fisiologia

Neuroni

I neuroni formano circuiti complessi fra loro e con altri elementi mediante sinapsi. La comunicazione avviene mediante segnali elettrici e/o chimici con funzione neuro-endocrina-paracrina. Comunicano scambiando impulsi elettro-chimici. Tutto l'assone è pervaso da elettricità. Sono cellule che di solito cambiano forma (cubica, rotondeggiante ecc.) ma la dimensione si aggira sempre su pochi micron (10-20). Le dimensioni sono quelle del corpo cellulare, ma ben sappiamo che queste strutture hanno delle estroflessioni, generalmente brevi (in neuroni specializzati si arriva a lunghezze di anche 1,20/30 metro). Questi neuroni sono estremamente specializzati nel loro compito, quindi sono diversi fra loro; hanno meccanismi specifici a seconda dell'azione: neuroni vicini meccanismo lento, neuroni motori lunghi e meccanismi rapidi.

I dendriti sono il sistema di input del neurone, il segnale deve poi essere elaborato per uscire; la decisione viene presa nel corpo cellulare.

• Sistema output, assone.
• Fermi perché l'elaborazione avvenuta nel corpo cellulare non è stata adattata al sistema di output.

L'assone termina con terminazioni massoniche che arrivano ai bersagli. Nei dendriti e ai terminali degli assoni gli eventi elettrici devono trasformarsi in eventi chimici. Il neurone del Purkinje del cervelletto è estremamente sviluppato perché vi arrivano moltissimi input.

Tipi di neuroni

• Bipolare, interneurone.
• Unipolare, neurone sensoriale ha una forma con un corpo neuronale centrale con due assoni: uno sopra e uno sotto. Corpuscolo di Pacini.
• Multipolare, motoneurone.
• Cellula piramidale.

Sistema nervoso centrale e periferico

Il sistema nervoso centrale comprende il cervello, ponte di Barol (che si collega al mesencefalo) e midollo spinale. Anche il cervelletto fa parte del SC. Il sistema nervoso periferico è tutto quello che è esterno (nervi, gangli ecc.).

Ictus

Si verifica quando si chiude un'arteria del cervello, bloccando il circolo e facendo morire una parte del cervello. Se l'arteria è grande, muore metà del cervello perché viene a mancare ossigeno e soprattutto glucosio. Noi nasciamo con un numero di neuroni in eccesso (il doppio di quelli che ci servono) e poco dopo alcuni (circa la metà) vanno in apostoli, quindi per tutta la vita dobbiamo fare i conti con un tessuto perenne. Il danno è quindi permanente. Nel sistema nervoso periferico si ha la possibilità di reagire perché un neurone danneggiato può riprendersi.

Potenziale di membrana

Un neurone, soprattutto il corpo, fa parte di un network immenso. Ma come funziona il suo sistema di signaling? Ciò è reso possibile perché esiste, come in tutte le cellule, una differenza di potenziale elettrico tra l'ambiente interno ed esterno: il potenziale di membrana (60-70 mV). Il segnale elettrico è una variazione di questo potenziale, la cellula si chiama in questo caso eccitabile (neuroni e cellule muscolari).

Come nasce il potenziale di membrana? Situazione ionica intra ed extra cellulare. Citoplasma con eccesso di cariche negative. Esterno eccesso di cariche positive.

Ioni e cariche

• Ioni positivi: potassio, calcio e sodio.
• Ioni negativi: cloro e proteine che hanno cariche perché il pH intracellulare è acido.

Prevalenza/Eccesso di cariche:

• Citoplasma: K⁺ e proteine-
• Esterno: Na⁺, Ca²⁺ e Cl-

La membrana opera una separazione di cariche elettriche. La causa di questa separazione di cariche è la membrana stessa. Perché le cariche si dispongono esattamente così e come fanno le cariche a spostarsi? Questi ioni stanno in questa posizione perché la membrana è semipermeabile, funge da barriera selettiva.

La tela fosfolipidica è una barriera selettiva, uno ione quindi non può passare con nonchalance dentro la membrana. Lo ione si muove come complesso ione circondato da acqua, si avvicina attirato dalle teste idrofile, ma poi si blocca perché le code fosfolipidiche sono idrofobe.

Passaggio attraverso la membrana

Massima permeabilità: poco peso molecolare e idrofobia.

• Diretto: molecole polari CO₂, N₂, O₂.
• Diretto: piccole molecole polari non cariche come l'etanolo.
• Passano con tempo: urea e acqua, ma l'acqua è idrofila però è anche un dipolo (via di mezzo fra polare e apolare). L'acqua un po' passa e un po' no. Qualsiasi cellula ha delle acquaporine che fanno passare la maggior parte dell'acqua.

