LEZIONE N°2 PDF - Fisiologia 2

FISIOLOGIA 2 PROF. GIUSEPPE DI GIOVANNI 05/03/2024 SBOBINATORI: AMABILE PIETRO, ANTONIO ANGIOLETTI REVISIONATORE: MARZIA ARCADIA ARGOMENTI TRATTATI: SISTEMA CARDIOVASCOLARE, NEUROTRASMETTITORI DEL CUORE Il sistema cardiovascolare ha al suo centro il cuore che è una pompa (in realtà sono 2 pompe...

FISIOLOGIA 2 PROF. GIUSEPPE DI GIOVANNI 05/03/2024 SBOBINATORI: AMABILE PIETRO, ANTONIO ANGIOLETTI REVISIONATORE: MARZIA ARCADIA ARGOMENTI TRATTATI: SISTEMA CARDIOVASCOLARE, NEUROTRASMETTITORI DEL CUORE Il sistema cardiovascolare ha al suo centro il cuore che è una pompa (in realtà sono 2 pompe con pistoni alternanti con fasi alternanti) e una circolazione a bassa pressione (polmonare con 25/15 mmHg) e ad alta pressione (sistemica con 120/80 mmHg). A parte il cuore ed il sistema circolatorio, il terzo componente del sistema cardiocircolatorio è il fluido (detto così in maniera generale perché parliamo non solo di sangue ma anche di linfa). Attraverso il sistema circolatorio umano circolano 2 fluidi: sangue e linfa. La linfa, i linfonodi e i vasi linfatici, formano il sistema linfatico. Il sistema cardiovascolare e il sistema linfatico formano nel loro insieme il sistema circolatorio. Nel sistema cardiocircolatorio si trovano delle cellule eccitabili. Prima di parlare di eccitabilità dobbiamo ricordare che tutte le cellule che formano il nostro organismo, sono cellule polarizzate: vuol dire che esisterà una differenza di voltaggio a cavallo della membrana cellulare (per convenzione viene definito negativo il compartimento intracellulare e positivo quello extracellulare). Questo però non vuol dire che il liquido intra ed extracellulare sia effettivamente polarizzato; si parlerà di una localizzazione asimmetrica di cariche a cavallo della membrana che si viene a formare in quanto esiste effettivamente un eccesso di cariche negative all’interno (ma è bassissimo) e questo permette la creazione di uno strato di cariche negative all’interno della cellula e positivo all’esterno. Questa differenza di voltaggio viene definito potenziale di membrana. Questo potenziale di membrana non cambia per molte cellule; rimarrà quindi immutato grazie alla presenza di canali ionici passivi. Alcune cellule sono invece dotate di un’attività che permette alle cellule stesse di rispondere ad uno stimolo (fisico, chimico, ottico…) con un cambiamento repentino del potenziale di membrana. Con cellule eccitabili si intende quindi delle cellule capaci di cambiare rapidamente il loro potenziale di membrana quando stimolate in modo esplosivo e reversibile e generare dei potenziali d’azione. Le cellule eccitabili sono: ∙ i neuroni (esempio per eccellenza), ∙ le cellule muscolari: il potenziale d’azione è fondamentale in quanto la depolarizzazione è accoppiata alla contrazione) ∙ cellule del sistema endocrino: esempi sono quelle ipofisarie, delle isole di Langerhans nel pancreas (la depolarizzazione permette il rilascio di insulina Ca dipendente) o della midollare surrenale. Il potenziale d’azione ha una forma specifica per ogni tipo di cellula e cellule dello stesso tessuto presentano dei potenziali d’azione simili. Più avanti si vedrà come anche in uno stesso tessuto si avranno cellule che esprimeranno dei potenziali d’azione di diversa natura, forma, tempo, canali ionici: un esempio è il cuore. Nella slide sovrastante è raffigurata l’immagine di un potenziale d’azione: osserveremo una linea isoelettrica a -70mv fino a quando non riceverà uno stimolo eccitatorio che produrrà delle correnti eccitatorie graduate che sommandosi faranno arrivare il potenziale di membrana ad una soglia tale da generare un potenziale d’azione. Una volta raggiunto il picco (detto anche overshoot perché prima si pensava che arrivasse a 0 ma poi grazie alle dimostrazioni elettriche si è visto che i valori depolarizzati possono essere superiori) si assisterà ad una rapida ripolarizzazione