FISIOLOGIA DELL UOMO

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1 FISIOLOGIA DELL UOMO LA MEMBRANA PLASMATICA Ogni cellula è circondata dalla MEMBRANA PLASMATICA o PLASMALEMMA, che separa il citoplasma dall ambiente extracellulare. La MEMBRANA PLASMATICA (M. P.) funge da barriera selettiva che permette alla cellula di mantenere una composizione del citoplasma differente da quella dei LIPIDI EXTRACELLULARI. I principali costituenti della M.P. : - LIPIDI - PROTEINE I LIPIDI sono rappresentati dai fosfolipidi, contenenti COLINA, COLESTEROLO, GLICOLIPIDI. I fosfolipidi presenti nelle M.P. sono di solito costituiti da - 1 ACIDO GRASSO SATURO; - 1 ACIDO GRASSO INSATURO con uno o più doppi legami che piegano la catena alifatica. Lo scheletro della M.P. è costituito dai fosfolipidi, molecole antipatiche che in ambiente acquoso assumono la forma di doppio strato. La flessibilità e la rigidità della membrana sono regolate dalla presenza o meno di CATENE INSATURE e di quantità considerevoli di colesterolo. Nella M.P. è possibile identificare ENZIMI, RECETTORI, ANTIGENI, che interagiscono con altre cellule o con sostanze regolatrici presenti nel liquido extracellulare.le PROTEINE DI MEMBRANA sono classificabili in: 1. PROTEINE INTRINSECHE immerse nel doppio strato lipidico. Attraversano da parte a parte la M.P. 2. PROTEINE ESTRINSECHE situate sulla superficie della membrana. Un altra classe è rappresentata dalle MOLECOLE RECETTORE. Queste sono una sorta di antenne che, legando molecole specifiche a cui sono altamente affini, sentono un messaggio chimico e lo trasmettono.quando si legano avviene il legame chimico tra il 1 messaggero e il recettore.

2 Il 1 messaggero arriva in prossimità del recettore e avviene il legame che porta un cambiamento nella molecola del recettore. Questo cambiamento porta all attuazione di altre molecole nel versante intracellulare che a loro volta scatenano una reazione biochimica. Queste molecole prendono il nome di G-PROTEIN o PROTEINE G. Reazione dove verranno coinvolti degli enzimi o proteine canale. Gli enzimi sporgono essenzialmente sul lato interno della membrana e, se attivati, scindono i loro substrati in molecole chiamate SECONDI MESSAGGERI che hanno il compito di trasferire il messaggio chimico agli anelli di una catena biochimica fino ad arrivare al NUCLEO, dove vengono attivati i geni della risposta cellulare.nel caso di PROTEINE CANALE, si tratta di proteine intrinseche che, cambiando conformazione, permettono l apertura del PORO-CANALE e lasciano passare specie ioniche che rappresentano, in questo caso, i secondi messaggeri citoplasmatici. MECCANISMI DI CONTROLLO DA E VERSO LA CELLULA Le membrane biologiche sono BARRIERE DI PERMEABILITA che impediscono, a gran parte delle molecole presenti nei sistemi viventi solubili in H 2 O, di diffondere. Alcune molecole idrosolubili, però, attraversano il doppio strato, come avviene per alcuni fattori il cui passaggio da un lato all altro della M.P. è di importanza vitale per la cellula. Le membrane, quindi, svolgono uno dei principali compiti nelle cellule: quello di separare i vari compartimenti e, aspetto ancora più importante, scegliere le modalità e le tempistiche del passaggio di molecole e ioni. TRASPORTO SENZA ATTRAVERSAMENTO DELLA M.P. Passaggio di sostanze da un lato all altro della membrana per mezzo di vescicole.il termine ENDOCITOSI indica il meccanismo attraverso il quale una cellula è in grado di inglobare materiale presente all esterno per portarlo al suo interno.se le sostanze inglobate sono costituite da batteri, si parla di FAGOCITOSI; quando si parla di molecole solubili si parla allora di PINOCITOSI. Il processo di ENDOCITOSI avviene in particolari regioni della M.P.Queste, presentano sulla superficie esterna delle MOLECOLE-ANCORA che raccolgono il materiale da trasportare all interno, mentre nella corrispondente struttura interna vi sono strutture filamentose proteiche (costituite da CLATRINA) il cui polimerizzarsi e depolimerizzarsi consente una notevole plasticità della membrana. Il meccanismo che permette la fuoriuscita di sostanze dalla cellula senza attraversamento della membrana è l ESOCITOSI.Questo processo è tipico delle cellule secernenti ghiandolari e delle cellule presinaptiche deputate alla liberazione di neurotrasmettitori in risposta ad uno stimolo nervoso.

