Fisiologia umana

Le cellule eucariote e procariote

Le cellule eucariote sono più complesse e grandi rispetto a quelle procariote (10 volte più grandi). Il vivente deve avere una compartizione interna ed esterna (membrana plasmatica) per creare la differenza interna da quella esterna, permettendo i flussi e la differenza di gradiente, ovvero di concentrazione (trasporti attivi e passivi). Il primo sistema di trasporto attivo fu il sodio-potassio tramite la pompa, che portava Na all’esterno e K all’interno. Questo perché le prime cellule si sono create in acqua salina e, per differenziarsi tramite trasporto attivo, è stato portato il Na fuori e si è alzato il K all’interno della cellula. L’ambiente esterno era ricco di Na e Cl mentre dentro la cellula K e poco Na.

Comunicazione cellulare

Quando gli organismi sono diventati pluricellulari, le cellule hanno dovuto iniziare a comunicare tanto che ognuna dipende dalle altre. Per far sì che ci sia uno scambio di informazioni devono esserci tre elementi fisici: un emittente che manda un segnale a un ricevente, e un elemento astratto che corrisponde al codice del segnale, delle regole dalle quali dipendono il significato. Le molecole vengono utilizzate per trasmettere messaggi in base al codice. Ad esempio, l’acetilcolina nella giunzione neuromuscolare dal motoneurone porta il messaggio alla cellula muscolare che si attiva. Viene associata alla contrazione. La stessa acetilcolina nel cuore le cellule miocardiche interpretano in messaggio opposto, ovvero l'inibizione. Il segnale dipende dal codice.

Sistemi di controllo

La fisiologia studia i sistemi (insieme di elementi che interagiscono scambiando informazioni) di controllo (condizioni in cui limito le variabili in un distretto entro un range).

A catena aperta

Il sistema controllante-sistema di regolazione-sistema controllato. La bile liberata nell’intestino, accumulata nella cistifellea, avviene quando le sostanze grasse arrivano in quella parte della mucosa. Attraverso la colecistichinina, viene riversata la bile nella cistifellea. Il controllante è la mucosa intestinale, il sistema di regolazione è la colecistichinina e il controllato è la cistifellea.

A catena chiusa

Più importante, dal controllato vi è un sensore. Elemento capace di leggere il valore all’interno del controllato e lo comunica al controllante. È un circolo chiuso, il controllante viene informato degli effetti. Il controllante confronta il valore di riferimento con quello che restituisce il sensore.

• Retroazione positiva: quando la temperatura supera i 20°C e il sensore legge 21°C, il controllante invece di spegnere la caldaia la riaccende. Porta le conseguenze all’estremo. Avviene quando è richiesto un fenomeno esplosivo (potenziale d’azione). Questo sistema agisce su quattro punti: aumentare o diminuire la produzione, eliminazione della grandezza, prelevare la grandezza, depositare la grandezza.
• Retroazione negativa: mantiene costante una grandezza, la temperatura viene mantenuta secondo i gradi impostati. Se tutto funziona bene, sarà mantenuta a 20°C. Quando arriva a 20, la caldaia si spegne, però siccome i termosifoni rimangono caldi per qualche minuto si supera la temperatura, poi scende al di sotto dei 20 perché serve del tempo per farli riscaldare quindi assume un andamento oscillatorio intorno al SETPOINT. Si avrà un ritardo di oscillazioni eterne, un equilibrio.

Amplificazione

Aumento del movimento oscillatorio, più amplifico più oscillo. Modelli:

• Cinetica lineare: (reazione chimica) A+B=C la velocità di reazione è direttamente proporzionale alla concentrazione di A e B. Se la concentrazione di A raddoppia la velocità raddoppia.
• Cinetica non lineare: 2A+B=C V=KA B Se raddoppio A, V 4 volte.
• Processo tutto-nulla: (a cascata) enzima A inattivo viene attivato in Aa, che attiva B e diventa Bb. L’enzima continua ad attivare. 100A forma 100B e 10000C. Avviene nella coagulazione.

Omeostasi

Cannon parte dal concetto di ambiente interno, che essendo indispensabile deve essere mantenuto costante. Attitudine propria degli organismi viventi a mantenere in stato di equilibrio le proprie caratteristiche al variare delle condizioni esterne. Mantengono entro un range limitato di variazione le caratteristiche dell’ambiente interno. Non viene mantenuto un valore fisso, ma è un controllo del cambiamento della variabile. Alcune hanno un sistema di controllo approssimativo, altre sono controllate da più sistemi (ph e Ca). I valori cambiano in base agli stimoli ambientali in riferimento a set points. Alcune risposte a stimoli ripetitivi sono state interiorizzate e rese indipendenti dagli stimoli ambientali (giorno/notte).

