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Fisiologia umana - Formenti e Brambilla

Appunti di fisiologia umana che sono basati su appunti personali del publisher presi alle lezioni della professore Procacci dell’università degli Studi di Milano - Unimi, facoltà di Medicina e Chirurgia, Corso di laurea in biotecnologie mediche. Scarica il file in formato PDF!

Esame di Fisiologia umana docente Prof. A. Formenti

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Si differenzia in tre tipologie:

1. Trasporto attivo primario

2. Trasporto attivo secondario

3. Trasporti di membrana, quali esocitosi, endocitosi, fagocitosi e pinocitosi

Il trasporto attivo primario/diretto

E’ quel tipo di trasporto attivo che avviene nel momento

in cui una molecola di ATP è idrolizzata contestualmente

al trasporto, in altre parole, l’energia viene sfruttata per

effettuare il trasporto stesso.

Rientrano in questi trasporti la pompa del calcio, la

pompa protonica e la pompa sodio/potassio,

La pompa del calcio è la chiave della contrazione muscolare, in quanto il calcio è una molecola che

può svolgere il ruolo di messaggero muscolare, poiché il calcio è fondamentale nella contrazione

muscolare, nella quale si lega alla troponina, che è una proteina che scatena il meccanismo di

contrazione.

Questa pompa è importante perché pompa il calcio nel muscolo scheletrico (quando è necessario).

La pompa protonica muove idrogenioni contro gradiente e serve per la regolazione del pH

fisiologico dell’organismo.

Un esempio di trasporto primario: la pompa sodio-potassio

La pompa sodio-potassio ha un’attività ciclica ed è una pompa elettrogenica, perché genera una

corrente ionica, che viene generata dallo ione sodio che di fatto esce dalla cellula.

Questa pompa si comporta da "antiporto", infatti, permette di trasportare contro gradiente di

+ +

concentrazione tre ioni di Na verso l'ambiente extracellulare e due ioni di K verso l'ambiente

intracellulare, sfruttando l'energia derivante dall'idrolisi dell'adenosintrifosfato (ATP).

+

All'inizio del processo di trasporto tre ioni di Na vanno a legarsi ai siti specifici ad alta affinità della

proteina veicolo rivolti verso l'interno della cellula.

Questo legame stimola la fosforilazione dipendente dall'ATP della pompa determinando un

cambio conformazionale della proteina veicolo, la quale esporrà i siti di legame per gli ioni

+

Na verso l'ambiente extracellulare, abbassando così la propria affinità per questi ioni cosicché essi

vengano rilasciati al di fuori della cellula. + +

Contemporaneamente alla fuoriuscita degli ioni Na , due ioni K vanno a legarsi ai siti specifici

esposti verso l'ambiente extracellulare stimolando la defosforilazione della proteina, la quale

tornerà al suo stato conformazionale di partenza e rilascerà questi ioni all'interno della cellula.

Una volta completata l'operazione, la proteina sarà pronta a ripetere il ciclo.

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Il trasporto secondario/indiretto

Questa tipologia non prevede un utilizzo di ATP

contestualmente al trasporto, ma esso viene consumato prima

per generare un gradiente che servirà a un’altra molecola per

essere trasportata contro gradiente.

Il funzionamento di questi trasporti dipende in gran parte dal

sodio, che è lo ione più presente nell’ambiente extracellulare e

che abbiamo già detto muoversi dall’esterno all’interno della

cellula e il cui gradiente è stato generato dalla pompa sodio

potassio: è un trasporto attivo perché il gradiente del sodio è

costato energia alla cellula; tuttavia l’energia non è utilizzata per il trasporto della seconda

molecola, per esempio del glucosio, che è trasportata contro gradiente.

Viene creata un’energia potenziale, che diventa poi cinetica.

Un esempio è costituito dai cotrasportatori SGLT tra sodio e glucosio, che è un simporto.

Un altro esempio è quello per antiporto tra il sodio e l’idrogeno, utile per l’omeostasi del pH.

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Questi trasporti non sono tuttavia singoli, ma

lavorano contemporaneamente, questo

perché se ci fosse solamente il trasporto

passivo il disequilibrio elettrico che serve per

generare i potenziali elettrici scemerebbe e se

ci fosse solo quello attivo avrei, per esempio,

tutto il sodio all’esterno e tutto il potassio

all’interno.

Quindi da un lato ho un sistema che fa muovere

gli ioni secondo il gradiente elettrochimico per

diffusione facilitata, mentre dall’altro c’è

qualcosa che alimenta questo gradiente, che è la

+ +

pompa Na /K .

L’acqua e l’equilibrio osmotico

L’acqua è quel componente che si muove liberamente e permette una distribuzione omogenea

nell’organismo. Ciò è strettamente legato al concetto

di osmosi, che è un fenomeno correlato alla

differenza di concentrazione e prevede che ci sia

sempre un equilibrio tra l’interno e l’esterno della

cellula per evitare lisi e raggrinzimento delle cellule.

ll termine osmosi indica la diffusione del solvente

attraverso una membrana semipermeabile dal

compartimento a minor concentrazione a quello con

più concentrazione. L’osmosi è un processo fisico

spontaneo, vale a dire senza apporto esterno di

energia, che tende a diluire la soluzione più

concentrata, e a ridurre la differenza di

concentrazione

Osmolarità: è un modo per indicare la

concentrazione delle soluzioni, è un parametro

fisiologico importante, monitorabile tramite un

saggio plasmatico, sapendo che l’osmolarità plasmatica è 300mOsm e riflette il valore osmotico

del compartimento interstiziale e intracellulare ed è utile, ad esempio, per vedere se il paziente è

disidratato. 24

Unità di misura dell’osmolarità: molarità (mol/L) x n° di particelle che si formano per ogni molecola

in sol = osmolarità (osmol/L o OsM).

Ci sono anche altre modalità utili alla misurazione delle concentrazioni, un esempio è la molarità.

Unità di misura: n° di molecole per L (M o mol/L)

La differenza tra un parametro come l’osmolarità e la molarità è che l’osmolarità non tiene conto

delle moli di soluzione, ma dalle particelle che possono essere generate da quella mole.

Ci sono casi in cui una sostanza non si dissocia, per cui una mole di quella sostanza ha un valore di

1 M e 1 Osm.

es. glucosio 1 M glu x 1 particella per ogni molecola di glu in soluzione = 1 OsM glu + -

Ci sono casi in cui una sostanza in acqua si dissocia, come l’NaCl, che si dissocia in Na e Cl ed

entrambi contribuiscono a determinare il potere osmotico di una soluzione.

es: NaCl 1 M NaCl x 2 ioni (particelle) per ogni molecola di NaCl in soluzione = 2 OsM

Quando si parla di osmolarità il presupposto è

che i soluti non devono essere diffusibili.

Questo movimento dovuto ai soluti che non

diffondono attraverso la membrana può essere

calcolato attraverso un parametro detto

pressione osmotica, che è la forza sulla superficie

che genere l’acqua quando si muove ed è

valutabile e calcolabile.

Sperimentalmente la pressione osmotica è

dimostrabile tramite l’utilizzo di un tubo u, nella

cui ansa è posta una membrana semipermeabile.

Nei due bracci del tubo vengono poste soluzioni

con concentrazioni diverse in uguali quantità.

La membrana semipermeabile comporta un

movimento dell’acqua, che si sposta nel braccio

di destra, in modo tale da effettuare una

diluizione.

Per valutare a quanto corrisponde in termini di

pressioni questo movimento, viene applicato uno

stantuffo su un braccio, portando i due livelli allo

stesso valore.

La pressione che ho dovuto applicare corrisponde alla pressione osmotica esercitata dall’acqua nei

confronti della soluzione iperosmotica, ovvero con più alta concentrazione.

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Passaggio di molecole attraverso una membrana

Prevedono modificazione della membrana più o meno radicale, sono classificati come trasporti

attivi sono detti anche chiamati processi vescicolari, perché di fatto si generano delle vescicole che

hanno una struttura formata dal doppio strato fosfolipidico, derivanti dalla modificazione della

membrana stessa

1. Endocitosi: è un processo che le cellule utilizzano per l’assunzione di sostanze presenti

nell’ambiente extracellulare o aderenti alla membrana della cellula stessa. Le sostanze che devono

essere assunte sono circondate da una piccola area della membrana plasmatica, la quale prima si

invagina e poi si stacca, formando una vescicola intracellulare che racchiude il materiale ingerito.

L’ endocitosi mediata da recettori si verifica quando il passaggio di molecole specifiche all’interno

della

cellula avviene tramite un’introflessione della membrana cellulare che forma una vescicola

membranosa, contenente i recettori e le molecole da essi trasportate. Fra le proteine di

membrana alcune presentano particolari siti recettoriali che sono in contatto con il fluido

extracellulare.

Questi recettori sono concentrati in regioni della membrana, che presentano sul lato

citoplasmatico uno strato formato dalla proteina clatrina.

2. Esocitosi: è un meccanismo di cessione all’ambiente esterno di sostanze che si trovano,

racchiuse in vescicole, all’interno della cellula. In tal modo sono trasportati all’esterno della cellula

gli enzimi digestivi o le secrezioni ormonali, le sostanze di rifiuto; è presente, per esempio, nelle

sinapsi, dove i neuroni secernono i neurotrasmettitori.

E’ importante perché nell’endocitosi mediata da recettore è il processo che permette il

riposizionamento delle clatrine sulla membrana tramite alcune vescicole che si staccano dal Golgi.

3. Pinocitosi: è il processo per il quale la cellula beve acqua, portando al proprio interno anche

piccole sostanze.

4. Fagocitosi: è il processo biologico attraverso il quale particelle solide sono ingerite e digerite da

alcuni tipi di cellule ( fagociti) o da microrganismi.

Le particelle da fagocitare aderiscono alla superficie del fagocito e la membrana della cellula si

invagina per formare una tasca. Successivamente questa tasca, che contiene la particella, forma

un vacuolo intracellulare, il fagosoma, che poi si fonde con uno o più lisosomi per formare i

lisosomi secondari, nei quali la particella estranea viene degradata.

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IL TRASPORTO TRANSEPITELIALE

Le molecole che passano attraverso un epitelio devono attraversare due membrane cellulari: una

prima membrana quando entrano nella cellula epiteliale, e una seconda quando lasciano la cellula

epiteliale per entrare nel liquido extracellulare.

