Fisiologia

Fisiologia

Ci interessa sapere quali sono i meccanismi che stanno alla base del funzionamento di una

cellula, un tessuto, un organo, un organismo.

La cellula è un sistema termodinamico aperto (ha la possibilità di effettuare scambi di

sostanze e informazioni con altre cellule) capace di mantenere una composizione interna

diversa da quella esterna e di scambiare in maniera finemente regolata sostanze con

l’ambiente esterno. Separa due ambienti acquosi (citosol e LEC).

L’acqua è una molecola polare che forma legami ad idrogeno e si orienta in un campo

elettrico. Rappresenta un ottimo solvente: le molecole di acqua si interpongono creando

dipoli con gli ioni di un sale separando le cariche e riducendo le forze fra gli ioni, fra i quali si

interpone. Qualunque ione non è libero ma ha sempre un alone di idratazione intorno.

Si va a formare un multistrato fino a quando lo ione riesce a mantenere questo strato.

Le sostanze idrosolubili sono gli ioni e le molecole polari (non portano una carica netta).

Le proteine sono idrofile. Possono essere dissociate (hanno cariche nette) e possiedono dei

gruppi polari.

La membrana plasmatica è un doppio strato (bilayer) di fosfolipidi che contiene anche

proteine. Tra un fosfolipide e l’altro e tra un fosfolipide e una proteina non c’è nessun legame

forte ma ci sono legami deboli quindi sono ben impacchettati.

La struttura è ben conservata perché è la stessa di tutti gli organelli interni.

I fosfolipidi sono la barriera fisica. Sono molecole anfipatiche, cioè una porzione (testa)

interagisce con l’ambiente acquoso e un’altra (coda) che non interagisce con l’ambiente

acquoso. Queste due parti sono legate da una molecola di glicerolo.

Il colesterolo si dispone tra i fosfolipidi andando a comporre la membrana.

Ha una testa polare, ha degli anelli steroidei rigidi e poi una coda

idrocarburica non polare. Si riduce lo spazio tra i fosfolipidi.

I fosfolipidi possono anche andare a formare delle micelle.

Queste sono finte cellule con tutte le teste rivolte verso l’acqua e le code

tutte internamente.

I glicolipidi sono fosfolipidi con la testa che si attacca ad una molecola di

glicerolo.

Non ci sono interazioni covalenti tra i fosfolipidi, quindi questi possono cambiare posizione

nella loro membrana. La membrana è un mosaico fluido.

Possono ruotare (tutto il fosfolipide), flettersi, diffondere lateralmente (può cambiare la

specificità della funzione cellulare) e trasversalmente (può succedere prima della formazione

della membrana). È una struttura non simmetrica, dinamica e che si rinnova.

Molte funzioni della membrana dipendono dall’asimmetria della membrana.

I fosfolipidi vengono sintetizzati sulla membrana esterna del reticolo endoplasmatico dove ci

sono degli enzimi specifici. Un foglietto è più ricco di fosfolipidi rispetto ad un altro poiché le

scramblasi sul reticolo operano a velocità diverse. Le teste del foglietto interno hanno

prevalentemente cariche negative, quindi l’interno della cellula è carico negativamente.

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Il monostrato interno è più fluido a causa della presenza di più doppi legami nelle code dei

fosfolipidi che risultano più staccate tra loro.

Il colesterolo si interpone tra le code fosfolipidiche. La quantità fa la differenza.

Se è presente sotto il rapporto 1:1, si comporta diminuendo la fluidità di membrana

impacchettando meglio i fosfolipidi. Le zone di membrana chiamate zattere fosfolipidiche

fanno sì che le code dei fosfolipidi siano dritte. La fluidità è importante perché un’alterazione

potrebbe portare ad alterazione nelle funzioni di organi.

La maggior parte delle funzioni cellulari e della struttura dipendono dalle proteine di

membrana. Quindi dipendono da fosfolipidi e steroidi. Le specifiche funzioni di ciascuna

membrana dipendono dal tipo di proteine presenti su quella specifica membrana.

Ciascuna membrana cellulare ha un set specifico di proteine che permettono alla membrana

di svolgere le proprie specifiche attività. Le proteine di membrana sono integrali (3, 4, 5) o

periferiche (7). Le proteine integrali transmembrana (5) contengono una o più α-eliche

transmembrana.

Altre proteine integrali sono ancorate alle membrane mediante catene di lipidi attaccate in

maniera covalente. Le proteine periferiche sono associate alle membrane attraverso

interazioni deboli con proteine integrali. Le proteine si muovono nel doppio strato

fosfolipidico.

