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FISIOLOGIA La fisiologia studia le funzioni del corpo. Questo studio di funzioni è rappresentato soprattutto dal cervello che coordina tramite comunicazione nervosa. Il corpo ha vari livelli di organizzazione: chimico=> cellulare=> tessuto=> organo=> sistema=> organismo. LIVELLO CHIMICO: riguarda at...

FISIOLOGIA La fisiologia studia le funzioni del corpo. Questo studio di funzioni è rappresentato soprattutto dal cervello che coordina tramite comunicazione nervosa. Il corpo ha vari livelli di organizzazione: chimico=> cellulare=> tessuto=> organo=> sistema=> organismo. LIVELLO CHIMICO: riguarda atomi e molecole che costituiscono il corpo. Gli atomi come ossigeno, carbonio, idrogeno ecc e molecole come proteine carboidrati, lipidi ecc. LIVELLO CELLULARE: le cellule sono isolate tramite la struttura lipidica della membrana. Sono organizzate in funzioni base: nutrimento, reazioni chimiche, eliminazione scarti, controllo scambi, spostamento di sostanze, risposta, riproduzione (funzioni presenti in ogni cellula) e funzioni specializzate: produzione di sostanze, trasporto, sviluppo della forza per produrre movimento. LIVELLO DEI TESSUTI: noi abbiamo 4 tipi di tessuto: epiteliale, connettivo, muscolare e nervoso. LIVELLO DEGLI ORGANI: sono strutture più complesse formate da diversi tessuti, che producono una struttura che deve svolgere una funzione. Esempio: lo stomaco che, per svolgere la funzione di digestione, è formato da epitelio, connettivo, tessuto muscolare e il nervoso. LIVELLO DEI SISTEMI: strutture ancora più complesse composte da diversi organi. Il tema fondamentale della fisiologia è l’omeostasi perchè il nostro corpo deve mantenere condizioni "costanti" come: glicemia, calcemia, temperatura, pressione. In realtà i valori non sono perfettamente costanti ma sono compresi in un determinato range (ad esempio la temperatura può avere un range tra 36,5° e 37°). Quando i valori sono mantenuti all'interno di questi range (usando energia) la cellula è in stato stazionario. Lo stato stazionario subisce cambiamenti in continuazione e sono quindi necessari meccanismi di controllo. Tutti i meccanismi di controllo sono regolati da meccanismi di feedback negativo: abbiamo un sensore che rileva la variazione e la invia a un centro di controllo,(spesso di tipo nervoso) quindi successivamente un segnale nervoso e una risposta che bilancia la variazione. Ogni volta che il nostro corpo non è in grado di bilanciare abbiamo una condizione patologica. Oltre l’omeostasi in Fisiologia sono fondamentali due concetti strettamente collegati che sono funzione e struttura. Esempio : La funzione dei polmoni è permettere lo scambio di gas con l'ambiente esterno e la struttura degli alveoli polmonari permette di avere una vasta superficie per lo scambio di gas. MEMBRANA CELLULARE La membrana è costituita da due strati di fosfolipidi in cui la parte polare è verso l’esterno e quella apolare verso l’interno, quindi ha due facce. Le membrane definiscono dei compartimenti e in questi compartimenti l’elemento fondamentale è l’acqua. Il nostro corpo è fatto da tre compartimenti idrici, l’ambiente intracellulare, extracellulare (la parte interstiziale) e il plasma all’interno dei vasi. In una persona di circa 70 kg ci sono tra i 28 e i 30 litri di acqua dentro le cellule, circa 13 nella parte extracellulare e circa 30 nel plasma; In media il nostro corpo è costituito dal 70 % di acqua. Cosa fa la membrana cellulare? Delimita le cellule in un comparto intra ed extracellulare e serve a mantenere la differenza tra l’ambiente intra ed extracellulare, dunque non solo delimita l’ambiente fisicamente, ma anche biologicamente. Anche all’interno delle cellule molti organelli sono provvisti di membrana (il nucleo, i mitocondri, i lisosomi, il RE…). La membrana stabilisce una differenza di potenziale tra anioni internamente e cationi esternamente. L’ambiente intracellulare, extracellulare e la membrana, tuttavia, sono complessivamente neutri: semplicemente la membrana mantiene separate le cariche. Quello in figura è una rappresentazione della membrana plasmatica: le teste viola sono i fosfolipidi. Abbiamo una parte polare che affaccio sul versante extracellulare e un'altra che affaccia sul versante intracellulare: all’interno della membrana stessa si trova una parte idrofobica, costituita dalle code apolari dei fosfolipidi. Sono presenti inoltre proteine integrali e proteine periferiche di membrana. La membrana è dunque una struttura lipidica ma anche proteica. Il modello del mosaico fluido è stato introdotto 50 anni fa: le proteine e i lipidi si possono spostare sia lateralmente che da un lato all’altro (flip-flop). Quest’immagine ci mostra che però le proteine non sono libere di traslare; il loro movimento esiste ma è organizzato. I fosfolipidi sono molecole anfipatiche, il che significa che sono provvisti di una parte polare contenente il gruppo fosfato ed una apolare contenente la catena idrocarburica. Il colesterolo, che vediamo interposto nella membrana, la rende fluida a basse temperature e più rigida a temperature alte: quindi, ne modula la fluidità. Le proteine possono essere integrali se penetrano la membrana completamente o periferiche se l’attraversano solo in parte. Le proteine sono importanti per il trasporto, per catalizzare le reazioni (enzimi) e come recettori e trasduttori del segnale e per il riconoscimento cellulare (immunità). Un altro tipo importante di proteine sono i canali ionici. Le cellule possono essere molto grandi come un ovulo o molto ramificate come un neurone: la membrana deve delimitare tutta la cellula e definirne la forma perché la struttura di una cellula è strettamente legata alla sua funzione. Nel RE e nell’apparato di Golgi abbiamo un sistema di membrane per il trasporto delle proteine e da essi partono vescicole che si vanno a fondere con la membrana plasmatica: questo sistema di membrane è in continuo movimento. La cellula deve mantenere i due ambienti separati e deve quindi essere (selettivamente) impermeabile. Tuttavia, la cellula ha bisogno anche di scambiare sostanze nutritive e materiale di scarto, di ioni per generare segnali, di gas per la respirazione cellulare, etc… Nell’ambiente extracellulare abbiamo una prevalenza di Na+ e Cl- e nella cellula sono invece prevalenti K+ e anioni organici. La somma delle cariche degli ioni intracellulari ed extracellulari deve essere zero. Gli ioni non possono attraversare la membrana direttamente ma hanno bisogno di canali. Le cellule cambiano nel tempo e possono diventare più o meno permeabili ad una certa sostanza; quindi, la permeabilità è regolata in maniera dinamica. Le proteine di membrana, possono essere trasportatori, canali ionici, enzimi, recettori e strutturali. Ogni cellula ha il suo pattern di trasportatori, enzimi, recettori… essi non sono stabili, ma cambiano nel tempo. Il recettore lega una molecola segnale e produce degli eventi nella cellula, ne abbiamo molti tipi diversi, il canale ionico presenta un poro per il passaggio di ioni, il trasportatore consente il passaggio di una molecola verso l’interno o verso l’esterno. MECCANISMI DI TRASPORTO Abbiamo la diffusione semplice, facilitata e il trasporto attivo che consuma ATP DIFFUSIONE La diffusione è un processo passivo (non consuma energia). La diffusione in chimica è il processo mediante il quale le particelle di una sostanza si muovono da una regione a concentrazione più alta a una regione a concentrazione più bassa, fino a raggiungere una distribuzione omogenea. La diffusione tende sempre all’equilibrio.(quindi a gradiente=0) Il termine "gradiente" si riferisce a una variazione graduale di una proprietà fisica o chimica in una direzione specifica all'interno di un sistema. La velocità con cui le molecole attraverso la membrana dipende dal gradiente, dalla superficie e (in minima parte) dallo spessore di membrana, dalla differenza di concentrazione ai due lati della membrana, dalla capacità di una molecola di attraversare la membrana, (che dipende dalle dimensioni e dalla solubilità lipidica della molecola). Le molecole piccole (in biologia sono i gas) possono facilmente passare scostando un po’ il doppio strato lipidico. Le molecole lipofiliche invece passano senza problemi e le molecole grandi idrofiliche come il glucosio e gli aminoacidi e gli ioni non possono attraversare la membrana. L’acqua è una molecola polare e piccola e perciò può attraversare la membrana (tramite dei canali proteici, le acquaporine), ma bisogna comunque considerare la velocità e la permeabilità perché ci sono tratti più e meno permeabili. La permeabilità delle molecole polari dipende dalle dimensioni, nelle molecole idrofobiche la permeabilità dipende solo dall’idrofobicità. Quindi cosa passa? I gas (sono piccoli),le molecole idrofobiche, le piccole molecole polari (ad esempio l’etanolo, l’acqua). Non passano le molecole polari grandi come il glucosio e gli aminoacidi e le molecole cariche come gli ioni. Quindi la cellula si deve dotare di meccanismi per far passare anche queste molecole. OSMOSI L’acqua può passare nelle membrane ma come facciamo a definirne il gradiente? L’acqua in realtà si sposta verso i soluti, va dai comparti meno concentrati a quelli più concentrati in un processo che chiamiamo osmosi. La