Appunti esame fisiologia generale

La fisiologia

La fisiologia studia le funzioni degli organismi viventi e mira a conoscere le cause, le condizioni e le leggi che determinano e regolano i fenomeni vitali. I temi chiave di cui si occupa la fisiologia sono:

• Livelli organizzativi e riduzionismo
• Rapporto struttura-funzione-dinamica
• Omeostasi
• Plasticità

Sistemi e concetti chiave

La fisiologia tratta argomenti su scale spaziali molto estese. Gli argomenti trattati vanno dal microscopico (atomi e molecole), al mesoscopico (organuli e cellule) fino al macroscopico (tessuti e organi). Il riduzionismo è l’analisi del funzionamento di un sistema attraverso i suoi componenti elementari.

La struttura che caratterizza la materia vivente risponde alla necessità di una funzione biologica, realizzata attraverso un’evoluzione nel tempo e quindi attraverso una dinamica.

Omeostasi

L’omeostasi è la capacità degli organismi di mantenere costanti (entro un certo intervallo di variabilità) i parametri chimico-fisici degli organi. Il meccanismo principale attraverso cui l’omeostasi si effettua è il ciclo di retroazione o feedback. In un ciclo di feedback uno stimolo viene ricevuto da un organismo recettore; il recettore manda lo stimolo a un organismo di controllo; il controllo a sua volta manda il segnale a un organismo effettore; infine l’effettore produce uno stimolo che corregge o amplifica quello che inizialmente era lo stimolo esterno. Una correzione cerca di annullare lo stimolo esterno e in questo caso si parla di retroazione negativa. Un’amplificazione cerca di amplificare lo stimolo esterno e in questo caso si parla di retroazione positiva.

Plasticità

La plasticità è la capacità di un sistema di modificarsi in seguito a particolari stimoli ambientali. La modifica perdura oltre lo stimolo che l’ha generata. Esempi classici sono la plasticità neuronale e la plasticità muscolare. La plasticità neuronale è la capacità del sistema nervoso di riorganizzare la sua struttura e le sue funzioni. La plasticità muscolare è la capacità del tessuto muscolare di cambiare struttura (dimensioni e composizione).

Sistema nervoso

Cellule del sistema nervoso

Le cellule del sistema nervoso sono i neuroni e le cellule gliali. I neuroni sono stimati in numero di circa 10¹¹ nell’uomo e sono responsabili della trasmissione dell’informazione attraverso attività elettrica. Hanno dimensioni comprese tra 50 e 500 μm. Le cellule gliali sono invece in numero maggiore dei neuroni in un rapporto di 10:1 e hanno funzione di sostegno strutturale, di protezione e di nutrimento dei neuroni.

Neuroni

Il neurone viene generalmente suddiviso in 4 sezioni definite in base alla direzione della trasmissione del segnale. I dendriti ricevono il segnale da altre cellule. Ai dendriti segue il corpo cellulare o soma che contiene il nucleo, i mitocondri, i ribosomi e gli altri organuli cellulari. Il soma può avere dimensioni che raggiungono i 100 μm. Dopo il soma si trova l’assone, la parte della cellula che conduce l’impulso nervoso (in particolare il potenziale d’azione) verso i terminali che devono poi trasmettere l’impulso alle cellule vicine. Nei motoneuroni l’assone può raggiungere dimensioni di 1 m. L’assone comunica con i bottoni sinaptici. I bottoni sinaptici sono i terminali assonici attraverso cui il neurone comunica con le cellule vicine, con altri neuroni o con effettori (ghiandole e muscoli). I bottoni sinaptici sono costituiti da sinapsi. Quando si parla di sinapsi si hanno un terminale presinaptico (da cui arriva l’informazione) e un terminale postsinaptico (che riceve l’informazione). Tra i 2 terminali si trova lo spazio sinaptico.

