Fisiologia umana: cellulare, sistema nervoso, cardiovascolare e renale

Fisiologia umana

Programma del corso

Fisiologia delle cellule eccitabili

• La membrana cellulare: struttura e permeabilità. Il trasporto di sostanze attraverso la membrana: canali ionici e trasportatori.
• Il potenziale di membrana a riposo.
• Il potenziale d'azione. Conduzione del potenziale d'azione.
• La sinapsi: sinapsi elettriche e chimiche. Neurotrasmettitori e recettori. Potenziali postsinaptici eccitatori ed inibitori; sommazione spaziale e temporale.
• Placca neuromuscolare . La cellula muscolare. Il meccanismo della contrazione nella cellula muscolare striata e liscia. Scossa semplice e tetano muscolare.

Fisiologia del sistema nervoso autonomo e dell'endocrino

• Organizzazione del sistema orto- e para-simpatico.
• Secrezione endocrina. Tipi di ormoni. Recettori per gli ormoni. Controllo della secrezione ormonale.
• Asse ipotalamo-ipofisario.

Fisiologia dell'apparato cardiovascolare

• Sangue ed emostasi.
• Caratteristiche delle cellule miocardiche: potenziali di riposo e d'azione. Origine del battito cardiaco. Il sistema di conduzione.
• Eventi meccanici del ciclo cardiaco e gettata cardiaca.
• La circolazione sanguigna. Pressione arteriosa e sua regolazione. Scambi capillari e ritorno venoso.

Fisiologia della respirazione

• Organizzazione funzionale del polmone e delle vie aeree.
• Meccanica della respirazione. Spirometria.
• Scambi gassosi. Trasporto dei gas nel sangue.
• Regolazione nervosa e chimica della respirazione.

Fisiologia renale

• Organizzazione funzionale del rene: il nefrone.
• Filtrazione glomerulare. Funzioni tubulari: riassorbimento e secrezione.
• La minzione
• Controllo endocrino del metabolismo idrico-salino.

Lezione 1 - Fisiologia cellulare

La membrana cellulare: struttura e organizzazione

La membrana cellulare è un doppio strato lipidico molto importante per proteggere gli organelli e il citoplasma dall'ambiente esterno; inoltre, permette il passaggio di nutrienti, messaggeri molecolari e prodotti del metabolismo cellulare.

La membrana è costituita per la maggior parte da fosfolipidi e proteine.

Fosfolipidi

I fosfolipidi sono molecole anfipatiche: hanno una testa polare (idrofila), costituita da glicerolo, fosfato e colina, e due code di acidi grassi apolari (idrofobe).

Per questo, i fosfolipidi che formano i due strati della membrana si dispongono con le teste esposte a contatto con l'ambiente acquoso e le code apolari verso l'interno, a formare un doppio strato fosfolipidico.

Proteine

Possono essere:

• Estrinseche legate debolmente alla membrana plasmatica
• Integrali attraversano completamente lo spessore del doppio strato fosfolipidico (per es. recettori di membrana a 7 domini transmembrana, per le catecolammine)

Esistono cinque tipologie predominanti di proteine di membrana:

• Proteine strutturali: interazioni con citoscheletro, giunzioni tra cellule
• Enzimi: catalizzano reazioni chimiche sulla superficie della cellula
• Recettori
• Trasportatori
• Canali: pori della membrana attivi o passivi, importanti per il trasporto facilitato

Permeabilità e trasporto di sostanze attraverso la membrana: trasportatori e canali ionici

Le proteine trasportatrici (carriers)

Sono proteine integrali di membrana, che trasportano molecole secondo un processo piuttosto complesso, più lento rispetto ai canali. Infatti, trasportano un singolo ione per volta a seguito di legame specifico.

I carriers muovono da mille a diecimila molecole al secondo.Possono lavorare consumando energia (ATP), muovendo molecole contro gradiente di concentrazione, oppure senza consumo di energia muovendole a favore di gradiente.

