Appunti di Fisiologia Generale

Fisiologia generale

Martedì 30 aprile 2019 08:59

Omeostasi

Omeostasi = Mantenimento dello stato stazionario. Perché un organismo funzioni bene è necessario che le sue condizioni interne rimangano costanti.

Le funzioni che un organismo vivente deve svolgere per definirsi vivo sono:

• Respirazione (apparato respiratorio, polmoni e sangue per il trasporto)
• Produzione di energia (mangiare)
• Escrezione (apparato digerente, rene per l'impacchettamento delle sostanze di scarto)
• Mantenimento del mezzo (omeostasi, sistema endocrino, sistema nervoso autonomo e rene)
• Rapportarsi con l'ambiente esterno (recettori, SNP, SNC)

Membrana plasmatica

Fa sì che l'interno dell'organismo sia delimitato e diverso dall'esterno (mantenimento dell'omeostasi). Lo scopo della cellula è quello di creare energia sotto forma di ATP al fine di far funzionare le reazioni biochimiche per poter sintetizzare le proteine. La membrana deve essere permissiva ma selettiva. Come elemento di separazione con l'ambiente acquoso, vi è una membrana idrofobica (lipidi con code apolari e teste polari, cioè teste di glicerolo e code di acidi grassi).

I movimenti dei fosfolipidi sono:

• Diffusione entro lo stato
• Girare su se stessi
• Ruotare
• Saltare su se stessi

Le proteine di membrana sono intermembranali, ad alfa-elica. Abbastanza famose sono le proteine con 7 domini transmembrana. Le loro funzioni sono:

• Proteine strutturali
• Enzimi
• Recettori
• Trasportatori

Trasporto attraverso la membrana

Ciò che può attraversare la membrana è:

• Molecole apolari: sono gli ormoni steroidei e tiroidei. Si dissolvono tra i lipidi e passano come se la membrana non ci fosse perché hanno la stessa natura.
• Molecole polari: sono acqua, urea, ossigeno, anidride carbonica. Poiché sono di piccole dimensioni, pur non essendo apolari, riescono a passare spontaneamente (per esempio nel caso dell'acqua tramite delle acquaporine).
• Grandi molecole polari: sono glucosio e saccarosio. Hanno bisogno di un piccolo contributo esterno a causa delle loro dimensioni.
• Ioni: sono molecole piccolissime che portano cariche elettriche nette, non possono passare attraverso la membrana a causa della loro spiccata polarità.

1. Diffusione semplice -> Legge di Fick

2. Per le sostanze che passano spontaneamente ci sono dei meccanismi che vengono in aiuto (trasportatori carrier). Per quanto riguarda gli ioni, ci sono dei canali (piccoli pori fatti da proteine e ripieni di acqua) da cui passano seguendo un gradiente. Sia trasportatori che canali sono specifici, e questi passaggi vanno sotto il nome di trasporto mediato.

Inserire immagine trasporti

• 1 soluto = uniporto
• 2 soluti = simporto
• 2 soluti in direzione opposta = antiporto

La reazione tra molecola e substrato trasportato è quasi uguale a quella tra molecola ed enzima perché l'interazione è la stessa.

3. Trasporto attivo: la pompa più importante per l'organismo è quella sodio-potassio (fuori sodio e dentro potassio) che consuma una grande quantità di ATP.

• Il trasportatore è aperto verso l'interno della cellula e ci sono 3 siti di legame per il sodio
• Quando tutte e tre le nicchie sono occupate, la proteina fa scindere l'ATP.
• Cambia la conformazione dell'ATP (chiuso int, aperto ext) grazie alla sintesi dell'ATP e il sodio fuoriesce.
• Compaiono siti di legame per il potassio perché la conformazione non è stabile
• Il trasporto si chiude all'esterno e si apre all'interno, libera il potassio, e il ciclo rinizia.

Le cellule dentro sono ricche di potassio e povere di sodio, si creano due gradienti di concentrazione. Ad ogni giro vengono espulse 3 molecole di sodio e immagazzinate 2 di potassio (differenza di potenziale, pompa elettrogenica).

4. Trasporto secondario: l'energia utilizzata non deriva dall'idrolisi dell'ATP. Un esempio è quello del cotrasporto sodio-glucosio in cellule della parete dell'intestino o dei tubuli renali (entra sodio ed esce glucosio). Il glucosio passa contro gradiente, il trasportatore non ha siti di legame per l'ATP, ma solo per sodio e glucosio:

• Il sodio si lega e fa cambiare conformazione al trasportatore.
• Il glucosio si lega e fa cambiare nuovamente conformazione
• Sodio e glucosio vengono entrambi rilasciati all'interno.

