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FONDAMENTI DI FISIOLOGIA ANIMALE - AMBIENTE INTERNO ED OMEOSTASI

medicina


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FONDAMENTI DI FISIOLOGIA ANIMALE

La fisiologia è la scienza che studia le funzioni dell'organismo. Il corpo è una struttura composta da cellule organizzate in maniera ordinata. Le cellule sono raggruppate in tessuti a loro volta raggruppati a formare gli organi. Gli organi funzionano assieme per formare un sistema di organi. Le cellule possono essere raggruppate in quattro categorie: neuroni, cellule muscolari, cellule epiteliali, cellule connettivali. Questa separazione si basa sulla loro funzione. CLASSIFICAZIONI ALL'INTRODUZIONE

AMBIENTE INTERNO ED OMEOSTASI

L'interno del corpo e l'esterno sono separati da un singolo strato di cellule di tessuto epiteliale. L'ambiente esterno è separato da una barriera che include la cute, l'epitelio dei polmoni, del sistema gastrointestinale, e dei tubuli renali. Ciò significa che quando il cibo entra nello stomaco o l'aria entra nello stomaco, le sostanze sono al di fuori del corpo poiché si trovano sul versante esterno della barriera epiteliale. Questa barriera è continua fra polmoni, sistema gastrointestinale e cute in pratica fanno parte dello stesso apparato.

Per vivere le cellule devono ricevere ossigeno e nutrienti dall'ambiente circostante e riversare all'esterno prodotti di scarto e anidride carbonica. La sorgente da cui si riceve e si cede, è l'ambiente esterno ma lo scambio non è diretto perché le cellule non sono a diretto contatto con l'esterno. Le cellule ricevono nutrienti e ossigeno mediante il circolo che inoltre trasporta ossigeno e trasporta via dalle cellule prodotti di scarto e anidride carbonica. La maggior parte delle cellule non è a diretto contatto con il sangue ma è circondata da un fluido separato che scambia con lui le sostanze. Poiché questo fluido forma l'ambiente più prossimo alle cellule viene chiamato mezzo interno.




Per scambiare le sostanze il sangue deve ricevere alimenti e ossigeno dall'ambiente esterno e riversarvi anidride carbonica e scarti. Lo scambio avviene in diversi luoghi ma principalmente nei polmoni nei reni e nel tratto gastrointestinale. Nei polmoni l'aria entra in circolo mentre l'anidride carbonica viene espulsa con l'aria espirata. Nel tratto gastrointestinale avviene il trasporto dal lume al sangue di acqua, Sali inorganici e nutrienti estratti dal cibo digerito attraverso un processo di assorbimento. Nello stomaco per favorire la digestione c'è una secrezione di acid 454g62e i gastrici e fluidi ricchi di enzimi che facilitano la digestione. Le sostanze non assorbite rimangono nel tratto intestinale e vengono espulse tramite le feci. Nei reni si verifica un flusso di sangue dovuto ad un processo di ultrafiltrazione. Man mano che il liquido filtrato procede lungo i tubuli le sostanze necessarie sono riportate di nuovo nel sangue mediante un processo di riassorbimento. Sostanze non necessarie seguono il percorso inverso e vengono portate in maniera selettiva dal sangue ai tubuli tramite un processo di secrezione. Il liquido che raggiunge la parte finale dei tubuli costituisce l'urina eliminata dal corpo tramite escrezione (al suo interno troviamo scarti, acqua e Sali in eccesso).

Il costituente maggiore dell'organismo è l'acqua che agisce da solvente per la maggior parte dei soluti che si trovano nei fluidi corporei. 

Caratteristiche dei sistemi omeostatici e di controllo

Le cellule dell'organismo sono molto sensibili alle modificazioni dell'ambiente in cui si trovano. Se un organo o un tessuto viene rimosso dal corpo, l'ambiente delle cellule comincia a cambiare immediatamente a causa dell'interruzione del flusso di sangue. Ad esempio comincia a ridursi la concentrazione di ossigeno e aumenta quella di anidride carbonica. Per adeguarsi alle variazioni dell'ambiente circostante l'organismo possiede una serie di meccanismi regolatori che lavorano per mantenere relativamente costanti le condizioni del mezzo interno. Il mantenimento di una condizione costante nel mezzo interno viene definito omeostasi. Questo significa che composizione, temperatura e volume del liquido extracellulare non cambiano significativamente in condizioni normali. Il liquido extracellulare viene mantenuto ad una temperatura di circa 37°C (temperatura corporea), così come è mantenuta costante la concentrazione di molti soluti (ossigeno, calcio, glucosio, anidride carbonica). Quando ad esempio, l'ambiente si riscalda o si effettua un esercizio fisico, la temperatura corporea sale. Questo aumento attiva dei meccanismi regolatori che riportano la temperatura a valori normali. La regolazione funziona solo se non si raggiungono valori eccessivi per il sistema di termoregolazione o se la temperatura ambiente non raggiunge valori estremi. Qualsiasi malfunzionamento provoca la comparsa di sintomi di malattia perché influenza il comportamento di sistemi interi di organi.

La temperatura corporea fa parte delle variabili regolate come le concentrazioni plasmatiche di sodio, potassio e calcio mantenute costanti dai meccanismi di regolazione omeostatici. La maggior parte dei sistemi di controllo agisce con un meccanismo di feedback negativo. Se una variabile regolata del sistema aumenta il sistema risponde facendola diminuire e viceversa se diminuisce risponde con un aumento. Se la variabile rimane costante il sistema di controllo non interviene, infatti questo lavora solo quando ci sono differenze tra la variabile da regolare e un valore di riferimento (set point). Ogni differenza rilevata è il segnale di errore. La funzione principale di questi sistemi è quella di ridurre al massimo il segnale di errore.

Componenti dei sistemi omeostatici a feedback

Per funzionare in maniera corretta un meccanismo regolatore omeostatico, deve essere in grado di rilevare le oscillazioni della variabile regolata. Questa capacità viene assicurata dall'azione di sensori (spesso neuroni), che sono cellule sensibili alle modificazioni delle variabili. Ad esempio alcuni vasi sanguinei contengono delle cellule chiamate chemorecettori che sono sensibili alle variazioni di ossigeno e anidride carbonica. Sparsi per il corpo altri neuroni chiamati termorecettori sono sensibili alle variazioni della temperatura. I sensori inviano dei segnali (input), che raggiungono un centro integrativo (spesso un particolare insieme di circuiti nervosi nel cervello) che compara il segnale di ingresso con il set point della variabile e organizza le risposte appropriate generando dei segnali di uscita (output) diretti a cellule, tessuti o organi coinvolti nella risposta finale chiamati effettori. Per controllare la temperatura corporea i termo recettori mandano segnali ai centri termoregolatori nel cervello i quali sono responsabili della regolazione della temperatura. Questi, quando la temperatura supera il set point, mandano segnali agli effettori che inducono una riduzione della temperatura. Questa variazione è avvertita dai termorecettori che la mandano nuovamente in ingresso al sistema e cioè ai termoregolatori generando il così detto ciclo feedback. Il sistema precedente è chiamato a feedback negativo perché la risposta del sistema (riduzione di T), va in direzione opposta al cambiamento che l'ha prodotta (aumento di T). Il feedback negativo permette così di rendersi conto se effettivamente funzionano gli aggiustamenti prodotti per regolare la variabile. La T deve essere sempre monitorata momento per momento dai termoregolatori, per evitare che questi portino la T sotto i valori di set point.

Esistono anche dei sistemi di controllo a feedback positivo, dove la risposta del sistema varia nella stessa direzione del cambiamento della variabile che lo ha prodotto. E' molto utile per permettere ad una variabile di variare molto velocemente in risposta ad uno stimolo. La crescita rimane comunque controllata da fattori che agiscono per interrompere il feedback positivo rimuovendo lo stimolo o limitando la capacità di risposta del sistema. Nelle femmine ad esempio l'ipofisi (ghiandola posta alla base del cervello) secerne un ormone LH (luteinizzante) che stimola le ovaie a secernere estrogeni i quali regolano la funzione riproduttiva. Un aumento della concentrazione plasmatica di estrogeni porta un aumento della secrezione di LH, il quale aumenta quella degli estrogeni , di LH e così via. Il risultato è un aumento rapidissimo dell' LH plasmatico (picco dell' LH) che induce l'ovulazione. Durante il picco LH cresce rapidamente ma poi inizia a decrescere perché l'ovulazione inibisce temporaneamente la produzione di estrogeni. Questo porta alla rimozione dello stimolo fornito dagli estrogeni e riporta i valori di LH a quelli normali.

Risposte locali

Arco riflesso

Regolazione della temperatura corporea degli omeotermi

Gli animali pecilotermi sono quelli sprovvisti di termoregolazione (insetti, serpenti .) mentre i mammiferi e gli esseri umani sono chiamati omeotermi sono capaci di mantenere la propria temperatura corporea in una ambito piuttosto ristretto (termoregolazione). Tutti gli animali producono calore tramite il metabolismo e gli omeotermi sono in grado di controllare la propria temperatura regolando la velocità con la quale il calore viene prodotto e disperso dall'organismo. Aumentando la velocità di produzione del calore e/o riducendo quella di dispersione la T sale viceversa diminuendo quella di produzione e/o aumentando quella di dispersione la T scende. Vi sono sempre dei limiti nei quali questi meccanismi possono funzionare. Prolungate esposizioni a temperature rigide possono portare ad una riduzione della temperatura corporea sotto il valore di set-point (condizione di ipotermia). Al contrario sforzi fisici o temperature elevate possono portare alla situazione opposta, cioè temperatura corporea superiore al set point (ipertermia).

Nelle condizioni normali l'organismo cede calore all'ambiente esterno perché normalmente, la temperatura esterna è più bassa di quella corporea. In genere la dispersione avviene in tre modi:

Irraggiamento: l'energia termica è trasferita all'ambiente sottoforma di radiazione elettromagnetica. Quando un oggetto è più caldo dell'ambiente circostante emette più energia di quanta ne assorbe quindi perde calore. Un esempio può essere il calore che si sente anche a diversi metri di distanza da un fuoco.

Conduzione: trasferimento di energia termica tra oggetti in diretto contatto. Il calore viene sempre trasferito dal corpo più caldo a quello più freddo.

Evaporazione: viene perso calore da un oggetto mediante l'evaporazione dell'acqua dalla sua superficie. Quando l'acqua evapora dal corpo il processo che la converte dalla forma liquida a quella gassosa assorbe calore. L'evaporazione che avviene dalla pelle, dalla superficie interna dei polmoni e da altre superfici umide come l'interno della bocca viene definita perdita inconsapevole (insensibile) di acqua. Il corpo perde acqua anche per l'evaporazione del sudore che è una soluzione salina che viene secreta dalle numerose ghiandole sudoripare in base alle necessità dell'organismo, ad esempio aumentando la sudorazione quando si deve aumentare la dispersione di calore. Se la temperatura esterna è maggiore di quella corporea conduzione e irraggiamento trasferiscono calore al corpo e l'unico modo di disperdere il calore in eccesso è quello di aumentare la sudorazione. L'acqua evapora anche se la temperatura esterna è maggiore, basta che il tasso di umidità non sia troppo alto.

Convezione: trasferimento di calore da un luogo all'altro mediante movimento di gas o liquidi contribuisce alla perdita di calore in un giorno di vento. L'aria si riscalda prendendo calore dal contatto con la nostra pelle. Questo forma una specie di coperta attorno al nostro corpo che rallenta la dispersione di calore per conduzione. Inoltre siccome contiene l'umidità evaporata dalla nostra pelle, tende ad essere più umida di quella circostante e riduce di conseguenza la velocità di evaporazione del sudore della pelle.

Gli sforzi termoregolatori sono coordinati da diversi centri nel cervello. Il più importante è l'ipotalamo, una regione che si trova alla base del cervello sopra l'ipofisi. I segnali di ingresso (input) a questi centri cerebrali provengono da termorecettori localizzati nel cervello, nel midollo spinale e in altri organi interni. Questi termorecettori centrali sono molto importanti perché misurano la temperatura nelle regioni più profonde dell'organismo (temperatura centrale). Altri termorecettori chiamati periferici, si trovano nella cute esposti a temperature molto al di sotto delle temperatura centrale e molto più variabili, permettono però di rilevare la temperatura dell'ambiente esterno. I segnali di output vengono trasferiti tramite neuroni, agli effettori che modificano la velocità di produzione e dispersione del calore. Gli effettori comprendono:

Ghiandole sudoripare: controllano la dispersione termica indotta dall'evaporazione aumentando o riducendo la secrezione del sudore.

Vasi sanguigni cutanei: controllano la dispersione termica per conduzione e irraggiamento aumentando o riducendo il flusso sanguigno cutaneo.

Muscoli scheletrici: che controllano la produzione di calore mediante i brividi, rapide contrazioni involontarie dei muscoli che generano calore in seguito al metabolismo correlato alla contrazione muscolare.


Se la temperatura esterna rimane in un ambito di termo neutralità (25-30°), le modificazioni del flusso sanguigno cutaneo sono di norma sufficienti a riportare la temperatura centrale a valori normali.

REGOLAZIONE ORMONALE

Generalità degli ormoni e ghiandole endocrine

Per le comunicazioni a lunga distanza il l'organismo possiede due tipi di sistemi il sistema endocrino che comunica lentamente liberando ormoni e il sistema nervoso che comunica rapidamente liberando neurotrasmettitori. Gli organi che compongono il sistema endocrino sono le ghiandole endocrine che derivano dal tessuto epiteliale. Si trovano in molti organi e possono essere organi endocrini primari per i quali la principale funzione è la secrezione di ormoni e organi endocrini secondari per i quali la secrezione di ormoni è secondaria ad altre funzioni. Alcuni organi primari si trovano nel cervello (ipotalamo, ipofisi, epifisi), altri sono situati al di fuori del sistema nervoso (tiroide, paratiroide, ghiandole surrenali e gonadi).

Comunicazione cellulare

Ci sono due tipi di possibili comunicazioni fra le cellule. La giunzioni comunicanti che collegano cellule adiacenti, sono formate da particolari proteine le connessine, che formano particolari strutture chiamati connessioni. Questi formano dei canali che permettono il diffondersi di ioni e piccole molecole da una cellula all'altra. Il movimento degli ioni accoppia elettricamente le cellule facendo si che i segnali elettrici di una cellula vengono trasmessi direttamente ad una adiacente. Si trovano ad esempio nel cuore e nei muscoli lisci di vari organi interni come i vasi sanguigni e l'intestino. Permettono anche ai nutrienti di raggiungere cellule delle ossa che sono lontane dal flusso sanguigno.

Più di frequente le cellule comunicano mediante messaggeri chimici che sono ligandi e si legano alle proteine in maniera reversibile. Una cellula rilascia una sostanza nel liquido interstiziale e quando raggiunge la cellula bersaglio vi si lega per la presenza su questa di particolari recettori. Q uesto legame induce nella cellula bersaglio una risposta grazie ai meccanismi di trasduzione del segnale. Il numero di recettori e la concentrazione del messaggero nel liquido interstiziale influenza il numero di recettori legati.

