Fisiologia cellulare

Fisiologia cellulare

Lezione 1

Introduzione alla fisiologia

Fisiologia → studio del normale funzionamento di un organismo vivente e delle parti che lo compongono, compresi i processi chimici e fisici. La funzione di un tessuto è strettamente legata alla sua struttura.

Ci si può approcciare alla fisiologia in diversi modi:

• Approccio teleologico: caratterizzato da un perché finalistico, es. Perché esiste? Qual è la sua funzione?
• Approccio meccanicistico: caratterizzato da un perché causale, es. Come avviene? Qual è il processo (meccanismo) attraverso cui avviene?

Spesso nello studio della fisiologia si utilizzano dei grafici. Si pone in x la variabile sperimentale (variabile indipendente poiché non dipende dal nostro corpo) e in y la risposta dell’organismo (variabile dipendente da x).

Omeostasi

Il principio base è l'equilibrio tra sistema e ambiente (es. equilibrio tra cellula e ambiente extracellulare). Attraverso scambi e variazioni continue l’omeostasi mantiene parametri vitali fondamentali per un buon funzionamento del nostro organismo.

Proprietà dell’omeostasi (postulati di Cannon):

• Il sistema nervoso ha un ruolo centrale (integrazione e coordinazione); oggi sappiamo che anche il sistema endocrino ha un ruolo centrale.
• Livello tonico di attività: consideriamo un esempio, a seconda di un segnale da parte di un neurone, un vaso sanguineo può dilatarsi o restringersi. (Nel caso specifico solitamente un aumento del segnale neuronale alla parete vascolare ne provoca un restringimento, al contrario una diminuzione provoca una dilatazione).
• Controllo antagonista: il sistema nervoso è divisibile in simpatico (ortosimpatico) e parasimpatico, solitamente l’ortosimpatico è attivatore dei processi in condizioni di stress, mentre il parasimpatico è regolatore.
• Segnali chimici con effetti diversi a seconda della cellula bersaglio: ad esempio l’epinefrina (meglio conosciuta come adrenalina), se si lega ai recettori dei muscoli scheletrici, i vasi muscolari si dilatano, se invece si lega ai recettori dell’intestino, i vasi intestinali si contraggono.

Meccanismi di controllo base

• Controllo locale: risposta limitata alla regione dove si è verificato un cambiamento, di solito è dovuta a meccanismi autocrini (meccanismi autocrino: sistema di segnalazione cellulare in cui una sostanza prodotta da una cellula va a modificare il comportamento della cellula stessa) e paracrini (meccanismo paracrino: un messaggero chimico viene prodotto da una cellula al fine di modificare la fisiologia delle cellule che la circondano).
• Controllo riflesso: il centro di controllo si trova all’esterno della regione interessata, intervengono nel processo l’endocrino e il nervoso. Un riflesso è una risposta (motoria o secretoria) a uno stimolo, la via percorsa per arrivare a questa risposta è chiamata arco riflesso.

Questo percorso è caratterizzato da diversi meccanismi: si riceve uno stimolo, che viene recepito da un recettore sensoriale, gli impulsi nervosi si propagheranno lungo gli assoni di neuroni sensitivi che costituiscono la via afferente (sensoriale) per il centro d’integrazione (si trova sempre nel SNC; nel riflesso più semplice questo è costituito da una singola sinapsi tra un neurone sensitivo e uno motore). Il centro rielabora l’informazione e la trasmette a neuroni motori che costituiscono la via efferente (motoria). L’impulso motorio è poi trasmesso a una regione (es. muscolo o una ghiandola) chiamata effettore, si giungerà dunque a una risposta.

Riassumendo: stimolo, recettore sensoriale, via afferente, centro integrazione, via efferente, effettore, risposta. Vi sono notevoli differenze tra la risposta endocrina e quella nervosa: nel primo caso lo stimolo viene recepito a livello del centro di controllo endocrino che creerà un segnale efferente che colpirà un effettore, non vi sono recettori sensoriali per questa via. La risposta nervosa può generare anche una risposta endocrina, infatti il segnale efferente trasmesso dal SNC può essere recepito dal centro di controllo endocrino che produrrà una risposta endocrina.

I sistemi di controllo sono 3: nervoso, endocrino, neuroendocrino e si differenziano per alcuni aspetti:

• Specificità (il nervoso è il più specifico)
• Velocità (il nervoso è il più veloce)
• Durata (l’endocrino è il più lento)
• Natura del segnale (elettro-chimico sist. Nervoso; chimico endocrino)
• Codifica intensità dello stimolo

Feedback

I meccanismi di feedback consistono in una serie di eventi necessari per monitorare, valutare, modificare lo stato di un parametro fisiologico. Questi parametri non hanno un valore preciso, ma un ambito normale.

