Neurofisiologia

La cellula

La cellula ha la capacità di riprodursi, metabolismo, accrescimento e rispondere agli stimoli. Si possono suddividere in:

• Procariote (batteri): No nucleo delimitato da membrana e il DNA è libero nel citoplasma. Assenti organuli delimitati da membrane (mitocondri e cloroplasti).
• Eucariote (animali e vegetali): Formano tutti gli altri esseri viventi (i protozoi, le piante, i funghi e gli animali); possiedono un nucleo, separato dal citoplasma tramite una membrana nucleare. Negli animali, ogni cellula è delimitata dalla membrana plasmatica o cellulare; all’interno si trova il citoplasma nel quale sono presenti organuli cellulari: reticolo endoplasmatico, ribosomi, apparato di Golgi, mitocondri, lisosomi e perossisomi, centrioli.

Nucleo

Costituisce una regione differenziata del citoplasma e delimitata da una propria membrana. La regione interna del nucleo è costituita da un succo nucleare, dove sono immersi i nucleoli. Il nucleolo è presente nel nucleo cellulare in interfase. Scompare quasi sempre all’osservazione durante il processo della mitosi e si riforma al termine di questo. Contiene proteine, fosfoproteine ed rRNA. Si distingue nel nucleoplasma una massa più densa detta cromatina.

Reticolo endoplasmatico

È un sistema di membrane nel quale tubuli e vescicole delimitano delle cavità dette cisterne. Svolge varie funzioni come la sintesi delle proteine, sintesi di lipidi e steroli, funzioni di accumulo. A seconda della presenza o meno dei ribosomi (composti da proteine e RNA ribosomiale) si distingue in:

• Reticolo endoplasmatico rugoso (RER): È sviluppato nelle cellule in cui si ha una sintesi e secrezione di proteine.
• Reticolo endoplasmatico liscio (REL): Le cellule possiedono un REL limitato, ad eccezione delle cellule deputate alla sintesi di steroidi, colesterolo, trigliceridi e alla detossificazione di materiali tossici.

Ribosoma

Particella sferoidale di 23 nm, composta da due subunità, una grande e una piccola, contenenti rRNA e proteine. Nelle cellule eucariote, i ribosomi si possono trovare attaccati al reticolo endoplasmatico o liberi nel citoplasma. Sono sede della sintesi proteica, durante la quale un filamento di mRNA può essere tradotto in una proteina funzionale. L’mRNA si trova tra le due subunità ribosomiali, che delimitano i confini di un tunnel all’interno dell’organulo dove la proteina si va formando e da dove verrà rilasciata a sintesi ultimata.

Apparato del Golgi

Organulo citoplasmatico deputato allo smistamento delle proteine. È costituito da pile orientate di cisterne discoidali appiattite (dittosomi) e da piccole vescicole. Le proteine, modificate all’interno del reticolo endoplasmatico, vengono trasferite alle membrane dell’apparato di Golgi, dove sono modificate e assumono la forma definitiva; quindi vengono allontanate attraverso un processo di estrusione selettiva e dirette verso destinazioni intracellulari ed extracellulari.

Organuli digestivi

• Lisosomi: Organuli citoplasmatici deputati alla degradazione di materiale cellulare esogeno o endogeno. Contengono molti enzimi idrolitici come solfatasi, proteasi, nucleasi, lipasi e glicosidasi. Le membrane del lisosoma posseggono pompe protoniche che trasportano ioni H+ nel lume del lisosoma, creando e mantenendo il valore di pH necessario a mantenere attivi gli enzimi.
• Perossisomi: Organuli sferici circondati da una singola membrana; in tutte le cellule animali e in molte cellule vegetali; contengono circa 50 enzimi ossidativi, tra cui l’urato ossidasi, la catalasi e la D-amminoacido ossidasi.

Mitocondri

Organuli dotati di un proprio filamento di DNA. L’ipotesi per spiegare questa caratteristica è quella dell’origine endosimbiotica, secondo la quale, il mitocondrio deriverebbe da un batterio aerobio che si è adattato a vivere all’interno di una cellula eucariotica ancestrale anaerobia. Si distinguono quattro compartimenti:

• La membrana esterna caratterizzata da una permeabilità selettiva.
• Lo spazio intermembrana.
• La membrana interna ricca di proteine, presenta invaginazioni denominate “creste” che fanno aumentare la superficie (catena respiratoria e dell’ATP-sintetasi).
• La matrice, una fase gelatinosa che contiene circa il 50% delle proteine mitocondriali.

