Fisiologia del sistema nervoso, visivo, muscolare e cardiaco

Fisiologia – sistema nervoso, visivo, muscolare e cardiocircolatorio

Diffusione e trasporti di membrana

Permessa da trasportatori di membrana presenti nel doppio strato fosfolipidico. Sono di natura proteica, e possono essere integrali (o transmembrana) o periferiche (non deputate al trasporto vero e proprio). Tra le proteine transmembrana troviamo:

• Recettori di membrana: si legano a ligandi (o agonisti) specifici che possono indurre la trasduzione di un messaggio intracellulare e vie di secondi messaggeri;
• Canali ionici: strutture che contengono un canale idrofilo e acquoso che permettono il passaggio di ioni mettendo in comunicazione il citoplasma con lo spazio extracellulare. Sono specifici per determinati ioni e possono essere modulati in diversi modi;
• Proteine carrier: proteine in grado di legare una molecola da una parte della membrana e portarla dall’altra lato liberandola. Possono spostarsi all’interno del doppio strato oppure avere due versanti che possono essere aperti uno alla volta; ciò significa che non formano mai un canale di comunicazione;
• Pompe ioniche: proteine che trasportano ioni contro gradiente e quindi tramite consumo di ATP.

Osmole: indicata con OsM, è l'unità di misura del numero di particelle che contribuiscono alla pressione osmotica di una soluzione; 1 OsM = 1 mol di soluto. Nei liquidi corporei normali l’osmolarità è pari a 300 mOsm/L, ed è data principalmente da questi ioni:

La permeabilità (specifica per ogni sostanza) della membrana è influenzata dal coefficiente di ripartizione olio/acqua, e quindi da quanto facilmente la molecola in questione si discioglie in olio piuttosto che in acqua. Più è grande K, maggiore è la velocità di diffusione della molecola da un lato all'altro dello strato fosfolipidico. Un altro parametro che influenza la permeabilità, e quindi il trasporto, è il gradiente di concentrazione ai due lati della membrana, ma è comunque influenzato a sua volta dal coefficiente di ripartizione. La maggior parte delle molecole si spostano secondo la legge di Fick:

Canali ionici

Proteine transmembrana che hanno un poro sufficientemente largo per permettere il passaggio di ioni. Il canale possiede un gate di attivazione, ovvero una parte di proteina che permette o impedisce il passaggio di ioni da un lato all’altro della membrana. Ciò che modifica l’apertura può essere la variazione di voltaggio della membrana (VOC), la presenza di molecole che si legano al canale modificando il gate (ROC), la presenza di messaggeri extracellulari che trasducono il segnale (SMOC), o anche stimoli meccanici che modifichino la membrana (MET o MA). Inoltre, l’apertura del canale ha un diametro più largo rispetto all’interno in modo che si abbia una sorta di effetto filtro che impedisce l’entrata dello ione sbagliato.

Carrier

Quando la molecola da trasportare entra nel lume della proteina, si lega ad un sito specifico inducendo una modificazione conformazionale che a sua volta induce l’apertura della proteina verso l’altra faccia della membrana. Sono trasportatori saturabili, e quindi raggiungono una velocità massima di trasporto non aumentabile. Se due molecole hanno affinità simile per il carrier, allora si avrà inibizione competitiva e l’entrata di una sostanza piuttosto che un’altra dipenderà da differenze di concentrazione e affinità per il substrato.

Pompe ioniche

Trasportano in modo attivo ioni e molecole contro gradiente. Un esempio è la Na/K ATPasi, ovvero una pompa che trasporta in direzione opposta tra di loro 3 Na⁺, da dentro a fuori la cellula, e 2 K⁺, da fuori a dentro la cellula. Il trasporto attivo può essere primario o secondario.