Natura degli ormoni e cenni di biosintesi

I messaggeri possono essere classificati in base alla loro funzione e alla loro struttura chimica:

Paracrini : sostanze chimiche che comunicano con le cellule vicine. La cellula bersaglio deve essere abbastanza vicina da poter essere raggiunta per diffusione semplice. Ad esempio l'istamina nelle reazioni allergiche.

Autocrini : simili ai paracrini ma la agiscono sulla stessa cellula che li ha secreti spesso regolano la propria secrezione.

Neurotrasmettitori : rilasciati nel liquido interstiziale da cellule del sistema nervoso, i neuroni. Fuoriescono da una porzione specializzata del neurone chiamato terminale assonico, molto vicino alla cellula bersaglio. La giunzione fra due cellule nervose viene chiamata sinapsi  per cui la comunicazione fra due neuroni viene chiamata comunicazione sinaptica. La cellula che libera il neurotrasmettitore è chiamata neurone presinaptico, il bersaglio cellula postsinaptica. La comunicazione è molto specifica infatti riguarda solo quelle cellule in diretto contatto con il neurone. Ad esempio l'acetilcolina rilasciata da neuroni provoca la contrazione del muscolo scheletrico.

Ormoni : vengono rilasciati da ghiandole endocrine (a volte da altri tessuti e organi) nel liquido interstiziale, da dove diffondono nel sangue fino a raggiungere tramite il circolo la loro cellula bersaglio. Possono essere anche molto distanti e solo alcune hanno recettori per legarlo e rispondere alla sua azione. Ad esempio l'insulina secreta dal pancreas agisce su cellule di tutto l'organismo regolando il metabolismo energetico.

Neurormoni : secreti da neuroni (cellule neurosecretrici), con un meccanismo simile a quello dei neurotrasmettitori. Come i classici ormoni vengono distribuiti mediante il circolo. Ad esempio la vasorepressina , ADH o antidiuretico, è secreta dall'ipotalamo attraverso l'ipofisi, e mediante il circolo arriva fino ai reni dove riduce il volume delle urine.

Citochinine : rilasciate da molte cellule in particolare dai globuli bianchi. Collaborano alla risposta immunitaria ed aiutano l'organismo a difendersi da agenti patogeni. Funzionano come paracrini, ma possono anche diffondersi a lunga distanza (ad esempio l'interferone).

Possono essere classificati anche in base alla loro composizione chimica, la caratteristica più importante è la capacità di sciogliersi in acqua o di poter attraversare il doppio strato lipidico della membrana. Molecole lipofofiliche (idrofobiche) non si sciolgono in acqua ma essendo liposolubili possono attraversare la membrana plasmatica. Quelle lipofobiche (idrofiliche) sono solubili in acqua ma non possono attraversare la membrana cellulare.

Aminoacidi : molecole lipofobiche che non possono attraversare la membrana e si sciolgono in acqua. Funzionano come neurotrasmettitori. Vengono sintetizzati dai neuroni che li utilizzano come messaggeri (glutammato, aspartato, glicina, GABA sono quelli usati)

Amine : derivano dagli aminoacidi e possiedono un gruppo amminico (NH2). Comprendono la dopamina, noradrenalina, adrenalina. Sono lipofobiche e idrosolubili. Gli ormoni tiroidei sono un eccezione perché sono lipofilici e possono attraversare le membrane. Vengono sintetizzati nel citoplasma tramite una serie di reazioni catalizzate da enzimi (tranne i tiroidei).

Peptidi/proteici : catene di aminoacidi. Non possono attraversare le membrane e si sciolgono in acqua. Vengono sintetizzati a partire da molecole di RNAm.

Steroidi : derivano dal colesterolo. Funzionano tutti come ormoni. Chiaramente sono lipofilici e attraversano le membrane mentre non si sciolgono in acqua. La molecola del colesterolo viene modificata tramite una serie di reazione catalizzate da enzimi nel reticolo endoplasmatico liscio o nei mitocondri.

Eicosanoidi: sono lipidi e attraversano facilmente la membrana. Vengono sintetizzati a partire dagli steroidi.

Come detto i messaggeri possono essere trasportati per diffusione alle cellule vicine e mediante il circolo. Qui possono essere libere o legati a proteine trasportatrici. Se il messaggero è idrofilico è trasportato in forma libera altrimenti deve essere legato. Anche se è trasportato legato una piccola parte si scioglie comunque nel plasma (1%). Solo quello libero è disponibile per legarsi ai recettori. Man mano che il messaggero si lega si sposta l'equilibrio e dal trasportatore si libera altra sostanza. Una volta in circolo gli ormoni vengono degradati. L'emivita è la durata della persistenza di un ormone in circolo, quelli liberi la hanno molto corta (minuti), quelli legati vengono protetti e possono averla di alcune ore.

Regolazione della secrezione ormonale, asse ipotalamo- ipofisario

Degli organi endocrini primari fanno parte l'ipotalamo e l'ipofisi. Queste due regioni insieme controllano molte funzioni del nostro organismo. L'ipotalamo è una regione del cervello che ha altre funzioni oltre alla secrezione degli ormoni. E' considerato ghiandola endocrina  primaria perché secerne molti ormoni dei quali molti agiscono sull'ipofisi (ghiandola pituitaria) che è una struttura a forma di pisello collegata all'ipotalamo mediante un sottile peduncolo di tessuto chiamato infundibulo. L'ipofisi è suddivisa, strutturalmente e funzionalmente in due lobi distinti l'adenoipofisi (anteriore) e la neuroipofisi (posteriore).

Le connessioni fra l'ipotalamo e i due lobi dell'ipofisi sono diverse e ne condizionano la funzione. Il lobo posteriore (neuroipofisi), contiene tessuto nervoso costituito dalle terminazioni dei neuroni che hanno il corpo cellulare nell'ipotalamo. Queste terminazioni nervose secernono due ormoni peptidici l'ADH (antidiuretico o vasorepressore) e l'ossitocina. Dopo essere sintetizzati tramite vescicole vengono portati alla neuroipofisi tramite le terminazioni nervose. Questi vengono rilasciati per esocitosi quando questi neuroni ricevono un segnale in genere da altri neuroni. Quindi gli ormoni raggiungono il sangue (neurormoni perché sono rilasciati da neuroni e non da ghiandole endocrine). L'ADH regola il riassorbimento nei reni e l'ossitocina invece le contrazioni uterine e l'eiezione di latte dalla mammelle.

La connessione fra i neuroni dell'ipotalamo e l'adenoipofisi controllano prevalentemente la secrezione di ormoni trofici, cioè che regolano la secrezione di altri ormoni. Possono essere stimolanti se aumentano la secrezione, o inibenti se la diminuiscono. L'ipotalamo rilascia un ormone trofico che influisce sul rilascio di un altro ormone trofico da parte dell'adenoipofisi che a sua volta agisce sul rilascio di un terzo ormone prodotto da un'altra ghiandola endocrina. E' il terzo ormone che agisce sulle cellule bersaglio dell'organismo.

L'ipotalamo e l'adenoipofisi sono connessi mediante il sistema portale ipotalamo-ipofisario. Sistema indica una sistemazione particolare dei vasi sanguigni, in cui due letti capillari sono disposti in serie uno dopo l'altro. I capillari sono i vasi sanguigni più piccoli dell'organismo dove avviene lo scambio di sostanze tra sangue e tessuti. Dopo che l'ormone trofico è stato rilasciato dall'ipotalamo dentro una vescicola attraverso il letto capillare che lo perfonde, questo attraversa l'infundibolo e raggiunge un secondo letto capillare nell'adenoipofisi. Gli ormoni trofici inibiscono o stimolano il rilascio di ormoni adenoipofisari. Questo avviene per portare gli ormoni trofici direttamente alle loro cellule bersaglio nell'adenoipofisi, evitando che questi siano diluiti o degradati dagli enzimi del circolo.

L'adenoipofisi è più simile ad una ghiandola endocrina rispetto alla neuroipofisi perché gli ormoni vengono prodotti da cellule che si trovano all'interno della ghiandola stessa. La secrezione di questi ormoni è regolata da ormoni trofici che vengono secreti dall'ipotalamo.

La secrezione degli ormoni dell'ipotalamo è regolata da segnali che arrivano ai neuroni ipotalamici. Gli ormoni dell'ipotalamo sono 5 stimolanti e 2 inibenti. Ormone stimolante per il rilascio di prolattina, inibente alla prolattina (dopamina), tiroide stimolante, stimolante per la corticotropina, stimolante per l'ormone della crescita, inibente all'ormone della crescita, stimolante al rilascio delle gonadotropine (follico-stimolante).

La secrezione degli ormoni ipotalamici e ipofisari è controllata da circuiti a feedback sia negativo che positivo. Per prevenire l'eccessiva produzione di ormoni adenoipofisari viene usato il feedback negativo corto, che è un feedback negativo che agisce sull'ipotalamo limitando la secrezione dell'ormone trofico in base alla quantità di quello ipofisario. Di conseguenza diminuisce anche la sua quantità. Il feedback negativo lungo è effettuato da ormoni che sono stimolati da ormoni trofici ed anche questo agisce sull'ipotalamo.

La ghiandola pineale o epifisi si trova nel cervello e secerne la melatonina. Sembra che sia importante per stimolare il ritmo circadiano (sincronizza le attività dell'organismo rispetto al ciclo luce-buio).

La tiroide è una struttura a forma di farfalla che si trova sulla superficie ventrale della trachea e secerne la tiroxina (T4) la triiodotironina (T3) e la calcitonina. Gli ormoni T3 e T4 controllano il metabolismo corporeo e sono necessari per la crescita e il normale sviluppo dell'organismo. La calcitonina controlla la concentrazione plasmatica di calcio. Le quattro ghiandole paratiroidi sono più piccole e localizzate sulla superficie posteriore e secernono l'ormone paratiroideo che regola a concentrazione plasmatica di calcio.

Il timo si trova vicino al cuore e secerne la timosina. Costituisce la sede di maturazione dei linfociti T per la risposta immunitaria contro i microorganismi che entrano nel nostro organismo.

Le ghiandole surrenali si trovano sopra i reni. Sono costituite da uno strato esterno corticale (80%) e uno interno definito midollare. Sono zone separate come avviene nell'ipofisi. La corticale del surrene è formata da tre strati glomerulare quello più esterno, fascicolata l'intermedio e reticolare il più interno. Gli ormoni che vengono liberati dalle ghiandole surrenali sono adrenocorticoidi (vi appartengono anche gli steroidi). Mineralcorticoidi (aldosterone) dalla zona glomerulare che regolano l'assorbimento di Na e il rilascio di K dai reni. Glucocorticoidi (cortisolo), zona fascicolata e reticolare, che con le gonadi controllano le risposte dell'organismo allo stress, il metabolismo di lipidi e proteine e i livelli plasmatici di glucosio in diversi tessuti. Ormoni sessuali che controllano la funzione riproduttiva insieme alle gonadi e sono secreti dalla zona fascicolata. La midollare del surrene contengono cellule cromaffini che secernono adrenalina (80%), noradrenalina(20%) e meno di 1% di dopamina.

Il pancreas secerne enzimi all'interno del canale digerente. Il pancreas endocrino è formato da gruppi di cellule (isolotti di Langerhans) distribuiti intorno ai suoi dotti. Insulina e glucagone regolano il metabolismo energetico e  la concentrazione di glucosio plasmatica.

Le gonadi (ovaie e testicoli) hanno sia funzioni endocrine che non. Secernono ormoni sessuali gli androgeni nei maschi (testosterone) e estradiolo e progesterone nelle femmine (in quelle gravide anche la placenta funziona come ghiandola endocrina).

Le ghiandole endocrine secondarie sono il cuore, i reni, l'apparato digerente ,il fegato e la cute.

Concetto di ormone come regolatore intercellulare

Le risposte cellulari di una cellula bersaglio sono influenzate dai tipi di recettore e dalla concentrazione dell'ormone libero nel sangue. La concentrazione di un ormone libero nel sangue dipende dalla velocità di secrezione dell'ormone, dalla quantità di ormone legato alle proteine trasportatrici e dalla velocità di metabolizzazione dell'ormone.

Una secrezione più rapida determinerà una concentrazione maggiore e di conseguenza una maggior quantità di ormone legato ai recettori delle cellule bersaglio. Questo induce modificazioni alle cellule bersaglio. Al contrario velocità di secrezione stabile, non variano la concentrazione e inducono si la risposta cellulare, ma non facilitano quelle già in atto. Le cellule endocrine modificano la loro velocità di secrezione in risposta a due tipi di segnali nervosi e umorali (trasportati dal sangue). I segnali nervosi controllano la secrezione di ormoni direttamente, tramite l'ipotalamo, la neuroipofisi e la midollare del surrene che influenzano la secrezione di altri ormoni. I segnali umorali sono ormoni, ioni e metaboliti. L'ormone regola la concentrazione plasmatica di ioni e metaboliti che a loro volta tramite meccanismi di feedback negativo regolano la secrezione dell'ormone.

Il legame dell'ormone alla proteina trasportatrice (ormoni idrofobici) dipende dalla quantità di ormone libero. Il legame però alla proteina trasportatrice aumenta l'emivita dell'ormone che rimane in circolo per più tempo perché la velocità di metabolizzazione è ridotta. Gli ormoni possono essere metabolizzati durante il circolo o dalle cellule bersaglio dopo che vi sono stati legati, oppure da enzimi epatici. I prodotti della degradazione ormonale vengono espulsi tramite le urine. Gli ormoni tiroidei e quelli steroidei vengono metabolizzati più lentamente perché sono legati a proteine trasportatrici e perché essendo liposolubili vengono immagazzinate nel tessuto adiposo. Poiché il processo è reversibile questi possono essere rilasciati quando ce né bisogno mantenendo elevata la concentrazione di ormone.



Anomalie nella secrezione di ormoni possono portare a gravi patologie. Una ipersecrezione o una iposecrezione, la patologia può essere primitiva cioè interessa la ghiandola endocrina primaria che secerne l'ormone, come ad esempio l'ipotalamo, l'ipofisi o la tiroide. Nelle patologie secondarie il problema si origina nell'ipotalamo o nell'ipofisi cioè quelle che secernono gli ormoni trofici.

Interazioni ormonali cellule diverse possono avere recettori anche per lo stesso ormone, per questo le azioni di un ormone sull'organismo possono essere svariate e su molti tipi di cellule bersaglio. Ad esempio la concentrazione plasmatica di calcio è controllata dalla calcitonina e dalla vitamina D3 come quella del glucosio che è regolata dall'insulina dal glucagone dall'adrenalina dal cortisolo e dall'ormone della crescita. In alcuni casi gli effetti degli ormoni si contrappongono in un effetto chiamato antagonismo (ormone tiroideo aumenta la concentrazione di Ca nel plasma e la calcitonina lo riduce, il glucagone aumenta il glucosio, l'insulina lo riduce). Quando due ormoni producono lo stesso tipo di risposta l'effetto può essere additivo se la somma totale corrisponde a quella dei singoli effetti o sinergico se il totale è maggiore della somma dei singoli effetti. In alcuni casi un ormone può esercitare la sua funzione solo in presenza di un altro, questo processo si definisce permissività.

