Riassunto esame Fondamenti anatomo-fisiologici, prof. Guariglia, libro consigliato Fondamenti anatomo-fisiologici

Fisiologia

Il sistema nervoso centrale e periferico

Il sistema nervoso centrale e quello periferico non contengono solo cellule nervose propriamente dette, ma vi sono presenti altri tipi di cellule, tra l'altro molto abbondanti, denominate cellule della glia. In passato si è ritenuto che la glia svolgesse esclusivamente funzioni di sostegno e quindi avesse un ruolo secondario rispetto ai neuroni. Oggi invece si assegnano alla glia molteplici ed importanti funzioni, tra questi ricordiamo un ruolo significativo come "deposito" di fattori neurotrofici e di neurotrasmettitori. Si distinguono 4 tipi di cellula:

Microglia

È chiamata così a causa delle dimensioni piuttosto ridotte delle cellule che la costituiscono. Annoveriamo tre funzioni: fagocitosi, per cui la cellula ingloba, all'interno del suo citoplasma, corpi estranei o frammenti di neuroni lesionati, con conseguente distruzione di essi, il che porta alla fine alla ripulitura del tessuto. Funzioni di sostegno e funzione immunitaria.

Oligodendrociti

Queste cellule contribuiscono alla formazione del rivestimento mielinico delle fibre nervose, e pertanto il loro contributo risulta essenziale per il buon funzionamento delle fibre nervose.

Astrociti

Esistono due forme diverse di astrociti: astrociti protoplasmatici e astrociti fibrosi. Gli astrociti si presentano in forma stellata da cui si diramano arborizzazioni che raggiungono i capillari sanguigni del tessuto cerebrale, dove influenzerebbero il passaggio di sostanze per lo scopo di assicurare una certa stabilità nella composizione del liquido interstiziale che circonda i neuroni.

Cellule di Schwann

Nelle fibre nervose mieliniche esse presentano una specie di manicotto che si avvolge in più strati attorno all'assone (guaina mielinica). Queste cellule manifestano inoltre attività fagocitaria e contribuiscono all'azione di ripulitura.

Membrana cellulare

La membrana cellulare non può essere considerata come un semplice contenitore che impedisce la dispersione dei materiali intracellulari. In effetti, essa consente degli attraversamenti selettivi tra il citoplasma e il liquido interstiziale, attraversamenti che sono essenziali proprio alla sopravvivenza della cellula e allo svolgimento delle sue funzioni. È noto che la membrana si lascia attraversare da sostanze metaboliche per la costruzione di molecole intracellulari. La cellula elabora inoltre delle molecole che verranno utilizzate da altre cellule e provvede all'eliminazione delle scorie.

Secondo il modello classico di Danielli e Davson, la membrana cellulare è composta da proteine e lipidi disposti in tre strati. Uno strato lipidico rivestito da ciascun lato da uno strato proteico. Lo stato lipidico costituisce una barriera impermeabile. L'attraversamento per diffusione semplice è consentito solo alle molecole minuscole o₂ e CO₂. Le molecole solubili solo in acqua (idrofile) riescono ad attraversarlo in una sola condizione: che siano presenti delle specifiche proteine che si incaricano del trasporto, facendo sì che queste molecole idrofile possano bypassare la componente idrofoba dello stato lipidico.

Proteine transmembranarie

La specificità di queste proteine è quella del trasporto selettivo. È bene precisare che le proteine presenti nella membrana cellulare non promuovono soltanto il trasporto di materiali, ma esercitano funzioni diverse: funzione di canale, funzione di carrier, funzione enzimatica, recettoriale, funzione di componente strutturale.

Per quanto riguarda il trasporto di sostanze che attraversano la membrana cellulare, sono state individuate tre tipi di proteine transmembranarie.

Proteine-canale

Consentono il trasporto passivo, consentono rapidi spostamenti ionici e hanno particolare importanza in eventi come il potenziale d'azione e la trasmissione sinaptica. Es. quando un soluto sotto forma di ione si sposta dall'ambiente sia intra ed extracellulare, dove è maggiormente concentrato verso l'ambiente dove lo è meno, questo spostamento non dipende solamente dal gradiente di concentrazione ma verrà condizionato anche dal gradiente elettrico. Come è noto uno ione carico positivamente verrà attratto da un ambiente elettronegativo; mentre tenderà ad essere respinto da un ambiente in cui prevalgono ioni dello stesso segno.

