Fisiologia generale

Fisiologia generale

Fisiologia

Fisiologia: Studio del normale funzionamento di un organismo vivente e delle parti che lo compongono a vari livelli di complessità, dalle molecole alle cellule (inclusi processi chimici e fisici), all’organismo in toto, a popolazioni di animali adattati a particolari condizioni ambientali. Struttura e funzione sono correlate negli organismi, la funzione di un tessuto o di un organo (fisiologia) è strettamente legata alla sua struttura (anatomia), viceversa la struttura di un organo si è evoluta per fornire una efficiente base fisica ad una funzione più evoluta.

Omeostasi

Omeostasi: è un processo che tende a mantenere stabili le condizioni interne all’organismo, ovvero lo stato stazionario. I vari organi mantengono una certa omeostasi per un funzionamento ottimale (es. pressione arteriosa = costante). L’evoluzione di organismi pluricellulari di grandi dimensioni, la migrazione degli organismi marini in ambienti salmastri a salinità, temperatura e pH variabili, nonché il passaggio all’ambiente terrestre, ha comportato l’evoluzione di una serie di meccanismi fisiologici, strutturali e comportamentali allo scopo principale di mantenere costante l’ambiente interno (omeostasi).

Solo una piccola parte di cellule dell’organismo è in contatto diretto con l’ambiente esterno (le cellule di scambio). La maggior parte delle cellule è circondata dal fluido extracellulare che funziona da interfaccia con l’ambiente esterno. Se mutano le condizioni esterne ciò si riflette sul liquido extracellulare che a sua volta influenza le cellule, le quali non sono molto tolleranti a variazioni che si verificano nelle loro immediate vicinanze. Di conseguenza l’organismo mette in atto una serie di meccanismi per mantenere invariata la composizione del fluido extracellulare (omeostasi). L’alterazione dei meccanismi omeostatici si ripercuote negativamente sul normale funzionamento dell’organismo.

Membrana plasmatica

(Plasmalemma) È una guaina costituita per la maggior parte da lipidi, a cui sono anche spesso associati zuccheri e proteine. Le funzioni ad essa associate sono:

• Isolamento fisico — Separare i due ambienti acquosi intracellulare ed extracellulare.
• Regolazione degli scambi con l’ambiente — Controllo dell’entrata di ioni e nutrienti nella cellula, l’escrezione di cataboliti e la secrezione di prodotti cellulari.
• Comunicazione tra la cellula e l’ambiente in cui si trova — Mediante specifici recettori di molecole segnale posti su di essa.
• Supporto strutturale della cellula stessa — Alcune proteine ad essa associate sono ancorate al citoscheletro interno o formano giunzioni tra la cellula e la matrice o tra cellule adiacenti.

Essa è:

• Discontinua — Non è una superficie uniforme.
• Asimmetrica — Le superfici (interna ed esterna) differiscono nella composizione.
• Fluida — Non è immobile ma a 37° si comporta come un fluido, tale fluidità è conferita alla membrana sia dalla natura dei fosfolipidi che la compongono (più insaturazioni presentano i fosfolipidi nelle catene idrofobiche e più sarà fluida la membrana in quanto questi si terranno maggiormente a distanza l’un l’altro), sia dai movimenti che i singoli fosfolipidi compiono: scambio tra fosfolipidi adiacenti, flessione delle catene idrofobiche, rotazione di un fosfolipide su se stesso, scambio tra un fosfolipide appartenente allo strato interno con uno appartenente allo strato esterno.

Il colesterolo è una molecola che si inserisce in uno dei due strati tra due fosfolipidi adiacenti rendendo la membrana meno fluida, più rigida e meno permeabile (favorisce coesione tra i fosfolipidi adiacenti).

Per quanto riguarda le proteine di membrana esse attuano interazioni selettive con componenti dell’ambiente esterno ed interno, possono avere con la membrana diversi rapporti: inserite in un singolo strato ext. incluse ad essa, int. a contatto con un singolo attraversano il doppio strato senza inserirvisi strato da parte a parte. Le funzioni di tali proteine sono molteplici:

• Proteine strutturali: aiutano a creare le giunzioni cellulari che tengono assieme i tessuti, connettono la membrana al citoscheletro per mantenere la forma della cellula (es. microvilli epiteli di trasporto), fanno aderire la cellula alla matrice extracellulare.
• Enzimi: catalizzano le reazioni chimiche che hanno luogo sulla superficie esterna della cellula o appena dentro la cellula.
• Recettori: fanno parte del sistema di trasmissione di segnali chimici dell’organismo, il legame del recettore col suo ligando produce un effetto a cascata che innesca una risposta intracellulare.
• Trasportatori: spostano le molecole attraverso la membrana.

