Fisiologia prima parte

Fisiologia 8 CFU - Prof. Sartini

Il neurone

Il neurone è la cellula più complessa dell’organismo animale. È una cellula altamente polarizzata: quello che succede da un lato della cellula è del tutto diverso da quello che succede dall’altro lato. Ciò si riflette nella morfologia stessa del neurone. Il neurone è infatti costituito da un grande corpo cellulare da cui partono delle estroflessioni della membrana plasmatica in tutte le direzioni, note come dendriti; una di queste estroflessioni è più lunga ed opposta ai dendriti ed è chiamata assone.

Il sistema dendritico rappresenta il sistema di raccolta dei segnali. Il corpo rappresenta il sistema di elaborazione dei segnali. L’assone rappresenta il sistema di risposta ai segnali, in quanto invia le risposte in uscita alle altre cellule. Il neurone non è un elemento isolato, ma appartiene ad una rete molto complessa la quale presenta:

• A monte un sistema in grado di inviare i segnali;
• A valle un sistema che riceve questi segnali (es: sistema muscolare, cute, sistema sensoriale, ecc.).

La dimensione di un neurone può variare da qualche micron fino a qualche metro, dipendendo dalla locazione del sistema di output (sistema che riceve le informazioni). I neuroni più lunghi attraversano il corpo attraverso la colonna vertebrale e trasmettono il segnale dal cervello fino all’estremità più periferiche del corpo. Il segnale che viene inviato dal cervello non viene direttamente trasmesso al sistema output dal neurone della corteccia, ma da una stazione intermedia chiamata midollo spinale.

Il sistema nervoso è costituito dal sistema nervoso centrale e dal sistema nervoso periferico. Il SNC è rappresentato dal cervello racchiuso nel cranio e collegato al midollo spinale attraverso delle strutture che formano l’asse troncoencefalico; queste strutture sono:

• Bulbo o midollo allungato, prolungamento del midollo verso l’alto;
• Ponte, collega il bulbo al mesencefalo;
• Mesencefalo, tratto allungato del midollo che collega queste strutture al cervello. Dietro il mesencefalo troviamo il cervelletto.

Il motoneurone primario avrà il corpo cellulare posto nella corteccia o nel tronco encefalico e terminerà a livello di un motoneurone secondario. Il motoneurone secondario o spinale sarà invece localizzato nel midollo spinale, esso riceve il segnale dal motoneurone primario e lo trasmette ai muscoli in quanto il suo assone esce dalla colonna vertebrale e scorre attraverso il sistema nervoso periferico (secondo tratto del sistema nervoso).

SITUAZIONE IONICA INTRA ED EXTRA CELLULARE

La disposizione degli ioni all’interno o all’esterno delle cellule è una situazione piuttosto complicata:

• Come mai nella cellula gli ioni si dispongono in questo modo?
• Questi ioni si muovono mai attraverso la membrana?

La membrana plasmatica è un doppio strato fosfolipidico in cui i lipidi formati da una testa polare (e quindi carica) e da due code apolari, si dispongono in modo da avere le teste verso il citosol e verso l’esterno a contatto con l’acqua, le code invece vengono poste al centro del doppio strato proprio per il fatto che essendo idrofobiche non possono entrare a contatto con l’acqua. Se la membrana fosse fatta solamente da fosfolipidi (quindi senza proteine), avrebbe una certa selettività per le sostanze che possono o meno attraversarla.

Ad esempio i gas come Co₂, N₂, O₂ attraverserebbero la membrana perché sono molecole piccole e apolari, cioè non hanno una carica netta e l’attraversano sciogliendosi nel doppio strato lipidico, secondo gradiente di concentrazione (dalla regione più concentrata a quella meno concentrata). Questo tipo di movimento va sotto il nome di diffusione. Il movimento di queste molecole continua fino a quando tra l’ambiente esterno e quello interno della membrana si raggiunge l’equilibrio: stato a cui per ogni molecola che esce dalla cellula ce n’è un’altra che la rimpiazza entrando nella cellula. Man mano che le molecole crescono di dimensioni, hanno difficoltà ad attraversare la membrana e il loro coefficiente di permeabilità è minore rispetto alle molecole piccole e apolari.

Ad esempio l’acqua è una molecola polare poiché presenta un dipolo: è costituita da una struttura angolare dove l’O ha una parziale carica negativa e i 2H mostrano una parziale carica positiva. L’acqua riesce ad attraversare il doppio strato della membrana in quanto è sia polare (quindi attraversa le teste), che piccola (quindi in grado di attraversare le code). Per il suo passaggio l’acqua richiede l’aiuto di particolari canali chiamati acquaporine.

