Definizioni per l'esame di fisiologia

Fisiologia: studio del funzionamento degli organismi

Si occupa dell’aspetto funzionale, cioè dinamiche del fenomeno vita.

La fisiologia si divide in fisiologia della vita vegetativa, funzionalità indipendenti (viscerali) dalla volontà, per esempio vascolare, renale, respiratoria, e quella della vita di relazione, cioè parte della fisiologia che pone l’uomo in relazione con il mondo esterno, attività coscienti.

Tra le cellule si presenta un fluido intracellulare separato da una membrana plasmatica che la separa dall’ambiente extracellulare. In un organismo pluricellulare corrispondono al liquido interstiziale: ambiente interno del mezzo interno.

Corpo e omeostasi del mezzo interno

Principio fondamentale del benessere o della stabilità del mezzo interno, ambiente in una sorta di equilibrio dinamico.

Per mantenere l’equilibrio omeostatico sono richiesti:

• Sistema di sensori: che misurano la variabile controllata.
• Centro di integrazione: dove la misura è paragonata ad un certo valore di riferimento (set-point), il centro è stato informato della variabile, e al livello del centro viene elaborata una risposta che poi verrà inviata a:
• Un sistema di effettori: capaci di modificare il parametro, riportandolo al valore di riferimento ogni volta che esso si verifica.

Plasticità dell’omeostasi, cioè la capacità di cambiare a seguito di esperienze.

I sistemi di controllo sono dati dal sistema endocrino e nervoso, che quindi sono alla base del mantenimento di equilibrio.

Le cellule dell’organismo formano una struttura integrata dove c’è comunicazione tra cellule, che può essere:

• Diretta: avviene tra due cellule adiacenti che comunicano direttamente tramite le giunzioni cellulari. Le giunzioni sono di tre tipi e sono: di adesione, che consentono l’adesione alle cellule e il tessuto sottostante, consentono al tessuto di poter essere sottoposto a trazione; di comunicazione (gap-giunctions), che sono alla base delle sinapsi elettriche e sono giunzioni specializzate che consentono la comunicazione tra cellule come canali per il passaggio di piccole molecole; serrate, giunzioni che sigillano le cellule adiacenti, in modo da non permettere il passaggio di liquidi tra una cellula e l’altra.
• Per via endocrina: le cellule secernono un mediatore tramite esocitosi, il mediatore si lega con strutture specifiche (recettori), che riconoscono le molecole anche a bassissime concentrazioni. Il mediatore può essere secreto e poi riconosciuto nelle vicinanze e in quel caso si parla di secrezione autocrina, mentre nel caso in cui successivamente alla secrezione dovesse andare più lontano si parla di secrezione paracrina e in quel caso il mediatore viene riversato nel torrente ematico, entrando in circolo nell’organismo.
• Neurotrasmissione: comunicazione a livello del sistema nervoso che si avvale di neurotrasmettitori.
• Neurormonale: le molecole vengono prodotte a livello delle cellule nervose e poi riversate in circolo.

La membrana plasmatica

La membrana plasmatica è costituita da un doppio strato fosfolipidico con struttura a mosaico fluido dove sono incastrate delle proteine che possono essere periferiche, ovvero estrinseche, oppure transmembranali, estrinseche. Recettori di membrana sono presenti a livello della membrana sotto forma di proteine.

La membrana ha struttura semipermeabile e presenta principalmente due tipi di trasporti:

• Attivi: cioè trasporti che avvengono con trasferimento di energia (ATP), e si distinguono in primari e secondari.
• Passivi: trasporti che non necessitano di energia perché le sostanze possono attraversare il doppio strato fosfolipidico, possono passare: O₂, CO₂, urea, etanolo, ormoni steroidei e il glicerolo. I tipi di trasporti passivi sono la diffusione facilitata, semplice e osmosi.

Ai lati della membrana plasmatica è presente una differenza di potenziale: si presenta un addensamento di cariche negative all’interno e positive all’esterno.

Questa differenza di potenziale è dovuta dal fatto che la membrana innanzitutto presenta una semipermeabilità agli ioni, per esempio ha una maggiore permeabilità al potassio e minore al sodio, inoltre si ha una differente distribuzione degli ioni ai lati della membrana che è dovuta alla presenza della pompa Na+/K+.