Come si può vedere dal grafico, i sistemi omeostatici tendono ad agire in un’area chiamata “ambito normale” che oscilla tra valori vicini a uno di riferimento chiamato setpoint che si cerca di mantenere costante. Come possono essere ridotte o eliminate le oscillazioni di valore del grafico? Aggiungendo un controllo anticipatorio a feed-forward. I ritmi biologici sono causati da variazioni di set point es. ciclo circadiano.

Feedforward

Nel caso di un controllo a feedforward, la perturbazione viene rilevata dal sensore prima che induca i suoi effetti sullo stato del sistema; questo significa che il controllore deve essere in grado di calcolare gli effetti che la perturbazione indurrà sulla variabile regolata. I sistemi a feedforward hanno il grande vantaggio di poter evitare che la perturbazione eserciti i propri effetti, prevenendo quindi la necessità di interventi correttivi.

Feedback negativo

Risposta inibitoria nervosa che segue lo schema di ricezione impulso e risposta generale (stimolo, recettore, via afferente, SNC, via efferente, effettore, risposta inibitoria). Interviene in caso di squilibri nel nostro organismo, causati da stimoli, riportando la situazione allo stato originale.

Es. pressione sanguinea alta, viene rilevata dalle cellule nervose presenti nelle pareti dei vasi, viene inviato un input all’encefalo che a sua volta manda un output che dilata i vasi e diminuisce il battito cardiaco, ripristinando una situazione “normale” per l’organismo. Il feedback negativo è dunque omeostatico.

Un esempio di esperimento a feedback negativo in un recipiente contenente acqua, un termometro e un filo collegato a un riscaldatore: il termometro percepisce una diminuzione della temperatura (stimolo), l’informazione è trasmessa mediante un cavo (via afferente) a una scatola di controllo (in questo caso il riscaldatore) che invia un output e attraverso un connettore (via efferente) si riscalda un filo (effettore), si otterrà quindi un aumento della temperatura (risposta). Un feedback negativo solitamente smette di inibire un processo dopo aver causato lo stimolo inibitorio (risposta), in casi di segnali di errore, però, si mantiene attivo.

Feedback positivo

Risposta che stimola un’amplificazione, vi è dunque una grande intensificazione del processo in corso, che se non è controllata può portare addirittura alla morte. Il feedback positivo non è omeostatico.

Es. parto, le cellule nervose valutano lo stiramento della cervice, è inviato un input all’encefalo che manda un output rilasciando ossitocina nel sangue che provoca una contrazione più energica della cervice. Per poter spegnere questo feedback è necessario un fattore esterno altrimenti si creerebbe una situazione ciclica, questo fattore può ad esempio essere una potenziale fine dello stimolo per via “naturale”; nel caso dell’ossitocina il fattore naturale è la nascita del feto.

Il sistema nervoso

Si differenzia tra i diversi organismi per vari aspetti pur mantenendo gli stessi tipi cellulari e non cambiando le reazioni chimiche. Ad esempio si nota un aumento del volume correlato alle dimensioni corporee (il cervello della balena è più grande del nostro) in questo caso aumentano le dimensioni dei somata cellulari; ci può essere un aumento della complessità strutturale per via di un numero maggiore e di più complesse connessioni neuronali (sinapsi) e per l’aumento delle cellule gliali (astrociti); ogni specie sviluppa parti specifiche del cervello a seconda delle proprie esigenze.

Il sistema è formato da neuroni e nevroglia (microglia, astrociti, oligodendrociti, cellule di Schwann).

Derivazione embrionale ectodermica

Astrociti

Cellule staminali, si occupano della sinaptogenesi, modulano l’attività elettrica dei neuroni, ne sono i regolatori omeostatici e metabolici, li difendono da stimoli nocivi, formano la barriera emato-encefalica (BBB) e regolano il flusso ematico cerebrale.

