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FISIOLOGIA UMANA - 2°ANNO SCIENZE MOTORIE

TESTO: FISIOLOGIA – D’ANGELO/PERES – EDIZIONI ERMES

PROF: GUATTEO – ESAME SCRITTO + ORALE FACOLTATIVO (SI PUO’ NON FARE SE ALLO

SCRITTO SI PRENDE PIU DI 25)

48 TRA RISPOSTE MULTIPLE E VERO FALSO (+1/-0.50), 4 DOMANDE APERTE (+2)

CAPITOLO 1: COMPARTIMENTI E LIQUIDI DELL’ORGANISMO

Nel corpo umano ci sono sistemi/apparati chiusi o aperti. Si definiscono aperti infatti, quelli che

hanno uno sbocco verso l’esterno (esempio: apparato respiratorio o apparato digerente). Tutti gli

apparati collaborano e lavorano in sinergia tra loro.

Il principale liquido presente nel corpo umano è l’acqua. L’acqua del corpo umano è situata

principalmente nelle cellule, un’altra buona parte di acqua la si trova nel liquido interstiziale che si

trova tra le cellule (sarebbe lo spazio che separa una cellula e un’altra) mentre la restante parte di

acqua si trova nel plasma sanguigno. Quindi l’acqua si trova in tre compartimenti:

Cellulare (citoplasma delle cellule)

Extra-cellulare (liquido interstiziale)

Plasma sanguigno (circolazione)

Il passaggio dell’acqua tra questi tre compartimenti è regolato dalla pressione idrostatica generata

dalla pompa cardiaca (il cuore, sposta acqua dalla circolazione al liquido interstiziale) e dalla

pressione osmotica che contrasta quella idrostatica ed evita che l’acqua entri tutta nel liquido

interstiziale dalla circolazione e la sposta nella cellula grazie ai suoi osmoliti.

Il passaggio dell’acqua nei tre compartimenti infatti, è sempre finalizzato all’equilibrio osmotico,

cioè l’acqua deve essere presente in tutti e tre i compartimenti, compartimenti che hanno la stessa

pressione osmotica.

Il percorso che l’acqua fa è il seguente:

1. Parte dal torrente circolatorio (circolazione sanguigna)

2. Poi passa nel liquido interstiziale

3. Entra nelle cellule

Si può facilmente dedurre quindi che se manca l’acqua nel sangue, anche gli altri due compartimenti

ne risentiranno e vedranno diminuire il loro livello di acqua.

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CAPITOLO 1.1: I SOLUTI DELL’ACQUA

I soluti dell’acqua non possono passare facilmente tra un compartimento e l’altro.

I principali soluti, in forma ionica (cioè con carica positiva), sono:

Sodio, si accumula principalmente nel plasma e nello spazio extra-cellulare (145 mM), in

quantità minore nelle cellule (15-40 mM)

Potassio, si accumula principalmente nel citoplasma delle cellule (quindi spazio cellulare,

150 mM), presente in quantità minime negli altri due compartimenti (4-5 mM)

Cloro, si accumula principalmente nello spazio extra-cellulare e nel plasma sanguigno (100

mM), molto meno presente invece nelle cellule (10-40 mM)

Proteine, si accumulano principalmente e in grande quantità nelle cellule (200 mM),

presenti anche nel plasma (70 mM), totalmente assenti nello spazio extra-cellulare (0 mM)

Sodio e potassio sono presenti nel corpo sotto forma di cationi, quindi con 1 elettrone in meno e

conseguente carica positiva. Il cloro invece è un anione con 1 elettrone in più e quindi carica

negativa. Le proteine spesso le troviamo come proteinati e quindi con carica negativa.