Gli epiteli di trasporto dell’intestino e del rene sono

specializzati nel trasporto di molecole.

Le cellule degli epiteli di trasporto sono polarizzate e

presentano una membrana apicale che si affaccia verso il

lume dell’organo rivestito dall’epitelio e una membrana

basolaterale che si affaccia verso il liquido extracellulari.

Queste proteine presentano proteine differenti e, di

conseguenza, possiedono differenti proprietà di trasporto.

La polarizzazione di queste cellule permette il trasporto

direzionale di materiale dal lume verso il liquido

extracellulare o dal liquido extracellulare verso il lume.

Le cellule sono collegate tra loro da proteine strutturali che formano le giungionzi serrate/tight

junction, che possono tenere più o meno strette le cellule le une alle altre, con lo scopo, per

esempio, di far passare dal lume all’interstizio ciò che poi andrà nel sangue.

Il trasporto transepiteliale dell’epitelio gastrointestinale

27 +

Il glucosio entra nella cellula dal versante apicale, utilizzando il simporto Na /glucosio.

+ + +

Il Na viene pompato fuori dalla cellula sul versante basolaterale dalla pompa Na /K utilizzando

l’energia dell’ATP, mentre il glucosio diffonde verso l’esterno per mezzo di un carrier per la

diffusione facilitata.

La captazione apicale del glucosio dipende dall’energia accumulata nel gradiente del sodio.

+ +

Se la pompa Na /K smette di funzionare, il sodio entrato nella cellula non viene pompato

all’esterno, il gradiente del sodio non è più presente e la captazione del glucosio si arresta.

La transcitosi La transcitosi è un processo cellulare attraverso il quale

diverse macromolecole vengono trasportate da un lato all'altro

della cellula attraverso il citoplasma della cellula stessa. Le

macromolecole vengono incluse in vescicole a livello della membrana

cellulare mediante un processo di endocitosi, internalizzate nella cellula,

e quindi rilasciate attraverso la membrana cellulare in un

compartimento diverso da quello di origine, attraverso un processo

di esocitosi

E’ il modo in cui la madre passa gli anticorpi al figlio tramite

l’allattamento al seno, per questo si dice che è privilegiato rispetto

all’allattamento artificiale.

Questo fatto tramite epitelio intestinale, dove il latte arriva, qui tramite

transcitosi vengono trasmesse al neonato.

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I messaggeri chimici

Tra le tante funzioni cellulari proprie della membrana c’è quella di raccogliere le informazioni, utili per la

comunicazione all’interno dell’organismo; il tutto viene effettuato tramite i messaggeri chimici, i quali

contribuiscono a mantenere l’omeostasi.

Più in generale i messaggeri chimici sono quei meccanismi generali con cui le cellule possono comunicare a

breve o a lunga distanza, con lo scopo di mantenere l’omeostasi.

Se, per esempio, c’è la necessità di aumentare la gittata cardiaca per avere un maggior apporto di sangue,

l’informazione arriva al SNC, che lo passa al SNA, che a sua volta trasmette al cuore il messaggio di

aumentare la frequenza e la forza di contrazione, è un segnale elettrico, che avviene con rilascio di

neurotrasmettitori adrenergici.

In generale il Sistema Nervoso utilizza un segnale elettrico, che diventa chimico solamente nella parte finale

del processo, tramite una sinapsi.

Diversamente è possibile avere direttamente segnali chimici, che partono dal sistema endocrino, il quale

rilascia gli ormoni direttamente nel sangue, sciogliendoli nel plasma e da qui ai vari compartimenti.

In realtà la comunicazione non sempre è a lunga distanza, perché a volte il passaggio delle informazioni può

essere diretta tra cellula e cellula. Nella comunicazione diretta si creano dei punti di comunicazioni

tra due cellule, che permettono il passaggio di sostanze tramite

proteine di membrana che formano dei canali chiamati connessoni,

formati da 6 subunità chiamate connessine.

Due connessoni si giustappongono formando una comunicazione

diretta tra una cellula e l‘altra.

E’ presente nella sinapsi elettrica, dove l’informazione passa così

com’è (diversamente dalla sinapsi da chimica), in quanto gli ioni e le

piccole molecole passano direttamente tramite connessoni.

I connessoni sono localizzati in porzioni di membrana dove quanto lo spazio intercellulare è pressoché

nullo, qui avremo specializzazioni dette giunzioni comunicanti o gap junction, presenti per esempio nel

miocardio, soprattutto in quello ventricolare sx che manda sangue in tutto il corpo, perché sono

informazioni molto rapide che vanno a eccitare i miociti, che si contraggono.

Nelle comunicazioni indirette si ha una sostanza x che porta

l’informazione su un’altra cellula; l’informazione è captata quasi

sempre da una proteina di membrana, che prende il nome di

recettore di membrana.

Il recettore ha un incavo che ha la stessa forma del ligando in modo

tale che possa esserci un’alta affinità e si possano unire

I messaggeri possono essere classificati in base a due fattori: per funzione e per struttura chimica

Classificazione per funzione

① Messaggeri paracrini: Si definisce paracrino il messaggero chimico prodotto da una cellula che è lasciato

diffondere al fine di modificare la fisiologia delle cellule che la circondano, influisce su cellule di tipo

differente rispetto alla cellula che ha compiuto la secrezione.

La cellula che secerne questo messaggero paracrino lo secerne in concentrazione tale che quando esce

dalla cellula questo diffonde per gradiente di concentrazione e si lega sulle cellule vicine.

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esempio: fattori di crescita che regolano lo sviluppo embrionale e che vengono rilasciati per guidare lo

sviluppo; fattori di coagulazione; fattori che determinano le infiammazioni

② Messaggeri autocrini: si definisce autocrino il sistema di segnalazione cellulare in cui una sostanza

(l'agente autocrino) prodotta da una cellula va a modificare il comportamento della cellula stessa che li ha

secreti.

Spesso utilizzati per inibire la secrezione del messaggero.

③ Neurotrasmettitori: è un neurone che, attraverso una sinapsi, in

questo caso chimica, rilascia nel sangue delle sostanze, fungendo da

messaggero paracrino, perché il messaggio rilasciato, il cui rilascio

avviene tra il terminale assonale è diretto verso le cellule effettrici

vicine.

Tuttavia questi neurotrasmettitori possono essere anche lontani, un

esempio è la fibra effettrice che va alle estremità degli arti inferiori.

④ Ormoni: sono definiti ormoni quei messaggeri rilasciati dalle cellule endocrine, che vengono secreti nel

sangue. I messaggi trasportati dagli ormoni sono destinati solamente a soggetti provvisti di recettori.

④ Neurormoni: sono i messaggeri secreti da neuroni attraverso una sinapsi chimica, ma che prevede come

target un sistema di capillari e non cellule.

Questo è un tipo di messaggero che diffonde.

Un esempio di neurormone è l’ormone antidiuretico, che è prodotto dalla neuroipofisi, la quale è una parte

dell’ipofisi ed è formata da tessuto endocrino e nervoso, che rimane imprigionato durante lo sviluppo,

contenendo neuriti che derivano dall’ipotalamo.

Ci sono delle sostanze che

classificate sia come paracrine

sia come neurotrasmettitori, un

esempio è la serotonina, che è

usata durante il processo del

coagulo per le piastrine.

La serotonina è utilizzata anche

come neurotrasmettitore, in

particolare durante le allergie gli

antistaminici bloccano non solo

l’istamina, ma anche l’effetto

della serotonina a livello delle

mucose; non avrò quindi muco e

altri sintomi.

L’antistaminico, inoltre, lavora

anche sul sistema nervoso

centrale, in particolare sulla

funzione istaminergica che è

fondamentale per mantenere la

veglia. 30

Classificazione per struttura chimica:

La struttura chimica va a influenzare la modalità di trasporto, la produzione e l’immagazzinamento dei

messaggeri.

Avrò quindi messaggeri idrofilici, scioglibili in acqua. Questa tipologia non avrà problemi di trasporto nel

plasma; fanno parte di questa categoria gli amminoacidi, le ammine e i peptidi, perché la loro struttura è

idrofila. Questi messaggeri non possono attraversare la membrana, quindi vengono prodotti e poi

accumulati in vescicole, che nel momento del bisogno verranno secrete; sono inoltre prodotti anche

quando non c’è bisogno.

Altri sono idrofobici, quindi sono affini a membrana plasmatica e possono essere prodotto nel momento

del bisogno, senza una necessità di immagazzinamento, anche perché qualora venissero immagazzinati

uscirebbero dalle vescicole per gradiente.

Questo influenza anche i tempi di risposta di queste cellule perché un conto è averle già pronte, un altro

aspettare la sintesi.

amminoacidi (sostanzialmente neurotrasmettitori)

• Glutammato, è il neurotrasmettitore eccitatorio per definizione nel SNC.

Le attività eccitatorie sono a suo carico, il suo antagonista è il GABA con la glicina.

• Glicina, che deriva dal fosfoglicerato, attraverso una reazione di glicolisi.

• Aspartato, è un amminoacido derivante dall’ -chetogluterato durante ciclo di Krebs.

• GABA, detto anche acido -ammino glutirrico, è ottenuto per trasformazione del glutammato, di cui è

antagonista insieme alla glicina.

Ammine (neurotrasmettitori, ormoni e sostanze paracrine)

• CATECOLAMMINE (tirosina), l’enzima che trasforma la tirosina porta prima alla dopamina, poi alle altre

due.

I neuroni che rilasciano dopamina trasformano la dopamina nel citoplasma, mentre gli enzimi che

trasformano noradrenalina e adrenalina sono siti nelle vescicole.

– DOPAMINA

– NORADRENALINA/NOREPINEFINA

– ADRENALINA/EPINEFRINA

• SEROTONINA (triptofano), coinvolta nella depressione, il cioccolato contiene triptofano, come anche il

vino.

• ORMONI TIROIDEI (tirosina): rispetto a tutte le altre ammine sono lipofili e hanno di conseguenza

caratteristiche diverse per produzione, immagazzinamento e trasporto.

