Fisiologia umana - Appunti

Fisiologia – II semestre

Semestre 1

Lezione 1 - 01/03

Tutti i segnali del mondo esterno sono segnali analogici mentre l'SNC lavora in segnali digitali e quindi deve avvenire una traduzione. La TAC funzionale è un ottimo mezzo di studio della funzionalità cerebrale indicando le zone attive a seguito di una certa azione o di impulso sensitivo. Le strutture recettoriali sono in grado di trasdurre il segnale conservando in maniera completa le informazioni. La trasduzione porta alla formazione di un potenziale di azione. Il potenziale viene trasferito a distanza senza alcuna perdita. Un fattore che consente la riuscita dell'operazione è la mielina. Il segnale digitale a livello sinaptico viene trasformato nuovamente in analogico per avere una integrazione ed integrazione (sinapsi eccitatorie/inibitorie per garantire una modulazione).

Il potenziale recettoriale è ancora analogico ed è funzionale allo stimolo analogico. Se il segnale è adeguato (sufficientemente forte), viene creato un potenziale di azione se viene raggiunto un certo valore soglia. Il potenziale di azione (tutto o nulla), viene trasmesso lungo l'assone fino all'arrivo nella struttura sinaptica. In questa regione il segnale viene nuovamente trasformato con una modulazione di ampiezza (rilascio dei neurotrasmettitori). In alcuni casi i neurotrasmettitori possono non essere presenti o venire eliminati oppure ancora alcune molecole possono occupare il recettore post-sinaptico (situazioni patologiche). Dalla post-sinaptica il segnale viene nuovamente trasformato in digitale.

Se si inserisce un elettrodo all'interno della cellula si osserva una carica più negativa rispetto all'ambiente esterno. La differenza è compresa tra i -60mV e i -90mV. La diffusione molecolare dipende dal peso molecolare, dalla struttura, dalla composizione e dalla temperatura (moto browniano). Nelle nostre cellule vi sono ioni che vagano nell'ambiente extracellulare e intracellulare. Quando sono presenti dei dislivelli energetici tra due fasi avviene uno scambio. Tale scambio nelle nostre cellule è ostacolato dalla membrana cellulare.

La legge di Fick stabilisce che tra due fasi a diversa concentrazione si crea un flusso. Questo avviene in funzione di una costante di permeabilità che identifica la membrana tenendo anche conto della distanza che devono percorrere gli ioni. Se esiste un dislivello energetico nel nostro sistema con un amperometro si può verificare la differenza di potenziale. La corrente è convenzionalmente nella direzione opposta rispetto al passaggio di ioni. Il lavoro che è necessario a trasferire una mole di soluto ionizzata da una fase all'altra è dato dalla somma del lavoro elettrico con quello chimico (legge di Nernst).

Lezione 2 - 02/03

Il lavoro elettrico è la forza che si deve applicare al sistema per mantenere distanti due elementi di segno opposto. Il lavoro chimico equivale a diluire o concentrare una soluzione. Se la concentrazione finale è maggiore di quella iniziale si ha un accumulo di lavoro, viceversa si ha un lavoro erogato. Il lavoro chimico che si accumula deve essere uguale al lavoro elettrico accumulato (uguale con segno opposto). Se il potenziale calcolato è uguale a quello misurato, lo ione è in equilibrio; se il misurato è più grande del calcolato vi sarà un flusso secondo il lavoro elettrico.

Il lavoro dipende dalla natura del soluto, dalla differenza di concentrazione degli ioni, dalla permeabilità di membrana (selettiva), dalle caratteristiche degli elettrodi e dalla temperatura assoluta per la costante dei gas. L'interno della cellula è più negativo rispetto all'esterno. Nonostante all'interno e all'esterno della membrana esistano uguaglianze di cariche, lungo la membrana vi è la disposizione di ioni negativi all'interno e positivi all'esterno. Il sodio è molto più concentrato all'interno così come il cloro mentre il potassio è molto più concentrato all'esterno.