Le molecole che attraversano la membrana sono piccole, senza carica e ci deve essere un

gradiente di concentrazione. La molecola va da dove è più concentrata a dove lo è meno.

Per esempio, abbiamo l’acqua (le membrane sono permeabili che se l’acqua è un dipolo, si

muove dal citosol verso l’esterno, il volume cellulare diminuisce). Si ha diffusione osmotica.

Qualsiasi cellula ha delle acquaporine, cioè dei canali di passaggio specifici per le molecole

di acqua. Quando i trasporti sono regolati, sono funzioni proteiche.

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Neuroni

Non esiste nessun distretto del nostro corpo che non è contattato

dai neuroni. La loro struttura è molto particolare. I motoneuroni

sono cellule che vanno da pochi micron a metri di lunghezza.

Il cono di emergenza è dove si genera il segnale di output.

Hanno un corpo centrale con parecchie diramazioni (dendriti) con

diverse funzioni. La loro forma rivela la loro funzione.

I rami più corti intorno al corpo è il punto dove arrivano le informazioni.

I segnali si muovono lungo le membrane per arrivare al corpo centrale dove si trova il

nucleo. Il sistema di input è il dendrite e il suo corpo.

L’assone (cervello del neurone) manda il segnale. Se i segnali in entrata sono abbastanza

questo si sveglia e fa uscire il segnale. L’assone può essere lungo o corto come un dendrite.

I corpi cellulari si trovano nel SNC, che è formato da cervello, asse tronco-encefalico (bulbo,

ponte, mesencefalo, cervelletto) e midollo spinale. Quando un assone è attivo fa contrarre i

muscoli. Tutto ciò che non è nel SNC è compreso nel SNP.

I neuroni svolgono il ruolo di comunicazione mediante segnali elettrici e/o chimici (segnale

elettrochimico). Alcuni neuroni sono anche organi endocrini (ex. neuroni dell’ipotalamo)

poiché producono ormoni.

I nostri neuroni comunicano scambiandosi impulsi elettrochimici. Comunicano tra loro

attraverso le sinapsi, le membrane sono percorse da correnti elettriche.

I neuroni formano delle reti neuronali molto complesse. Questa rete è plastica, si modifica.

Questa plasticità è detta funzionale. Le sinapsi sono sempre quelle ma la loro attività è

aumentata (memoria a breve termine). Quando aumenta l’attività delle sinapsi, queste

aumentano e si ha una plasticità strutturale (memoria a lungo termine).

Questa funzione dipende da quanto frequentemente sono elettricamente attivate dalle

sinapsi. L’attività elettrica era nata nel cono di emergenza. Questo accade perché c’è una

differenza di potenziale elettrico (60 mV) fra interno ed esterno (potenziale di membrana).

Questa non è una proprietà solo dei neuroni ma di tutte le cellule.

La differenza di potenziale c’è perché è una funzione della funzione della membrana, cioè

sceglie quali cariche tenere dentro la cellula e quali tenere fuori.

Questo avviene perché la membrana è più permeabile verso degli ioni e poco o per niente

verso altri. La membrana non è impermeabile agli ioni perché ci sono le proteine.

Gli ioni attraversano la barriera fosfolipidica grazie alle proteine. Un esempio sono i canali

ionici delle proteine (diffusione ristretta). Si formano delle pareti nella membrana che

permettono il passaggio di H O e altri ioni secondo gradiente. Sono solitamente regolati da

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stimoli specifici.

Altrimenti anche i trasportatori (diffusione facilitata) possono trasportare ioni o molecole

specifiche. Quando si lega la molecola da trasportare si ha un cambiamento di

conformazione e poi il passaggio secondo gradiente. Si ha uniporto, antiporto e simporto.

Le pompe (trasporto contro gradiente) invece utilizzano energia proveniente dall’idrolisi di

ATP. 3

I canali ionici possono essere canali di fuga (sempre aperti) o ad accesso variabile.

Lo ione si può muovere passivamente secondo il suo gradiente chimico quando il canale è un

canale di fuga. Quando si spostano dobbiamo tenere conto anche della loro carica.

Il potenziale di uno ione dipende dalla forma logaritmica del rapporto delle concentrazioni di

quello ione all’esterno e all’interno della cellula. Questa è l’equazione di Nernst.

La pompa opera solo se serve. Si chiama ATPasi sodio-dipendente.

