Lezioni, Fisiologia

Prima lezione

Dipendenza dall'ambiente e produzione di energia

Noi dipendiamo dall’ambiente. Non siamo in grado di costruire molecole energetiche, abbiamo bisogno di assumerle dall’esterno. L'ATP è l’energia delle nostre cellule. È una molecola chimica prodotta a partire dai composti energetici (scomposti) contenuti nei cibi. I composti sono zuccheri, lipidi e proteine. Le molecole vanno alle cellule attraverso il sangue e sono trasformate in ATP solo in presenza di O₂.

Sistemi di controllo e omeostasi

Accanto agli apparati ci sono sistemi di controllo che vigilano sullo stato di salute dell’organismo e realizzano risposta. Mantenimento dell'omeostasi è uno dei concetti base della fisiologia. Omeostasi è la costanza del mezzo interno, è una sorta di “equilibrio”, ma non nel senso di entrata=uscita. È un mantenimento (di pH, di volume, temperatura, sali minerali, ecc.) di range di valori. Se ci sono variazioni dei valori ci sono sistemi che le rilevano, che informano il centro che elabora quindi una risposta, che può riuscire a elaborare risposta (feedback negativo?). Se l'organismo non riesce a compensare si ha una patologia.

Fisiologia cellulare

Comunicazione tra cellule

Abbiamo ambiente esterno ed interno. Cellule, liquido extracellulare ed intracellulare. L'organismo è praticamente fatto da due grandi compartimenti liquidi separati da membrane. Un soggetto di 70 kg ha 42 litri d’acqua, distribuiti tra liquido extracellulare e liquido intracellulare; intracellulare è 40% (28kg) e 20% extracellulare (diviso a sua volta in liquido interstiziale 15% e liquido plasmatico 5%). Le comunicazioni e scambi avvengono quindi tra i vari compartimenti di liquidi.

Membrana plasmatica

Il liquido intracellulare è separato dall’extracellulare dalla membrana plasmatica poiché è costituita da un doppio strato fosfolipidico impermeabile all’acqua. È importante che i due compartimenti rimangano separati, poiché hanno funzioni e composizione diversa. Sulla membrana plasmatica troviamo anche proteine, lipidi e carboidrati. Le proteine sono elementi strutturali (citoscheletro), sono recettori e trasportatori. La membrana è una barriera che non è però un muro ma consente degli scambi! Regola la comunicazione delle cellule con l’esterno. Ai due lati della membrana abbiamo i due liquidi con composizioni diverse ma con la stessa osmolarità, che governa gli scambi acqua/soluti.

Diffusione e osmosi

Quando si muovono acqua e soluti si parla di diffusione. Movimento da un compartimento ad un altro di particelle. Le particelle tendono ad urtarsi, soprattutto quando sono tante; urtandosi si imprimono un’energia cinetica che le fa muovere. Se abbiamo due compartimenti con lo stesso numero di particelle, c’è la stessa possibilità di diffusione. Non cambia il numero di particelle dai due lati. Se nei due compartimenti abbiamo concentrazione diversa di particelle (molarità o normalità), ci sono più urti e quindi più movimento; particelle tendono a muoversi di più anche verso l’altro compartimento, abbiamo così diffusione. Ciò è possibile solo se la membrana è permeabile al soluto.

Osmosi è il meccanismo per cui c’è movimento di acqua da soluzione dove acqua è più concentrata (meno soluto) a soluzione dove acqua è meno concentrata (più soluto). I due compartimenti sono separati da una membrana permeabile SOLO all’acqua. Pressione osmotica: regola tutti i meccanismi di scambio. È detta anche pressione di spinta. È la pressione idrostatica necessaria a contrastare il passaggio d’acqua da una soluzione meno concentrata ad una più concentrata separate da una membrana permeabile al solvente ma non al soluto. Ciò è importante per equilibri a cavallo della membrana.

Isosmotico = stessa osmolarità ovvero stesso numero di particelle di soluto x solvente. Isotonico = ha a che fare con il volume cellulare e permeabilità della membrana al soluto. Osmolarità ha a che fare con in numero di particelle.

[In termini di ioni, il liquido extracellulare ha soprattutto sodio (catione), nel liquido intracellulare c’è potassio (catione).] Tra i due compartimenti c’è quindi un disequilibrio chimico ed elettrico, perché i soluti sono carichi! La cellula è polarizzata, cioè c’è a cavallo della membrana un gradiente elettrico, differenza di cariche. C’è una differenza di potenziale sostenuta dalla membrana plasmatica e dalle sue componenti, in particolare dalle proteine che fanno da trasportatori e da canali ionici, che fanno vie di passaggio per i soluti.

