Fisiologia

Fisiologia

Fisiologia: scienza sperimentale, si caratterizza come lo studio del vivente che utilizza il metodo sperimentale per spiegare come funzionano le strutture, gli apparati e sistemi che costituiscono e fanno vivere gli organismi. Spiega e affronta i meccanismi biochimici/biofisici che sono responsabili dell'origine, sviluppo e progredire della vita. Una scienza sperimentale si avvale dell'utilizzo del metodo sperimentale, una validazione sperimentale sarà vera finché qualcuno dimostrerà non esserlo più, dunque è confutabile, l'attività scientifica non è dogmatica, cioè non parte da un preconcetto e poi diventa assoluta.

Esiste la fisiologia dell'uomo, medica, fetale, dell'uomo adulto e dell'invecchiamento, ma anche vegetale e delle specie microbiologiche. Fisiologia è anche sinonimo di normale, fisio-logos, discorso sulla natura, si contrappone a pato-logos, discorso sulla patologia.

Omeostasi

Omeostasi: stabilità delle condizioni. In caso di esami ematochimici si valutano le concentrazioni di più fattori; i soluti hanno in genere uno specifico range di concentrazione, quando essa varia si associa il valore ad un *, così da evidenziare l'alterarsi del valore fisiologico (es. glicemia a 130). L'uomo è dotato di un sistema omeostatico (ormonale, pancreatico, endocrino) che mantiene stabile la composizione, nel caso della glicemia, della concentrazione di glucosio nel sangue.

Il plasma è una parte essenziale del mezzo interno (=sangue), un mezzo circolante che passa attraverso i diversi organi scambiando ed assumendo sostanze, che può essere costantemente esposto a degli organi che ne regolano la composizione. Abbiamo comportamenti omeostatici che tendono a mantenere costante la concentrazione dei principi nutritivi nel nostro sangue. Il pz affetto da insufficienza cardiaca presenta diverse rotture omeostatiche poiché l'azione circolante del sangue è sostenuta dall'attività cardiaca stessa.

Fisiologia della membrana eccitabile

Fenomeni di natura elettrica si verificano nel limite della membrana plasmatica di una cellula. Il bilayer lipidico definisce il perimetro della cellula. Le membrane cellulari esprimono due attività elettriche fondamentali:

• Potenziale di membrana a riposo: attività a riposo rintracciabile nelle cellule di tutto l'organismo, sia eccitabili che non, è una separazione di cariche elettriche. Nelle cellule epiteliali dell'epidermide la membrana esegue una specifica separazione di cariche elettriche. L'ambiente intracellulare è più elettrico di quello extracellulare.
• Potenziale d'azione: è un fenomeno elettrico transitorio, repentino, reversibile ed eccitabile che contraddistingue le cellule eccitabili dell'organismo (neuroni, cardiomiociti, cellule muscolo scheletriche). Le cellule dotate di una membrana eccitabile si spostano da una condizione di elettronegatività interna cellulare presente in tutte le cellule, verso un fenomeno elettrico (potenziale d'azione) repentino, transitorio, reversibile e pervasivo.

Nel nostro organismo si individuano tre grossi comparti idrici (distribuzione dell'acqua corporea):

• 40% dell'H₂O presente nell'organismo è intracellulare.
• Vi è poi un interstizio, che contiene il 16% di H₂O, che costituisce il comparto extracellulare. Media gli scambi tra sangue e cellula, ha a che fare con la linfa che riversiamo nel plasma attraverso il dotto linfatico.
• Il terzo comparto, più piccolo, è il plasma (4%).

L'acqua nell'organismo costituisce il 60% del peso corporeo, le specie ioniche contenute nell'acqua sono distribuite tra plasma e interstizio. Soluti presenti nel comparto intra ed extracellulare: i due comparti sono separati da una membrana plasmatica. Na, K, Cl (tre soluti inorganici) e proteine:

• [Na⁺] → 142 meq/l nel plasma, 139 nell'interstizio, 14 nel plasma, è il catione del comparto extracellulare.
• [K⁺] → 4,2 meq/l nel plasma, 4 nell'interstizio, 140 nell'intracellulare, è il catione dell'intracellulare.
• [Cl^-] → 108 meq/l nel plasma, 108 nell'interstizio, 4 nell'intracellulare, è un anione.

Soluzione iso-osmotica rispetto al plasma [Proteine] → 1,2 nel plasma, 0,2 nell'interstizio, 4 nell'intracellulare. Osservando l'ambiente extracellulare abbiamo una maggioranza di Na⁺ e Cl^-, mentre nell'intracellulare troviamo K⁺ e cariche elettriche negative rappresentate da anioni organici (proteine).

