Fisiologia umana

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alla forza che lo genera. .

U=mobilità della sostanza in esame

C=concentrazione della sostanza nel tratto percorso

X=forza che sposta una mole di materiale

Ogni volta andrà individuata la forza coniugata al flusso ed esprimerla adeguatamente. Le forze

coniugate al flusso possono essere espresse come lavoro compiuto per spostare una mole in un

tratto unitario di percorso.

L'energia che si traduce in lavoro è parte dell'energia libera del sistema o è fornita dal metabolismo.

La diffusione attraverso le membrane è regolata dalla legge di Fick. Il flusso netto secondo la legge

di Fick dipende dal gradiente di concentrazione, dall’area della superficie della membrana, dal peso

molecolare della sostanza, dalla costituzione della membrana, dalla distanza e dalla liposolubilità.

La diffusione netta è anche influenzata dalla differenza di potenziale tra LIC e LEC. Il flusso

secondo la legge di Fick è dato dalla costante caratteristica del soluto per la concentrazione.

La forza elettrica

Le forze elettriche originano dalla presenza di un potenziale di membrana, cioè una differenza di

potenziale elettrico che esiste ai due lati della membrana. Nel liquido intra ed extracellulare gli

anioni e i cationi sono presenti in numero diverso e quindi gli ambienti non sono elettricamente

neutri. Il potenziale elettrico è una forma di energia potenziale.

La forza elettrochimica

La forza elettrochimica è data dall’insieme delle forze chimiche e elettriche. La direzione dipende

dalla direzione netta delle due forze. Il potenziale di equilibrio di uno ione è il valore teorico di

potenziale di membrana al quale la forza elettrica equivale alla forza chimica (lo ione non tende né

ad entrare né ad uscire).

Il gradiente ionico e la selettività della membrana contribuiscono alla formazione del potenziale di

membrana. Il valore di potenziale elettrico a cui si stabilisce l'equilibrio elettrochimico si definisce

.

potenziale di equilibrio e si calcola mediante l'equazione di Nernst

Modello per spiegare il potenziale di membrana

Ipotizziamo di avere una cellula permeabile solo al potassio. Questo per gradiente di concentrazione

tende ad uscire. A mano a mano che questo esce l'interno della cellula diventa sempre più

elettronegativo. Sviluppando questo gradiente elettrico negativo il potassio tenderà invece a

rientrare. Quando il potassio raggiungerà l'equilibrio il gradiente elettrico e il gradiente di

concentrazione si equivarranno. Sappiamo che il potenziale di membrana a riposo si trova intorno ai

-70mv.

Il potenziale di membrana a riposo indica che c'è una differenza di carica elettrica tra interno ed

esterno della superficie della membrana. Tutte le cellule animali e vegetali sono caratterizzate da un

potenziale di membrana di riposo che dipende dal movimento di tutti gli ioni permeabili attraverso

la membrana cellulare. Il valore del potenziale di riposo è variabile fra cellula e cellula, ma

approssima il potenziale di Nernst dello ione potassio. Quando una o più specie ioniche si

distribuiscono sui due lati della membrana cellulare, ciascuna tenderà a spostare il valore del

potenziale al valore del suo potenziale di equilibrio elettrochimico. Tanto più la membrana è

permeabile tanto più sarà la forza che tale specie ionica eserciterà nello spostare il valore del

potenziale. In una membrana permeabile a più ioni il potenziale transmembrana dipende dalla carica

elettrica di ciascuno ione, dalla permeabilità della membrana a ciascuno ione e dalla concentrazione

interna ed esterna della specie ionica. I due ioni che determinano il potenziale di membrana sono il

sodio e il potassio. Il fatto che la membrana a riposo sia permeabile al Na, fa si che il potenziale di

riposo non sia esattamente il potenziale di Nernst del potassio, ma sia un po' più negativo. Questo

dipende dal fatto che il Na tende a spostare il potenziale verso il suo potenziale di equilibrio

elettrochimico. Affinché si mantenga il potenziale di riposo dobbiamo mantenere le differenze di

concentrazione tra le specie ioniche considerate tra ambiente extra-cellulare e intra-cellulari. Per

fare questo dobbiamo quindi mantenere i gradienti di concentrazione controbilanciando il

movimento passivo degli ioni Na verso l'interno della cellula e degli ioni K verso l'esterno della

cellula. Questo è fatto dalla pompa Na-K ATPasi che mantiene i gradienti ionici spostando ioni

sodio è ioni potassio con dispendio di energia. In questo modo Il potenziale di riposo può essere

mantenuto. Il potenziale di membrana può essere misurato con dei microrelettrodi costituiti da una

sottile pipetta di vetro riempita con una soluzione di elevata conducibilità. I potenziali di membrana

delle cellule possono essere molto diversi tra di loro.

Risposte elettriche delle membrane cellulari

Tutte le cellule dei viventi sono caratterizzate da variazioni del potenziale di riposo se

opportunatamente stimolate. Esistono due tipi di risposta: risposta elettrica passiva o potenziale

elettrotonico e la risposta elettrica attiva o potenziale d'azione o spike. Questo si produce tutte le

volte che si fa passare corrente attraverso una membrana cellulare. Questo accade perché la

membrana cellulare è caratterizzata da proprietà elettriche quali capacità e resistenza. La risposta

elettrica attiva è presente nelle cosiddette cellule eccitabili. Utilizza strutture particolari e cioè canali

di membrana e in particolare i canali del Na e del K. Questa risposta può esserci o non esserci.