I metodi di trasporto delle molecole attraverso la membrana possono essere:

• Attivo: movimento contro gradiente di concentrazione e/o di potenziale accoppiato ad altre reazioni biochimiche o co-trasporto di altre molecole o

Trasporto attivo primario: richiede direttamente consumo di ATP (per es. pompa Na+/K+ ATPasi) o

Trasporto attivo vescicolare (endocitosi, esocitosi, pinocitosi, fagocitosi) o

Trasporto attivo secondario: co-trasporto (simporto o antiporto). Accoppia l'energia cinetica di una molecola che si muove a favore del proprio gradiente di concentrazione al trasporto di una molecola che si muove contro il proprio gradiente di concentrazione

• Passivo: movimento passivo guidato sollo dalla differenza di concentrazione elo differenza di potenziale o

Diffusione semplice: la molecola passa la membrana per diffusione in essa o

Diffusione facilitata: attraverso canali o trasportatori. La molecola passa attraverso proteine di membrana come canali ionici o carriers (per es. GLUT2 espresso nella membrana delle cellule epatiche)

Alcuni carrier trasportano una sola molecola (uniporto); altri ne trasportano più di una (cotrasporto), se le due molecole vengono trasportate nella stessa direzione si parla di simporto, se invece vengono portate in direzioni opposte si parla di antiporto.

Le proteine canale

I canali sono proteine integrali ubiquitarie delle membrane cellulari.

Alcuni canali sono sempre aperti (passivi), altri si aprono in risposta a opportuni stimoli, che possono essere voltaggio, chimico, meccanico, temperatura (attivi).

Non richiedono energia perché permettono passaggio di H2O, ioni e piccole molecole solo a favore di gradiente. Sono fondamentali per il trasporto facilitato.

Muovono decine di milioni di ioni al secondo, con un flusso rapidissimo.

Dai canali ionici dipende l'eccitabilità di membrana (il potenziale di membrana a riposo, il potenziale d'azione, i potenziali postsinaptici eccitatori e inibitori del neurone e del muscolo liscio e striato).

I canali sono inoltre bersaglio di molti farmaci, quali le benzodiazepine e molti antidepressivi, che ne modulano l'attività, ed il loro malfunzionamento porta allo sviluppo di patologie, anche molto gravi.

Sono proteine di grandi dimensioni in grado di riconoscere e selezionare gli ioni, in assenza delle quali la membrana plasmatica sarebbe completamente impermeabile agli ioni.

Classificazione

I canali vengono classificati in base al meccanismo di gating, cioè in base al meccanismo che li porta dallo stato chiuso allo stato aperto in:

• Passivi (non gated) sempre aperti
• Attivi (gated) normalmente sono chiusi, si aprono in risposta a stimolo adeguato hanno uno stato aperto e uno chiuso o

Voltage-gated: si aprono in risposta alla variazione del potenziale di membrana, di solito a seguito di una depolarizzazione o

Ligand-gated: attivati da uno stimolo chimico, importanti per la sinapsi chimica o

Mechanosensitive: si aprono in seguito allo stress meccanico che appesantisce la membrana in cui il canale è inserito (es. neuroni sensoriali) o

Temperature-gated: vengono stimolati dai cambiamenti di temperatura

Lo stimolo che apre i canali attivi può essere chimico (trasmissione sinaptica), elettrico (PA di tutte le cellule eccitabili, variazione di voltaggio) o meccanico (neuroni sensitivi, recettori o meccanocettori).

Filtro di selettività ionica

La selettività di un canale non dipende dalla dimensione dello ione o dal suo livello di idratazione, ma si basa su un vero e proprio riconoscimento chimico.

Infatti, nella struttura vestibolare del canale stesso sono presenti amminoacidi con gruppi funzionali che terminano con residui carichi, a formare un sito di legame specifico per lo ione. Questo sito di legame è altamente selettivo, e ha bassissima affinità per lo ione, cioè lo lega per pochissimo tempo e debolmente così da liberarlo dalla sua ingombrante nube di idratazione. Dopodiché, lo ione si muove secondo il suo gradiente elettrochimico (di concentrazione, chimico, e di carica, elettrico).

Modalità di apertura e chiusura

Quando uno stimolo arriva alla cellula, ne modifica il potenziale di riposo che, da un valore più negativo, diventa meno negativo (depolarizzazione). Questo porta ad una transizione di configurazione dei canali di tipo attivo (flickering), che in questo momento hanno un'aumentata probabilità di trovarsi allo stato aperto. Il canale sarà aperto per la maggior parte del tempo, ma può tornare allo stato chiuso.