A pH 7,4 si verifica la neutralità chimica dell'organismo, in cui le proteine presentano dissociazione dei gruppi carbossilici, sono anioni organici. Le proteine determinano il fenotipo delle cellule. Ciascuna specie ionica è dotata di un gradiente intra ed extracellulare di concentrazione, che rappresenta la differenza di concentrazione tra i due comparti.

Un neurone inserito in un contesto in cui rappresenta il comparto intracellulare grazie alla sua membrana plasmatica, mentre l'esterno è l'extracellulare, considerando le concentrazioni di Na, K, Cl e proteine si può rilevare la presenza di una differenza di potenziale elettrico del neurone utilizzando uno strumento detto voltmetro. Si mette dunque in relazione il voltaggio (mV) rispetto al tempo di osservazione, il potenziale di membrana è stabile nel tempo se il neurone non esprime particolare attività elettrica (è in condizioni di riposo). Misurando lo stesso ambiente non viene rilevato alcun voltaggio dai due micro-elettrodi esploranti, ponendo un elettrodo all'interno ed uno all'esterno della cellula ci accorgiamo che il potenziale di membrana assume valori negativi, attestabili intorno ai -70mV, dunque l'ambiente intracellulare è decisamente più elettronegativo, il potenziale di membrana è stabile nel tempo, viene detto potenziale a riposo. È quindi una separazione di cariche, per avere un potenziale di riposo stabile nel tempo la cellula deve spendere energia pompando alcuni elementi al suo esterno. Le cellule non eccitabili hanno solo il potenziale di membrana a riposo, quelle eccitabili, neuroni, muscolari e ghiandolari, hanno la possibilità di convertirlo in potenziale d'azione.

La membrana plasmatica (bilayer lipidico idrofobico) ha uno spessore di 4-5nm, presenta dei canali ionici, proteine intrinseche trans-membrana in grado di far passare specie ioniche, costituiti da diverse subunità (in genere 4 costituiscono un canale). I canali sono selettivi per una determinata molecola, il loro restringimento costituisce un filtro di selettività per determinate molecole, ciascun canale ionico riconosce lo specifico soluto da far passare. Il sodio rispetto al potassio ha una maggiore solubilità, ciò determina o meno il passaggio di una o l'altra molecola. Vi sono due tipi di canali ionici:

• Canali ionici passivi, sempre aperti, pur essendo selettivi.
• Canali ionici ad accesso variabile, dipendono da stimoli diversi, neurotrasmettitori, voltaggio dipendenti o per deformazione meccanica. Ognuno di questi stimoli fa in modo di far aprire la membrana così da permettere il passaggio di sostanze.

Per analizzare una membrana si considerano la differenza di concentrazione della membrana plasmatica, gradiente di concentrazione e passaggi, quanto dinamicamente influiscono tali fattori. In caso di canali ionici aperti, selettivi per Na⁺ o K⁺, ci si aspetta che la presenza di un gradiente di concentrazione a riposo possa determinare un certo flusso di ioni. Il K⁺, più concentrato nell'ambito intracellulare (---), tende a fluire, secondo gradiente dall'interno verso l'esterno della membrana, dunque esce una certa quota di cationi grazie ad una forza chimica, mentre si muove verso l'interno ad opera di una forza elettrica. Ciò significa che il gradiente di concentrazione attira la carica positiva di K⁺ verso l'esterno, ma la successiva alta concentrazione di carica negativa all'interno lo attira nuovamente. Il Na⁺ tende ad entrare nella cellula e compiere il processo inverso del K⁺ a causa delle concentrazioni. Il coefficiente di idratazione di Na⁺ attrae molta H₂O, esso è più concentrato nell'ambiente extracellulare meno elettronegativo (+++).

Per evitare che si generi una condizione di stabilità interviene la pompa Na-K ATP dipendente, che riprende il K⁺ dall'interno e lo riporta all'esterno e prende il Na⁺ all'esterno e lo riporta all'interno. Aggiunge Na⁺ e K⁺ dove sono già molto concentrati, dunque è necessario spendere energia, convertendo l'ATP in ADP+P, ogni volta che si scinde quel legame si consuma una certa quantità di kcal (7,5-7,6) poiché si agisce contro gradiente.