Potenziale di membrana

Differenza di carica elettrostatica presente tra l’ambiente interno e quello esterno, solitamente stabile. Tutte le cellule hanno un potenziale di membrana negativo, che può variare solitamente tra -40 e -90 mV. Alcune cellule, dette eccitabili, possono variare il loro potenziale di membrana in base alle necessità; tra queste troviamo muscoli e neuroni, e solitamente hanno un potenziale a riposo compreso tra -40 a -90 mV. In generale, il potenziale dipende da:

• Differenze di concentrazione di ioni ai due lati della membrana (gradiente di concentrazione);
• Differenze di permeabilità della membrana nei confronti di vari ioni.

Durante lo spostamento per gradiente di uno ione A da una parte all’altra di una membrana, l’accumulo di carica nel compartimento di arrivo genererà un gradiente elettrico poiché nel compartimento di partenza si avrà accumulo di carica opposta rispetto a quella dello ione che si sta spostando. Man mano che si accumula ione A nel compartimento di arrivo, il gradiente di concentrazione diminuirà ma aumenterà quello elettrico; quest’ultimo spingerà A a spostarsi in direzione opposta, fino a che i flussi dal compartimento 1 al 2 e viceversa non si eguaglieranno. In questa situazione, il flusso netto di A sarà pari a 0 e si sarà arrivati ad una situazione di equilibrio elettrochimico di A.

Nel caso del potassio, il suo valore di potenziale di equilibrio è pari a -90 mV: vediamo che questo valore è molto simile al potenziale di membrana minimo raggiungibile da una cellula normale a riposo. Se il potenziale di membrana non è pari a quello dell’equilibrio del potassio, allora K si sposterà per portare questi due valori all’uguaglianza poiché si genererà una forza elettromotrice (FEM) pari a:

Nelle cellule con un potenziale di equilibrio maggiore di -90 mV, avrò una certa FEM che sposterà verso l’esterno K per arrivare all’equilibrio di riposo. Il quantitativo di K che esce dalla cellula sarà talmente basso che ciò non influenzerà la differenza di concentrazione ai due lati della membrana in modo rilevante.

Per calcolare il potenziale di equilibrio per uno ione generico X, si usa la legge di Nernst:

Alcuni potenziali di equilibrio:

• Na: +63 mV
• K: -90 mV
• Ca: +121 mV
• Cl: -85 mV

Il rapporto, a 20 °C, è pari a 58, mentre a 37 °C vale 61. Il sodio, a differenza del potassio, ha una forza di entrata nella cellula molto alta (FEM = -150 mV), ma in generale sono presenti pochi canali ionici dedicati e quindi starà prevalentemente fuori dalla cellula; discorso analogo per il calcio, i cui canali sono presenti solo in determinate cellule. Infine, la FEM in uscita di K è pari a ca. -20 mV. Per calcolare il vero potenziale di membrana di una cellula considerando tutti gli ioni per cui la membrana ha permeabilità si utilizza l’equazione di Goldman – Hodgkin - Katz:

con P = permeabilità specifica. Nella formula, il Cl è stato invertito poiché ha carica negativa. Il motivo per il quale non tutte le cellule hanno lo stesso potenziale di membrana è dovuto quindi alla diversa permeabilità della cellula stessa. Il potenziale a riposo, in generale, è dato dal movimento degli ioni da un lato all’altro grazie alla presenza di canali leak, ovvero canali aperti a riposo (tanti per K, pochi per Na, Ca e Cl); anche la pompa Na/K ATPasi concorre al mantenimento del corretto potenziale, e per questo motivo viene detta elettrogenica (influisce però solo in minima parte, ca. 5 mV).

Modifica del potenziale di membrana

Si verifica nei tessuti eccitabili. Possono generarsi:

• Potenziali graduati: modificazioni che si propagano su piccole distanze, con segnali che tendono a diminuire man mano che ci si allontana dalla loro fonte. Possono verificarsi anche su cellule non eccitabili. Possono avere intensità più o meno grandi, a seconda dell’evento X che si verifica a livello della cellula interessata; alcuni esempi sono stimoli tattili, e in generale sensoriali, o chimici. L’ampiezza della variazione del potenziale di membrana viene graduata in funzione dell’intensità dello stimolo che l’ha generata: uno stimolo debole produce un piccolo cambiamento di potenziale, mentre uno stimolo più intenso provoca una variazione di maggiore ampiezza.
• Potenziali d’azione: modificazioni che si propagano su grandi distanze. Sono impulsi elettrici trasmessi dalle cellule nervose. Il potenziale d’azione passa da valori di potenziale negativi a positivi, per un momento, causando una cosiddetta depolarizzazione della membrana: il termine deriva dal fatto che il potenziale si avvicina a 0 e quindi la membrana diventa meno polarizzata. Una volta raggiunto il picco massimo di depolarizzazione, detto spike o eccedenza, il potenziale riscende velocemente verso il valore di equilibrio in un processo detto ripolarizzazione. Il potenziale scende fino al di sotto del potenziale di equilibrio, e quindi iperpolarizza la membrana del neurone poiché la fa andare a potenziali più negativi. L’eccitazione della membrana termina con la ripolarizzazione della stessa fino al valore di equilibrio.

Vediamo, per ogni fenomeno, la sua causa:

• Depolarizzazione: dovuta ad un aumento di permeabilità nei confronti del sodio;
• Ripolarizzazione: dovuta ad un aumento di permeabilità nei confronti del potassio ed ad una diminuzione di permeabilità nei confronti del sodio;
• Iperpolarizzazione: dovuta ad un’eccessiva fuoriuscita di potassio dalla cellula;
• Ripolarizzazione: dovuta al ritorno di potassio nella cellula fino all’equilibrio.

Il potenziale d’azione scatta solo in caso di raggiungimento di un determinato stimolo soglia (ca. -30/40 mV), il quale dovrà avere un’intensità minima per poter essere efficace: infatti, il potenziale d’azione è considerato un evento tutto o nulla, ovvero si attiva solo se lo stimolo soglia possiede un’intensità sufficiente a superare la soglia stessa (soprasoglia); in caso contrario, se l’intensità dello stimolo non è sufficiente a superare la soglia, allora il potenziale d’azione sarà nullo (sotto soglia) e non avremo depolarizzazione. Qualunque sia lo stimolo sopra soglia esso genererà sempre lo stesso potenziale d'azione. Tutti i canali deputati a questi processi prendono il nome di canali voltaggio-dipendenti. Il loro valore soglia di attivazione è, nel caso di Na e K, circa lo stesso (-55 mV), e dovrebbero perciò aprirsi allo stesso tempo: in verità, quelli per il sodio si aprono prima di quelli del potassio, e perciò abbiamo prima il processo di depolarizzazione e successivamente quello di ripolarizzazione.

Questi canali voltaggio-dipendenti si attivano grazie alla presenza di strutture polarizzate al loro interno, dette sensori del voltaggio, che in funzione del potenziale applicato si muovono e modificano la conformazione della proteina, aprendo o chiudendo il canale. La conformazione dei due canali differisce in questo modo:

• K: possiede un solo “cancello” che permette la chiusura del canale. È un canale più lento ad aprirsi, e perciò il flusso di potassio si attiverà successivamente a quello di sodio;
• Na: possiede due “cancelli”: uno è formato dal canale stesso, il quale si restringe al centro per impedire il passaggio di ioni (detto porta di attivazione); il secondo, invece, si comporta da coperchio (nel lato intracellulare) impedendo il passaggio di sodio anche se il primo cancello è aperto (detto porta di inattivazione).

Infatti, il canale può assumere tre configurazioni differenti:

• A: detta chiusa, è la forma spenta del canale in cui la porta di attivazione è chiusa e quella di inattivazione è aperta;
• B: detta aperta, è la forma attiva del canale in cui entrambe le porte sono aperte;
• C: detta inattivata, è la forma del canale in cui la porta di attivazione è aperta e quella di inattivazione è chiusa.

Il passaggio da B a C dura 1-2 ms circa, facendo passare quindi una quantità limitata di ioni sodio; all’atto pratico, però, la FEM del sodio è molto alta e quindi entrano velocemente molti ioni Na causando la rapida depolarizzazione della membrana. La rapida chiusura della porta di inattivazione è dovuta al fatto che all’interno della cellula aumenta notevolmente la positività dell’ambiente e perciò il canale entra in configurazione inattivata.

