Neurofisiologia del muscolo scheletrico e liscio, Fisiologia del sistema nervoso

Funzioni degli organi e tessuti del corpo umano

Le funzioni dei vari organi e tessuti del nostro organismo sono tutte finalizzate a mantenere costante la composizione chimico-fisica dell'ambiente interno, cioè del liquido in cui sono immerse tutte le cellule, il LEC. Il mantenimento della costanza del mezzo viene definito come omeostasi. I diversi meccanismi che operano con questo fine sono detti meccanismi omeostatici.

Il principio dell'equilibrio di massa afferma che la costanza di una data sostanza è mantenuta se le sostanze in ingresso sono uguali (in quantità) alle sostanze in uscita. La patologia, quindi, sarà una situazione in cui si perderà l'omeostasi. Se questa viene recuperata, il soggetto torna al benessere; ma se invece l'omeostasi non viene recuperata, abbiamo alterazioni patologiche e la malattia.

Sistemi di controllo e meccanismi a feedback

I sistemi di controllo dell'organismo agiscono tramite meccanismi a feedback, in particolare feedback negativi. La variazione di un parametro da controllare attiva una risposta che contrasta la perturbazione iniziale, riportando il parametro alla norma. Per questi meccanismi sono necessari dei sensori che misurano la variabile controllata, un centro di integrazione dove la misura è comparata a un valore di riferimento (set point), e un sistema di effettori in grado di modificare il parametro da controllare riportandolo al valore di riferimento.

Il grado di efficienza di un meccanismo a feedback è misurato dal guadagno, G = VR/E, dove VR è il valore di riferimento ed E è l'errore, cioè la differenza tra VC (valore corretto) e VR. Più E tende a 0 più il guadagno del feedback tende all'infinito.

Feedback positivo

Il feedback positivo non è un meccanismo di controllo, né tanto meno un meccanismo omeostatico, perché va solamente a rinforzare lo stimolo che lo ha causato, rendendo la situazione ancora più acuta e più lontana dal valore di riferimento.

Esempi: nel periodo prima del parto, il posizionamento del feto nella cervice in modo tale da dilatarla causa una stimolazione tale da produrre grandi quantitativi di ossitocina che causa contrazioni uterine, quindi ulteriore pressione del feto contro le pareti uterine, ulteriore dilatazione e ulteriore rilascio di ossitocina. Questo meccanismo cessa nel momento del parto, infatti sono necessari dei fattori esterni che facciano cessare la stimolazione e l'attivazione di questo circuito a retroazione. Un altro esempio è dato dall'aggregazione delle piastrine nel momento della coagulazione, che causa rilascio di un elevato quantitativo di stimolatori dell'aggregazione piastrinica che facilitano il processo già in atto.

Controlli anticipatori - feedforward

I controlli anticipatori modificano il valore di riferimento per evitare la correzione di variazioni che sono funzionali alla situazione in atto.

Meccanismi di comunicazione intercellulare

• Giunzioni comunicanti: permettono la comunicazione diretta tra cellule adiacenti.
• Segnali autocrini e paracrini: una cellula produce un messaggero chimico che lega un ligando a livello della stessa cellula che l'ha prodotto o in cellule adiacenti.
• Trasmissione nervosa: il neurotrasmettitore viene rilasciato dal terminale nervoso (trasmissione rapida) ed agisce sulla cellula bersaglio legandosi a recettori specifici.
• Trasmissione ormonale: l'ormone rilasciato da una cellula endocrina raggiunge attraverso il sangue (trasmissione lenta) l'organo bersaglio dove si lega a recettori specifici.
• Trasmissione neuro-ormonale: se l'ormone è prodotto da un neurone.

Trasporti di membrana

Il mantenimento dell'omeostasi si ha grazie a dei sistemi di trasporto attraverso la membrana di varie molecole. La membrana plasmatica è data da vari tipi di proteine che sono:

• Proteine integrali di membrana: con segmenti che attraversano da parte a parte la membrana. La fosforilazione è un metodo per regolare la funzione di queste proteine.
• Proteine estrinseche: non attraversano l'intero spessore di membrana ma si legano debolmente a proteine integrali o a regioni polari dei fosfolipidi; sono gli enzimi di membrana.
• Proteine ancorate ai lipidi.

Dal punto di vista funzionale, le proteine sono divise in:

• Trasportatori di membrana:
  • Carrier che cambiano conformazione.
  • Proteine canale: formano canali aperti o a cancello (cancelli regolati: meccanicamente, voltaggio dipendenti, regolati chimicamente).
• Proteine strutturali: si trovano nelle giunzioni cellulari e nel citoscheletro.
• Enzimi di membrana: importanti nel metabolismo e nella trasduzione del segnale.
• Recettori di membrana: vengono aperti o chiusi da canali regolati chimicamente. Regolano l'azione di enzimi di membrana, trasduzione del segnale, endocitosi recettore-mediata.

