana) e chimico dipendenti (dipendono da sostanze chimiche interne o esterne alla cellula). Una complicazione di tale sistema deriva dal fatto che gli ioni sono in possesso di una carica: ciò complica la situazione poiché non vi è più in gioco il solo gradiente di concentrazione ma anche la spinta della carica elettrica e si basa su principio semplice ovvero che il più e il meno si attraggono e cariche dello stesso segno si respingono.

Gap junction: sono elementi proteici che mettono in comunicazione le membrane di due cellule. Queste possono aprirsi e chiudersi come i canali ionici ma generalmente sono aperti e differiscono dai canali ionici perché non hanno selettività, permettono un passaggio elettrico molto facilitato. Tra due cellule eccitabili costituiscono una sinapsi elettrica. Divengono fondamentali nel tessuto muscolare e cardiaco per permettere una contrazione all’unisono del tessuto.

Diffusione facilitata: così come la diffusione semplice avviene secondo gradiente di concentrazione ma è mediata da proteine trasportatrici. Non necessita di energia per far avvenire il passaggio delle sostanze ma troviamo proteine (dette carrier) che permettono tale transizione. Un esempio di proteina carrier è il GLUT che, modificando la propria conformazione, permette il passaggio del glucosio (il legame che si viene a formare tra glucosio e trasportatore va a modificare la conformazione del trasportatore stesso al fine di ridurre poi l’affinità con il glucosio e permettergli di uscire dal trasportatore stesso una volta attraversata la membrana).

Trasporto attivo: mediato da trasportatori contro gradiente di concentrazione. Può essere:

• Primario: l’energia viene fornita direttamente dall’ATP. Tra le pompe protoniche ricordiamo la pompa Na/K in cui il sodio si lega alla proteina trasportatrice, la scissione dell’ATP permette di cambiare la conformazione della proteina e quindi di rilasciare il sodio aumentando l’affinità per il potassio che si lega a sua volta alla proteina; ogni volta vengono trasportati 3 ioni sodio positivi all’esterno e 2 ioni potassio negativi all’interno. Se l’ATP è disponibile la velocità di trasporto dipende dalla concentrazione del sodio nel citoplasma, se è alta la pompa è molto attiva.
• Citiamo anche le due pompe del Ca²⁺: una prende il nome di pompa PMCA e utilizza 1 ATP per portare fuori 2 ioni calcio, l’altra invece è definita pompa SERCA e utilizza 1 ATP per portare 2 ioni calcio all’interno del reticolo endoplasmatico per immagazzinarlo. Quest’ultima pompa è molto importante nel muscolo cardiaco e scheletrico per il deposito del calcio intramuscolare. Infine troviamo la pompa protonica (H⁺/K⁺-ATPasi) che è la principale responsabile dell’acidità del contenuto dello stomaco. Le cellule ossintiche nello stomaco hanno il ruolo di acidificare il contenuto gastrico con la secrezione gastrica dell’HCl e sono molto ricche di questa proteina. Per ogni molecola di ATP si liberano nel lume 4 H⁺ e si assorbono 4 K⁺.
• Secondario: l’energia viene fornita da uno ione. Ci sono due tipologie di canali che utilizzano tale metodo. Una prima tipologia si può definire sodio dipendente (il sodio che essendo più concentrato all’esterno della cellula si trova secondo gradiente, si lega al trasportatore permettendo il legame ad una molecola di glucosio che deve essere trasportata all’interno della cellula, contro gradiente, e questo permette il rilascio delle due sostanze in ambiente intracellulare). Questo tipo di trasporto può avvenire per sinporto, uniporto e antiporto e una volta avvenuto il trasporto il sodio viene nuovamente rilasciato all’esterno attraverso l’ATP. L’ultima tipologia è determinata dall’energia fornita dallo ione bicarbonato (lo ione bicarbonato è sempre presente nelle cellule in quanto viene prodotto a partire dall’acqua e dall’anidride carbonica).