Come detto, l’acqua passa liberamente mentre i soluti no. Questi ultimi inoltre, sono concentrati in

modo asimmetrico nei tre compartimenti. Il gradiente di concentrazione è infatti dato proprio dalla

concentrazione asimmetrica del soluto ai due lati della membrana (cioè da un lato è maggiore la sua

concentrazione mentre dall’altro è minore). I soluti quindi tenderanno a diffondersi secondo

gradiente.

CAPITOLO 1.2: LA MEMBRANA PLASMATICA E I SUOI COMPONENTI

La membrana plasmatica delle cellule, è formata da un doppio strato di fosfolipidi (lipidi anfipatici

che hanno una testa polare idrofila e una coda idrofoba).

La membrana plasmatica è un mosaico fluido, cioè tutte le sue componenti sono in continuo

movimento (le uniche a non muoversi sono le proteine strutturali che sono ancorate al citoscheletro

della cellula e che quindi non possono muoversi).

La membrana inoltre, può veder variare la sua consistenza, a seconda delle esigenze del corpo,

grazie al colesterolo che la irrigidisce o la fluidifica. Il colesterolo è infatti un altro lipide presente in

grande quantità nelle membrane plasmatiche, quasi sempre apolare, e si va a mettere tra le code

anfipatiche dei fosfolipidi che compongono il doppio strato.

Il terzo e ultimo lipide che compone le membrane plasmatiche è il glicolipide.

Il doppio strato è attraversato dalle proteine plasmatiche. Queste proteine plasmatiche non sono

altro che le proteine di membrana, specifiche di ogni tipo di cellula (cioè ogni cellula, a seconda di

dove si trova nel corpo, ha delle particolari proteine di membrana, che danno anche la

“specializzazione” alla cellula).

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Le proteine di membrana possono essere intrinseche (se attraversano completamente il doppio

strato, più difficili da rimuovere) o estrinseche (se attraversano solo in parte il doppio strato, si

possono rimuovere abbastanza facilmente e senza sfaldare la membrana).

Le proteine di membrana, come detto, conferiscono le specifiche caratteristiche funzionali della

membrana plasmatica. Queste proteine possono avere struttura ad alfa-elica (in questo caso,

graficamente, si indicano con un “bastoncino verticale”) o a beta-foglietto (graficamente si indicano

con delle “frecce che si intersecano tra loro”).

Le proteine di membrana possono essere:

Proteine strutturali, mantengono la forma della cellula, ancorate al citoscheletro e non

possono quindi muoversi

Enzimi, catalizzatori di reazioni chimiche

Recettori, un recettore è in grado di recepire una e una sola sostanza, quindi sono specifici

per ogni sostanza

Canali e trasportatori (proteine carrier/trasfer ecc.)

CAPITOLO 1.2.1: TIPI DI TRASPORTO ATTRAVERSO LA MEMBRANA PLASMATICA

Il trasporto delle sostanze attraverso la membrana plasmatica può essere:

Trasporto Passivo (NON usa energia) che si divide in

o Diffusione semplice

o Diffusione facilitata

Trasporto Attivo (USA energia) che si divide in

o Attivo Primario (contro gradiente, uso diretto di ATP)

o Attivo Secondario (contro gradiente, uso indiretto di ATP)

o Co-trasporto ionico

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CAPITOLO 1.2.1.1: TRASPORTO PASSIVO – DIFFUSIONE SEMPLICE E LEGGE DI

FICK

Il primo tipo di trasporto passivo è, come detto, la diffusione semplice, cioè la diffusione delle

sostanze secondo gradiente di concentrazione (da dov’è di più a dove ne è meno) e quindi senza

problemi né uso di energia. Interessa sostanze lipofile. Avviene, per esempio, negli alveoli

polmonari.