Proteine di trasporto

• Canali: trasportano acqua e specifici tipi di ioni secondo gradiente. Sono dei buchi nella membrana che non hanno nessun rapporto con gli ioni che passano. Le proteine che li compongono formano dei canali che attraversano la membrana. Sono di solito regolari da stimoli specifici (diffusione ristretta) i canali non legano gli ioni.
• Trasportatori legano ioni o molecole.
• Pompe

Canali ionici, hanno una disposizione importante, sono in pratica dei canali trasportatori, che non vanno confusi con le pompe. Questi canali sono dei buchi nella membrana attraverso cui gli ioni possono scorrere, ma non si hanno interazioni. Strutture vuote attraverso cui passano gli ioni idratati, ma solo uno alla volta. Canali trasportatori, si hanno dei legami e c'è bisogno di un sistema ad altissima efficienza. Possono andare incontro a delle modifiche.

Tipi di canali

I canali sono formati da proteine trasmembrana. Dentro al canale c'è acqua e infatti vi passano gli ioni perché sono idratati. Nei canali c'è una regione stretta che fa passare gli ioni uno alla volta. Questi canali permettono un movimento ionico chiamato diffusione ristretta.

Esistono due grandi famiglie di canali ionici:

• Canali di fuga, sempre aperti. Hanno un ruolo fantastico nel determinare la semipermeabilità della membrana.
• Ad accesso variabile, con molte sottofamiglie.

Gradiente

Altra cosa importante è il gradiente, ovvero la differenza la quale può essere:

• Chimico – differenza di concentrazione, influenza il movimento degli ioni e dei soluti (qualsiasi sostanza). Una maggiore concentrazione all'interno va a spingere spontaneamente un movimento in una direzione, ma questo non è unico ed unidirezionale; in minima parte/proporzione si avrà anche nella direzione opposta (es. ogni 50 molecole che escono, 1 ne entra). Questo cessa quanto il gradiente finisce e si arriva quindi ad uno stadio di equilibrio dinamico. Non essendo inoltre dipendente dalle cariche, va ad influenzare tutto il resto, sempre ammesso che la membrana sia semipermeabile - condizione necessaria.
• Fisico/Elettrico – differenza di potenziale che va ad influire sul movimento delle cariche elettriche, influenza infatti solo le sostanze elettricamente cariche/ioni. Una carica positiva quindi tende a spingere fuori - gradiente chimico - quindi il potassio, più concentrato dentro. All'esterno ho un eccesso di cariche positive.

Attraverso i canali di fuga si genera la differenza di potenziale. Dobbiamo parlare però di Gradiente = differenza. Qualsiasi movimento di sostanze attraverso la membrana può essere chimico, elettrico o entrambi.

• Gradiente chimico: differenza di concentrazione e influenza qualsiasi sostanza (non solo gli ioni).
• Gradiente elettrico: differenza di potenziale elettrico (20-90 mV) influenza solo le sostanze elettricamente cariche.

Tenderà a portare all'esterno il potassio e il sodio all'interno. Voltmetro: ho una distribuzione di ioni equa ai due lati, inizialmente, in quanto ho lo stesso numero di ioni.

• Nel caso in cui io ho una membrana che non è semipermeabile il mio voltmetro mi starà ad indicare 0 in quanto non ho separazione di cariche e non ho una ddp. Le quantità molari che ho, sono uguali. Ho una separazione di cariche, ma non è sufficiente per una ddp. Quantitativamente uguale, in quanto ho la stessa quantità di cariche dalle due parti. No variazioni.
• Se invece io ho una membrana semipermeabile, il potassio può passare ed andare verso l'esterno tramite (solo) i canali di fuga del potassio.

Potenziale di equilibrio di uno ione

Il potassio usa il gradiente chimico per uscire (quello elettrico non è ancora presente). Partendo quindi un flusso di K⁺ verso l'esterno, non appena il primo esce si va a creare una differenza di cariche tra interno ed esterno – l'esterno infatti in eccesso di cariche positive, questa differenza, anche se più che minima va a creare un minimo gradiente elettrico.

• Forte gradiente chimico - spinge fuori il potassio (tanto).
• Basso gradiente elettrico – spinge ad entrare il potassio (poco).

Si ha quindi un rallentamento della ddp, la quantità che esce e che entra tenderà ad essere sempre più simile, fino al raggiungimento di un equilibrio chimico.