Barriera ematoencefalica (BBB)

Filtro costituito da astrociti tra i capillari e il tessuto nervoso che ha il compito di: regolare il passaggio di sostanze del sangue ai neuroni (es. ioni e glucosio), protezione (impedisce il passaggio di tossine, batteri). E’ formata dalle cellule dei capillari sanguinei (endotelio), unite tra di loro da giunzioni serrate. La barriera pur regolando il passaggio delle sostanze non rende il sistema nervoso centrale immunoprovilegiato. Gli astrociti permettono il passaggio di sostanze grazie a proteine canale quali le acquaporine; molte proteine (ormoni, citochine, farmaci) non passano la barriera, le cellule immunitarie passano in parte. Vi sono delle zone del SNC in cui la BBB è modificata per consentire al cervello di monitorare la concentrazione degli ormoni nel sangue (es. area postrema) o per liberare sostanze nel sangue (neuroipofisi).

Oligodendrociti e cellule di Schwann

Gli oligodendrociti costituiscono la maggiore popolazione proliferante nel tessuto nervoso adulto (compreso l’uomo), si occupano della mielinizzazione nel SNC, ciò permette neuromodulazione (regolazione segnali elettrici+ supporto trofico e metabolico agli assoni). Le cellule di Schwann si occupano della mielinizzazione nel SNP.

Derivazione embrionale mesodermica

Microglia

Macrofagi, rimuovono detriti che si formano durante il normale sviluppo del SN, sinaptogenesi, risposta innata, fagocitano microbi e tessuto danneggiato. Può essere ramificata/non ramificata/ameboide/attivata e non fagocitica/attiva e fagocitica.

Il neurone

Cellule estremamente polarizzate, hanno una struttura asimmetrica 3D mantenuta grazie al citoscheletro (struttura filamentosa di microtubuli, microfilamenti e neurofilamenti). Il citoscheletro regola anche il trasporto di sostanze attraverso il neurone, il processo è spesso mediato dalla chinesina che si attacca ai microtubuli e permette il passaggio di vescicole. Vi sono due tipi di trasporto:

• Trasporto assonico rapido (max 40 cm/giorno; range 200-400mm/giorno) sia anterogrado che retrogrado; vengono utilizzate proteine motore (chinesina) che muovono le vescicole lungo i microtubuli.
• Trasporto assonico lento/assoplasmatico (1-5mm/giorno) solo anterogrado, non utilizza energia, è una sorta di trasporto passivo. È definito così poiché veicola l’assoplasma in una sola direzione, dal corpo cellulare ai terminali assonici e interviene nella formazione di nuovo assoplasma negli assoni in via di sviluppo o che si stanno rigenerando.

Corpo cellulare

Contiene il nucleo, il citoplasma con mitocondri (forniscono energia), ribosomi e apparato del Golgi (sintesi proteica), lisosomi, piccole masse di RER chiamate corpi di Nissl (produzione proteine per rigenerazione degli assoni).

Dendriti

Da δενδρον (albero), caratterizzato da diversi processi neuronali, ha una funzione ricettiva (arrivano i segnali in entrata).

Assone

Propaga gli impulsi, è una sorta di proiezione del corpo allungata e cilindrica, contiene microtubuli, neurofibrille, mitocondri, non presenta RER e quindi non è capace di sintesi proteica. È la parte del neurone che può andare incontro a mielinizzazione, processo che permette un isolamento del segmento dell’assone dal punto di vista elettrico e un aumento della velocità di propagazione.

Classificazione neuronale

Il SN umano contiene più di 100 miliardi di neuroni di almeno 10.000 tipi diversi.

I neuroni possono essere classificati dal punto di vista strutturale, funzionale, del neurotrasmettitore, in base alla lunghezza assonale:

• Strutturale:
  • Multipolari: presentano numerosi dendriti e un singolo assone es. neuroni encefalo.
  • Bipolari: un dendrite principale e un assone es. neuroni retina occhio.
  • Unipolari: numerosi dendriti e un assone, hanno funzione di recettori sensoriali.
• Funzionale:
  • Sensitivi/afferenti (unipolari) → mandano impulsi verso SNC.
  • Motori/efferenti → mandano impulsi al di fuori SNC agli effettori.
  • Interneuroni/neuroni associativi (multipolari) → processano informazioni in arrivo dai neuroni sensitivi ed elaborano una risposta adeguata attivando motoneuroni appropriati, si trovano nel SNC.
• Lunghezza assonale:
  • Neuroni di I tipo del Golgi o neuroni di proiezione: neuroni che possiedono lunghi assoni che si estendono da una parte del cervello all’altra.
  • Neuroni di II tipo del Golgi o neuroni a circuito locale: neuroni che possiedono assoni più corti che non si estendono al di là dei dintorni del corpo cellulare.

Lezione 2

La membrana neuronale

Presenta doppiostrato fosfolipidico, caratterizzato da fosfolipidi anfipatici. Permette lo scambio di sostanze mediante diversi tipi di trasporto.