Potenziale a riposo e potenziale d'azione

Potenziale a riposo: differenza di potenziale che esiste a cavallo della membrana plasmatica e vale mediamente -70mV, si spiega facendo riferimento alla presenza di canali ionici passivi per il K⁺, in parte anche per il Na⁺. Potenziale d'azione: depolarizzazione e ripolarizzazione, è un evento repentino, grazie a ciò la cellula riesce a manifestare la sua funzione specifica, anche liberando un neurotrasmettitore, dunque la sua attività di membrana è associata anche alla liberazione di esso. Il neurone attraverso la capacità elettrica di membrana è capace di comunicare con altri neuroni. Nel caso del sistema muscolare l'attività elettrica di membrana attiva quella fisica del muscolo.

Caratteristica del potenziale d'azione: quando si attiva presenta una branca ascendente, la depolarizzazione ed una discendente, la ripolarizzazione. O si raggiunge una soglia per cui il potenziale d'azione diventa autorigenerante e non può essere fermato, altrimenti, se non viene raggiunto, la membrana non presenta questo evento repentino.

Es: parte da -60mV, c'è uno stimolo, si sale fino al potenziale di soglia (↑), avviene una depolarizzazione, si arriva a +60, si verifica poi una ripolarizzazione (↓), raggiungo il potenziale d'azione, fino a riscendere alla soglia e poi tornare ad un potenziale di riposo. I canali ionici che si attivano raggiunta la soglia sono i canali del Na⁺ voltaggio sensibili, si aprono tutti contemporaneamente. Il passaggio di apertura della membrana è repentino, quando si sta per chiudere il canale va verso una chiusura refrattaria, nel momento dell'esecuzione del potenziale d'azione la membrana plasmatica va in uno stato refrattario, dunque, nonostante riceva stimoli, non può eseguire una nuova azione, ma si chiuderà. Alcuni canali ionici hanno una cinetica più lenta, son quelli del K⁺ voltaggio sensibili, mentre entra il Na⁺ i canali del K⁺ completano la loro apertura, rimane dunque per il K⁺ la possibilità di uscire dalla cellula, si verifica una iperpolarizzazione, esce così tanto K⁺ da ripristinare il potenziale di riposo in pochi ms con numerosi cicli al secondo. La pompa Na-K tende a ripristinare i gradienti.

Conduttanza

Conduttanza: misura della permissività della membrana cellulare rispetto al passaggio di uno ione, essa deriva dalla natura della membrana e dalla presenza di strutture, ad esempio canali, specifiche per il trasporto dello ione. G calcola il valore della conduttanza rispetto al tempo di Na⁺ e K⁺ (G_Na, G_K). La conduttanza del Na⁺ si eleva in corrispondenza della depolarizzazione, mentre si riduce drasticamente dopo la raggiunta del suo picco, perché in stato refrattario i canali del Na⁺ fermano il flusso dello ione. Pur partendo dallo stesso punto, la cinetica di apertura dei canali Na⁺ è molto più rapida dei canali K⁺, essi si attivano alla disattivazione dei canali Na⁺.

Muscolo

Grazie al potenziale d'azione si innesca la contrazione. Muscolo striato → tendine → fascicolo → fibra muscolare → miofibrille. Cilindri di miofibrille popolano la fibra muscolare. Elemento funzionale è la striatura, funzionalmente il muscolo striato è un muscolo volontario, dunque siamo noi stessi a decidere se contrarli o rilassarli, possono però agire anche per via riflessa e contrarsi “spontaneamente”, si innesca una certa azione volontariamente e l'azione continua in automatico.

I muscoli lisci non hanno un'organizzazione sarcomerica, le fibre lisce presentano elementi contrattili, la cui forma varia quando si contraggono. Il muscolo liscio è involontario, ogni organo cavo dell'organismo o vaso ha una vasta componente di muscolo liscio, che può contrarsi o rilassarsi in seguito a determinati processi per conseguenza o effetto di nervazioni (SN autonomo).

Essendo striato e collegato al sistema nervoso è necessario conoscere il legame tra nervoso e fibrocellula muscolare striata, lo stimolo arriva dal nervoso al muscolo, che si contrae.

Giunzione neuromuscolare

La giunzione è tra la terminazione degli assoni del sistema nervoso periferico (assoni, neuroni, soma) e la fibrocellula muscolare striata. I rigonfiamenti presenti lungo l'assone son rigonfiamenti di mielina, che permette una più rapida cognizione del potenziale d'azione grazie alla condizione saltatoria che permette di aumentare la velocità 90-105 m/s. Sulla fibra muscolare ci sono più terminazioni assoniche, una singola terminazione individua dalla parte del muscolo una serie di creste (con apice e fondo), i canali del Na⁺, del potassio.