concentrazione dei soluti tra l’interno e l’esterno della cellula deve essere ben regolata perché se all’interno la concentrazione di soluti è troppo alta l’acqua entrerebbe nella cellula fino a farla scoppiare, se troppo bassa rispetto all’esterno l’acqua uscirebbe fino a farla “rinsecchire”. Quindi la quantità di soluti deve essere costante altrimenti l’acqua si sposterebbe da una parte all’altra, cosa che avviene, ma in maniera regolata. La forza collegata all’osmosi viene chiamata pressione osmotica. Se prendiamo quest’immagine con un tubo ad U con in mezzo una membrana semipermeabile (permeabile all’acqua ma non ai soluti) vediamo che i soluti a destra tendono ad attrarre l’acqua, quindi vediamo che il livello del liquido nelle due parti non è uguale perché la concentrazione di soluto a destra e a sinistra è diversa: la pressione osmotica si può misurare con la differenza di altezza della colonna di liquido. Qui vediamo dei globuli rossi sottoposti a liquidi con differenti osmolarità (ipotonico e ipertonico). Le nostre cellule hanno dei meccanismi di controllo del volume per difenderci da una variazione così elevata: ad esempio tramite canali ionici che fanno uscire ioni se la concentrazione interna è troppo alta. In conclusione, abbiamo detto che alcune molecole passano perché sono permeabili e si muovono in larga misura per il loro gradiente di concentrazione, fatta salva l’acqua, che invece si muove secondo il gradiente dei soluti, le molecole lipofiliche si muovono indipendentemente dalla dimensione ma dipendono solo dal grado di lipofilicità, le molecole idrofiliche in base alle dimensioni. DIFFUSIONE FACILITATA La cellula dispone di proteine che servono a far passare molecole specifiche. Queste proteine formano canali e trasportatori (o carrier) e sono specifici per alcune molecole: ad esempio abbiamo i trasportatori del glucosio. Le proteine non hanno una struttura rigida ma possono cambiare la loro conformazione, è come se avessero diversi stati che vengono favoriti dalle molecole che gli stanno intorno: quando si lega il glucosio al sito attivo, la proteina cambia la conformazione e agisce come una “porta girevole”. Questo processo non consuma alcuna energia perché a proteina può cambiare conformazione in maniera passiva. La diffusione facilitata è chiamata così perché è una diffusione, quindi passiva, ma facilitata dalla presenza del carrier. Il glucosio deve entrare nel citoplasma, ma se si accumula nel citoplasma smette di entrare una volta raggiunto l’equilibrio, in cui la concentrazione intracellulare ed extracellulare sono uguali: cosa fa la cellula per farlo continuare ad entrare? Una volta entrato viene trasformato (fosforilato) in glucosio-6-fosfato in questo modo la concentrazione di glucosio nella cellula diminuisce. Il trasportatore del glucosio, il GLUT (glucose transporter), è presente in 6 isoforme, tra le quali il GLUT4 è molto importante perché riguarda l’insulina. Il GLUT prende il glucosio dall’esterno e lo trasporta all’interno: è un tipo di trasporto facilitato, dipende dalla concentrazione del glucosio e dalla presenza dei trasportatori. Quando la concentrazione del glucosio interno è uguale a quello esterno il flusso potrebbe arrestarsi: l'enzima glucochinasi però prende un fosfato dall’ATP e lo trasferisce al glucosio fosforilandolo e consumando energia. Il glucosio dalle cellule può essere solitamente utilizzato in due modi: o si lega ad altro glucosio per formare glicogeno o viene ossidato attraverso i processi glicolitici per produrre energia. Nel tessuto adiposo viene invece trasformato in trigliceridi. In realtà la maggiorparte dei trasporti è più complicata perché normalmente i trasporti sono accoppiati. Nel caso del glucosio abbiamo l’uniporto, dove è trasportata una sola molecola, ma altri sono invece cotrasporti, in cui si trasporta più di una sostanza insieme. Ad esempio, possiamo trasportare il glucosio e il sodio insieme, dove il trasporto è guidato dal sodio mentre il glucosio passa passivamente. Questi trasportatori sono divisi in due classi: il sodio e il glucosio usano il simporto perché vanno della stessa direzione, in altri casi abbiamo l’antiporto, dove una molecola va da un lato e l’altra in quello inverso: essi sono per la gran parte attivi perché dipendono dal sodio, la cui concentrazione è regolata attivamente. Le proteine che operano passivamente sono chiamate trasportatori, quelle che operano attivamente pompe. Ia pompa che consuma ATP per trasferire una molecola contro gradiente: non è molto diversa da un trasportatore, ma presenta un sito a cui si lega l’ATP. Un esempio tipico è la pompa sodio-potassio, che trasferisce il sodio dall’interno all’esterno e il potassio dall’esterno all’interno,(contro gradiente) La linea nera rappresenta la diffusione semplice, quella blu quella facilitata. In ascissa ho il gradiente, in ordinata il flusso nel tempo (velocità). Questo grafico ci dice una cosa molto importante: se io ho un carrier che mi consente il passaggio di una certa molecola, il processo va più veloce, ma questo processo ha un numero di siti dei trasportatori è limitato e quindi tende a saturarsi. (quando tutti i trasportatori sono occupati la velocità del flusso di molecole non può più aumentare) Nella diffusione semplice invece non ho saturazione perché nella membrana i punti di passaggio sono tantissimi. CANALI IONICI (generale) Tra le diverse classi di molecole abbiamo quella delle molecole cariche ovvero gli ioni. Questi, per attraversare la membrana, sfruttano un meccanismo basato sull’utilizzo di canali, ovvero una proteina integrale di membrana che presenta una poro interno idrofilo che consente il passaggio delle molecole cariche. Sia i canali per il sodio e per il potassio, sia la pompa sodio-potassio, regolano il passaggio degli ioni attraverso la membrana: il canale attraverso diffusione facilitata e la pompa sfruttando energia. La differenza tra le due strutture è la velocità di trasferimento degli ioni, infatti il canale è enormemente più efficiente: essendo un meccanismo semplice in cui apertura del canale corrisponde al passaggio degli ioni e chiusura del canale corrisponde al blocco del flusso. il meccanismo della pompa è invece più complesso e quindi più lento→ tutto questo ha una logica perché la pompa serve per mantenere il gradiente, il canale invece è necessario per generare segnali i quali devono essere rapidi e immediati. Inoltre la pompa sfrutta energia mentre il canale si serve dell’equilibrio elettrochimico ovvero della distribuzione degli ioni dovuta alle pompe stesse e al potenziale elettrico. TRASPORTO ATTIVO Il trasporto attivo, a differenza di quello passivo, consiste nel trasferimento di sostanze, da un versante all’altro della membrana, contro gradiente di concentrazione. Si distinguono due diversi tipi di trasporto attivo che differiscono sia per la fonte da cui ricavano l’energia sia per il numero di sostanze coinvolte. Essi sono trasporto attivo primario e trasporto attivo secondario. TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO Sostanzialmente il sistema si basa sul consumo di ATP: avremo delle proteine transmembrana che operano il trasporto consumando ATP, attraverso un’azione definita ATPasica. Essa consiste nella scissione di un gruppo fosfato dall’ATP che si trasforma in ADP La rottura del legame fornisce l’energia necessaria per operare contro gradiente. -Pompa sodio-potassio: si tratta di una proteina ubiquitaria, presente in tutte le cellule che opera secondo un meccanismo di trasporto attivo primario, facendo entrare nella cellula potassio contro gradiente e facendo uscire sodio, sempre contro gradiente di concentrazione. preleva tre molecole di sodio dall’interno e due molecole di potassio dall’esterno e per operare sfrutta l’ATP. La pompa sodio-potassio è necessaria in tutte le cellule poiché permette il mantenimento dei gradienti di concentrazione: Mantiene quindi una concentrazione di potassio maggiore nella cellula rispetto all'esterno e una concentrazione di sodio minore nella cellula rispetto all’esterno Se queste molecole fossero libere di muoversi secondo gradiente e di trovare l'equilibrio, comporterebbe la perdita del potenziale di membrana (che dipende proprio da questi gradienti) e funzionamento alterato della cellula. Perché i gradienti sono necessari? -Il gradiente del potassio è necessario per garantire la presenza di un potenziale di membrana a riposo; -Il gradiente del sodio è necessario per trasportare molecole,(Co-traporto sodio-glucosio) è coinvolto nei segnali elettrici ovvero nella creazione di un potenziale d’azione che consiste nell’ingresso di Na+ all’interno della cellula. Quindi la capacità di generare segnali elettrici e di coordinare le azioni corporee attraverso il sistema nervoso, dipende da questo gradiente del sodio. MECCANISMO ALLA BASE DEL TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO Il meccanismo è paragonabile ad una sorta di ciclo in cui si distinguono diverse fasi: -Fase 1→ la proteina trasportatrice, transmembrana, presenta tre siti di legame per il sodio rivolti verso l’interno della cellula. Quindi tre molecole di sodio legano la proteina trasportatrice. -Fase 2→ avviene l’azione ATPasica, il fosfato si stacca e va a legarsi al trasportatore che quindi presenterà un