La diffusione semplice è soggetta alla 1° Legge di Fick che afferma che sono presenti due flussi

opposti e che la differenza tra questi due dà il flusso netto del passaggio. La legge di Fick è:

Jn = J12 – J21 = - 𝑨 𝑫 𝒓 (𝑪𝒔𝟐 – 𝑪𝑺𝟏)

𝒅

QUINDI

𝑱𝒏

𝑨 = P (Cs2 – CS1)

Con:

Jn = flusso netto

J12 = flusso sostanza da compartimento 1 a compartimento 2 (entrata)

J21 = flusso sostanza da compartimento 2 a compartimento 1 (uscita)

A = area della superficie/membrana dove avviene il passaggio

D = coefficienze di diffusione

r = coefficiente di ripartizione

d = spessore della membrana

(Cs2 – CS1) = concentrazione della sostanza 1 e 2 ai due lati della membrana

CAPITOLO 1.2.1.2: TRASPORTO PASSIVO – DIFFUSIONE FACILITATA

Il secondo tipo di trasporto passivo è la diffusione facilitata, cioè le sostanze si diffondono grazie a

dei trasportatori o grazie a dei canali (carrier) che fanno passare le sostanze da una parte all’altra

della membrana. Anche questo tipo di diffusione avviene secondo gradiente, senza uso di energia e

ogni trasportatore/canale è specifico di un solo tipo di sostanza (quindi fa passare solo quella).

Interessa quasi sempre sostanze idrofile e quindi polari. Rispetto alla diffusione semplice è più lenta

in quanto in questo caso il trasportatore può essere saturo (occupato) e quindi bisogna aspettare

che si liberi (completando il passaggio già in corso) per avviare un nuovo passaggio.

La saturazione dei trasportatori infatti è ben visibile anche dal grafico che descrive questa funzione.

La curva che descrive questo tipo di trasporto infatti è simile a quella di una reazione enzimatica,

cioè arrivati a un certo punto del passaggio, la velocità si stabilizza perché si saturano gli

enzimi/proteine trasportatori e quindi, anche aumentando il substrato, la velocità non cambia

(cambia solamente se aumentiamo la quantità di trasportatori presenti).

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Possono intervenire nel trasporto anche degli inibitori competitivi (inibisce l’enzima occupando il

suo sito attivo) o inibitori non competitivi (inibisce l’enzima legandosi a un sito diverso da quello

attivo, velocità ridotta molto di più rispetto a quelli competitivi) che ne abbassano la velocità.

CAPITOLO 1.2.1.3: TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO – POMPA SODIO-POTASSIO E

POMPA CALCICA

Il primo tipo di trasporto attivo è quello primario. Le sostanze vengono spostante contro gradiente

(da dove è meno a dove è più). E’ un tipo di trasporto che usa direttamente energia idrolizzando

ATP (ATPasi). L’energia viene usata dai trasportatori.

Questo tipo di trasporto può usare:

Una pompa protonica

Una pompa del calcio/calcica

Una pompa sodio-potassio (la più importante delle tre)

La pompa sodio-potassio (Na+/K+) è

formata da due sub-unità (a e b). E’ una

pompa che utilizza molta energia (dal 30%

al 70% di ATP cellulare), soprattutto nei

neuroni. Come si capisce anche dal nome,

è una pompa che scambia sodio e potassio

con un rapporto di 3-2 (cioè escono 3

molecole di sodio e ne entrano 2 di

potassio, quindi all’interno ci sarà un

esubero di cariche negative), questo

rapporto genera quindi una differenza di

potenziale. Come si può vedere dalla figura

a lato, le fasi del passaggio sodio-potassio

fatto da questa pompa, sono 6. Nella fase

2 e nella fase 5 avviene rispettivamente la

fosforilazione e de-fosforilazione dell’ATP.

La funzione quindi di questa pompa è quella di mantenere stabile i livelli di potassio e sodio ai due

lati della membrana (infatti i due soluti si accumulano in zone differenti come descritto nei capitoli

precedenti).