Successivamente all’iperpolarizzazione, e quindi in concomitanza con la seconda ripolarizzazione, si ha il cosiddetto periodo refrattario, ovvero una finestra temporale (ca. 10-15 ms) durante la quale la cellula non riesce a rieccitarsi anche se sottoposta a stimoli fortissimi. A seconda della cellula in esame, possiamo distinguere due diversi tipi di periodo refrattario:

• Periodo refrattario assoluto: ca. 1-2 ms. Qualunque sia lo stimolo indotto durante la ripolarizzazione, la cellula non si eccita. Inizia nel momento in cui si ha la chiusura della porta di inattivazione del canale del Na;
• Periodo refrattario relativo: ca. 3-15 ms. Passato un certo lasso di tempo dall’inizio della ripolarizzazione, se uno stimolo sufficientemente grande arriva alla cellula essa può essere depolarizzata nuovamente e quindi eccitarsi anche se non è terminata la ripolarizzazione; il potenziale d’azione che si genera sarà però più basso rispetto alla norma, e più i due potenziali sono vicini più sarà basso lo stimolo (vale il contrario), poiché la membrana sarà ancora iperpolarizzata.

Perché avvenga lo sviluppo di un potenziale d’azione, però, l’intensità dello stimolo dovrà essere necessariamente più alta dei soliti stimoli che ecciterebbero la membrana. A differenza del potenziale graduato, vediamo quindi che più stimoli non possono sommarsi tra di loro perché tra di essi è presente il periodo refrattario che impedirà l’arrivo contemporaneo dei due stimoli. In generale, gli stimoli possono essere:

• SENSORIALI: generano un potenziale recettoriale;
• NEURONALI: generano un potenziale sinaptico;
• AUTOECCITATORI: generano un potenziale pacemaker.

Quando la membrana ripolarizza tornando al suo potenziale di equilibrio, la pompa Na/K ATPasi si attiva e ristabilisce le concentrazioni normali di Na e K ai due lati delle membrane. Nel caso in cui i canali del Na non si aprissero al momento dell’arrivo del segnale, si avrebbe una iperpolarizzazione dovuta alla fuoriuscita di K.

Propagazione del potenziale d’azione

In generale, il potenziale d’azione si genera a livello dei neuroni, più precisamente in prossimità del monticolo assonico (o segmento iniziale, o cono di emergenza); questa è la zona da cui originano gli assoni, ovvero estroflessioni cellulari che permettono il contatto e la comunicazione con i dendriti degli altri neuroni. La regione del monticolo assonico è deputata alla generazione del potenziale d’azione poiché è ricca di canali voltaggio-dipendenti per Na e K; il resto della membrana è invece responsabile di potenziali graduati che si sviluppano in risposta ai segnali elettrici dei neuroni afferenti.

Il potenziale d’azione generato a livello del segmento iniziale dell’assone dovrà propagarsi fino alla terminazione assonica a livello delle sinapsi. Nel caso di potenziali graduati, questi, una volta generati, tendono a diminuire d’intensità all’allontanarsi dalla sorgente: questo perché, attorno alla zona depolarizzata, avvengono dei movimenti ionici ed elettronici che permettono la propagazione dello stimolo nella zona circostante alla zona di depolarizzazione, portando il segnale solo fino a brevi distanze. Nel caso del potenziale d’azione, invece, dal monticolo assonico si ha depolarizzazione e quindi la propagazione attorno alla zona di genesi come nel caso del potenziale graduato; a differenza di quest’ultimo, però, nell’area adiacente al sito di depolarizzazione sono presenti dei canali voltaggio-dipendenti del Na che vengono attivati poiché arrivati alla soglia: il processo si ripete per tutto l’assone e in una sola direzione. Ciò che impedisce al segnale di tornare indietro è il periodo refrattario assoluto, e il processo prende il nome di propagazione punto a punto.