seguita da un after repolarization/iperpolarizzazione per ritornare poi al potenziale di membrana. Durante tutto questo processo troveremo diversi ioni con altrettante diverse funzioni: ∙ Na+ per la depolarizzazione grazie all’apertura dei canali per il Na voltaggio-dipendenti ∙ K+ per la ripolarizzazione grazie all’apertura dei canali per il K voltaggio-dipendenti Bisogna ricordare che il potenziale d’azione segue la legge del tutto o nulla (vuol dire che una volta generato non si può interrompere), digitale, esplosivo, irreversibile, discreto e stereotipato (avviene sempre allo stesso modo). L’impulso si propaga verso l’alto e dal cono d’emergenza al terminale dell’assone: sarà proprio in questa sede che avverrà il rilascio di vescicole contenenti neurotrasmettitori mediante esocitosi. Nel sistema cardiovascolare sono presenti diverse cellule eccitabili: nel cuore si trovano i cardiomiociti mentre nella tonaca media dei vasi delle cellule muscolari lisce. I cardiomiociti si differenziano in: ∙ Cardiomiociti di lavoro: sono presenti nella maggior parte del tessuto (fino all’80% del volume cardiaco). Sono quelle cellule che si contraggono per produrre la pressione necessaria per il meccanismo di convezione che permette il trasporto di sangue (e quindi ossigeno e nutrienti) ai tessuti in quanto la diffusione non è un meccanismo in grado di fare ciò. ∙ Cardiomiociti specializzati: rappresentano la rimanente parte. Sono cellule cardiache muscolari  che hanno perso la funzione contrattile e si sono specializzate nella genesi del potenziale d’azione (sono autoritmiche) e nella conduzione del segnale elettrico. Troviamo 2 pacemakers: il nodo seno-atriale e l’atrio-ventricolare. Seguono poi il fascio di His, le 2 branche di destra e sinistra e le fibre di Purkinje a completare il sistema di conduzione Nel muscolo liscio dei vasi sanguigni non troveremo la presenza di sarcomeri con anche una diversa organizzazione delle proteine strutturali a forma di diamante. Grazie alla contrazione di queste cellule siamo in grado di variare la resistenza nel sistema vascolare e quindi di modificare il flusso e di conseguenza la pressione. In questa slide si possono osservare i 2 atri e i 2 ventricoli con la presenza del nodo seno-atriale (a livello dell’atrio destro, allo sbocco della vena cava superiore) e del nodo atrio ventricolare (a livello del setto interventricolare e atrio destro). Da qui si potrà osservare il fascio di His con le 2 branche destra e sinistra e le fibre di Purkinje che terminano nella muscolatura del ventricolo. Nella parte centrale della slide si può osservare una serie di potenziali d’azione che corrispondono dai diversi cardiomiociti. Quello che deve subito risaltare è che ci sono 2 tipi di potenziale d’azione nel cuore: ∙ I potenziali d’azione dei pacemakers (cellule segna-passo) sono molto più lenti: si chiameranno fibre muscolari lente. ∙ I cardiomiociti di lavoro sono detti invece fibre rapide e questo è dovuto essenzialmente alla fase di depolarizzazione molto più veloce. Il potenziale d’azione dei cardiomiociti di lavoro atriali è molto più corto rispetto a quello dei cardiomiociti di lavoro ventricolari: questo è dovuto alla presenza di canali per il K che facilita una ripolarizzazione nell’atrio rispetto a quella che avviene nel ventricolo. Ritornando nella parte centrale si può notare un elettrocardiogramma. Il complesso QRS corrisponde al potenziale d’azione del ventricolo (bisogna notare che quei grafici sono posizionati anche in ordine temporale). Il potenziale del nodo seno-atriale genera senza bisogno di alcun impulso dei potenziali d’azione ad una certa frequenza ed è il pacemaker primario, cioè quello che ha la frequenza di scarica più alta. Quando diciamo che una persona ha un ritmo sinusale intendiamo dire che il pacemaker del nodo seno-atriale è quello che comanda e regola il ritmo cardiaco. La cellula pacemaker che