E’ una pompa che lavora costantemente perché deve continuamente contrastare l’effetto di altre

proteine (si trovano soprattutto sulle cellule eccitabili) che fanno esattamente l’azione opposta, cioè

portano dentro sodio e fanno uscire potassio (proteine che troviamo nel trasporto attivo secondario

e che fanno entrare il sodio secondo gradiente).

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La pompa calcica/del calcio spinge il calcio contro gradiente di concentrazione. E’ una pompa che

sposta unicamente questa sostanza, senza scambiare altro. Questa pompa spinge il calcio dalla

cellula al reticolo endoplasmatico liscio (o nello spazio extra-cellulare), dove si accumula (avviene

soprattutto nelle cellule muscolari dove serve per la contrazione del muscolo).

CAPITOLO 1.2.1.4: TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO

Questo tipo di trasporto attivo, utilizza

energia indirettamente. Le sue proteine

infatti non sono ATPasiche (non

idrolizzano ATP). E’ un trasporto che

muove sempre le sostanze contro

gradiente.

Prende il nome di perché, come detto,

non usa direttamente ATP/energia.

Questo meccanismo infatti, trae energia

sfruttando il passaggio all’interno della

cellula del sodio che entra secondo

gradiente (quindi senza usare energia). In

pratica, questo tipo di trasporto fa

entrare le sostanze nella cellula

sfruttando il passaggio del sodio, cioè il

sodio entra secondo gradiente, quindi

senza usare energia, al sodio si lega la sostanza che deve entrare che quindi entra insieme al sodio

(detto in parole poverissime, la sostanza si prende il passaggio dal sodio). Nella figura a lato, si vede

chiaramente come il glucosio (esagono verde), sfrutta il passaggio che si apre per accogliere il sodio

e passa insieme a lui.

E’ un processo utile quindi perché, grazie all’ingresso del sodio, possono entrare nella cellula anche

altre sostanze senza usare energia (ricordiamo che questo ingresso del sodio viene bilanciato

dall’uscita di quest’ultimo grazie alla pompa sodio-potassio).

Questo tipo di trasporto viene usato anche dagli amminoacidi eccitatori.

CAPITOLO 1.2.1.4.1: TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO – ANTIPORTO

VESCICOLARE DELLE VESCICOLE SINAPTICHE

Questo tipo di trasporto secondario utilizza delle vescicole già cariche di neurotrasmettitori. Questi

neurotrasmettitori, quando devono inviare il segnale, si fondono con la membrana della vescicola

ed escono fuori in modo rapido.

Un neurotrasmettitore è una sostanza rilasciata da un neurone e che viene captata da un altro

neurone o da una fibra muscolare. La vita di un neurotrasmettitore è brevissima perché vengono

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intercettati dal loro destinatario in modo praticamente istantaneo. Quando in questo processo

agiscono degli inibitori (come la cocaina), questi neurotrasmettitori non vengono più recepiti e

restano attivi per più tempo, provocando degli squilibri nel corpo (sempre nel caso della cocaina, il

neurotrasmettitore che non viene recepito è la dopamina che quindi resta attiva e ci “sballa”).

CAPITOLO 1.3: PROPRIETA’ BIOELETTRICHE DELLE MEMBRANE

Quasi sempre, i soluti hanno una carica netta (positiva o negativa), quindi bisogna anche considerare

il gradiente di potenziale elettrico generato dal fatto che, i soluti, sono disposti ai due lati della

membrana in modo asimmetrico e questo genera quindi un gradiente di concentrazione (chimico)

e un gradiente elettrico. Questi due gradienti sono spesso opposti e quindi, ad un certo punto, si

arriverà in una condizione di equilibrio detta equilibrio elettrochimico (cioè nel passaggio dei soluti

dall’altra parte, prima o poi si arriverà a punto che i due gradienti avranno pari valore ma segno

opposto e quindi ci sarà equilibrio).

Ogni membrana ha un suo potenziale elettrico ed è proprio un particolare valore di questo che

rende particolarmente eccitabili le cellule nervose e quelle muscolari.

