Fisiologia - Appunti

Introduzione

La fisiologia è lo studio dei processi vitali e delle funzioni del corpo in condizioni normali.

I meccanismi omeostatici

Le membrane cellulari

Un organismo complesso è formato da organismi più semplici, ognuno dei quali è dotato di meccanismi omeostatici. Il più semplice meccanismo omeostatico è costituito dalla membrana biologica, una barriera che divide l'interno di una cellula dall'esterno, cosicché all'interno sia possibile concentrare le sostanze utili alla vita della cellula (proteine, lipidi, glucidi, acidi nucleici eccetera).

Naturalmente una membrana non deve isolare totalmente la cellula dall'ambiente, ma deve permettere un passaggio selettivo delle sostanze. Il compito di isolare la cellula è affidato alla membrana, che è costituita da un doppio strato fosfolipidico. Il compito di dare uno "scheletro" alla membrana è affidato ad altre proteine, che costituiscono una sorta di rete attorno alla membrana. Il compito di mantenere dei collegamenti con l'esterno è affidato alla proteine di membrana o glico-proteine che possono essere interne, esterne o di trans-membrana (tutti e tre i tipi di proteine sono dotate di mobilità).

Le vie di scambio create dalle proteine di membrana possono essere chiuse o aperte a seconda della situazione (via di scambio selettiva). Queste vie di scambio (canali) sono principalmente di tre tipi: i canali a controllo di ligando, i canali a controllo di potenziale, e le proteine di transmembrana.

I canali a controllo di ligando e a controllo di potenziale

I canali a controllo di ligando si aprono quando all'esterno una certa molecola (o ione ecc.) si lega alla proteina che forma la porzione esterna del canale (proteina-canale): essa cambia la sua struttura terziaria e come conseguenza apre il canale. Ogni proteina-canale infatti è un recettore per una o più sostanze specifiche. Una volta aperto il canale viene attraversato da varie sostanze che hanno i requisiti appropriati (grandezza ecc) per poterlo attraversare.

I canali a controllo di potenziale si comportano allo stesso modo, solo che la modificazione della struttura terziaria della proteina-canale è innescata da una differenza di potenziale. (in entrambi i casi un discorso analogo vale per l'espulsione di molecole dall'interno verso l'esterno).

Gli ioni e la cellula

Tutte le membrane cellulari presentano una differenza di carica elettrica (di solito -70 mV) rispetto all'esterno (potenziale zero), poiché sono separatrici di cariche: vari ioni sono presenti in differenti concentrazioni fuori e dentro la cellula, e dato che sono molto piccoli possono passare fuori e dentro per molti dei canali aperti. I più importanti ioni sono:

Alcuni tessuti hanno la possibilità di variare il loro potenziale (muscoli, nervi) e sono quindi detti tessuti eccitabili. Poiché le concentrazioni e le cariche variano, gli ioni hanno comportamenti diversi:

• Ione K+: Tende ad uscire, tende a farlo uscire, tende a farlo rimanere.
• Ione Na+: Tende ad entrare, tende a farlo entrare, tende a farlo entrare.

(*) Il gradiente di carica tende a far entrare gli ioni Na+: essi sono attratti dalle cariche negative presenti all'interno della membrana cellulare. Per quanto riguarda la parte esterna della membrana, sono essi stessi a causare la sua carica positiva (gli ioni Na+ sono appoggiati sulla parte esterna della membrana).

Le proteine di transmembrana

Amminoacidi, zuccheri, frammenti di lipidi e nucleotidi, eccetera devono essere trasportati dall'esterno all'interno e viceversa in altri modi: questi composti infatti sono troppo grandi per sfruttare i meccanismi fin qui esaminati. Essi vengono trasportati dalle proteine di transmembrana. Ci sono vari tipi di queste proteine, ognuna delle quali è un recettore specifico di una sostanza. Quando la parte esterna della proteina di transmembrana si lega alla propria sostanza, avviene un capovolgimento della proteina stessa che così trasporta all'interno la sostanza. Lo stesso meccanismo si ha quando bisogna portare all'esterno qualche molecola.

Nel caso che la molecola si liberi spontaneamente dalla proteina avremo un trasporto passivo, se invece c'è bisogno di una certa quantità di energia (ATP => ADP+P) per staccare la molecola dalla proteina, avremo un trasporto attivo.