• ISTAMINA (istidina), paracrina e neurotrasmettitore

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Peptidi/proteine (ormoni)

Sono messaggeri grossi, che hanno bisogno dell’ausilio di corpuscoli cellulari, quindi del reticolo e

dell’apparato di Golgi.

La produzione avviene nel soma.

La caratteristica di queste sostanze è che nei vari passaggi vengono tagliati: avrò pre/pro ormoni, ogni

passaggio prevede il taglio proteina fino a ottenere il messaggero che manderà poi l’effettivo messaggio.

A volte questi tagli risultano inutili all’organismo, altre volte invece utili.

Tuttavia, possono essere utili per la diagnostica: la proinsulina è composta dall’insulina e dal peptide c, che

non ha in sé una funzione fisiologica, ma, una volta tagliato, va nel plasma e viene usato come saggio per

capire la concentrazione di insulina nel sangue, che in sé

sparisce velocemente.

Si capisce se paziente ha problema di insulina.

Steroidi (ormoni derivanti dal colesterolo)

Sono lipofili, vengono prodotti alla necessità e non vengono

immagazzinati.

C’è un problema per trasporto perché non si disciolgono nel

sangue.

Di questa categoria fanno parte i classici ormoni sessuali,

come per esempio il progesterone. Eicosanoidi

Sono protagonisti di fenomeni giornalieri, cioè processi

infiammatori ed emòstasi

Derivano dai fosfolipidi di membrana, per poi passare

all’acido arachidonico da cui si dipartono due vie: la via

della ciclo-ossigenasi e la via della lipo-ossigenasi, che

formano molecole paracrine che sono tutti mediatori

dell’infiammazione o dell’aggrefazione piastrinica,

fondamentali sia per formazione dei coaguli sia per le

infiammazioni.

L’aspirina va a bloccare la via della ciclo-ossigenasi e viene

inibito tutto ciò che sta a valle: prostaglandìne,

prostacicline (per infiammazione locale) e i trombossani

(importanti per coagulazione).

Nel momento in cui viene bloccata questa via se c’è

emorragia sono problemi.

L’aspirinetta viene usata, per esempio, nell’infarto al miocardio dovuto a un’ischemia delle vie coronariche.

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Il trasporto dei messaggeri chimici Come già detto la struttura chimica va a

influenzare la modalità di trasporto, la

produzione e l’immagazzinamento dei

messaggeri.

Avrò quindi messaggeri idrofilici, scioglibili

in acqua. Questa tipologia non avrà

problemi di trasporto nel plasma, nel quale

si disciolgono; fanno parte di questa

categoria gli amminoacidi, le ammine e i

peptidi, perché la loro struttura è idrofila.

Questi messaggeri non possono

attraversare la membrana, quindi vengono

prodotti e poi accumulati in vescicole, che

nel momento del bisogno verranno secrete;

sono inoltre prodotti anche quando non c’è

bisogno.

Altri sono idrofobici, quindi sono affini a

membrana plasmatica e possono essere

prodotto nel momento del bisogno, senza una necessità di immagazzinamento, anche perché qualora

venissero immagazzinati uscirebbero dalle vescicole per gradiente.

Questo influenza anche i tempi di risposta di queste cellule perché un conto è averle già pronte, un altro

aspettare la sintesi.

La maggior parte delle molecole di messaggero è trasportata legata a proteine trasportatrici; solo una

piccola quantità di ormone libero nel plasma è disponibile immediatamente per il legame con i recettori

delle cellule bersaglio.

Qui si gioca il bilancio tra gli ormoni legati alle proteine e gli ormoni liberi, che sono quelli che si andranno a

legare ai recettori.

Quando la piccola percentuale di ormoni diffusa nel plasma diffonde l’equazione si sposta verso destra,

aumentando la frazione di ormone libero dalla proteina, così finché tutto l’ormone che serve raggiunge il

target.

L’ormone più la proteina è in equilibrio con ormone libero e proteina.

Se la frazione libera disciolta se ne va questa equazione sarà spostata verso destra.

Questa modalità di trasporto aumenta quella che è chiamata l’emivita della sostanza.

L’emivita è un parametro fondamentale in farmacologia, dove esprime il tempo in cui è raggiunta ½ della

concentrazione delle sostanze nel plasma.

Meccanismi di trasduzione

Il messaggio che portano queste sostanze, in generale, devono legarsi a un recettore, sia che siano lipofile

sia che siano idrofile.

Tutti i messaggeri idrofili hanno necessariamente un recettore di membrana,

mentre quelli lipofili hanno, per la maggior parte, recettori dentro la membrana, anche se alcuni hanno un

recettore di membrana, che è una proteina integrale con un’affinità molto alta per un messaggero.

Solitamente i recettori sono specifici, ma ci sono alcune volte in cui per un messaggero ci sono più recettori,

un esempio sono i recettori adrenergici, che legano sia l’adrenalina sia la noradrenalina, neurormoni, anche

se a volte l’adrenalina è classificata come ormone, perché è rilasciata dalla midollare del surrene, la quale

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non è altro che un ganglio modificato che

rimane imprigionato dalla corticale

surrenale e che libera il contenuto

direttamente nel torrente circolatorio.

Essi vengono rilasciati dal SNA e possono

legarsi a una classe di recettori detti

recettori adrenergici, di cui ce ne sono

cinque: e . Spesso se si lega uno piuttosto di un altro si può avere

effetti opposti; inoltre a parità di recettore e a

concentrazione di neurotrasmettitore, l’adrenalina si

legherà più facilmente ai recettori .

Il messaggero genera una risposta, dopo che si è legato al

proprio recettore; essa sarà correlata a:

1. CONCENTRAZIONE DEL MESSAGGERO

2. DISPONIBILITÀ DEL RECETTORE

3. AFFINITÀ TRA MESSAGGERO E RECETTORE

1. La risposta è proporzionale alla concentrazione della sostanza che trasporta le informazioni

La proporzione di recettori legati aumenta all’aumentare della concentrazione di messaggero.

2.La risposta è correlata alla disponibilità del recettore

In farmacologia questo concetto è legato al fenomeno di up and down regulation.

Processi molto importanti per la regolazione dell’espressione genica e quindi dell’attività cellulare. Un

segnale di tipo chimico, per poter essere ricevuto da una cellula, necessita dell’esistenza di un recettore

presente sulla membrana della cellula destinataria del segnale. Tale recettore è costituito da una proteina

espressa dal genoma della cellula, e la quantità di molecole di questa proteina esposta verso l’ambiente

extracellulare influenza la sensibilità della cellula al segnale. La up-regulation si ha quando si innesca un

progressivo incremento dei recettori di membrana, mentre la down-regulation ne implica una diminuzione.

Il meccanismo di regolazione è basato, soprattutto, sullo squilibrio del ricambio e della produzione delle

proteine che costituiscono i recettori cellulari. Nel caso della down-regulation, se le molecole del

segnale (per es., un ormone o un neurotrasmettitore)

aumentano la loro concentrazione nello spazio

extracellulare, i recettori di membrana esauriranno la

loro funzione in tempi relativamente brevi per l’elevato

numero di molecole che la cellula internalizzerà grazie

alla loro presenza. Spesso ciò risulta in una diminuzione

del numero di recettori di membrana per quel

determinato agente, poiché il ricambio dei recettori è più

lento del loro consumo.

E’ un fenomeno che si trova nei tossico-dipendenti, per

esempio negli eroinomani, in cui sono protagoniste le

sostanze morfino-simili. L’organismo ha la necessità di aumentare la concentrazione di queste sostanze,

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perché il numero di recettori diminuisce, e risulta indispensabile un aumentare della quantità di

somministrazione.

La up-regulation ha luogo, invece, quando il numero di recettori aumenta, aumentando di conseguenza la

sensibilità della cellula. È quindi molto importante tenere conto di questi processi per modulare in modo

adeguato l’uso di farmaci e di altre sostanze.

3. La risposta è correlata all’affinità tra messaggero e recettore

Se ho due messaggeri con diversa affinità per il recettore anche la riposta sarà diversa

Affinità minore: a parità di concentrazione genera risposta non ampia

Affinità maggiore: a parità di concentrazione genera risposta molto ampia

Antagonisti e agonisti recettoriali

Ligando primario: è la sostanza endogena, in farmacologia si possono poi

utilizzare sostanze che mimano l’effetto del messaggero endogeno e sono

gli agonisti recettoriali

Agonista recettoriale: sono quelli che hanno pari o maggiore affinità con il

recettore, per esempio i recettori che noi abbiamo sulle nostre cellule

hanno come agonista per esempio morfina, eroina

Antagonista: hanno struttura chimica che assomiglia al ligando e

all’agonista, si lega ma non mette in atto la risposta, un esempio sono i -

bloccanti, farmaci utilizzati per bloccare l’ipertensione arteriosa, che è normalmente permessa dai recettori

, che fanno legare adrenalina e noradrenalina.

Recettori intracellulari, messaggeri lipofili

Il recettore intracellulare è una struttura

recettoriale di natura proteica localizzata a livello

intracellulare e più raramente a livello

della membrana citoplasmatica. I recettori

intracellulari interagiscono con ligandi di natura

ormonale o molecole lipofile specifiche.

Il complesso ligando-recettore funge da fattore

di trascrizione il quale migra nel nucleo cellulare,

divenendo un recettore intranucleare, andando

a interferire con un effetto che durerà nel tempo

(lento ma violento).

Recettori di membrana, messaggeri idrofili

Così definiti per distinguerli dai recettori intracellulari, i recettori di membrana (o di superficie) coinvolti

nella segnalazione tra le cellule eucariotiche sono glicoproteine di membrana progettate in modo da

riconoscere e interagire con molecole-segnale circolanti nel mezzo extracellulare. Le molecole-segnale (o

ligandi), che comprendono ormoni, fattori di crescita e neurotrasmettitori, vengono rilasciate da un gruppo

di cellule e legate dai recettori di un altro gruppo di cellule. Il ligando può essere anche rappresentato da un

farmaco. In ogni caso, il legame da parte del recettore innesca una serie di complesse risposte interne nella

cellula che riceve il segnale, come l’incremento o la diminuzione delle attività cellulari di trasporto,

secrezione, metabolismo, inizio della divisione cellulare, movimento cellulare.