La funzione dei mitocondri è fornire energia alla cellula, tramite processi catabolici portati avanti da numerosi enzimi.

Citoscheletro

Rete di filamenti proteici che dà origine a un’intelaiatura interna tridimensionale, deputata sia al mantenimento della struttura e della forma delle cellule sia al loro movimento. Le proteine che lo costituiscono sono microfilamenti (proteina actina) e microtubuli (proteina tubulina).

Centriole

Organulo citoplasmatico di forma cilindrica localizzato in prossimità del nucleo; è formato da nove triplette di microtubuli. Sono disposti in coppia, perpendicolarmente tra loro e formano il centrosoma, centro organizzatore dei microtubuli che contribuisce all’organizzazione dei microtubuli e degli organuli cellulari associati; durante la mitosi permettono la formazione del fuso mitotico.

Ciclo cellulare

Costituito da una serie di eventi che avvengono tra una mitosi e quella successiva e da cui dipende la corretta proliferazione delle cellule degli eucarioti. È caratterizzato da cinque fasi: G1, S, e G2 dove G sta per “GAP” (intervallo) ed S per sintesi e che costituiscono l’interfase, a cui seguono mitosi e citodieresi (fase M).

Mitosi

Processo di divisione cellulare che interessa le cellule somatiche. È una divisione di tipo equazionale in quanto nelle due cellule figlie si ritrova il numero di cromosomi che era presente nella cellula madre. Viene suddivisa in quattro fasi:

• Profase: Si assiste alla condensazione della cromatina con formazione dei cromosomi, i nucleoli e la membrana nucleare scompaiono.
• Metafase: I cromosomi assumono la loro massima compattazione e i cromatidi, uniti dal centromero, si attaccano alle fibre del fuso e cominciano a migrare verso il piano equatoriale della cellula formando la piastra metafisica.
• Anafase: I centromeri si aprono e i cromatidi di ciascun cromosoma si separano spostandosi ciascuno verso i poli opposti della cellula.
• Telofase: Si dissolve il fuso, si ricostituisce la membrana nucleare che racchiude i cromosomi.

Apoptosi e necrosi

L’apoptosi è un fenomeno controllato geneticamente che determina la morte programmata di una cellula a un certo punto del suo ciclo vitale. La necrosi è un processo incontrollato innescato da insulti dannosi; la cellula si gonfia, si distruggono i mitocondri e si rompe la membrana con conseguente risposta infiammatoria.

Membrane biologiche

Strutture complesse che delimitano la cellula (membrana cellulare, plasmatica o plasmalemma) e i suoi componenti interni, come il nucleo, i mitocondri; formano strutture cellulari interne quali il reticolo endoplasmatico, l’apparato del Golgi, i vacuoli, i lisosomi e i tilacoidi. La membrana plasmatica riveste tutte le cellule, ne definisce l’entità ed è responsabile del mantenimento delle differenze fra il suo contenuto e quello dell’ambiente esterno. È un filtro altamente selettivo che:

• Regola il flusso delle molecole tra l’interno e l’esterno della cellula e viceversa.
• Mantiene le concentrazioni ioniche.
• Provvede al riconoscimento e alla comunicazione fra le cellule.

In genere la struttura delle membrane biologiche è formata da un doppio strato di lipidi e da proteine. I lipidi sono: fosfolipidi, steroli, glicerofosfolipidi, sfingolipidi. Le proteine: proteine integrali (immerse nella struttura lipidica e la attraversano da parte a parte); proteine periferiche (legate alla superficie, interna o esterna, della membrana associate ai lipidi o ad altre proteine).

Fosfolipidi

Componenti più abbondanti delle membrane biologiche sono i fosfolipidi delle molecole anfipatiche, costituite da:

• Una coda carboniosa (apolare o idrofobica): rappresentata dai due residui di acidi grassi legati al glicerolo.
• Una testa polare (idrofila): rappresentata dal residuo di acido fosforico esterificato al gruppo alcolico primario del glicerolo e legato a sostanze idrofile come l’etanolammina, la colina o l’inositolo.

I fosfolipidi, che contengono al posto della glicerina la sfingosina, sono classificati come sfingolipidi. Quando dispersi in acqua, si aggregano spontaneamente in modo da costituire membrane formate da un doppio strato fosfolipidico, secondo uno schema coda-coda, minimizzando il contatto con le molecole polari.