La membrana cellulare è formata da un doppio strato fosfolipidico in cui sono inserite proteine che

hanno la funzione di trasportare materiale attraverso la membrana. Il doppio strato lipidico, dal

punto di vista elettrico si comporta come un condensatore, cioè ha la capacità di separare le cariche

sui due lati della membrana. Le due piastre conduttrici sono rappresentate dal mezzo intracellulare e

da quello extracellulare. Il dielettrico isolante è rappresentato dal doppio strato lipidico.

Le caratteristiche del potenziale elettrotonico sono diverse. È sempre presente in tutti i tipi cellulari

se interviene uno stimolo sulla membrana cellulare, dipende dalle caratteristiche passive della

membrana cellulare, cioè resistenza e capacità, non coinvolge attività di canali, è proporzionale

all'intensità dello stimolo che lo genera, è cioè un segnale di tipo analogico, decade nel tempo e

nello spazio con una costante di spazio che dipende dalle caratteristiche della fibra.

Il potenziale d'azione

Le cellule eccitabili vanno a produrre impulsi elettrici stereotipati e in grado di propagarsi, cioè i

potenziali d'azione. Nelle cellule eccitabili uno stimolo adeguato produce una variazione del

potenziale di membrana che se supera un valore critico, innesca la generazione di un potenziale

d'azione. Richiede la presenza di un potenziale a riposo molto negativo e una alta densità di canali

Na voltaggio dipendenti. Quando questi sono aperti il sodio tenderà ad entrare così tanto da

depolarizzare la cellula. Una condizione necessaria ma non sufficiente affinché un potenziale

d'azione possa innescarsi è che la depolarizzazione della membrana cellulare raggiunga il valore

soglia. La forma particolare dello spike è che presenta un’inversione transitoria della polarità della

membrana. Si propaga senza decremento per l'intera lunghezza della fibra. È un evento tutto o

nulla, cioè o c’è o non c'è. Vengono usati per trasferire informazioni. Dopo un potenziale d'azione è

sempre presente un periodo di non responsività, questo periodo è detto periodo di refrattarietà. Si

propagano a una velocità tra 1 e 100 m/s.

Il canale del sodio voltaggio dipendente presenta un cancello di attivazione e uno di inattivazione.

In seguito alla depolarizzazione il cancello di attivazione si apre, il sodio entra e la cellula si

depolarizza fino a quando la forza di entrata diminuisce. A questo punto questo cancello si chiude.

L'apertura di canali per il k determina la fuoriuscita di potassio e la ripolarizzazione della cellula. I

canali del k sono più lenti rispetto a quelli del sodio. Il potenziale d'azione si instaura perché i flussi

di Na e K cambiano la carica sulla membrana cellulare e non perché cambiano le concentrazioni

ioniche del citoplasma. Per poi tornare al potenziale di membrana corretto verrà impiegata la

ATPasi.

Un neurone, una volta generato un potenziale d'azione viene a trovarsi in uno stato di refrattarietà. Il

periodo di refrattarietà viene distinto in assoluto e relativo. Quello assoluto si ha quando per quanti

stimoli arrivino la cellula non può rispondere. Quello relativo si ha quando la cellula riceve uno

stimolo più intenso rispetto ai soliti e presenta uno stato di potenziale d'azione quasi ideale. Questo

periodo refrattario svolge diverse funzioni: controlla la frequenza massima a cui una cellula può

generare un potenziale d'azione e permette l'unidirezionalità di propagazione dei potenziali d'azione.

Le caratteristiche della frequenza di scarica sono molto variabili da un neurone all'altro in quanto

ogni neurone possiede un corredo diverso di canali.

Il neurone

Il flusso di direzione all'interno del neurone è ben preciso: dendriti e corpo cellulare fungono da

unità ricevente, mentre l'assone, le terminazioni presinaptiche e i neurotrasmettitori rappresentano la

porzione conduttrice. È il neurone stesso se scegliere di propagare l'informazione o no. Se decide di

trasmetterla genererà un potenziale d'azione in un punto ben specifico cioè il cono d'emergenza. Le

diverse zone del neurone svolgono diverse funzioni perché ognuna presenta differenti tipi di canali.

Nei dendriti sono presenti prevalentemente canali per il k e ca (qui si genera un potenziale

elettrotonico). Nel cono d'emergenza sono presenti in maggior quantità i canali per il Na (questo

perché qui nasce il potenziale d'azione). Nell'assone troveremo una bassa densità di canali di Na e

K. Nelle terminazioni troviamo principalmente canali per il Ca. Tutti i segnali arrivanti dai bottoni

sinaptici sono detti potenziali elettrotonici o graduati. Arrivando insieme, questi si vanno a sommare

per far raggiungere al neurone (in particolare la zona trigger) il potenziale soglia. Per non avere il

potenziale d’azione la cellula farà entrare cariche negative (segnale inibitorio), in modo tale da non

avere il potenziale d'azione. La cellula deve fare la somma algebrica delle diverse cariche che

passano: se prevalgon