Alcuni canali presentano il canale acquoso sempre aperto, mentre altri dispongono di un meccanismo di apertura e di chiusura a porta, che quindi facilita od ostacola l'attraversamento. Esistono tre tipi di canali:

• A porta meccanica: si aprono per deformazioni meccaniche della membrana citoplasmatica.
• A porta di potenziale: si aprono e si chiudono quando ai due lati della membrana si instaurano differenze di potenziale elettrico. Queste prendono il nome dal tipo di ione che lo attraversa più facilmente.
• A porta chimica: si aprono quando una particolare sostanza si lega a una sub struttura del canale. Essi prendono il nome dal tipo di mediatore che li attiva.

Proteine carrier

Consentono il superamento dello stato lipidico in quanto sono capaci di stabilire un legame specifico con il soluto da trasportare. Questo legame si forma in corrispondenza di precisi siti della molecola proteica. Questo legame può essere ostacolato da altre molecole. Il legame tra proteina e soluto è assolutamente reversibile. Il trasporto verrebbe facilitato dal fatto che il carrier può trovarsi con i siti leganti esposti verso uno o l'altro dei due versanti della membrana. Pertanto, se i siti sono esposti verso la zona di maggiore concentrazione del soluto, il legame sarà più facile. Se invece i siti vengono a trovarsi verso la zona di minore concentrazione verrà facilitata la rottura, cioè il rilascio del soluto. A questo particolare tipo di trasporto, ch'è sempre passivo, è detto diffusione facilitata. (No consumo di ATP)

Proteine con funzione di pompa

Abbiamo spiegato come avviene un trasporto di tipo passivo. Quando però, la sostanza si muove contro uno o entrambi i gradienti, sarà necessario ricorrere ad un'altra forma di trasporto, cioè attiva la quale deve impegnare energia per promuovere un movimento diverso e difficoltoso. Queste proteine sono dette pompe cellulari, la più importante è quella sodio-potassio. Il sodio è abbondante nel liquido extracellulare, il quale tende ad entrare nella cellula seguendo entrambi i gradienti, in quanto viene attratto dall'ambiente intracellulare. Una volta entrato viene estruso dalla cellula. Invece il potassio tende ad uscire dal gradiente di concentrazione. Gli spostamenti di questi due ioni, sono ostacolati da un trasporto in senso contrario. Così il sodio viene ricacciato fuori e il potassio richiamato entrambi contro il gradiente.

Trasporti intracellulari

La cellula nervosa è anche sede di trasporto di molecole e organelli che si spostano nell'ambito del citoplasma senza uscire all'esterno.

• Trasporto anterogrado: talune sostanze (neurotrasmettitori) vengono a formarsi in corrispondenza del soma cellulare per poi spostarsi all'assone fino a raggiungere le terminazioni periferiche terminali.
• Trasporto retrogrado: consiste nello spostamento lungo l'assone di materiali che vengono veicolati dalla periferia al soma. Questo trasporto riguarda i fattori neurotrofici. Però esistono alcune manifestazioni patologiche del SNC che vengono sostenute da alcuni virus, detti neurotropi, i quali, dopo essere penetrati nei nervi periferici da una ferita, vengono veicolati in senso retrogrado. Es. virus della rabbia: il quale penetra nell'organismo attraverso un morso del cane e viene trasportato retrogradamente fino al SNC, dove si accumula per dare vita a delle manifestazioni patologiche.

Potenziale di membrana

Le membrane cellulari sono molto selettive nel lasciarsi attraversare da sostanze ionizzate e non, presenti nel liquido intra ed extracellulare. Infatti riusciranno a passare solamente:

• Molecole con diametro molto più piccolo rispetto a quello del canale;
• Passeranno meno liberamente le molecole con diametro appena un po' più piccolo rispetto al canale, qui bisogna tenere conto anche delle cariche elettriche presenti nelle pareti del canale;
• Non passeranno affatto molecole con dimensioni superiori rispetto al canale.