Il potenziale elettrico di membrana di un neurone a riposo è di -65mV. Questo valore viene definito

come potenziale di riposo ed è specifico delle cellule eccitabili (neuroni e muscoli), e ovviamente

deriva dalla asimmetria degli ioni ai due lati della membrana. Nella zona adiacente alla membrana

infatti, si accumulano, ai due lati, cariche di segno opposto (se le sommiamo tutte otteniamo un

valore pari a 0 quindi, singolarmente, i due ambienti sono neutri). Precisiamo che a riposo, la

membrana tiene aperti tanti canali per il potassio e pochi per il sodio.

Si arriva a questo valore di -65mV con un semplice esperimento fatto prendendo due compartimenti

che presentano al centro una membrana

semipermeabile solo al potassio:

Nel primo compartimento (primo

da sinistra) dove la

concentrazione delle sostanze

(potassio e cloro) è uguale ai due

lati (1mM) della membrana, si

avrà uno scambio di soluto

uguale in entrambe le direzioni e

quindi saremo in equilibrio con

conseguente potenziale elettrico

pari a 0

Nel secondo compartimento

invece, a sinistra della membrana

abbiamo una concentrazione di

potassio 10 volte superiore

rispetto a quella che c’è a destra della membrana e quindi questo si sposterà, secondo

gradiente di concentrazione, verso destra. Siccome la membrana fa passare solo potassio, il

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cloro presente nella soluzione resterà fermo, accumulandosi quindi da una sola parte.

Questo accumulo porta a un accumulo di cariche elettriche opposte ai due lati della

membrana con conseguente creazione di potenziale elettrico (questo perché il potassio [K+]

ha carica positiva mentre il cloro [Cl-] ha carica negativa). Questo scambio arriverà

ovviamente all’equilibrio quando il gradiente di concentrazione verrà bilanciato da quello

elettrico che avrà un valore di -58mV

Con questo esperimento quindi, abbiamo capito che -58mV dei -65mV del potenziale di riposo sono

dati dallo spostamento del potassio ai due lati della membrana.

La condizione di equilibrio elettrochimico per ciascuno ione, si calcola con la Legge di Nernst:

Eion = 2,303 𝑹𝑻

𝒁𝑭 x log

[𝒊𝒐𝒏]𝒐

[𝒊𝒐𝒏]𝒊

Con:

Eion = valore del

potenziale ionico dello

ione all’equilibrio (tipo EK

se parliamo del potassio

come nella foto a destra)

R = costante del gas

T = temperatura assoluta

Z = carica dello ione

F = costante di Faraday

[ion]o = concentrazione

dello ione fuori dalle

cellule

[ion]i = concentrazione

dello ione dentro le

cellule

La prima parte dell’equazione (cioè tutto fino al logaritmo), è una costante è viene 61,54. I valori

della concentrazione dello ione sono valori certi e che si possono ricavare anche secondo i parametri

espressi nel capitolo 1.1.

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Per arrivare però a questo famoso

valore di -65mV, dobbiamo considerare

un Sistema di Donnan che prevede un

compartimento, uguale a quello visto

sopra, ma con una membrana semi-

permeabile al potassio (K+) e al cloro

(Cl-).

Con una membrana di questo tipo, ci

sarà uno spostamento in entrambe le

direzioni sia di potassio che di cloro,

mentre le uniche sostanze che si

accumuleranno ai due lati saranno i

proteinati (indicati con una A nel lato

sinistro) e il sodio (Na-, anche se per la

precisione, una piccolissima parte si

sposta comunque verso destra).