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Si differenziano in:

1. I recettori-canale (o canali ionici ligando-dipendendi) sono

recettori rapidi costituiti da glicoproteine formate da diverse

subunità che si assemblano a formare un canale idrofilico. Le

subunità sono costituite da singole catene polipeptidiche che

attraversano la membrana cellulare.

Il legame col ligando ad un sito generalmente presente nella

porzione extracellulare del recettore, determina delle

modificazioni conformazionali che rendono il poro-canale

intrinseco al recettore permeabile agli ioni; il canale passa così

da uno stato conformazionale di riposo ad uno stato attivato.

Questo passaggio di cariche induce una serie di eventi quali la

modificazione del potenziale transmembrana (depolarizzazione se entrano cationi o escono anioni,

iperpolarizzazione se entrano anioni o escono cationi) e/o l’attivazione di cascate enzimatiche.

Un esempio è il recettore nicotinico, che è un recettore che forma canali

ionici attivati da un ligando nella membrana plasmatica di alcuni neuroni

e rappresenta il modello più studiato di recettore ionotropico.

Come gli altri tipi di recettori colingergici i recettori nicotinici hanno

come ligando endogeno l'acetilcolina, di cui vengono utilizzate due moli,

che portano a una permeabilità al Na e al K, dove la concentrazione di Na

è maggiore a quella del K. ).

Un altro esempio è quello costituito dal calcio, che viene utilizzato come messaggero intracellulare. La

presenza di alcuni messaggeri implica l’apertura dei canali proteici del Calcio presenti sulla membrana del

2+

reticolo endoplasmatico. Gli ioni Ca intracellulari liberi nel citosol sono potenti attivatori di molti processi

intracellulari, come esocitosi e contrazione muscolare.

2. Recettori enzima

I recettori enzimatici ad attività tirosin-chinasica intrinseca

(TRK) sono recettori di membrana (o di superficie) dotati di

attività enzimatica, più precisamente di attività fosforilante,

selettiva nei confronti di residui di tirosina.

36

3. Recettori associati a proteine G

• VERSANTE INTRACELLULARE

• 3 SUBUNITÀ: (20), (5) e (13)

1. Azione su i canali ionici (lenti)

2. Stimolatorie

3. Inibitorie

Dove stimolatorie e iniborie sono i secondi messaggeri

Le proteine G rappresentano il livello intermedio nella

gerarchia organizzativa di gestione della comunicazione

tra recettori ed enzimi effettori o canali ionici. Le

proteine G consistono di tre subunità , , e .

I nucleotidi guaninici si legano alla subunità , che è

provvista di attività enzimatica, catalizzando la

conversione del GTP in GDP e innescando reazioni che

possono inibire o attivare la reazione.

Le subunità e rimangono associate a formare un

unico complesso .

Sono recettori metabotropici ovvero quei recettori che,

una volta legato l'ormone (o altro ligando) scatenano

una cascata di reazioni intracellulari che portano alla

formazione di un messaggero secondario, come ad es.

l'cAMP nello stimolo adrenalinico.

I metabotropi sono più lenti rispetto a quelli ionotropi, in quanto la proteina non corrisponde al recettore.

Recettore muscarinico

Il recettore muscarinico è un recettore

transmembrana appartenente alla grande famiglia

dei recettori accoppiati alle proteine G. Il ligando naturale

del recettore muscarinico è

l'acetilcolina, neurotrasmettitore deputato alla

trasmissione dell'informazione nervosa ed in grado di

legarsi anche ai recettori nicotinici. Mentre i recettori

nicotinici sono canali ionici che legando l'acetilcolina

consentono il flusso di ioni, l'attivazione del recettore

muscarinico innesca una cascata di reazioni intracellulari

mediate dal rilascio di un secondo messaggero.

I recettori muscarinici possono essere suddivisi in cinque

sottotipi recettoriali: M1, M2, M3, M4, M5 (solo parzialmente caratterizzato), divisi in base alle omologie

della sequenza peptidica. 37

Sistema dei secondi messaggeri: AMPciclico IP3 e Dag

L’AMPc

IP3 e DAG derivano dai lipidi di membrana, attivano un sistema che attiva a sua volta chinasi e

modificazione delle proteina.

L'inositolo trifosfato, detto anche inositolo 1,4,5-trifosfato (abbreviato in IP3) è, insieme

al diacilglicerolo (abbreviato in DAG), un secondo messaggero utilizzato dalla cellula come molecola con la

funzione di Trasduzione del segnale.

Mentre il DAG rimane all’interno della membrana, l’IP3 è solubile ed è in grado di diffondere attraverso la

cellula.

La tossina colerica:

le proteine G possono essere attaccate da molte tossine batteriche, come quella che causa il colera.

Il colera, provocato dall’infezione di un batterio, è la causa principale di mortalità infantile nei paesi

sottosviluppati.

Il sintomo principale è rappresentato da un imponente diarrea, che provoca la perdita di 15-20 litri di liquidi

al giorno, causata dalla tossina rilasciata dal aptogeno a livello intestinale. La tossina agisce sulle proteine G

che, attivando l’adenilato cilcasi, determinano una ingente produzione di cAMP.

La comunicazione a distanza mediante i sistemi nervoso ed endocrino

Ai fini del mantenimento dell’omeostasi è cruciale che le cellule di una regione dell’organismo siano capaci

di comunicare con cellule di regioni distanti. L’organismo ha due sistemi specializzati per la comunicazione

a lunga distanza: il sistema nervoso e il sistema endocrino.

Il sistema nervoso: è formato da neuroni e cellule di supporto chiamate cellule gliali. I neuroni sono in

grado di comunicare a distanza trasmettendo dapprima i segnali elettrici lungo tutta la cellula e

successivamente trasmettendo i segnali chimici mediante il rilascio di neurotrasmettitori in corrispondenza

del terminale assonico.

Il neurotrasmettitore diffonde a breve distanza verso la cellula bersaglio.

Il sito dove il terminale assonico comunica con la cellula bersaglio è chiamato sinapsi.

Il sistema endocrino: non esistono collegamenti anatomici tra le cellule secretorie e le cellule bersaglio.

Infatti, il sistema endocrino comunica mediante messaggeri chimici chiamati ormoni, che possono

raggiungere quasi tutte le cellule del corpo viaggiando nel torrente circolatorio.

38

In genere, gli ormoni comunicano il loro messaggio alterando la sintesi proteica o attivando proteine G,

processi che sono entrambi notevolmente più lenti dei segnali elettrici e chimici utilizzati dal sistema

nervoso. Questa relativa lentezza del sistema endocrino e la sua capacità di inviare segnali in modo diffuso

sono importanti per coordinare le attività metaboliche de vari organi.

La genesi del potenziale di membrana a riposo

Ricordando che una cellula a riposo presenta una differenza di potenziale a cavallo della membrana che fa

sì che l’interno della cellula sia carico negativamente rispetto all’esterno, ricordiamo che questa differenza

di potenziale è definita potenziale di membrana a riposo (V a riposo), perché in tali condizioni la cellula è

m

a riposo, cioè non riceve né trasmette alcun segnale elettrico. Il potenziale di membrana di un neurone a

riposo è circa -70mV.

Determinazione dei potenziali di equilibrio degli ioni sodio e potassio

1

Il potenziale di membrana a riposo dipende da due fattori critici, il gradiente di concentrazione degli ioni

2

attraverso la membrana cellulare e la presenza dei canali ionici di membrana.

Per spiegare cosa genera il potenziale di membrana ci avvarremo di due situazioni ipotetiche:

① +

Ione K : prendendo in considerazione una cellula che è permeabile soltanto agli ioni potassio, cioè che

presenta sulla membrana plasmatica soltanto canali aperti per il potassio.

Assumiamo, in un primo momento, che non vi sia differenza di potenziale tr i due lati della membrana

cellulare, quindi che il potenziale di membrana sia pari a 0mV.

Poiché la cellula è permeabile soltanto agli ioni potassio, tali ioni diffonderanno, seguendo il loro gradiente

di concentrazione, all’esterno della cellula.

La fuoriuscita di potassio trasporterà cariche positive all’esterno della cellula e renderà l’interno

relativamente negativo rispetto all’esterno. Come conseguenza di tale movimento ionico, si genererà un

potenziale di membrana negativo.

Una volta generatosi questo potenziale, sugli ioni potassio agiranno sia la forza chimica, generata dal

gradiente di concentrazione, sia una forza elettrica, determinata dal potenziale di membrana.

La direzione della forza chimica è tale da spingere lo ione potassio all’esterno della cellula; la direzione della

forza elettrica è invece tale da tirare il potassio in direzione contraria all’interno della cellula, a causa

dell’attrazione tra le cariche positive del potassio e quelle negative all’interno della cellula.

Mentre la forza chimica che spinge il potassio fuori dalla cellula rimane costante, la forza elettrica continua

a cambiare al fuoriuscire del potassio fino allo stabilirsi di un equilibrio.

Inizialmente la forza chimica è maggiore di quella elettrica, in quanto il potenziale di membrana è di ridotta

entità e, pertanto, il potassio continua a uscire dalla cellula.

Tuttavia, all’aumentare della fuoriuscita del potassio, aumenta il potenziale di membrana e di conseguenza

39

aumenta la forza elettrica che tira il potassio all’interno della cellula.

Quindi, appena inizia a stabilirsi un potenziale di membrana, la fuoriuscita del potassio diminuisce.

Quando la forza elettrica bilancia esattamente quella chimica non vi è più alcun movimento entto di ioni

attraverso la membrana.

In queste condizioni si dice che lo ione potassio è all’equilibrio, in quanto la forza elettrochimica netta è pari

a zero.

In questo caso il potenziale di membrana equivale il potenziale di equilibrio del potassio (-90mV)

② +

Ione Na : prendendo in considerazione una cellula permeabile soltanto agli ioni sodio, cioè che

presenta sulla membrana plasmatica soltanto canali aperti per il sodio.

Consideriamo che all’inizio non vi sia alcuna differenza di potenziale tra i due lati della membrana cellulare.

Poiché il sodio può attraversare la membrana esso diffonde, seguendo il suo gradiente di concentrazione,

all’interno della cellula.

Il movimento del sodio trasporta cariche positive all’interno della cellula, che diviene pertanto carico

positivamente rispetto all’esterno, generando così un potenziale di membrana positivo.