La pinocitosi

Molecole ancora più grosse delle precedenti (steroidi, per esempio) non possono essere assimilate o espulse dalla cellula per mezzo delle proteine di transmembrana. In questo caso la cellula ricorre alla pinocitosi: la molecola in prossimità della membrana viene avvolta da una vescicola che facendosi strada attraverso la membrana stessa la trasporta all'interno o all'esterno. La pinocitosi è un sistema attivo (che richiede energia).

Acqua, pressione osmotica e pressione oncotica

L'acqua attraversa sempre liberamente (senza dispendio di energia) le membrane cellulari, essa è abilitata a passare attraverso tutti i canali cellulari che trova aperti. Poiché l'acqua tende sempre a livellare le eventuali differenze di concentrazione tra l'interno e l'esterno della cellula, la pressione osmotica in condizioni di equilibrio è nulla.

Una forza notevole invece è la pressione oncotica (o pressione osmotica delle proteine o pressione colloid-osmotica), infatti le proteine sono molto più concentrate all'interno della cellula che all'esterno.

La pompa sodio - potassio

Nel paragrafo "I canali a controllo di ligando e a controllo di potenziale" abbiamo visto che gli ioni possono passare liberamente per ogni canale aperto. Abbiamo visto anche che essi sono presenti in differenti concentrazioni dentro e fuori la cellula. Va da sé che ci deve essere un meccanismo attivo che mantiene il gradiente di concentrazione degli ioni sodio (Na+) e potassio (K+) diverso da zero. Questo meccanismo è la pompa sodio-potassio. Essa è costituita da proteine di transmembrana che, consumando ATP, espellono dalla cellula il sodio e immettono dall'esterno il potassio. L'attività della pompa sodio-potassio si interrompe quando si riduce la differenza di potenziale (ddp) della membrana.

Fisiologia del sistema nervoso - parte I

L'impulso nervoso

Introduzione

Il tessuto nervoso è un tessuto eccitabile, ossia capace di modificare la propria differenza di potenziale (ddp) e creare così segnali elettrici (impulsi nervosi) capaci di propagarsi lungo i prolungamenti delle cellule che collegano zone diverse dell'organismo, e fungere così da messaggi.

Gli organismi più semplici non hanno bisogno del sistema nervoso: quando un apparato deve comunicare qualcosa a un secondo apparato, immette nel liquido interstiziale una molecola, che prima o poi per diffusione giungerà all'apparato-bersaglio dotato di recettori adatti. Questo è il sistema più semplice e primitivo, ma è ovvio che sia adatto solo agli esseri viventi più semplici.

Un secondo passo, che nella scala evolutiva precede il sistema nervoso, è costituito dall'immissione delle molecole-messaggeri nel sistema circolatorio: in questo caso si ha la certezza che esse raggiungeranno gli organi bersaglio in tempi relativamente brevi (il sistema endocrino agisce in questo modo). L'"ultimo ritrovato" in fatto di comunicazioni tra diverse parti di un organismo è rappresentato dal sistema nervoso, che è immensamente più veloce e più sicuro dei precedenti.

Per mezzo del sistema nervoso, l'organo che trasmette e l'organo che riceve le informazioni sono materialmente collegati tra loro dalle fibre nervose, percorse da impulsi elettrici che raggiungono velocità anche superiori a 400 Km/h! Quando l'impulso giunge a destinazione, innesca la risposta molecolare tramite una sinapsi.

Depolarizzazione e iperpolarizzazione

La ddp tra l'interno e l'esterno della membrana è di 70 mV (considerando 0 l'esterno, all'interno si misurano -70 mV). Se si stimola elettricamente (con un impulso elettrico o onda quadra) la membrana si possono avere due casi:

• Somministrando cariche (-) alla superficie esterna diminuirà la ddp (depolarizzazione)
• Somministrando cariche (+) alla superficie esterna aumenterà la ddp (iperpolarizzazione)

L'impulso elettrico (o potenziale elettrotonico) somministrato si propaga sulla membrana cellulare diminuendo: esiste infatti una resistenza direttamente proporzionale alla lunghezza da percorrere e inversamente proporzionale all'area della fibra: lo stesso che avviene per la corrente elettrica in un filo. Si dice quindi che l'impulso elettrico subisce le proprietà di cavo.

Nel caso si crei una iperpolarizzazione con impulsi dalla ddp crescente si ottiene lo stesso risultato più o meno amplificato. Nel caso si crei una depolarizzazione si hanno due comportamenti completamente diversi, a seconda che si superi la ddp di soglia oppure no. Se si resta al di sotto del livello soglia si ha un comportamento qualitativamente simile a ciò che avviene con l'iperpolarizzazione. Se si varca il limite di soglia si innesca un fenomeno detto potenziale di azione.