Il trasportatore non usa ATP ma utilizza il passaggio del sodio secondo il suo gradiente (questo crea energia).

Equilibrio di Gibbs Donnan

Il trasportatore utilizza una grande quantità di energia per portare fuori il sodio ed entro il potassio. Ne hanno uno tutte le cellule. Ipotizzarono che se la membrana era permeabile ai due ioni, essi si distribuivano in modo equilibrato nelle due parti. A destra, per ragioni di gradiente elettrico, ci sarà un eccesso di cariche elettriche, ma prima o poi si raggiungerà un equilibrio. Anione: molecola troppo grande per passare dalla membrana. Ma quindi quale sarà la distribuzione degli ioni? La presenza degli anioni comporta qualche squilibrio? E' qui che viene fuori l'effetto Donnan:

Nel compartimento con ioni più diffusibili, la concentrazione sarà maggiore rispetto all'altro compartimento. Le proteine hanno cariche elettriche positive (ioni proteici), così la pompa subisce l'effetto Donnan. All'interno della cellula c'è una pressione osmotica maggiore che all'esterno, l'acqua quindi passerà dal compartimento a destra a quello a sinistra per eguagliare le concentrazioni. La pressione osmotica sarà proprio la colonna d'acqua che si sposta. Le cellule sono costrette ad acquisire acqua dall'esterno. Gli anioni proteici richiamano acqua dall'interno esercitando una pressione oncotica. Se la cellula si riempisse tutta di acqua alla fine scoppierebbe, quindi l'effetto Donnan è una cosa pericolosa.

Come si risolve questo problema? Nelle cellule vegetali l'acqua in ingresso è regolabile grazie alla parete rigida. Nelle cellule animali invece c'è bisogno di espellere l'acqua e questo avviene grazie alla pompa sodio-potassio. Così, portando fuori 3 ioni sodio, siccome ognuno di essi ha un alone di solvatazione, si portano fuori anche un po' d'acqua, con utilizzo di ATP. L'acqua che entra con l'effetto Donnan è equilibrata da quella che esce con la pompa sodio potassio. Se questo non avviene, vi è la morte cellulare.

Potenziale di equilibrio del potassio

La distribuzione delle cariche elettriche tra interno ed esterno della cellula, genera una differenza di potenziale con l'interno negativo rispetto all'esterno. Essa è dovuta alla creazione di gradienti elettrochimici (spostamenti degli ioni se potessero muoversi). Il sodio una volta uscito non può più rientrare, mentre il potassio può entrare o uscire.

Come si muove il potassio e quanto si muove?

Le cariche negative rimangono all'interno (Pr-), esse richiameranno il potassio all'interno (gradiente elettrochimico) che genererà un equilibrio. In queste condizioni la differenza di potenziale è -90 mV e questo si può denominare potenziale di equilibrio del potassio.

Il potenziale di equilibrio di uno ione sarebbe il potenziale di membrana se quello ione avesse esaurito il proprio gradiente (cioè fosse libero). Se sodio e potassio hanno canali attraverso cui passare, tendono ad arrivare al loro potenziale di equilibrio (continua lotta). Se artificialmente portassi il potenziale a -50 mV, avrei più cariche positive e quindi uscirebbe potassio.

Potenziale di membrana dei neuroni a riposo

Il neurone ha gli anioni proteici nel citoplasma, una la pompa sodio-potassio, ha una conduttanza ma ha una piccola permeabilità agli ioni sodio (a differenza delle altre cellule):

• E (K) = -90 mV
• E (Na) = -60 mV

Ernst ha trovato un'equazione per calcolare il potenziale di equilibrio di uno ione:

Potenziale di equilibrio di uno ione

Per quanto riguarda il sodio, il gradiente chimico è rivolto verso l'interno, perché la pompa sodio-potassio l'ha portato tutto fuori. Anche la componente elettrica è rivolta verso l'interno perché è attratta dalle cariche interne.

Il potassio come gradiente chimico tende ad uscire, ma sarà attratto dalla negatività interna.

Il potassio che esce va nell'ambiente extracellulare e viene ricatturato dalla pompa sodio-potassio che lo riporta dentro. Uguale ma opposto è il meccanismo del sodio. Questi due flussi nei neuroni all'equilibrio si equivalgono. Il potenziale di membrana a riposo (cioè quando i due giri si equivalgono) vale -60/-70 mV (una sorta di intermedio tra il potenziale del sodio e quello del potassio).