Potenziale di equilibrio di uno ione: -75mV è il potenziale di equilibrio del potassio, quello del sodio è invece di +45mV (la membrana non è permeabile per il sodio). Ho un interno positivo, il sodio tende ad entrare e tende a rendere positivo l'interno, opposto rispetto al potassio (in quanto sono ioni di segno opposto). Il valore dipende unicamente dal potassio, che resta comunque più concentrato all'interno e tende sempre ad uscire, ma l'equilibrio tende a farlo rientrare.

Se la permeabilità fosse uguale per tutti gli ioni, si distribuirebbero ugualmente. DDP=0. Se la membrana non è semipermeabile le cellule non avrebbero un potenziale di membrana. Partiamo da questo ideale: ambienti elettricamente neutri. Mole di K⁺ e proteine- solo dentro e mole di Na⁺ e Cl- fuori. Questo non mi basta perché ho una mole di tutto bilanciata, quindi non ho una differenza di potenziale. Fingiamo che la membrana abbia solo canali di fuga per il potassio. Potenziale di equilibrio per il potassio: -75mV (il - è una convenzione internazionale non esiste un segno).

Funzionamento della membrana

Stiamo cercando i meccanismi secondo cui la membrana si lascia attraversare liberamente da alcuni ioni e non da altri, portando alla nascita di una differenza di potenziale elettrico fra l'interno e l'esterno. Qualsiasi membrana di qualsiasi cellula è molto più permeabile al potassio di qualsiasi altro ione, questo perché esistono dei canali specifici per il potassio, chiamati canali di fuga, che fanno passare liberamente il potassio. Il potassio è soggetto al potenziale chimico che lo spinge fuori e a quello elettrico che invece lo attira all'interno; attraverso questi due flussi si raggiunge un equilibrio. La legge che gestisce questo rapporto di concentrazioni è la legge di Nerst, dove la differenza di potenziale è -75mV.

Nei astrociti il valore si avvicina tantissimo al potenziale di equilibrio del potassio (-75mV). Nelle altre cellule però dobbiamo tenere conto anche dei canali di fuga per il sodio, che viene spinto all'interno dai due gradienti sia chimico che elettrico; fortunatamente questi canali sono davvero molto pochi e quindi non tutto entra, la resistenza di membrana per il sodio è molto alta essendoci pochi canali di fuga.

Se l'interno è negativo (K⁺) e vi mandiamo dentro ioni positivi (Na⁺), la negatività tenderà verso 0? Sì, poi l'avvicinamento dipende da quanti ioni sodio entrano. Il potenziale di equilibrio del sodio è +40/50 e tenderebbe a entrare se non ci fosse il potassio fino a raggiungere il suo stesso equilibrio, si parla di depolarizzazione. A causa di questa entrata del sodio il potenziale di membrana passa da -75mV a -60mV, non è un potenziale di equilibrio, ciò accadrebbe solo se in gioco ci fossero solo sodio e potassio. La membrana tende a -75mV ma entrando il sodio il valore va verso lo 0 (-60mV). Siamo lontani da entrambi i potenziali di equilibrio, il sodio tende a entrare lentamente e il potassio a uscire lentamente, se mando avanti questo sistema il valore trovato di -60mV non resta stabile, dobbiamo trovare un modo per mantenerlo costante a un valore di -65mV. Tutto ciò è dato dalla pompa sodio-potassio che prende gli ioni e li riporta da dove sono venuti: 2 ioni potassio da fuori da dove ce n'è poco li porta dentro; 3 ioni sodio dall'interno e li porta fuori dove il sodio è molto di più. Così facendo però lascia una carica negativa (3 a 2), si dice essere elettrogenica e contribuisce alla negatività interna, con 5mV. Il potenziale di membrana di un neurone è perciò -65mV. Ancora una volta -65mV non è un potenziale di equilibrio perché ci saranno sempre un po' di ioni che entrano ed escono. Teoricamente però con la pompa il valore si mantiene stabile, con un piccolo effetto perché il vero gioco lo fanno i canali di fuga e il loro numero sulla membrana. Il cloro all'esterno è tanto concentrato quanto il sodio, e all'interno è poco concentrato, il potenziale di equilibrio del cloro è uguale al potenziale di membrana -65mV, perciò il cloro è già in equilibrio e non influisce sul potenziale di membrana.

Pompa sodio-potassio

La pompa sodio-potassio è un enzima attivo perché senza ATP non agisce, siamo davanti a un esempio di allosterismo, cioè modifica la sua struttura in base al legame che effettua con altre sostanze grazie a un'iniezione di energia dato dall'attaccamento di qualcosa alla proteina che reagisce deformandosi e cercando la posizione più stabile. La pompa nel modificarsi deve tenere conto di due cose:

• Si legano gli ioni.
• Si lega l'ATP.