Tipi di trasporto di membrana

I trasportatori di membrana si dividono in base alle esigenze energetiche in passivi e attivi:

• Passivi: diffusione semplice e facilitata.
• Attivi: attivo primario e secondario, endocitosi, esocitosi e fagocitosi.

Diffusione semplice

Spostamento di una sostanza da un compartimento all'altro, regolata dalla legge di Fick: J = [A * D * (C1-C2)]/s. Dove J è la velocità di diffusione della sostanza, A l'area di diffusione, D il coefficiente di diffusibilità dato da dimensione e lipofilia della sostanza, C1-C2 è il gradiente di concentrazione tra i due compartimenti e s è lo spessore della membrana.

Diffusione facilitata

Ingresso di una sostanza nella cellula grazie a un trasportatore (carrier). La sostanza è comunque spinta dal gradiente di concentrazione. Per basse concentrazioni, la probabilità di legame sostanza-trasportatore è proporzionale alla concentrazione. Per alte concentrazioni, il flusso è limitato dal trasporto massimo (saturazione dei trasportatori che hanno una loro cinetica di azione oltre la quale non possono andare).

I principali sistemi di trasporto facilitato sono i trasportatori del glucosio GLUT1-GLUT12 che permettono il continuo flusso di glucosio verso l'interno della cellula, dove la concentrazione è mantenuta bassa dalla sua continua trasformazione in glicogeno. Nelle cellule epiteliali di rene e mucosa intestinale, questi trasportatori permettono il deflusso di glucosio dalla cellula verso l'interstizio e quindi nel sangue. Alcune forme di GLUT espresse in membrana sono finemente regolate, principalmente dall'insulina. Questo è il meccanismo con cui l'insulina permette l'accumulo di glucosio nelle cellule muscolari e adipose quando il glucosio nel plasma è sufficientemente elevato, impedendo d'altra parte che questo grosso serbatoio sottragga la preziosa sostanza alle altre cellule quando i livelli di glicemia si riducono.

Trasporto attivo primario

Un trasportatore chiamato pompa opera accoppiato a una reazione che fornisce energia (idrolisi ATP). L'energia derivante dall'idrolisi dell'ATP viene utilizzata perché la pompa cambia conformazione e riduce l'affinità per il substrato.

Principali tipi di pompe:

• ATPasi protoniche: trasportano H⁺ fuori dalla cellula H⁺/K⁺ ATP-dipendente (attiva particolarmente nelle cellule parietali gastriche e nelle cellule intercalate del tubulo distale e del dotto collettore), usata per mantenere il pH intracellulare.
• ATPasi per il Ca⁺⁺: mantengono basso il livello di Ca⁺⁺ intracellulare (10 alla -7 molare), sono PMCA a livello della membrana plasmatica e SERCA a livello del reticolo sarcoplasmatico.
• ATPasi Na⁺/K⁺: mantiene la differenza di concentrazione ionica tra interno e esterno della cellula, coinvolta nella genesi del potenziale di membrana e non raggiunge la saturazione. È una pompa elettrogenica perché permette la fuoriuscita netta di una carica positiva.

Cinetica di attività di questa pompa: quando è rivolta all'interno della cellula ha alta affinità per il Na⁺ poco concentrato e bassa affinità per il K⁺ molto concentrato, quando invece è rivolta verso la parte extracellulare ha elevata affinità per il K⁺ poco concentrato che quindi qui viene rilasciato e ha bassa affinità per il Na⁺ qui molto concentrato che quindi qui si lega al trasportatore per essere rilasciato a livello intracellulare.

Trasporto attivo secondario

Trasporto di una sostanza controgradiente accoppiato al trasporto di un'altra che è accoppiata a una fonte di energia e si muove secondo gradiente, quindi si parla di trasporto accoppiato: cotrasporto.