REGOLAZIONE DEL METABOLISMO ENERGETICO E DELLA CRESCITA

Le modalità di immagazzinamento e di utilizzazione dell' energia sono il metabolismo energetico, ed è influenzato sia dall'assunzione di cibo che da altri fattori come la crescita, lo stress e la velocità metabolica. Immagazzinamento ed utilizzazione sono controllati da fattori endocrini. Poiché l'assunzione del cibo è intermittente l'organismo dovrà immagazzinare delle risorse energetiche e dovrà assicurare principalmente, livelli ematici di glucosio costanti al cervello. Le stesse biomolecole che forniscono energia sono utilizzate anche per sintetizzare biomolecole più complesse (anabolismo). Ad esempio l' acetil CoA oltre ad essere utilizzato nel ciclo di Krebs è un substrato per la creazione di trigliceridi e colesterolo.

La regolazione delle vie metaboliche: siccome molte vie anaboliche e cataboliche hanno in comune molti metaboliti intermedi, la direzione viene della via metabolica viene regolata dal numero e dall'attività degli enzimi coinvolti. Può essere regolata variando la loro concentrazione oppure modificando l'attività delle singole molecole. La direzione è regolata anche dalla compartimentazione sia cellulare che tissutale, infatti determinati enzimi si trovano solo in determinati tessuti o cellule.

Quando l'organismo assorbe nutrienti frammenta la grandi molecole contenute nel cibo in molecole più piccole assorbite nel circolo. Sono trasportate sottoforma di glucosio, aminoacidi, e lipoproteine. Ci sono tre possibilità all'interno delle cellule:

Le biomolecole sono frammentate e questo libera energia utilizzata in vari processi cellulari come la contrazione muscolare, il trasporto, la secrezione .

Le biomolecole possono essere utilizzate per sintetizzare altre molecole per processi di crescita o riparazione necessari alle cellule

Le biomolecole assorbite in eccesso vengono trasformate in molecole che immagazzinano energia (glicogeno e trigliceridi).

I carboidrati vengono assunti sottoforma di monosaccaridi, in particolare glucosio. Viene trasportato alle cellule di tutto l'organismo e al loro interno può essere ossidato per produrre energia generando come scarto l'anidride carbonica, fornire substrati per altre reazioni metaboliche, essere convertito in glicogeno e immagazzinato (processo reversibile in caso di bisogno).

Le proteine vengono trasportati alle cellule sottoforma di aminoacidi e al loro interno possono essere usati per sintetizzare proteine, catabolizzati per produrre energia. Possono come proteine funzionare come riserve di aminoacidi che in caso di estremo bisogno possono essere catabolizzate per produrre energia producendo ammoniaca che poi viene convertita in urea nel fegato ed espulsa.

I trigliceridi sono trasportati nel sangue sottoforma di lipoproteine, per essere assorbiti dalle cellule bersaglio devono prima essere staccate dalle proteine stesse tramite enzimi lipoproteina lipasi, enzima presente sui tessuti adiposi, che scinde i trigliceridi in acidi grassi e monogliceridi. Gli acidi grassi sono assorbiti dalle cellule mentre i monogliceridi restano in circolo e sono metabolizzati dal fegato. All'interno delle cellule gli acidi grassi possono essere ossidati per produrre energia oppure combinati con il glicerolo a formare nuovi trigliceridi. Questo avviene prevalentemente negli adipociti cellule specializzate nell'accumulo di goccioline di grasso nel citosol.

METABOLISMO ENERGETICO

L'organismo deve rimanere in condizioni bilanciate per mantenere l'omeostasi. La somma di quello che entra nell'organismo deve corrispondere a quello che viene utilizzato più gli scarti. L'energia in utilizzata è quella che serve per compiere il lavoro, quella in uscita è calore rilasciato. Il sistema endocrino regola il bilancio energetico in modo da garantire un apporto costante di nutrienti a tutte le cellule. Se le cellule richiedono energia attingono alle scorte presenti al loro interno, e se ne serve di più, ai nutrienti in circolo. Se il dispendio è continuativo queste riserve devono essere continuamente reintegrate, mediante l'assorbimento di nutrienti già presenti in circolo o tramite la mobilitazione di scorte energetiche, che comporta la degradazione di macromolecole in molecole più piccole che vengono rilasciate in circolo.

L'energia in entrata è fornita dai nutrienti assorbiti. Se un nutriente, ad esempio il glucosio, viene ossidato dall'organismo si libera una certa quantità di energia che rappresenta il contenuto energetico del nutriente. L'apporto energetico di un individuo è il contenuto energetico totale dei nutrienti assorbiti. Il contenuto energetico si rileva tramite calorimetri.

L'energia in uscita di una organismo è presente in due forme, calore e lavoro. Circa il 60% dell'energia contenuta nei nutrienti viene trasformato in calore per mantenere la temperatura corporea. Il restante viene utilizzata per sintetizzare ATP utilizzato per il lavoro cellulare che a sua volta rilascia calore. I lavori cellulari che richiedono energia possono essere meccanici, chimici o di trasporto attraverso le membrane.

La velocità metabolica è la quota di energia spesa nell'unità di tempo dall'organismo. E' influenzata da molti fattori come l'età, l'attività muscolare, il sesso, le dimensioni corporee e la temperatura ambientale. Il metabolismo basale (MB) è la quota di energia spesa da un individuo sveglio, sdraiato, in condizioni di rilassamento fisico e mentale e a digiuno da almeno 12 ore. Sia la velocità metabolica che il lavoro svolto sono minimi e viene misurato di solito mediante la misurazione del consumo di ossigeno. Il MB rappresenta la richiesta energetica per eseguire compiti necessari come il trasporto del sangue. Aumenta all'aumentare del peso corporeo.

Le variazioni del peso corporeo variano quando le entrate e le uscite sono sbilanciate. La quantità di energia immagazzinata aumenta o diminuisce. Se il bilancio energetico è positivo si ha un aumento del peso corporeo dovuto all'accumulo di grassi, viceversa la demolizione delle riserve in un bilancio energetico negativo tende a far diminuire il peso.

L'organismo non è mai in una condizione di perfetto equilibrio energetico perché l'energia in entrata fornita dal cibo, è assunta a fasi intermettenti. Per circa 3-4 ore i nutrienti vengono assorbiti in una fase di assorbimento. La velocità di entrata è superiore a quella di uscita condizione di bilancio energetico positivo. Nella fase di post-assorbimento i nutrienti non sono più assorbiti. La velocità di uscita è superiore a quella di entrata quindi le scorte energetiche vengono mobilizzate per il fabbisogno cellulare.

La fase di assorbimento è prevalentemente anabolica infatti porta alla sintesi di macromolecole. Il metabolismo differisce però nei diversi tipi di cellule. Nelle cellule dell'organismo il glucosio è usato come combustibile primario. Glia acidi grassi vengono ossidati per fornire acetil CoA e le proteine a metaboliti intermedi, tutto per il ciclo di Krebs. Le cellule delle ossa possono convertire il glucosio in glicogeno per immagazzinarlo, quelle epatiche formano scorte energetiche che potranno essere fornite alla maggior parte delle cellule dell'organismo. Dal glucosio si passa a glicogeno (24% immagazzinato nel fegato), acidi grassi e trigliceridi. Glia adipociti immagazzinano energia sottoforma di trigliceridi. L'organismo ha una capacità illimitata di immagazzinare energia sottoforma di grassi, quindi l'energia in ingresso superiore al fabbisogno viene convertita in scorte lipidiche. Anche le proteine possono essere usate come scorte ma a lungo andare possono compromettere le funzioni cellulari.

Nella fase di post-assorbimento viene catabolizzato glicogeno, proteine e grassi a scopo energetico. Questa corrisponde ad una situazione catabolica. Una funzione fondamentale è quella di mantenere costanti i livelli di glucosio nel plasma. L'organismo lo sintetizza da aminoacidi, glicerolo, e altre molecole nel corso dei processi catabolici seguendo una via chiamata gluconeogenesi. La maggior parte dei tessuti utilizza altre fonti in primo luogo acidi grassi, preservando il glucosio per l'SNC. Questo si chiama risparmio del glucosio.

Regolazione del metabolismo durante la fasi di assorbimento e post-assorbimento

Passando dalla fase di post a quella di assorbimento, le regolazioni effettuate dall'organismo sono dovute alla concentrazione plasmatica di insulina che promuove la sintesi di molecole di riserva, cioè promuove l'anabolismo. La secrezione di insulina è regolata dalla concentrazione plasmatica del glucosio e delle proteine che aumentano nella fase di assorbimento, aumentando a loro volta l'insulina. Anche alcuni ormoni e segnali afferenti provenienti dal sistema nervoso autonomo stimolano l'insulina. Queste cellule sono stimolate dalla presenza di cibo nello stomaco prima dell'inizio dell'assorbimento. L'insulina è inibita dall'adrenalina in circolo e dal sistema nervoso simpatico.

Durante la fase di post-assorbimento il glucagone fa da antagonista all'insulina. I livelli plasmatici sono inversamente proporzionali, è stimolato dall'adrenalina dal sistema nervoso simpatico, e dalle concentrazioni di glucosio (chiaramente in calo). Sembra che nel pancreas le cellule alfa che secernono insulina inibiscono le beta che secernono glucagone e viceversa (azione paracrina). Il glucagone promuove il catabolismo.

Insulina e glucagone controllano i livelli glucosio plasmatico con meccanismi di feedback negativo per mantenerlo in range stabili (70-110 mg/dl). All'aumentare del valore viene liberata insulina al contrario glucagone.

LIQUIDI DELL'ORGANISMO

Contenuto di acqua nell'organismo e sua compartimentazione

Il costituente maggiore dei fluidi all'interno dell'organismo è l'acqua che agisce da solvente rispetto a tutti gli altri soluti (piccole molecole, zuccheri, ioni, aminoacidi e proteine) che si trovano nei fluidi corporei. L'organismo è diviso in vari compartimenti riempiti di fluido, separati da diverse barriere tra cui i tessuti epiteliali e le membrane cellulari che separano il contenuto della cellula dall'ambiente circostante. Queste permettono lo scambio tra interno ed esterno perché sono semipermeabili cioè permettono il passaggio solo a determinate molecole. Il volume totale dell'acqua contenuta nel corpo è detta acqua corporea totale ed è formata dal volume del fluido contenuto all'interno dello strato epiteliale esterno. In una persona di 70 kg l'acqua corrisponde a circa 42 litri (circa il 60%). L'acqua corporea totale comprende sia quella che si trova nel fluido contenuto nelle cellule chiamato liquido intracellulare (circa 2/3 del totale), sia quella contenuta nel liquido che circonda le cellule chiamata acqua extracellulare. Il termine extracellulare si riferisce all'ambiente interno. I due liquidi sono separati dalle membrane e differiscono per la composizione chimica.

I liquidi circolanti : composizione chimica, proprietà chimico-fisiche

Il liquido intracellulare contiene molte proteine ed è ricco di potassio mentre quello extracellulare contiene poche proteine e molto sodio. Queste differenze assicurano un corretto funzionamento delle cellule e sono possibili perché la permeabilità delle membrane cellulari nei confronti di molti soluti è relativamente bassa e perché le membrane permettono uno scambio selettivo solo di alcuni soluti. Circa il 20% del liquido extracellulare è contenuto nel sangue e ne costituisce il plasma (cioè la parte non cellulare del sangue). La parte del liquido extracellulare esterna alla circolazione, che bagna le cellule dell'organismo è detta liquido interstiziale. Plasma e liquido interstiziale hanno composizione molto simile con la sola differenza che nel plasma abbondano le proteine, mentre nel liquido interstiziale sono scarse. Questa similitudine è data dal fatto che le pareti dei vasi sanguinei, più piccoli e più numerosi (capillari), sono altamente permeabili alla maggior parte dei soluti ad eccezione delle proteine.

SANGUE

Generalità

Il volume di sangue in un individuo sano è di circa 5,5 l costituito da parte corpuscolata (2,5) e dal plasma (3). Nella parte corpuscolata troviamo gli eritrociti. La frazione percentuale degli elementi corpuscolati sul volume totale del sangue costituisce l'ematocrito (hct). Si ottiene miediante centrifugazione in quanto gli eritrociti sono più pesanti e vanno sul fondo, poi abbiamo una zona bianca di leucociti e piastrine (1%) e poi il plasma.

Composizione del plasma

E' una soluzione acquosa nella quale si trova disciolta una grande quantità di soluti come proteine, nutrienti (glucosio, lipidi ed aminoacidi), prodotti di scarto del metabolismo (urea e acido lattico), gas, elettroliti (Cl, Na, K). La composizione del plasma è molto simile a quella del liquido interstiziale perché le pareti dei capillari essendo molto permeabili ai piccoli soluti ne consentono il libero movimento. La concentrazione delle proteine varia essendo maggiore nel plasma. Ci sono tre tipi di proteine nel plasma. Le albumine che sono prodotte dal fegato, sono le più concentrate e contribuiscono alla formazione della pressione oncotica, le globuline che trasportano lipidi, ormoni steroidei e altre sostanze e svolgono ruoli nella coagulazione e per le difese dell'organismo. Infine fibrinogeno prodotto dal fegato determinante per la coagulazione. Il siero è costituito dal plasma meno il fibrinogeno e altri fattori responsabili della coagulazione.

Componente cellulare

Gli eritrociti (globuli rossi), sono le cellule più abbondanti nel sangue. Sono le uniche cellule del corpo che perdono il nucleo, i mitocondri e altri organuli citoplasmatici come i ribosomi importanti per la sintesi delle proteine. La funzione principale è quella di trasportare O2 e CO2 nel sangue. Nel loro citoplasma sono presenti l'emoglobina che trasporta O2 e CO2 e l'anidrasi carbonica che trasporta solo CO2. Gli eritrociti vengono prodotti giornalmente dal midollo osseo (200 bilioni al giorno) e hanno una durata di 120 giorni e sono rimossi dalla milza.

I leucociti (globuli bianchi) sono molto meno numerosi, sono nucleati e hanno tutti gli organelli. Si trovano nel torrente circolatorio e anche in altri tessuti. Questo gli permette di raggiungere aree infette e svolgere la loro funzione di difesa. Ci sono cinque tipi di leucociti con compiti diversi nei processi immunitari.

Le piastrine sono frammenti di cellule da grosse cellule del midollo osseo (megacariociti) vengono degradati. Sono prive di nucleo ma contengono mitocondri, REL, e sono importanti per attivare il processo di coagulazione. Il processo di coagulazione costituisce l'omeostasi e avviene in tre fasi spasmo vascolare che aumenta la resistenza al flusso ematico, formazione di un tappo di piastrine e formazione di un coagulo o trombo.