• Sistema nervoso autonomo
• Sistema endocrino

Possono esserci anche conflitti omeostatici (aumento pressione arteriosa – diminuiscono il diametro i vasi). Per portare una grandezza al set point comprometto un’altra grandezza. Sta a i due sistemi decidere che decisione prendere.

Proprietà dell’acqua

Elettronegatività: capacità di un atomo di attrarre gli elettroni di legame. Il legame tra H e O non è sufficiente per strappare gli elettroni di un elemento sull’altro. È un DIPOLO. Parte dx negativa e parte sx positiva. Come una pila. Due molecole vicine si attraggono e tendono a formare un grappolo con legame idrogeno. Formano cluster. Un cluster dura poco, 10 di secondo. Proprietà dell’ H O:

• Densità: m/V alta rispetto a molecole simili perché legata da ponti idrogeno, si attraggono quindi sono più vicine di quanto dovrebbero. d varia con la temperatura (diminuisce)
• Viscosità: attrito delle molecole che scorrono una sull’altra. Come nei vasi facendo attrito sono più lente.
• Proprietà termiche: ebollizione a 100°C. Per strappare una molecola dall’altra ho bisogno di molta energia. Calore specifico. Con l’aumento della temperatura le molecole accelerano. Aumento l’ENTROPIA. Il calore specifico è importante per mantenere la temperatura.
• Proprietà di solvente: scioglie il granello di sale. Na si stacca quando si avvicina H2O, l’energia potenziale fa cedere il legame. Stessa cosa per Cl.
• Tensione superficiale: importante nell’attività polmonare. Contrae la superficie, la riduce al minimo. Ogni molecola è soggetta a forze di attrazione dalle altre, con risultante zero. Se la molecola però si trova in superficie, non riceve la forza dall’alto perché c’è l’aria. Quindi la superficie tende ad essere attratta verso il centro.
• Dissociazione: gli elettroni non hanno una posizione fissa, non possiamo sapere dove si trovano ma soltanto la probabilità. L’O può strappare tutti gli elettroni all’H dissociandolo.
• Conducibilità: l’acqua non conduce bene ma se la tocchiamo la situazione cambia. Dipende dalla presenza di soluti disciolti. Se mettiamo un anodo e un catodo in acqua distillata non vi sarà conduzione, se dentro mettiamo del cloruro di potassio la conducibilità sarà massima.
• Biochimica: partecipa a processi enzimatici di polimerizzazione che produce H2O e nella catena respiratoria O prende elettroni e forma H2O, viene utilizzata nell’idrolisi del glicogeno per produrre glucosio.
• Osmosi: processo con due compartimenti divisi da membrana semipermeabile. Possono passare le molecole di H2O ma non di soluto. Se metto dei soluti in un compartimento l’acqua è attirata. Fentrata = Fuscita. Si verifica l’equilibrio.

Fisiologia del muscolo

A seconda del tipo di lavoro svolto dal muscolo (locomozione – pompaggio sangue – peristalsi), possiamo distinguere tre tipologie di muscolature: muscolo scheletrico, cardiaco e liscio.

Elettrofisiologia

Fenomeni elettrici della membrana di un intero organo. Fino all’800 si credeva che l’impulso dal cervello arrivasse per via di qualcosa di materiale, come un fluido. Successivamente si scoprì che derivava da un impulso elettrico.

Carica elettrica: proprietà della materia. Un oggetto quando si trova con un altro di uguale carica, si respinge con una velocità del quadrato della distanza.

Potenziale elettrico: proprietà dello spazio, esiste anche in assenza di materia ma è necessario che nei paraggi ci siano cariche elettriche. Il potenziale elettrico è la quantità di carica dell’energia potenziale elettrica.

Elettrofisiologia cellulare

• Potenziale di membrana: caratteristica allo stato di riposo. È la differenza di carica tra un ambiente esterno e quello interno.
• Potenziale locale: nasce in un punto e arriva poco lontano, sono perturbazioni.
• Potenziale d’azione: perturbazioni di lunghe distanze (motoneurone), non si spegne ma viene mantenuta.