I lipidi e le proteine della membrana si trovano poi spesso associati a glucidi (zuccheri), formando rispettivamente glicolipidi e glicoproteine. Funzioni: nel caso degli ioni la membrana è refrattaria a molecole polari con carica elettrica netta, questi possono passarvi attraverso solo mediante proteine canale e trasportatori. Le proteine di membrana hanno una struttura che può cambiare a seconda delle interazioni con altri elementi (ligando-recettore).

Trasporto attraverso la membrana

Movimento spontaneo dei soluti secondo gradiente di concentrazione che non richiede energia e trasporto contro gradiente di concentrazione che richiede energia (ATP) per avvenire.

Trasporto passivo

• Diffusione semplice: le molecole si muovono attraverso la membrana seguendo un gradiente concentrazione, carica, pH, che le spinge in una certa direzione a raggiungere un equilibrio. La differenza di concentrazione tra i soluti nei due scomparti e la differente permeabilità della membrana ai soluti determina una separazione di cariche e quindi la formazione del potenziale di diffusione.
• Proteine canale: permettono l’entrata di ioni, la specificità di trasporto dipende dall’ampiezza del poro e dalle cariche elettriche sulla superficie interna. L’apertura e la chiusura di questi canali possono essere influenzati da: voltaggio (potenziale di membrana), ligandi, ormoni, luce, fosforilazione, pH.
• Acquaporine: sono canali specializzati per il passaggio di molecole d’acqua, permettono il flusso di massa di queste ultime attraverso la membrana dentro la cellula.
• Proteine carriers: effettuano sia il trasporto attivo secondario che quello passivo. Nel primo caso trasportano molecole (es. glucosio quando in certi casi quello presente nella porzione intracellulare non è immediatamente degradato dissipando il gradiente di concentrazione normale esterno — interno) contro gradiente, senza idrolisi di ATP, ma sfruttando un gradiente ionico (es. Na+ che vuole entrare nella cellula) precedentemente creato tramite trasporto attivo primario. (solo sistemi simporto e antiporto, i sistemi uniporto sono utilizzati unicamente per il trasporto passivo).

Il trasporto mediato da carrier può essere studiato tramite la cinetica enzimatica, l’interazione soluto - carrier = l’interazione substrato - enzima. La V(max) del trasporto è raggiunta quando il sito per il substrato è sempre occupato o quando il flusso è massimo. La concentrazione del trasportatore è il fattore limitante.

Equilibrio di Gibbs-Donnan

In condizioni bilanciate avrò una uguale somma delle concentrazioni degli ioni nei due compartimenti all’equilibrio. Se nel primo compartimento si trova un anione non diffusibile (es. proteine nella cellula), la sua presenza fa sì che la somma delle concentrazioni degli ioni all’equilibrio nel compartimento 1, sia maggiore di quella nell’altro compartimento, di conseguenza l’acqua si sposta nel compartimento uno. La concentrazione di sostanze osmoticamente attive (che attirano acqua) è maggiore dove sono presenti ioni non diffusibili. Le proteine cellulari cariche negativamente (Pr-) sono sostanze osmoticamente attive, poiché richiamano all’interno della cellula un afflusso di acqua che potrebbe potenzialmente fare scoppiare la cellula stessa. Le cellule risolvono questo problema in due modi:

• Pompa sodio potassio (cellule animali)
• Presenza di parete rigida (batteri e piante)

Pressione osmotica: la pressione necessaria a impedire lo spostamento di un solvente puro in una sua soluzione attraverso una membrana semipermeabile.

Pressione oncotica: è la pressione osmotica causata dalle proteine in grado di determinare il movimento di acqua attraverso le membrane cellulari. Senza la pompa sodio potassio le cellule animali scoppierebbero per il troppo richiamo di acqua al loro interno.

Trasporto attivo primario

• Pompe protoniche: es. pompa sodio potassio: ATPasi (pompa protonica ATP dipendente) butta fuori dalla cellula 3 ioni Na+ e ne fa entrare 2 K+, seguendo il seguente ciclo: Ad ogni stadio del ciclo vi è un cambiamento conformazionale della proteina di membrana.

