Fisiologia generale

FISIOLOGIA GENERALE:

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: 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)

E’ una guaina costituita per la maggior parte da lipidi, a cui sono anche spesso associati zuccheri e

proteine, le funzioni ad essa associate sono:

1. Isolamento fisico—> separare i due ambienti acquosi intracellulare ed extracellulare.

2. 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

3. Comunicazione tra la cellula e l’ambiente in cui si trova—> mediante specifici recettori di

molecole segnale posti su di essa

4. 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:

A. Discontinua—> non è una superficie uniforme

B. Asimmetrica—> le superfici (interna ed esterna) differiscono nella composizione

C. 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).

movimento spontaneo dei soluti secondo trasporto contro gradiente di concentrazione che

gradiente di concentrazione, non richiede energia 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 si 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, poichè

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 Presenza di parete rigida

(cellule animali) (batteri e piante)

la pressione necessaria a impedire lo spostamento di un solvente puro in

Pressione osmotica 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:

A. 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).

B. Due cationi carichi positivamente entrano e tre ne escono, ottenendo cosi 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

somma vettoriale dei popolazioni cellulari

due gradienti precedenti • -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:

A. nel SNP la funzione è principalmente ricevere le

informazioni in arrivo e trasferirle a una regione di

integrazione all’interno del corpo cellulare.

B. 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’alzhaimer.

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:

A. Sinapsi elettriche

B. 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 poichè 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’inativazione dei canali

voltaggio dipendenti del Na+, i quali cambiano conformazione (canali a cancello) non permettendo

più il passaggio degli ioni e ristabilendo cosi 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 Le cariche positive interne sono attratte da

una situazione anomala in cui una zona di quelle negative adiacenti in entrambi i versi

essa presenta carica positiva all’interno e (anterogrado e retrogrado), situazione

negativa all’esterno opposta si osserva all’esterno.

Situazione di partenza spostata in avanti A causa del periodo refrattario della

lungo l’assone (verso il terminale assonico) membrana appena eccitata ho

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) poichè non

subiscono decremento man mano che si allontanano dal punto di o