Fisiologia generale e animale

Fisiologia generale e animale

Corso in inglese

Prof: Mazzanti Michele - michele.mazzanti@unimi.it

Parziali

• 13 Aprile
• 15 Maggio
• 15 Giugno

Appunti

La fisiologia è la scienza biologica che studia il funzionamento degli organismi viventi ed, in particolare, le modalità attraverso le quali il corpo riesce a mantenere la stabilità dell'ambiente interno; osserva e cerca di descrivere qualcosa che sta succedendo nel momento in cui si osserva.

In biologia tutto è in equilibrio dinamico, vi è quindi solo una probabilità che il sistema sia in uno stato piuttosto che in un altro; noi possiamo solo aumentare questa probabilità, che non sarà mai assoluta.

La biologia è fatta di segnali digitali, composti da un numero infinito (seppur grandissimo) di punti (vedi esempio movimento braccio, numero altissimo di tendini, muscoli, cellule che lavorano assieme ma tuttavia finito). La rivoluzione biologica ha cambiato la percezione della biologia da sistema analogico a sistema digitale.

La vita inizia nel mare, precisamente in un brodo primordiale, ricco di componenti considerati vitali quali carbonio, gas disciolti e sali (NaCl, KCl, Mg, ecc.) → di cui NaCl più importante!

Esterno: 150 mM NaCl
Interno: 10,0 mM NaCl
Esterno: 5,0 mM KCl
Interno: 150 mM KCl
Esterno: 1,8 mM CaCl₂
Interno: 10^-7 mM CaCl₂
Esterno: 2,0 mM MgCl
Interno: 0,5 mM MgCl

Per la vita tali concentrazioni devono essere costanti e subire poche variazioni, il principio secondo cui la cellula è di dimensioni piccole è che una minore dimensione permette di controllare meglio questi livelli.

Fondamentale per lo sviluppo della vita è la presenza di energia, fisiologicamente parlando si può considerare organismo vivente un qualcosa che riesca ad accumulare questa energia; principalmente energia chimica ed energia elettrica. Un sistema statico non può produrre lavoro.

Energia → chimica (ATP) : lenta → elettrica (potenziale): veloce

I sistemi vengono mantenuti in equilibrio ad alta energia potenziale, così, nel momento in cui serve lavoro, basta rimuovere i "linker" e rilasciare velocemente tutta l'energia accumulata. Poi verranno ricaricati tramite ATP (energia chimica) [esempio arco con freccia tesa].

Membrana cellulare

Per far sì che un sistema riesca a ricavare energia dall'ambiente deve essere diverso da esso; la membrana infatti divide la cellula in due ambienti, creando così una differenza di potenziale (delta V).

Definizione chimica: La membrana è una struttura fisica formata da un doppio strato di fosfolipidi, con code idrofobe all'interno per eliminare acqua e teste idrofile rivolte verso l'esterno (a contatto con il solvente acquoso).

Definizione funzionale: La membrana è una struttura che permette una divisione in due ambienti, permette di separare le cariche e accumulare così energia. Ha due caratteristiche:

• Resistenza, impermeabile alle cariche.
• Condensatore, accumula cariche (le teste sono le piastre, le code la distanza tra le piastre).

→ Condensatore: la corrente (I) è presente solo quando c'è una variazione di voltaggio, funziona con un delta V.

La membrana è l'unico modo per accumulare energia, è il motivo della vita.

→ A t₀ la corrente va dove c'è meno resistenza, ossia sul condensatore; fino a quando la resistenza del condensatore è minore della R1, poi fluisce verso quest'ultima.

La membrana è selettivamente permeabile in quanto deve variare la concentrazione di ioni per creare un delta V; è permeabile a K⁺ che entrano attratti dal Cl^- presente nel citoplasma: nel momento in cui si verifica un eccesso di cariche, il Cl^- non potendo uscire (pori solo per K⁺) va dove c'è meno resistenza, ossia verso la membrana (condensatore).

L'utilizzo di un condensatore (membrana) è l'unico modo per separare le cariche in una soluzione. Un sistema KCl con K⁺ sul nucleo e Cl^- sulla membrana permette un accumulo di -10mV.