scarica determinando l’attivazione dei muscoli atriali, successivamente la scarica arriva al nodo atrio- ventricolare che trasmetterà l’impulso al ventricolo e contemporaneamente lo troveremo nelle fibre del Purkinje fino ad arrivare nel ventricolo quando completamente depolarizzato. Se si confrontassero questi momenti elettrici del complesso con l’onda elettrocardiografica si potrà notare che: ∙ l’onda p è dovuta alla depolarizzazione degli atri ∙ L’onda QRS è dovuta alla depolarizzazione dei ventricoli ∙ L’onda T alla ripolarizzazione dei ventricoli ∙ L’onda U (non sempre visibile) si pensa che sia dovuta alla ripolarizzazione dei muscoli papillari Altre cellule eccitabili nel sistema cardiovascolare sono le cellule lisce dei vasi che sono essenzialmente innervati dai nervi simpatici; la componente parasimpatica è limitata in alcuni distretti (esempio: genitali) o assente. Di tutte queste cellule, solo quelle del miocardio specifico sono in grado di autodepolarizzarsi; le altre hanno bisogno di ricevere un impulso eccitatorio da una cellula adiacente. Questo impulso dovrà però essere trasmesso lungo le cellule stesse: si parlerà quindi di una trasmissione cellula cellula (dalla depolarizzata a quella normalmente a riposo). Ci sono 2 tipi di comunicazione cellula-cellula: ∙ sinapsi elettrica: più veloce ∙ sinapsi chimica: meno veloce ma più precisa, si presta alla funzione di modulazione Dal punto di vista storico, il primo modo di comunicazione tra le cellule del sistema nervoso fu quello della sinapsi elettrica. Successivamente ci fu una rivoluzione in quanto si scoprirono le sostanze rilasciate dai neuroni (i neurotrasmettitori) le quali erano in grado di cambiare l’attività elettrica delle cellule postsinaptiche. Le sinapsi elettriche nel cuore sono importantissime perché le cellule dei cardiomiociti comunicano essenzialmente con sinapsi di questo tipo. Le sinapsi chimica sono importanti per nodulare l’attività cardiaca da parte dei nervi simpatici e parasimpatici. La comunicazione tra le cellule del cuore è dovuto alle gap juctions: queste sono dei canali costituiti da degli emicanali (uno pre e uno postsinaptico) ed ogni emicanale è formato da 6 connessine. Queste connessine formeranno quello che prende il nome di connessone che potrà essere aperto o chiuso e modulato attraverso la fosforilazione. Il poro idrofilico è grande abbastanza per non solo far passare gli ioni (indispensabili per l’eccitazione) ma anche molecole informazionali come l’AMP ciclico. Per questo le sinapsi elettriche non soltanto accoppiano le 2 cellule elettricamente ma anche metabolicamente. Il ritardo è molto breve (0,2 ms). Normalmente la corrente passa dalla cellula presinaptica a quella postsinaptica ma può anche avvenire il contrario.  Queste gap juctions sono presenti anche a livello delle cellule muscolari. Il cuore è ricchissimo di gap juctions che formano delle strutture dette dischi intercalari. La cellula muscolare cardiaca è una cellula piccola (8 micrometri con un diametro di 3-4 micrometri) e a forma di “Y”. Dalla sovrapposizione delle 2 cellule si possono notare i dischi intercalari che permettono di associare elettricamente le cellule cardiache e fanno si che il cuore si comporti come un sincizio funzionale e non anatomico in quanto, a differenza del muscolo scheletrico, le cellule non si fondono. A differenza del muscolo scheletrico, le cellule cardiache non si fondono, mantengono la loro membrana cellulare, però sono accoppiate funzionalmente grazie ai dischi intercalari. I dischi intercalari sono strutture istologiche costituite da gap junction e rinforzate dai desmosomi che agiscono come dei rivetti che tengono saldamente insieme le cellule. Questi dischi intercalari fanno si che un potenziale d’azione generato dal nodo senoatriale possa essere trasmesso alle cellule cardiache a trasmissione cellula-cellula in un brevissimo tempo, perché il nostro