Equazione di Goldman

Come quella di Nerst, può calcolare il potenziale di membrana a riposo di un neurone. La membrana può essere vista come un condensatore (che separa le cariche positive dalle cariche negative), con delle resistenze. La differenza di potenziale si può misurare attraverso degli elettrodi.

Principali canali ionici delle cellule eccitabili

• Canali a perdita: sono dei pori che stanno sempre aperti e permettono il passaggio degli ioni secondo il loro gradiente, in qualsiasi circostanza (come nel caso di K+, Na+, Cl-). Sono responsabili dei potenziali di riposo e hanno la caratteristica di essere costanti (-35/-90 mV).
• Canali a controllo di potenziale: si aprono quando la membrana si depolarizza (più cariche positive all'interno). Sono specifici per determinati ioni (ci sono canali del sodio, del potassio e del calcio, e quelli del calcio si trovano sui terminali assonici).
• Canali a controllo di ligando: detti anche ligando-dipendenti. Si aprono in presenza di certe sostanze che hanno un sito di legame. Possono essere recettori su sinapsi chimiche o chemorecettori.

I canali voltaggio dipendenti sono responsabili del potenziale d'azione. Esso è fondamentale per la comunicazione tra neuroni (che avviene tramite sinapsi elettriche e chimiche). Dopo il potenziale di riposo, se la membrana viene stimolata (depolarizzazione, cioè modifica della distribuzione delle cariche) la differenza tra le cariche diminuisce. Vi è un generando un flusso in entrata di sodio. Questo comporta una ulteriore depolarizzazione della membrana. Se la depolarizzazione arriva al valore soglia (-55mV) si genera un fenomeno che non può tornare indietro (POT. AZIONE). Il potenziale di membrana diventa positivo perché la depolarizzazione schizza su. I canali del potassio reagiscono alla depolarizzazione e si aprono anche loro. Si avrà un gradiente in uscita del potassio (cariche positive) che causa una ripolarizzazione che fa tornare la distribuzione delle cariche al valore iniziale. Questo fenomeno dura pochi millisecondi (molto rapido), percorre l'assone, dove stimola l'attivazione della sinapsi.

Potenziale d'azione = cambiamento del potenziale di membrana generato da flussi ionici attraverso i canali a controllo di potenziale. Fenomeno "tutto o nulla". Una volta superato il valore soglia il fenomeno avviene e non può essere fermato.

Stimolazione --> Depolarizzazione --> apertura canali sodio --> ioni sodio entrano all'interno --> depolarizzazione

Il potenziale in questo ciclo chiuso schizza in alto (si chiama fenomeno rigenerativo), ed ogni evento induce il successivo. Il potenziale cresce fino a +60mV.

Esperimenti sul potenziale d'azione

Tutto questo è stato scoperto studiando l'assone gigante del calamaro (sistema modello). È stato bloccato il voltaggio con un particolare tipo di elettrodo stimolante (voltage clamp). In questo modo si possono misurare tutte le correnti ioniche che sono a +65 mV. Si può bloccare il voltaggio durante la depolarizzazione (-55 mV). Se passo da -70 a -55 mV avrò una corrente entrante molto veloce, seguita da una corrente uscente più lenta.

Lo ione che porta la corrente entrante è il sodio, mentre quello che porta la corrente uscente è il potassio.

Dimostrazione = si ripete l'esperimento con tetradotossina, che blocca i canali voltaggio di sodio, o con tetraetilammonio che blocca in modo specifico i canali del potassio.

La fase di depolarizzazione dipende da canali Na/K con conseguente influsso di ioni sodio. La corrente del sodio e quella del potassio nel grafico non sono speculari. Il canale del potassio si apre piano piano e quando la depolarizzazione cessa, si chiude piano piano. I canali del sodio invece crescono pochissimo, poi c'è un picco e infine decrescono nonostante la depolarizzazione. Questo è dovuto alle proprietà dei singoli canali del sodio.

Patch clamp

Patch clamp = clampaggio del voltaggio di un singolo canale. Si fa con degli elettrodi costituiti da pipette di vetro con una punta molto molto piccola. Essa viene poggiata sulla membrana del neurone, viene aspirata un po' di soluzione fisiologica dalla membrana e a questo punto la resistenza elettrica sui bordi della pipetta è molto alta (tipo isolata), quindi si può studiare.