Una situazione particolare si crea per quanto riguarda il passaggio degli ioni; questi non possono attraversare la membrana perché sono carichi e circondati dall’alone di idratazione che li rende molecole molto grandi. Se la membrana plasmatica fosse formata solamente da fosfolipidi sarebbe del tutto impermeabile agli ioni. La membrana oltre ad essere formata da questi fosfolipidi è anche costituita da proteine che si comportano come fossero dei ponti tra esterno ed interno della cellula. Grazie a queste proteine gli ioni riescono ad attraversare la membrana con diverse modalità a seconda del tipo di proteina e del suo meccanismo d’azione. In base a questi criteri si distinguono:

• Canali: trasportano acqua e specifici tipi di ioni secondo gradiente di concentrazione (+→-). Sono formati da proteine che attraversano completamente il doppio strato fosfolipidico (transmembrana) e sono regolati da stimoli specifici (diffusione ristretta).
• Trasportatori: legano ioni o molecole specifiche, cambiando conformazione. Il passaggio avviene secondo 3 tipi di trasporto: uniporto, simporto, antiporto.
• Pompe: utilizzano l’energia sotto forma di ATP per spostare gli ioni contro gradiente (-→+).

Per spiegare la creazione del potenziale di membrana, bisogna considerare il ruolo dei canali ionici.

Canali ionici

Un canale è formato da una grossa proteina con 6-7 subunità vicine tra di loro in modo da delimitare uno spazio centrale; ogni subunità ha una conformazione ad alfa elica che le consente di interagire con i lipidi. Questa conformazione infatti permette di creare il maggior numero di legami a idrogeno all’interno dell’elica esponendo i gruppi idrofobi. Le proteine che formano i canali hanno complesse strutture terziare e quaternarie, questo fa sì che i canali ionici abbiano 2 caratteristiche principali:

• Ogni canale presenta una specificità;
• La maggior parte dei canali ionici non è stabile, ma in seguito a stimoli può modificarsi allostericamente, ossia cambia conformazione in favore di un’altra più stabile.

Da un punto di vista funzionale i canali si classificano in:

• Canali di fuga: non hanno allosterismo e quindi non sono in grado di cambiare conformazione da aperta a chiusa e sono sempre aperti; sono dei pori di membrana.
• Canali ad accesso variabile: hanno molte sottofamiglie ed in base alla loro conformazione decidono se far entrare o uscire gli ioni. In base al tipo di stimolo che li attiva si dividono in:
• Canali a controllo meccanico
• Canali voltaggio dipendenti: si aprono in seguito ad una depolarizzazione di membrana; in genere l’apertura è di breve durata. Esempio: canali per il Na, K, Ca.
• Canali a controllo di ligando: il ligando può essere intra o extracellulare. Agiscono tramite questi canali i neurotrasmettitori veloci (come l’Acetilcolina) che si legano alla membrana post-sinaptica aumentandone la permeabilità a particolari ioni. Esempi di canali attivati da ligandi intracellulari: canali del Potassio Ca²⁺ dipendenti; canali del Potassio ATP-dip. Esempio: Canali ionici attivati dal legame con Ach. Presentano due siti di legame per l’Ach nella porzione extracellulare. Le alpha-eliche che costituiscono il poro sono piegate verso l’interno a circa metà dello spessore della membrana e creano in questo modo una costrizione definita cancello. Quando due molecole di Ach si legano ai siti specifici, le alpha-eliche ripiegate si raddrizzano aprendo il canale.

Gradienti chimico ed elettrico

Qualsiasi movimento di sostanze attraverso la membrana è influenzato dal gradiente chimico, elettrico o da entrambi. Anche se ci sono dei canali di fuga sempre aperti che consentono il passaggio degli ioni, il potenziale di membrana a riposo è sempre lo stesso ed è caratterizzato da un eccesso di ioni K⁺ all’interno ed un eccesso di ioni Na⁺ all’esterno. Questi ioni possono però muoversi da un ambiente all’altro spinti dal gradiente chimico, perciò si muovono secondo gradiente (da + a -). Visto che gli ioni possiedono una carica, allora non bisogna considerare solo il gradiente chimico, ma bisogna tenere in considerazione anche il gradiente elettrico tra i due ambienti divisi dalla membrana, in quanto quello interno è negativo e quello esterno è positivo.