Equilibrio di Gibbs-Donnan

Quando una membrana si trova a separare due soluzioni in cui sono contenuti ioni diffusibili e non diffusibili, non ci si può aspettare che questi ioni si dispongano simmetricamente rispetto alla membrana, semplicemente assecondando il loro gradiente di concentrazione, ma si deve tenere conto anche del gradiente elettrico. La membrana si trova a separare sia ioni positivi che negativi presenti ai due lati di essa. Nel caso del potassio (K⁺) e del cloro (Cl^-) sono entrambi ioni diffusibili, tranne gli anioni proteici che sono indiffusibili a causa della loro grossezza e rimangono imprigionati nell'ambiente a cui appartengono. Nella prima fase avviene che il K⁺ tende a dividersi in parti uguali nelle due parti della membrana, ma ciò non avviene perché risentono anche dell'attrazione esercitata dagli ioni negativi. Così tenderebbero a stare in maggiore quantità dove ci sono gli anioni proteici. Il cloro invece, tendono a disporsi simmetricamente, ma ciò non avviene perché vengono respinti dall'ambiente dove sono imprigionati gli anioni proteici. La conseguenza è che il cloro si trova in maggiore quantità al lato opposto agli anioni proteici, si raggiunge così un equilibrio, denominato Gibbs-Donnan. A equilibrio raggiunto, troviamo nello stesso lato della membrana tutti gli ioni, sia positivi che negativi, sia diffusibili e indiffusibili.

Potenziale di riposo

Si può anche provare a verificare la disposizione delle cariche elettriche in un neurone vivente, quando questo permane in condizione di riposo: si troverà che sul versante esterno della membrana prevalgono le cariche positive su quelle negative, mentre su quello interno accade il contrario. Pertanto la membrana risulta essere polarizzata, positiva all'esterno e negativa all'interno. Quindi chiameremo così, potenziale di membrana la differenza tra cariche positive e cariche negative. Poiché la polarizzazione è tipica di uno stato di riposo, parleremo di potenziale di riposo, volendo indicare la differenza di potenziale che permane fin quando il neurone non entra in attività.

Il potenziale di membrana viene misurato attraverso una micropipetta di vetro riempita con una soluzione elettrolitica. Questo elettrodo può essere connesso ad un altro elettrodo, posto lontano dalla membrana. La registrazione dei potenziali di membrana si effettua connettendo entrambi gli elettrodi, con uno oscilloscopio. Inizialmente troviamo, una micropipetta appoggiato sulla superficie esterna di un neurone. In questa si registrerà una differenza di potenziale fra la zona di riferimento e l'esterno della membrana. Questo non ci interessa perché abbiamo la presenza di cariche positive. È importante, però, sottolineare la parte successiva. Quando la micropipetta penetra dentro il citoplasma della membrana che verrà a pescare in un ambiente dove prevalgono cariche negative, cioè gli anioni proteici e non più positive. Infatti da questo momento in poi, si registrerà una nuova differenza di potenziale fra esterno e interno della membrana. La differenza di carica tra esterno e interno varia da neurone a neurone, ma di solito sta fra –70 e -90 mv. Questa differenza di potenziale è stata chiamata potenziale di riposo.

Equazione di Nernst

Usando l'equazione di Nernst, è possibile predire i cambiamenti del potenziale di membrana che si verificano quando viene alterata la concentrazione di K⁺ nel liquido extracellulare. Infatti il potenziale di membrana aumenta (diventa più negativo) man mano che diminuisce la concentrazione del K⁺, viceversa essa diminuisce (diventa meno negativo) quando K⁺ viene aumentato.

Potenziale d'azione

È stato detto che il potenziale di riposo permane al suo valore finché il neurone non entra in attività, venendosi a creare una nuova differenza di potenziale, denominata potenziale d'azione. In generale il potenziale di riposo può essere modificato mediante manovre sperimentali, facendo penetrare un microelettrodo all'interno della membrana inviando così, dei brevi impulsi di corrente elettrica. In un primo momento faremo passare carica negativa all'interno della membrana, facendo aumentare la differenza di potenziale di riposo, avremo così un'iperpolarizzazione passiva della membrana, cioè un aumento del potenziale di riposo. Se invece il microelettrodo viene reso positivo, esso inietterà cariche positive. In questo caso, viene incrementata la presenza di cariche positive all'interno. Farà diminuire il potenziale di riposo, essendosi prodotta una depolarizzazione passiva.