Modello del bilayer

I lipidi sono organizzati secondo una configurazione detta a mosaico fluido, proposta da S.J. Singer e G.L. Nicolson nel 1972 che permette il movimento delle molecole proteiche. Molecole di colesterolo, intercalate tra quelle dei fosfolipidi, concorrono a stabilizzare la membrana. I due strati della membrana sono asimmetrici, presentano cioè differenze nella composizione. Le membrane biologiche sono definite come soluzioni bidimensionali di lipidi, che formano un doppio strato lipidico al quale sono associate molecole proteiche. Alcune di queste molecole stabiliscono interazioni con la porzione idrofobica della membrana, altre sono associate alla superficie interna o esterna del doppio strato lipidico, per mezzo di interazioni ioniche o legami idrogeno tra le teste polari dei lipidi e le proteine stesse.

Meccanismo di trasporto attraverso la membrana

(Proteine carrier) Funzioni di trasporto: funzione di barriera dinamica, che regola gli scambi tra l’interno e l’esterno e quindi il passaggio selettivo di soluti, solventi o particelle tra componenti cellulari o tra la cellula e l’ambiente esterno. Esistono diverse modalità attraverso cui le molecole possono permeare la membrana: Acqua, gas (O₂ e CO₂) e piccole molecole (per es. glicerolo, ammoniaca) passano per diffusione, osmosi e filtrazione (trasporto passivo), mentre le molecole più grandi e gli ioni possono attraversare la membrana per mezzo di proteine di trasporto con o senza dispendio energetico (diffusione facilitata, trasporto attivo, esocitosi ed endocitosi).

Diffusione semplice o passiva: Il processo avviene quando una sostanza penetra nella cellula per movimento spontaneo, secondo un gradiente di concentrazione (dalla concentrazione più elevata a quella minore). Le molecole diffondono attraverso il doppio strato grazie alla loro solubilità nella fase lipidica stessa oppure attraverso canali idrofili transmembrana, costituiti da proteine di membrana dette proteine canale o pori acquosi. Quando le molecole diffusibili sono dotate di carica elettrica, come i piccoli ioni inorganici, il loro passaggio dipende dal gradiente di concentrazione, ma anche dal gradiente di potenziale elettrico totale. Il gradiente elettrochimico è necessario per il funzionamento e la vita stessa delle cellule; il potenziale di membrana, che consiste in una differenza di potenziale elettrico esistente tra i due lati della membrana (-70 mV negli organismi eucariotici), è mantenuto dall’equilibrio di Gibbs-Donnan da cui dipende la diversa distribuzione degli ioni Na⁺, Cl^- e K⁺ tra i compartimenti extra e intracellulare. Al mantenimento di questo equilibrio concorrono: le caratteristiche di permeabilità selettiva della membrana plasmatica; gli anioni proteici presenti all’interno della cellula; i processi di trasporto attivo di ioni.

Osmosi: Passaggio delle molecole di solvente dall’area a minor concentrazione di soluto a quella a maggior concentrazione, processo che consente di diluire la soluzione più concentrata e annullare il gradiente di concentrazione.

Trasporto attivo: Trasporto che avviene contro gradiente di concentrazione e richiede oltre a proteine vettrici specifiche, un dispendio di energia. Può essere:

• Trasporto attivo primario che prevede il consumo di fonti primarie di energia come l’idrolisi dell’ATP, il trasporto di elettroni e la luce (nelle cellule animali è il passaggio (un antiporto) degli ioni sodio (Na⁺) e potassio (K⁺) a opera dell’enzima Na⁺-K⁺-ATPasi).
• Trasporto attivo secondario dove l’energia è fornita da gradienti ionici e da differenze di potenziale, che si stabiliscono tra le opposte facce delle membrane. Le molecole da trasportare vengono trascinate all’interno della cellula, contro il proprio gradiente di concentrazione, da ioni che invece passano nel compartimento intracellulare secondo il loro gradiente di concentrazione. Il trasporto degli ioni attraverso la membrana comporta la presenza di un potenziale di membrana, generato e mantenuto dall’equilibrio di Gibbs-Donnan e dalla pompa Na⁺-K⁺-ATPasi, che permette il trasporto attivo degli ioni Na⁺ verso l’esterno della membrana, accoppiato a quello degli ioni K⁺ verso l’interno, contro il gradiente elettrochimico; si tratta di antiporto ATP-dipendente che introduce 2 ioni K⁺ nella cellula, estraendo 3 ioni Na⁺ per ogni molecola di ATP idrolizzata.