sito energizzato. Nel caso del legame tra il fosfato dell’ATP e la proteina trasportatrice, non si tratta di una vera e propria fosforilazione, ma si crea un legame temporaneo che cambia momentaneamente il funzionamento del trasportatore cambiandone la conformazione attraverso le sue cariche negative. -Fase 3→ il cambiamento conformazionale operato dal legame con il fosfato porta la proteina trasportatrice ad aprirsi verso l’esterno della cellula e a liberare i tre ioni sodio. -Fase 4→ I due ioni potassio si legano dall’esterno alla proteina, provocandone un ulteriore cambiamento conformazionale che la porterà a riaprirsi verso l’interno della cellula. -Fase 5→ il fosfato si stacca e il potassio viene rilasciato all’interno della cellula. L’ingresso di sole due cariche positive rispetto all’uscita di tre cariche positive genera una carica negativa interna alla cellula. (instaurando così una differenza di potenziale tra esterno e interno perché esternamente alla cellula ci sono più cariche positive) ELETTROLITI E STATO STAZIONARIO Il trasporto attivo primario, è legato al concetto di stato stazionario. L’azione della pompa non serve per accumulare in maniera indiscriminata potassio all’interno e sodio all’esterno, ma serve per compensare la quantità di ioni che continuamente entrano ed escono dalla cellula secondo gradiente, mediante canali ionici passivi. Si stabilizza una situazione stazionaria dovuta alla cooperazione di canali ionici (trasporto passivo) e pompe ioniche (trasporto attivo) → Bilanciamento -potassio: la concentrazione del potassio all’interno della cellula è circa 4 mM, valore importante che indica la Kaliemia (appunto concentrazione di potassio); essa è regolata a livello endocrino dall’aldosterone e brusche variazioni della concentrazione di potassio possono provocare problemi a livello del potenziale di membrana a riposo. -Calcio: importante perché è bivalente e le due cariche gli conferiscono la capacità di legare specifici residui di proteine ed alterarne la conformazione (come il fosfato); quindi il calcio è un regolatore dell’azione proteica e tale regolazione non è casuale ma è regolata dai segnali biologici come ormoni e neurotrasmettitori. Il gradiente è altissimo (la quantità di calcio all'estero è diecimila volte più grande di quella all'interno) Dov’è contenuto il calcio all’interno della cellula? la cellula sfrutta le pompe del calcio per accumularlo nel reticolo endoplasmatico in modo da poterlo utilizzare come segnale quando serve, oppure per trasferirlo fuori dalla cellula. In questo caso si parla di pompe Calcio-ATPasi. -Cloro: è distribuito in linea di massima in maniera passiva, poiché le concentrazioni indicate rispecchiano la distribuzione elettrochimica del cloro dovuta a canali ionici passivi. La disomogeneità della concentrazione degli ioni cloro è dovuta dalla presenza di anioni organici dentro la cellula. (essendo Cl- negativo tenderà quindi ad essere respinto dagli anioni e ad uscire dalla cellula) -Ione bicarbonato: maggiormente concentrato fuori la cellula, anch’esso distribuito passivamente e contribuisce al mantenimento del pH intra ed extra cellulare (all’interno della cellula si ha un pH leggermente più acido all’interno della cellula, pari a 7,1). ALTRI ESEMPI DI POMPE IONICHE -Calcio-ATPasi: meccanismo di uniporto poiché viene trasferito solo il calcio contro gradiente; le troviamo nella membrana plasmatica e nella membrana del reticolo endoplasmatico; -H+ -ATPasi: proteine che trasportano i protoni, sono presenti in maniera abbondante nello stomaco per la produzione di acido cloridrico; -H+-K+ -ATPasi: sono antiporti e scambiano protoni e potassio (trasferimento in direzioni opposte). TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO Il sistema si basa sull’utilizzo di una diversa fonte energetica rispetto all’ATP, tale fonte è il gradiente chimico di un’altra sostanza (la più frequente è il sodio). Un esempio tipico è il trasportatore sodio-glucosio che per trasportare glucosio all’interno della cellula, sfrutta il gradiente chimico di Na+. tale trasportatore è caratteristico a livello intestinale e a livello renale. Il trasporto attivo secondario è definito Co-trasporto poiché prevede lo spostamento di almeno due sostanze contemporaneamente, una che fornisca energia attraverso il proprio gradiente chimico e una che rappresenta la sostanza bersaglio da trasferire contro gradiente. Il co-trasporto può avvenire per simporto, ovvero due molecole che si muovono nella stessa direzione, oppure per antiporto, ovvero due molecole che si muovono in direzioni opposte, ma il meccanismo è il medesimo per entrambi i tipi. MECCANISMO ALLA BASE DEL TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO Il meccanismo sfrutta il gradiente del sodio. La pompa sodio potassio (trasporto attivo primario) trasferisce sodio all’esterno e potassio all’interno della cellula per cui il sodio si trova ad essere molto più concentrato nel versante extracellulare e ha un forte gradiente che spinge verso l’interno della cellula: in presenza di una proteina canale il sodio quindi entrerebbe nella cellula con molta intensità e passivamente (senza usare energia). Il gradiente del sodio è talmente prevalente che trascina anche glucosio durante l’ingresso→ si ha un’energia potenziale di natura chimica che viene sfruttata per fare entrare una molecola. Il trasporto attivo secondario dipende dalla presenza di un gradiente e quindi ha bisogno che nella cellula ci siano pompe (trasporto attivo primario) che mantengano la differenza di concentrazione tra ambiente Intra ed extracellulare. La pompa e il trasportatore non devono necessariamente essere vicini. La pompa sodio-potassio trasferisce sodio all’esterno della cellula, il quale potrà rientrare, grazie alla forza del gradiente chimico, all’interno attraverso il trasportatore e trascinando con se il glucosio. Il trasportatore quindi presenta un sito per il glucosio e uno per il sodio, entrambi rivolti verso l’esterno dove si legano le due molecole. Il legame favorisce il cambiamento conformazionale della proteina, sodio e glucosio sono proiettati verso l’interno della cellula e vengono rilasciati. Il sito del glucosio sul trasportatore si rende disponibile solo quando il sodio è legato, quindi in qualche modo il sodio, con il suo legame, avvia la trasformazione nella molecola che si rende disponibile a legare il glucosio. Al termine del trasferimento delle due molecole il trasportatore torna nella sua conformazione iniziale e può iniziare un nuovo ciclo. I cicli sono sostenuti dall’ingresso di altro sodio che entra secondo gradiente mentre il glucosio viene trasportato contro gradiente. DISTRIBUZIONE DEI TRASPORTATORI I trasportatori non sono distribuiti in maniera omogenea nella cellula, ma si trovano in specifiche regioni polarizzate. Quindi la cellula non è solo in grado di sintetizzare certe proteine ma contiene anche le informazioni sulla loro localizzazione e i mezzi per il posizionamento. Esistono trasportatori sodio-dipendenti e altri sodio-indipendenti e rientrano in diverse funzioni. regolazione del calcio: sono abbondanti nel cuore i trasportatori Na+/Ca++ Trasportatori degli amminoacidi: a livello intestinale sono presenti i trasportatori per le molecole che dobbiamo assumere. Gli amminoacidi sono venti e necessitano di trasportatori specifici per ognuno: -Amminoacidi neutri hanno un certo tipo di trasportatori sodio-dipendenti -Amminoacidi basici hanno un tipo di trasportatore sodio-indipendente Scambi di gas durante la respirazione: durante la respirazione avvengono degli scambi tra i gas ossigeno e anidride carbonica i quali devono essere trasportati nel circolo ematico: l’ossigeno viene trasportato in larghissima misura attraverso l’emoglobina nei globuli rossi, mentre la CO2 viene trasportata in parte sotto forma di ione bicarbonato, in parte dall’emoglobina e in parte sotto forma di CO2 libera. A livello della membrana del globulo rosso avvengono continui scambi tra ione bicarbonato e cloro: la CO2 entra nel globulo rosso in forma gassosa, viene trasformato in ione dall’anidrasi carbonica e ne esce sotto forma di bicarbonato scambiandosi con il cloro. ESOCITOSI ED ENDOCITOSI Le nostre cellule svolgono delle funzioni collegate a degli scambi fra l’interno e l’esterno della cellula che prevedono l’utilizzo di vescicole avvolte da membrana. Esempio tipico di esocitosi è la trasmissione sinaptica mentre un esempio di endocitosi è la fagocitosi dei macrofagi. Tali vescicole sono in circolo e possono contenere proteine ed RNA, attraverso cui le cellule possono scambiarsi dei segnali. Le cellule possono liberare le vescicole, in seguito a segnali di rilascio, e dirigerle in corrispondenza della cellula con cui deve comunicare. Possono essere scambiate molecole organiche, messaggeri ed informazioni. I meccanismi di endocitosi ed esocitosi sono meccanismi attivi, che consumano energia e vedono coinvolte numerose proteine associate sia alla membrana plasmatica che a quella della vescicola. La vescicola deve dirigersi nel suo sito, deve caricare il proprio contenuto, deve raggiungere un punto preciso della membrana in cui dovrà fondere, deve aprirsi e rilasciare il suo contenuto. CANALI IONICI (specifico) Un canale ionico è costituito da più elementi basilari che ne