MEMBRANA CELLULARE E TRASPORTO CELLULARE

Struttura e costituzione della membrana

La membrana plasmatica separa la cellula dal suo ambiente esterno. Strutturalmente viene definita a mosaico fluido ed è costituita da fosfolipidi, proteine e colesterolo.

I fosfolipidi sono disposti in doppio strato tale che, le teste idrofile siano rivolte verso il mezzo acquoso interno alla cellula (citosol), e all'esterno della cellula (liquido interstiziale). Le code idrofobe dei fosfolipidi sono rivolte le une verso le altre. Questo doppio strato forma la struttura di base della membrana ed è detto fluido perché fosfolipidi e le altre molecole che la compongono non sono legati fra loro da legami chimici e possono muoversi lateralmente e occasionalmente, da un versante all'altro. Le molecole di colesterolo presenti influiscono sulla fluidità interferendo con le code dei fosfolipidi cristallizzando la struttura. Il doppio strato lipidico impedisce il passaggio di grandi molecole polari, ad eccezione dell'acqua che per le piccole dimensioni riesce a passare. Il colesterolo riduce anche la capacità di passaggio dell'acqua.

Le proteine disperse nel doppio strato lipidico formano degli isolotti che emergono dal mare dei fosfolipidi. Ci sono due tipi di proteine di membrana, quelle integrali e quelle periferiche. Le proteine integrali di membrana sono immerse nel doppio strato lipidico e possono essere dissociate soltanto la distruzione della membrana. Sono molecole antipatiche e possono rimanere a contatto sia con l'ambiente acquoso che con lo strato lipidico. Le regioni polari sono il citosol o il liquido extracellulare mentre quelle apolari sono interne al doppio strato lipidico. Alcune proteine integrali di membrana vengono definite transmembrana poiché attraversano interamente il doppio strato lipidico venendo a contatto sia con il liquido extracellulare che con il citosol. Spesso possono attraversare la membrana in diverse posizioni. Tra queste troviamo i canali che permettono agli ioni di attraversare la membrana, e proteine di trasporto che portano molecole da un lato all'altro. Le proteine integrali, al contrario di quelle transmembrana, sono localizzate solo su un lato della membrana, alcuna in contatto con il citosol funzionano da enzimi per catalizzare le reazioni al suo interno, quelle rivolte verso il liquido extracellulare possono svolgere funzioni enzimatiche o funzionare da recettore legando messaggeri chimici provenienti da altre cellule. Le proteine periferiche si differenziano da quelle integrali, in quanto sono debolmente legate alla membrana mediante l'associazione ad altre proteine integrali e fosfolipidi. Possono essere rimosse mantenendo intatta la membrana. La maggior parte si trova sul versante citoplasmatico della membrana, spesso con funzioni strutturali.

Associati alla membrana plasmatica troviamo anche dei carboidrati legati covalentemente alle proteine o ai lipidi di membrana a formare glicoproteine e glicolipidi. Si trovano solo sulla superficie extracellulare dove hanno due funzioni principali, formano il glicocalice che è uno strato protettivo che serve anche a mantenere unite le cellule, e partecipano al riconoscimento cellulare marcando le cellule come facenti parte dell'organismo e appartenenti ad uno specifico tipo cellulare.

Permeabilità della membrana

La permeabilità di una membrana nei confronti di una sostanza dipende sia dalla natura della sostanza che dalle proprietà delle membrana che influenzano la facilità di penetrazione. Per qualsiasi meccanismo di trasporto passivo una maggior permeabilità corrisponde ad una maggior velocità di trasporto. Si definisce PX la permeabilità di una sostanza X e si riferisce alla membrana rispetto a quel dato elemento visto che non è la stessa per ogni sostanza. La permeabilità è influenzata da:

Solubilità nei lipidi della sostanza che si diffonde: le molecole si differenziano in base alla loro capacità di sciogliersi nei lipidi. Le sostanze idrofobiche (non polari) sono le più liposolubili mentre quelle idrofile lo sono meno. Nella diffusione semplice le molecole devono attraversare il doppio strato lipidico quindi le sostanze liposolubili passeranno più facilmente.

Dimensione e forma della molecole che si diffondono: le molecole grandi e di forma irregolare si muovono più lentamente attraverso il doppio strato lipidico abbassando la permeabilità della membrana.

Temperatura: alle alte temperature le molecole si muovono più velocemente e questo aumenta la permeabilità.

Spessore della membrana: piccoli spessori aumentano la permeabilità. In membrana più spesse sarà maggiore il tempo che serve per attraversarle.

Di tutti questi la liposolubilità è quella che ha la maggior influenza. La maggior parte delle sostanze dell'organismo sono per lo più idrofile e non penetrano facilmente nel doppio strato lipidico, per cui quelle che possono passare per diffusione semplice sono poche (acidi grassi, ormoni steroidei, ossigeno, anidride carbonica e vitamine liposolubili A,D,E e K).

Flusso massivo e diffusione

La velocità con la quale una sostanza viene trasportata attraverso una membrana viene definita in base al numero di molecole che attraversano la membrana in un dato periodo di tempo. Questo viene chiamato flusso. Quando intendiamo le molecole trasportate da una parte o dall'altra parliamo di flusso netto.

Osmosi

Il flusso di acqua che attraversa una membrana secondo il suo gradiente di concentrazione viene chiamato osmosi. Se mettiamo un globulo rosso in acqua distillata questo rigonfierà fino ad esplodere. Succede perché la concentrazione dell'acqua sarà maggiore all'esterno, visto che all'interno del globulo saranno presenti vari soluti che prendono il posto dell'acqua. Per cui l'acqua si muoverà dall'esterno (concentrazione maggiore), verso l'interno. Se una cellula viene messa in una soluzione di saccarosio si raggrinzisce perché l'acqua tenderà ad uscire perché la concentrazione dei soluti è minore all'esterno facendo si che la concentrazione di acqua sia maggiore. Si preferisce parlare di concentrazione di soluti che di concentrazione di acqua. La concentrazione totale dei soluti in una soluzione viene detta osmolarità. Una soluzione che contiene una mole di qualsiasi soluto per litro ha una concentrazione di 1 osmolare (1 osm). Parlando di osmolarità una mole di soluto viene definita osmole. Due soluzioni con la stessa osmolarità vengono definite isoosmotiche, una soluzione che la ha maggiore iperosmotica e una minore ipoosmotica.

Pressione osmotica

A volte si utilizza al posto dell'osmolarità perché entrambi i termini si riferiscono alla stessa cosa: la concentrazione totale dei soluti di una soluzione. La pressione osmotica di una soluzione (π), è una misura indiretta della concentrazione di soluti e viene espressa in unità di pressione, come atm o mm Hg. All'aumentare della concentrazione totale dei soluti (osmolarità) la pressione osmotica aumenta. Al diminuire della concentrazione di acqua di conseguenza la pressione osmotica aumenta. Ogni volta che c'è un gradiente di concentrazione dell'acqua attraverso la membrana esiste anche un gradiente di pressione osmotica. Quando l'acqua va verso il suo gradiente sta andando contro quello di pressione osmotica. Se consideriamo due soluzioni di cui una con meno concentrazione di soluti, l'acqua viaggerà da questa all'altra. L'altra soluzione con maggior concentrazione di soluto avrà maggior pressione osmotica, quindi l'acqua viaggia contro gradiente di pressione osmotica. La tonicità di una soluzione dipende dalla maniera in cui essa influisce sul volume cellulare dipende sia dai soluti che dalla capacità di permeare le membrane cellulari. Una soluzione è detta isotonica se non altera il volume cellulare, una soluzione che provoca il raggrinzimento delle cellule è ipertonica, mentre una che ne provoca il rigonfiamento è ipotonica.

Meccanismi di trasporto biologico

I meccanismi di trasporto si dividono in passivo e attivo. Si parla di trasporto attivo se il movimento di molecole attraverso la membrana richiede energia (ad esempio il glucosio portato all'interno). Si parla di trasporto passivo se invece il trasporto non richiede energia. La diffusione semplice è un sistema di trasporto passivo ed anche alcune forme di trasporto mediato sono passive. Il trasporto attivo è sempre mediato da proteine di trasporto chiamate pompe. Movimenti spontanei avvengono da uno stadio ad alta energia ad uno a più bassa. I soluti si muovono spontaneamente dalle zone a maggior concentrazione a quelle a minore. Le forze che influenzano il trasporto sono sia chimiche ed elettriche. Le molecole si muovono mediante gradiente di concentrazione (chimica) o in base alle differenze di voltaggio dai due lati della membrana (potenziale di membrana). Nei fluidi corporei sono presenti molti ioni sia positivi (cationi) che negativi (anioni). Se le cariche si equivalgono la soluzione è neutra. Il liquido intracellulare contiene più anioni, avrà quindi carica negativa, al contrario l'ambiente extracellulare contiene più cationi ed avrà carica positiva. L'eccesso di cariche positive e negative si attraggono e rimangono vicine dai due lati della membrana. Maggiore è la differenza maggiore è il potenziale di membrana. Per convenzione il segno del potenziale di membrana è negativo, perché si considera il potenziale dell'ambiente intracellulare ed è fissato a -70 mV. A questo punto se non ci sono forze chimiche uno ione si muoverà spontaneamente dal versante che lo respinge a quello che l'attrae (forza elettrica), e può essere sommato e sottratto a qualunque altra forza in gioco per il movimento degli ioni. Le molecole neutre non sono influenzate dal potenziale di membrana. Quelle positive saranno attratte all'interno quelle negative verrà attratto all'esterno. La forza totale che agisce sugli ioni è chiamata forza elettrochimica. La sua direzione è data dalla direzione netta delle forze chimiche e quelle elettriche. Il potenziale di equilibrio si ha quando le forze si equivalgono. Quindi quando gli ioni si muovono nella direzione della forza elettrochimica si parla di trasporto passivo, al contrario si muovono per trasporto attivo.

Diffusione semplice

Indica il trasporto passivo di molecole attraverso il doppio strato lipidico. Per diffusione si intende il movimento di molecole da un punto all'altro come risultato della loro agitazione termica. L'agitazione termica viene spesso definita casuale perché ogni singola molecola può muoversi in qualsiasi direzione. Popolazioni di molecole si muovono sempre lungo gradiente di concentrazione. Infatti ogni molecola ai lati della membrana avrà la stessa probabilità di muoversi verso destra o verso sinistra (di attraversare o meno la membrana). Il flusso netto da destra a sinistra è dato semplicemente dalla maggioranza di molecole dalla parte destra. La velocità del trasporto dipende :

dall'ampiezza della forza che guida il trasporto: il flusso netto di una sostanza è direttamente proporzionale all'ampiezza del suo gradiente di concentrazione o al gradiente elettrochimico se la sostanza è carica

dalla superficie della membrana: raddoppiando la superficie raddoppia il numero di molecole che la attraversano nell'unità di tempo

dalla permeabilità della membrana: facilità con cui le molecole possono attraversarla

Sistemi di trasporto mediati da carrier

Alcune sostanze trasportate passivamente non attraversano le membrane per diffusione semplice ma solo grazie a proteine trasportatrici di membrana. Questo sistema è chiamato trasporto mediato. Si usa il termine diffusione facilitata per distinguere il trasporto passivo da quello attivo anch'esso mediato.

I trasportatori sono proteine trans membrana che lega delle molecole da un lato e la trasporta dall'altro mediante un cambio di conformazione. Possiede uno o più siti di legame che in genere sono specifici per molecole di alcune sostanze o classi di sostanze. Per poter essere trasportata una molecola deve prima entrare nel sito di legame della proteina. Quando ciò avviene il trasportatore subisce cambi di conformazione che espongono il sito di legame al liquido posto dall'altra parte della membrana. La molecola a questo punto può dissociarsi dal trasportatore e diffondersi nel liquido. I cambi conformazionali non dipendono dal legame con il soluto, ma possono avvenire anche quando il sito è vuoto esponendolo alternativamente dalle due parti della membrana. Una volta rilasciata la molecola trasportata il sito di legame torna disponibile per un nuovo ciclo. Il flusso netto dipende dalla frequenza con la quale il soluto si lega alla molecola trasportatrice per cui il trasporto netto avviene dalla parte della membrana che ha la maggior frequenza di legame. Il legame è influenzato dall'affinità del sito di legame del trasportatore e il gradiente di concentrazione del soluto attraverso la membrana. L'affinità di legame è la stessa che sia dalla parte cellulare che extracellulare per cui ogni differenza di legame dipende dal gradiente di concentrazione. Il flusso netto è presente solo se c'è un gradiente di concentrazione.

La velocità della diffusione facilitata è determinata da tre fattori, velocità di trasporto dei singoli trasportatori, numero di trasportatori e l'ampiezza del gradiente di concentrazione della sostanza trasportata. Se la concentrazione aumenta da un lato e dall'altro rimane costante si osserva inizialmente un aumento del flusso netto che poi però si stabilizza perché le proteine trasportatrici vengono saturate al 100% in presenza di elevate concentrazioni di molecole da trasportare. Se la concentrazione è elevate i siti di legame (numero fisso) potranno essere sempre occupati. Il trasportatore lavora già al massimo della sua velocità e ulteriori aumenti di concentrazione non sortiranno effetti sulla velocità di trasporto. Le cellule possono adeguarsi modificando il numero dei trasportatori come fa ad esempio l'insulina aumentando i siti di legame per il glucosio da portare all'interno delle cellule.



Diffusione attraverso canali ionici

Un canale è una proteina trans membrana che trasporta molecole attraverso un canale (o poro) che attraversa da una parte all'altra la membrana. Sono, come i trasportatori, specifici per alcune sostanze. La maggior parte trasporta ioni inorganici come Na, K, Cl ed alcuni possono trasportare anche grosse molecole. In alcuni canali il poro funziona come un condotto acquoso dove gli ioni si muovono per diffusione. In altri canali è presente uno o più siti di legame per gli ioni. In quelli provvisti di più siti gli ioni si muovono saltando da uno all'altro. In assenza di gradiente elettro-chimico un canale ha la stessa probabilità di trasportare molecole in uno dei due sensi quindi senza flusso netto, altrimenti il flusso sarà secondo gradiente. I siti di legame di un canale sono accessibili contemporaneamente da tutti i due lati della membrana, mentre quelli dei trasportatori sono accessibili solo da una parte della membrana alternativamente. La velocità di movimento degli ioni dipende dalla velocità di trasporto di ciascun canale e dal numero di canali presenti nella membrana. La velocità di trasporto dipende dal tipo di canale, in quelli che funzionano come pori vengono seguite le leggi della diffusione eccetto che gli ioni si muovono secondo gradiente elettro-chimico. Per quelli provvisti di siti di legame il trasporto è più lento e si può saturare come nei trasportatori. La velocità comunque può essere regolata, infatti ogni canale possiede due tipi di conformazioni stabili uno aperto e uno chiuso. In quello chiuso gli ioni non attraversano il canale, in quello aperto gli ioni si diffondono secondo gradiente elettro-chimico. Per questo più che dal numero di canali la velocità dipende dal numero di canali aperti.