Nella maggior parte dei casi, dopo un certo periodo di tempo, anche se lo stimolo che ha determinato l'apertura del canale non si interrompe, questo andrà a chiudersi. La refrattarietà è una condizione in cui, pur perdurando lo stimolo specifico che determina l'apertura del canale, il transito degli ioni è impedito da un meccanismo indipendente da quello di apertura o chiusura. Per i canali attivati da voltaggio si parla di inattivazione, mentre per i canali ligando-dipendenti di desensitizzazione.

Il canale potrà riaprirsi solo una volta che il primo stimolo è terminato, e un nuovo stimolo lo raggiunge.

L'apertura di un canale voltaggio-dipendente è controllata dai segmenti S4 carichi positivi (sensori di potenziale) che si muovono durante una depolarizzazione.

Relazione tra struttura molecolare e funzione

Il canale del Na+ voltaggio-dipendente è costituito da una grande proteina che va a formare il poro.

La proteina è formata da una subunità alfa, che forma il poro, e altre subunità accessorie beta e gamma.

La subunità alfa è composta da quattro oligomeri, ciascuno dei quali a sua volta comprende 6 segmenti, 1 ansa che non attraversa completamente la membrana e delle anse citoplasmatiche.

Il segmento S4 è dotato di cariche positive che permettono al canale di rispondere al cambiamento di potenziale di membrana, sono quindi sensori di potenziale. Lo stimolo depolarizzante porta all'apertura del canale.

Il potenziale di membrana a riposo

Come si misura il potenziale di membrana di una cellula a riposo?

La membrana è elettricamente polarizzata; questa polarizzazione a riposo assume valori sempre negativi ma diversi da tipo cellulare a tipo cellulare, e riveste un ruolo di particolare interesse nelle cellule eccitabili.

Infatti, le cellule eccitabili sono in grado di andare in contro ad una variazione transitoria rapidissima in senso positivo (depolarizzazione) dei valori del potenziale di membrana a riposo, generando il potenziale d'azione.

Anche cellule non eccitabili possono subire una variazione più lenta del loro Vm in risposta a stimoli adeguati.

Il potenziale di membrana a riposo può variare tra -35 e -100 mV. Viene misurato attraverso uno strumento detto voltmetro, un apparecchio che entra in contatto con la cellula attraverso un microelettrodo di qualche micron, introdotto nel citoplasma. La misura della differenza di potenziale tra l'ambiente esterno ed interno avviene grazie ad un secondo elettrodo di riferimento immerso nel liquido extracellulare.

Se una cellula ha un potenziale di membrana a riposo pari a -70 mV, qualsiasi valore più positivo è un valore depolarizzato, e qualsiasi valore più negativo è iperpolarizzato.

Perché il potenziale di membrana a riposo delle cellule è sempre negativo?

L'esempio più semplice è il caso dell'astrocita, una cellula gliale che ha solo permeabilità passiva per il K+.

1. La pompa Na+\K+ ATPasi genera un gradiente di concentrazione di ioni K+ (K+ extracellulare: 3-4 mM; K+ intracellulare: 140 mM) portando all'esterno 3 ioni Na+ e all'interno 2 ioni K+, utilizzando ATP. Se non fosse presente questo gradiente di concentrazione, non si registrerebbe nessun potenziale negativo. Tuttavia, questo gradiente non è sufficiente per rendere il potenziale negativo, ma c'è bisogno sulla membrana di canali passivi per il K+.
2. La membrana cellulare è ricca di canali passivi per il K+ (sempre aperti)

Il Vm risulta negativo perché esiste un gradiente di K+ ai capi della membrana, a cui la membrana stessa è altamente permeabile:

• Il gradiente di concentrazione degli ioni K+ genera una corrente uscente di K+ che sottrae cariche positive dall'interno della cellula
• Quindi, il potenziale diventa negativo all'interno della cellula e richiama K+ dall'esterno verso l'interno. Questo genera una corrente entrante di K+
• Il sistema trova il suo equilibrio quando corrente uscente K+ = corrente entrante K+