Biofisica, Fisiologia umana

FISIOLOGIA

Studio delle funzioni degli organi e delle loro integrazioni che permettono

all’organismo :

Il mantenimento di condizioni che consentono la vita (omeostasi)

- L’interazione con l’ambiente

- Sviluppo e riproduzione

-

Il termine biofisica indica l’applicazione della fisica allo studio delle funzioni

biologiche: con questo termine si intende molto spesso lo studio della fisiologia delle

membrane eccitabili e della comunicazione fra le cellule.

Potenziale di membrana: c’è una differenza di potenziale fra l’interno e l’esterno

della cellula eccitabile (nervosa o muscolare). L’interno è meno negativo rispetto

all’esterno: la differenza di potenziale si può misurare inserendo un microelettrodo di

vetro molto sottile all’interno della cellula(citoplasma) e uno all’esterno (ambiente

extracellulare) . Questa differenza prende nome di potenziale di membrana (PM) ed è

-70\-80 mV.

L’attività delle cellule eccitabili consiste in una variazione del PM:

Depolarizzazione: diminuzione del potenziale in valore assoluto (da -70 a -50)

- Iperpolarizzazione: aumento del potenziale in valore assoluto (da -70 a -90)

-

I potenziali d’azione viaggiano per metri lungo gli assoni senza decremento

(trasmissione delle info) mentre i potenziali graduati o elettronici si esauriscono a

pochi micron di distanza dal punto in cui sono nati ( trasduzione e integrazione delle

info).

A livello delle sinapsi, il PDA generato nell’elemento presinaptico può modificare il

PM dell’elemento postsinaptico, favorendo la nascita di un nuovo potenziale d’azione

in quest’ultima cellula, oppure rendendo tale evento meno probabile.

Nel primo caso, la cellula postsinaptica si depolarizza, cioè il suo PM si sposta verso

zero. Nel secondo caso la cellula si iperpolarizza, cioè il PM si allontana ancora di

più dallo zero.

GENESI DEL PM. La genesi del PM dipende dal fatto che le concentrazioni degli

ioni all’interno e all’esterno della cellula non sono uguali tra di loro. Il Na+, il Ca++ e

il Cl- sono più concentrati all’esterno della cellula, il K+ lo è all’interno. Inoltre

l’interno della cellula è ricco di anioni non presenti nel liquido extracellulare, come

gruppi fosfati e proteinati. La membrana cellulare è una barriera dotata di una

permeabilità che separa due soluzioni con composizione chimica diversa.

Il sodio è dieci volte più presente all’esterno che all’interno e il potassio 20-40 volte

più concentrato all’interno

La polarizzazione è dovuta a movimenti diffusionali degli ioni e all’attività della

pompa Na+\K+. La membrana è normalmente più permeabile al K+ che non al Na+.

In condizioni di riposo la membrana è polarizzata, il versante interno è più negativo

dell’esterno. La polarizzazione è dovuta alla differente distribuzione degli ioni a

cavallo della membrana e la diseguale distribuzione degli ioni è dovuta alla

permeabilità selettiva della membrana.

CANALI IONICI

Gli ioni attraversano la membrana attraverso canali ionici formati da glicoproteine

transmembrana (integrali di membrana) i cui gruppi glucidici sporgono verso

l’esterno. Sono formati da più subunità uguali tra loro (canali omomerici) o diverse

(canali eteromerici) che delimitano un poro idrofilo. Attraverso il poro passa un

flusso di 10^8 ioni\ secondo: questo flusso non comporta nessuna spesa energetica

dato che è dovuto alle forze elettrostatiche e ai gradienti di concentrazione presenti

sui due lati della membrana.

Es. canale del sodio: α, β1, β2. La più importante è la α formata da 4 domini cilindrici

transmembrana che delimitano un poro idrofilo. Le altre 2 subunità sono molto più

piccole. Ogni subunità è a sua volta costituitaq1q da 6 domini successivi composti da

diversi tratti ricchi di aminoacidi idrofobici, che attraversano la membrana e sono

organizzati in alfa-eliche. Fra un’alfa-elica e la successiva (come pure fra un dominio

e l’altro) ci sono anse che si estendono all’interno o all’esterno della cellula. Gli

elementi che non hanno struttura ad alfa elica sono le regioni P.

I canali hanno selettività più o meno elevata: bisogna considerare non solo la

dimensione dello ione ma anche la sua sfera di idratazione. Gli ioni in soluzione sono

circondati da una corona di molecole d’acqua di dimensioni tanto più grandi quanto

più grande è la concentrazione della carica elettrica. Ad es. gli ioni Na e K hanno la

stessa carica elettrica ma dato che il Na ha dimensioni minori, la sua carica è più

concentrata e quindi ha un raggio d’azione maggiore per l’attrazione delle molecole

d’acqua (la nuvola di molecole d’acqua che circonda lo ione Na risulta maggiore di

quella che circonda il K).

Per passare attraverso il canale ionico, lo ione interagisce con un residuo

amminoacidico sulla parete del canale, rimanendo in relazione con una sola molecola

di acqua. Quindi le dimensioni del canale devono essere tali da permettere il

passaggio di uno ione legato a una molecola d’acqua (filtro di selettività). Es. il

canale del sodio può permettere il passaggio di Na+H2O e anche di ioni più piccoli

ma non di K+H2O!