Trasporto di macromolecole

La cellula ha la capacità di secernere e ingerire macromolecole mediante due processi:

• Esocitosi: Le vescicole intracellulari si fondono con la membrana liberando all’esterno della cellula il loro contenuto. È un’attività che inizia nel RER, dove gemmano vescicole indirizzate, prima all’apparato del Golgi e poi verso la periferia cellulare.
• Endocitosi: Si classificano tre modalità di assunzione di materiali esterni alla cellula per invaginazione della membrana:
  • Fagocitosi: Consiste nella “internalizzazione” di particelle di dimensioni anche abbastanza elevate, come interi microrganismi o altre cellule; viene utilizzato a scopo nutritivo dai protisti o a scopo difensivo dai granulociti (macrofagi e neurofili) e consiste nell’estensione di dilatazioni di membrana che inglobano sostanze esterne che passano nel citoplasma.
  • Pinocitosi: Consiste nell’assunzione non specifica di piccoli quantitativi di liquidi extracellulari contenenti macromolecole di interesse metabolico.
  • Endocitosi mediata da recettori: È un processo altamente specifico, recettori disposti sulla membrana selezionano le macromolecole del fluido extracellulare e facilitano il loro ingresso nella cellula.

Omeostasi

L’omeostasi è la capacità di mantenere l’equilibrio e la stabilità delle funzioni dell’organismo; affinché questo avvenga è necessario che la composizione intracellulare rimanga il più possibile costante. I meccanismi di controllo omeostatico agiscono quasi tutti attraverso un meccanismo a feedback negativo, cioè devono avere la capacità di indurre una variazione opposta alla variazione iniziale. Se a livello intra o extracellulare si verifica una variazione dell’omeostasi, i sensori periferici come pressocettori, meccanocettori, etc., registrano ed inviano informazioni ai centri nervosi posti a livello della corteccia cerebrale, dell’ipotalamo e del midollo allungato; a questo livello avviene l’analisi delle informazioni in entrata e la loro integrazione con altri input. Se questa variazione è particolarmente significativa, dalla corteccia viene inviata un’informazione a un effettore periferico, come per esempio le cellule muscolari, che è in grado di attuare cambiamenti che portano alla ristabilizzazione dell’omeostasi.

Composizione dei liquidi intra ed extracellulari

Un individuo adulto del peso di circa 70 kg è costituito per il 45-75% del peso corporeo da acqua, dovuto alla presenza del tessuto adiposo, tessuto che è povero di acqua. L’acqua presente nell’organismo è distribuita in due compartimenti:

• Compartimento intracellulare o liquido intracellulare (LIC) che rappresenta il 30-40% del peso corporeo.
• Compartimento extracellulare o liquido extracellulare (LEC) che rappresenta il 20% del peso corporeo e che è ulteriormente suddiviso in liquido interstiziale e liquido transcellulare. La linfa è parte integrante del compartimento interstiziale.

La quantità di ioni positivi (cationi) è uguale alla quantità degli ioni negativi (anioni), per questo i liquidi risultano elettricamente neutri. Gli elettroliti rappresentano una distribuzione differente nel LIC e nel LEC:

• Il sodio (Na⁺) è il principale catione presente nel LEC, a seguire troviamo il potassio (K⁺) e il calcio (Ca²⁺); il cloro (Cl^-) e lo ione bicarbonato (HCO₃^-) rappresentano i principali ioni negativi.
• Nel LIC, invece, il potassio (K⁺) è il principale catione, mentre le proteine e i fosfati (HPO₄^-) sono i principali anioni.

Gli elettroliti presenti in questi compartimenti partecipano allo svolgimento di funzioni corporee:

• Regolazione dell’equilibrio acido-base.
• Mantenimento dell’equilibrio idroelettrolitico.
• Contrazione muscolare.
• Attività contrattile miocardica.
• Trasmissione degli impulsi nervosi.

La membrana cellulare è costituita per lo più da proteine (circa il 55%), da lipidi (fosfolipidi e colesterolo) e da glucidi (glicolipidi e glicoprotidi). Le proteine della membrana possono essere suddivise in sottoclassi, in base alla loro funzione:

• Proteine che costituiscono pompe ioniche.
• Proteine che circoscrivono pori o canali posti a cavallo della membrana cellulare, la cui apertura e chiusura conferisce alla membrana un criterio di selettività.
• Strutture recettoriali specifiche per ormoni, neurotrasmettitori, farmaci, etc.
• Strutture enzimatiche, come ATP, essenziale fonte energetica.
• Proteine strutturali, con funzione di stabilizzazione della membrana cellulare.

Filtrazione

È una forma di trasporto passivo, caratterizzata dal passaggio di acqua e soluti attraverso una membrana semipermeabile, in base a una differenza di pressione idrostatica che è la forza esercitata da un liquido su una superficie.