La giunzione col muscolo determina una sinapsi chimica, delle vescicole liberano un neurotrasmettitore, che interagendo con le fibre muscolari potrà accendere la membrana plasmatica della fibrocellula, la quale modificherà il proprio potenziale di membrana per far sì che l'intera cellula esprima interamente il potenziale d'azione. L'uso di un neurotrasmettitore rende le sinapsi più adattabili dal punto di vista funzionale.

Essendo una sinapsi chimica, ciò che libera il neurotrasmettitore si può chiamare elemento pre-sinaptico, mentre l'elemento che si trova davanti ad esso è l'elemento post-sinaptico, lo spazio extracellulare che si trova tra questi due elementi è lo spazio sinaptico, molto stretto, così che si possa concentrare per far sì che il neurotrasmettitore interagisca con l'elemento post-sinaptico. L'elemento pre-sinaptico contiene delle vescicole pre-sinaptiche, di 20-30nm, delimitate da un bilayer lipidico (doppio strato), le vescicole possono fondersi con la membrana e diffondere all'esterno il neurotrasmettitore, tutto ciò si verifica nella terminazione assonica del motoneurone. L'elemento post-sinaptico presenta dei recettori, i quali, una volta attivati dal neurotrasmettitore determinano qualcosa.

• Recettori ionotropici: determinano il passaggio di specie ioniche (canali ionici sensibili).
• Recettori metabotropici: determinano una variazione di secondi messaggeri (AMPc, GMPc, Ca²⁺), l'incremento di questo fa variare la quantità di proteine che viene mandata all'interno della cellula.

Processo di smaltimento del neurotrasmettitore, viene trasportato all'esterno attraverso sistemi di trasporto, o degradato enzimaticamente, è necessario evitare una sovraesposizione a neurotrasmettitori.

Un neurone riceve da 10³ - 10⁴ sinapsi al giorno, in seguito a tutti questi input il neurone si attiva o meno se raggiunge a soglia di attivazione. Il neurotrasmettitore più comune è l'acetilcolina, i recettori di essa sono nicotinici ionotropici.

I canali del Ca²⁺ voltaggio sensibili si aprono, è presente un gradiente elettrochimico, il Ca²⁺ entra dentro la terminazione assonica, le vescicole vengono messe in moto, orientate verso la membrana plasmatica della terminazione assonica, dunque le vescicole compiono con la membrana la fusione Ca²⁺ dipendente. La terminazione si depolarizza e si libera l'acetilcolina. I canali fanno passare rispettivamente Na⁺ e K⁺, passa più Na⁺ poiché più permeabile. Il potenziale della membrana striata a riposo vale -70mV, il Na⁺ entra attraverso i canali ionici e l'ambiente diventa meno elettronegativo, fino a raggiungere il valore di soglia del potenziale di membrana, questa variazione che fa salire il voltaggio è detta potenziale di placca. Raggiunta la soglia si attivano i canali di Na⁺ e del K⁺ voltaggio sensibili, tutta la membrana della fibrocellula esprimerà il potenziale d'azione, dunque si verificherà un evento elettrico. Perché il muscolo possa contrarsi è necessario il verificarsi di un evento elettrico, per avere il passaggio del potenziale d'azione alla cellula muscolare sono necessari 0,2-0,5 ms. L'acetilcolina liberata viene smaltita tramite l'acetilcolinesterasi, che la scinde in acetile e colina, quest'ultima verrà ricaptata dalle terminazioni assoniche, e riutilizzata per la formazione di nuova acetilcolina, l'acetile verrà trasportato nel circolo linfatico.

Accoppiamento, eccitazione, contrazione

L'evento elettrico di membrana e la contrazione del muscolo sono legati all'effetto accoppiante del Ca²⁺, dunque ne è presente molto dentro la fibrocellula e bersaglia le proteine contrattili. Sarcomero: unità muscolare, individuato tra due bande Z, con filamenti di actina e miosina, lungo circa 1,8-2μm. Le miofibrille contengono unità ripetitive di sarcomeri. Contrazione: filamenti spessi (actina) guardano verso quelli sottili (miosina), vi è un'interazione tra le teste miosiniche con l'actina e si verifica un accorciamento del muscolo. Monomeri di actina polimerizzati costituiscono filamenti di actina, sono contornati da proteine contrattili, troponina e tropomiosina C, I, T. Le teste miosiniche in certe condizioni possono legare l'actina, vi è un sito di legame per l'ATP, quando ruotano riducono la propria lunghezza, esprimono forza, si verifica una contrazione. Il Ca²⁺ nell'ambito della cellula muscolare striata è fisiologicamente sequestrato, dunque molto concentrato, in una struttura subcellulare, il reticolo sarcoplasmatico (specializzazione del reticolo endoplasmatico liscio del muscolo striato).