1) Membrana permeabile a tutti gli ioni: Immaginiamo che la permeabilità della membrana sia la stessa per tutti gli ioni e che la concentrazione dei vari ioni sia la stessa sia dentro che fuori la cellula. Così facendo non si crea separazione di cariche, in quanto gli ioni sono distribuiti in modo equo e la membrana non è semipermeabile dato che consente il passaggio di tutti gli ioni. Se all’interno della cellula viene posto un elettrodo e si misura la differenza di potenziale rispetto all’elettrodo fuori NON viene rilevato nessun valore. In questo caso il potenziale di membrana è uguale a 0 (DeltaV= 0).

2) Stato ideale con ambienti elettricamente neutri: In realtà la permeabilità della membrana è alta SOLO per il K⁺. Partiamo quindi da uno stato ideale in cui si pone una certa quantità (1 mole) di proteine e ioni potassio nella cellula e la stessa quantità di ione sodio e ione cloro all’esterno, avremo un sistema con separazione di cariche, ma che risulta essere neutro perché si ha la stessa quantità di cariche (sia all’esterno che all’interno della cellula) che quindi si annullano. Anche in questo caso NON avremo una differenza di potenziale.

3) Membrana con canali di fuga per K⁺: Se invece consideriamo questa membrana formata da soli canali di fuga specifici per il potassio (K⁺), allora la situazione cambia visto che il potassio si trova solamente all’interno della cellula.

• In un primo momento esce dalla cellula mediante questi canali per gradiente chimico (quello elettrico è uguale a 0 visto che non abbiamo cariche nette tra i due ambienti).
• Quando gli ioni potassio escono dalla cellula si crea un gradiente elettrico, in quanto si genera un eccesso di cariche positive all’esterno della membrana e negative all’interno. Ora è possibile misurare la differenza di potenziale e la membrana risulta essere semipermeabile in quanto fa passare solo il potassio.

Quando si genera questo gradiente elettrico avvengono 2 eventi:

• A. Le Pr- sono attirate dall’eccesso di cariche positive all’esterno e quindi tenderebbero ad uscire, ma non possono perché la membrana è impermeabile a loro;
• B. Na⁺ tenderebbe ad entrare, in quanto ha maggiore gradiente chimico all’esterno, ma ha anche gradiente elettrico. Ma la membrana è impermeabile al sodio.

Il tutto dipende quindi dallo ione potassio che fuoriesce abbondantemente per gradiente chimico e rientra in piccole quantità per gradiente elettrico; Man mano che il potassio esce, ne uscirà sempre meno per cui diminuisce il gradiente chimico; contemporaneamente aumenta quello elettrico fino a quando non si raggiunge uno stadio chiamato equilibrio dinamico in cui gradiente chimico ed elettrico si equivalgono. Allo stadio di equilibrio il potenziale misurato è di -75mV = potenziale di equilibrio per il K⁺. All’equilibrio il potassio è sempre più concentrato all’interno della cellula, ma i due gradienti chimico ed elettrico si equivalgono. La cellula avente un potenziale di -75mV è un astrocita (cellula gliale).

Dato che il potenziale dipende dai movimenti degli ioni K⁺ attraverso la membrana, allora per arrivare a calcolare il volume del potenziale, si potrebbero calcolare le due concentrazioni di ione potassio all’interno e all’esterno della cellula. Abbiamo visto che il potassio si muove per i due gradienti (sia chimico che elettrico), anche all’equilibrio continua a muoversi, ma per ogni mole che esce ce n’è una che entra, se analizziamo questo fenomeno in termini di energia libera avremo:

ΔG (chimico) = - RT ln [K⁺ e] / [K⁺ int]

ΔG (elettrico) = z FV —> V è il potenziale di equilibrio ed è l’incognita —> z è la concentrazione dello ione K⁺ (ossia 1 mole) —> F è la costante di Faraday.

All’equilibrio i due gradienti sono uguali quindi avremo:

ΔG (chimico) = ΔG (elettrico) —> ΔG (chimico) + ΔG (elettrico) = 0

Sostituendo le varie componenti e isolando la V otteniamo l’equazione di Nernst

V = RT/zF ln [K⁺ e]/[K⁺ int]

Se si conoscono le concentrazioni di potassio sia all’esterno che all’interno della cellula, è possibile conoscere il valore del potenziale di equilibrio dello ione e, se una certa cellula è permeabile solo allo ione in considerazione, il potenziale è anche quello di membrana. Quindi il potenziale di equilibrio dipende solamente dalle concentrazioni raggiunte dallo ione fuori e dentro la cellula.