CARATTERISTICHE DI PERVIETA’

Canale passivo: lascia passare ioni in condizioni di riposo. È sempre “aperto”,

- cioè fluttua continuamente tra una condizione di chiusura e di apertura. La

transizione fra i 2 stati è rapidissima, dell’ordine inferiore a 1 µsec. Coinvolto

nella genesi del PM a riposo.

Canali ad accesso variabile: sono di solito chiusi e l’apertura è regolata da

- una serie di meccanismi, detti gating. Questi possono essere: variazioni del

PM, variazioni dello stato di fosforilazione – defosforilazione del canale,

ligandi (ormoni, neurotrasmettitori) che interagiscono con siti specifici del

canale, deformazioni meccaniche trasmesse al canale da elementi

citoscheletrici. Responsabile dell’insorgenza di segnali elettrici.

Ad es. recettore- canale attivato dall’acetilcolina nella placca motrice: dopo il

legame con due molecole di Ach, il recettore apre un poro al passaggio degli

ioni (Na+ e K+). Fintantoché l’Ach rimane legata, il canale oscilla in modo

estremamente veloce (< 1 µsec) fra la condizione di chiusura e quella di

apertura. Durante la fase di apertura la corrente che passa per il canale rimane

costante.

Questi canali hanno 3 tipi di stato funzionale :

Chiuso : non consente il passaggio di ioni

- Aperto: in risposta a stimoli specifici. Consente il passaggio delle specie

- ioniche interessate. L’attivazione non determina un flusso continuo di corrente,

ma l’insorgenza di una ripetizione di impulsi di durata variabile e ampiezza

determinata. Questi segnali di corrente, con caratteristiche del tipo “tutto o

nulla”, di ripetono con frequenza variabile.

Inattivo o refrattario : stato in cui c’è lo stimolo che induce l’apertura però è

- chiuso. Nello stato refrattario il poro viene nuovamente obliterato, ma in un

punto diverso da quello su cui opera il meccanismo di gating.

La fosforilazione/defosforilazione può influenzare l’apertura del canale da

parte del meccanismo di gating specifico. Anche sostanze esogene di vario

tipo, generalmente tossine e veleni, possono modulare l’apertura del canale.

I meccanismi di inattivazione possono essere dovuti:

Dalla stessa variazione di PM che ha determinato l’apertura, in questo modo il

• canale può restare aperto per un tempo piuttosto breve

Dall’interazione del canale, sul lato citoplasmatico, con lo stesso ione che

• passa attraverso di esso. Questo succede nei canali per il Ca++ aperti dalla

depolarizzazione. Lo ione che passa attraverso il canale può innescare l’attività

di fosfatasi che defosforilano il canale inattivandolo. Alla base di questo c’è un

principio omeostatico: la concentrazione di calcio all’interno della cellula e

bassa e la sua concentrazione deve essere controllata perché un suo aumento

eccessivo può portare all’innesco di diversi meccanismi biologici.

Il canale passa dallo stato refrattario a quello chiuso (stato iniziale) e non quello

aperto.

Tecnica del patch- clamp: metodica che consente di registrare i flussi ionici attraverso

un singolo canale e di studiare le modificazioni del potenziale di membrana.

Applicare una pipetta dalla punta arrotondata e non tagliente alla superficie della

cellula e praticare una suzione dopo che si è stabilito il contatto con la membrana,

così che il vetro si saldi con alta resistenza al doppio strato lipidico: si è formato un

gigaseal. Una volta formato il gigaseal ci si trova nella configurazione cell- attached,

che consente di registrare le correnti che fluiscono attraverso i pochi canali presenti

sul pezzetto di membrana sottostante l’elettrodo. Si rende necessario bloccare gli altri

canali per studiare quello d’interesse.

Applicando un’ulteriore suzione è si può asportare il frammento di membrana

sottostante l’elettrodo senza danneggiare il sigillo fra pipetta e membrana circostante.

Così è possibile registrare le correnti totali che fluiscono attraverso tutti i canali

oggetto di studio presenti sulla membrana dopo aver bloccato o inattivato i canali di

altro tipo.

PROBABILITA’ DI APERTURA

Esprime il rapporto tra tempo trascorso dal canale nello stato aperto e il tempo totale

dell’osservazione. La P0 di un canale attivato ha sempre un valore <0 e >1 in quanto

il canale oscilla sempre tra lo stato aperto e quello chiuso (sempre chiuso=0, sempre

aperto= non esiste).

Il tempo medio di apertura e quello medio di chiusura esprimono la durata media

degli impulsi di corrente che si succedono nel tempo e la durata media degli intervalli

che intercorrono tra 2 aperture successive. Questi parametri ci permettono di capire se

un valore di P0 corrisponda a un elevato numero di aperture di breve durata o a un

basso numero di aperture di maggior durata.

CONDUTTANZA( G o γ, l’inverso della resistenza)

Esprime la sua capacità di far passare ioni in presenza di una forza motrice

elettrochimica che dipende dalla differenza di potenziale elettrico e dalla differenza di

concentrazione dello ione sui due versanti della membrana.

Il movimento degli ioni attraverso il canale può seguire la legge di Ohm (canale

ohmico a conduttanza costante), oppure se ne può discostare (canale rettificante, in

cui la resistenza del canale dipende dal verso