E(K)= (-RT/ZF)* ln ([K]out/[K]in) E(Na)= (-RT/ZF)* ln ([Na]out/[Na]in)

Definizione statica: Quando la prima equazione è soddisfatta vuol dire che la probabilità di avere aperti i canali del K⁺ è massima. Se usiamo le concentrazioni biologiche nell'equazione di Nernst, la prima è soddisfatta per -80mV e la seconda per +50 mV.

Una cellula è a -20mV grazie al trasporto passivo, per arrivare a -80mV (alta energia) si deve utilizzare ATP tramite trasporto attivo generato da pompe Na-K (K verso interno, Na verso esterno).

La pompa fa uscire dalla cellula 3 Na e fa entrare 2 K, ciò fa sì che un Cl^- rimanga spaiato all'interno (siccome escono 3 Na rimangono dentro 3 Cl^-, due dei quali si legano ai 2 K entranti) e si legherà alla membrana (minore resistenza) aumentando di fatto il delta V.

I sistemi biologici sono compresi tra -80 mV per K e +50 mV per Na; il range di valori che la cellula può assumere dipende dalla membrana, e tale valore è mantenuto dalla pompa Na-K, detta elettrogenica. I canali ionici hanno tempistiche di millisecondi, le pompe tempistiche di ore (e usano ATP). I sistemi biologici quindi, per fare lavoro usano il potenziale (canali ionici), poi ricaricato tramite ATP (pompe).

Una cellula è mantenuta ad alto potenziale da dei vincoli, uno stimolo li rimuove e il sistema si scarica facendo lavoro, poi l'ATP ricaricherà il delta V.

→ 1980: Goldman introduce una definizione dinamica dell'energia potenziale di membrana. Introduce nell'equazione la permeabilità. Tiene conto di tutte le specie ioniche presenti. Rappresenta il potenziale di membrana in termini di concentrazioni ioniche esterne e interne rispetto alla permeabilità di quello specifico ione.

→ A -20 mV sono aperti entrambi i canali (Na e K), la conseguenza è una maggiore corrente e una minore resistenza.

→ A -80 mV la corrente è invece minore e la resistenza maggiore.

La grandezza della cellula è fondamentale per la quantità di accumulo di corrente: idealmente una grandezza maggiore ci porta a pensare che questa sia la condizione migliore tuttavia il tempo sarebbe troppo alto (è un condensatore). Motivo per cui le cellule sono piccole.

Conduttanza: funzione inversa della resistività, riferita ad un conduttore di seconda specie (la soluzione).

G= I/V

All'aumentare del delta V, la G diminuisce. Nel grafico è indicata dalla pendenza della retta (-80 mV, G minore).

→ La corrente è Voltaggio-dipendente. Nel grafico V-I si nota che la curva non è lineare, 10 mV nella regione iniziale non producono alcun cambiamento, cosa che invece accade nella regione finale.

Per convenzione si prende la corrente uscente come positiva, entrante come negativa (presa la superficie terrestre come convenzione).

La voltaggio dipendenza è fondamentale per la vita, necessaria per mantenere il potenziale.

→ La combinazione tra R e C dà il tempo di risposta. Il voltaggio è una misura statica, la corrente una misura dinamica.

Eccitabilità cellulare

La capacità di rispondere agli stimoli definisce l'eccitabilità cellulare. Un neurone è eccitabile, un epatocita, per fare un esempio, non lo è. Le cellule eccitabili traducono il potenziale in un segnale comprensibile per le altre cellule.

La pompa Na-K è fondamentale sia per ricaricare che per mantenere tale potenziale, una sua mancanza porterebbe una situazione di -70mV inesorabilmente a -10mV (quasi morte cellulare). Da -70mV si passa ipoteticamente ad una condizione di -50mV. La cellula per ritornare alla condizione iniziale genera una corrente uscente spingendo fuori il K⁺.

→ Quando cambia il V, tutto cambia in funzione di.