determinano la funzione: - Poro acquoso: conferisce al canale la possibilità di costituire uno spazio dentro la membrana idrofobica, uno spazio in cui gli ioni possono passare. - Filtro di selettività: ogni canale è determinato dalla sua capacità di far passare ioni da una parte all’altra. Per esempio, abbiamo una grande divisione tra canali che fanno passare i cationi (ioni positivi) e canali che fanno passare gli anioni (ioni negativi). Il movimento di queste due specie ioniche avrà un effetto molto diverso sulla membrana. Ci sono inoltre canali che fanno passare solo il potassio, solo il sodio, solo il calcio o magari tutti quanti insieme. - Gate (cancello): parte della molecola che determina l’apertura e la chiusura. In alcuni momenti, (per la maggior parte del tempo), questo canale è chiuso dal gate ma poi ci può essere uno stimolo che lo fa ruotare, muovere o slittare e il canale si apre. -Sensor (sensore): il gate deve essere collegato a un sensore. Il sensore è quella parte della molecola che reagisce allo stimolo. Può essere ad esempio un sensore di voltaggio , quindi in questo caso il canale si apre in relazione a un cambiamento del potenziale della membrana, altre volte il sensore è il sito che accoglie neurotrasmettitori. Quando si lega il neurotrasmettitore la struttura cambia e il canale si apre. - Proteine di ancoraggio: ovviamente il canale non è sparso nella membrana ma si trova in siti specifici. - Particelle inattivanti: molti canali passano attraverso diversi stati: sono chiusi poi si aprono e poi passano in un nuovo stato che si chiama stato inattivato dove non sono stimolabili. Per questo c’è una parte della molecola che va a chiudere il canale, che quindi rimane chiuso ed inattivo (conformazione diversa rispetto a un canale solo chiuso ma stimolabile ad aprirsi) - Siti di regolazione. Trattandosi di una proteina questa passa per diverse conformazioni. Spesso costituita da più subunità proteiche che formano un complesso che ha la capacità di cambiare forma aprendosi e chiudendosi. I canali ionici non sono delle strutture isolate ma interagiscono con tutti gli altri componenti della membrana plasmatica: le proteine citoscheletriche, le proteine di supporto, gli enzimi vari, recettori etc. STRUTTURA DEL CANALE IONICO Il poro non è altro che uno spazio, costituito dalle strutture del canale, in cui alcuni ioni riescono a passare. Se guardiamo la struttura del canale notiamo che la maggior parte delle proteine sono ad alfa elica, ma l’elica ha verso il lato interno dei residui idrofilici. Questo vuol dire che la proteina è I residui idrofobici sono invece rivolti verso la parte appunto idrofoba, cioè la membrana. Quindi il poro è il punto dove gli ioni possono passare, può essere sempre aperto nei canali passivi o si apre nei canali attivi. Il canale che incontreremo con maggior frequenza è il canale nicotinico dell’acetilcolina che si trova a livello della giunzione neuromuscolare. Questo canale è costituito da 5 proteine (pentamero). Ognuna di queste proteine è strutturata con quattro grosse ripetizioni M1 M2 M3 M4 che attraversano la membrana. In particolare, la catena M2 è quella che allinea il poro. Quindi abbiamo una molecola molto complessa. Come vengono selezionati gli ioni? Prendendo per esempio un canale per il sodio: I residui idrofilici del canale vanno in un certo punto ad avvicinarsi di più, a livello del filtro di selettività. Quello che succede è che, quando si avvicina il sodio, ( il quale si trova idratato all’interno di una soluzione), alcuni residui possono legarsi al sodio temporaneamente con un legame debole, e contemporaneamente ci sono dei punti di appoggio dove vanno a posizionarsi le molecole di acqua. Quindi il sodio tende a staccarsi dalla sua nuvola di acqua e in questo momento riesce a legarsi in questo punto e poi a passare. Sostanzialmente abbiamo una strettoia in cui gran parte della nuvola idrofila intorno si stacca completamente e il sodio riesce ad attraversare. Quindi Il punto fondamentale per la selettività è questa strettoia. Questo filtro farà quindi passare il sodio (più piccolo), non il potassio (che è più grande) e non il cloro perché ha una carica negativa. (non si legherebbe al sito) Mentre consentirebbe il passaggio dello ione litio, il che ci interessa poco in quanto il litio in natura non è presente. Abbiamo quindi capito che la selettività avviene su due fattori: - la grandezza della molecola - la carica della molecola Nel caso del sodio e del potassio c’è un problema che, un conto è la dimensione della molecola e un conto è la sfera di solvatazione che si porta dietro. Il sodio è più piccolo quindi, può passare in uno spazio più piccolo, però la sua sfera di solvatazione è più grande perché mantiene l’acqua più legata. Viceversa, il potassio è più grande ma ha una sfera di solvatazione più piccola. Questo vuol dire che nel caso del canale del sodio quest'ultimo deve uscire dalla sfera per passare. Nel caso del canale del potassio, il sodio non riesce a perdere la sfera di solvatazione quindi alla fine il potassio con la sua sfera di solvatazione risulta più piccolo e riesce a passare al contrario del sodio. L’altro aspetto sono le cariche: se nel filtro di selettività ci fossero delle cariche positive allora sodio e potassio sarebbero respinti, invece, ci sono delle cariche negative che li attraggono. CANALI ATTIVATI DAI LIGANDI (NEUROTRASMETTITORI) Sono i canali coinvolti nella trasmissione sinaptica. - Quindi avremo canali che rispondono all’acetilcolina che sono presenti nella giunzione neuromuscolare e anche nel sistema nervoso. - Canali che rispondono al glutammato, principale neurotrasmettitore eccitatorio del sistema nervoso. - Canali che rispondono al GABA o acido gamma- amminobutirrico, principale recettore inibitorio del cervello. - Canali che rispondono alla glicina, altro recettore inibitorio. - Canali che rispondono alla serotonina. - Canali che rispondono all’ATP. Quando il neurotrasmettitore si lega alla struttura della proteina questa si apre e permette il passaggio degli ioni. CANALI VOLTAGGIO-DIPENDENTI I canali voltaggio-dipendenti sono normalmente chiusi. I canali voltaggio dipendenti rispondono alla depolarizzazione. Quindi sono chiusi quando il potenziale di membrana è a riposo e si aprono quando è depolarizzato. L’unico caso in cui non avviene questo sono i canali del cuore, nel nodo seno atriale Quindi questo canale è fatto in modo da avere una parte della struttura che risponde ai cambiamenti delle cariche. Incontreremo canali voltaggio-dipendenti per il sodio, responsabili del potenziale d’azione; per il potassio, anch’essi coinvolti nel potenziale d’azione; per il calcio collegati alla trasmissione sinaptica. CANALI ATTIVATI DALLO STIRAMENTO Gli stress meccanici che agiscono su una cellula portano allo stiramento della membrana. I canali per stiramento che tendono a far ridistribuire i soluti in modo tale da rispondere a questo stress. Perché la membrana si stira? Si può stirare perché c’è un problema osmotico, quindi la membrana si è espande perché la cellula si è riempita di acqua. Oppure può stirarsi perché c’è una variazione di pressione. Oppure sono presenti nei corpuscoli che ci consentono di avere il tatto, (corpuscoli di Pacini in capaci di rilevare la pressione). Lo stiramento delle membrane determina l’apertura dei canali e tutto si traduce nelle variazioni delle cariche. CANALI DIPENDENTI DA SECONDI MESSAGGERI Un esempio sono i canali dei fotorecettori. I fotorecettori rispondono a delle variazioni dei secondi messaggeri per aprirsi e chiudersi. Nella retina, a livello dei coni e bastoncelli, la risposta luminosa dipende da canali che sono regolati da secondi messaggeri. Il canale è chiuso, ma se varia la concentrazione di un secondo messaggero AMP-ciclico, GMP-ciclico, calcio etc il canale si può aprire (o chiudere). In questo caso il sito di regolazione non è esterno (non è dove si deve legare il neurotrasmettitore), ma è all’interno della membrana dove c’è il sito, ad esempio, per lo ione calcio. POTENZIALE DI MEMBRANA All’interno della membrana plasmatica esiste una differenza di potenziale che chiamiamo potenziale di riposo. Quindi le cellule determinano all’interno della loro membrana una separazione di cariche. Normalmente questa differenza è di circa -70, -80mV, a seconda del tipo di cellula (potrebbe essere anche -50 o -60). Questa differenza è importante nelle cellule perché è collegata a diverse funzioni cellulari, innparticolare nelle cellule eccitabili. Le cellule eccitabili svolgono la loro azione attraverso delle variazioni di queste cariche. Producono segnali, li valutano, li ricevono, attraverso il potenziale della membrana. POTENZIALE DI EQUILIBRIO Gli ioni si muovono in base all’azione di due forze: (prendiamo come esempio Na+) - Forza chimica: tutte le molecole vanno secondo gradiente quindi da dove sono più concentrate a dove sono meno concentrate. Quindi se il sodio è più concentrato all’esterno tenderà ad entrare. - Forza elettrica: Il sodio portando una carica positiva sarà attratto dalle cariche negative e respinto da quelle positive. Quindi il sodio non solo vorrà entrare perché è presente in maggiori concentrazioni all’esterno (140 mM fuori e 15-14 mM dentro), ma dentro la membrana si troverà anche una carica negativa quindi il sodio sarà attratto dalla parte chimica e da quella elettrica. Noi possiamo mettere insieme queste informazioni e prevedere come si muoverà il sodio in base alle regole in campo. tuttavia per capire il movimento di uno ione la variabile sulla quale ci si deve concentrare è il potenziale. Perché il potenziale? Possiamo avere dei potenziali in cui il sodio da fuori la cellula è spinto ad entrare o meno a seconda del potenziale a cui si trova la membrana. Man mano che gli Na+ entrano nella cellula ci sarà un muro di potenziale. Quindi ci sarà un punto in cui la spinta elettrica e quella chimica saranno uguali e opposte. Ci saranno tante cariche positive all'interno che tenderanno a respingere le altre cariche positive. Quindi ci sarà un potenziale in cui non ci sarà più flusso perché queste molecole vorrebbero entrare a causa della loro concentrazione chimica ma saranno respinte dalla forza elettrica. Quando il flusso elettrico è pari a zero la membrana presenta un potenziale che chiamiamo potenziale di equilibrio. EQUAZIONE DI NERNST Questa equazione, chiamata equazione di Nernst, definisce il potenziale di equilibrio (E) di un certo ione che chiamiamo X. 