3 L esocitosi permette la liberazione nello spazio extracellulare di molecole, si osservano variazioni a carico di ioni citoplasmatici e la conseguente modificazione delle porzioni di citoscheletro cellulare. LE VESCICOLE SONO SPINTE VERSO LA MEMBRANA E SI FONDONO CON ESSA RIVERSANDO ALL ESTERNO IL LORO CONTENUTO. TRASPORTO CON ATTRAVERSAMENTO DELLA MEMBRANA IN questo caso le molecole passano attraverso la membrana allo scoperto.questo tipo di trasporto può avvenire tramite diversi meccanismi, secondo la specie chimica e la sorgente di energia usata per attivare il trasferimento. Considerando lo stato fisico-chimico delle molecole: TRASPORTI IN FORMA LIBERA: la sostanza passa attraverso la membrana senza l intervento di molecole trasportatrici TRASPORTI MEDIATI: il passaggio avviene per mezzo di MOLECOLE TRASPORTATRICI. Se consideriamo il tipo di energia che permette il movimento di tali molecole attraverso la membrana si possono distinguere: TRASPORTI PASSIVI: senza consumo di energia e senza l intervento di molecole trasportatrici (diffusione libera) oppure con il loro intervento (diffusione facilitata).in questi casi la forza motrice che permette il trasferimento risiede nel gradiente chimico. TRASPORTI ATTIVI: con consumo di energia.e definibile alla base di tre caratteristiche fisiche: - INTENSITA ; - DIREZIONE; - VERSO. INTENSITA : forza che muove il passaggio di forze. Valore assoluto. DIREZIONE: sempre quella più economica. Perpendicolare alla M.P. VERSO: quello dalla componente a maggiore concentrazione a quella con minore concentrazione. I gradienti sono responsabili degli spostamenti passivi (senza consumo di energia) di svariate sostanze (in forma di molecole in soluzione o gas) in tutto l organismo: flusso sanguigno, respirazione, ecc I gradienti più noti coinvolgono variazioni di pressione, di cariche elettriche e/o di concentrazione Questi ultimi attivano, inoltre, processi di OSMOSI (passaggio di

4 solventi da un compartimento a più alta concentrazione ad uno meno concentrato) e di DIFFUSIONE (passaggio da un compartimento meno diluito a uno più diluito). TRASPORTO MEDIATO Se il trasporto di una sostanza richiede l utilizzo di proteine intrinseche trasportatrici (carrier) si parla di trasporto mediato. Caratteristiche del trasporto mediato: 1. VELOCITA : le sostanza trasportate con questo meccanismo sono dotate di una velocità di trasferimento maggiore rispetto a quelle che si muovono per processo di semplice diffusione. 2. CINETICA DI SATURAZIONE: la velocità di trasporto di una sostanza aumenta man mano che aumenta la sua concentrazione, finché, con il raggiungimento di un determinato valore, l incremento diventa nullo e la velocità invariata (PLATEAU). 3. INIBIZIONE DA MOLECOLE NON SIMILI: un composto dissimile si può legare al trasportatore riducendone l affinità per il normale substrato. TRASPORTO ATTIVO E un meccanismo che agisce contro gradiente di concentrazione, per la cui attuazione è necessario un consumo diretto di ADENOSINTRIFOSFATO (ATP). La sua esistenza dipenda dalla presenza di: - SUBSTRATI PROTEICI DI TRASPORTO; - CAMBIO CONFORMAZIONALE DELLE PROTEINE TRASPORTATRICI. Se l ATP fornisce direttamente energia al trasportatore, il meccanismo di trasferimento viene chiamato TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO. Esempio di un simile meccanismo è quello rappresentato dalla pompa Na + / K - -ATPasi. CANALI IONICI Le correnti ioniche attraversano la M.P. per mezzo di proteine INTRINSECHE di membrana che si dispongono a formare dei pori chiamati CANALI. Queste strutture presentano peculiari caratteristiche fisico-chimiche e alcune volte complessi meccanismi di regolazione. I canali, ad eccezione di quelli che determinano il potenziale di riposo, possono fluttuare tra uno stato di apertura e uno di chiusura. Quando il canale è attivato, la frequenza dello stato di apertura predomina sullo stato di chiusura, aumentando in questo modo il flusso di correnti ioniche tra interno ed esterno della cellula.