Quest’ultima è una pompa elettrogenica perché contribuisce alla genesi della ripartizione delle cariche ai lati della membrana. La pompa Na+/K+ trasferisce controgradiente 3 molecole di sodio all’esterno della membrana e 2 di potassio all’interno.

Schema della pompa Na+/K+

All’interno della membrana sono presenti dei canali chiamati canali di dispersione, canali che sono sempre aperti, mentre altri canali, per esempio quello del potassio, che si aprono solo quando la membrana è a riposo, ovvero quando non è stimolata.

Ci sono anche canali a cancello, canali che non sono sempre aperti, infatti la loro apertura dipende da una serie di fattori, per esempio se sotto stimolo. Per i canali voltaggio-dipendenti è il cambiamento di potenziale della membrana che stimola la loro apertura. Ci sono altri canali che sono chimicamente stimolati da ligandi o recettori, si legano alla membrana determinando l’apertura di essi.

Questi canali si possono classificare in canali VOC, voltaggio dipendenti, canali ROC, che si aprono chimicamente, e canali MOC che si aprono meccanicamente, cioè quelli che si legano in seguito a uno stimolo meccanico, come per esempio lo stiramento di una cellula.

Trasporto attivo primario

Trasferimento dello ione controgradiente di concentrazione, utilizzando energia, ovvero consumando ATP. La pompa Na+/K+ è sempre attiva e trasferisce il sodio e il potassio controgradiente. Per ogni mol di ATP vengono portate dentro 2 mol di potassio e fuori 3 mol di sodio.

Oltre alla pompa Na+/K+ ci sono le pompe SERCA e PMCA, entrambe trasportano il calcio; la prima porta il calcio all’interno dei compartimenti intracellulari, mentre la seconda porta il calcio all’esterno della cellula.

La concentrazione del calcio intracellulare deve essere necessariamente mantenuta bassa. Questo perché il calcio potrebbe sintetizzare all’interno della molecola degli enzimi proteolitici che vanno a demolire la cellula e quindi portarla alla morte.

È per questo che nel muscolo, per esempio, durante la contrazione, che è possibile solo se c’è il calcio nell’ambiente intracellulare, ecco aumentare repentinamente, grazie alla pompa SERCA, subito dopo la contrazione viene portato fuori dalla cellula tramite le pompe PMCA.

Trasporto attivo secondario

È un trasporto che consente di trasferire controgradiente una molecola aiutandosi con il trasporto secondo gradiente di un’altra molecola.

Per esempio il trasporto glucosio-sodio dipendente, SGLT, il sodio entra all’interno della cellula seguendo il proprio gradiente di concentrazione, pompa Na+/K+, mentre trasferisce controgradiente il glucosio.

Nell’immagine sono rappresentati i due trasporti del glucosio: il SGLT e il GLUT che invece non dipende dal sodio ed è un trasporto passivo.

Composizione dei liquidi nei compartimenti

Questa è la composizione dei liquidi nei compartimenti interni ed esterni della cellula.

Maggiore concentrazione di cariche negative intracellulari, esse tendono ad addensarsi a livello della membrana, adatte all’eccesso delle cariche positive che si trovano all’esterno della membrana.

La membrana plasmatica si comporta come un elettrodo: condensatore.

Gli addensamenti delle cariche ai lati della membrana fungono da “piastre” del condensatore, mentre le code idrocarburiche fungono da isolante.

Per convenzione si pone all’esterno della membrana un potenziale pari a 0. Per questo risulta dunque che all’interno carica negativa.

La capacità delle cellule di modificare il proprio potenziale di membrana permette loro di eccitarsi e quindi variare la propria permeabilità ionica.

Gli stimoli che si producono all’interno di una cellula possono dare due segnalazioni: potenziali graduati e potenziali di membrana.

Potenziale graduato

L’arrivo di un mediatore dall’ambiente extracellulare porta a una variazione del potenziale di membrana (Vm).

• Depolarizzazione: diminuzione del potenziale di membrana, per esempio dopo l’apertura di un cancello attraverso il quale sono entrate cariche positive.
• Ripolarizzazione: ritorno dei livelli iniziali dei potenziali di membrana.
• Iperpolarizzazione: aumenta la negatività, l’evento accaduto può essere dovuto all’aumento del Cl- oppure dall’uscita delle cariche positive, per esempio il K+.