Pompa sodio-potassio

La membrana plasmatica è più permeabile agli ioni potassio rispetto agli altri ioni, perché ci sono canali ionici sempre aperti. Il potassio quindi si muove abbastanza liberamente. Per avere una maggiore concentrazione di potassio all’interno e di sodio all’esterno c’è la pompa sodio-potassio ATPasi, che lavora contro gradiente: porta il potassio da fuori a dentro e sodio da dentro a fuori. Lo fa per mantenere il gradiente che è la base di comunicazione per le cellule eccitabili. La pompa non lavora in maniera equilibrata; infatti, per 3 ioni sodio che escono ne entrano 2 di potassio. La pompa è quindi elettrogenica, cioè stabilisce una differenza di potenziale, un gradiente elettrico, facendo uscire più cariche positive di quante ne faccia entrare. Quindi tutte le cellule sono cariche negativamente all’interno.

Lezione 2

Potenziale di membrana

Il potenziale di membrana è la differenza di carica tra esterno ed interno. Quello delle cellule è tra -90 e -70 millivolt (mV). (Condensatore è l’elemento che mantiene separate le cariche, la membrana è un condensatore.) Gran parte dei canali ionici quando la cellula è a “riposo” (non stimolata) è chiusa, tranne ad esempio la pompa sodio-potassio ATPasi (quindi potassio entra ed esce tranquillamente).

La forza che consente accesso/uscita ione è ad esempio il gradiente di concentrazione. Dobbiamo però considerare, essendo lo ione carico, il gradiente elettrico, es. se molecola carica positivamente tende ad andare verso ambiente carico negativamente, ma non sempre si verificano i due gradienti insieme. Se uno ione si sposta da un compartimento ad un altro è grazie alla forza elettromotrice (elettrochimica?), che è il bilanciamento tra forza chimica (gradiente di concentrazione) e forza elettrica (carica dei compartimenti).

Con cellule c’è gradiente chimico che spinge potassio fuori ma gradiente elettrico che spinge potassio dentro. Chi è più forte? La forza elettrica in questo caso. Tutti gli ioni hanno un potenziale di equilibrio, cioè il valore di potenziale a cui non si ha flusso netto di cariche. Il potenziale di equilibrio di uno ione è quindi il valore al quale lo ione è in equilibrio, cioè tanti ne entrano quanti ne escono. Il potenziale di equilibrio dello ione potassio è circa -100 mV. Per calcolare il potenziale di equilibrio di uno ione dipende dalla concentrazione dello ione all’esterno rispetto a quella all’interno. Stato stazionario.

Quindi se potenziale di membrana della cellula è a -90 mV e potenziale di equilibrio dello ione potassio è circa lo stesso, il potassio è in equilibrio, forza chimica ed elettrica si bilanciano. NB: Se potenziale membrana cellula si alza a -50, potassio tende ad uscire dalla cellula per cercare di ristabilire il potenziale di equilibrio, quindi di far tornare il potenziale di membrana a -90 mV! Potenziale di membrana dipende da potassio, sodio e cloro.

Cellule eccitabili

Sono neuroni, cellule muscolari, alcune cellule endocrine. Sono cellule in grado di modificare il loro potenziale di membrana in risposta a stimoli adeguati. Modificazioni del potenziale di membrana nel tempo. Cellula non eccitabile avrà linea piatta, poiché potenziale di membrana non si modifica.

Cellule eccitabili modificano potenziale di membrana che può diventare più positivo (ovvero meno negativo), es. da -70 mV a -40 mV la cellula si è depolarizzata; in senso opposto può andare da -70 mV a -80 mV, la cellula si è iperpolarizzata, aumentando la negatività del potenziale di membrana. Modificazione del potenziale di membrana della cellula è secondaria a un movimento di cariche (ioni), in entrata o in uscita.

Es. Se cellula si iperpolarizza ha guadagnato cariche negative o ha perso cariche positive. Ma cariche si muovono SOLO SE si aprono i canali ionici! Cellule eccitabili hanno quindi canali ionici sensibili a stimoli adeguati!

