Fisiologia Generale e Animale

MECCANISMI CONTROCORRENTE

Quando i due ambienti sono in movimento in direzioni opposte si parla di meccanismi

controcorrente. Possono essere di due tipi:

Gli scambiatori, con meccanismi per lo più passivi, riducono l’influenza dell’ambiente esterno sul

meccanismo controcorrente.

I moltiplicatori sono basati su trasporti attivi e sono tali da stimolare l’influenza del meccanismo

controcorrente sull’ambiente.

Il sangue arterioso cede calore al sangue venoso in uscita perché i vasi sono molto vicini tra loro

(es. uccelli artici che devono mantenere l’omeostasi, il tonno o lo squalo che ha una respirazione ad

ariete, l’acqua si muove sulle branchie e in funzione del movimento dello squalo, non quello della

bocca. Le branchie non gli permettono di avere sangue caldo. Lo squalo si muove molto

velocemente perché uno scambiatore di calore mantiene alta la temperatura a livello del muscolo,

che scalda il sangue con il suo movimento. Il muscolo si raffredda molto meno).

I vasa recta sono a livello renale. Partono dal glomerulo, sono vasi disposti a U. Se considero il

tessuto interstiziale si hanno concentrazioni graduali crescenti verso la zona midollare: questo

consente assorbimento di H2O a livello del collettore. I vasa recta portano via soluto

dall’interstiziale senza variare il gradiente di concentrazione che si è andato a creare; si comportano

come scambiatori. Quando il sangue passa nel ramo ascendente cede soluto al ramo discendente. Il

sangue in uscita è debolmente ipertonico (se il vaso fosse rettilineo porterei via soluto e formerei

sangue troppo ipertonico). Presuppone meccanismi passivi.

I moltiplicatori sono basati su due effetti:

L’effetto singolo: dipende dall’attività delle pompe, che aumentano i livelli di concentrazione

• quando vengono aperte.

L’effetto moltiplicatore: dipende dal flusso e consiste nel poter far funzionare la pompa partendo

• da livelli di concentrazione sempre più elevati.

Il modello classico è stato superato. C’è un trasporto attivo di Na+ dal ramo ascendente all’ansa e

dall’ansa diffonde nella discendente.

Il ramo ascendente è impermeabile al soluto e all’acqua, il discendente è permeabile. Il trasporto

attivo utilizza energia. Se ci fossero due tubi paralleli le concentrazioni non potrebbero raggiungere

i 1400 osmolare nell’interstizio, ma rimarrebbero più bassi. Questo succede perché il flusso fa

avanzare i livelli di concentrazione lungo l’ansa (la pompa intrattiene una differenza massima di

200). Parto da 200 e gradualmente il valore aumenta, mano a mano che le pompe vengono attivate.

In realtà il modello Kokko è più credibile. Il ramo discendente è impermeabile ai sali e permeabile

all’acqua, il ramo ascendente viceversa. Viene stimolata la pompa sodio/potassio dall’ADH. Dal

collettore e dalla parte terminale del distale esce dall’acqua tramite acquaporine 2. Per differenza di

potenziale H2O viene trascinata dal lume all’interstizio. Si accumula urea che aumenta la

concentrazione dei soluti. Nell’ansa discendente esce acqua e aumentano i soluti. NaCl esce

dall’ascendente e H2O viene richiamata dal collettore. L’effetto singolo consiste nella fuoriuscita di

sale e in seguito dalla fuoriuscita di H2O per delta Pi Greco (differenza di pressione osmotica).

L’effetto moltiplicatore è dovuto al flusso.

POTENZIALE DI DIFFUSIONE

Il flusso dipende dal gradiente di concentrazione e dal gradiente di potenziale elettrico (nel caso di

una particella carica). Le soluzioni si mantengono sempre elettricamente neutre.

Considero due ambienti con concentrazioni diverse. Se ci sono passaggi di ioni attraverso dei

canali, questi spingono gli ioni verso l’ambiente a minor concentrazione (i canali sono passivi,

dissipano energia). Ci sono tre casi possibili:

Canali sia per cationi, sia per anioni (tutti gli ioni passano con uguale velocità): lo ione che

• potrebbe passare entra nel canale sostenuto dal gradiente elettrochimico, ma non può lasciare la

membrana perché non può entrare da solo in soluzione (carica positiva o negativa a cavallo della

membrana). Il gradiente elettrochimico per l’anione tende a generare un flusso netto, ma uguale

situazione si attuerebbe solo se ci fosse conduttanza cationica.

Canali per ioni che possono passare con diverse conduttanze: lasciano passare ioni con differenti

• conduttanze (dipende dalla specie ionica, dalla sua carica, dal suo grado di idratazione, ma

soprattutto dalla specificità del canale che lo può ospitare). Le forze che spingono uno ione sono

le differenze di concentrazione e di potenziale elettrico ai due capi della membrana. Durante il

passaggio si crea una differenza di potenziale elettrico: il lato B sarà negativo, il lato A positivo.

Delta E si andrà riducendo man mano le coppie passano (la neutralità della soluzione si mantiene

sempre).

Canali solo per anioni o solo per cationi: K e Cl hanno uguale mobilità (U); non generano

• differenza di potenziale e non si ha potenziale di diffusione. La legge che permette di quantificare

la differenza di potenziale in presenza di canali è la legge di Henderson.