Nell'uomo la concentrazione interno/esterno di Na è 145/12 millimoli. Il K esterno è 40 ed interno 155. Il Cl è 123 interno e 4 esterno. A 37°C il valore che moltiplica il LOG è 61mV. Per calcolare i singoli potenziali occorre moltiplicare +61mV x LOG della concentrazione interna/esterna del relativo ione. A riposo la membrana non è particolarmente permeabile al sodio. Nel momento in cui diventerà permeabile vi sarà un flusso di Na attraverso la membrana. Mentre il sodio è fortemente spinto verso l'interno il potenziale del potassio è molto simile a quello di riposo della cellula. Stessa cosa per il cloro che ha un potenziale di -90mV. Se la membrana fosse ugualmente permeabile al Na e K il potenziale a riposo sarebbe intermedio tra i due potenziali (circa -20mV). Tuttavia il potenziale è -90mV e ciò indica una maggiore permeabilità al K. Il Cl è già in equilibrio a -90mV.

Il calamaro gigante possiede un assone gigante facilmente manipolabile e molto resistente: si può estrarre il contenuto dell'assone. Se ad esempio la perfondiamo con NaCl ed una concentrazione uguale esterna il potenziale sarà uguale a 0. Se si aumenta la concentrazione di Na interno (NaCl) e poniamo costante il cloruro di potassio (KCl) si arriverà al potenziale del sodio (-60mV). Viceversa se si fa diminuire il potassio intracellulare si arriverà al potenziale del potassio (-90mV).

Per verificare la permeabilità di membrana ad un dato elemento occorre marcare radioattivamente tale elemento e verificare quanto entra/esce. Si può identificare un flusso indicato con moli/cm² al secondo. La permeabilità del sodio è nettamente più bassa rispetto a quella del potassio. Vi sono anche dei flussi contro gradiente di concentrazione. Si tratta di un trasporto attivo che però non influenza direttamente il potenziale di membrana. Questo si può verificare somministrando ATP utilizzando un disaccoppiante. La pompa Na/K può anche essere studiata mutando la temperatura e la concentrazione. Nelle cellule gliali la permeabilità della membrana è solo verso il K. Il valore di potenziale a riposo è di -75mV. I valori sono di 150 millimoli interno e 4 millimoli esterno. Il gradiente tende a spingere il K verso l'esterno e anche il potenziale (-97mV).

Il canale del K rappresenta un elemento di tipo resistivo. La resistenza è variabile in funzione dei canali aperti. La legge di Ohm permette di calcolare la resistenza in base alla differenza di potenziale ed al flusso. La concentrazione del potassio funziona come una pila. Siccome il canale favorisce il passaggio del potassio (K) si ha l'inverso della resistenza che viene detto conduttanza indicato con la lettera G. La variazione del potenziale di membrana è lineare rispetto alla concentrazione del potassio extracellulare.

Nel motoneurone però si ha una deviazione della situazione ideale. In una cellula reale oltre al K è presente anche Na (anche se la membrana è poco permeabile). Se la cellula è a riposo il flusso di sodio e potassio si deve equivalere (uguali e contrari di segno e si annullano). In questo caso la corrente a livello di membrana è a 0. Se ci allontaniamo dal potenziale elettrico di equilibrio si verificherà un aumento di differenza di potenziale con conseguente aumento del potenziale elettrico del potassio. Viceversa il sodio diminuirà il potenziale elettrico.

Lezione 3 - 04/03

In una situazione di riposo le correnti che attraversano la membrana si devono equivalere. Si semplifica tenendo conto che la corrente al cloro è nulla con il potenziale di riposo. Il rapporto tra conduttanza di potassio e sodio è uguale al rapporto della differenza tra potenziale di riposo e potenziale sodio/potassio. La permeabilità è 75 volte superiore nel potassio rispetto al sodio. La conduttanza rappresenta la capacità di un elemento di permeare. Mentre le permeabilità sono difficili da misurare, le conduttanze sono facilmente misurabili.

Se si ha un aumento del sodio extracellulare, non si ha un sostanziale aumento del potenziale del sodio. Se invece si aumenta il potassio si ha un repentino aumento del potenziale del potassio. Raggiunto un certo valore sogni del potassio si ha l'apertura di tutti i canali sodio con irrigidimento dei muscoli e morte anche con piccole dosi. La soglia di scarica è il valore critico e dipende da paziente a paziente. Il rapporto di conduttanza a riposo è di 24/1 a favore del potassio.

Prendendo sperimentalmente un assone gigante di calamaro e ponendo un elettrodo attaccato al generatore si somministrano impulsi o iperpolarizzanti (negativi) o depolarizzanti (positivi). Se si pone un secondo elettrodo a distanza si osserva che piccoli impulsi non vengono captati dal secondo elettrodo. Lo stimolo può avere un segno differente, una durata differente ed un'ampiezza differente. La risposta della cellula sarà però differente a questo stimolo rettangolare.