5 I canali ionici delle cellule eccitabili (neuroni, cellule muscolari ) possono trasportare fino a 10 milioni di ioni al secondo, fornendo in questo modo elevatissimi flussi di corrente. POTENZIALI DI MEMBRANA La funzionalità dei sistemi cellulari, come la capacità di un neurone di trasportare informazioni proprie è determinata dall esistenza di una DIFFERENZA DI POTENZIALE DI MEMBRANA tra i due versanti della membrana citoplasmatica. La presenza di un potenziale di membrana e, soprattutto di modificarlo in risposta a precisi eventi costituiscono per la cellula uno dei più formidabili ed evoluti strumenti di trasmissione dei segnali intercellulari. Le variazioni transitorie del potenziale di membrana rispetto al suo normale valore sono la conseguenza di modificazioni del flusso di correnti totali che entrano ed escono dalla cellula.il flusso di corrente è sotto il controllo di canali ionici. EQUILIBIO IONICO Nello spazio intracellulare è presente un elevatissima concentrazione di ioni K + mentre le cariche negative prevalenti sono di quelle di origine proteica e quelle dei fosfati. Nell ambiente extracellulare il Na + è il catione presente in maggiore concentrazione, seguito dal Ca +, mentre l anione più concentrato sembra essere il Cl -. Nella maggior parte delle cellule si osserva un eccedenza di cariche negative sulla faccia interna della M.P., mentre dalla parte esterna vi è un eccesso di cariche positive. POTENZIALE DI RIPOSO Il potenziale di riposo è soprattutto dovuto alla presenza nella M.P. di canali ionici passivi per gli ioni K +.Essendo la M.P. scarsamente permeabile agli anioni a causa di una relativa scarsezza di canali ionici ad essi dedicati, il flusso continuo di ioni K + determinerà un eccesso di cariche positive (cationi) all esterno della cellula e un eccesso di cariche negative (anioni) all interno. Questa disuguale distribuzione di ioni è responsabile della comparsa di cariche positive a ridosso del versante esterno della membrana e di cariche negative all interno. La fuoriuscita di K + non è un processo continuo ma tende a limitarsi. In condizioni di riposo le cellule non sono in assoluto permeabili solo agli ioni potassio. Confrontando infatti i valori del potenziale di membrana registrati a varie concentrazioni di K + extracellulare con quelli teorici calcolati mediante l equazione di Nerst, ci si accorse che mentre per alcuni tipi cellulari (cellule gliali) la relazione era confermata, per altre cellule era possibile osservare una significativa differenza del potenziale registrato rispetto a quello stimato, soprattutto per basse concentrazioni di potassio extracellulare.

6 POTENZIALE DI AZIONE Il potenziale di azione è costituito da una variazione rapida del potenziale di membrana, con ritorno veloce al valore precedente. La sua forma e la durata dipendono dal tipo di tessuto eccitabile. Normalmente i potenziali d azione sono molto veloci nei neuroni (circa 2 ms) e nel muscolo striato scheletrico (circa 5 ms), risultano invece più lenti (circa 200 ms) e con una forma caratteristica (a PLATEAU) nel muscolo striato cardiaco. Attraverso i potenziali di azione le cellule nervose inviano segnali ad altre cellule nervose o muscolari, in cui innescano contrazione. Per la misura dei potenziali si utilizzano 2 microelettrodi con una punta molto fine, i quali, finché si trovano entrambi nel liquido extracellulare (AREA ISOPOTENZIALE), non registrano alcuna variazione di potenziale. Nella maggior parte di neuroni, portando il potenziale a un valore pari a 55 mv (POTENZIALE SOGLIA) si instaura un fenomeno elettrico, il potenziale di azione, che ha caratteristiche differenti da quelle appena descritte. La forma di un potenziale di azione varia a seconda del tipo di cellula eccitabile, tuttavia sono ravvisabili componenti che si mantengono praticamente costanti in gran parti delle tipologie cellulari. Una volta che la M.P. ha raggiunto il valore soglia, inizia una fase di rapida depolarizzazione che supera il limite dello zero (OVER SHOOT), consentendo all apice del potenziale di azione di raggiungere un valore positivo intorno ai +35 mv. Abbastanza rapidamente (ma dipende dal tipo cellulare) il potenziale di membrana ritorna poi verso i valori di riposo. CONDUZIONE DEI POTENZIALI DI MEMBRANA Le cellule nervose, grazie alla struttura e all alto grado di specializzazione delle membrane, sono in grado di comunicare tra loro o con cellule di tessuti diversi attraverso la conduzione di soli messaggi elettrici lungo una stessa cellula o per mezzo di sinapsi elettriche e/o chimiche tramite un linguaggio basato sulla combinazione di segnali chimici ed elettrici. PROPAGAZIONE DEL SEGNALE ELETTRICO La propagazione del segnale elettrico in una stessa cellula o tra cellule diverse è un processo che si sviluppa rapidamente, anche se la velocità di conduzione dipende sia dalle proprietà fisiche del segnale elettrico sia da quelle legate alle caratteristiche fisiche della fibra nervosa. Il potenziale di membrana di propaga o sotto forma di potenziale locale graduato o sotto forma di potenziale di azione.la presenza di un fenomeno rispetto a un altro è