Ci sono cariche nella membrana che generano potenziali elettrici con carica negativa all’interno e carica positiva all’esterno. Si crea un potenziale di equilibrio. Il potenziale è negativo in tutta la parete interna e positivo in tutta la parete esterna. Per far sì che questo avvenga agiscono nella membrana contemporaneamente:

Potenziale di equilibrio di Gibbs-Donnan

La membrana è semipermeabile, le proteine e gli acidi nucleici stanno tutti all’interno e sono negativi. Questi sono tutti intrappolati perché non hanno un punto dove passare. A differenza delle proteine e degli acidi nucleici che non possono passare, tutti gli altri ioni come ad esempio il K e il Cl possono passare grazie ai canali. Il movimento avviene secondo gradiente di concentrazione quindi tende ad equilibrarsi. Il potenziale negativo all’interno viene mantenuto perché mentre tutti gli ioni sono equilibrati, all’interno abbiamo in più proteine e acidi nucleici negativi che mantengono carica negativa. All’esterno gli ioni positivi si sono spalmati tutti sulla parete. Il processo finirà di passaggio degli ioni perché adesso gli ioni positivi tendono a tornare dentro perché respinti dalla carica positiva dell’ambiente esterno, ma vorrebbero rimanere all’esterno per la concentrazione. A un certo punto le due forze si equilibrano. Forza chimica = alla forza elettrica. Si ha il potenziale di equilibrio. Senza il bisogno di ATP.

La diffusione: Non è dovuto agli ioni che non riescono a passare ma a due motivi: differenza di concentrazione tra interno ed esterno tra ioni. Na si trova all’esterno e il K all’interno. Per il “piccolo mare”. Il Na entra per differenza di gradiente, ma non cambia nulla perché perché hanno entrambi carica positiva, però il numero di canali K sono di più dei canali Na. Quindi la membrana è meno permeabile al Na. A parità di forza, K esce di più rispetto al Na. Si ha quindi un accumulo maggiore di K nella membrana esterna e quindi maggior carica positiva all’esterno. Il passaggio di ioni negativi come ad esempio il Cl è avvenuto in maniera omogenea quindi le cariche negative sono uguali nelle due parti ma all’esterno si hanno più cariche positive. La differenza è data dalla diversa permeabilità della membrana. Mentre prima non c’era l’utilizzo di energia metabolica (ATP) ora si perché deriva dal lavoro della pompa Na/K che inizialmente aveva pompato e che ha portato all’alta concentrazione di Na esterno e all’alta concentrazione di K interno questo non sarebbe avvenuto. Non lavora la momento ma l’ATP è servito in precedenza.

L’elettrogenicità della pompa sodio-potassio: trasporta tre Na all’esterno e due K all’interno per ogni ciclo con il consumo di un ATP. Viene portata una carica positiva in più all’esterno. Ouabanina, sostanza di una pianta, blocca la funzione della pompa Na/K. Se aggiungo a una cellula si vede che il potenziale cambia prima repentinamente, poi cade più lentamente il potenziale, e infine viene mantenuto molto basso. Caduta immediata, poi esponenziale, poi mantenuta. È l’equilibrio di Gibbs.

Perturbazioni che si spengono poco dopo

Quando interagisce una manciata di elettroni negativi all’esterno significa creare corrente. La membrana è formata da fosfolipidi con proteine canale. Se si accumulano cariche negative nella facciata esterna poi entrano tramite le proteine, ma durante l’accumulo il potenziale di membrana cambia, le cariche positive esterne vengono eliminate e il potenziale va verso lo 0. Il potenziale si ristabilizza mano a mano che le cariche negative entrano nella cellula. Il meccanismo è come quando versi l’acqua nel pavimento e fai dei buchi. Più si accumula più l’acqua esce veloce perché c’è la pressione dell’acqua. Quando la velocità dell’acqua è uguale tra quella in entrata e in uscita, si ha un equilibrio. Se si chiude il rubinetto il livello scende. All’inizio rapidamente poi rallenta. Se applico la corrente alla membrana la carica scivola lungo la membrana fino a quando non incontrano un canale. Alcune sfuggono al canale, le prime a spruzzo dentro la cellula fino a diminuire lungo gli altri canali. Quindi nei punti vicini ho una variazione di potenziale ma in giro di poco il potenziale si spegne.