Registrando un singolo canale del sodio, il suo comportamento è uguale a quello di tutta la membrana. Nonostante la depolarizzazione rimanga, il fenomeno esaurisce e si azzera. La caratteristica dei canali del sodio che spiega questo evento si chiama inattivazione e comprende due cambiamenti conformazionali, uno dei quali non permette il passaggio di ioni sodio. La fase di ripolarizzazione riporta allo stato di equilibrio e adesso si forma lo stato chiuso (poi si passa allo stato aperto e a quello inattivato). Un canale inattivato non può riaprirsi.

Periodo refrattario

Se i canali del sodio sono inattivati sono inutili. Per fare potenziale d'azione ci vogliono i canali voltaggio-dipendenti. Essi sono inutilizzabili durante per tutta la depolarizzazione e si parla di periodo refrattario assoluto (pone un limite al potenziale d'azione). Ci deve essere un periodo tra due potenziali d'azione in cui non c'è ripolarizzazione. Verso la fine della ripolarizzazione, qualche canale è riutilizzabile e in questo caso si parla di periodo refrattario relativo.

L'inattivazione dei canali del sodio è necessaria perché il potenziale d'azione possa avvenire (oltre a garantire l'unidirezionalità). Se il sodio entra, avviene la depolarizzazione, il potassio esce, ma prima o poi si devono fermare perché sennò non si tornerà mai al potenziale di riposo (al massimo raggiungo un equilibrio). Il sodio quindi deve essere l'unico a fluire, e per ripolarizzare ci deve essere sodio e potassio. L'inattivazione blocca infatti il flusso di sodio.

Soglia del potenziale d'azione

Cosa è la soglia? È quel potenziale che se non viene raggiunto non provoca niente (deve innescare il feedback positivo). Sotto la soglia non succede niente, la membrana si ripolarizza spontaneamente.

Il fenomeno autogenerativo parte da un influsso di ioni sodio. Quando la membrana subisce una depolarizzazione, si aprono i canali voltaggio dipendenti prima del sodio e poi del potassio. Se la quantità di cariche positive che entrano è compensata dalle cariche negative che escono allora non si ha la depolarizzazione. Se invece lo stimolo iniziale è consistente, entreranno molte cariche positive, e le correnti uscenti non saranno in grado di controbilanciare, perciò la depolarizzazione non sarà stabile. La risultante quindi in questo caso sarà una corrente entrante di cariche positive, e questo è necessario all’innesco del fenomeno autogenerativo.

Riassumendo: Aumento esponenziale della conduttanza al sodio inizio –> depolarizzazione veloce aumento conduttanza del potassio cariche positive –> escono ripolarizzazione raggiungimento del potenziale di riposo fase di iperpolarizzazione postuma.

Canali ionici e potenziale di riposo

I canali del sodio hanno un cancello di apertura e uno di chiusura. I canali del potassio hanno solo un cancello (una sola modificazione). Il potenziale di riposo è dovuto ad anioni all’interno della cellula, ed è grazie alla pompa sodio potassio che gli ioni si dispongono in modo adeguato sulle membrane della cellula. In seguito alla depolarizzazione si aprono i canali del sodio, si innalza il potenziale di membrana fino al valore soglia, si apriranno i canali voltaggio dipendenti ed entreranno gli ioni sodio (ora è il sodio che comanda). Si aprono i canali del potassio e il potassio esce (fino a che la membrana non raggiungerà i -90 mV, ora sono a +30). I canali del sodio vengono inattivati (si chiudono uno dei due cancelli). L’unica conduttanza presente è quella del potassio, e il potenziale viene riportato a valori meno positivi (ripolarizzazione).

I canali del potassio sono lenti anche a richiudersi. Anche i canali del potassio si richiudono e il potenziale torna al suo valore di equilibrio. La membrana è di nuovo pronta a fare un altro potenziale, ma c’è bisogno di ripristinare la situazione precedente, a cui pensa la pompa sodio potassio.

Funzioni del potenziale di azione

Serve per percorrere gli assoni dei neuroni, perché arrivato in fondo ad essi, rilascia neurotrasmettitori per passare attraverso le sinapsi. Uno stimolo debole produrrà una depolarizzazione debole (consisterà in una piccola porzione di neurotrasmettitori, la soglia verrà superata di poco), quindi si potrà riconoscere da uno stimolo forte.

Ma come fanno i potenziali di azione a correre lungo gli assoni? Esso è un fenomeno "tutto o nulla", ma abbiamo bisogno di introdurre un nuovo potenziale che è modulabile (non è tutto tutto o tutto nulla) e che in confronto ai potenziali di azione, non mantiene inal.