I potenziali graduati sono variazioni di potenziale sotto soglia. La variazione di potenziale è proporzionale allo stimolo ricevuto. Sono potenziali che man mano che ci si allontana dal punto dove sono iniziati si dissolvono, decrementano. Questo perché la membrana non è un isolante perfetto, presenta dei canali dove l’energia viene dissipata.

Normalmente la membrana è più permeabile al potassio, il potenziale della membrana a riposo, ripolarizzazione, è la sommatoria di concentrazione ionica, diversa permeabilità ionica, ed è così perché lo ione più permeabile, ovvero lo ione K+, è quello che più influisce nel potenziale, questo perché il suo potenziale di equilibrio è quello più vicino al potenziale di membrana.

Potenziamenti d’azione

Il potenziale d’azione scaturisce da uno stimolo che ha un’intensità sufficientemente elevata da superare la soglia e modificare il potenziale di membrana fino a generare un’inversione della polarità della membrana.

Il potenziale può sorgere solo nelle cellule eccitabili. È un fenomeno esplosivo, autorigenerativo.

È causato da un’entrata repentina del sodio che va a raggiungere il proprio potenziale di equilibrio (+55 mV), ma si ferma prima perché per il sodio i canali voltaggio dipendenti sono dotati di un secondo cancello che è di inattivazione, si aziona durante la depolarizzazione e porta l’impervietà al Na+.

Quando il Na+ entra si ha un’inversione della polarità, si raggiunge un picco a +30 mV, perché poi il Na+ non può più passare.

1. Depolarizzazione: molto rapida, entrata del calcio all’interno della cellula.
2. Ripolarizzazione: esce anche il potassio, quindi la molecola si ripolarizza.
3. Iperpolarizzazione postuma: il potenziale di equilibrio del potassio è più negativo e quindi cala, ma poi ritorna quello che era inizialmente.

Il potenziale di equilibrio

Il potenziale di equilibrio di uno ione viene definito dall’equazione di Nernst, scaturisce da un’uguaglianza che porta il lavoro necessario per trasferire una mole di ione controgradiente elettrico contro il lavoro necessario per trasferire una mole di ione secondo gradiente elettrico.

Con la concentrazione intra ed extracellulare si può risolvere il potenziale di equilibrio.

Il potenziale di membrana a riposo tiene conto di tutti gli ioni che permeano la membrana (K+, Na+, Cl-) della loro concentrazione e della loro permeabilità.

Quando il potenziale di membrana è determinato da più specie ioniche: potenziale di diffusione, equazione di Goldman.

Il potenziale di membrana a riposo è determinato da:

• Elevata permeabilità della membrana al potassio, dovuta alla presenza di canali passivi, che consentono l’uscita di esso sotto la spinta di un forte gradiente di concentrazione contrastato dal gradiente elettrico.
• Impermeabilità della membrana agli anioni proteici, che rimanendo all’interno della cellula determinano in parte la polarizzazione negativa di essa.
• Scarsa permeabilità alla membrana al sodio, che ne riduce l’ingresso nonostante una forte spinta dovuta dal gradiente elettrochimico.
• Azione pompa Na+/K+ che contrasta il modesto flusso entrante di Na+ e la conseguente uscita del K+, mantenendo inalterati i rapporti di concentrazione degli ioni a cavallo della membrana.

L’informazione nervosa si basa sulla capacità dei neuroni di generare correnti elettriche, in seguito a modificazioni del potenziale di riposo che risultano dall’apertura o chiusura di canali ionici.

I segnali elettrici generati sono di due tipi:

• Potenziamenti graduati: possono essere modulati in ampiezza, ma agiscono a breve distanza, perché subiscono decremento man mano che si allontanano dal punto in cui si sono generati.
• Potenziamenti d’azione: fenomeno non degradabile in ampiezza, ma modulabile in frequenza, si propaga a distanza senza decremento.

Per discriminare due stimoli, dove uno è più potente, sovrasoglia: bisogna guardare l’intensità dello stimolo, perché danno lo stesso risultato, ma la frequenza di scarica è diversa.

Periodo refrattario

Può essere:

• Assoluto: periodo durante il quale si manifesta l’azione del potenziale di azione del potenziale di membrana, se durante questo periodo dovesse arrivare uno stimolo, anche potentissimo, la membrana non subisce variazioni, dato che è ineccitabile. Questo avviene perché i canali sono già impegnati e quindi la membrana non è responsiva.
• Relativo: è il periodo che segue, dove un secondo stimolo che è di intensità superiore al primo genera un secondo potenziale di azione.