Il potenziale d'azione è indotto da uno stimolo positivo che attraversa la membrana e lo stato di riposo della cellula viene modificato in potenziale d'azione. Cioè lo stimolo, depolarizza la membrana inviando cariche positive che sostituiscono quelle negative eccitando la cellula come risultato del potenziale d'azione. Il potenziale d'azione è un potenziale graduato poiché la sua ampiezza dipende dall'intensità dello stimolo. Nella situazione iniziale viene preposto uno stimolo positivo, e quindi man mano che entrano all'interno della cellula determineranno una graduale riduzione della negatività del potenziale di riposo. E così si riduce la differenza di potenziale tra interno e esterno (si passa da -90mv a -80, -70 e così via). Però non appena la depolarizzazione raggiunge un livello critico che corrisponde a un potenziale di -45 mv / -55 mv, la membrana si depolarizzerà completamente. Continuando ad entrare ancora cariche positive, si arriverà a un eccesso di positività all'interno. Così la polarità della membrana a riposo, si invertirà durante l'attività fino al valore di +30/+35 mv. Il potenziale d'azione è un'improvvisa ed esplosiva depolarizzazione (rapida, veloce). Per la sua forma appuntita, il potenziale d'azione viene anche detto spike. Una volta raggiunto il suo valore massimo, il potenziale decresce, avviandosi a tornare al valore del potenziale di riposo. Per quanto riguarda la durata del potenziale d'azione, esso dura circa 1ms. Il potenziale d'azione è seguito da una coda comprendente: a) un potenziale postumo negativo rappresentato da un prolungamento (10-15ms). b) un potenziale postumo positivo (30ms). Il potenziale d'azione obbedisce alla legge del tutto o nulla, o non nasce, o quando è nato, la sua ampiezza rimane costante. Un'altra caratteristica del potenziale d'azione, è che si tratta di un potenziale propagato, nel senso che si propaga lungo tutta la membrana.

Quando un neurone viene stimolato con due impulsi elettrici di intensità sufficiente e ad un intervallo di tempo sufficientemente lungo, si otterranno due normali potenziali d'azioni. Se accorciamo l'intervallo fra i due impulsi tanto che il secondo impulso cada mentre ancora è in corso il pre potenziale, oppure durante la prima fase della ripolarizzazione, non si otterrà alcuna risposta. Questa fase di ineccitabilità viene chiamata periodo refrattario assoluto. Essa si deve al fatto che mentre la membrana sta esprimendo un proprio potenziale, vengono a mancare i presupposti biofisici per ottenere un nuovo eccitamento. Quando invece, il secondo stimolo cade in una fase un po' più tardiva, un nuovo potenziale potrà apparire ma a condizione che il secondo stimolo sia molto intenso. Questa fase viene detta periodo refrattario relativo.

Conducibilità delle fibre nervose

La funzione del nervo è quella di condurre l'impulso nervoso alla sua destinazione periferica o centrale, per mezzo della:

• Conduzione punto a punto o per circuiti locali. Questo tipo di propagazione rappresenta una conduzione continua dell'impulso nervoso, la quale avviene solo nelle fibre amieliniche. Quando si genera un potenziale d'azione, non tutto l'assone viene immediatamente depolarizzato: la depolarizzazione, infatti, è limitata ad una sola zona della membrana per volta. La zona depolarizzata presenta un'inversione del potenziale di membrana, che fa 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, rispetto alle regioni adiacenti di membrana che sono a riposo (dove l'interno è negativo rispetto all'esterno). Nel sito di origine del potenziale d'azione, le cariche positive all'interno della cellula, si spostano verso quelle negative delle regioni adiacenti della membrana, dove la cellula presenta il normale potenziale di riposo. Questo processo continua: ogni potenziale d'azione genera correnti locali che causano un altro potenziale d'azione nella regione adiacente della membrana, fino a che la depolarizzazione raggiunge la fine dell'assone.
• Conduzione saltatoria: i nodi di Ranvier rappresentano delle interruzioni della guaina mielinica. 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 amieliniche, ad 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. Queste correnti si muovono rapidamente all'interno del tratto mielinico. Poiché il potenziale d'azione procede in maniera saltatoria negli assoni mielinici, è evidente che la velocità di propagazione è più elevata rispetto a quanto avviene negli assoni amielinici.

Leggi generali della conduzione nervosa

Legge dell'integrità di struttura: un nervo trasmette l'impulso se non è integro.