In presenza di tale differenza di potenziale, la direzione della forza chimica tende a spingere il sodio

all’interno della cellula, mentre la forza elettrica tende a spingerlo verso l’esterno a causa della repulsione

tra le cariche positive degli ioni sodio e la carica netta positiva all’interno della cellula.

La forza elettrica continuerà a modificarsi in seguito all’ulteriore ingresso nella cellula di tale ione, fino al

raggiungimento di un equilibrio quando la forza elettrica diverrà sufficientemente grande da

controbilanciare esattamente la forza chimica.

A tal punto il sodio si troverà in una situazione di equilibrio in cui il potenziale di membrana sarà uguale al

potenziale di equilibrio del sodio (+60mV)

Perché il Na ha un valore positivo e il K negativo se hanno entrambi una carica di +1?

Perché se messi nell’argomento del logaritmo nell’equazione di Nernst otterrei un argomento al logaritmo

di questo tipo:

Na argomento > 1, quindi il logaritmo è positivo

K argomento < 1, quindi il logaritmo è negativo

Per capire i meccanismi alla base del potenziale di membrana negli anni Cinquanta vennero condotti degli

studi di microscopia ottica sull’assone del calamaro gigante, che un dimetro compreso tra 0.5 e 1mm.

40

Hodgkin e Huxley, i due studiosi che si occuparono di questo esperimento, usarono minuscoli elettrodi per

misurare il voltaggio lungo la membrana plasmatica di questo assone gigante, e per far passare attraverso

di esso una corrente elettrica che ne modificasse il potenziale di riposo. I due ricercatori modificarono

anche le concentrazioni di Na+ e di K+ sia dentro sia fuori dall’assone, misurando poi i relativi cambiamenti

nel potenziale di membrana.

Considerando che il potenziale a riposo era -70mV e quello del potassio -90mV, ciò che ipotizzarono,

osservando i fenomeni, fu che alla base del potenziale di membrana ci fosse il potassio, in quanto quando

questo era ad alte concentrazioni si aveva un alto potenziale di membrana; tuttavia la concentrazione di

potassio fisiologico era discordante con questa tesi e ciò era additabile alla presenza di altri ioni, quali il

sodio e il cloro.

Da qui cominciò a essere preso in considerazione anche il concetto di permeabilità (p), un concetto che è

impossibile isolare dalla membrana, in quanto essa ha insita questa proprietà.

Alcune cellule, quindi sono permeabili ad altri ioni, oltre che al sodio e al potassio, per cui anche la

permeabilità della membrana a questi altri ioni contribuisce alla genesi del potenziale di riposo.

Ogni ione cercherà di portare il potenziale di membrana vicino al valore del suo potenziale di equilibrio.

Se la permeabilità a un determinato ione aumenta, il potenziale di membrana si avvicina al potenziale di

equilibrio di tale ione.

Gli ioni a concentrazioni di ordini di grandezza inferiori a quelle degli altri ioni non contribuiscono in

maniera significativa al potenziale di riposo.

L’equazione di Nernst non può quindi essere utilizzata per il calcolare il potenziale di membrana della

cellula, in quanto la membrana plasmatica è permeabile, in modo diverso, a più di una specie ionica.

Il potenziale di una membrana, pertanto, dipende dalla concentrazione di tutti gli ioni attraverso la

membrana e dalla permeabilità della membrana a questi ioni.

Il contributo di ciascuno ione al Potenziale di Membrana è proporzionale alla sua capacità di attraversare la

membrana.

Se la permeabilità a un determinato ione è pari a zero, esso non contribuirà alla genesi del potenziale di

membrana.

Il Cloro, invece, il cui potenziale è -63mV, avendo un potenziale tuttalpiù simile a quello della membrana è

trascurato.

Il tutto è espresso dall’equazione di Goldman-Hodgkin-Katz (GHZ)

Consideriamo adesso il potenziale di riposo con Na e K contemporaneamente:

A riposo il numero dei canali per il potassio aperti è superiore a quello dei canali per il sodio aperti.

Ammettendo che all’inizio non vi sia alcuna differenza di potenziale tra i due lati della membrana cellulare,

osserviamo che cosa succede quando il potassio e il sodio iniziano a muoversi secondo i propri gradienti di

concentrazione attraverso la membrana cellulare.

Poiché sia il sodio sia il potassio si muovono secondo i loro gradienti di concentrazione, gli ioni potassio si

sposteranno verso l’esterno della cellula secondo il proprio gradiente di concentrazione, mentre gli ioni del

sodio entreranno nella cellula.

Il movimento del potassio verso l’esterno sarà di entità maggiore rispetto a quello del sodio verso l’interno

della cellula, perché la membrana è più permeabile allo ione potassio.

In queste condizioni si genera, pertanto, un movimento netto di cariche positive verso l’esterno della

cellula, che crea un potenziale endocellulare negativo.

41

Con il tempo, continuando l’ineguale flusso di questi due ioni attraverso la membrana, il potenziale di

membrana diviene sempre più negativo, finché si giunge alla situazione in cui la forza elettrica rallenterà il

passaggio del potassio all’esterno della cellula e favorirà l’ingresso del sodio.

Quindi, divenendo il potenziale di membrana più negativo, il flusso di potassio verso l’esterno diminuisce,

mentre aumenta quello del sodio verso l’interno.

Alla fine del processo i flussi dei due ioni divengono uguali ma con direzioni opposte, tali da dare come

flusso netto di cariche elettriche zero e a tal punto avremo un potenziale di membrana stabile attorno a un

+ +

valore di circa -70mV, un potenziale che è mantenuto dalla pompa Na /K .

Sia il sodio sia il potassio si muovono attraverso la membrana tendendo a raggiungere il proprio equilibrio

di potenziale elettrochimico. Nessuno dei due ioni può raggiungere le proprie condizioni di equilibrio, in

quanto il movimento dell’uno si oppone al movimento dell’altro; per questo il potenziale di riposo finale

assumerà un valore intermedio tra i due potenziali di equilibrio. Poiché la membrana cellulare è molto più

permeabile al potassio, il potenziale di membrana a riposo è di fatto più vicino al potenziale di equilibrio del

potassio piuttosto che al sodio.

A: Il potenziale di membrana coincide con il potenziale di equilibrio del potassio, questo perché è presente

solamente il potassio.

Le forze chimiche equivalgono le forze elettriche, non c’è quindi la presenza di forze elettrochimiche.

B: viene inserito un canale per il sodio.

I sodio entra e il potenziale di membrana (-90mV) tende ad alzarsi per

adeguarsi al potenziale del sodio (+60mV)

C’è una forza elettromotrice molto ampia che permette al sodio di

entrare.

C: Le cariche del sodio influenzano il potenziale, ma il potassio cerca di

portare il potenziale di membrana verso il suo potenziale di equilibrio

(-70mV).

Dal momento che il potassio è più permeabile si genera una corrente

che neutralizza la forza del sodio, nonostante ci sia una forza elettromotrice minore.

42

La membrana cellulare come circuito elettrico

Gli ioni generano forze elettriche, le cui direzioni seguono una regola abbastanza semplice: cariche opposte

si attraggono e cariche uguali si respingono.

Per separare cariche di segno opposto occorre energia e, una volta avvenuta questa separazione, si

accumula energia elettrica sotto forma di potenziale elettrico o voltaggio, la cui forza dipende dall’entità

della separazione delle cariche (maggiore è la separazione maggiore è il potenziale)

Quando gli ioni si muovono trasportano cariche elettriche e il loro movimento è definito corrente (I), che

nei sistemi biologici è espressa in microampère (mA).

Maggiore è il potenziale elettrico maggiore sarà la forza (o voltaggio, o ddP) che genera il movimento ionico

e quindi la corrente.

Ci sono anche altri fattori di cui bisogna tenere conto che determinano il movimento di ioni:

La resistenza (R): è la misura dell’ostacolo al movimento delle cariche elettriche; più grande è la

resistenza più sarà difficile per gli ioni muoversi attraverso di essa e quindi minore sarà la corrente.

La membrana cellulare ha un’alta resistenza ai flussi di corrente a causa della sua bassa permeabilità agli

ioni.

Al contrario, il citoplasma e il liquido extracellulare hanno una bassa resistenza ai flussi di corrente, poiché

questi liquidi sono ricchi di ioni.

La conduttanza: numero di cariche elettriche (ioni) che attraversano i canali.

E' l’espressione quantitativa di un conduttore ad essere percorso da corrente elettrica ed è l’inverso della

resistenza. 1/R

La conduttanza viene solitamente indicata con la lettera G. La sua unità di misura nel sistema

internazionale è il siemens (o meglio picosiemens pS, in quanto la conduttanza è di dimensioni molto

ridotte).

La conduttanza è un concetto diverso dalla permeabilità, in quanto mentre essa esprime il numero delle

porte aperte, la conduttanza ci dice quante cariche elettrice (in questo caso ioni) passano attraverso i

canali. Di qui è definita la corrente che passa da questi canali, detta corrente ionica, che non è altro che la

forza che muove questi ioni moltiplicata per la conduttanza.

Quindi:

Permeabilità = numero porte aperte

Conduttanza= numero di cariche che attraversa queste porta

corrente ionica= (forza motrice elettrica+forza motrice chimica) conduttanza

Da questa legge posso, per esempio, avere la massima permeabilità per uno

ione (enorme numero di canali aperti), ma se non ho una forza

elettrochimica che sostiene questo movimento la conduttanza è zero e

quindi il flusso di corrente è zero.

Tutto ciò si conduce alla legge di Ohm, che rappresenta la relazione tra la

differenza di potenziale, la corrente e la resistenza è definita legge di Ohm.

Quindi da questa formula avrò:

V = I R

m

V = I 1/g

m 43

L’equazione di Goldman, di cui ci siamo avvalsi fino a questo punto, è in grado di esprimere solamente il

potenziale di membrana allo stato stazionario, cioè quando le permeabilità sono fisse; tuttavia ciò non

rispecchia la realtà, poiché le membrane hanno anche alcuni canali che si aprono e si chiudono e per questo

la permeabilità varia l’equazione allora non è in grado di calcolare le variazioni di potenziale.