Funzioni:

• Evita che la cellula (in particolare quella animale sprovvista di parete) esploda per il troppo afflusso di acqua al suo interno (provocato dalle proteine cariche (-) che richiamano acqua), con la seguente modalità: Avendo il sodio un alone di solvatazione (nuvola di molecole di H₂O formatasi intorno al catione) maggiore del potassio, uscendo tre ioni sodio, si portano dietro più molecole di acqua di quelle entranti con soli due ioni potassio.
• Genera un potenziale elettrochimico di membrana (pompa elettrogenica) tramite due modalità:
  • Si viene a creare un equilibrio tra il flusso di ioni K+ in entrata mediante la pompa sodio potassio e l’uscita di essi secondo gradiente elettrochimico tramite canali a perdita (sempre aperti) sulla membrana, non sono invece presenti i canali per il sodio, raggiungendo il potenziale di equilibrio intorno ai -90mV (potenziale di riposo in tutte le cellule).
  • Due cationi carichi positivamente entrano e tre ne escono, ottenendo così un eccesso di carica positiva all’esterno.

Cellule eccitabili

Cellule capaci di aumentare o diminuire il proprio potenziale di riposo regolando l’apertura e la chiusura dei canali ionici di membrana in quanto canali voltaggio dipendenti (presenza di canali per il sodio rispetto alle altre cellule).

Potenziale di equilibrio di uno ione

Calcolato attraverso l’equazione di Nernst:

• Grande permeabilità (conduttanza) per K+
• Piccola permeabilità (conduttanza) per Na+

In base alla conduttanza E = - 90 mV K relativa dei due ioni attraverso la membrana E = + 60 mV Na raggiungo il potenziale di riposo di:

• -90mv per tutte le popolazioni cellulari
• -70mv per le cellule eccitabili

Più la conduttanza è grande più canali ci sono per quel determinato ione sulla membrana. Posso quindi considerare quanto detto fino ad ora un circuito vivente in cui:

• I canali sono paragonabili a resistenze
• La membrana può essere considerata un condensatore generando il seguente circuito equivalente della membrana

Registrazione di potenziali di membrana

Sistema nervoso

(Vd. storia delle neuroscienze) risposte. Il sistema nervoso è composto principalmente da 2 tipi di cellule:

• I neuroni che rappresentano le unità essenziali per lo scambio di segnali all’interno del sistema nervoso.
• Le cellule gliali costituenti la glia, cellule di supporto ai neuroni.

Struttura di un neurone

Dendriti: sono estroflessioni citoplasmatiche del soma cellulare che ricevono input dalle cellule vicine, formano spesso complesse ramificazioni che permettono al neurone da cui si generano di entrare in contatto con altri neuroni, la quantità di queste connessioni varia a seconda della complessità del neurone. La superficie di un dendrite può essere ulteriormente espansa dalla presenza di spine dendritiche, che assumono aspetto variabile da punte sottili a bottoni fungiformi. La funzione dei dendriti varia nei due sistemi:

• Nel SNP la funzione è principalmente ricevere le informazioni in arrivo e trasferirle a una regione di integrazione all’interno del corpo cellulare.
• Nel SNC la funzione è più complessa, le spine dendritiche possono funzionare come unità indipendenti scambiando segnali con altri neuroni nel cervello, infatti molte di queste contengono poliribosomi sintetizzando proteine proprie. Inoltre le spine dendritiche possono qui cambiare forma e dimensione in risposta ai segnali che ricevono dalle cellule vicine, questi cambiamenti morfologici vengono associati a processi come l’apprendimento e la memoria oltre che a patologie come l’Alzheimer.

Corpo cellulare: Esso integra le informazioni ricevute dai dendriti, costituisce 1/10 del volume cellulare e la sua posizione può variare a seconda della tipologia di neurone, risulta inoltre fondamentale per la sopravvivenza della cellula in quanto contiene all’interno del nucleo il DNA.

Assone: Trasmette segnali in uscita tramite depolarizzazione unidirezionale della membrana dal centro di integrazione del neurone fino all’estremità dell’assone stesso, dove si possono verificare due modalità di sinapsi:

• Sinapsi elettriche
• Sinapsi chimiche

Dall’assone principale si diramano spesso ramificazioni collaterali che terminano in un proprio terminale assonico.