Classi di neuroni

• Neuroni bipolari. Sono formati da un assone e un dendrite. Esempi sono i neuroni della retina e i neuroni del sistema olfattivo
• Neuroni multipolari. Sono formati da un assone e numerosi dendriti. Sono i neuroni più numerosi del sistema nervoso centrale (SNC) e possono avere diverse morfologie tra cui i motoneuroni, i neuroni piramidali e le cellule di Purkinje
• Neuroni anassonici. Non sviluppano assoni e hanno solo dendriti. Esempi sono i neuroni delle cellule amacrine
• Neuroni pseudo-unipolari. Hanno un solo assone che si biforca. Un ramo raggiunge il midollo spinale mentre l’altro ramo raggiunge i recettori periferici

Metodi di visualizzazione dei neuroni

• Metodo di Golgi. Consiste nell’immersione di frammenti di tessuto nervoso in una soluzione di nitrato d’argento. Il precipitato è un sale che colora di nero l’intero corpo cellulare
• Metodo di Nissl. Si basa sull’uso di coloranti per macchiare gli organi di Nissl che sono presenti nel soma dei neuroni
• Immunoistochimica. È il metodo più utilizzato e prevede l’uso di anticorpi legati a molecole fluorescenti i quali legano diverse proteine neuronali

Cellule gliali

Le cellule gliali sono di 4 tipi:

• Astrociti. Sono la tipologia più numerosa e hanno la funzione di supporto strutturale, di protezione e di nutrimento. Fanno parte della barriera ematoencefalica, una struttura cellulare che separa i vasi sanguigni dai neuroni che irrorano. Gli astrociti hanno anche importanza nell’omeostasi in quanto partecipano al riciclo dei neurotrasmettitori (che non vengono tutti riassorbiti dal terminale postsinaptico)
• Oligodendrociti. Hanno funzione strutturale in quanto formano delle connessioni tra più assoni di diversi neuroni e sono anche coinvolti nella mielinizzazione cioè nella formazione della guaina mielinica responsabile dell’isolamento elettrico dell’assone
• Cellule della microglia. Hanno funzione di protezione dei neuroni mediante fagocitosi
• Cellule di Schwann. Hanno funzione di mielinizzazione degli assoni nel sistema nervoso periferico (SNP)

Trasmissione del segnale neuronale

La trasmissione del segnale neuronale avviene attraverso le 4 regioni viste in precedenza. A ognuna di queste regioni è associata una funzione. I dendriti hanno funzione di ricezione del segnale dai neuroni vicini. Il soma ha funzione di integrazione del segnale. L’assone ha funzione di conduzione del segnale. I terminali sinaptici sono la regione d’uscita del segnale. La trasmissione del segnale si basa sulla propagazione dei segnali elettrici e sfrutta le proprietà della membrana cellulare.

Membrana cellulare

La membrana cellulare separa la cellula dall’ambiente esterno e regola il traffico di molecole e ioni. È costituita da un doppio strato di fosfolipidi e contiene al suo interno altre molecole come colesterolo, proteine, glicolipidi e glicoproteine. Ha uno spessore di circa 5-10 nm. I fosfolipidi sono molecole anfifiliche o anfipatiche ossia sono costituite da una testa polare idrofila e da una coda apolare idrofoba. La testa interagisce favorevolmente con le molecole d’acqua mentre la coda respinge le molecole d’acqua e le esclude. Per questo motivo in soluzione acquosa i fosfolipidi formano un doppio strato. La testa idrofila è formata da un gruppo fosfato e da un altro gruppo come la colina. La coda idrofoba è formata da acidi grassi ossia catene di gruppi CH₂. Gli acidi grassi sono saturi quando presentano solo legami semplici mentre sono insaturi se contengono doppi legami. Il doppio strato non è rigido ma ha una sua fluidità. Esistono infatti diversi tipi di movimento. A basse frequenze corrispondono tempi più lunghi mentre ad altre frequenze corrispondono tempi ridotti. Il movimento flip-flop ossia lo spostamento di un fosfolipide da un versante della membrana a quello opposto richiede tempi molto lunghi e infatti è caratterizzato da una bassa frequenza. Le vibrazioni intramolecolari avvengono in tempi molto rapidi infatti sono caratterizzate da una frequenza elevata.

Le proprietà della membrana sono molto importanti perché attraverso la membrana la cellula comunica con l’ambiente esterno. Le sostanze necessarie al metabolismo entrano nella cellula mentre i prodotti del metabolismo escono. Alcune di queste sostanze possono passare spontaneamente (piccole molecole idrofobe apolari come O₂ e CO₂ e occasionalmente piccole molecole polari). Altre sostanze hanno bisogno di agenti che consentano il trasporto (ioni e grosse molecole polari come glucosio e amminoacidi). Queste sostanze sfruttano la presenza di proteine di membrana.