Diffusione facilitata e trasporto attivo

Il trasporto attivo richiede energia per muovere una sostanza contro il gradiente elettro-chimico che la spinge nella direzione opposta. In base alla forma energetica utilizzata si distinguono un trasporto attivo primario e uno secondario. Il primario utilizza direttamente ATP, il secondario utilizza l'energia di un gradiente, elettro-chimico o di concentrazione, che è stato precedentemente creato da un trasporto attivo primario. Le proteine responsabili del trasporto attivo sono le pompe. Sono simili ai trasportatori ma in più possono utilizzare energia per guidare il trasporto attivo lungo una determinata direzione attraverso la membrana. Anche le pompe hanno un numero definito e possono essere saturate man mano che aumenta la concentrazione delle molecole da trasportare. Le pompe inoltre hanno una affinità maggiore per la molecola da trasportare quando si trova su uno dei due lati della membrana.

Nel trasporto attivo primario le proteine responsabili funzionano sia come pompe che come enzimi. La loro funzione enzimatica è evidente dal fatto che utilizzano ATP catalizzando la sua idrolisi, e vengono spesso definite ATPasi. Un esempio classico è quello della pompa Na/K che è presente in tutte le cellule dell'organismo e ha importanti funzioni come la genesi dei segnali elettrici nei neuroni e l'assorbimento del glucosio da parte delle cellule degli epiteli intestinali. La pompa trasporta Na e K in direzioni opposte attraverso la membrana plasmatica. Ad ogni ciclo 3 ioni Na vengono trasportati fuori dalla cellula e 2 ioni K vengono portati all'interno. Il trasporto è sempre attivo perché questi ioni si muovono contro il loro gradiente elettro-chimico. Ad ogni ciclo viene idrolizzata una molecola di ATP. La pompa si comporta come una proteina trasportatrice perché è dotata di specifici siti di legame che trasportano questi ioni con un cambio conformazionale. L'affinità dei siti di legame si modifica però durante il ciclo della pompa, in modo da avere più affinità da un lato rispetto all'altro. Per questo K, Na si legano solo da un lato della membrana e vengono rilasciati dall'altro, il trasporto avviene così in un'unica direzione. Il funzionamento è il seguente:

I siti di legame sono rivolti verso l'interno della cellula e sono disponibili al legame di Na. Dopo che tre ioni Na si sono legati si ha l'idrolisi di una molecola di ATP e la fosforilazione della pompa che provoca un cambiamento conformazionale in modo che i siti di legame siano rivolti verso l'esterno e Na possa liberarsi nel liquido extracellulare. Durante questa modificazione i siti di legame cambiano la loro forma e riducono la loro affinità per il Na. Per cui visto che i siti di legame per Na sono disponibili internamente il Na sarà trasportato verso l'esterno. Un meccanismo simile interessa l'ingresso di K nella cellula.

I gradienti di concentrazione di Na e K rivestono un ruolo fondamentale per la creazione del potenziale di membrana essenziale per la trasmissione dei segnali elettrici nei neuroni.

Nel trasporto attivo secondario una proteina trasportatrice accoppia il flusso di una sostanza ad una altra. In questo meccanismo una sostanza si muove passivamente lungo il proprio gradiente elettrochimico liberando energia usata per farne muovere un'altra contro gradiente. Il trasporto di due sostanze nella stessa direzione viene chiamato cotrasporto (o simporto), il trasporto di due sostanze in direzione opposta viene detto controtrasporto (antiporto). La direzione del trasporto non indica quale delle due sostanze è trasportata passivamente e quale attivamente, ciò è determinato dalla direzione dei gradienti, quella che si muove contro il proprio gradiente è trasportata attivamente l'altra passivamente. L'energia liberata dal movimento passivo di questa fa passare l'altra per trasporto attivo.

La velocità di trasporto dipende dal numero delle pompe e dalla loro velocità. In genere la composizione del liquido intracellulare rimane piuttosto stabile, questo è dovuto al fatto che le sostanze pompate attivamente all'interno e all'esterno della cellula sono bilanciate dal trasporto passivo (dispersione), attraverso la membrana in direzione opposta e alla stessa velocità in modo tale che il flusso netto sia 0. Quindi per ogni ione Na che viene pompata fuori dalla cellula un altro, in condizioni normali vi rientra mantenendo la concentrazione stabile.

Trasporto attraverso gli epiteli (intestinale e renale)

Il processo che serve alle macromolecole per entrare nella  cellula grazie alla formazione di vescicole si chiama endocitosi , viceversa l'esocitosi è il processo inverso dove le macromolecole sono rivestite da vescicole che si fondono alla membrana cellulare e sono poi riversate nel liquido interstiziale. L'endocitosi comprende la fagocitosi, con la formazione di un fagosoma che viene inglobato e poi attaccato dai lisosomi e la pinocitosi che letteralmente significa "cellula che beve" dove la membrana plasmatica si ritrae e i suoi limiti si uniscono a formare una membrana di endocitosi. L'endocitosi mediata da carrier è simile alla pinocitosi ma è specifica legando sostanze tramite recettori.

In molti casi, nei tessuti epiteliali, le membrane cellulari funzionano per trasportare le sostanze da un lato all'altro di uno strato cellulare. Infatti in aggiunta al loro ruolo di barriera molti epiteli (stomaco o ghiandole secretorie) sono in grado di trasportare materiali dall'esterno verso l'ambiente interno (assorbimento) e viceversa dell'interno verso l'esterno (secrezione). Per fare questo le cellule che lo formano devono essere in grado di far passare le sostanze da un lato della cellula per trasportarle al loro interno e viceversa farle transitare dall'altra parte per farle uscire. Per fare questo le membrane ai due lati della cellula dovranno essere diverse per struttura e funzione per cui le cellule epiteliali vengono dette polarizzate.

La struttura di uno strato epiteliale specializzato per l'assorbimento e la secrezione ha un lato rivolto verso il lume della cavità corporea. La membrana di questo lato viene chiamata membrana apicale mentre la membrana del lato opposto rivolta verso l'ambiente interno in contratto con il liquido interstiziale scambia le sostanze con il sangue, ed è formato da una membrana basolaterale che poggia su una lamina basale formata da materiale non cellulare relativamente permeabile alla maggior parte delle sostanze. La lamina basale funziona da ancoraggio per la membrana basolaterale e fornisce supporto fisico allo strato di cellule epiteliali. Nei tessuti epiteliali le cellule adiacenti sono legate da giunzioni strette che il limitano il passaggio attraverso lo spazio tra le cellule (paracellulare), questo permette di mantenere i due liquidi che bagnano le cellule ai due lati con composizione diversa e permette il mantenimento dell'omeostasi, poiché anche se dalla parte del lume la composizione può variare molto (si pensi allo stomaco) dalla parte del liquido interstiziale la composizione è mantenuta costante. Gli epiteli stretti hanno giunzioni molto poco permeabili quelli lassi con permeabilità maggiore.    

Gli epiteli intestinale (assorbe nutrienti nell'intestino) e quello renale (regola la composizione dei fluidi corporei nei tubuli renali), hanno più o meno lo stesso funzionamento. Il sistema di trasporto fra le membrane apicale e basolaterale rivela la polarità. Solo la membrana basolaterale è dotata di pompe Na+/K+ che portano Na all'esterno e K all'interno della cellula, e soltanto su questa membrana troviamo canali per il K che gli permettono di uscire secondo il suo gradiente elettrochimico. Questo sistema mantiene una concentrazione di K maggiore all'interno della cellula rispetto all'esterno. In entrambi i tipi di cellule la membrana apicale possiede meccanismi di trasporto che mancano in quella basolaterale. L'assorbimento di Na è fatto mediante canali che si trovano solo sulla membrana apicale, questo ingresso viene bilanciato dal trasporto attivo del sodio dalla membrana basolaterale ad opera della pompa Na+/K+. Poiché gli ioni entrano da una parte ed escono dall'altra questi attraversano completamente la cellula dal lume al liquido interstiziale. Il trasporto è considerato attivo perché il gradiente per l'uscita del Na è generato dalla pompa. Se questa venisse fermata la concentrazione di Na aumenterebbe all'interno della cellula e quindi si interromperebbe l'ingresso. Nel caso insieme al sodio venga assorbito anche del glucosio il meccanismo rimane sempre attivo. Il glucosio utilizza un sistema di cotrasporto sfruttando il gradiente di concentrazione creato dal sodio che entra passivamente, fornendogli energia per il trasporto attivo secondario contro gradiente. Il glucosio può quindi puoi uscire passivamente dalla cellula utilizzando il suo gradiente e una proteina trasportatrice sulla membrana basolaterale.

Gli epiteli assorbono o secernono acqua utilizzando il trasporto attivo di soluti, in modo da creare un gradiente di pressione osmotica tra le due soluzioni poste ai due lati dello strato cellulare. L'acqua fluisce passivamente attraverso gli epiteli per osmosi. Il trasporto di acqua viene considerato secondario rispetto a quello dei soluti. L'epitelio crea un gradiente osmotico per assorbire acqua, trasportando molecole di soluto attraverso la membrana basolaterale all'interno del liquido intestiziale, questo causa una differenza di concentrazione di soluti maggiore all'esterno della cellula. L'acqua entrerà per osmosi contro il gradiente di pressione osmotica. Per quelli che secernono liquidi è lo stesso meccanismo tranne che il trasporto di soluti e di acqua procedono in direzioni opposte.

SISTEMA NERVOSO

Può essere diviso in due parti anatomiche il sistema nervoso centrale (SNC) comprendente l'encefalo e il midollo spinale. L'SNC riceve ed elabora informazioni sensoriali e dai visceri per determinare lo stato dell'ambiente esterno. Elabora le informazioni e prende decisioni sulle azioni da compiere inviando istruzioni ai vari organi (ghiandole e muscoli). E'anche la sede delle emozioni, della memoria, del linguaggio e di altre funzioni complesse.

e il sistema nervoso periferico (SNP) che comprende cellule nervose che mettono in contatto il sistema nervoso centrale con gli organi dell'organismo. Può suddividersi in afferente, trasmettendo informazioni dagli organi al sistema nervoso ed efferente trasmettendo informazioni dall'SNC agli organi effettori che rispondono a richieste provenienti dai neuroni. La divisione efferente può essere divisa in sistema nervoso somatico che regola la contrazione dei muscoli scheletrici (motoneuroni), e sistema nervoso autonomo che è formato da cellule che regolano la funzione di organi interni che non sono sotto controllo volontario. Questo può ulteriormente essere diviso in simpatico e parasimpatico che hanno controlli opposti sugli organi. Il sistema nervoso enterico è situato nel tratto gastrointestinale e funziona in maniera indipendente.

Il sistema nervoso è formato da due tipi di cellule neuroni e cellule gliali. I neuroni (cellule nervose), sono cellule eccitabili che comunicano trasmettendo impulsi elettrici. Sono capaci di produrre ampi e rapidi segnali elettrici definiti potenziale di azione. Le cellule gliali sono circa il 90% del sistema nervoso e forniscono un supporto strutturale e metabolico per i neuroni.

Neuroni

La maggior parte dei neuroni ha tre componenti:

Corpo cellulare: o soma, contiene il nucleo e la maggior parte degli organelli. I neuroni maturi perdono la capacità di dividersi.

Dendriti: si diramano dal corpo cellulare e ricevono informazioni a livello di giunzioni specializzate chiamate sinapsi. A livello sinaptico il neurone presinaptico rilascia un neurotrasmettitore che normalmente comunica con un dendrite o con un'altra cellula o corpo cellulare di un neurone postsinaptico.

Assone: o fibra nervosa. L'assone invia informazioni e generalmente un neurone ne possiede uno solo. Le diramazioni di un assone vengono chiamate collaterali. L'assone serve per la trasmissione di informazioni sotto forma di segnali elettrici, che si propagano per lunghe distanze (potenziali di azione). L'inizio e la fine di un assone sono strutture specializzate di un neurone dette monticolo assonale che è dove si origina l'assone dal corpo cellulare ed è specializzato nella genesi del potenziale di azione. Una volta partiti sono trasportati verso il terminale assonico. Il terminale assonico (bottone sinaptico) è specializzato nel rilascio del neurotrasmettitore all'arrivo del potenziale di azione. Il neurotrasmettitore viene trasportato ad una cellula post-sinaptica, di solito un dendrite o un corpo cellulare di un altro neurone o organo effettore.

Differenti regioni del neurone hanno funzioni specifiche, presentando canali ionici differenti che possono chiudersi e aprirsi cambiando la permeabilità della membrana. Questo genera movimenti ionici che cambiano le proprietà elettriche della membrana. I canali ionici passivi sono sempre aperti e sono alla base del mantenimento del potenziale di riposo. I canali ligando-dipendenti si aprono e si chiudono in risposta al legame di un messaggero chimico con un recettore sulla membrana. Si trovano sui dendriti e i corpi cellulari. I canali voltaggio-dipendenti si aprono e si chiudono in risposta a modificazioni del potenziale di membrana, quelli per il Na e K sono localizzati un po' dappertutto sul neurone prevalentemente nell'assone e nel monticolo assonale. Sono necessari per scatenare il potenziale di azione, specie quelli per il Ca che nel monticolo assonale si aprono all'arrivo del potenziale di azione liberando il neurotrasmettitore.

I neuroni possono essere:

Bipolari: neuroni sensoriali con due proiezioni un assone e un dendrite che si diramano in direzioni opposte dal corpo cellulare

Pseudounipolari: sembra che ci sia un unico processo che si dirama dal corpo cellulare ma in realtà sono due che si diramano in direzioni opposte, un assone (assone centrale) e un dendrite modificato (assone periferico) perché origina dal recettore e funziona come un assone trasmettendo un potenziale di azione.

Multipolari: proiezioni multiple dal corpo cellulare, la più lunga è un assone gli altri sono dendriti, è il modello più diffuso.

Neuroni efferenti: trasmettono informazioni dal SNC agli organi effettori. Corpi cellulari e dendriti sono all'interno dell'SNC. Gli assoni fanno parte dell'SNP in quanto vanno ad innervare gli organi effettori.

Neuroni afferenti: trasmettono informazioni dai recettori sensoriali e dai visceri all'SNC. Sono pseudo unipolari e hanno i corpi cellulari fuori dall'SNC in gangli (raggruppamento di corpi cellulari). Le terminazioni del'assone periferico è localizzato negli organi periferici e l'assone centrale termina nell'SNC dove rilascia neurotrasmettitori per comunicare con le altre cellule.

Interneuroni: localizzati nell'SNC (99%) e svolgono tutte le sue funzioni

I neuroni sono assemblati all'interno del sistema nervoso in maniera ordinata, quelli che hanno funzione simile tendono ad essere raggruppati insieme. I dendriti e gli assoni di cellule adiacenti tendono ad essere raggruppati insieme. Nell'SNC i corpi cellulari dei neuroni sono raggruppati in nuclei e gli assoni viaggiano insieme in fasci chiamati vie o commessure. Nell'SNP i corpi cellulari sono raggruppati in gangli e gli assoni viaggiano in fasci chiamati nervi.