Consuma ATP solo se c’è sodio da trasportare. Se il sodio non si lega, nemmeno l’ATP si lega

alla pompa. Si ha un grande risparmio energetico in questo modo.

È composta da 4 subunità, 2 α e 2 β. Le β hanno una funzione di modulazione, le α fanno

muovere la pompa. Sono strutture complesse, la parte ATPasica è la parte citosolica della

pompa. Funziona solo se tutti e 3 i punti dove si può legare il sodio sono pieni.

Se si lega in tutti e 3 i punti vuol dire che la concentrazione di sodio all’interno è alta.

Se tutti e 3 i siti sono pieni di sodio cambia la conformazione della pompa e si apre verso

l’esterno. I siti diventano a bassa affinità e il sodio viene espulso.

Diventano ad alta affinità i siti di legame di potassio che viene legato e portato all’interno

della cellula.

I siti del potassio diventano ora a bassa affinità e quelli del sodio diventano ad alta affinità.

Un trasportatore sposta ioni ma non contro gradiente. Lo ione ha un movimento

determinato dal gradiente.

Qualunque ione su muova attraverso i canali di fuga, il potenziale di membrana resta sempre

lo stesso grazie ad un bilanciamento.

I mV variano grazie ad una relazione tra resistenza e corrente che ci dà la resistenza, cioè

= × Legge di Ohm

Una corrente I che attraversa una resistenza R genera un potenziale (di membrana) V.

Quando uno ione attraversa un canale ionico si genera una corrente ionica.

Gli impulsi elettrici che si scambiano i neuroni per comunicare sono causati da movimenti

ionici fra citoplasma e ambiente extracellulare.

I canali ionici si dividono in due famiglie di canali ionici:

 Canali di fuga: specifici ma sempre aperti.

 Ad accesso variabile: serve uno stimolo efficace per provocarne l’apertura.

Lo stimolo deve essere specifico per quel canale.

Alcuni canali si aprono solo se a loro si lega il

ligando. Quando si lega il ligando si aprono, se sono

già aperti invece si chiudono.

Rispondono allo stimolo chimico del ligando

(specifici). 4

I canali voltaggio-dipendenti rispondono ad una

variazione del potenziale di membrana, cioè ad uno

stimolo elettrico.

Proteine transmembrana composte da 4 subunità che

vanno a formare un foro ma sono una sola proteina.

Corrispondono ad un solo gene.

È voltaggio-dipendente perché le subunità hanno la 4° α-elica carica positivamente

cambiando la tridimensionalità e attivando il meccanismo di apertura-chiusura.

Se le cariche positive si muovono verso le cariche negative, il canale ionico si apre.

La coda (parte del terminale amminico) carica negativa si muove e va a chiudere

internamente il canale.

La configurazione è diversa, quindi il canale non è chiuso ma è inattivo.

I canali a controllo di ligando hanno 5 subunità, di cui 2 uguali tra

loro. Sono 4 geni diversi, proteine a sé stanti. L’α-elica M2 di ogni

subunità è rivolta verso il centro e non ha parti polari, quindi, il

canale è chiuso e non passa H O. Quando il ligando si lega alle

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subunità uguali, queste ruotano ed espongono all’interno gruppi

idrofili, aprendo il canale e facendo passare H O.

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La rotazione è dovuta all’allosterismo.

Canali a controllo meccanico.

Sono composti da 2 a 4 subunità, uguali

o diverse. Ci sono delle deformazioni

meccaniche legate a dei blocchi che

fanno stirare la membrana. Questi

canali possono essere sulle ciglia che si spostano meccanicamente perché

sono immerse in un fluido. Oscillano. Esistono delle catene polipeptidiche

che fungono da connessione tra un ciglio e l’altro. Si chiama tip-link.

Il tip-link non apre nulla ma è inserito in membrana vicino al canale ionico

e se viene tirato stira e trascina le pareti del canale verso destra.

Il canale così si apre.

Spostandosi attraverso la membrana, gli ioni usano i canali, sfruttano i

gradienti (movimento spontaneo), generano correnti ioniche, provocano

variazioni del potenziale di membrana.

L’eccitabilità cellulare si studia disponendo un sistema formato da un

generatore dotato di anodo e catodo (ex. pila), chiamato stimolatore. La corrente passa

attraverso dei tubicini sottilissimi a punta contenenti soluzione salina che fa passare la

corrente elettrica (conduce corrente).