Si va quindi a considerare nella legge di

Nernst anche lo spostamento del sodio,

generando cosi l’equazione di

Goldman:

Vm = 61,54 mV x log 𝑷𝑲 [𝑲]𝒐 + 𝑷𝑵𝒂 [𝑵𝒂]𝒐

𝑷𝑲 [𝑲]𝒊 + 𝑷𝑵𝒂 [𝑵𝒂]𝒊

Con:

61.54mV = valore ricavato dalle costanti dell’equazione di Nernst

[K+]o e [Na-]o = concentrazione di potassio e sodio all’esterno della cellula

[K+]i e [Na-]i = concentrazione di potassio e sodio all’interno della cellula

P = permeabilità della membrana in quel momento (sarà alta se ci saranno tanti canali aperti

e viceversa; a riposo è alta per il K e bassa per il Na perché ci saranno canali di K aperti mentre

i canali di Na saranno chiusi).

A differenza dell’equazione di

Nernst quindi, entra in gioco

anche la permeabilità della

membrana in quel momento che

si moltiplica per le concentrazioni

di ioni in quel momento.

Sostituendo tutti i valori, si

arriverà finalmente al valore di

-65Mv.

Quindi si può affermare che il

potenziale a riposo tiene conto

dello ione potassio e dello ione sodio e si ricava con l’equazione di Goldman con i valori di questi due

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ioni che, con il loro passaggio attraverso la membrana, generano il potenziale a causa di accumulo

di cariche opposte ai due lati della membrana.

Nella determinazione di questo potenziale a riposo, entra in gioco anche la pompa sodio-potassio.

Tutti i tipi di cellule hanno un potenziale di membrana diverso dal potenziale extracellulare. Il

potenziale all’esterno delle cellule è, per convenzione, pari a 0.

CAPITOLO 2: SISTEMA NERVOSO E LE SUE CELLULE

Il sistema nervoso è formato da neuroni e da cellule gliali. E’ stato possibile osservare e studiare la

forma dei neuroni e dei loro prolungamenti grazie alla colorazione di Golgi (una soluzione che

contiene dei sali) che colora solo alcuni neuroni ma in modo perfetto (cioè colora sia il soma che le

terminazioni del neurone).

Un altro tipo di colorazione è stata quella di Nissi che colora tutti i neuroni ma senza prolungamenti,

quindi questo sistema fu presto accantonato.

Golgi, ha anche teorizzato la reticolarizzazione dei neuroni, affermando che tutti i neuroni sono

connessi tra loro, formando una rete.

Questa teoria di Golgi però, fu presto negata da Cajal che, con la sua teoria neuronale, afferma che

i neuroni sono sì in contatto tra loro, ma solo in alcuni punti e che la comunicazione tra due neuroni

fosse interrotta da due membrane dette sinapsi. Inoltre la comunicazione è esclusivamente

unilaterale, cioè va solamente in un verso e non bidirezionale come affermato da Golgi.

CAPITOLO 2.1: LE CELLULE NERVOSE – IL NEURONE

Le cellule nervose hanno, come tutte le cellule, un nucleo, un citoplasma, degli organelli ecc. La

particolarità però di questo tipo di cellula sono i dendriti, cioè dei rami che ricevono le informazioni

dagli altri neuroni toccandoli in punti precisi dell’assone, l’informazione poi va nell’assone che può

arrivare sia negli organi reagenti o toccare altri neuroni e far continuare la “corsa” dell’informazione.

La zona che comprende dendriti e assone è detta zona ricevente e di integrazione perché è proprio

in questa zona che l’informazione viene ricevuta (dai dendriti) ed elaborata sotto forma di risposta

che viene trasmessa all’assone che la conduce poi ad altri neuroni o all’organo di destinazione.

L’assone di un neurone, come detto, tocca le spine dendritiche di un altro neurone ed è proprio in

questo punto che avviene il passaggio dell’informazione (quindi queste spine sono la zona di

ricezione dell’impulso nervoso) e sono presenti le sinapsi1.

Una sinapsi è composta da:

Una spina dendritica (post-sinpatica)

1 Se una delle due cellule a contatto non è un neurone, non si parla di sinapsi ma di giunzione