Come risolvere il problema? Alcuni fisiologi hanno cercato di creare un modello che si basasse sulla teoria

dei circuiti elettrici, cercando di associare i componenti della membrana ai i componenti dei circuiti.

la membrana può essere rappresentata come un circuito elettrico costituito da:

① un condensatore (capacità di membrana)

② una resistenza (conduttori o resistori) (canali ionici) posti in parallelo

③ batterie (forze elettromotrici)

CANALI IONICI – Resistore o conduttore

Qui rappresenta la conduttanza per questo canale, che è un canale specifico per il potassio, ed è l’inverso

k

della resistenza = 1/r

k k

Questo è una cellula il cui canale per il potassio è sprovvisto di differenza di concentrazione e quindi l’unica

corrente che passa è determinata dalla differenza di potenziale, che è rappresentata da una retta passante

per il centro. i = x V

Secondo la legge di Ohm: K k m

FORZA ELETTROMOTRICE - Batteria

Con la situazione precedente, in realtà, non è rispecchiato ciò che accade davvero.

Questo perché c’è una differenza di concentrazione, che non viene tenuta in considerazione, la quale

genera una forza elettromotrice, che rappresenta la batteria del circuito.

44

Riprendendo la legge di Ohm si sta aggiungendo un elemento in più, che è quello rappresentato dalla

differenza di concentrazione di potassio presente dentro e fuori, quindi tutta la corrente che passa dipende

dalla conduttanza di questo canale moltiplicata per la forza elettromotrice (potenziale di equilibrio del

potassio)

i = x E

k k k

Ma avendo a che fare con un potenziale di membrana la corrente deve essere calcolata moltiplicando la

conduttanza per la differenza tra il potenziale di membrana e il potenziale di equilibrio:

Sulla cellula non ho solo un canale, ma più canali, che vengono considerati come conduttori e

batterie in parallelo.

Di conseguenza g esprime la somma di tutte le conduttanze di tutti i canali (K, Na, Cl)

Nel circuito possono essere poi inseriti degli elementi

che rappresentano il liquido extracellulare esterno e

il liquido intracellulare che rappresentano ottimi

conduttori, in quanto sono soluzioni ioniche.

Sono indicate con dei segmenti (corto circuiti) dove la

resistenza è nulla e c’è conduttanza infinita.

Qui di fianco sono rappresentate le due

+ +

armature, una pompa Na /K , che è,

come già visto, una pompa

elettrogenica, nel senso che genera una

piccolissima corrente verso l’esterno.

Variando le conduttanze e le

concentrazioni degli ioni si cambia la

forza della batteria; in particolare

durante una dinamica di eventi a cavallo di una membrana, conduttanze e concentrazioni variano, ma

45

avendo elementi così precisi in ogni momento quali sono quelli costituiti da un circuito elettrico, è possibile

calcolare la variazione di potenziale di membrana.

CAPACITA’ DI MEMBRANA - Condensatore

La capacità di membrana (Cm) è interessante perché gli eventi chimici vanno a cambiare la distribuzione

delle cariche ai lati della membrana.

Il condensatore ha una capacità, che è direttamente proporzionale alla superficie, cioè maggiore è la

superficie maggiore è la capacità, cioè ho più area su cui distribuire le cariche.

E’ invece inversamente proporzionale alla distanza delle armature, che sono, nel nostro caso, i lati della

membrana, che sono rappresentati dal doppio strato lipidico, il quale mantiene separate le cariche di segno

opposto sui due lati della membrana (condensatore).

Il lavoro in questo caso è espresso come la forza necessaria a separare le cariche

Se io aumento il numero di cariche (B) sarà più faticoso spostare le cariche, l’area aumenta

Se io aumento la superficie (C) il lavoro continua a essere uguale

Se io allontano le due armature (D) il lavoro necessario per spostare le cariche aumenta perché aumenta la

distanza (poco importante perché distanza tra lati membrana non aumenta)

46

I FENOMENI ELETTRICI

I segnali elettrici nei neuroni si generano quando, in risposta a stimoli particolari, si aprono o si chiudono

alcuni canali ionici, detti canali a cancello.

Quando questi canali si aprono o si chiudono, cambia la permeabilità ad alcuni ioni, modificandone il

movimento attraverso la membrana.

Per esempio, se si aprono i canali del sodi

o, aumenta l’ingresso di tale ione nella cellula ed il potenziale di membrana si sposta verso il potenziale di

equilibrio del sodio.

Ci sono tre tipologie di canali con gate:

elettrici (voltaggio-dipendenti)

chimici (ligando-dipendenti)

meccanici Poiché il potenziale di membrana rappresenta la differenza di

potenziale tra i due lati della membrana, si dice che la membrana

è polarizzata; il segno si riferisce sempre al potenziale registrato

all’interno della cellula rispetto all’esterno. Poiché il potenziale

ha un valore negativo di circa -70mV, un cambiamento verso i

valori più negativi è detto iperpolarizzazione, in quanto la

membrana diventa più polarizzata.

D’altro canto, un cambiamento verso valori meno negativi o

l’instaurarsi di potenziali positivi determina una depolarizzazione

della membrana, in quanto diviene meno polarizzata.

La ripolarizzazione si verifica quando il potenziale di membrana

torna al valore di riposo dopo una depolarizzazione.

Ci sono due tipologie di segnali elettrici risultati dall’apertura o dalla chiusura dei canali ionici con gate:

① Potenziale graduato/elettrotonico/sinaptico, segnali elettrici passivi: modificazioni del potenziale

caratterizzati dal tipo di membrana fenomeni passivi, influenzati dalle caratteristiche passive della

membrana

② Potenziale d’azione, segnale elettro attivo evento che serve a mandare info verso la periferia (devo

muovermi) oppure che da periferia va verso il centro (ho caldo)

47

Il neurone a sinistra, provvisto di soma, è influenzato da due elettrodi, di cui uno registra il potenziale di

membrana e quindi le sue modificazioni, mentre l’altro sta stimolando il neurone iniettando corrente.

Nell’immagine rappresentante la corrente vediamo degli impulsi quadri, che vengono iniettati nella cellula

a scelta dell’operatore.

Quando la linea va verso il basso significa che vengono iniettate cariche negative, quando invece va verso

l’altro si stanno iniettando corrente positiva.

Nel secondo grafico è visibile come si modifica, invece, il potenziale di membrana: si parte a riposo,

all’impulso di corrente corrisponde un potenziale che si iperpolarizza, allontanandosi ulteriormente dallo

zero.

Quando la corrente è positiva il potenziale si depolarizza.

Quando si depolarizza, aumentando lo stimolo, l’evento innesca un fenomeno completamente diverso con

una rapidità diversa che è il potenziale d’azione, che è un fenomeno attivo.

Per distinguere attivo da passivo si guarda il valore soglia, un valore che devo raggiungere per effettuare

questo evento drammatico.

PROPRIETÀ PASSIVE DEI NEURONI influenzano il potenziale graduato, esse sono:

• Capacità della membrana (Cm) ) rallenta l’andamento temporale dei segnali elettrici (COSTANTE DI

TEMPO, RELAZIONE CORRENTE-VOLTAGGIO).

• Resistenza della membrana a riposo (Rm) e resistenza assiale intracellulare, in quei tratti dei neuroni dove

il diametro è ridotto (Ra, assoni e dendriti), che influenzano l’efficienza della conduzione dei segnali

(COSTANTE DI SPAZIO).

• Queste proprietà sono inoltre fondamentali per sapere se un potenziale graduato sarà in grado di

raggiungere la soglia e innescare un PdA (SOMMAZIONE SPAZIALE E TEMPORALE).

48 C = capacità d’ingresso = C (4 a2)

in m

• C = 1 F/cm

m 2

• I = corrente ionica (o resistiva)

i

• I = corrente capacitativa

c

I = I + I

m i c

La presenza dei canali aperti sulla membrana

rappresentano la resistenza totale dei canali.

La capacità, invece, (condensatore) rappresenta

la capacità totale della membrana.

Quando faccio transitare della corrente a cavallo

della membrana, per la teoria dei circuiti elettrici,

la somma della corrente capacitativa (che va a

caricare il condensatore) e ella corrente resistiva

o ionica, che passa attraverso i canali (resistori)

deve essere costante ed è la teoria che io somministro che si distribuisce.

Questo perché la corrente applicata trova due vie, una rappresentata dal condensatore e l’altra dai canale

ionici che hanno resistenza, quindi le cariche passeranno prima dal condensatore e solo successivamente il

canale.

A seconda di quanto è grande la cellula il condensatore (membrana) si caricherà più velocemente o meno

in quanto c’è proporzionalità con l’area della membrana

CORRENTE RESISTIVA E CAPACITATIVA

Nell’immagine qui a fianco è possibile vedere che I è data

m

dalla somma della capacitativa (I ) e dalla resistiva.

c

La capacitativa I sale subito, perché è quella in cui le cariche si

c

dirigono per prime (armature-lati membrana).

Una volta che cominciano ad accumularsi e cominciano a non starci più, le carica vanno al resistore e quindi

si ha corrente resistiva o ionica che sale (i )

i a: Questa situazione prende in considerazione una situazione

in cui è presente tutta corrente resistiva (senza condensatore);

essa passa attraverso i canali e quindi l’andamento dei

potenziali risulta uguale all’onda che rappresenta la corrente.

b: Questa situazione considera un’ipotesi in cui non è

presente la corrente resistiva, ma solo condensatore.

Un condensatore infinito accumula in maniera infinita le cariche ed è quindi rappresentato da una retta.

Costante di tempo ( ) è una funzione usata dai fisiologi, la quale dice che in un intervallo di tempo si

raggiunge il 63% della differenza di potenziale rispetto alla ddP finale:

49

Ogni è diverso; è possibile avere una piccola nel momento in cui prendo in considerazione cellule piccole

e in questo caso il grafico porta subito verso l’alto il potenziale.

Se invece ho una lunga avrò una cellula più grande e un maggior decorso.

Nel processo di sommazione temporale la ha un ruolo molto importante.

IL POTENZIALE GRADUATO Un singolo potenziale graduato, in genere, non ha ampiezza

sufficiente per determinare l’insorgenza di un potenziale

d’azione. Tuttavia, se i potenziali graduati si sovrappongono,

possono sommarsi tra loro spazialmente e temporalmente.