Cellule gliali

Non servono direttamente alla trasmissione del segnale ma forniscono integrità strutturale. Sono cinque tipi, astrociti, microglia, oligodendrociti, cellule ependimali e cellule di Schwann (le sole ad essere nel SNP). Gli oligodendrociti e le cellule di Schwann servono per rivestire gli assoni dei neuroni di mielina in modo da isolarli. Questo permette di diffondere i potenziali di azione più rapidamente ed efficacemente. Gli oligodendrociti formano rivestimenti mielinici nell'SNC le cellule di Schwann nell'SNP. I molti strati di membrana che costituiscono i rivestimento di mielina limitano la permeabilità riducendo la fuoriuscita di ioni. Esistono interruzioni a questi rivestimenti chiamati nodi di Ranvier dove la membrana contiene canali voltaggio-dipendenti per il Na e K che servono per la trasmissione dei potenziali di azione permettendo i movimenti ionici attraverso la membrana.

Sistema nervoso centrale (SNC)

L'SNC è composto dall'encefalo e dal midollo spinale. Essendo tessuto poco consistente deve essere adeguatamente protetto da ossa, tessuto connettivo, cellule gliali e fluido cerebrospinale. E'composto da neuroni e cellule gliali (90%). Troviamo poi gli astrociti che controllano lo sviluppo delle connessioni neuronali e guidano lo sviluppo dei neuroni e la loro stabilità. Alcuni circondano le sinapsi rimuovendo dallo spazio sinaptico neurotrasmettitori come le amine o il glutammato (l'eccesso è tossico). Mantengono inoltre l'omeostasi degli elettroliti del liquido extracellulare per stabilizzare l'eccitabilità delle cellule.Le microglia sono cellule che proteggono il sistema nervoso dalle sostanze estranee come batteri e da detriti cellulari e proteggono i neuroni dallo stress ossidativo. La scatola cranica circonda l'encefalo mentre la colonna vertebrale protegge il midollo spinale. Per evitare urti con il tessuto cerebrale o con il tessuto nervoso troviamo le meningi (duramadre e piamadre), le membrane(aracnoide) e il liquido cerebrospinale che bagna l'SNC ed ha una composizione simile al plasma. Il fluido non solo circonda le cellule dell'SNC ma va anche al'interno in cavità chiamate ventricoli (4), rivestite di cellule epindimali. Il sangue in circolo nell'SNC  è circa il 15% di quello totale ed è molto importante per l'elevata attività metabolica. Circa il 20% di ossigeno e il 50% del glucosio dell'organismo sono utilizzati qui, inoltre non deve mai mancare sangue per non causare danni irreversibili all'SNC. Le cellule dell'SNC non possono immagazzinare glicogeno, ne utilizzare direttamente acidi grassi come fonte energetica, quindi il necessario apporto di glucosio viene portato dal sangue.

La barriera ematoencefalica è una barriera fisica fra il sangue e il liquido cerebrospinale e protegge grazie alla formazioni di giunzioni strette l'SNC da sostanze tossiche che possono essere presenti nel sangue. Gas e molecole idrofobiche attraversano facilmente la membrana per diffusione semplice mentre molecole idrofiliche possono attraversarla sono mediante proteine di trasporto, quindi la membrana è selettivamente permeabile. Per questo la composizione del liquido cerebrospinale differisce da quella del plasma.

Il 40% dell'SNC è formato da sostanza grigia costituita dal corpo cellulare dei neuroni, dai dendriti e dai terminali assonici che formano sinapsi con loro. E' qui che si realizza la trasmissione neuronale. L'altro 60% è sostanza bianca costituito da assoni per lo più mielinici (responsabile del colore), responsabili della diffusione del potenziale di azione a lunga distanza. Le cellule gliali sono presenti in tutti e due. La superficie esterna dell'encefalo è tutta grigia (corteccia cerebrale), sotto troviamo la bianca. Nel midollo spinale è l'inverso. Il midollo spinale ha struttura cilindrica (lungo 44 cm) e da esso partono 31 paia di nervi spinali che escono dalla colonna vertebrale e sono definiti in base alla zona del midollo dalla quale si originano (cervicali, toracici, lombari, sacrali e 1 coccigeo). Il midollo spinale si estende per 2/3 della lunghezza della colonna vertebrale l'ultimo tratto contiene sono nervi che emergono da essa.

L'encefalo è composto da prosencefalo, cervelletto e tronco dell'encefalo. Il prosencefalo è composto dal cervello e dal diencefalo che comprende talamo e ipotalamo. Il cervelletto si trova sotto il prosencefalo e dorsalmente al tronco dell'encefalo e controlla attività motorie e l'equilibrio tramite meccanismi di feedback. Il tronco dell'encefalo connette prosencefalo e cervelletto al midollo spinale. E' composto da mesencefalo, il ponte e il midollo allungato. Da qui partono i nervi cranici.

La corteccia cerebrale è la parte più esterna del cervello ed è composta da sostanza grigia. Funziona come centro integrativo in quanto riceve diversi segnali sensoriali gli elabora e genera pensieri e risposte. Ciascun emisfero cerebrale è diviso in quattro regioni (lobi), frontale, parietale, occipitale e temporale. All'interno di ciascun lobo la materia grigia è suddivisa in aree specializzate per differenti funzioni.

Sotto il cervello troviamo il diencefalo che comprende talamo e ipotalamo. Il talamo è un aggregato di nuclei sottocorticali localizzati nel diencefalo. Tutte le informazioni sensoriali fanno un percorso che attraversa il talamo fino alla corteccia, il talamo filtra e modifica le informazioni. L'ipotalamo regola l'omeostasi. Rappresenta il centro di collegamento fra il sistema endocrino e quello nervoso. Oltre a queste l'ipotalamo controllo altre funzioni come la fame, la sete, le emozioni e i comportamenti. Molte delle risposte avvengono attraverso il sistema nervoso autonomo.

Il sistema limbico è formato da un insieme di regioni corticali strettamente associate tra loro, nuclei sottocorticali e tratti dell'encefalo coinvolti nell'emozioni e nell'apprendimento. Comprende l'amigdala (paura emozioni e memoria), ippocampo, fornice e giro cingolato.

Comunque tutte queste regioni del SNC collaborano per svolgere le normali funzioni di tutti i giorni come ad esempio il riconoscimento di una mela.

FISIOLOGIA DELLE CELLULE ECCITABILI

Genesi del potenziale di membrana

A riposo una cellula presenta una differenza di potenziale ai lati della membrana tale che l'interno della cellula sia carico negativamente e l'esterno sia carico positivamente. Questa condizione viene definita  potenziale di riposo (Vm), perché la cellula né riceve né trasmette nessun segnale elettrico. Il potenziale di riposo è di circa -70mV (si prende per convenzione il segno dell'ambiente cellulare). I neuroni comunicano fra di loro mediante segnali elettrici generati variando il loro potenziale di membrana. Alcune variazioni di tali potenziali, induce il rilascio di neurotrasmettitori che trasmettono segnali ad un'altra cellula.

Il potenziale della membrana a riposo dipende dal gradiente di concentrazione degli ioni (prevalentemente Na e K che attraversano la membrana) e dalla presenza di canali ionici sulla membrana. Le forze chimiche che muovono li ioni Na e K attraverso la membrana e le differenze di permeabilità della membrana nei loro confronti generano il potenziale di membrana. Per capire come si genera il potenziale, consideriamo due cellule identiche una permeabile al K, perché sulla membrana sono aperti solo i canali per il K e una permeabile al Na perché sulla sua membrana sono aperti solo i canali per il Na.

Gli ioni Na+ saranno concentrati maggiormente all'esterno della cellula e saranno bilanciati da Cl-. Gli ioni K­+ saranno presenti maggiormente all'interno della cellula bilanciati da anioni prevalentemente proteici  (A-). Assumiamo che non ci sia inizialmente differenza di potenziale ai due lati della membrana. Nella cellula permeabile solo al K, questo si diffonderà secondo il suo gradiente di concentrazione verso l'esterno della cellula. L'afflusso di ioni K all'esterno genera una differenza di potenziale, infatti l'afflusso all'esterno di cariche positive renderà relativamente negativo l'interno della cellula creando un potenziale negativo. Si crea quindi un movimento di ioni K dall'esterno all'interno in risposta alla differenza di potenziale (gradiente elettrico), che va avanti fino a bilanciare la forza chimica. La forza chimica che spinge il K fuori dalla cellula rimane costante mentre la forza elettrica continuerà a cambiare man mano che gli ioni K escono dalla cellula fino a stabilire un equilibrio. Inizialmente la forza chimica è maggiore perché il potenziale elettrico è ridotto ma man mano che gli ioni K escono il potenziale di membrana aumenta e di conseguenza anche la forza elettrica. Quando le due forze sono bilanciate non ci sarà più alcun movimento di ioni attraverso la membrana (equilibrio elettrochimico). Il potenziale di equilibrio del potassio EK è -94mV

Nella cellula permeabile al Na la maggior concentrazione esterna, spingerà ioni Na all'interno della cellula generando un potenziale positivo all'interno della cellula e relativamente negativo all'esterno. Il potenziale elettrico che si genera spinge all'esterno ioni Na finché la forza elettrica non bilancia quella chimica. Il potenziale di equilibrio del sodio ENa è di 60mV.

In un neurone troveremo canali aperti sia per il Na che per il K perché è permeabile ad entrambi gli ioni. I canali aperti per il K sono 25 volte superiori per cui il potassio che attraversa la membrana è 25 volte superiore al sodio. Ammettendo che all'inizio non ci sia nessuna differenza di potenziale ai due lati della membrana, sia Na che K si muovono secondo il loro gradiente di concentrazione. Il Na entra nella cellula e il K esce, in maniera molto maggiore essendo la membrana (25 volte!), più permeabile a questo ione. Si genera un movimento maggiore di cariche positive verso l'esterno caricando negativamente l'interno della cellula. Si genera così un potenziale elettrico che quando raggiunge l'equilibrio rallenterà l'uscita di K e favorirà l'ingresso degli ioni Na all'interno della cellula. Alla fine il flusso dei due ioni diviene uguale ma con direzione opposta e il flusso di cariche elettriche è 0. A tal punto siamo intorno a -70mV che è il potenziale di riposo di un neurone. Il potenziale di riposo è una media ponderata fra quello del Na e quello del K anche se si avvicina di più a quest'ultimo per la maggior permeabilità della membrana. Siccome tutti e due gli ioni non sono in equilibrio elettrochimico tenderebbero a muoversi attraverso la membrana disperdendo così il potenziale. Questo non avviene grazie alle pompe Na/K che tramite ATP, trasportano 3 ioni Na al di fuori e 2 ioni K all'interno, per questo viene chiamata anche pompa elettrogenica.

Alcune cellule sono permeabili anche ad altri ioni per cui questi contribuiscono alla genesi del potenziale di riposo. Ad esempio nei neuroni anche il cloro contribuisce. Per cui il potenziale di riposo è dato dalla media ponderata dei potenziali di equilibrio di tutti gli ioni che permeano la membrana. Il contributo di ciascun ioni dipende dalla permeabilità relativa. Aumentando la permeabilità di un dato ione il potenziale di equilibrio si avvicina a questo. I canali Na e K principali responsabili della genesi del potenziale di riposo sono canali a perdita, cioè sempre aperti. Esistono poi altri canali ligando-dipendi e voltaggio-dipendenti.

Potenziali di membrana

I segnali elettrici nei neuroni si generano quando, in risposta a stimoli particolari, si aprono e o si chiudono alcuni canali ionici, detti canali a porta. L'apertura e la chiusura cambia la permeabilità della membrana a tali ioni. Ci sono tre tipi di canali elettrici (voltaggio-dipendenti), chimici (ligando-dipendenti) e meccanici (meccano-sensitivi) che si aprono e si chiudono in risposta a forze che modificano la membrana cellulare.

La membrana si dice polarizzata a causa della differenza di potenziale ai due lati della membrana. Poiché un neurone a riposo ha un potenziale di -70mV un ulteriore incremento negativo si dice iperpolarizzazione mentre un cambiamento verso valori positivi depolarizzazione. La ripolarizzazione si ha quando la membrana ritorna al suo valore di riposo dopo una depolarizzazione. I neuroni comunicano tramite due segnali elettrici risultanti dall'apertura o chiusura dei canali, potenziali graduati e potenziali di azione.

Potenziali graduati

Sono piccole modificazioni del potenziale di membrana che si verificano in risposta all'apertura/chiusura dei canali ionici in risposta ad uno stimolo che agisce sulla cellula. Agiscono a breve distanza dal punto della loro genesi e diminuiscono di ampiezza man mano che si diffondono. Possono essere prodotti da neurotrasmettitori che si legano a recettori sulla membrana del neurone o in risposta ad uno stimolo sensoriale. L'ampiezza della variazione del potenziale di membrana varia in proporzione alla grandezza dello stimolo. Possono essere iperpolarizzanti o depolarizzanti. La direzione dipende dal tipo di stimolo, e dai canali ionici che sono interessati. Ad esempio l'apertura dei canali Na porta un ingresso di questo ione ella cellula originando un potenziale graduato depolarizzante, l'apertura dei canali K li farà uscire ioni K dalla cellula generando un potenziale graduato iperpolarizzante. I potenziali graduati possono generare un potenziale di azione se depolarizzano la membrana fino ad un valore di potenziale definito valore di soglia. Potenziali che generano depolarizzazioni vengono considerati eccitatori quelli che generano iperpolarizzazioni inibitori perché allontano la cellula dal valore di soglia.

Quando si genera una variazione del potenziale di membrana si creano flussi di corrente all'interno e all'esterno del neurone che si propagano ad aree adiacenti alla membrana provocando modificazioni al voltaggio transmembrana. La diffusione di questa variazione di differenza di potenziale generata dal movimento passivo di cariche è definita conduzione elettrotonica. Al diffondersi del potenziale graduato dal punto di stimolazione, la corrente si propaga in un ampia area di membrana e parte di essa la attraversa dai canali passivi (cortocircuitandoli). Per questo l'ampiezza del potenziale graduato cala man mano che si propaga al crescere della distanza.



Un singolo potenziale graduato in genere non è in grado di produrre un potenziale di azione. I potenziali di azione si generano se più potenziali graduati si sommano temporalmente o spazialmente. Nella sommazione temporale due potenziali graduati si sono talmente ravvicinati che all'arrivo del secondo il primo non si è ancora estinto per cui si sommano tra loro. Nella sommazione spaziale effetti di stimoli provenienti da aree del neurone vicine danno origine a potenziali graduati che si sommano tra loro.

Potenziali di azione

Si generano nelle membrane dei tessuti eccitabili (muscoli e nervoso), in risposta a potenziali graduati che raggiungono il valore di soglia. Quando avviene si ha una rapida depolarizzazione della membrana che passa da -70mV a 30mV circa in 1ms. Il potenziale d'azione si propaga per tutta la lunghezza dell'assone senza perdite di intensità.