• Simporo: trasporto di due sostanze nella stessa direzione.
  • Esempi: Na⁺/GLU (con SGLT1 nell'intestino e SGLT2 nel rene), Na⁺/A.A., neurotrasportatori: captano controgradiente i neurotrasmettitori di tipo aminico e aminoacidico GAT per GABA, SERT per serotonina, DAT per dopamina, NET per noradrenalina, altri per glicina e colina, e altri Na⁺/K⁺ dipendenti necessari per trasporto glutammato e aspartato.
  • Simporo ionico: controlla le concentrazioni ioniche intracellulari sfruttando il gradiente di Na⁺ e/o di K⁺ creato dalla pompa Na⁺/K⁺. Ad esempio, per il trasporto di Cl^- che regola non solo la concentrazione intracellulare ma anche il volume cellulare ed è dato da due diversi trasportatori: KCC: K⁺/Cl^- trasporta Cl^- verso l'esterno della cellula, NKCC Na⁺/K⁺/2Cl^- trasporta Cl^- dentro la cellula.
• Antiporo: trasporto di due sostanze in direzioni opposte.
  • Esempi: scambiatore Na⁺/Ca⁺⁺ sulla superficie citoplasmatica si carica di Ca⁺⁺ nonostante la bassa concentrazione per la grande affinità, mentre a livello extracellulare carica Na⁺ nonostante la bassa affinità per l'alta concentrazione.
  • Na⁺/H⁺: importante per il pH intracellulare (anche a livello renale nel tubulo prossimale, trasportatore chiamato NHE3).
  • Cl^-/HCO₃^-: a livello di intestino e rene per regolare il riassorbimento di HCO₃^-, a livello pancreatico per produrlo nel succo pancreatico, a livello delle cellule gastriche per permettere ingresso di Cl^- nel lume e formazione di HCl.

Neurotrasportatori vescicolari: dipendono da ATPasi di membrana. Pompano H⁺ in vescicole per abbassare il pH e al tempo stesso generare un potenziale di membrana positivo nel lume dell'organulo. Poi sistemi di trasporto specifici caricano gli organuli secretivi, per esempio per immagazzinare neurotrasmettitori nelle vescicole sinaptiche.

Nella vescicola sono spesso contenute proteine o altre sostanze in grado di combinarsi con il trasmettitore e ridurne così la concentrazione effettiva intraluminale, attenuando il gradiente di concentrazione transmembrana avvertito dal trasportatore e riducendo la pressione osmotica.

Funzioni del sistema nervoso

Le funzioni del sistema nervoso si esplicano con la generazione e trasmissione di informazioni nervose grazie alla modifica di proprietà elettriche a livello della membrana grazie al lavoro di canali ionici.

I canali ionici sono proteine integrali di membrana legate sul versante esterno da gruppi di carboidrati. La loro funzione è quella di far passare ioni e modificare lo stato di potenziale ai lati della membrana. Sono formati da diverse subunità che circoscrivono un poro acquoso centrale per il passaggio del dato ione. Le subunità possono essere uguali (canali omomerici) o diversi (canali eteromerici).

Questi canali sono selettivi o no, dipende dai vari canali.

Canale al Na⁺

Canale voltaggio-dipendente si apre per variazioni del potenziale di membrana. È formato da subunità α e β che circondano il poro. Le subunità sono formate da sequenze di A.A. organizzate in domini, i quali sono segmenti con strutture ad α-elica tutti uniti da anse in entrambi i lati della membrana.

Selettività: può essere elevata per un singolo ione. Dipende da una regione del dominio di una subunità; per il Na⁺, per esempio, è la regione P a dare selettività al canale. È formata da residui polari che legano labilmente lo ione e gli permettono il passaggio.

Solvatazione: gli ioni sono sempre circondati da una corona di molecole di H₂O. La dimensione di questa corona dipende dalla concentrazione della carica elettrica dello ione. Se lo ione ha raggio atomico piccolo, avrà una maggiore concentrazione di carica e quindi una maggiore corona di solvatazione attorno a sé. Lo ione lascia gran parte di questa corona entrando nel canale perché si lega per brevissimo tempo al suo sito specifico e attraversa il canale spinto dal gradiente elettrochimico.

Tipi di canali nella membrana cellulare

1. Canali passivi: sempre aperti, permettono un flusso ionico determinato dalla forza elettrochimica tra i due versanti della membrana. Canali coinvolti nella genesi del potenziale di membrana.
2. Canali ad accesso variabile: hanno un meccanismo che li fa aprire in risposta a uno stimolo particolare: di natura elettrica (voltaggio dipendenti), di natura chimica (ligando dipendenti o tramite fosforilazione), o di natura meccanica. Sono responsabili dell'insorgenza di segnali elettrici nelle cellule eccitabili.

I canali ionici ad accesso variabile hanno 3 stati funzionali possibili:

• Aperti
• Chiusi
• Inattivati/refrattari (conformazione aperta, ma funzionalmente chiusi)

In risposta a stimoli specifici, il canale passa da stato chiuso ad aperto, o da aperto a inattivo. Una volta inattivato, per poter essere nuovamente aperto, deve prima passare per lo stato chiuso. Lo stato di inattivazione può dipendere dal voltaggio (Na⁺), il perdurare di modificazioni di voltaggio, o dallo ione stesso (Ca⁺⁺) o dalla defosforilazione.