𝑅𝑇/zF→ tutta questa parte dell’equazione rappresenta una costante dove: - R è la costante dei gas. - T è la temperatura; la temperatura (nel corpo bene o male è sempre la stessa) - z è la valenza dello ione. Gli ioni hanno sempre la stessa valenza: il sodio ha valenza +1, il calcio +2, il cloro -1 ed il potassio +1. - F è la costante di Faraday Quindi in base al rapporto di concentrazione esterna e interna dello ione io posso prevedere il potenziale di equilibrio di quello ione. Questo ci dice che, se la membrana si trova a -86mV in queste condizioni chimiche, ossia con queste concentrazioni del potassio, il potassio non si muove più. Perché è spinto dalla sua concentrazione interna ad uscire dalla membrana ma è attratto dalla carica negativa; quindi le due forze si bilanciano e il potassio non si muove (a -86mV). Che succede a -85mV? Le forze non sono più bilanciate. A -85mV la forza elettrica è un po’ più piccola quindi l’attrazione che esercita sul potassio è inferiore a quella chimica. In questo caso il potassio esce perché ce n’è tanto dentro e vuole uscire a causa della forza chimica. La forza elettrica non è sufficiente e quindi tende ad uscire. Se mi trovo a -80mV sappiamo già che il potassio esce, ma esce di più. Perché il bilancio di forze è ancora meno equilibrato. Se ci troviamo a -70mV esce ancora di più. Se ci troviamo a -50mV ancora di più e così via. Cosa succede invece a -90mV? Il potassio entra. A -100mV entra ancora di più. A -120mV entra ancora di più e così via. Questo ci dice che se la membrana si trova a +58mV in queste condizioni chimiche, ossia con queste concentrazioni del sodio, il sodio non si muove più. Questo perché è spinto dalla sua forza chimica ad entrare dentro la cellula ma è ostacolato dalle cariche positive che si trovano sulla membrana e quindi non entra più. Quando ci troviamo invece a +55mV che succede? Ci sono meno cariche positive sulla faccia interna della membrana ma la forza chimica è ancora presente. Quindi il sodio entra. Normalmente il sodio A +40mV il sodio entra di più. A +20mV entra ancora di più, Aa 0mV ancora di più e così via Se invece ci troviamo a +60mV? Il sodio non riesce più ad entrare ma addirittura esce perché in quel caso prevale la forza elettrica. Ma questa informazione è poco rilevante perché biologicamente la cellula ha un potenziale sempre inferiore a +58mV. (quindi il sodio entra sempre) Non è fisiologicamente possibile né utile infatti non succede mai. Solo se sperimentalmente portassimo una membrana a quel valore il sodio potrebbe uscire. Quindi è un valore che ci serve per prevedere come si muoverà ma dobbiamo anche sapere che non lo raggiungiamo mai. Similmente quasi uguale è il caso del potassio, anche se in realtà ci sono dei casi in cui il potenziale di membrana addirittura diventa ancora più negativo di quello in cui il potassio entra. Però la sostanza è che questi potenziali ci servono fondamentalmente per prevedere il movimento degli ioni. Possiamo immaginare anche gli altri potenziali di equilibrio degli altri ioni che ci riguardano. Per esempio, il potenziale di equilibrio del cloro è -60mV/-65mV. Poi abbiamo il potenziale di equilibrio del calcio che è un potenziale molto positivo (+120mV). Il calcio ha infatti un gradiente chimico di circa diecimila volte: vuol dire che la forza chimica che lo fa entrare è fortissima e quindi per essere respinto esternamente dalla membrana bisognerebbe raggiungere potenziali come +150mV. (cosa che come già detto non succede) Se la membrana arrivasse a questi potenziali così positivi il calcio non riuscirebbe ad entrare. EQUAZIONE DI GOLDMANN-HODGKIN-KATZ Questa equazione ci dice fondamentalmente cos’è Vm ( potenziale della membrana) Attraverso il movimento degli ioni non solo possiamo immaginare come si sposteranno ma possiamo determinare Vm e quindi conoscere il potenziale della membrana. - P é la permeabilità. Quindi quando andiamo a determinare come si muoveranno gli ioni, ogni ione si muove in relazione alla propria permeabilità. Se è molto permeabile incide molto, se è poco permeabile incide poco, se non è permeabile per niente lo possiamo togliere dall’equazione perché diventa zero. -Perché nella formula il cloro è messo all’incontrario? Il movimento dello ione cloro ha l’effetto esattamente opposto al movimento nella stessa direzione dello ione sodio. Per questo vanno messi al contrario. Quindi il movimento di uno ione cloro in base alla propria permeabilità avrà un effetto opposto sul potenziale di membrana al movimento di uno ione sodio o di uno ione potassio nella stessa direzione. (l'esempio del Na è più calzante perché tende ad entrare nella cellula e quando lo fa causa una depolarizzazione cioè aumenta Vm mentre il Cl tende anche lui ad entrare ma causa una iperpolarizzazione cioè diminuisce Vm) Facciamo un caso semplice: la situazione del potenziale di riposo. Normalmente nella condizione di potenziale a riposo le membrane sono poco permeabili al sodio, poco permeabili al cloro e molto permeabili al potassio. Facciamo un caso estremo, ossia il caso in cui le membrane non sono permeabili per niente al sodio. 𝑃𝑁𝑎 è zero. 𝑃𝐶𝑙 è zero. Questa equazione diventa esattamente l’equazione di Nernst. (Z non c'è però se ci fosse sarebbe uguale a +1 quindi non cambierebbe nulla) Se c’è un solo ione permeabile la membrana andrà a posizionarsi al potenziale di equilibrio. Questo ci dice in termini generali che gli ioni influenzeranno il potenziale della membrana in base alla propria permeabilità; se uno ione è tanto permeabile il potenziale tenderà ad andare verso il potenziale di equilibrio di quello ione. (infatti il potenziale di riposo delle membrane in molti casi è -70/-80mV che è un valore abbastanza vicino al potenziale di equilibrio del potassio -86mV. Non risultano uguali perché le permeabilità degli altri ioni sono piccole ma comunque determinanti per una deviazione dall’equazione di Nernst I gradienti generalmente rimangono costanti (stato stazionario), la permeabilità invece rappresenta una variabile. I segnali che raggiungono la cellula vanno proprio a influenzare la permeabilità agli ioni, e con questa quindi anche il potenziale di membrana. Gli ioni che interessano il potenziale sono principalmente - potassio, il quale tende a uscire dalla cellula e che presenta un potenziale di equilibrio intorno ai -90mV; - sodio, che tende a entrare e ha un potenziale di equilibrio di circa +60 mV; - calcio che entra sempre ma incide poco sul potenziale di membrana e il suo potenziale di equilibrio è altamente positivo (+120mV). - cloro in condizioni normali ha un potenziale di equilibrio intorno ai -60mV. VARIAZIONI DI POTENZIALE Il meccanismo di base della neurofisiologia è fondato su alterazioni del potenziale delle cellule: ad esempio dovendo stimolare la retina, si depolarizza la membrana cellulare provocando variazioni di potenziale più o meno rapide. Le sinapsi sono comunicazioni tra cellule che trasmettono segnali per mezzo di iperpolarizzazione o depolarizzazione della membrana bersaglio. Le variazioni di potenziale sono i segnali principali che vengono scambiati tra diverse cellule nervose e tra cellule muscolari e nervose. Iperpolarizzazioni principalmente si riferiscono a variazioni di permeabilità del cloro (anioni), mentre per le depolarizzazioni al sodio e potassio (cationi). Per i segnali inibitori si assiste all’iperpolarizzazione. In entrambi i casi si tratta di variazioni molto piccole (1 mV). POTENZIALE DI RIPOSO Il potenziale di riposo indica una differenza di potenziale che si trova a cavallo della membrana plasmatica, ed è sempre negativa all’interno. Può assumere però valori diversi: nelle cellule eccitabili abbiamo potenziali piu negativi perché sono cruciali per il funzionamento stesso della cellula. Per capire come determinare il potenziale di membrana (VM) bisogna capire innanzitutto come sono distribuiti gli ioni e il valore della loro permeabilità*, ricorrendo quindi alla legge di Goldmann. *volendo calcolare il VM a riposo si considerino i valori di permeabilità degli ioni a riposo. La conduttanza principale è al potassio, l’equilibrio del