Per risposte passive locali della membrana si intendono risposte che si possono captare unicamente in prossimità della somministrazione dello stimolo. Passata una certa ampiezza di carica depolarizzante, si osserverà una risposta di ampiezza fissa rilevabile anche a distanza ed identificabile come il potenziale di azione. Si tratta della trasposizione da analogica (differente ampiezza) a digitale (ampiezza unica). Il potenziale di azione è rilevabile anche a distanza il che vuol dire che si propaga (a differenza delle risposte passive che oltretutto sono ancora analogiche).

Rimanere nel mondo analogico ha funzione per motivi di integrazione. La caratteristica dell'impulso digitale è quella di non sparire e di arrivare al termine integro. La struttura sinaptica è in grado di riconvertire il segnale ad analogico per consentire integrazioni. Lo stimolo locale diventa potenziale d'azione quando il livello di depolarizzazione tocca il valore soglia e si ha l'apertura dei canali del sodio. Le risposte passive della cellula sono tutte quelle al di sotto del valore soglia (fenomeni locali senza potenziale d'azione). Esse si dissipano nel tempo senza venire trasmesse.

Il concetto di guadagno è il rapporto tra segnale (ampiezza) di ingresso e quello di uscita. Se il guadagno è positivo si ha un'amplificazione di segnale, viceversa si ha un filtraggio del segnale. Il sistema non segue direttamente l'andamento dello stimolo con un periodo di debito (inizio) ed un periodo di ricarica (fine). Si osserva quindi la presenza ideale di un elemento capacitivo che si carica con andamento esponenziale. La capacità di un condensatore è C= Q/V. Il condensatore all'interno del sistema è la membrana basale che si carica fino al valore soglia.

Se la capacità del condensatore di una cellula è bassa, la velocità di risposta sarà più rapida viceversa per una cellula con una capacità più elevata. Nella cellula con condensatore “piccolo” vi sarà un rapido cambio della differenza di potenziale che decaderà velocemente nel tempo. Anche a quattro stimoli ravvicinati vi sarà un segnale di uscita corrispondente agli stimoli. Nel caso in cui invece il condensatore è “grande”, ad un primo stimolo il condensatore non ha tempo di scaricarsi ed ad un secondo stimolo il potenziale non corrisponderà a quello basale ma sarà più alto. In questo modo i potenziali dei due (o più) stimoli si sommano (e si può superare il potenziale soglia con una scarica). Si tratta in questo caso di una specie di memoria che si può sommare a stimolazioni successive. La resistenza di membrana influenza solo in ampiezza la risposta del sistema ma non dal punto di vista temporale.

Lezione 4 - 05/03

Con il raggiungimento del valore soglia si ha una forte variazione della permeabilità di membrana con conseguente variazione del potenziale. In particolare si ha una modificazione dell'impedenza della membrana. Quando si sviluppa un potenziale d'azione (al massimo 1ms nelle cellule nervose) è difficile valutare secondo per secondo le modificazioni. A tal proposito è stato inventato il voltage clamp che inietta una corrente uguale e contraria nel sistema a quella che si sta fornendo. Questo sistema ha permesso di verificare cosa avviene a carico della membrana in 1ms.

Dopo un potenziale di azione avviene una variazione di permeabilità anche per il potassio che addirittura iperpolarizza la membrana con un periodo di refrattarietà. Nelle cellule cardiache il potenziale è molto lungo. Se in una condizione sperimentale si elimina il sodio dall'esterno della cellula ci si aspetta un potenziale d'azione molto più basso (e più lento in velocità). Con l'applicazione della voltage clamp se si applica un potenziale di membrana più negativo (da -65mV a -130mV) non si registra alcuna corrente di membrana. Se invece il potenziale viene portato più positivo, si genera una corrente nel primo ms verso l'interno e poi verso l'esterno.

Da questo si conclude che la membrana diventa un generatore di corrente quando viene depolarizzata con la formazione rapida di corrente verso l'interno e più lentamente verso l'esterno. Con la somministrazione di diverse differenze di potenziale varia la corrente generata ed in particolare diventa sempre più forte ma più ci si avvicina al potenziale del sodio meno si ha presenza di corrente (prima corrente verso l'interno). La seconda corrente verso l'esterno, diventa invece sempre più forte man mano che ci si allontana dal potenziale di riposo del potassio.