Ponendo all’interno di una cellula un anodo e al suo esterno un catodo, le cariche positive

vengono depositate sulla faccia citoplasmatica della membrana, mentre un numero uguale

di cariche negative viene depositato su quella esterna (la differenza di potenziale viene in

parte neutralizzata, cioè depolarizzata). 5

Lo stimolatore quando lo accendo passa un’onda di corrente attraverso esso, un po’ di ioni si

accumulano da un lato della membrana e quello di segno opposto si accumulano dall’altro

lato. Quando è spento non eroga corrente.

La risposta del potenziale di membrana non è quadrata come lo stimolo, è una curva perché

arrivano un po’ alla volta e la depolarizzazione non è istantanea.

Se si invertono i poli si va ad ottenere un’iperpolarizzazione.

Il registratore registra le variazioni del potenziale di membrana.

Quando accendo lo stimolatore, erogo una corrente di pochi ampère e lo lascio acceso.

Quando si spegne lo stimolatore si depolarizza la membrana. Stessa cosa per correnti

maggiori. Si pensò che ci fossero dei canali che sotto stimolo si aprono e fanno passare ioni.

C’è una proporzionalità precisa tra lo stimolo e la risposta del potenziale di membrana.

Se si danno stimoli più forti, ad una certa intensità, la riposta del potenziale di membrana

arriva a valori positivi. Non c’è un rapporto.

Lo stimolo liminare è il valore minimo dello stimolo.

Il potenziale di soglia è il potenziale massimo che al di sopra fa avere delle risposte

indipendenti. Questo è il potenziale d’azione che nasce dal cono

di emergenza e che va fino alle sinapsi. Se non c’è potenziale

d’azione, non c’è segnale di output.

Il passaggio da neurone silente ad attivo dipende dalla somma

degli stimoli che ha ricevuto nel sistema di input. Nei neuroni i

piccoli stimoli sono le attività sinaptiche.

Quando tocco il valore del potenziale soglia grazie ad una depolarizzazione, intervengono i

canali voltaggio-dipendenti. Questi si aprono grazie ad uno stimolo elettrico intenso che

arriva al valore soglia (-50mV). Si crea un campo elettrico corretto.

La prima famiglia di canali che si aprono è quella dei voltaggio-dipendenti-sodio-specifici

(solo il sodio li può attraversare). Il gradiente chimico fa muovere il sodio verso l’interno.

Il gradiente elettro-chimico genera una corrente di sodio verso l’interno della cellula fino a

quando i canali non si richiudono. Il cono di emergenza ha la concentrazione massima di

questi canali, che si aprono uno dietro l’altro.

La variazione del potenziale d’azione è legata al sodio che

entra. La salita poi si arresta perché il canale diventa

inattivo. Il punto più alto è la spike (o fase di eccedenza).

Il canale è incapace di tornare aperto, resta inattivo fino a

quando il campo elettrico non torna ad essere quello

originale. Se i canali rimanessero aperti, il sodio

continuerebbe ad entrare fino al valore +55mV, cioè il

potenziale di equilibrio del sodio.

Il sodio, quindi, può entrare ed uscire dalla cellula.

Il voltaggio-dipendente del sodio è chiuso al potenziale di

riposo, è aperto se raggiungiamo la soglia, rimane aperto allo spike quando si inverte il

cavallo elettrico a cavallo della membrana e diventa inattivo fino a quando non si ritorna alle

condizioni iniziali di potenziale di membrana.

Questo è l’allosterismo delle proteine canale voltaggio-dipendenti per il sodio.

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Torna al valore di -70mV/-80mV grazie ai canali di fuga e al potassio che non è in equilibrio.

Il suo gradiente elettrico è positivo quindi da dentro alla cellula

esce attraverso i canali di fuga, attraverso un processo troppo

lento.

Quindi ci sono dei canali voltaggio-dipendenti-potassio-specifici

che fanno uscire il potassio rapidamente come il sodio che è

entrato. L’interno della cellula torna negativo e si torna al

potenziale di riposo.

Si attivano le pompe che fanno rientrare il potassio e uscire il

sodio invertendo le cariche della membrana.

Queste pompe consumano il 90% di ATP prodotto dal SNC.

Tutti i canali voltaggio-dipendenti hanno un valore di soglia oltre il quale si aprono.

Per i canali per il potassio è identica a quella del sodio, ma avendo una cinetica più lenta si

aprono dopo. Ogni potenziale d’azione dura circa 3 millisecondi. 1ms per avere la spike e

2ms per tornare al potenziale di riposo (ripolarizzazione). La ripolarizzazione non si arresta al

potenziale di membrana ma si ha una fase di iperpolarizzazione, il potassio raggiunge il suo

potenziale di equilibrio. La cinetica è lenta ad aprirsi e a chiudersi, quindi l’iperpolarizzazione

è dovuta a quella, ma la polarizzazione si ristabilisce grazie ai canali di fuga.