potassio determina principalmente il potenziale a riposo. Questi gradienti che sono alla base dei diversi valori di potenziale vengono favoriti da specifici equilibri chimici che vengono mantenuti dall’azione di pompe ioniche (pompa sodio-potassio) e un fenomento più complesso che è l’equilibrio di Donnan. Il potenziale di riposo della membrana dipende direttamente dal potassio che è molto permeabile e squilibrato (tende a portare la membrana a un valore negativo), e indirettamente dalla disposizione squilibrata degli anioni non diffusibili (equilibrio di Donnan) e dall’azione della pompa sodio potassio. EQUILIBRIO DI DONNAN L’equilibrio di Donnan fa sì che a livello della membrana cellulare gli ioni siano distribuiti in modo diseguale. L'equilibrio di Donnan descrive le caratteristiche dello stato stazionario dell'insieme di ioni diffusibili e indiffusibili della cellula. A livello della membrana si ha una diversa distribuzione dei cationi: all’interno si trova molto potassio e all’esterno molto sodio. Anche gli anioni sono distribuiti in modo asimmetrico, il cloro è concentrato dieci volte di più all'esterno. All’interno della cellula inoltre si trovano degli anioni organici (fosfati, solfati) e proteinati: residui amminoacidici che vengono deprotonati a causa del pH neutro (es il glutammato, aspartato che sono acidi e perdono il protone), che portano quindi una carica negativa. Questi anioni possono essere detti “anioni fissi” (~100 milliMol) perché non possono diffondere all’esterno come ioni sodio, potassio e cloro, non essendo presenti canali che ne permettono il passaggio. Il cloro essendo maggiormente concentrato all’esterno tende a diffondere verso l’interno della cellula tuttavia è respinto dalla carica negativa degli anioni fissi. Questi anioni fissi attirano invece molti cationi. La presenza di anioni organici fa si che si stabilisca un equilibrio stazionario in cui piu forze agiscono una contro l’altra: il risultato è che nella cellula si trova meno cloro che fuori, ma sono presenti piu cationi. (quindi dentro la cellula ci sono più cationi rispetto all'ambiente extracellulare) Viene così a crearsi una situazione in cui all’interno della cellula abbiamo una neutralità di carica ma un eccesso di soluti. Però le cellule non possono accumulare soluti in eccesso poiché andrebbero incontro a lisi a seguito di un accumulo d’acqua (come succede nei globuli rossi in soluzioni ipotoniche). Per fronteggiare questo problema la cellula è dotata di pompe ioniche. Nel caso della pompa sodio potassio, infatti, porta all'uscita netta di una carica positiva : (3Na⁺ fuori, 2K⁺ dentro). Viene così prodotta una variazione di carica (funzione elettrogenica) e contemporaneamente vengono fatti uscire dei soluti (funzione osmotica), permettendo così il mantenimento di un gradiente basato sul movimento di ioni e influenzato dall’equilibrio di Donnan. Questo ci spiega il motivo per il quale il sodio è più concentrato all'esterno: nonostante il gradiente e anche le cariche negative spingono il sodio ad entrare, ci sono pompe che lo fanno poi uscire perché se entrano troppi cationi la cellula sarà troppo concentrata e quindi entrerà acqua per bilanciare la situazione e quindi la cellula scoppia. (come nei globuli rossi in soluzioni ipotoniche) VARIAZIONE DEL POTENZIALE Alla base della neurofisiologia ci sono le variazioni di potenziale di membrana. 1) L’ELETTRICITÀ: la contrazione dei muscoli è stimolata da impulsi elettrici 2) L’ELETTROCARDIOGRAMMA: il battito cardiaco genera un campo elettrico talmente grande che può essere registrato da elettrodi cutanei. 3) IL CERVELLO: fonte di continue attività elettriche monitorate dall’elettroencefalogramma, si differenzia dal cuore perché è difficile capire i singoli fenomeni, il cuore batte all’unisono, mentre il cervello è diviso in tante aree che svolgono funzioni differenti. Una serie di onde frutto dell’attività di moltissimi neuroni e sinapsi che lavorano assieme. Questi fenomeni elettrici si basano su due elementi: 1) trasduzione dell’impulso: le cellule eccitabili una volta ricevuto un segnale sono in grando di indurre delle variazioni di potenziale che viaggiano lungo l’assone. 2) sinapsi: ogni cellula comunica con le altre inviando e ricevendo segnali a livello delle sinapsi, questi segnali sono delle variazioni del potenziale. Quindi tutto ciò che c’è alla base della comunicazione nervosa è una variazione del potenziale, determinata dalla permeabilità ionica. Nelle cellule non eccitabili la permeabilità degli ioni non è di primaria importanza, mentre nelle cellule eccitabili l’importanza diventa cruciale. Nella membrana c'è un accumulo di cariche negative sulla faccia interna e un accumulo di cariche positive sulla faccia esterna, il complesso è neutro ma le cariche sono separate. Questo è il potenziale di membrana. Questa differenza è garantita dal fatto che le cariche non riescono ad attraversare la parte idrofobica della membrana (quindi sono necessari i canali i quali vengono adeguatamente regolati) La membrana può quindi ricordare un condensatore cioè una struttura formata da 2 piastre che presentano una differenza di potenziale (una piastra si carica positivamente e l'altra negativamente) CANALE Il canale dà la possibilità di passaggio delle cariche, che ovviamente si muoveranno secondo l’equilibrio elettrochimico, quindi seguendo la concentrazione e il potenziale. Quindi se le due facce della membrana sono un condensatore allora i canali sono la resistenza del circuito. Quando vengono mandati i segnali elettrici (le variazioni di potenziale) che si generano nella membrana, dobbiamo tenere conto che i segnali hanno una certa durata ed una certa capacità di diffondersi (che non è infinita) che si dissipa (si disperde) man mano che si allontana dall’origine. La capacità del segnale di percorrere lunghe distanze è descritta da un parametro che chiamiamo λ (lambda) ( indica la distanza alla quale il segnale si indebolisce del 63%) DISSIPAZIONE DEL SEGNALE perchè si dissipano i segnali? Immaginiamo di prendere un cavo elettrico e di distenderlo per diversi km, piano piano il segnale diventerà sempre più debole. Il filo è formato internamente da una resistenza assiale rappresentata dal filo di rame (bassa) e da una resistenza laterale rappresentata dalla guaina (alta) Parte delle cariche generate, andando avanti usciranno lateralmente (dalla resistenza laterale) e si perderanno. Per aumentare lambda (e di conseguenza la distanza che l'impulso può percorrere) bisogna avere una resistenza assiale bassa (che permette di avere un buon flusso lungo il filo) e una resistenza laterale alta (che ostacola il flusso laterale di cariche che altrimenti uscirebbero dal filo) La resistenza longitudinale dipende molto dal fattore dimensione: cavi grandi (resistenza bassa) e cavi piccoli (resistenza alta). (lo stesso ragionamento vale con la dimensione delle cellule) Quella trasversale dipende dalla permeabilità della membrana. Immaginiamo che un neurone riceva un segnale a livello di questa sinapsi vedremo che il segnale determinerà nella sinapsi la variazione del potenziale (potenziale simpatico). Il neurone di per sé può “solo” innescare il potenziale d’azione nella regione detta zona trigger o segmento iniziale dell’assone, solo se la membrana raggiunge una certa soglia di potenziale. Perciò il segnale captato dal neurone, una volta arrivato nella zona trigger determinerà se vi sarà o meno il potenziale d’azione, in base alla sua intensità, che è determinata dalla somma degli stimoli ricevuti dalle centinaia di sinapsi eccitatorie/inibitorie. Questo segnale per essere efficiente deve avere delle caratteristiche: - deve essere inalterato: inizia in un modo ed arriva nello stesso modo - deve essere veloce, basta pensare ai riflessi, io osservo un qualcosa (es. palla che mi viene lanciata), lo stimolo visivo viene elaborato molto velocemente da retina- fibre-cervello che attua una risposta altrettanto immediata a partire dalla corteccia per poi andare ad attivare i motoneuroni e quindi far contrarre i muscoli; tutto questo avviene nell’arco di poche decine di millisecondi. Il potenziale d’azione si basa sullo spostamento di due ioni: il sodio ed il potassio. Noi sappiamo che il sodio vuole entrare nella cellula, ma per farlo ha bisogno di canali specifici, mentre il potassio è presente dentro la cellula ed è motivato ad uscire. Di fatto con la propagazione del potenziale quello che avviene è che entra il sodio e che esce il potassio. Inizialmente il potenziale sale, diventando positivo, e lo chiamiamo depolarizzazione, quando scende e diventa più negativo lo chiamiamo iperpolarizzazione o ripolarizzazione (nel caso si fosse depolarizzato prima). Il potenziale d’azione lo possiamo descrivere come una depolarizzazione rapida seguito da una ripolarizzazione più lenta (sempre nell’arco di pochi ms). Una volta propagato il potenziale d'azione c'è un periodo refrattario in cui la cellula non può generarne un successivo. Un periodo è detto refrattario assoluto in cui è impossibile che si generi il potenziale nuovamente, successivamente vi è un periodo relativamente refrattario, cioè, serve uno stimolo più forte per generare un altro potenziale d’azione. Le uniche cellule che possono produrlo sono quelle eccitabili, come i neuroni, cellule