cuore per mantenere la propria funzione di pompa deve contrarsi in maniera unisona e regolata nel tempo, prima i due atri poi i due ventricoli e non ovviamente in maniera caotica. E questo è reso possibile dal fatto che le cellule muscolari sono in connessione e dal fatto che elettricamente i due atri sono separati elettricamente dallo scheletro del cuore. Quindi grazie ai dischi intercalari abbiamo una rapida depolarizzazione, che risulta anche sincronizzata, che permette al cuore di costituire una unica unità muscolare. Dal punto di vista ultrastrutturale come abbiamo detto i connessoni sono formati da due emicanali fatti da 6 connessine. Nella foto a microscopio elettronico possiamo vedere i vari dischi intercalari. Ogni connessina è fatta da una proteina che attraversa 4 volte la membrana plasmatica. Dal punto di vista di nomenclatura i connessoni sono indicati col termine Cx e Mw che sarebbe molecular weight. Quindi nel cuore ci sono 21 diversi tipi di connessine e nel nostro cuore c’è un’espressione maggiore della connessina 43, 40 e 45. Se vediamo in questo grafico, l’espressione di queste connessine non è uguale nei diversi compartimenti. I quadrati superiori sono gli atri e i quadrati inferiori i ventricoli; i pallini sono il nodo senoatriale e il nodo atrioventricolare e poi c’è il fascio di His destro e sinistro. 43 è espressa in tutto il tessuto muscolare del miocardio comune e anche al livello delle fibre del Purkinje. La 40 negli atri e nel sistema di conduzione e la 45 selettivamente nel miocardio specifico, nodo senoatriale, nodo atrio ventricolare e fascio di His. Perché è importante parlare delle gap junction? Perché si è scoperto che, oltre a mettere in comunicazioni i cardiomiociti, possono essere coinvolti anche in fenomeni fisiopatologici. Sempre nel signor greco, quando una parte del miocardio di sinistra ha iniziato a soffrire per ipossia ischemica, c’è stato un isolamento della parte ipossica con conseguente chiusura delle gap junction che oltre a chiudersi, si lateralizzano; invece di trovarsi nella posizione corretta, se ne vanno lateralmente alla cellula. La funzione è di isolare la parte necrotica per proteggere il resto del tessuto. Purtroppo questo atteggiamento da parte dei connessoni porta invece all’attivazione di un’altra cascata di meccanismi che facilitano l’iper eccitabilità del tessuto ipossico che può diventare ritmogenico; i potenziali d’azione non soltanto possono essere creati dalle cellule pacemakers ma anche da cardiomiociti in situazioni di stress, ipossia o altro (generano potenziali di azione, degli stimoli ectopici conosciuti come extrasistole che poi causano alterazioni del ritmo e quindi fibrillazioni che portano al decesso, come nel caso del signor Greco. Quindi la ricerca sia di base sia farmacologica cerca di agire sulle connessine. Il secondo tipo di trasmissione che abbiamo visto, molto importante nel SNC, è quello chimico dove la cellula pre-sinaptica rilascia , quando eccitata, un neurotrasmettitore a livello della sinapsi. Questo neurotrasmettitore rilasciato andrà ad attivare dei recettori sulla membrana della cellula post-sinaptica ed iniziare una cascata che porterà ad una variazione del potenziale di membrana. Essenzialmente sia il cuore che il sistema vascolare ricevono un innervazione simpatica e parasimpatica. Il cuore entrambe, dal vago e dai nervi toracici cardiaci e invece i vasi preferenzialmente dal simpatico. Quindi la trasmissione chimica avviene ed è dovuta alla modulazione, quindi al rilascio dei neurotrasmettitori del sistema parasimpatico e simpatico. Questi neurotrasmettitori sono noradrenalina ed acetilcolina. Come sappiamo nel SNC ci sono i gangli da cui originano le cellule nervose che entrambi producono acetilcolina; però nel ganglio autonomo abbiamo il rilascio di noradrenalina per il simpatico e acetilcolina per parasimpatico. La noradrenalina si legherà ai recettori