La genesi si basa essenzialmente sulla permeabilità della membrana al Na e al K e ai loro gradienti elettrochimici ai due lati della membrana. Apertura/chiusura dei canali ionici producono potenziali di azione. In un neurone un potenziale di azione ha tre fasi:

Depolarizzazione: rapida depolarizzazione il potenziale passa da -70 a ­+30 dovuto ad un brusco aumento della permeabilità al Na che entra nella cellula a causa del suo gradiente elettrochimico depolarizzandola. Il potenziale della membrana tende ad avvicinarsi a quello di equilibrio del sodio che è 60mV. Comunque le concentrazioni di Na nel citoplasma e nell'ambiente extracellulare non cambiano significativamente.

Ripolarizzazione: il potenziale ritorna al valore di riposo, nell'arco di 1ms dall'aumento di permeabilità al sodio questo diminuisce rapidamente. Quasi contemporaneamente aumenta la permeabilità al K per cui questo ione comincia ad uscire dalla cellula seguendo il suo gradiente elettrochimico ripolarizzando la membrana.

Iperpolarizzazione postuma: la permeabilità al potassio rimane elevata per un periodo (5-15 ms) successivo a quando la membrana raggiunge il suo valore di riposo, avvicinandosi al valore di equilibrio del potassio (-94mV).

Canali voltaggio dipendenti

Le modificazioni della permeabilità della membrana sono dovute all'apertura e la chiusura coordinate dei canali voltaggio dipendenti per il Na e il K localizzati sulla membrana cellulare del monticolo assonale e dell'assone. Negli assoni mielinici questi si trovano in maggior concentrazione in corrispondenza dei nodi di Ranvier, in quelli amielinici sono dislocati su tutto l'assone. Il meccanismo non è tanto chiaro e per descrivere il funzionamento si usano dei modelli.

Il modello per i canali sodio implica l'esistenza nel canale di due tipi di porte: porte di attivazione responsabile dell'apertura del canale e porte di disattivazione responsabili della chiusura. Per l'apertura di un canale per il Na è necessario che entrambe le porte siano aperte. Entrambe le porte si aprono e si chiudono in risposta a modificazioni del potenziale di membrana. A riposo la porta di inattivazione è aperta ma quella di attivazione è chiusa. Il canale è chiuso ma attivabile in risposta ad uno stimolo. Con entrambe le porte aperte il canale è aperto lo ione può entrare nella cellula. Questo avviene nella fase di depolarizzazione di un potenziale di azione. Dopo 1 ms dallo stimolo la porta di inattivazione si chiude. Con la porta di attivazione aperta e quella di inattivazione chiusa il canale è chiuso ed è incapace di aprirsi in risposta ad una altro stimolo depolarizzante. Non può riaprirsi fino a che la membrana non ritorna ad un potenziale prossimo a quello di riposo. Terminata la ripolarizzazione la porta di attivazione chiude e quella di inattivazione si riapre e il canale torna nella posizione di riposo.

L'apertura delle porte di attivazione per il Na è un processo rigenerativo, all'inizio la depolarizzazione apre poche porte per il Na, con conseguente afflusso di ioni nella cellula. Questo depolarizza la cellula provocando l'apertura di altri canali Na aumento il flusso di sodio e aumentando la depolarizzazione. Questo feedback positivo genera una depolarizzazione molto rapida (1ms), e termina quando le porte di inattivazione del Na si chiudono. Quello per il potassio si ritiene sia composto da una singola porta che si apre più lentamente in risposta alla depolarizzazione. Quando la porta di inattivazione del Na si chiude il canale per il potassio inizia ad aprirsi lentamente e lo ione K comincia ad uscire dalla cellula (con cellula depolarizzata il K è lontano dal suo equilibrio elettrochimico). La cellula si ripolarizza. I canali K fanno parte di un feedback negativo che agisce durante il potenziale di azione. Lo stimolo depolarizzante diminuisce e i canali per il K si chiudono.

La soglia per generare un potenziale di azione corrisponde al livello di depolarizzazione necessario per indurre un meccanismo di feedback positivo delle correnti nel sodio.

Uno stimolo sottosoglia non genera nessun potenziale di azione, uno stimolo di soglia lo genera, uno stimolo soprasoglia genera un potenziale di azione che comunque non dipende dalla sua intensità. Il potenziale di azione segue il principio del tutto o nulla, quando la membrana è depolarizzata fino al valore di soglia o oltre, si genera un potenziale di azione che ha sempre la stessa ampiezza. Il livello di depolarizzazione non dipende dall'intensità dello stimolo ma dalla permeabilità al Na e al K e dai loro gradienti elettrochimici. Il neurone non può mai raggiungere il potenziale di equilibrio di uno di questi due ioni per le diffusioni passive degli ioni dai canali sempre aperti e dai canali voltaggio-dipendenti. L'ampiezza costante del potenziale di azione è data dai gradienti di concentrazione del Na e del K che non cambiano attraverso la membrana che non cambiano in condizioni normali e dal numero di canali passivi per il K.

Periodi refrattari

Durante o subito dopo un potenziale di azione la membrana è meno eccitabile che a riposo. Questo viene detto periodo refrattario. Si distingue un periodo refrattario assoluto, che comprende la fase di depolarizzazione e quasi tutta quella di ripolarizzazione (1-2 ms). Un potenziale di azione non può essere generato in risposta ad un secondo stimolo anche se intenso. Questo perché durante la depolarizzazione la fase rigenerativa del Na che provoca l'apertura delle porte procede verso la conclusione senza che il secondo stimolo possa influenzarla e durante la fase di ripolarizzazione, gran parte delle porte per il Na è in posizione di chiusura e non può essere aperta da un secondo stimolo. Un secondo potenziale di azione può essere generato alla fine della ripolarizzazione quando la maggior parte delle porte per il Na è tornato in posizione di riposo. Il periodo refrattario relativo è subito dopo quello assoluto (5-15 ms), in corrispondenza della iperpolarizzazione postuma. In questo periodo si può generare un potenziale d'azione ma solo con uno stimolo più forte di quello necessario a raggiungere il valore di soglia. La forza dello stimolo dipende dal tempo trascorso dal periodo refrattario assoluto. Il periodo refrattario relativo è dovuto all'alta permeabilità al potassio.

I potenziali di azione non possono sommarsi tra loro a causa del periodo refrattario assoluto che previene una loro sovrapposizione. I periodi refrattari assoluti sono anche importanti per la codificazione delle informazioni che arrivano sottoforma di potenziali di azione.

Mentre i potenziali graduati variano con l'intensità dello stimolo l'intensità del potenziale di azione è sempre la stessa. La codifica dell'informazione viene fatta in base alla frequenza di scarica. Un potenziale graduato più intenso e duraturo può generare più potenziali di azione e quindi in relazione all'ampiezza del graduato, quelli di azione possono essere più vicini o più lontano fra di loro. Stimoli soprasoglia hanno più probabilità di generare più potenziali di azione con frequenze di scarica vicine. Il secondo stimolo che avviene nel relativo deve essere abbastanza forte da aprire abbastanza canali Na per superare l'efflusso di K dalla cellula.

Propagazione del potenziale di azione

Una volta generato il potenziale di azione si estende dal monticolo assonale (cono di emergenza), per tutto l'assone fino al terminale assonico. Il singolo potenziale genera gradienti elettrochimici nei liquidi intra ed extra cellulari che permettono alle cariche positive di muoversi dall'area della membrana depolarizzata a quella adiacente che a sua volta viene depolarizzata. Il primo potenziale ne genera un secondo nella zona della membrana adiacente alla zona che lo ha generato. Il secondo ne genera un terzo e così via fino al terminale assonico.

Negli assoni amielinici la conduzione elettrotonica avviene per diffusione passiva. Quando si genera un potenziale d'azione non tutto l'assone viene immediatamente depolarizzato, ma solo una zona della membrana che subisce un inversione di polarità. Le cariche positive della regione di innesco si spostano verso quello negative delle regioni adiacenti della membrana dove la cellula ha il potenziale di riposo. Le cariche giunte nelle aree adiacenti le depolarizzano fino al valore di soglia facendo nascere un potenziale di azione fino a che punto per punto non raggiunge il terminale assonico.L'intensità della corrente che si diffonde è sempre sufficiente a generare un potenziale di azione ed è per questo che l'ampiezza rimane costante. Il diametro di un assone influenza la velocità di trasmissione più è elevato il diametro maggiore è la velocità. Quando una regione è depolarizzata da un potenziale di azione la corrente potrebbe espandersi a monte e a valle ma questo non accade perché le regioni a monte del potenziale di azione si trovano nel periodo di refrattarietà assoluta in quanto precedentemente depolarizzate.   

Negli assoni mielinici si ha la conduzione saltatoria. La mielina crea resistenza ai movimenti ionici attraverso la membrana. I nodi di Ranvier presentano però delle interruzioni dell'avvolgimento mielinico per cui la membrana perde l'isolamento essendo a contatto con l'ambiente extracellulare. I potenziali di azione si generano a livello dei nodi di Ranvier. La separazione delle cariche nel liquido intracellulare genera un flusso di corrente da un nodo all'altro che si muovono rapidamente nel tratto mielinico anche se diminuiscono un po' di intensità, fino a raggiungere il terminale assonico. La velocità di propagazione è più elevata rispetto a quelli amielinici.  

SINAPSI

Nel sistema nervoso ci sono due tipi di sinapsi: elettriche e chimiche. Quelle elettriche permettono la trasmissione di segnali elettrici fra due cellule mediante giunzioni comunicanti. Quelle chimiche funzionano mediante rilascio di un neurotrasmettitore che attivano meccanismi di trasduzione nelle cellule bersaglio.

Sinapsi elettriche

Sono presenti tra neuroni e tra neuroni e cellule gliali. Le membrane cellulari di cellule adiacenti sono collegate mediante giunzioni comunicanti in modo che un segnale elettrico come un potenziale di azione, possa propagarsi ad una cellula adiacente attraverso questi canali ionici. Permettono una rapida comunicazione fra neuroni adiacenti sincronizzandone l'attività elettrica. La comunicazione è spesso bidirezionale sebbene alcune conducano segnali elettrici in una sola direzione. La comunicazione può essere eccitatoria o inibitoria a livello della stessa sinapsi può essere infatti condotta una corrente depolarizzante o iperpolarizzante. Alcune sono sempre attive, altre hanno meccanismi che permette l'attraversamento di corrente solo in determinate condizioni. Sono state evidenziate nella retina e nella corteccia mentre nel sistema nervoso sono in maggioranza sinapsi chimiche.

Sinapsi chimiche

Nelle sinapsi chimiche un neurone secerne un neurotrasmettitore in risposta ad un potenziale di azione che arriva alla sua terminazione sinaptica. Questo si lega ad un recettore sulla membrana di una seconda cellula in modo da favorire l'insorgere in questa di un potenziale di azione. Un neurone può formare sinapsi con altri neuroni o cellule effettrici come quelle muscolari o ghiandolari. Muscoli e ghiandole sono considerati organi effettori ed una giunzione tra un neurone e una cellula effettrice è definita giunzione neuro effettrice.

La sinapsi neurone-neurone è una stretta connessione tra un terminale assonico di un neurone e la membrana cellulare di un altro neurone. Il primo neurone che trasmette segnali al secondo è definito neurone pre-sinaptico, il secondo che riceve è definito neurone post-sinaptico. La trasmissione del segnale è unidirezionale (dal pre al post). Spesso il terminale assonico del neurone pre-sinaptico forma delle sinapsi con un dentrite o con il corpo cellulare del neurone post-sinaptico.

In tutti i casi la terminazione assonica del neurone pre-sinaptico rilascia un neurotrasmettitore in uno spazio estremamente ridotto (30-50 nm), tra le due cellule che prende il nome di fessura sinaptica. Il neurotrasmettitore si diffonde rapidamente fino ad arrivare ai recettori posizionati sulla membrana post-sinaptica inducendo una risposta nella cellula attivando meccanismi di trasduzione del segnale. Il terminale assonico del neurone pre-sinaptico contiene numerose vescicole chiamate vescicole sinaptiche che contengono le molecole del neurotrasmettitore sintetizzate (la maggior parte) nel citoplasma del terminale assonico dove sono coinvolti gli enzimi responsabili della sintesi. Nella membrana dei terminali assonici sono presenti numerosi canali voltaggio-dipendenti per il calcio che si aprono quando la membrana del bottone sinaptico è depolarizzata all'arrivo de potenziale di azione.

Quando i canali per il Ca si aprono gli ioni penetrano nel terminale assonico secondo il loro gradiente elettrochimico aumentando la concentrazione nel citosol. Il calcio fonde le vescicole sinaptiche e libera i neurotrasmettitori nella fessura sinaptica per esocitosi. Se non arrivano altri potenziali di azione il rilascio del neurotrasmettitore si ferma dopo pochi ms perché i canali Ca si richiudono e il Ca viene pompato fuori dalla cellula per riportare la concentrazione ai valori di base. Se arrivano altri potenziali di azione la quantità di neurotrasmettitore rilasciata sarà maggiore. Un neurotrasmettitore, una volta liberato nella fessura, deve agire in pochi millisecondi. Per evitare una prolungata presenza del neurotrasmettitore nella fessura, le molecole che non si legano ai recettori vengono degradate da enzimi presenti sulla membrana post-sinaptica, pre-sinaptica e delle cellule gliali vicine. Altre molecole possono essere inviate al neurone pre-sinaptico che le degrada e le riutilizza per produrre nuovi neurotrasmettitori. Infine alcune possono essere liberate nel liquido extracellulare.

Ritardo sinaptico

Il tempo che intercorre fra l'arrivo del potenziale di azione a livello del bottone presinaptico e la risposta a livello postsinaptico è di circa 0,5-5 ms. Questo intervallo di tempo è definito ritardo sinaptico ed è dovuto al tempo che serve al Ca per attivare l'esocitosi delle molecole del neurotrasmettitore. Raggiunta la fessura il tempo impiegato per la diffusione al trasmettitore è trascurabile.  

Meccanismi di trasduzione del segnale delle sinapsi chimiche

Il neurotrasmettitore funziona come messaggero che permette il passaggio di un segnale da una cellula ad un'altra. La risposta veloce si ha quando un neurotrasmettitore si lega ad un recettore-canale (ionotropo), che permette l'apertura di un canale e il passaggio degli ioni attraverso la membrana del neurone post-sinaptico modificandone il potenziale di membrana (potenziale post-sinaptico o PPS). Si verifica rapidamente e rapidamente scompare. Le risposte lente sono dovute ai legami dei neurotrasmettitori a recettori accoppiati a proteine G (metabotropi). Nel sistema nervoso le proteine G possono attivare l'apertura o la chiusura di canali ionici in base al tipo di sinapsi. Gli effetti sono identici a quelli dei canali ionici, anche se la risposta è più lenta, comunque modificano il potenziale di membrana aprendo/chiudendo canali ionici, o direttamente o stimolando un secondo messaggero.