muscolari, del cuore, delle ghiandole. Il potenziale si propaga senza variare di ampiezza o forma fino alla sinapsi successiva. La cellula ha la necessità di generare un segnale che viaggia a lunga distanza garantendo che sia preciso, veloce e che non si dissipi nel cammino. Il nostro organismo garantisce questa funzione con il potenziale di azione, un processo di pochi millisecondi che prevede una prima fase di depolarizzazione della membrana molto veloce e una seconda fase di ripolarizzazione un po’ più lenta seguita da un periodo di refrattarietà. Il potenziale di azione è un processo del tipo tutto o nulla (o si genera o non si genera), è un evento stereotipato (ossia che ha sempre la stessa forma), è effettuato solo da cellule specializzate (quelle eccitabili) ed è utilizzato per trasferire informazioni da una parte all’altra dell’organismo. Il segnale origina dal corpo cellulare nel segmento iniziale dell’assone e da lì arriva fino alla terminazione dell’assone e alla sinapsi. Il movimento di più ioni condizionerà il potenziale di membrana: Quando la concentrazione di sodio nella cellula aumenta la membrana si depolarizza e il potenziale si sposta più vicino ai valori del potenziale di equilibrio del sodio,(+55mV) mentre quando aumenta la permeabilità al potassio si sposta verso il potenziale di equilibrio del potassio. (-90mV) Quindi il potenziale di membrana (a riposo di solito è -70mV) amenta se entra il sodio (depolarizzazione) e diminuisce se esce il potassio (ripolarizzazione o iperpolarizzazione) Nella membrana ci sono dei canali specifici per il passaggio degli ioni sodio e potassio che sono regolabili a seconda dello stimolo, andando incontro a un cambiamento di stato che li porta ad aprirsi o chiudersi. Lo stimolo che regola il cambiamento conformazionale dei canali voltaggio dipendenti per il sodio e il potassio è il potenziale d’azione. Ogni carica che entra o esce dalla membrana si traduce in un cambiamento del potenziale. CANALI VOLTAGGIO DIPENDENTI L’elemento base nei canali voltaggio dipendenti è una lunga proteina con sei segmenti transmembranali da S1 a S6. Il segmento S4 (++++) è il sito che reagisce al voltaggio, ossia il sensore del segnale che media l’apertura del canale. Il loop P tra S5 e S6 è il punto dove passano gli ioni. Questa unità di base per formare un canale deve essere ripetuta quattro volte. Questa struttura è la base dei canali per sodio, potassio e calcio voltaggio dipendenti (che dipendono dalla depolarizzazione). Il canale di base è chiuso, quando rileva una variazione del potenziale mediante il sensore in S4 si apre. STRUTTURA DEI CANALI Il canale del sodio è una proteina costituita da 4 motivi ripetuti. Questi quattro motivi si dispongono a formare la struttura quaternaria della proteina, rivolgendo i quattro loop P verso il centro e andando a creare un canale per il passaggio degli ioni. Il canale del calcio è anche lui una proteina composta da quattro motivi ripetuti (stesso dominio). Il canale del potassio a differenza degli altri due questo è costituito da 4 proteine distinte a volte simili a volte diverse. Il fatto che il canale potassio sia costituito da quattro proteine diverse ci fa pensare che abbia una maggiore potenzialità di differenza funzionale. Le canalopatie sono patologie legate ai canali ionici. Per il canale del sodio ne esistono poche, poiché mutazioni associate a questo canale interferiscono con la capacità di produrre un potenziale d’azione e quindi con lo sviluppo stesso dell’organismo. Le canalopatie sono più comuni per i canali ionici che presentano più tipologie di canale in quanto una mutazione localizzata su uno di essi non impedisce il funzionamento degli altri canali e permette all’organismo di sopravvivere. Il sensore rileva il cambiamento di potenziale e induce un cambiamento nella forma base della molecola e il canale passa dallo stato chiuso a quello aperto. Il tempo in cui il canale resta aperto può variare. La conduttanza di un canale, rappresenta la sua capacità di fare passare ioni. La conduttanza dipende dalle proprietà del canale, dalla disponibilità dello ione, dai gradienti e dal potenziale. Ad esempio, se mi trovo al potenziale di equilibrio del sodio la conduttanza è zero, man mano che mi allontano diventa sempre più grande. Quello che cambia durante il potenziale d’azione è la probabilità che i canali del sodio siano aperti. Quando il potenziale viene variato e la membrana viene depolarizzata, aumenta la probabilità che il canale del sodio sia aperto rispetto al momento precedente alla stimolazione. Nel momento precedente alla stimolazione la probabilità è praticamente zero, durante la stimolazione diventa quasi uno e questo indica che per un certo tempo i canali del sodio sono tutti aperti. Se la probabilità di apertura a -50 è 0, a -40 inizia ad aumentare e rapidamente sale. Quindi se il potenziale è depolarizzato aumenta la probabilità che i canali del sodio siano aperti. Ovviamente il passaggio di carica dipende da quanto si è distanti dal potenziale di equilibrio. All’inizio quando siamo praticamente a potenziale di riposo la capacità del canale di far passare corrente è indicata dalla freccia verde, ossia se a -50 si apre un canale del sodio (improbabile) questo fa passare molta corrente perché è molto distante dall’equilibrio; a -25 ci sono più canali aperti, ma la conduttanza è diminuita e continuerà a diminuire man mano che aumenta il potenziale fino a diventare nulla quando raggiunge il potenziale di equilibrio. (+55mV) In termini pratici quello che si osserva stimolando un neurone è questa curva corrente-voltaggio che ci dice quanto sarà la corrente nei singoli potenziali in condizioni di blocco di voltaggio. Osservando la curva si deduce che se stimolo la cellula passando da un potenziale di -60 a -55 si aprono pochi canali e non passa niente, se la stimolo a -50 la probabilità rimane bassa, mentre se la stimolo nel range -40/-20 la probabilità aumenta rapidamente e anche la forza elettromotrice è ottimale. Questo poiché siamo molto distanti dal potenziale di equilibrio del sodio, per cui il massimo della corrente del sodio lo avrò in questo range con picco a -20. Se porto il potenziale da -20 a -10 avrò una corrente minore fino a raggiungere +60, potenziale a cui i canali si aprono tutti ma non è rilevabile il passaggio di corrente poiché non c’è forza elettromotrice. Il canale del sodio ha un comportamento particolare per cui se viene stimolato per 100ms o 1h o un tempo infinito si osserva che si apre solo all’inizio nei primi millisecondi e non ha importanza quanto tende a durare lo stimolo, successivamente non si osserva passaggio di corrente. Il canale dopo che si è aperto non è più sensibile. I canali del sodio non hanno solo lo stato aperto e lo stato chiuso, ma hanno anche lo stato inattivato: durante lo stato inattivato il canale non è più aperto e nemmeno stimolabile. Dallo stato chiuso il canale può passare solo allo stato aperto e dallo stato aperto solo allo stato inattivato e dallo stato inattivato allo stato chiuso. Questo comportamento ciclico lo abbiamo già osservato nella pompa sodio-potassio. Quindi anche se lo stimolo perdura, il canale del sodio è stimolabile in un tempo molto ridotto. Nei 1- 2ms in cui la regione di inattivazione risponde al potenziale, il sodio è lasciato libero di attraversare il canale seguendo il suo gradiente elettrochimico. Successivamente la molecola rimane nello stato inattivato fino a quando non è ripolarizzata (2/5ms dopo la ripolarizzazione il canale torna allo stato chiuso) A questo punto il canale può di nuovo aprirsi. I canali del sodio voltaggio-dipendenti sono tipici delle cellule eccitabili. Si trovano nei neuroni, in particolare a livello dell’assone, nel muscolo scheletrico per permettere il meccanismo di contrazione e nel miocardio di lavoro e in minor parte in altre cellule, tra cui le ghiandolari. I canali sono aperti dalla depolarizzazione, ma a loro volta producono depolarizzazione. Questo è uno dei pochi casi in cui c’è un feedback positivo, un circuito rigenerante: le cariche positive entrano, depolarizzano e stimolando altri canali del sodio permettendo l’ingresso di altre cariche positive. Per quanto riguarda i canali del potassio si osserva una situazione analoga a quella dei canali per il sodio. Il canale è formato da quattro proteine diverse. Anche queste proteine sono sensibili al potenziale, anche se in maniera differente. Quando sono depolarizzate si aprono e permettono l’ingresso dello ione potassio, però in questo caso esce dalla cellula ed ha un effetto opposto sulla membrana, tende quindi a portarla verso valori di potenziale più negativi. I canali del potassio sono molto diffusi e si trovano in molti tipi cellulari andando a costituire una famiglia formata da diverse classi con funzione diversificata. In generale i canali potassio regolano la capacità di una cellula di produrre potenziale di azione secondo un certo ritmo, in quanto condizionano la fine del potenziale e come questo porterà al potenziale successivo. Quindi condizionano l’attività dei neuroni poiché mantiene o ripristina il potenziale di riposo in molte cellule. Diversi tipi di canali del potassio sono collegati a diversi stimoli. Alcuni tipi di canali potassio sono canali passivi, sempre aperti, canali