L'attivazione del canale non determina un flusso ionico continuo, ma l'insorgenza di una ripetizione di impulsi con caratteristiche tutto o nulla di durata e frequenza variabile.

Conduttanza

Esprime la capacità di far passare cariche elettriche in presenza di una forza elettrochimica, la quale dipende da: differenza di potenziale elettrico e differenza di concentrazione ionica. La conduttanza g = 1/R si misura in siemens (1S = 1/Ohm) e per i canali ioni è nell'ordine dei 10 alla -12 S. I = g * ΔV. Per la I legge di Ohm ΔV = I * R; I = ΔV/R.

Tipi di canali e legge di Ohm

• Ohmici canali: in cui la conduttanza è costante, relazione lineare.
• Rettificanti: i quali sono maggiormente conduttanti per dati valori di ΔV e meno per altri; questo è l'esempio dei canali voltaggio-dipendenti.

I canali voltaggio-dipendenti sono chiusi al potenziale di riposo, ma si attivano per variazioni del potenziale. Sono altamente selettivi e sono caratterizzati da soglia di attivazione (valore minimo del potenziale di membrana affinché si apra il canale). L'apertura dipende da un sensore del voltaggio che si muove aprendo il cancello di inattivazione.

Canali al Na⁺

Il segmento S4 è il sensore di voltaggio. La depolarizzazione di membrana sposta questo segmento S4 verso l'esterno trasmettendo la depolarizzazione alla regione P (filtro di selettività). L'ansa dei domini III e IV è il cancello di inattivazione del canale. Sono formati da subunità α che generano il poro associate a subunità β che modulano la cinetica e la voltaggio-dipendenza del canale. Bassa soglia di attivazione, intenso flusso ionico, rapida cinetica di inattivazione che causa la refrattarietà assoluta.

Canali al K⁺

Attivati dal voltaggio (Kv) o dal Ca⁺⁺ (K_ca). Permettono un flusso di K⁺ verso l'esterno e giocano un ruolo fondamentale nella ripolarizzazione di membrana regolando la durata del p.d.a.

Canali al Ca⁺⁺

Divisibili in canali ad alta soglia di attivazione (HVA) che si attivano per forti depolarizzazioni (-20mV) e si inattivano lentamente (canali L, N, P/Q, R) e canali a bassa soglia di attivazione (LVA) che si attivano a potenziali più vicini al potenziale di riposo (-65/-50 mV) e sono i canali T.

Potenziale di membrana

È la differenza di potenziale elettrico a cavallo della membrana dovuta a una diversa distribuzione ionica ai due lati (allontanandosi dalla membrana le cariche tendono ad equilibrarsi). Il potenziale di membrana (negativo all'interno della cellula) nelle cellule eccitabili è definito potenziale di riposo, poiché caratterizza lo stato di riposo della cellula ed ha valore di -65/-70 mV.

Si modifica in risposta a stimoli specifici che determinano flussi ionici attraverso la membrana. La modificazione più importante è il potenziale d'azione responsabile della trasmissione dell'informazione da un neurone all'altro.

Normale distribuzione di ioni ai lati della membrana: Na⁺ e Cl^- molto concentrati a livello extracellulare e K⁺ e anioni proteici (A^-) a livello intracellulare.

Generazione del potenziale di membrana

Modello di membrana semipermeabile solamente al K⁺ che separa i due compartimenti a contenuto ionico diverso. Il K⁺ è spinto ad uscire dal gradiente di concentrazione (forza chimica). Ma questo flusso di cariche positive in uscita non è accompagnato dal flusso di cariche negative, quindi si creerà una maggiore elettronegatività intracellulare tale da creare una forza elettrica (gradiente elettrico) che si opponga alla forza chimica che spinge il K⁺ fuori dalla cellula. Nel momento in cui queste due forze sono uguali e contrarie, il K⁺ avrà la stessa tendenza ad uscire e a rientrare. La differenza di potenziale registrata quando si raggiunge questo equilibrio è il potenziale di equilibrio per il K⁺ (E_k).

Equazione di Nernst

E_x = (RT/zF) * log([X]_e/[X]_i) definisce il potenziale di equilibrio di uno ione, dove E_x è il potenziale di equilibrio di quel dato ione x, R è la costante dei gas perfetti, T è la temperatura assoluta, z è la valenza dello ione (monovalente, bivalente, trivalente).