Canali ionici dal punto di vista biofisico

La caratteristica principale che differenzia i canali ionici riguarda la regolazione dell’apertura. Alcuni canali sono costantemente aperti e vengono definiti “resting” o “leak” e sono rispettivamente il canale leak del potassio e del cloro. Di norma invece gli altri canali sono chiusi e aperti in conseguenza ad uno stimolo appropriato:

• Voltaggio dipendenti: permettono alle cellule eccitabili in pochi millisecondi di variare il proprio contenuto di cariche elettriche intracellulari rispetto all’esterno. Sono quindi canali che si aprono e chiudono in funzione del voltaggio (differenza di potenziale elettrico).
• Meccanico dipendenti: canali che si aprono e chiudono in funzione di stimolazioni meccaniche. Un esempio lo abbiamo parlando dei recettori dell’udito presenti nell’orecchio interno: le onde sonore sono delle onde meccaniche che nell’orecchio interno spingono molecole di liquido; la pressione e la semplice spinta meccanica da una parte all’altra delle ciglia per effetto di trazione meccanica tra i ponti proteici implica la chiusura o apertura dei canali.
• Chimico dipendenti: nella membrana sono presenti carboidrati che sono legati parzialmente alla porzione proteica del canale e definiscono i punti di ricezione. Alcuni neurotrasmettitori, come il glutammato o l’acetilcolina, possono legarsi a questi recettori determinando l’apertura del canale.
• Termico dipendenti: sono presenti delle porte che si aprono e chiudono in base alla presenza di termocettori. Sono neuroni che si trovano principalmente nella cute che hanno nei dendriti periferici che hanno questi canali ionici sulla membrana.

Potenziale d’azione

Introduzione sistema nervoso

Neuroni, cellule muscolari e cellule ghiandolari endocrine (es. cellule β del pancreas) sono cellule eccitabili, ovvero in grado di generare e trasmettere impulsi elettrici. In condizioni normali le cellule muscolari scheletriche non sono in grado di creare potenziale d’azione, ma in determinate situazioni i muscoli scheletrici sono in grado di attivarsi spontaneamente). Le cellule muscolari dei muscoli lisci sono definite pacemaker, come quelle cardiache a livello dei nodi, perché in grado di generare potenziale d’azione e di auto-attivarsi.

I neuroni non sono le uniche cellule del sistema nervoso, troviamo anche gli oligodendrociti, le cellule di Schwann, le cellule gliali, però sono le uniche in grado di generare potenziale d’azione. Non tutti i neuroni sono in grado di produrlo da soli, ma sono in grado di farlo. Esistono diversi tipi di neurone:

• Afferenti: detti anche sensitivi/sensoriali, che portano l’informazione dal SNP al SNC.
• Efferenti: portano segnali dall’SNC al SNP, sono anche definiti neuroni motori. Generalmente questi neuroni sono neuroni piramidali che presentano molti dendriti, un corpo centrale e l’assone in uscita.
• Interneuroni: diffusi principalmente nel SNC che mettono in relazione neuroni afferenti con neuroni efferenti.

Genesi del potenziale di membrana a riposo

Tra l’interno ed esterno cellulare abbiamo una diversa distribuzione di cariche elettriche, esiste una differenza di potenziale definito potenziale di membrana. L’interno cellulare possiamo definirlo negativo (-70/80 mV). Vi è una disparità tra la concentrazione di determinati ioni. I più importanti sono gli ioni Na⁺ Sodio e K⁺ Potassio. Anche il calcio, magnesio e cloro hanno la loro discreta importanza. Il sodio è presente in concentrazione maggiore al di fuori della cellula, con divario di circa 14 volte rispetto all’ambiente intracellulare. Per il potassio è vero il contrario ovvero è presente in maggior concentrazione all’interno della cellula con un divario di circa 30 volte superiore rispetto all’ambiente esterno. Il calcio è più presente all’esterno della cellula così come il cloro, mentre il magnesio all’interno. Nel lato citoplasmatico inoltre sono presenti anioni organici (per lo più proteine) carichi negativamente. Essi schermano gli ioni positivi presenti nel citoplasma contribuendo a mantenere una carica netta negativa all’interno della cellula. A mantenere il potenziale di membrana a riposo sono presenti anche determinati canali:

Canale leak del potassio: è così chiamato non perché permette il passaggio solo al potassio, ma perché è 100 volte più permeabile ad esso piuttosto che al sodio (esiste anche il canale leak del sodio). Rimane sempre aperto ed è il più importante per la genesi del potenziale di membrana. Sono definiti leak perché c’è una perdita di K⁺ verso l’esterno della cellula e questo rende negativo l’ambiente intracellulare.