attivati dal sodio, dal calcio e accoppiati a recettori che aprono e chiudono i canali del potassio e canali legati al metabolismo. I canali del potassio rispetto a quelli del sodio sono tetrameri(composi da 4 proteine distinte), sono più diffusi e hanno una diversificazione maggiore. I canali del potassio, inoltre, lavorano su una tempistica differente rispetto ai canali del sodio: si attivano e inattivano più lentamente e quindi una capacità di rispondere al potenziale con una cinetica più lenta. I tempi in cui il canale rimane aperto sono nell’ordine delle centinaia di millisecondi. I canali si aprono quando la membrana si depolarizza, la loro probabilità di apertura aumenta man mano che si passa da un potenziale di riposo ad un potenziale più positivo. In questo caso le frecce verdi diventano progressivamente più grandi: man mano che aumenta il potenziale di membrana e maggiore è il flusso di potassio (perché ci stiamo allontanando dal potenziale di equilibrio del potassio -90mV) (invece nel sodio si osserva il contrario perché ci si avvicinava al potenziale di equilibrio +55mV) Nel caso del sodio i flussi duravano circa 3-4ms, invece nel potassio servono 40ms. Quando la corrente di potassio si blocca, quella di sodio è già ferma da un po'. I canali del potassio reagiscono più lentamente al potenziale e rimangono aperti più a lungo e le due correnti finiscono per non sovrapporsi completamente poiché espletano le due funzioni diverse di depolarizzazione e ripolarizzazione. La corrente del sodio e la corrente del potassio sono separate e indipendenti l’una dall’altra e dipendenti solo dai potenziali.  EVENTO TUTTO O NULLA il potenziale d’azione si verifica solo quando si raggiunge un certo valore soglia,se questo non viene raggiunto, l’evento non si verifica. Osservando questo grafico, è possibile analizzare i potenziale di membrana quando si iniettano, in un sistema sperimentale, delle cariche: più corrente si inserisce, maggiore è la risposta, dunque si può affermare che la risposta della membrana in termini di potenziale sia proporzionale all’intensità di corrente applicata. Inoltre, la risposta è condizionata dal tipo di cariche: le cariche positive depolarizzano la membrana, mentre quelle negative la iperpolarizzano. Tuttavia, si può notare che ad un impulso istantaneo di corrente (che nel grafico appare quadrato), non corrisponda una risposta quadrata di potenziale, che infatti sale più lentamente. Qual è il motivo di ciò? Quando iniettiamo delle cariche in una membrana, bisogna immaginare un circuito formato dalla membrana e dai canali ionici, quindi avremo rispettivamente una capacità ed una resistenza. Le prime cariche che entrano nella membrana non passano direttamente attraverso i canali, ma vanno prima a legarsi alle cariche che si trovano sulla membrana: questa prima corrente viene quindi detta corrente capacitiva. Successivamente, le cariche inizieranno a passare per i canali per cui si parla di corrente resistiva. Se la membrana è eccitabile e si inietta una quantità di cariche tale da raggiungere il valore soglia, si verifica il potenziale d’azione. Per questo motivo, quelle centrali nel grafico sono dette risposte passive, in quanto la membrana modifica il proprio potenziale a seguito dell’introduzione delle cariche, mentre il potenziale d’azione è una risposta attiva. Questo è uno schema del circuito RC: la parte resistiva è rappresenta dai canali ionici, mentre la parte capacitiva rappresenta la membrana. Introducendo la corrente, questa andrà a passare sia attraverso la parte resistiva sia attraverso la parte capacitiva. Il tempo che la membrana impiega per adeguarsi al nuovo potenziale viene espresso dal valore τ, che viene definito come il tempo necessario per raggiungere 63% del valore finale di potenziale. Ad esempio, se il valore finale è di 10 mV, τ indica il tempo necessario per raggiungere 6,3 mV. τ = RC, quindi dipende sia dalla resistenza che dalla capacità. Questo sarà importante in seguito per comprendere la propagazione del potenziale: infatti, il tempo che impiega il cambiamento di potenziale in un certo punto della membrana per spostarsi lateralmente nella porzione adiacente dipende proprio da τ. Quando si raggiunge il valore soglia di circa -50 mV, vengono aperti i canali del sodio voltaggio-dipendenti che continuano a depolarizzare la membrana, innescando un meccanismo autorigenerativo: i canali permettono l’entrata di ioni Na+ nell’assone, il che depolarizza la membrana e questo induce l’apertura di altri canali del sodio; si ha dunque un feedback positivo. (come già detto) Nei meccanismi fisiologici, sono rari i feedback positivi rispetto ai negativi. Una volta generato il potenziale d’azione, seguirà un periodo refrattario, durante la quale la membrana non è in grado di generare un nuovo potenziale d’azione. Questo si traduce nel fatto che, dopo pochi millisecondi, nel punto in cui si è generato il potenziale, i canali del sodio si inattivano. La refrattarietà è fondamentale per la propagazione del segnale, in quanto ne determina la direzione. Il segnale si propaga in una sola direzione, perché una volta trasmesso il potenziale d’azione alla porzione adiacente di membrana, la porzione iniziale diventa refrattaria e quindi non eccitabile nuovamente. La velocità di propagazione del potenziale d’azione dipende dalle caratteristiche della membrana: essa è maggiore negli assoni giganti in quanto essi hanno una resistenza longitudinale più bassa. Nel cuore, la velocità di conduzione varia in base alle dimensioni delle fibre nervose: nel nodo atrio- ventricolare l’impulso è più lento, quindi si trovano fibre molto strette con alta resistenza; nel fascio di His, invece, dove è necessario un impulso più veloce, si trovano fibre più grandi. Il potenziale d’azione si verifica solo in cellule specializzate eccitabili ed è usato per trasferire informazioni. Il concetto dell’informazione è legato alla frequenza: ad esempio, la forza muscolare dipende dalla frequenza dei potenziali d’azione che giungono agli effettori dei neuroni. Nel cervello, non è possibile avere fibre grandi, perché i neuroni presenti in esso sono miliardi quindi vi sarebbero problemi di spazio. l’impulso viene quindi reso più veloce non dalle dimensioni delle fibre nervose ma dalla presenza della mielina. La mielina è un rivestimento dell’assone formato dagli oligodendrociti nel sistema nervoso centrale e dalle cellule di Schwann nel sistema nervoso periferico. Queste cellule si avvolgono attorno all’assone formando un manicotto isolante. La mielina riduce la dispersione della corrente (aumentando la resistenza laterale) La mielina riduce la capacità: all’interno se in un condensatore le piastre sono vicine, la capacità è alta, ma se sono più distanti, come nel caso della presenza della mielina, la capacità si abbassa. Questo vuol dire che le due piastre (le due facce della membrana) legheranno meno cariche. Come spiegato precedentemente, le cariche si devono prima legare a quelle già presenti sulla membrana (corrente capacitiva) e poi possono attraversare i canali ionici (corrente resistiva). Dunque, se il numero di cariche presenti sulla membrana è minore, sarà minore la corrente capacitiva e quindi sarà necessario meno tempo per passare alla corrente resistiva, il che spiega perché la mielina aumenti la velocità di conduzione dell’impulso. Tra un manicotto di mielina e l’altro si trova una regione scoperta detta nodo di Ranvier. Il potenziale d’azione si propaga lungo l’assone mielizzato saltando da un nodo all’altro, per cui si parla di conduzione saltatoria. Quando i neuroni si demielinizzano a causa di varie patologie, la conduzione viene rallentata e diventa meno precisa. SINAPSI La sinapsi è una struttura specializzata che permette la comunicazione tra due cellule nervose (neuroni) o tra un neurone e un'altra cellula, come una cellula muscolare o una ghiandola. Una sinapsi consente il passaggio di informazioni sotto forma di segnali elettrici oppure chimici, infatti si distinguono sinapsi elettriche e sinapsi chimiche. La sinapsi è formata da strutture specializzate sia nella terminazione presinaptica (terminazione da cui parte il segnale) che nella cellula postsinaptica (cellula dove arriva il segnale). Le sinapsi elettriche sono importanti nel cuore: sono formate da un canale detto connessone costituito da due proteine (connessine) una presente sulla membrana presinaptica e l’altra sulla membrana postsinaptica. Attraverso il connessone possono passare cariche elettriche ma anche molecole e si tratta di una giunzione regolabile. Il passaggio di informazioni tra una cellula all’altra è estremamente veloce proprio perché esse sono direttamente collegate dal connessone, motivo per cui si trovano sinapsi elettriche nel cuore. Nelle sinapsi elettriche la propagazione del segnale è bidirezionale: la depolarizzazione di A può trasferirsi in B e la depolarizzazione di B può trasferirsi in A. Inoltre, le sinapsi elettriche permettono la trasmissione di segnale sotto soglia che non generano un potenziale d’azione. La maggior parte delle sinapsi sono di tipo chimico: esse sono formate da un bottone presinaptico, in cui si trovano le vescicole che contengono i neurotrasmettitori, e uno postsinaptico, che presenta i recettori per i neurotrasmettitori.