adrenergici e acetilcolina ai recettori muscarinici La sinapsi è una struttura istologica con uno spazio sinaptico tra un elemento pre-sinaptico e post sinaptico. Quando arriva il potenziale i canali al calcio voltaggio dipendenti della sinapsi si aprono, entra calcio e inizia tutta una serie di eventi che porteranno alla esocitosi, alla fusione di questa vescicola di neurotrasmettitore nello spazio sinaptico e all’attivazione dei recettori nella cellula post sinaptica Questi neurotrasmettitori sono sostanze chimiche e sono stati divisi in tipici e atipici. I neurotrasmettitori tipici sono gli amminoacidi, le monoammine, acetilcolina, peptidi. Invece gli atipici sono dei gas come ossido nitrico, monossido di carbonio, anandamide. La differenza tra tipici e atipici è che i tipici sono rilasciati in vescicole e sono rilasciati con un meccanismo calcio dipendente mentre gli atipici non sono rilasciati in vescicole anche perché sono gas o lipidi e sono sostanze lipofiliche in grado di attraversare la membrana senza nessun tipo di meccanismo particolare di trasporto Ci sono due tipi di trasmettitori nel SNC che sono l’inibitorio GABA che è il tipico neurotrasmettitore inibitorio che si lega al recettore GABA A che è quello fasico, e l’eccitatorio che è il glutammato. Nel sistema cardiovascolare invece abbiamo un neurotrasmettitore inibitorio che è l’acetilcolina però l’eccitatorio che è noradrenalina/adrenalina può avere un effetto inibitorio e dipende dai recettori a cui si lega I sistemi di controllo del sistema cardiovascolare sono di tipo antagonista nel senso che abbiamo una molecola, acetilcolina, che causa una diminuzione della frequenza cardiaca, bradicardia e noradrenalina che produce effetto opposto, tachicardia. E si vede nella slide che il neurone simpatico che rilascia noradrenalina produce un aumento della frequenza di scarica, e lo si può vede perché il numero dei potenziali delle onde R, picco delle QRS è molto di più rispetto ai complessi QRS che vediamo a destra (bradicardia) A parte questo controllo di tipo antagonistico abbiamo un controllo fasico. Fasico significa “o esiste o non esiste” ed è dovuto al rilascio di noradrenalina che come sappiamo attiva i recettori noradrenergici e produce vasocostrizione, riduzione del diametro del vaso e aumento delle resistenze; il recettore è l’alfa1. Però la noradrenalina può anche causare vasodilatazione e questa è dovuto all’attivazione di un altro recettore, il beta2. Questo dipende dal recettore e dal tessuto perché tessuti diversi presentano recettori diversi. Nel muscolo scheletrico e nell’epidermide abbiamo più recettori beta2 rispetto agli alfa1 quindi quando iniziamo a correre abbiamo bisogno di avere una vasodilatazione muscolare e periferica, abbiamo l’attivazione dei beta2 da parte dell’adrenalina mentre la noradrenalina che e molto più affine agli alfa1 causerà una vasocostrizione del gastroenterico e di altri distretti che non sono coinvolti nello sforzo muscolare Un altro tipo di controllo è il controllo tonico, qui non è più “o c’è o non c’è”. Abbiamo un tono di neurotrasmettitore rilasciato, e variando questo tono possiamo ottenere diversi effetti. Aumentando la noradrenalina avremo una vasocostrizione , diminuendo la noradrenalina avremo una vasodilatazione e realmente è questa la condizione del nostro sistema cardiovascolare perché abbiamo sempre un rilascio tonico di noradrenalina e i nostri vasi sono sempre contratti e possono essere modulati. Come è possibile che uno stesso neurotrasmettitore produca effetti diversi? Perché i recettori sono diversi e si divisono in recettori di tipo ionotropico se sono canali ionici e metabotropico se sono proteine trasmembrana accoppiate a proteine G che producono un secondo messaggero che può essere adenilato ciclasi che produce cAMP, guanilato ciclasi che produce cGMP e la fosfolipasi c che produce l inositolo-3-fosfato Iniziamo a dare