Quadro generale canali leak sodio e potassio: il sodio attraverso i canali leak tende a entrare e la spinta che lo permette è il gradiente di concentrazione poiché è più concentrato all’esterno (142 vs 14). Dobbiamo tener però conto anche della carica elettrica quando parliamo di permeabilità: parlando di ioni bisogna considerare non solo la concentrazione ma anche la carica, ricordando la legge base secondo la quale il segno positivo attira il segno negativo e lo stesso segno si respinge. Il sodio in questo canale entra e a un certo punto, se l’interno della cellula diventa positivo, vi sarà spinta elettrica che lo butta fuori. Continuerà a entrare fino a che la cellula diventerà tanto positiva che la spinta repulsiva di questa carica positiva diventerà uguale a quella che permette l’entrata = equilibrio elettrochimico tra spinta chimica (concentrazione) e spinta elettrica (repulsione cariche positive). È possibile definire quanto forte deve essere tale spinta positiva interna per equilibrare la spinta chimica, attraverso l’equazione di Nerst consente di calcolare il valore che corrisponde all’equilibrio elettrochimico per il sodio e parliamo di un valore di voltaggio che si aggira attorno +61 mV.

Per il potassio vale il contrario, poiché è più concentrato all’interno (140 vs 4) quindi la spinta chimica del gradiente butta fuori lo ione K⁺. Non parliamo più di forza repulsiva. Il potassio è positivo e sottraiamo cariche positive all’interno della cellula rendendo l’interno di essa sempre più negativo, avremmo una spinta elettrica di tipo forza attrattiva (solo quando si raggiunge -94 millivolt secondo l’equazione di Nerst) = equilibrio elettrochimico.

Nota bene: L’equazione di Nerst considera che la membrana separi due concentrazioni differenti dello stesso ione e sia permeabile solo a quello ione lì.

L’equazione di Goldman considera tutti gli ioni coinvolti e la permeabilità della membrana ad essi. Oltre a sodio e potassio, egli inserisce anche le concertazioni del cloro. Oltre ai canali leak di sodio e potassio ci sono anche le pompe sodio-potassio: essa porta 3 ioni sodio fuori e 2 potassio dentro influenzando ancor di più la negatività dell’interno cellulare. La condizione di equilibrio interno è di -86 millivolt a cui si aggiungono i 4 millivolt in negativo determinati dalla pompa sodio-potassio, arrivando così a -90 millivolt finali.

Canali che determinano potenziale d’azione

Il potenziale d’azione è un cambiamento temporaneo del potenziale di membrana, è dovuto a diversi canali:

• Canale del sodio: è il canale selettivo per il sodio definito a doppio gate (ha due porte, una di attivazione e una di inattivazione). È un canale voltaggio-dipendente che necessita di un valore soglia, con il valore del potenziale d’azione della membrana a riposo, -90 mV, la gate di attivazione è chiusa mentre quella di inattivazione aperta. Il valore soglia per l’apertura della gate di attivazione è -65 Mv, quindi è necessario un evento depolarizzante che faccia avvicinare il potenziale di membrana allo zero (per arrivare da -90 a – 65 il neurone si aiuta grazie a canali ionici che sono aperti in situazioni di riposo). Raggiunto il valore soglia la gate di attivazione di apre, il sodio Na entra spinto dal gradiente di concentrazione, ma anche da quello elettrico (il sodio è negativo e viene attratto dall’ambiente interno negativo), e la gate di inattivazione già aperta si avvierà verso la chiusura. La chiusura è più lenta pertanto il tempo che intercorre tra questa apertura e chiusura è necessario per fare passare una determinata quantità di sodio: questa entrata sposterà di molto il potenziale di membrana tendendo verso l’equilibrio di +35 millivolt.

L’evento si conclude quando la gate di inattivazione si chiude. Ci troviamo a questo punto in una situazione diversa rispetto a quella iniziale, infatti i canali non si trovano nella situazione di partenza. Ciò significa che prima di potersi aprire nuovamente deve avvenire una serie di eventi specifici che riportano la cellula allo stato di riposo originale.