Proteine di membrana

Le proteine di membrana sono catene polipeptidiche (o catene amminoacidiche) formate dalla ripetizione di amminoacidi. Gli amminoacidi hanno un backbone comune a tutti. Ciò che distingue un amminoacido da un altro sono le catene laterali. Sono le proprietà fisico-chimiche delle catene laterali che determinano le proprietà fisico-chimiche dell’amminoacido. Gli amminoacidi si uniscono a formare le catene amminoacidiche tramite il legame peptidico C-N, che comporta l’eliminazione di una molecola d’acqua. La sequenza degli amminoacidi che forma la catena è detta struttura primaria della proteina. La catena può ripiegarsi a formare α-eliche e β-foglietti. Il ripiegamento della catena è detto struttura secondaria della proteina. La struttura tridimensionale della proteina è detta struttura terziaria ed è responsabile della forma e quindi della funzione della proteina. Alcune proteine possono avere struttura quaternaria.

Le proteine di membrana hanno diversi ruoli funzionali: enzimi, recettori, canali e trasportatori. I canali ionici permettono il passaggio degli ioni secondo il gradiente di concentrazione (da una zona a concentrazione maggiore a una zona a concentrazione minore). I trasportatori attivi trasportano ioni attraverso la membrana contro il gradiente di concentrazione (da una zona a concentrazione minore a una zona a concentrazione maggiore).

Trasporto attraverso la membrana

Trasporto passivo

La diffusione semplice o diffusione passiva è caratterizzata dall’assenza di saturazione ossia all’aumentare della concentrazione del substrato il flusso delle molecole che attraversano la membrana non si interrompe. Graficamente si ha una retta. La diffusione facilitata presenta invece saturazione e graficamente si ha una iperbole con un plateau. La diffusione semplice è regolata dalla legge di Fick. Questa legge afferma che il flusso (J), ossia la quantità di molecole che attraversano la membrana nell’unità di tempo, è proporzionale al gradiente di concentrazione (C).

J = -AD (ΔC/Δx)

Il “-” indica che il flusso va da una zona a concentrazione maggiore a una zona a concentrazione minore; x è la direzione lungo cui si misura come varia la concentrazione; ΔC/Δx è la derivata che indica la variazione della concentrazione lungo la direzione; A è l’area attraversata e D è il coefficiente di diffusione (cm² s^-1). Il coefficiente di diffusione dipende dal soluto, dal mezzo e dalle condizioni (es. temperatura). Quindi, con il “-” davanti, si ottiene che quanto più è grande la variazione della concentrazione lungo la direzione tanto più il flusso andrà in quella direzione.

Nella diffusione facilitata il flusso di un substrato dipende dalla permeabilità per esso mostrato dalla membrana. La permeabilità è determinata da quanti canali e trasportatori per quella molecola sono presenti e dalle loro proprietà. La diffusione facilitata dipende inoltre dalla concentrazione del substrato (all’aumentare della concentrazione del substrato si arriva alla saturazione). Le caratteristiche della diffusione facilitata sono: la specificità per un particolare substrato, la competizione tra diversi substrati e la saturazione ossia il numero massimo di molecole che può passare per unità di tempo. I canali ionici sono formati da 4 subunità, ognuna delle quali ha 2 eliche transmembrana. Le subunità sono disposte a formare un poro centrale. Verso l’interno il poro si apre in una cavità più grande contenente molecole d’acqua che facilitano il passaggio di ioni, mentre verso l’esterno una regione più stretta costituisce il filtro di selettività per lo ione.

Le proteine di trasporto sono proteine che trasportano piccole molecole come zuccheri e amminoacidi. Sono diverse dai canali ionici in quanto non creano comunicazione diretta tra l’ambiente intracellulare ed extracellulare. Quando il trasportatore deve legare una molecola che si trova nell’ambiente extracellulare assume una conformazione a “V” aperta verso l’esterno. Quando il soluto si lega si verifica un cambiamento conformazionale e il trasportatore assume una conformazione ad “A” aperta verso l’interno. In questo modo il soluto può dissociarsi dal trasportatore e può entrare nello spazio intracellulare.

Trasporto attivo

Nel trasporto attivo primario i trasportatori attivi creano e mantengono gradienti ionici (diversi a seconda degli ioni) utilizzando energia. Importanti trasportatori attivi sono le pompe ATPasi, che derivano l’energia dall’idrolisi di ATP. La pompa Na⁺/K⁺ mantiene le concentrazioni cellulari di Na⁺ e K⁺ a determinati valori. La pompa Ca²⁺ mantiene la concentrazione di calcio a determinati valori.