Nella sommazione temporale, gli stimoli si succedono tanto

rapidamente che il potenziale graduato associato a uno

stimolo non si estingue prima dell’arrivo del successivo, così

che gli effetti dei potenziali graduati si possono sommare.

Maggiore è la sovrapposizione temporale maggiore sarà

l’ampiezza del potenziale risultante.

Nella sommazione spaziale, invece, gli effetti degli stimoli

danno origine a potenziali graduati che, se contemporanei, si

sommano tra loro.

Potenziali iperpolarizzati e depolarizzanti, se sommati,

tendono ad annullarsi reciprocamente.

Alcuni potenziali graduati sono depolarizzanti, mentre altri

sono iperpolarizzanti.

La direzione della variazione di potenziale dipende dal tipo di

neurone interessato dallo stimolo applicato e dal tipo di

canale ionico che si apre o si chiude in risposta allo stimolo stesso, per esempio se un tipo di

neurotrasmettitore, legandosi al proprio recettore, determina l’apertura dei canali per il sodio, si determina

l’ingresso di tali ioni nella cellula, che darà origine a un potenziale graduato depolarizzante.

Se invece un altro tipo di neurotrasmettitore, legandosi al proprio recettore, determina l’apertura di canali

per il sodio, si determina l’apertura di canali per il potassio e vi sarà una fuoriuscita di tali ioni, che poterà a

un potenziale graduato iperpolarizzante.

Quando c’è il rilascio di neurotrasmettitori, per esempio la nicotina che con acetilcolina si apre canale

recettore nicotinico, entra sodio esce potassio e si genera un potenziale depolarizzante che siccome è

registrato in sinapsi chimica è detto potenziale post sinaptico, in genere possono essere eccitatoti e

inibitori, in base a cosa si legano

Questo può essere il caso delle fibre muscolari:

ESPS: eccitatory, depolarizzano

IPSP: inibitory, iperpolarizzano si va verso la soglia

Questi potenziali graduati subiscono l’influenza delle proprietà

passive della membrane e tendono a diminuire nello spazio, come

un sasso lanciato nello stagno.

Questi potenziali si generano ampli dove c’è lo stimolo, poi nel loro

percorso incontrano, per esempio, dei resistori o canali aperti con i

quali il potenziale si scarica.

Generalmente i neuroni hanno una zona particolare in particolare

50

dove emerge l’assone (monticolo assonale o zona trigger, ‘grilletto’)

Una depolarizzazione che è al di sotto del valore soglia (stimolo

sottosoglia) può aprire alcuni canali per il sodio, ma non sufficienti

da indurre un flusso di sodio all’interno della cellula tale da superare

quello verso l’esterno degli ioni potassio attraverso i canali passivo.

Uno stimolo sottosoglia non genera alcun potenziale d’azione, a

differenza di uno stimolo soglia, che genera un potenziale d’azione.

Uno stimolo più intenso di quello soglia, detto stimolo soprasoglia,

genera ancora un potenziale d’azione.

Da notare che il potenziale d’azione non aumenta di ampiezza con

l’aumento dell’intensità dello stimolo soprasoglia, ovvero i potenziali d’azione non sono fenomeni graduati.

Il significato del potenziale graduato è quello di

determinare se un neurone genererà o meno un

potenziale di azione. I potenziali graduati

generano un potenziale d’azione se

depolarizzano la membrana fino a un valore di

potenziale di membrana critico, appunto il valore

soglia, che deve essere raggiunto o superato per

generare il potenziale d’azione.

Pertanto, potenziali graduati che generano

depolarizzazioni vengono considerati eccitatori,

perché avvicinano il potenziale di membrana al

valore soglia, mentre potenziali che causano

iperpolarizzazione della membrana sono

considerati inibitori, perché allontanano il

potenziale di membrana dal valore soglia che

innesca il potenziale d’azione.

IL POTENZIALE D’AZIONE

Nella zona del monticolo assonico sono presenti dei canali ionici voltaggio-dipendenti, ovvero che si aprono

in risposta a potenziali graduati che raggiungono il valore soglia.

Una volta iniziato, il potenziale d’azione, a differenza del potenziale graduato, si propaga per tutta la

lunghezza dell’assone senza alcun decremento della propria ampiezza.

La nascita del potenziale d’azione si basa essenzialmente sulla permeabilità selettiva della membrana al

sodio e al potassio e sui gradienti elettrochimici di questi due ioni a cavallo della membrana.

Abbiamo già detto che il potenziale della membrana a riposo è di circa 25 volte più permeabile al potassio

che al sodio a causa del maggior numero di canali ionici passivi, sempre aperti, per il potassio rispetto a

quelli per il sodio.

Nelle cellule eccitabili, modificazioni della permeabilità della membrana, conseguenti all’apertura o alla

chiusura di canali ionici con gate, possono produrre potenziali d’azione.

Tre fasi distinte: 51

depolarizzazione: la prima fase del potenziale d’azione consiste in una rapida depolarizzazione, durante

la quale il potenziale di membrana passa dal valore di riposo di -70mV a +30mV.

Questa depolarizzazione è determinata da un rapido e brusco aumento della permeabilità al sodio, che

determina un incremento dell’ingresso di questo ione nella cellula conseguente all’elevato gradiente

elettrochimico.

-55mV: valore soglia a cui i canali voltaggio dipendenti per il sodio si aprono e si ha una rapida salita del

potenziale d’azione, che giunge a circa +30mV. A causa dell’elevata permeabilità al sodio, il potenziale di

membrana tende ad avvicinarsi al potenziale di equilibrio di tale ione (+60).

Sebbene l’ampiezza della variazione del potenziale di membrana sia notevole (100mV), il numero di ioni

sodio che attraversano la membrana è comunque trascurabile in rapporto alla concentrazione intracellulare

ed extracellulare di tale ione.

Pertanto, le concentrazioni del sodio nel

citoplasma e nel liquido extracellulare non

cambiano significativamente.

ripolarizzazione: la seconda fase del

potenziale d’azione è la ripolarizzazione,

durante a quale il potenziale di membrana, dal

valore di 30mV, ritorna al valore di riposo di -

70mV.

Nell’arco di 1msec, dopo l’iniziale incremento

della permeabilità al sodio, questa diminuisce

rapidamente.

Quasi contemporaneamente, aumenta la

permeabilità al potassio, per cui tale ioni

fuoriesce dalla cellula seguendo il proprio

gradiente elettrochimico, ripolarizzando la

membrana fino a raggiungere il potenziale di

riposo.

iperpolarizzazione: questo perché il potassio è molto lento a chiudersi, diversamente dal sodio (ci sono

più porte nel potassio), e ciò fa sì che il potenziale non si fermi a -70, ma vada oltre.

La generazione del potenziale d’azione segue il principio del tutto o nulla.

Se una membrana è depolarizzata fino al valore soglia o oltre, si genera un potenziale d’azione che ha

sempre la stessa ampiezza; se la membrana non è depolarizzata fino al valore soglia, non si genera alcun

potenziale d’azione. 52

Il livello di polarizzazione al picco del potenziale d’azione non dipende dall’intensità dello stimolo, ma è

determinata da due fattori: i gradienti elettrochimici del sodio e del potassio e le permeabilità relative delle

membrane a questi ioni. Il modello per spiegare le azioni dei canali voltaggio

dipendenti per il sodio implica l’esistenza nel canale di due

tipi di porte: porte di attivazione e porte di inattivazione.

Le porte di attivazione sono responsabili dell’apertura dei

canali per il sodio durante la fase di depolarizzazione di un

potenziale d’azione, mentre le porte di inattivazione sono

responsabili della chiusura dei canali per il sodio durante la

fase di ripolarizzazione.

Per l’apertura di un canale per il sodio è necessario che

entrambe le porte siano aperte.

Entrambi i tipi di porte si aprono e si chiudono in risposta a

modificazioni del potenziale di membrana.

In base alla posizione delle porte, un canale del sodio esiste

in tre conformazioni: chiuso, aperto, inattivo.

A riposo, la porta di inattivazione è aperta, ma quella di

attivazione è chiusa. In questa configurazione il canale è in

posizione di chiusura ma attivabile, cioè in grado di aprirsi in

risposta a uno stimolo depolarizzante che determina

l’apertura della porta di attivazione.

Con entrambe le porte in posizione di apertura, il canale per

il sodio è aperto e gli ioni sodio possono penetrare nella

cellula; questo succede durante la fasi di depolarizzazione di

un potenziale d’azione.

Tuttavia, dopo circa 1 msec dallo stimolo che ha

determinato l’apertura della porta di inattivazione è una

risposta ritardata innescata dalla stessa depolarizzazione che

provoca istantaneamente l’apertura della porta

d’attivazione, il canale ionico per il sodio è chiuso e incapace

di aprirsi in risposta a un altro stimolo depolarizzante; ciò è

determinato dal fatto che la porta di inattivazione non si

apre finché il potenziale di membrana non ritorna a un

valore prossimo al potenziale di riposo. Una volta che la

ripolarizzazione è terminata, la porta di inattivazione si apre,

la porta di attivazione si chiude e il canale ritorna della sua

posizione di riposo.

FEEDBACK

L’apertura delle porte di attivazione dei canali per il sodio è un processo rigenerativo, in quanto genera a

sua volta l’apertura di altre porte di attivazione del sodio.

Il meccanismo rigenerativo funziona nel seguente modo: all’inizio la depolarizzazione avvia l’apertura di

pochi canali per il sodio, con conseguente afflusso di ioni sodio nella cellula; ciò depolarizza la cellula e

causa l’apertura di ulteriori canali per il sodio, portando a una maggiore afflusso di sodio e a una maggiore

53

depolarizzazione. Questo feedback positivo genera una depolarizzazione molto rapida, di meno di 1msec.

Il feedback positivo termina quando le porte di inattivazione del sodio si chiudono.

I PERIODI REFRATTARI

Durante e immediatamente dopo un potenziale d’azione la membrana è meno eccitabile che a riposo.

Questo periodo di ridotta eccitabilità è detto periodo refrattario.

Esso può essere diviso in due fasi: periodo refrattario assoluto e periodo refrattario relativo.

Il periodo refrattario assoluto comprende tutta la fase di depolarizzazione rapida e gran parte della fase

di ripolarizzazione del potenziale d’azione (1-2msec).

