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 10⁸ 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 costituita 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.

Selettività dei canali

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 esempio, 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 pervietà

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.