Scanned with CamScanner

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POTENZIALE DI RIPOSO DELLA MEMBRANA CELLULARE

Dipende da come si distribuiscono a cavallo della membrana tutti gli ioni permeabili. È variabile fra

cellula e cellula, ma approssima il potenziale di Nernst dello ione potassio. Tanto più la membrana è

permeabile ad una specie ionica, tanto maggiore sarà la sua influenza sul valore del potenziale.

Nella cellula animale lo ione K+ è quello che presenta il maggior numero di conduttanze, quindi il

più mobile.

Il potenziale di membrana dipende da:

- Carica elettrica di ogni singolo ione

- Permeabilità della membrana

- Concentrazione interna ed esterna

L’equazione di Goldman descrive il potenziale di riposo di una membrana. Dato che le variazioni di

Cl- non modificano in maniera significativa il potenziale di azione (tranne nelle cellule nervose) il

fattore Cl- può essere escluso dall’equazione di Goldman, che considera solo Na+ e K+. Essendo la

permeabilità del sodio molto inferiore a quella del potassio (1:100), il potenziale di riposo è in larga

parte dipendente dal potenziale di equilibrio elettrochimico per lo ione potassio.

Alcuni esperimenti hanno evidenziato che il potenziale di membrana non dipende solo da K+; la

membrana a riposo è in minima parte permeabile al sodio e questo fa si che il potenziale di riposo

non sia esattamente il potenziale di Nernst del K+, ma sia un po’ meno negativo.

Potenziale misurato = -70-80 mV

Ek = -90 mV

Il potenziale di membrana è misurato in millivolts, con l’uso di un microelettrodo e di un

oscilloscopio. Affinché il potenziale di riposo si mantenga costante si devono mantenere le

differenze di concentrazione tra le specie ioniche considerate; bisogna contro bilanciare il

movimento di ioni Na all’esterno e di K all’interno della cellula. Questo avviene grazie alla ATPasi

Na+/K+ (3:2 il rapporto).

Le cellule animali e vegetali sono caratterizzate da variazioni di potenziale se opportunamente

stimolate. Esistono due tipi di risposta:

Risposta elettrica passiva o elettronica

• Risposta elettrica attiva o spike

•

Il doppio strato lipidico si comporta come un condensatore, cioè ha la capacità di separare le cariche

sui due lati della membrana.

! Nella membrana cellulare si trovano anche proteine canale che permettono il passaggio di ioni.

Queste strutture sono responsabili della conduttanza (1/R). La risposta passiva compare sempre.

POTENZIALE D’AZIONE

Variazione di potenziale elettrico della membrana caratteristico delle cellule eccitabili (cellule

nervose e muscolari) che permette agli organismi la comunicazione tra centro e periferia e

viceversa. Il segnale porta dalla periferia al centro due informazioni:

- Il tipo di stimolo

- L’intensità dello stimolo

Quando un microelettrodo viene inserito nel neurone, l’oscilloscopio registra un potenziale di circa

-65mV.

La situazione ideale per studiare le proprietà dei potenziali graduati è quella di posizionarsi a livello

di un dendrite (non c’è mielina e non ci sono altri segnali).

La variazione del potenziale è proporzionale all’intensità della corrente applicata

(indipendentemente dalla polarità). Dopo la cessazione dello stimolo, il potenziale ritorna

gradualmente al valore di riposo. Il potenziale viene registrato in maniera pressoché simultanea in

ogni punto del dendrite.

L’intensità del potenziale decresce man mano che ci si allontana dal punto di stimolazione.

Le sinapsi sono i punti terminali degli assoni, dove si registra un potenziale graduato. I potenziali

graduati sono generati a livello dei recettori o a livello delle sinapsi. La registrazione del potenziale

d’azione si misura tramite microelettrodi, voltmetro e oscilloscopio.

Iperpolarizzazione: la cellula risponde in modo proporzionalmente maggiore. In seguito

all’insorgenza del potenziale d’azione, la conduttanza al Cl- non varia, ma comunque il Cl- segue le

variazioni di potenziale della membrana in relazione alla fem. La sua azione si riflette in

un’attenuazione degli andamenti del potenziale che avrebbe in sua assenza.

Legge del tutto o nulla: se lo stimolo è sottoliminare non si osserva alcuna risposta; se lo stimolo è

sopraliminare la risposta è massima. Durante la proporzione non c’è attenuazione del segnale (come

avviene per i potenziali graduati). Il potenziale d’azione non è simultaneo in tutta la cellula, ma si

propaga con una velocità tra 1 e 100 m/s.

Se si aumenta l’intensità della stimolazione, il potenziale d’azione compare sempre con intensità

caratteristica (ad es +40mV). Il canale del Na voltaggio dipendente ha due cancelli: uno di

attivazione e uno di inattivazione. Al potenziale di riposo il cancello di attivazione è chiuso.

Durante la propagazione del potenziale d’azione non c’è attenuazione del segnale. Non è simultaneo

in tutta la cellula, ma si propaga con una velocità tra 1 e 100 m/s.

PROCESSI NERVOSI COME CORE CONDUCTOR

Il progredire dei potenziali d’azione lungo la fibra nervosa o muscolare avviene mediante la

propagazione di correnti locali.

La variazione di Vm decade esponenzialmente con la distanza percorsa.

Cosa influenza la velocità di propagazione? E il potenziale d’azione?

- Resistenza assiale

- Capacità specifica di membrana (maggiore è la capacità di un condensatore, maggiore sarà la

resistenza)

- Densità canal