un occhiata più da vicino ai neurotrasmettitori. L’acetilcolina è stato il primo neurotrasmettitore ad essere stato scoperto ed anche il più piccolo. Lo ritroviamo nel periferico e nel SNC, nel sistema nervoso autonomo e nel cuore. L’acetilcolina è stata scoperta da Dale e Loewi e per questa scoperta hanno ricevuto il premio Nobel per la medicina Il primo a scoprire quindi l’acetilcolina fu Loewi che la scoprì non nel SNC ma proprio nel cuore. Questo grazie ad un esperimento che permette di dimostrare la presenza di una molecola chimica che è in grado di aver un effetto su un organo. Due beckers erano collegati con un tubo, in uno c’’era una perfusione isotonica e un cuore isolato da una rana ancora innervato dal vago. Nell’altro c’era un cuore denervato ma in comunicazione con il liquido extracellulare. Allo stesso tempo lui misurava la forza di contrazione del cuore. Come si vede ad un certo punto Loewi produsse una scarica elettrica nel nervo vago e osservo una diminuzione della frequenza e anche un inibizione della forza di contrazione. Nel cuore 2 non osservò istantaneamente nessun tipo di cambiamento ma con un ritardo dovuto alla diffusione di qualche cosa (acetilcolina), vide un effetto molto simile con una bradicardia e inotropia negativa. Questo porto Loewi a sostenere la presenza di una sostanza che lui chiamo vagusstoff , cioè l’acetilcolina. L’acetilcolina è una piccola molecola costituita dalla colina e dall’acetil coenzima A. L’acetilcolina è caricata nelle vescicole ed escreta nello spazio extracellulare. Il segnale viene interrotto perché c’è l’acetilcolinesterasi che rompe l’acetilcolina in colina e acetile e viene recuperata la colina per risparmiare energia. I recettori per l’acetilcolina sono i recettori che possono essere sia ionotropici che metabotropici. Ionotropici sono i nicotinici, questi non si trovano nel cuore ma soltanto nel SNC, periferico, placca neuromuscolare e sono dei canali ionici che non sono selettivi per il catione ma permettono il passaggio di sodio e potassio e anche del calcio in alcuni casi. Nicotinici perché la nicotina è in grado di attivare i recettori e causare dipendenza. Questi recettori si trovano nell’area ventrotegmentale del cervello e sono coinvolti nel reward, nella ricompensa. I recettori muscarinici si chiamano così perché vengono attivati dalla muscarina, che è derivata da un fungo e sono metabotropici. I recettori che si trovano nel sistema cardiovascolare sono m3 e m2 (più rappresentato, antagonista dei recettori adrenergici) La noradrenalina e l’adrenalina sono delle catecolammine. Sono formate nel SNC ma anche nella ghiandola surrenale. Deriva dall’amminoacido essenziale L-tirosina. La tirosina idrossilasi produce L-dopa, la dopa decarbossilasi produce la dopamina, la dopamina beta idrossilasi produce la noradrenalina e poi a livello renale la noradrenalina viene trasformata in adrenalina Le catecolammine, oltre ad essere rilasciate con una trasmissione di tipo cavo, cioè alla fine della sinapsi, possono essere rilasciate anche da delle vescicole non sinaptiche al livello degli assoni e quindi si parla di trasmissione volumetrica; in entrambi i casi la noradrenalina lega i propri recettori che sono i recettori adrenergici divisi in diverse classi, tutti metabotropici e sono la classe alfa1, alfa2 e la beta. Nella slide dei recettori adrenergici si vede quali aumentano la fosfolipasi C, quali diminuiscono il cAMP e quali aumentano il cAMP. A quale recettore si legano adrenalina e noradrenalina? Dipende da quale recettore è più espresso in una cellula e dipende anche dall’affinità. Se si legano al recettore alfa1 produce contrazione del muscolo liscio, se si lega ad alfa2 causa contrazione del muscolo liscio e i recettori beta invece producono contrazione dei cardiomiociti e i beta2 producono un rilassamento delle cellule muscolari lisce. DOMANDA La risposta è la 2, recettori ionotropici