Sinapsi eccitatorie

E' una sinapsi che porta il potenziale della membrana post-sinaptica a valori più vicini al valore di soglia in modo da generare un potenziale di azione. Questa depolarizzazione è definita potenziale sinaptico eccitatorio (PPSE) e sono potenziali graduati la cui ampiezza cresce n funzione del numero di molecole di neurotrasmettitore che si legano al recettore. La depolarizzazione è maggiore nel punto di origine (come tutti i potenziali graduati) e va decrescendo verso il monticolo assonale. I PPSE veloci sono determinati da legami del neurotrasmettitore con recettori-canale che fanno attraversare dalla membrana dagli ioni Na e K. La durata varia da pochi ms ad alcune centinaia di ms.

Quelli lenti sono determinati da vari meccanismi uno tipico è la chiusura dei canali per il K in seguito all'attivazione del messaggero AMP ciclico. Il neurotrasmettitore interagisce con un recettore che attiva una proteina G. Questa attiva l'enzima adenilato ciclasi che converte l'ATP ad AMP ciclico che agisce come secondo messaggero attivando la proteina chinasi A che determinata il trasferimento del gruppo fosfato al canale del potassio chiudendolo. Questo determina una minor uscita del potassio dalla cellula mentre l'ingresso di Na rimane lo stesso. Il potenziale della cellula quindi si allontana da quello di equilibrio del K e si avvicina a quello del Na. Questi potenziali lenti si sviluppano lentamente e durano di più.

Sinapsi inibitorie

Funziona in modo tale da iperpolarizzare la membrana allontanandola dal valore di soglia o per stabilizzarla intorno ai valori di riposo. Il neurotrasmettitore che si lega apre canali per il K o per il Cl. Il potassio esce dalla cellula iperpolarizzandola generando un potenziale sinaptico inibitorio (PPSI). Anche questo è un potenziale graduato dipendente dalle molecole del neurotrasmettitore che si legano. Nel caso invece vengono aperti canali per il Cl il movimento di ioni dipenderà dal gradiente di concentrazione del cloro. Di solito gli ioni Cl sono pompati attivamente all'esterno della cellula per cui se il Cl ha una concentrazione maggiore all'esterno della cellula questo tenderà ad entrare nella cellula iperpolarizzandola. In neuroni dove non c'è trasporto attivo di Cl verso l'esterno, le cariche si distribuiranno ai due lati della membrana in maniera equilibrata. L'apertura dei canali Cl non causerà nessun movimento di tale ione, ma la sinapsi è considerata lo stesso inibitoria. Questo perché a livello post-sinaptico possono essere attivate contemporaneamente sia sinapsi eccitatorie che inibitorie. Se consideriamo un neurone che le ha attive entrambe, la prima genera un PPSE depolarizzando parzialmente la membrana del neurone postsinaptico mentre la seconda determina un ingresso di Cl all'interno della cellula. Questo evento è considerato inibitorio perché diminuisce la probabilità che il neurone raggiunga un valore di soglia per generare un potenziale di azione.

Quindi la probabilità di generare potenziali di azione dipende dalla combinazione di molti input che arrivano alla membrana del neurone post-sinaptico. Tale fenomeno è noto come integrazione neuronale.

Integrazione neuronale

Un neurone riceve comunicazioni da centinaia di altri neuroni pertanto una convergenza di input. Una singola sinapsi non sarà in grado di generare un potenziale di azione a livello post-sinaptico. Il monticolo assonale del neurone post-sinaptico funziona come un integratore di segnali che giungono al livello della sua membrana. La sommazione algebrica dei PPSE e dei PPSI è definita integrazione neuronale. Quando la sommazione dei PPSE prevale quella dei PPSI ed è in grado di portare il potenziale di membrana del monticolo assonale al valore di soglia si genera un potenziale di azione. Di solito l'ampiezza di un singolo PPSE non basta a generare un potenziale di azione, è necessaria la somma. Siccome i PPSE e PPSI sono potenziali graduati sono capaci di sommarsi fra di loro.

La sommazione temporale prende due o più potenziali generati a livello della stessa sinapsi. Un potenziale post-sinaptico non ha il tempo di disperdersi prima dell'arrivo del successivo. Il totale sarà superiore al singolo potenziale. In modo analogo possono sommarsi i PPSI. Il grado di iperpolarizzazione che può verificarsi è limitato dal potenziale di equilibrio del K (non può superare -94mV). I potenziali post-sinaptici durano più del potenziale di azione per cui si può verificare la somma. Un neurone pre-sinaptico può generare un secondo potenziale di azione che libera un altro neurotrasmettitore anche se sono ancora presenti le molecole del primo.

Nella sommazione spaziale due potenziali post-sinaptici sono generati da due sinapsi differenti quasi contemporaneamente in modo da potersi sommare fra di loro, producendo una depolarizzazione di ampiezza sufficiente ad indurre un potenziale di azione.

Come già visto in precedenza l'entità dello stimolo, quando si supera il valore di soglia non influenza l'ampiezza del potenziale di azione che si generano, ma influenza la loro frequenza. Uno stimolo soprasoglia aumenta la frequenza di scarica dei potenziali di azione e questo fenomeno è noto come codice di frequenza. Un aumento della frequenza di scarica aumenta il rilascio di neurotrasmettitori potenziando la comunicazione con il neurone successivo lungo la via di trasmissione del segnale.

Le sinapsi assoniche funzionano come sinapsi modulatorie. Si possono formare tra il terminale assonico di un neurone e quello di un altro. Il neurotrasmettitore rilasciato dal neurone presinaptico non genera segnali elettrici in quello postsinaptico ma legandosi al recettore sulla membrana del terminale assonico del neurone post-sinaptico, il neurotrasmettitore liberato modifica la quantità di Ca che entra nel terminale assonico in risposta al potenziale di azione modificando la quantità di neurotrasmettitore rilasciato dal neurone post-sinaptico della sinapsi assoassonica. Se aumenta si parla di facilitazione postsinaptica altrimenti di inibizione post-sinaptica.

Neurotrasmettitori

Si dividono in varie classi in base alla loro struttura chimica. Comprendono derivati della colina (acetilcolina), amine biogene, aminoacidi e peptidi neuro attivi (neuro peptidi).

L'acetilcolina è rilasciata da neuroni del SNC e dell'SNP. E' il neurotrasmettitore più abbondante dell'SNP. E'sintetizzata nel citoplasma dei terminali assonici a partire dall'acetil CoA ad opera dell'enzima colina acetil transferasi (CAT). Una volta prodotta viene immagazzinata nelle vescicole sinaptiche fino a quando non viene liberata per esocitosi, in risposta ad un potenziale di azione.  

Dopo il rilascio l'acetilcolina si lega ai recettori postsinaptici e viene catabolizzata in acetato e colina che non hanno funzione di neurotrasmettitore. La colina viene recapitata nel bottone sinaptico per sintetizzare nuova acetili colina e l'acetato entra nel circolo ematico.


Le cellule del sistema nervoso hanno due tipi di recettori per uno specifico neurotrasmettitore. Per l'acetilcolina uno è nicotinico che ionotropico attivando l'apertura/chiusura di canali ionici e uno è muscarinico che è metabotropo e attiva l'apertura/chiusura di canali mediante proteine G.


Arco riflesso

Le reti neuronali sono costituite da una serie di neuroni connessi mediante sinapsi, a formare una linea di comunicazione. Le vie nervose variano nella loro complessità, quelle più brevi sono rappresentate dall'arco riflesso. Il riflesso rappresenta una risposta automatica ad uno stimolo sensoriale e sono controllati dall'SNC. Possono essere divisi in quattro categorie:

Spinali o cranici: quelli spinali sono elaborati dal midollo spinale quelli cranici dal cervello

Somatici o neurovegetativi: in relazione alla via nervosa afferente. Somatici sono quelli inviati dai neuroni somatici ai muscoli scheletrici, quelli vegetativi (riflessi viscerali), sono inviati da neuroni vegetativi alle cellule muscolari lisce, ai muscoli cardiaci o alle ghiandole.

Innati o condizionati: innati o condizionati (appresi)

Monosinaptici o polisinaptici: nei monosinaptici la via nervosa è composta da due neuroni e una sinapsi. In quelli polisinaptici comprendono più di due neuroni e più di una sinapsi.

La via riflessa più semplice si chiama arco riflesso e consta di due componenti: un recettore sensoriale, un neurone afferente, un centro integratore, un neurone efferente e un organo effettore.

Per stimolare un azione riflessa il recettore deve essere stimolato opportunamente quindi l'informazione tramite il neurone afferente viene portata all'SNC che funziona come centro integratore. Dal neurone efferente parte l'istruzione per l'organo effettore che genera una risposta.

Il riflesso più semplice è quello da stiramento ed è il solo monosinaptico presente nel corpo umano. Il recettore è neuromuscolare. Colpendo il tendine rotuleo si determina uno stiramento del quadricipite femorale che eccita i fusi neuromuscolari in esso contenuti, generando potenziali di azione nei neuroni afferenti al midollo spinale (centro di integrazione). Qui i neuroni afferenti stabiliscono sinapsi con quelli efferenti che innervano il quadricipite stesso determinando la sua contrazione. In aggiunta i muscoli antagonisti (flessori) devono rilasciarsi, grazie a collaterali che si diramano fusi neuromuscolari e formano sinapsi inibitorie con interneuroni che innervano i flessori.

Riflesso flessorio e crociato

Il riflesso flessorio (allontanamento) è la retrazione di un arto sottoposto a stimolo dolorifico. Lo stimolo è avvertito da i nocicettori, che rispondono ad uno stimolo dannoso o potenzialmente dannoso per i tessuti. I neuroni afferenti trasmettono lo stimolo al midollo spinale dove stabiliscono sinapsi eccitatorie con interneuroni che a loro volta eccitano neuroni efferenti che innervano muscoli scheletrici provocando l'allontanamento del'arto. Anche stavolta vengono attivate sinapsi inibitorie verso i muscoli antagonisti. Per evitare, piegando la gamba di perdere l'equilibrio, lo stimolo dolorifico evoca un secondo riflesso chiamato estensorio crociato che permette di mantenere la posizione orto-statica. Oltre a questi vengono mandati stimoli anche al cervello per informarlo della sensazione dolorosa.

Fisiologia dei recettori

La porzione afferente del SNP trasmette informazioni alla periferia del SNC. Le informazioni sono raccolte dai recettori sensoriali che rispondono a stimoli specifici. Alcuni sono ricevono stimoli dal'ambiente esterno altri definiti recettori viscerali dall'ambiente interno dell'organismo. Questi tramite neuroni afferenti (afferenti viscerali), comunicano con l'SNC (ad esempio i chemorecettori per l'ossigeno e l'anidride carbonica nel sangue). Anche se il cervello riceve queste segnali noi non se siamo coscienti.

I recettori sensoriali sono strutture neuronali in grado di rilevare specifiche forme di energia provenienti dall'esterno o dall'interno dell'organismo. La forma di energia di uno stimolo è definita modalità ed ogni recettore è specifico per una modalità sensoriale. La modalità alla quale risponde un recettore è chiamata stimolo adeguato. Modalità differenti dagli stimoli adeguati possono attivare il recettore solo se sono abbastanza forti.

La trasduzione avviene modificando l'energia dello stimolo sensoriale in modificazioni del potenziale di membrana definiti potenziali generatore (o di recettore). Sono potenziali graduati (come i postsinaptici) generati dall'apertura/chiusura dei canali ionici. Maggiore è lo stimolo maggiore è la variazione del potenziale di membrana. I recettori sensoriali sono di due tipi, possono essere una struttura specializzata situata all'estremità periferica di un neurone afferente. Se il potenziale dei recettori depolarizza la cellula fino al valore di soglia il potenziale di azione verrà trasferito fino al'SNC. In altri casi il recettore è costituito da una cellula che comunica con una sinapsi con un neurone afferente. Lo stimolo induce il rilascio di un neurotrasmettitore che si lega a recettori del neurone afferente inducendo modificazioni del potenziale di membrana.

Alcuni recettori continuano a rispondere allo stimolo per tutto il tempo di applicazione altri invece vi si adattano e la loro risposta diminuisce nel tempo. L'adattamento rappresenta il decremento nel tempo dell'ampiezza del potenziale di recettore in presenza di uno stimolo costante. SI possono avere recettori a rapido e lento adattamento.

Sistema nervoso autonomo

Innerva tutti gli organi effettori e tessuti (muscolo cardiaco, ghiandole, stomaco, vie respiratorie .). La sua attività si svolge in modo sub-concio. La maggior parte degli organi ha una duplice innervazione. L'innervazione orto e para simpatica sono tra loro antagonisti ma non creano problemi perché sono attivate in maniera complementare. Il sistema parasimpatico è al massimo della sua attività nei periodi di riposo stimolando gli organi digestivi, quello simpatico quando si ha una forte attività fisica. La principale funzione del sistema nervoso autonomo è quella di far funzionare gli organi per mantenere l'omeostasi. Il sistema nervoso autonomo ha vie efferenti formate da due neuroni in serie tra l'SNC e gli organi effettori. I neuroni comunicano tra loro mediante sinapsi chiamati gangli del sistema nervoso autonomo (pre e post gangliari).

Sistema nervoso somatico

Controlla solo un tipo di muscolo effettore quello scheletrico. Sono connessi alle ossa fornendo oltre al movimento anche supporto. Ha un solo tipo di neurone efferente il motoneurone. La maggior parte è sotto controllo volontario. Un singolo neurone collega l'SNC alle fibre muscolari scheletriche. I motoneuroni si originano dal midollo spinale e ricevono molte afferenze. Un singolo motoneurone innerva più fibre muscolari ma ciascuna fibra è innervata da un motoneurone. L'insieme fibra + motoneurone è l'unità motoria. Ciascuna diramazione dell'assone di un motoneurone forma una sinapsi con una fibra muscolare scheletrica a livello di una regione specializzata della membrana della cellula muscolare formando una giunzione neuromuscolare. I terminali dell'assone del motoneurone chiamati bottoni sinaptici, immagazzinano e rilasciano acetilcolina (unico trasmettitore del s.n.somatico). Dal lato opposto del bottone sinaptico troviamo la placca motrice che ha molti recettori per l'acetilcolina. Il meccanismo di trasmissione neuromuscolare è simile a quello delle sinapsi eccitatorie. Il potenziale di azione generato dalla convergenza di molti segnali eccitatori si propaga fino al bottone sinaptico delle giunzioni neuromuscolari di tutte le fibre. La depolarizzazione porta all'apertura dei canali voltaggio dipendenti nel bottone sinaptico per il Ca inducendo il rilascio di acetilcolina. Questa nella fessura sinaptica interagisce con i recettori della placca neuromuscolare determinandone l'apertura. Il Na entra nella cellula muscolare producendo una depolarizzazione che prende il nome di potenziale di placca che depolarizza la membrana del muscolo fino alla soglia generando la contrazione.








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