Nota bene: prima si legano gli ioni sodio poi può essere fosforilata dall'ATP. È sodio dipendente. Se si legassero solo 2 sodio l'ATP non si potrebbe legare alla pompa. Queste pompe funzionano solo se hanno il substrato su cui lavorare. Tradotto in linguaggio allosterico l'ATP si lega all'interno e se non ci fosse la modifica data dal legame con il sodio questa tasca interna non si mostrerebbe e l'ATP non si legherebbe. La pompa ha 10 ripiegamenti ad alfa-elica, un ripiegamento che serve a mascherare all'interno dell'elica i gruppi idrofili, e ogni 3 amminoacidi si forma un ponte idrogeno. Per essere efficace il sodio si lega ai 3 siti ad alta affinità, solo in questa condizione si può fosforilare la pompa tramite l'azione dell'ATP; si ha una trasformazione conformazionale verso l'esterno che modifica l'affinità dei siti per il sodio in modo tale che questi ioni vengano mandati fuori, contemporaneamente i siti del potassio aumentano l'attività in modo che questo si possa legare. Si ha un'ulteriore conformazione, però verso l'interno, che poi diminuisce l'attività per i siti di potassio che viene rilasciato all'interno. C'è un rapporto causa effetto continuo. Stabilito che il nostro potenziale di membrana per i neuroni è -65mV. I movimenti ionici secondo gradiente nei canali di fuga sono spontanei ovvero non c'è bisogno di ATP, si chiama diffusione ristretta.

Antiporo/trasporto attivo

La pompa sodio-potassio si può quindi definire un antiporo/trasporto attivo e agisce attraverso il legame di ioni e fosforilazione, in associazione a delle modifiche allosteriche della struttura. È una ATPasi dipendente, quindi non funziona in assenza di ATP, ma questa non è in grado di interagire con la struttura se non vi sono legate almeno tre molecole di sodio/Na. E se non vi sono tre ioni sodio che vi si possono legare significa che ci si trova in una condizione in cui il potenziale di membrana va già bene, quindi non è necessario il lavoro della pompa in quel determinato momento.

Affinché la pompa funzioni è necessaria anche una modifica allosterica, in quanto allo stesso modo in cui si legano 3 Na si devono poter legare 2K. Questa pompa è formata da una proteina transmembrana che è formata da due subunità α e da due β. Le due α hanno un ruolo fondamentale nel funzionamento della pompa, le β hanno invece un ruolo di regolazione e non si sa bene cosa facciano.

• α2β2β ha 10 attraversamenti nella membrana cellulare formati da α-eliche sul lato (fondamentali e unica condizione in cui una proteina riesce ad entrare in una membrana e ad attraversarla).

I siti che legano gli ioni hanno affinità variabile, e questa è una condizione fondamentale in quanto, se non si avesse un cambiamento di affinità non potrebbe andare a trasportare a fasi alterne due ioni di tipo diverso.

Le diverse fasi sono:

• Presenta 3 siti ad alta affinità per il sodio Na, quando questi si riempiono si ha una modifica strutturale / conformazionale che permette l'aggancio di ATP in quanto viene esposto il sito per l'ATP.
• L'ATP costringe una nuova modifica conformazionale ed il ribaltamento della pompa.
• Na viene rilasciato all'esterno, e questo è possibile in quanto si ha una modifica conformazionale che porta ad una diminuzione di affinità per il sodio. Tende quindi a buttarlo fuori.
• I siti che hanno perso affinità per il sodio, diventano siti ad alta affinità per il potassio K, l'attacco del potassio crea un ingombro tale da rendere necessaria la perdita del gruppo fosfato.
• A questo punto, come avvenuto per il sodio, si avrà una perdita di affinità per gli ioni potassio che verranno rigettati all'interno della cellula tramite una modifica di affinità che porterà alla situazione iniziale dove si ha una situazione conformazionale di alta affinità per il sodio. Si va a chiudere una sorta di ciclo, ritornando alla situazione del punto 1.

L'azione dei trasportatori è infatti ciclica e per ogni modifica conformazionale che avviene è sempre inclusa un'ulteriore modificazione. Gli eventuali movimenti degli ioni sono spontanei.

Membrana semipermeabile

La membrana è semipermeabile (in ordine decrescente) a: potassio, sodio e cloro. È fondamentale in quanto permette la separazione degli ioni e crea una ddp ad un valore di circa -65mV. L'interno della cellula viene indicata con il segno - per convenzione, in quanto è un ambiente negativo.