Vediamo schematicamente il ciclo di funzionamento della pompa Na⁺/K⁺. Questa pompa ha 4 possibili conformazioni. Nel passaggio numero 1 la pompa ha una conformazione aperta verso lo spazio intracellulare e lega gli ioni sodio. Nel passaggio numero 2 arriva l’ATP e per effetto della fosforilazione la pompa cambia conformazione e si apre verso lo spazio extracellulare. In questo modo il sodio si dissocia mentre il potassio si lega. Nel passaggio numero 3 il legame con il potassio provoca la chiusura della pompa. Nel passaggio numero 4 per effetto della defosforilazione la pompa torna nella conformazione aperta verso lo spazio intracellulare e il potassio si può dissociare. La pompa Na⁺/K⁺ trasporta 3 ioni Na⁺ nello spazio extracellulare e 2 ioni K⁺ nello spazio intracellulare. Si dice che la pompa ha una funzione elettrogenica.

Nel trasporto attivo secondario non si ha utilizzo di ATP ma si usa il gradiente generato da un trasportatore primario come fonte di energia per trasportare ioni o altri substrati contro gradiente. Si parla di antiporto o simporto a seconda che le specie vengano trasportate in direzioni diverse o nella stessa direzione.

Il trasporto vescicolare sfrutta la formazione di vescicole, ossia compartimenti cellulari che originano da una membrana preesistente, che spostano il loro contenuto attraverso la membrana. Si parla di esocitosi quando il trasporto avviene dall’interno della cellula verso l’esterno. Si parla di endocitosi quando il trasporto avviene dall’esterno verso l’interno. Si parla di transcitosi quando si ha il trasporto selettivo di molecole tra 2 ambienti delimitati da una cellula polarizzata. Le cellule polarizzate hanno 2 facce opposte distinte, dette apicale e basolaterale (es. cellule epiteliali ed endoteliali).

L’esocitosi può essere di 2 tipi: costitutiva e regolata. L’esocitosi costitutiva è comune a tutte le cellule eucariotiche e non richiede un segnale infatti avviene spontaneamente e di continuo. È il mezzo per rilasciare sostanze all’esterno e per modificare le componenti della membrana. Le vescicole si formano continuamente dall’apparato del Golgi, si fondono con la membrana plasmatica e riversano le proteine in esse contenute nella matrice extracellulare. L’esocitosi regolata è propria di cellule specializzate a secernere i prodotti che elaborano (es. neuroni). È attivata da uno stimolo specifico (es. aumento della concentrazione intracellulare di calcio per il rilascio dei neurotrasmettitori) e media la comunicazione tra cellule.

Esistono 3 tipi di endocitosi: fagocitosi, pinocitosi ed endocitosi recettore-mediata. Con fagocitosi si intende l’ingresso di materiale voluminoso all’interno della cellula. La cellula avvolge il materiale esterno formando una vescicola e la trasporta nel citoplasma. Con pinocitosi si intende l’ingresso di liquido extracellulare e soluti di dimensioni minori nel caso di vescicole non selettive. L’endocitosi recettore-mediata coinvolge la presenza di recettori selettivi per un particolare ligando. I recettori sono legati nel versante intracellulare a una proteina chiamata clatrina. La clatrina è in grado di provocare una curvatura della membrana. Quando i recettori legano il ligando la curvatura si accentua finché non si arriva a formare una vescicola. Il colletto della membrana che tiene unita la vescicola viene tagliato da una proteina chiamata dinamina.

Fenomeni elettrici di membrana

Un microelettrodo inserito all’interno di un neurone in assenza di stimoli misura un potenziale negativo detto potenziale di riposo della membrana. Si dice che la membrana cellulare è polarizzata. A seconda del tipo di neurone il potenziale di riposo può variare dai -40 ai -90 mV. Una depolarizzazione si ha quando il potenziale di membrana si allontana diventando più positivo del potenziale di riposo. Una ripolarizzazione si ha quando il potenziale di membrana ritorna verso il potenziale di riposo. Una iperpolarizzazione si ha quando il potenziale di membrana si allontana diventando più negativo del potenziale di riposo. A cosa è dovuto il potenziale di riposo?

Immaginiamo di avere un contenitore in cui una membrana artificiale separa uno spazio intracellulare e uno spazio extracellulare. A cavallo dei 2 spazi c’è un voltmetro che misura la differenza di potenziale ai lati della membrana. Immaginiamo anche che la membrana sia selettivamente permeabile agli ioni K⁺. In questo primo esempio, i 2 compartimenti contengono la stessa concentrazione di KCl (1 mM). Gli ioni K⁺ sono liberi di attraversare la membrana,