• Variazioni del potenziale di membrana (canali ionici voltaggio dipendenti, ognuno specifico per un certo valore di voltaggio), sono selettivi (per la specie ionica es. calcio, cloro ecc.)
• Ligando, cioè un neurotrasmettitore, una molecola chimica che si lega a recettori specifici sulla membrana (canali ionici), meno selettivi (es. ioni positivi o negativi)
• Stimoli meccanici, es. pressione, stiramento

Noi parliamo dei canali ionici stimolati dai primi due stimoli (voltaggio dipendenti e ligando). Canali ionici voltaggio dipendenti sono proteine assemblate a formare un canale che quando è aperto permette passaggio ioni. Sua struttura è o in stato chiuso o aperto. C’è anche uno stato intermedio che è lo stato refrattario (inattivo) in cui il canale è aperto ma è bloccato (non fa passare la carica). Canale ionico passa per lo stato refrattario tra stati aperto e chiuso (solo da aperto a chiuso! Non il contrario!)

Cellule eccitabili comunicano con segnali elettrici che sono variazioni di potenziale, tuttavia l’informazione che può passare da una cellula all’altra è solo di un tipo. Il segnale elettrico (variazione di potenziale) è specifico! Cellule eccitabili è fondamentale che comunichino! In particolare i neuroni!

Potenziale d'azione

Potenziale d’azione è l’unico segnale in grado di veicolare l’informazione tra una cellula eccitabile ed un’altra. È una variazione di potenziale con caratteristiche specifiche. Cellula a seguito di uno stimolo si depolarizza e da -70 mV passa a -55 mV (valore critico, valore soglia dopo il quale parte il potenziale d’azione!). Potenziale d’azione è una rapida e ripida depolarizzazione che porta realmente all’inversione di cariche! Cellula assume un potenziale POSITIVO!! Basta che la soglia sia raggiunta per avere un potenziale d’azione. Quindi potenziale obbedisce alla legge del tutto o del nulla.

Variazione di potenziale così rapida si ha perché -55 mV è valore che apre canali ionici selettivi per il sodio (canali del sodio voltaggio dipendenti). Sodio quindi entra tanto e rapidamente perché la forza elettrochimica del sodio favorisce l’ingresso; il potenziale d’equilibrio a cui tende il sodio è molto positivo, quasi +50 mV. Per tentare di raggiungere il suo potenziale di equilibrio entra così tanto e rapidamente, depolarizzando la cellula. Potenziale d’azione però si ferma prima di questo valore perché, raggiunto il potenziale di membrana a circa +30 mV, il sodio non entra più perché il canale voltaggio dipendente è sensibile al voltaggio anche per l’inattivazione. A questo livello si inattiva (non chiuso ma non fa passare ioni) è refrattario. Canale per riaprirsi solo se torna allo stato chiuso, quando la cellula si ripolarizza, cioè quando ritorna al valore di potenziale iniziale.

Per ripolarizzarsi, la cellula apre un canale voltaggio dipendente del potassio, che fa uscire potassio lentamente. Si apre presto ma va lento… Potassio esce per equilibrio, cellula si ripolarizza (inizialmente iperpolarizzazione). Due fasi del potenziale d’azione: i periodi di refrattarietà (al picco del potenziale, e tra 7 e 8 (figura), detto periodi di refrattarietà relativo, in cui c’è bisogno di stimolo maggiore per evocare risposta.)

Neuroni

Potenziale d’azione (segnali elettrici) è la parola che i neuroni usano per comunicare tra loro. Come viaggia il potenziale d’azione? Neurone è cellula con un corpo (soma) e dei prolungamenti: gli assoni (parla) ed i dendriti (ricevono). Se le info ricevute fanno raggiungere a cellula depolarizzazione -55 mV, genera potenziale d’azione all’origine dell’assone (cono d’emergenza dell’assone), che è sul soma nel punto in cui origina l’assone, che è regione ricca di canali voltaggio dipendenti per il sodio.

Comunicazione avviene nella sinapsi, fatta dall’assone del neurone che comunica e il dendrite del neurone che riceve. Questa specializzazione è alla fine dell’assone, nella terminazione sinaptica. Assone innesca parola e alla fine ha un sistema per comunicare info tramite potenziale d’azione. Assoni possono essere anche molto lunghi: metri, centimetri o anche millimetri.