Trasporto passivo

Diffusione semplice

Trasporto passivo tipico di gas respiratori come O₂, CO₂, N₂, di ormoni steroidei, lipidi e alcoli; in generale dunque molecole non polari (neutre) e piccole, compresa H₂O. Si basa sulla diversa concentrazione dei soluti, dall’energia cinetica delle particelle che acquisiscono con moti casuali (funzione della temperatura); non richiede energia (unica energia usata è l’energia cinetica delle particelle); il flusso prosegue finché la concentrazione non diventa uniforme, all’equilibrio pur rimanendo infatti le particelle in costante movimento la risultante della quantità di moto diventa 0 e ciò impedisce un flusso di materia. I flussi per diffusione sono molto efficaci in scala cellulare e non in più grandi come l’organismo poiché sono rapidi a breve distanza, ma lenti a lunga. La diffusione può verificarsi in un sistema aperto oppure attraverso una barriera tra 2 diversi sistemi es. membrana cellulare. È direttamente proprozionale alla superficie della membrana, alla differenza di concentrazione; indirettamente proporzionale alla resistenza della membrana (vi sono infatti regioni idrofobe e idrofile), allo spessore della membrana.

Diffusione facilitata

Può avvenire attraverso canali ionici oppure attraverso proteine-canale, nel primo caso vi sono residui molecolari che selezionano quali ioni far passare e si tratta di canali sempre aperti. Il secondo tipo è utilizzato da piccole molecole cariche e sfrutta il cambio di conformazione del canale (modulazione allosterica) per poter trasportare secondo gradiente le particelle. Questi canali sono molto specifici per determinate molecole e possono aprirsi e chiudersi per via di fosforilazioni/defosforilazioni, altri stimoli chimici, stimoli meccanici (es. cellule muscolari), stimoli termici; vi sono anche canali sempre aperti. È possibile raggiungere una situazione di saturazione.

Trasporto attivo

Primario

Trasporto contro gradiente di concentrazione, si utilizzano pompe metaboliche come quella Na⁺/K⁺, Ca²⁺, H⁺/K⁺, H⁺; utilizzo di ATP.

Secondario

Non si utilizza ATP, si sfrutta un trucco: un primo substrato viene spostato progradiente, il secondo controgradiente sfruttando i cambi conformazionali delle proteine per via del legame con dei ligandi. Es. trasporto secondario cotrasporto per simporto: Na/K/2Cl; Na/C₆H₁₂O₆; Na/amminoacidi; esempi di cotrasporto per antiporto: 3Na/Ca; Na/H; Cl/HCO₃; H/K.

Osmosi

Trasporto dal punto di vista del solvente, si utilizza una membrana semi-permeabile solo al solvente (H₂O), quest’ultimo si muove seguendo il gradiente dei soluti, quasi come se ne fosse attratto.

Vengono utilizzati anche altri tipi di trasporto: pinocitosi ed eso/endocitosi. In generale un flusso di volume (es. fiumi, sangue, aria nei polmoni): movimento di tutte le molecole insieme in un’unica direzione, determinato dalla forza di gravità e pressione, consente il movimento di grandi quantità di sostanza per lunghe distanze.

Come funzionano i neuroni?

I neuroni ricevono, elaborano e inviano segnali, questi ultimi sono in gran parte segnali di natura elettrica. A riposo si mantiene una distribuzione delle cariche [le principali sono ioni (Na, K, Ca, Cl) e anioni proteici-es. A_-) diversa tra l’esterno e l’interno della membrana, creando una distribuzione disomogenea. Ciò provoca dunque un diverso potenziale di riposo: interno -55/-90 mV con K⁺, A^-; esterno 0 mV con Na⁺, Ca²⁺, Cl^-.

Come si creano dei potenziali?

Il trasferimento di cariche secondo gradiente è poco efficiente poiché nella cellula sono presenti anche altre molecole, per di più la quantità di cariche che può passare per un processo neuronale è piccola, essendo questi lunghi e stretti. La diffusione semplice sarebbe dunque troppo lenta e ostacolata da altre particelle, vi sono anche problemi causati dalla membrana neuronale stessa: le cariche possono anche fuoriuscire come se la cellula presentasse dei “buchi” e ciò ne evidenzia il limitato potere isolante; la capacità della membrana è ridotta infatti alcune cariche possono accumularsi e ostacolare il flusso delle altre. Possiamo dunque concludere che il trasporto passivo ha una bassa efficienza.