Le caratteristiche della frequenza di scarica sono molto variabili da un neurone all’altro in quanto ciascun neurone possiede un diverso corredo di canali ionici voltaggio dipendenti.

Il potenziale d’azione nasce nella zona trigger o nel cono d’emergenza. I potenziali a monte della zona trigger si propagano secondo il modello di conduzione assonale passiva. Il potenziale d’azione una volta superata la zona trigger si propaga sfruttando la fibra nervosa, assone, come se fosse un cavo, attraverso correnti che vengono definite elettrotopiche, dove avviene un trasferimento di carica sia intra che extracellulare.

Sinapsi

Punto di contatto tra cellula nervosa ed effettore. Tra le cellule nervose c’è contiguità e non continuità, ovvero la comunicazione è dovuta alle sinapsi.

Le sinapsi possono essere elettriche o chimiche.

I protagonisti delle sinapsi sono l’elemento presinaptico, cellula dalla quale parte il messaggio, e postsinaptico, cellula che riceve il messaggio, tra i quali c’è il vallo sinaptico.

Sinapsi elettriche

Dalla prima alla seconda cellula la trasmissione avviene senza dispersione nello spazio extrasinaptico, impulso.

Questa vicinanza è data dalla connessione di due emicanali a cavallo tra le membrane delle cellule, come un tunnel che fa da connessione tra l’elemento pre e post sinaptico. Tali canali sono costituiti da 6 connessine, proteine, attraverso le quali, essendo aperte la maggior parte delle volte, passano piccole molecole e ioni a correnti.

Si trovano anche a livello del tessuto muscolare, cellule cardiache e hanno la caratteristica dell’organo dove si trovano: si comportano come un’unica cellula senza dispersione di cariche.

La connessione è bidirezionale.

Le sinapsi sono di tipo eccitatorio, la trasmissione avviene attraverso fenomeni di depolarizzazione della membrana.

Sinapsi chimiche

Si parla di sinapsi chimiche perché la cellula nervosa e il suo effettore comunicano attraverso sostanze chimiche.

Molecola chimica: neurotrasmettitore che viene lasciato nello spazio sinaptico, per poi riandare a legarsi con recettori dell’elemento post-sinaptico, a seguito del legame della molecola chimica con i recettori: variazione permeabilità ionica che porta a una variazione di potenziale di membrana, da qui sorge il segnale elettrico.

Le sinapsi a livello nervoso possono essere: assosomatiche, assodendritiche e assoassoniche. Tipo di sinapsi chimica.

Il neurotrasmettitore deve soddisfare una serie di caratteristiche:

• Si deve trovare nella cellula nervosa, precisamente nell’elemento presinaptico.
• È confezionato all’interno vescicole sinaptiche, ricoperte da membrane, sono celle all’interno delle quali è contenuto il neurotrasmettitore.

Rilascio del neurotrasmettitore da parte delle vescicole

1. Segnale: il segnale che libera il neurotrasmettitore è l’arrivo del potenziale di azione che porta alla depolarizzazione della membrana a livello presinaptico, attiva dei canali Ca²⁺ voltaggio-dipendenti, presenti a livello dell’elemento presinaptico.
2. Entrata calcio: con la depolarizzazione c’è l’apertura del canale, l’entrata del calcio è fondamentale per il rilascio del neurotrasmettitore.
3. Rilascio neurotrasmettitore.

L’ingresso del Ca²⁺ lavora su più punti:

• Favorisce la fusione della membrana con le vescicole delle zone attive.
• Tanto più calcio entra tanto più sarà numerosa la fuoriuscita dei neurotrasmettitori.
• Il calcio si lega al calmodulina, proteina legante il calcio, complesso protein chinasi calcio-calmodulina che formandosi attiva la dipendente, che va a fosforilare la sinapsina.

La sinapsina fosforilata rilascia le vescicole e da qui intervengono le proteine che: indirizzano la vescicola a livello della zona attiva e favoriscono l’aggancio tra membrana e zona attiva.

Tipi di recettori post-sinaptici

Ionotropici: sono recettori le cui subunità