→ Voltage Clamp: in questa tecnica, mediante uno speciale circuito si fa in modo di tenere la membrana di una cellula eccitabile ad un potenziale fisso. La membrana possiede una componente capacitiva (dovuta al fatto che la membrana possiede dei gruppi carichi che fanno accumulare cariche nelle due fasi) ed una componente resistiva (dovuta al moto degli ioni tra una fase e l'altra), come è noto se il potenziale è fisso la corrente capacitiva è nulla. In questo modo, misurando la corrente, si ha la certezza che questa sia dovuta esclusivamente a quella dei canali ionici. Facendo più esperimenti di voltage clamp e cioè usando un potenziale diverso per ogni esperimento e registrando la corrente, si ottiene la risposta dei canali ionici ad un determinato potenziale applicato. Infine, tenendo conto che la corrente ionica è dovuta ai canali ionici del sodio e del potassio, tramite ad esempio dei farmaci che bloccano selettivamente uno o l'altro canale, è possibile isolare la risposta dei singoli tipi di canale al potenziale applicato. Tramite questa tecnica si è potuto ricavare il modello elettrico della membrana.

Da -60mV a 0mV (forzato con un sistema). Vi sarà una corrente uscente di K⁺ per ripristinare l'equilibrio. Quando una cellula tende a ritornare alla sua condizione ideale in seguito ad uno stimolo è considerata NON eccitabile. Si genera una corrente entrante di Na⁺ che depolarizza la membrana, amplificando il nostro segnale di depolarizzazione. Tuttavia, anche il K⁺ fluirà verso l'esterno tentando di ripristinare l'equilibrio, per amplificare la depolarizzazione la cinetica di Na⁺ deve essere maggiore rispetto a quella di K⁺ (cioè la corrente che entra in un intervallo di tempo → voltage shift).

Una cellula eccitabile quando viene depolarizzata da una corrente positiva entrante, si depolarizza a sua volta attivando la corrente entrante di Na⁺ (amplificando così il segnale). Ciò è spiegato dalla V e t dipendenza della corrente di Na.

→ Ipotizziamo che la cellula abbia quell'andamento di corrente, sarebbe molto eccitabile ma sarebbe del tipo tutto/nulla: si ecciterebbe solo una volta, poi morirebbe; questo perché a +40 il Na⁺ si avvicina al suo equilibrio (+50) ma il K⁺ si allontana (-80), ciò porta ad una ripolarizzazione della cellula, successivamente si ridepolarizza e si ripolarizza ancora fino ad un equilibrio tra Na e K (posto a 0mV).

Per ovviare al problema la cellula chiude i canali di Na⁺, facendo tornare la condizione di -70mV. La deattivazione è intrinseca per Na⁺ (deattivazione nel tempo-dipendenza) ed estrinseca per K⁺ (quando raggiunge l'equilibrio).

→ Il potenziale d'azione è un disequilibrio che la cellula non ha alcuna voglia di fare; è un evento transiente.

→ Il K è V dipendente e porta ad una ripolarizzazione, si disattiva quando il V si avvicina al suo potenziale di equilibrio (estrinseco - forze esterne).

→ Il Na depolarizza la membrana in seguito ad una depolarizzazione, essendo però tempo dipendente dopo un po' si inattiva e la corrente si inverte (intrinseco).

Una cellula non eccitabile non ha i canali per Na voltaggio e tempo dipendenti. Governa solo il K. Per avere una risposta concreta da una cellula eccitabile bisogna portare il potenziale almeno ad un delta di -20 mV, altrimenti la cellula eccitabile si comporterà come una non eccitabile.

Potenziale di azione

Evento transiente che si genera in seguito a stimolo, serve per ripristinare l'equilibrio. Una carica negativa depolarizza, una carica positiva iperpolarizza. Questo perché la membrana è un condensatore.

Una cellula eccitabile in seguito a stimolo cerca di ritornare all'equilibrio, quando il segnale è forte la cellula reagisce in modo "innaturale" amplificando il segnale e arrivando all'equilibrio del Na (+40/+50 mV) per poi ritornare all'equilibrio di K, chiudendo i canali per Na.

→ Il potenziale di membrana è mantenuto anche dalle concentrazioni degli ioni. Una depolarizzazione genera risposta, un'iperpolarizzazione non genera nulla.