Il potenziale d’azione ha una soglia di attivazione, se non c’è il balzo, non c’è potenziale.

C’è un evento chiamato tutto o nulla. Se le variazioni del potenziale non arrivano alla soglia,

non c’è risposta. Se si supera la soglia, la risposta c’è tutta.

La refrattarietà è il periodo di tempo in cui il nostro neurone non

può sviluppare un secondo potenziale d’azione.

Questo perché i canali sono tutti occupati nella risposta al primo

stimolo ricevuto.

Il periodo di refrattarietà può essere assoluto (non c’è un secondo

potenziale in risposta a nessuno stimolo) o relativo (se io do la stessa

intensità di prima non parte un secondo potenziale d’azione, ma se lo

do più intenso si genera. Ha bisogno di più energia. Può partire

anche quando non si è raggiunto il potenziale di riposo perché la

maggior parte dei canali sono chiusi ma una parte sono ancora

inattivi.)

A ¾ della discesa i canali del sodio sono chiusi per la maggior parte, ma una parte sono

ancora inattivi. Sul cono quindi si avranno tutti i canali che si andranno ad inattivare, per poi

chiudersi per la maggior parte. Quelli inattivi non si possono riaprire, quelli chiusi sì.

La concentrazione dei canali non è come all’inizio ma minore, perché non sono tutti inattivi.

Per questo abbiamo bisogno di avere uno stimolo maggiore per cercare di farli aprire.

Se ne apre uno solo, uno più lontano non ha abbastanza stimolo per aprirsi. Ho un periodo di

minor eccitabilità.

Sia i canali del sodio che del potassio sono altamente specifici per un solo tipo di ione.

Quando si aprono, il 99% degli ioni che passa è quello specifico per il canale.

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I canali sono composti da subunità proteiche che formano un poro centrale che riconosce lo

ione giusto. Il concetto di specificità è molto variabile per i canali ionici.

I canali possono essere cationici (+) e non fa passare gli anioni.

Questa specificità ha 2 livelli:

1. Dimensioni dello ione con l’alone di idratazione: se il

diametro del poro è giusto per il livello di idratazione dello

ione, questo riesce a passare. Il sodio è più piccolo del

potassio ma ha un alone di idratazione maggiore grazie alle

forze di attrazione che ha per le molecole di H O.

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Se passa il sodio non passa il potassio. Sono formati da 4

subunità ma sono una proteina unica.

C’è un pezzo di proteina che sembra uscire dalla

membrana ed entrarci nuovamente, è il P Loop.

Nasce dalla fine dell’α-elica numero 5 che ha una

struttura primaria. Poi entra nel canale ionico,

interagisce con il poro. Struttura che esiste nei canali voltaggio dipendenti sia del

sodio che del potassio. I canali del sodio sono spesso formati da 4 subunità proteiche

identiche, cioè una proteina unica. I P Loop vanno a formare la regione stretta del

canale, cioè dove gli ioni vengono riconosciuti quando passano attraverso il canale.

Se la catena P Loop porta una carica positiva, gli ioni negativi sono attirati ad esso e il

canale nella regione stretta acquisirà la carica negativa. La carica negativa viene

respinta, il canale è cationico.

2. Distinzione tra sodio e potassio: il potassio va a formare un legame

elettrostatico con l’ossigeno, simile al legame ad idrogeno.

Il sodio (più piccolo) ha delle cariche capaci di attirare l’acqua con più

forza. Con l’alone di idratazione, gli ioni iniziano a scendere nel canale e

l’alone inizia a sfogliarsi piano piano. Nel poro ci sono degli amminoacidi

carichi che attirano l’acqua che arriva nel punto stretto (filtro di selettività)

con una configurazione, che poi nel punto ancora più stretto va a perdere

anche le ultime molecole di acqua. Sono residui amminoacidi del P Loop.

Se il potassio riesce a stabilire con gli amminoacidi del P Loop la stessa

distanza di legame che aveva con il primo strato di idratazione, occupa una

posizione centrale nel punto stretto e può proseguire senza legarsi con

nulla. L’interno del canale è negativo e il potassio è positivo.

Se entra il sodio, anche lui si spoglia dell’alone di idratazione, arriva più

piccolo del potassio, quindi, non ha lo stesso rapporto del potassio, non sta

al centro del punto