Durante questo periodo, un potenziale d’azione non può essere generato in risposta a un secondo stimolo,

indipendentemente dall’intensità dello stimolo stesso. 1

Vi sono due ragioni che spiegano il periodo refrattario assoluto, durante la fase di depolarizzazione rapida,

la condizione autorigenerativa che porta all’apertura massiva dei canali per il sodio procede verso la

2

conclusione senza che un secondo stimolo possa influenzarla; durante l’inizio della fase di ripolarizzazione,

gran parte delle porte di inattivazione dei canali per il sodio è in posizione di chiusura e non può essere

aperta da un secondo stimolo. Un secondo potenziale d’azione non si può generare fin quando la maggior

parte dei canali del sodio non è ritornata allo stato di riposo, una situazione che si verifica alla fine della

fase di ripolarizzazione. Sarà solo allora che le porte di attivazione saranno chiuse e quelle di inattivazione

aperte e pertanto i canali per il sodio diverranno nuovamente capaci di aprirsi in risposta a un nuovo

stimolo depolarizzante.

Il periodo refrattario relativo si verifica immediatamente dopo il periodo refrattario assoluto e dura 5-

15 msec. Durante questo periodo, è possibile generare un secondo potenziale d’azione, ma solo in risposta

a uno stimolo più intenso di quello necessario a raggiungere il valore soglia. Il periodo refrattario relativo è

dovuto principalmente all’elevata permeabilità al potassio, che continua oltre la fase di ripolarizzazione. In

aggiunta, alcune porte di inattivazione dei canali per il sodio possono essere ancora chiuse, specialmente

nella fase iniziale del periodo refrattario relativo. L’intensità dello stimolo necessaria a generare un secondo

54

potenziale d’azione dipende dal tempo trascorso dal termine del periodo refrattario assoluto.

Nella fase iniziale del periodo refrattario relativo è necessario uno stimolo più intenso per generare un

potenziale d’azione rispetto a quello che occorre nella fase tardiva, perché maggiore è il numero di porte di

inattivazione chiuse nei canali per il sodio e maggiore è il numero dei canali per il potassio aperti.

Parametri che influenzano la velocità di conduzione

1. Diametro assone (r )

A

2. Capacità di membrana (C )

m Un potenziale d’azione insorto in un segmento

della membrana fornisce una corrente

depolarizzante alla membrana adiacente

determinando la sua depolarizzazione graduale

verso la soglia. Secondo la legge di Ohm, quanto è

maggiore è la r tanto minore sarà la corrente che

a

passa da un segmento all’altro (I=V/R) e quindi

anche più lungo il tempo necessario per modificarne la carica della membrana.

La resistenza assiale corrisponde a una resistenza, perché possiede proteine che possono interagire con gli

ioni.

Qui sotto sono rappresentati due circuiti equivalenti; in quello a sinistra siamo a riposo, non c’è nessuno

stimolo; a un certo punto si genera un potenziale d’azione e le cariche si propagano attraverso

l’assoplasma, dove trovano una resistenza

Il V cambia lentamente se:

• l’intensità della corrente è bassa (alta resistenza assiale, r )

a

• se la C aumenta

m

Per aumentare la velocità di conduzione posso lavorare su due parametri, quindi la strategia è o aumentare

il diametro della fibra o diminuisco la capacità di membrana.

Più aumento il diametro della fibra più diminuisco la probabilità che queste cariche possano interferire con

lineare. 55 C > r <

m a

C < r >

m a

Strategia vincente: mielinizzazione

PROPAGAZIONE DEI POTENZIALI D’AZIONE

① Propagazione dei potenziali d’azione negli assoni amielinici:

Quando si genera un potenziale d’azione, non tutto l’assone viene immediatamente depolarizzato: la

depolarizzazione, infatti, è limitata a una sola zona della membrana per volta. La zona depolarizzata

presenta un’inversione del potenziale di membrana, che a sì che l’interno della cellula diventi positivo

rispetto all’esterno.

Questa inversione della polarità in un’area della membrana crea quindi una differenza di potenziale, sia a

livello del citoplasma, sia a livello del liquido extracellulare, rispetto alle regioni adiacenti di membrana che

sono a riposo.

Nel sito di innesco del potenziale d’azione le cariche positive all’interno si spostano verso quelle negative

delle regioni adiacenti della membrana, dove la cellula presenta il normale potenziale di riposo; ciò può

avvenire facilmente a causa della bassa resistenza ai flussi ionici del liquido intracellulare, che permette alle

cariche positive di raggiungere l’area adiacente negativa, depolarizzandola fino al valore soglia e facendo

insorgere un altro potenziale d’azione. Questo processo continua finché la depolarizzazione, punto dopo

punto, raggiunge la fine dell’assone.

② Propagazione dei potenziali d’azione negli assoni mielinici – conduzione saltatoria

Negli assoni rivestiti di mielina,

i potenziali d’azione si

propagano grazie a un tipo di

conduzione elettronica definita

conduzione saltatoria. Infatti,

la mielina crea un’elevata

resistenza ai movimenti ionici.

Nelle fibre mieliniche, i

potenziali d’azione si generano

a livello dei nodi di Ranvier.

La propagazione è assimilabile

a quanto descritto per le fibre

56

amieliniche, a eccezione che i potenziali d’azione non si producono dove è presente la mielina.

Pertanto, la separazione di cariche nel liquido intracellulare genera un flusso di corrente da un nodo di

Ranvier al successivo.

Il salto del potenziale d’azione da un nodo all’altro è il motivo per cui la conduzione negli assoni mielinici

viene chiamata conduzione saltatoria.

I RIVESTIMENTI DEL SISTEMA NERVOSO

Nel sistema nervoso abbiamo dei rivestimenti costituiti da un particolare tipo di cellule, le cellule gliali,

alcune delle quali rivestono i corpi neuronali; la funzione che questo tipo di cellule svolge è fondamentale

perché sia le cellule di Schwann sia gli oligodendrociti possono formare la mielina, che è importantissima

per la conduzione dell’impulso nervoso.

SNP: qui queste cellule gliali vengono dette cellule satelliti. Gli assoni sono rivestiti dalle cellule di

Schwann, cellule gliali tipiche del sistema nervoso periferico.

SNC: qui queste cellule gliali prendono il nome di astrociti. Gli assoni sono rivestiti da cellule gliali dette

oligodendrociti.

PROCESSO DI RIVESTIMENTO NEL SNP:

Nel SNP le fibre amieliniche sono costituite da assoni che vanno a invaginarsi nel citoplasma di una cellula

di Schwann, che può contemporaneamente avvolgere più assoni.

Nel caso di un rivestimento semplici, allora, la cellula gliale è la cellula di Schwann, la quale si porta nelle

vicinanze di un assone, il quale, a sua volta, è accolto in una piccola concavità dopo averla formata; può

accogliere più assoni.

Ogni assone che è accolto viene avvolto dal corpo cellulare della cellula di Schwann e la membrana

plasmatica a un certo punto si giustappone.

Ogni lembo di giustapposizione è detto mesassone.

Sono assoni amielinici, che resteranno privi cioè di mielina.

La cellula di Schwann ha una struttura detta a doccia, dove accoglie gli assoni.

Nel SNP le fibre mieliniche, ovvero quelle provviste di guaina mielinica lungo il decorso dell’assone; qui le

cellule di Schwann si avvolgono intorno all’assone compiendo fino a 50 giri, in modo tale che vari strati

della loro membrana plasmatica siano disposti a spirale a formare un manicotto.

A differenza dei rivestimenti semplici, in questo caso abbiamo un rapporto 1:1 tra assone e cellula di

Schwann: un assone è cirondato da una cellula di Schwann.

Una volta che l’assone è circondato dalla cellula di neuroglia, le cui estremità vengono a contatto e vanno a

formare un mesassone, questo si allunga, avvolgendosi ripetutamente a spirale e ciò accompagna

l’estrusione del citoplasma.

Come risultato la guaina viene a essere costituita da anelli concentrici di membrana plasmatica: l’esame

ultrastrutturale di sezioni trasversali permette l’identificazione sia di aree di contatto tra le superfici

interne della membrana (linea densa maggiore) sia aree con l’apposizione delle superfici esterne (linea

intraperiodo)

La linea densa maggiore è quindi costituita dai margini intracitoplasmatici delle membrana, mentre quella

intraperiodo dai versanti extracitoplasmatici. Le zone in cui resta il citoplasma sono dette incisure di

Schmidt-Lanterman.

Dal momento che un assone è molto lungo, più cellule di Schwann si susseguono, ma tra una e l’altra è

presente uno spazio, conosciuto come nodo di Ranvier, che è un tratto di assone dove non è presente

mielina.

Lo spazio tra due nodi di Ranvier è detto spazio internodale.

57

PROCESSO DI RIVESTIMENTO NEL SNC

Il meccanismo è più o meno simile a quello già visto per il SNP.

La cellula implicata nella formazione del rivestimento semplice o complesso è detta oligodendrocita.

E’ una cellula piccola e provvista di prolungamenti, diversamente dalla cellula di Schwann, che è piatta e

rigonfia solamente dove c’è il nucleo.

Con i prolungamenti va ad avvolgere gli

assoni e potrà man mano tenerli avvolti e

fare degli assoni amielinici, oppure

formare la mielina, anche se, in questo

nel SNP, ben un rapporto anche fino a

1:10, perché con tutti i prolungamenti può

formare la mielina anche attorno a dieci

assoni contemporaneamente. Il tutto

comporterà un intreccio molto fitto e un

SNC più complicato, sia per struttura, sia

per studio, sia per rigenerazione.

Costante di spazio la costante di spazio dipende dalla resistenza al flusso di corrente.

La corrente fluisce preferenzialmente lungo la via a minor

resistenza. La resistenza di membrana al flusso di corrente r è

m

più grande della resistenza citoplasmatica, chiamata anche

resistenza assiale. Perciò, maggiore è la resistenza di

membrana e minore la resistenza assiale, maggiore sarà la

cosante dsi spazio.

Matematicamente la costante di spazio è descritta:


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3 mesi fa


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in biotecnologie mediche
SSD:
Università: Milano - Unimi
A.A.: 2018-2019

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher serena.savoldi di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Fisiologia umana e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Milano - Unimi o del prof Formenti Alessandro.

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