Se si sostituisce la colina al sodio (la colina non passa nei canali per il Na) si osserva che la prima corrente è dipendente dal sodio (perché non è presente) mentre la corrente tardiva è sempre presente perché dipendente da un'altra specie chimica. Se si somministra una breve corrente depolarizzante e poi si torna a valori inferiori di potenziale, più questi valori sono bassi più si sviluppa una corrente tardiva che indica la corrente al potassio. All'interno del pesce palla è presente la TTX (tetradotossina) simile ad altri veleni utilizzati come allucinogeni.

Altre sostanze come la lidocaina sono sostanze neurotossiche (bloccanti del canale del sodio). Esistono anche bloccanti del canale del potassio presenti in alcuni serpenti. Usando questi veleni in laboratorio, si verifica una perdita delle relative correnti in base ai canali che vengono occupati. La corrente del potassio è sempre diretta verso l'esterno e man mano che si raggiungono valori più positivi è sempre più violenta; viceversa il sodio prevede una prima corrente verso l'esterno e poi cambia di segno passato il suo valore di equilibrio.

Il canale del sodio possiede componenti proteiche voltaggio dipendenti che consentono il corretto funzionamento dei canali Na. Il canale presenta una selezione dal punto di vista della carica e della conformazione sterica. Una di queste strutture consente il bloccaggio del potenziale di azione ed è una porta di inattivazione. Questo elemento determina che il canale del sodio sia voltaggio e tempo dipendente. Questa porta è aperta a voltaggi negativi ed è chiusa a voltaggi positivi. Si tratta di una porta che si chiude lentamente (a differenza dell'apertura veloce della porta del Na). In questo modo il sodio può entrare. In condizioni di normalità le due porte sono parzialmente aperte.

La corrente al sodio può essere facilitata da una iperpolarizzazione: la porta di inattivazione viene completamente aperta e quando si ha un depolarizzazione, tale porta si chiuderà lentamente e quindi la corrente sviluppata sarà maggiore rispetto ad una normale condizione di riposo (circa il 60% in questo caso). La porta di inattivazione è collegata ad un elemento proteico e carica positivamente. Annesse al canale del sodio vi sono le proteine responsabili nel riconoscimento di diverse tossine: impediscono l'avvicinamento di molecole positive, alterazione della porta del sodio (attivazione).

La refrattarietà prevede che una informazione non può essere sovrastata da un'altra informazione per evitare una confusione del segnale. Nel SNC si identifica una refrattarietà assoluta in cui un qualsiasi stimolo non determina potenziale; una refrattarietà relativa prevede invece una ipoeccitabilità. In questo caso lo stimolo deve essere sufficientemente forte. In condizioni di riposo la porta A (attivazione) è chiusa mentre la porta I è semiaperta. Nel potenziale d'azione la porta A si apre e la porta I lentamente si chiude.

All'apice del potenziale di azione la porta I è completamente chiusa. Occorre tener presente anche la corrente al potassio. Fino a che la porta I è chiusa si ha la refrattarietà assoluta e dura quasi tutto il periodo di caduta. Passato il valore soglia se si ha uno stimolo sufficiente per controbilanciare la corrente del potassio si genera un nuovo stimolo. Questo periodo è di refrattarietà relativa poiché la porta I è nuovamente aperta ma la membrana è iperpolarizzata a causa della corrente al potassio. Per una seconda informazione occorre un'energia maggiore rispetto al primo stimolo.

Il secondo fenomeno è quello dell'accomodazione: il sistema viene stimolato progressivamente fino al valore soglia e non con uno scalino rapido. In questo modo la porta I ha tempo di chiudersi prima del raggiungimento della soglia ed in questo modo il potenziale non viene scaricato. I canali del K sono voltaggio dipendenti, possiedono solo la porta A e si attivano a potenziali positivi (fase di discesa) e si chiudono per disperdere il periodo di refrattarietà relativa. Il potenziale di azione prevede una variazione di resistenza di membrana e la produzione di una nuova corrente.

Lezione 5 - 08/03

Al picco del potenziale di azione si ha una differenza di potenziale elettrico di +33mV. Il gradiente elettrico a questo punto tende a spingere verso l'esterno. Siccome la forza chimica rimane costante, la forza totale sarà 0.