Il potenziale d'azione

Il potenziale d'azione ha tre importanti caratteristiche:

• Il suo valore non cambia in funzione della ddp che lo ha innescato.
• Non subisce le proprietà di cavo (si trasmette inalterato lungo la membrana cellulare).
• Nel periodo nel quale avviene il potenziale viene sospesa l'azione delle pompe Na+/K+.

Il potenziale d'azione ha la seguente configurazione: inizialmente (da -70 mV alla soglia -50 mV) ha la forma di una sinusoide (nel disegno schematizzata con una linea a 45°). Superata la soglia in 1 o 2 millisecondi si verifica un picco che tocca quota +20 mV circa (depolarizzazione) e subito dopo scende a -80 mV (iperpolarizzazione), per poi riassestarsi nuovamente sui -70 mV, in tempi relativamente lunghi: 50 o 100 msec.

Durante l'iperpolarizzazione la membrana è meno eccitabile rispetto alla situazione di riposo, infatti durante quel periodo bisognerebbe passare per esempio da -80 a -50 invece che da -70 a -50. Il periodo di iperpolarizzazione è detto quindi periodo refrattario relativo. Il periodo durante il quale l'impulso supera gli 0 mV (periodo di overshoot) è detto periodo refrattario assoluto, in quanto non è possibile provocare in quel periodo alcun potenziale d'azione.

Nel grafico è anche indicata la conduttanza degli ioni Na+ e K+ durante il periodo del potenziale. Si noti che la conduttanza di Na+ segue il grafico del potenziale d'azione nella sua fase di depolarizzazione, mentre la conduttanza di K+ aumenta nel periodo successivo alla depolarizzazione. Questa differenza tra i comportamenti di Na+ e K+ è indispensabile alla "vita" del potenziale (vedi § successivo). NB: la conduttanza è una misura di permeabilità.

Il ciclo di Hodgin

Il fatto che il potenziale d'azione non subisca le proprietà di cavo è dovuto al fatto che esso è "mantenuto" dal ciclo di Hodgin, che consta di tre passaggi principali:

• a) Se la depolarizzazione supera la soglia, oltre a formare il potenziale d'azione, apre i canali a controllo di potenziale.
• b) Si verifica una migrazione di ioni attraverso i canali: l'entrata di Na+ supera grandemente la lenta fuoriuscita di K+. Lo sfasamento tra i movimenti di Na+ e K+, che si vede nel grafico, è indispensabile alla vita del potenziale d'azione.
• c) L'aumento della concentrazione di ioni Na+ provoca una ulteriore depolarizzazione, che riporta al punto (a) il ciclo.

Il ciclo si interrompe (tra i punti a e b) quando sono entrati ioni Na+ a sufficienza: essi infatti hanno colmato il gradiente elettrico e di concentrazione e non hanno più "motivo" di entrare. (grafico: picco a +20 mV). Quando Na+ si è fermato, K+ continua a uscire per "inerzia": ciò fa sì che la membrana vada incontro ad un processo di iperpolarizzazione (grafico: zona a -80 mV). Quando anche K+ smette di uscire, le pompe sodio-potassio ricominciano a funzionare e ristabiliscono i valori di concentrazione iniziale dei due ioni (grafico: -70 mV). È quindi questa differenza tra i comportamenti degli ioni Na+ e K+ che rende possibile il mantenimento del potenziale d'azione. Se gli ioni Na+ entrassero e gli ioni K+ uscissero contemporaneamente non potremmo avere né la depolarizzazione né l'iperpolarizzazione, cioè non avremmo un potenziale d'azione.

La propagazione del potenziale d'azione

Conduzione punto a punto - Il potenziale d'azione nel periodo di overshoot provoca un'inversione di carica nella zona della membrana interessata dalla sua presenza. Ciò provoca una ulteriore depolarizzazione che, superata la soglia, provoca un "nuovo" potenziale d'azione in una zona adiacente. Il potenziale d'azione si propaga quindi come una vibrazione su una corda tesa (NB: senza attenuarsi, però).

(*) La depolarizzazione avviene con meccanismo speculare su entrambe le facce della membrana. Consideriamo la faccia esterna. Essa è normalmente positiva (++++). Poiché per il breve tratto interessato dal potenziale d'azione ci sono delle cariche negative (- - - ), esse neutralizzeranno le cariche positive, e ciò provocherà una depolarizzazione (xxxx).