Potenziale d’azione si propaga senza decremento, cioè nel suo viaggio, anche lungo, attraverso l’assone, non perde segnale. Ciò avviene perché, soprattutto negli assoni molto lunghi, il segnale elettrico viene rigenerato in punti specifici e viene accelerata la sua conduzione dalla presenza di tessuto isolante, chiamato guaina mielinica, fatta di tessuto adiposo principalmente, che avvolge l’assone. Per essere rigenerato, il segnale deve ancora essere potente, quindi avviene non troppo dopo che è cominciato (o ricominciato). Soprattutto negli assoni molto lunghi, la guaina mielinica è interrotta in punti specifici, dove si trovano altri canali del sodio voltaggio dipendenti, che danno un boost al potenziale d’azione (lo rigenerano) che fa così un altro tratto con guaina mielinica ed ancora si rigenera. Con una conduzione detta saltatoria, dove il potenziale fa dei “salti” nella guaina mielinica ai vari nodi detti nodi di Ranvier.

Lezione 3

Trasmissione sinaptica

Il potenziale d’azione è la parola che i neuroni usano per comunicare. (Lezione precedente riassunto) (Riflesso patellare) velocità conduzione 60-120 m al secondo.

Eventi alla base della comunicazione tra cellule eccitabili

Definiamo gli eventi alla base della comunicazione tra cellule eccitabili. Ciò avviene nella sinapsi che è una struttura anatomica che ha specifiche caratteristiche anatomiche e funzionali. Ci sono nel nostro organismo due tipi di sinapsi: elettrica e chimica. La chimica è la più frequente nel nostro organismo, quella elettrica è presente solo in alcune strutture nel SNC e nelle cellule cellulari. Sinapsi elettrica è la connessione tra le cellule muscolari del muscolo cardiaco, che sono collegate da giunzioni comunicanti.

In entrambe le sinapsi c’è un evento presinaptico che porta l’informazione ed un intervento postsinaptico che riceve l’informazione. Nella sinapsi elettrica gli elementi pre e post sinaptici sono fisicamente separati ma risultano in alcuni punti collegati da giunzioni comunicanti. Sostanzialmente non c’è un virtuale spazio tra pre e post. Il segnale che passa è il potenziale d’azione, che viaggia lungo l’assone, arriva alla sinapsi e deve passare per via citoplasmatica e viaggia attraverso i canali all’elemento postsinaptico.

L’informazione passa così com’è da uno all’altro (non si trasforma in neurotrasmettitori). Le sinapsi elettriche sono SEMPRE eccitatorie, poiché potenziale d’azione è depolarizzazione, che eccita la cellula postsinaptica. Nelle sinapsi chimiche i due elementi sono separati da uno spazio detto fessura sinaptica, che è uno spazio reale fatto da matrice extracellulare (30-50 nanometri). Il problema è che potenziale d’azione non può passare per continuità, ma si parla di trasmissione sinaptica chimica, c’è bisogno di un neurotrasmettitore, un mediatore chimico che si fa carico dell’info presinaptica e la porta all’elemento postsinaptico. È il potenziale d’azione che fa rilasciare i neurotrasmettitori, che comporta una modificazione del potenziale di membrana dell’elemento post sinaptico, legandosi a recettori che sono canali ionici a controllo del ligando.

Nella sinapsi elettrica il segnale che passa da un elemento all’altro è il flusso di corrente, il potenziale d’azione; nella sinapsi chimica abbiamo necessità del mediatore. Una sinapsi elettrica è più rapida, la chimica è un pochino più lenta (poche centinaia di microsecondi). La chimica ha quindi un ritardo nella comunicazione tra pre e post. La sinapsi elettrica consentendo il passaggio di cariche attraverso le giunzioni comunicanti, ma nessuno vieta che le cariche possano passare da pre a post come da post a pre, quindi possiamo considerarle bidirezionali. La chimica è unidirezionale.

La sinapsi elettrica è importante quando c’è bisogno della sincronizzazione delle risposte nelle aree dove si trova la sinapsi (alcune aree del cervello, il cuore, muscoli), importante che uno stimolo provochi la risposta sincronizzata di più elementi, quindi consente la sincronizzazione dell’attività elettrica. Sono tipiche di organismi meno sviluppati, classiche delle risposte immediate al pericolo. Le strutture che mediano queste risposte sono le proteine a formare il canale, metà nell’elemento pre e metà nel post-sinaptico. Le singole unità si chiamano connessine, l’intero canale è detto connessone.

La comunicazione sinaptica chimica è la prima forma di comunicazione tra cellule eccitabili ed è tipica delle funzioni superiori come l’apprendimento e la memoria. La struttura presinaptica ha al terminale sinaptico un bottone sinaptico (espansione dell’assone) con molte vescicole fatte a membrana con all’interno il neurotrasmettitore. Ci sono piccole vescicole che contengono i neurotrasmettitori piccoli, responsabili della trasmissione veloce.