Classificazione dei neuroni

Classificazione morfologica

Classificazione funzionale

Propagazione del segnale nelle cellule nervose

Le cellule nervose si preparano a mandare un segnale concentrando ioni potassio al loro interno e contemporaneamente pompando ioni sodio verso l'esterno per mezzo della pompa sodio-potassio. Questo crea un potenziale di riposo di -70mV (maggiore rispetto alle altre cellule poiché causata da una permeabilità attraverso canali a perdita nei confronti del sodio che tende a entrare). Sia i canali del sodio che quelli del potassio sono sensibili al voltaggio, cioè si aprono quando il voltaggio aumenta.

A seguito di uno stimolo, se questo provoca una sufficiente depolarizzazione della membrana (abbastanza canali Na+ aperti capaci di compensare la quantità di K+ che esce attraverso canali a perdita) che supera una certa soglia le cellule nervose vengono eccitate, più canali del sodio si aprono, permettendo al sodio di entrare velocemente in massa e aumentando la differenza di potenziale attraverso la membrana a +40mV (depolarizzazione). Questo aumento di potenziale ha due conseguenze:

1. Provoca l'apertura lenta anche dei canali del potassio, permettendo agli ioni potassio di uscire e ristabilire così il voltaggio originale di riposo a -70 mV (iperpolarizzazione), questo dà alla fibra nervosa la capacità di eccitarsi nuovamente.
2. Provoca l'apertura dei canali del sodio immediatamente vicini lungo il percorso del nervo, e questi a loro volta fanno aprire i canali del sodio ancora più avanti lungo la membrana cellulare. Il risultato è un'ondata di apertura e chiusura di canali che si trasmette velocemente (10 m/s) da un capo all'altro del nervo.

Raggiunti i +40mV si ha una brusca caduta di potenziale dovuta all’inattivazione dei canali voltaggio dipendenti del Na+, i quali cambiano conformazione (canali a cancello) non permettendo più il passaggio degli ioni e ristabilendo così il potenziale di riposo (tramite i canali K+). Il fenomeno dell’inattivazione interessa solo i canali del Na+ ed è determinato dalle interazioni tra le cariche degli amminoacidi del canale e quelle presenti dentro e fuori la cellula.

La fase di depolarizzazione è dovuta all’apertura di canali Na voltaggio dipendenti con conseguente influsso di ioni sodio. La fase di ripolarizzazione è dovuta all’apertura di canali K voltaggio dipendenti con conseguente uscita di ioni potassio. I canali ionici si aprono solo per uno o due millisecondi e si richiudono subito dopo, in questo modo disperdono una minima parte degli ioni accumulati (1 su 3000 o 300.000) garantendo così la possibilità di trasmettere segnali molte e molte volte. La pompa sodio-potassio ristabilisce comunque le concentrazioni ioniche iniziali dentro e fuori la cellula. Il segnale nervoso è unidirezionale perché, quando i canali si aprono, possono provocare l'apertura solo dei canali a valle rispetto alla direzione di arrivo del P.A., mentre quelli a monte sono temporaneamente insensibili (periodo refrattario), un nuovo impulso nervoso può eccitarli solo dopo alcuni millisecondi.

La depolarizzazione della membrana crea una situazione anomala in cui una zona di essa presenta carica positiva all’interno e negativa all’esterno. Le cariche positive interne sono attratte da quelle negative adiacenti in entrambi i versi (anterogrado e retrogrado), situazione opposta si osserva all’esterno. Situazione di partenza spostata in avanti lungo l’assone (verso il terminale assonico) propagazione della depolarizzazione solo in senso anterogrado.

Il cambiamento del potenziale di membrana generato da flussi ionici attraverso i canali a controllo di potenziale (Fenomeno “tutto o nulla”, superamento o meno del valore di soglia) può quindi dare luogo a:

• Una corrente elettro-tonica che va incontro a decremento di intensità con l’aumentare della distanza che percorre, agendo di fatto solo su brevi distanze nelle fibre nervose amieliniche della sostanza grigia.
• Un potenziale di azione costituito da correnti elettro-toniche che si propagano a cascata rigenerandosi continuamente. I potenziali di azione permettono alle cellule nervose di comunicare tra loro o mandare stimoli anche a lunghe distanze (fibre nervose mielinizzate) poiché non subiscono decremento man mano che si allontanano dal punto di origine.