Perturbazione che diffonde invariando la potenza

Questo fenomeno si verifica solo nelle membrane eccitabili (nervose e muscolari). Il potenziale di azione si genera una volta superato il valore soglia, allora il processo arriva al massimo senza dover applicare più corrente, il processo procede da solo. Arriva a 0, non c’è più differenza, si ribalta diventando all’interno positivo fino a 40 millivolt, per poi ritornare a -70. Ci sono canali voltaggio-dipendenti, canali sodio e potassio, che quando supero la soglia si aprono. (GATING). Se è il canale del Na entra perché è più concentrato fuori e perché l’esterno è positivo, viene attratto dall’interno negativo e dalla differenza di concentrazione. Il Na si spalma lungo la membrana interna, e con ulteriore depolarizzazione si aprono più canali aumentando il Na. Arrivati allo 0 continua ad entrare anche se non c’è più la forza del potenziale d’azione, ma rimane quella del potenziale chimico, di concentrazione. La causa non è più elettrica ma chimica quindi l’interno diventa positivo tanto che poi il Na viene respinto dalla carica di potenziale. Si ha un equilibrio del Na, non può più entrare. Successivamente si aprono altri canali voltaggio dipendenti e sono quelli del K. (sono più tardoni). L’interno essendo positivo il K inizia ad uscire e inoltre per la concentrazione. Si ritorna a potenziale 0 per poi continuare ad uscire e depositarsi nella membrana esterna. All’apertura di K si chiude il canale Na con due gate interni vicini: 1. Per depolarizzazione (voltaggio dipendente), 2. Si chiude per depolarizzazione ma con maggior ritardo. Al picco apro K e inattivo Na. Tutto questo processo è valido per qualsiasi membrana non solo per la plasmatica. Una membrana è detta eccitabile se possiede tanti canali voltaggio dipendenti. È un processo a catena chiusa a retroazione positiva seguito da dei processi a retroazione negativa.

Mielina

La mielina è un rivestimento dell’assone, permette alle cellule di rotolare, si tratta di un avvolgimento di tanti strati di membrana, lo scopo è quello di velocizzare l’impulso. Nel SNC si chiamano oligodendrociti, e nel SNP cellule di Schwann. È un isolante elettrico perché impermeabile agli ioni. Ci sono zone scoperte dette Nodi di Ranvier voltaggio-dipendenti. Se c’è un potenziale di azione su un nodo di Ranvier, le cariche positive scorrono nel citosol, ma non trovano vie di fuga nella guaina e arrivano al prossimo nodo dove generano un nuovo potenziale. Mentre il potenziale prima scorreva adesso compie dei salti. La velocità aumenta per il salto e l’apertura dei gate dei canali avviene solo nei nodi. Quindi si ha una velocità maggiore. Il secondo vantaggio oltre alla velocità è energetico perché ho una fuga di Na ed entrata di K solo nei nodi. Non si deve ricostruire tutta la cellula.

Sinapsi

Strutture che permettono che l’informazione in forma di segnale elettrico sia trasferita da una cellula all’altra. Può avvenire tramite:

• Sinapsi elettrica: in ogni passaggio la forma è elettrica
• Sinapsi chimica: doppia trasduzione elettro-chimico-elettrico

Nelle sinapsi le cellule sono accostate. L’elemento presinaptico trasmette, l’elemento postsinaptico riceve e lo spazio sinaptico separa le due membrane. Il passaggio dell’informazione può avvenire tra neurone-neurone, neurone-cellula muscolare, recettore di senso-neurone. Il segnale elettrico presinaptico spesso ha la forma di potenziale d’azione, il segnale elettrico postsinaptico ha la forma di potenziale locale.

Sinapsi elettrica

Sono tappeti di gap junction. Al potenziale d’azione (al picco) la carica interna cambia da negativa a positiva. Se la cellula presinaptica all’interno è diventata positiva e la postsinaptica è rimasta negativa, le cariche positive della presinaptica passano nella cellula postsinaptica negativa spalmandosi sulla faccia interna della post. Se viene raggiunta la soglia anche nella post si genera un secondo potenziale d’azione. La comunicazione è bidirezionale. Le sinapsi elettriche hanno continuità citoplasmatica, usano la struttura delle gap junction, la trasmissione è a corrente ionica, non si presentano dei ritardi ed è bidirezionale.

Sinapsi chimica

Prevalenti, più lente, hanno più bisogno di energia, ma hanno la possibilità di integrazione e modulazione del segnale.