7 dettata dalla composizione della membrana nella regione di propagazione e questa, è dipendente dalla necessità funzionale di avere, in quella zona, particolari privilegi. E più conveniente per la cellula nervosa condurre potenziali locali a livello postsinaptico, o del soma, e potenziali d azione lungo l assone. I potenziali graduati si instaurano e propagano in maniera elettrotonica passiva e sono presenti in tutti i neuroni e nelle cellule eccitabili. Al contrario, i potenziali di azione si propagano con meccanismi rigenerativi solo in quelle cellule eccitabili, che presentano canali ioni VOLTAGGIO-DIPENDENTI responsabili dell insorgenza del fenomeno TUTTO O NULLA. Sul soma di un neurone, si instaurano più o meno contemporaneamente diversi potenziali locali post-sinaptici e la cellula deve essere in grado di determinare una variazione di corrente risultante che porterà poi, se di entità sufficiente, alla genesi del potenziale di azione in aree che presentano un alta densità di particolari canali ionici voltaggio-dipendenti. In sintesi, la corrente entra nella M.P. e si propaga nel citoplasma fino ad incontrare canali di membrana a bassa resistenza, per poi uscire dalla cellula e chiudere il circuito locale e così via, con andamento ad ANELLI SEQUENZIALI. La velocità di questa conduzione dipende dalle proprietà elettriche del citoplasma e dalla membrana: PIU GRANDE E IL DIAMETRO DELLA FIBRA, MAGGIORE E LA VELOCITA DI CONDUZIONE. PROPAGAZIONE DEL POTENZIALE DI AZIONE I potenziali di azione sono condotti lungo tutta la fibra nervosa per trasferire informazioni ad altri neuroni, a cellule somatiche o ancora a fibre muscolari, che a loro volta sono capaci di condurre tale segnale all interno della fibra stessa.l instaurarsi del potenziale di azione si verifica in seguito a uno stimolo elettrico che supera la soglia. Il potenziale d azione si genera in seguito alla propagazione elettrotonica di circuiti depolarizzanti locali.quando la depolarizzazione raggiunge il valore soglia e viene a un adeguato numero di canali del sodio voltaggio-dipendenti, allora si genera il potenziale di azione. Anche questo evento elettrico è in grado di propagarsi lungo la cellula.il MOVIMENTO AD ANELLO della corrente ionica locale è dovuto a uno spostamento di cariche tra interno ed esterno della membrana senza attraversamento da parte dello ione Na +, in quanto la sua conduttanza non è modificata. Il Na+ attraverserà la M.P. soltanto nel punto in cui si genera il potenziale di azione. La direzione di propagazione è sempre UNA : quella che tende ad allontanarsi dal punto di insorgenza del potenziale di azione e sarà UNIDIREZIONALE, perché le membrane che si sono precedentemente depolarizzate contengono canali in stato di refrattarietà e quindi solo le successive potranno depolarizzarsi. Alcune fibre sono MIELINIZZATE, cioè rivestite da una guaina mielinica che le abbraccia.

8 Questa, è costituita da più avvolgimenti a spirale delle M.P. delle cellule di Schwann, per quanto riguarda i neuroni del SNP, e dagli oligodendriti per quanto riguarda i neuroni del SNC. Lungo le fibre mieliniche il potenziale di azione si genera solo nei NODI DI RANVIER, zone a bassa resistenza in cui vi è una adeguata densità di canali del sodio voltaggio-dipendenti. I potenziali di azione si propagano quindi saltando da un nodo all altro, propagando velocemente nelle fibre mieliniche, a differenza di quelle amieliniche dove la propagazione si sviluppa generando correnti uniche ad anelli sequenziali in ogni tratto della membrana. La propagazione del potenziale di azione lungo un assone avviene a velocità costante. Nelle fibre amieliniche questa è proporzionale al diametro dell assone, e più questo è grosso, più è maggiore la velocità di propagazione.