Membrana dei neuroni

La membrana dei neuroni è molto permeabile al potassio e poco permeabile agli ioni sodio quindi tanti canali di fuga del potassio e pochi del sodio. Rispetto al potassio, il sodio è più concentrato all’esterno della cellula e per gradiente chimico tende ad entrare nella cellula. Il potenziale di equilibrio del potassio è di -75mV, una parte di questo potenziale viene consumata dal sodio che si sposta dall’esterno all’interno portando il suo valore a -60mV.

-60 mV è il valore che corrisponde al potenziale di membrana per azione di ioni sodio e potassio. Se il potenziale del sodio fosse stato uguale a quello del potassio, non ci sarebbe stata differenza di potenziale in quanto i due valori si sarebbero annullati —75mV +75mV = 0. Costruendo un asse cartesiano e ponendo i valori del potenziale lungo l’asse avremo:

• -75mV = potenziale di equilibrio del Potassio;
• 55mV = potenziale di equilibrio del Sodio;
• ± 60mV = potenziale di membrana —> NON è il potenziale di equilibrio, quindi a questo valore i due ioni (sodio e potassio) NON sono in equilibrio dinamico.

Il problema è che la fuga dei due ioni, di sodio verso l’interno e potassio verso l’esterno, se fossero in equilibrio, porterebbero il potenziale di membrana a non variare e quindi a rimanere al valore di -60mV, ma la membrana della cellula mostra una maggiore permeabilità per lo ione potassio ed è per questo motivo che il potenziale non è stabile.

Pompa sodio/potassio

Per capire cosa realmente succede bisogna considerare un elemento fondamentale: la pompa sodio/potassio (Na⁺/K⁺). Nel sistema nervoso il 30% dell’ATP proveniente dalla respirazione mitocondriale, è utilizzata per la funzione di questa pompa, la quale spinge il potassio dentro la cellula e il sodio fuori. La pompa sodio potassio non lavora mai in equilibrio ma è elettrogenica: ad ogni ciclo crea una disparità di 1ione in quanto trasporta 2K⁺ all’interno e 3Na⁺ all’esterno. Ne deriva che inizialmente il potenziale si sposta da -75mV verso l’alto per il movimento del sodio, ma poi si risposta verso il basso al valore di -65mV grazie all’azione della pompa. Quindi riassumendo, il ruolo della pompa è quello di portare il potenziale di membrana a -65mV e garantire il movimento della negatività intracellulare, creando una disparità di carica. La pompa Sodio/Potassio mantiene i gradienti ionici, stabilizzando il potenziale di membrana con un piccolo effetto elettrogenico.

Pompe ATPasiche

Le pompe ATPasiche sono formate da proteine transmembrana e operano un trasporto di ioni contro gradiente (sia chimico che elettrico), consumando energia sotto forma di ATP, cioè mediante trasporto attivo. Le pompe sono proteine allosteriche in grado di cambiare la loro conformazione per legare lo ione dove ce n’è poco e rilasciarlo dove ce n’è parecchio. In tutti i trasportatori attivi c’è un doppio allosterismo importante: esiste un rapporto causa-effetto caratterizzato dal fatto che un evento porta ad una modificazione, la quale ne causa una successiva.

La pompa sodio potassio è chiamata ATPasi sodio dipendente: solo quando il sodio citoplasmatico occupa i 3 siti sulla pompa si scopre una configurazione allosterica a cui si va a legare l’ATP (1), altrimenti la pompa non si attiva. —> Questo sistema funziona solo se serve energia senza consumarla inutilmente!

Una volta che l’ATP si è legata, la pompa va incontro ad una modificazione strutturale che la apre verso l’esterno della cellula (2). All’esterno della cellula il sodio è più concentrato e quindi i siti di legame per il sodio passano da uno stato ad alta affinità ad uno a bassa affinità, quindi lo rilasciano. Contemporaneamente aumenta anche l’affinità dei siti di legame per il potassio il quale si lega alla pompa anche se è poco concentrato all’esterno della cellula (3). Soltanto se il potassio si lega alla pompa si stacca il gruppo fosfato dalla pompa (proveniente dall’ATP per fosforilazione) (4). Con la perdita del gruppo fosfato (defosforilazione) avviene un cambiamento conformazionale della pompa che questa volta si apre verso l’interno...