Il potenziale d'azione non torna indietro poiché lascia dietro di sé un membrana iperpolarizzata (-80 mV) per un periodo di tempo sufficientemente lungo. Si tratta quindi di una propagazione orto-dromica.

La conduzione saltatoria - Poiché le ramificazioni delle cellule nervose sono spesso ricoperte da una guaina mielinica isolante (interrotta a intervalli regolari, detti nodi di Ranvier), si è sviluppato un secondo metodo di conduzione: la conduzione saltatoria. Essa si basa sullo stesso principio della depolarizzazione, con la differenza che la depolarizzazione si fa "sentire" da un nodo di Ranvier all'altro, saltando quindi i tratti di fibra ricoperti dalla guaina mielinica (isolati elettricamente, quindi). Questo tipo di conduzione è più veloce della conduzione punto a punto, e può superare i 400 km/h.

Le sinapsi

Ci sono tre modi di trasmettere il potenziale d'azione da una cellula all'altra: la sinapsi molecolare, la sinapsi chimica ed il recettore. La sinapsi chimica è il metodo meno usato: tra i due neuroni c'è uno spazio molto limitato e pieno di ioni, cosicché l'impulso riesce a passare da una cellula all'altra.

La sinapsi molecolare è molto più frequente, e consiste in una struttura specializzata nel collegare due cellule nervose (un discorso analogo vale per i tessuti muscolari). È costituita da:

• L'estremità del neurite della cellula di partenza fornito di un bottone, detto pre-sinaptico, contenente delle vescicole con Acetilcolina (Ach), una sostanza neurotrasmettitrice.
• Uno spazio sinaptico, molto limitato.
• La membrana della cellula di arrivo, detta post-sinaptica. La membrana di questa cellula, nelle vicinanze della sinapsi, presenta un ingrossamento.

Nota - L'acetilcolina (Ach) è costituita dalla colina e da un radicale acetico. Questi due composti sono di norma presenti nello spazio sinaptico, quando ce n'è bisogno vengono catturati dal bottone pre-sinaptico che provvede in loco alla loro unione. Altre volte è possibile che l'acetilcolina venga sintetizzata nel corpo cellulare per poi venir trasferita al bottone tramite il flusso citoplasmatico anterogrado (dal corpo alla periferia). Per completezza diciamo che esiste anche un flusso minore che va dalla periferia al corpo cellulare, detto flusso citoplasmatico retrogrado.

Il potenziale d'azione viaggia sempre dal bottone pre-sinaptico alla membrana post-sinaptica. Nei prossimi paragrafi vengono analizzate in maniera più approfondita le varie fasi di trasmissione dell'impulso, dal bottone pre-sinaptico alla membrana post-sinaptica.

a - L'uscita dell'acetilcolina dalle vescicole

Quando il potenziale d'azione raggiunge il bottone pre-sinaptico con la sua carica fa aprire dei canali a ddp specifici per il Ca++, che entra nella neurone. Per comprendere l'importanza del Ca++ bisogna ricordarsi che:

• La membrana cellulare è caricata negativamente al suo interno.
• L'Ach è caricata positivamente, ma sta all'interno delle vescicole.
• Le vescicole sono caricate negativamente all'esterno.

Il Ca++ viene attratto sia dalle vescicole che dalla membrana, e quindi viene a formarsi un collegamento membrana-calcio-vescicole, con Ca++ che funge da ponte. Per essere precisi un piccolo aiuto viene fornito anche dalla momentanea inversione di polarità della membrana (periodo di overshoot): in quel momento infatti l'interno della membrana è positivo e l'esterno delle vescicole è, come al solito, negativo: si ha quindi attrazione. L'overshoot però è così breve che può dare solo una "spinta" alle vescicole, che vengono poi trattenute dagli ioni Ca++.

Una volta che le vescicole sono in vicinanza della membrana, si aprono e liberano nello spazio sinaptico l'acetilcolina. Nel frattempo, le pompe ioniche dappertutto presenti espellono gli ioni Ca++ e riportano il bottone pre-sinaptico in condizione di riposo.

(*) Perché gli ioni Ca++ tendono ad entrare nella cellula se, come abbiamo detto nel § I canali a controllo di ligando e a controllo di potenziale, essi sono più concentrati all'interno della cellula? La risposta a questa apparente contraddizione è che gli ioni Ca++ intracellulari sono racchiusi in vescicole, non sono liberi nel citoplasma. Se si confronta la concentrazione di ioni Ca++ liberi all'interno della cellula e all'esterno della cellula, si osserva che essi sono più concentrati all'esterno. Per questo motivo tendono a entrare.