FISIOLOGIA Generale e Oculare File # 2 UniSalento Ottica e Optometria Fisiologia Generale e Oculare A.A S. Marsigliante - # 2

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1 FISIOLOGIA Generale e Oculare File # 2

2 L ambiente interno dell organismo Tutte le cellule di un organismo pluricellulare sono in contatto con il liquido extracellulare (il mezzo interno) le cui proprietà chimiche e fisiche sono diverse da quelle dell ambiente in cui esso vive Solo una piccola quota di cellule dell organismo è in grado di scambiare materiale con l ambiente esterno Questo materiale (acqua e soluti) entra nell ambiente interno (liquido extracellulare) attraversando le cellule di scambio oppure attraversando la via paracellulare presente tra di esse UniSalento Ottica e Optometria Fisiologia Generale e Oculare A.A. UniSalento Visione semplificata Ottica e dello Optometria schema organizzativo Fisiologia Generale dell organismo e Oculare A.A S. Marsigliante S. Marsigliante - # 2 - # 2

3 Esempio di assorbimento di sodio, di glucosio, di amminoacidi e di acqua nell intestino e nei tubuli renali LUME intestinale o del tubulo renale acqua acqua SANGUE I trasporti attivi nella membrana baso-laterale portano le molecole di soluto nel liquido interstiziale, aumentando la concentrazione di soluto in tale liquido. Questo crea una pressione osmotica che genera un flusso passivo di acqua (per osmosi) dal lume al liquido interstiziale

4 - Bilancio idrico dell organismo Entrate di acqua Perdite di acqua

5 LIQUIDO INTRACELLULARE e LIQUIDO EXTRACELLULARE (quantità riferite e un uomo di 70 Kg) IntraCellulare (IC) ~36% peso del corpo: 25 Litri ExtraCellulare (EC) ~24% peso del corpo: 17 Litri i Fluidi extracellulari: Acqua del Plasma: I nutrienti assorbiti raggiungono le cellule attraverso il plasma I prodotti cellulari di rifiuto passano attraverso il plasma prima della loro eliminazione Acqua dello spazio interstiziale: punto di accesso diretto per quasi tutte le cellule del corpo (tranne quelle del sangue) distribuzione dell acqua nell organismo I sistemi di controllo dell organismo regolano l ingestione e l escrezione dell acqua affinchè: a) il contenuto di acqua del corpo risulti costante b) l osmolarità totale del corpo risulti costante L osmolarità è identica in tutti i fluidi del corpo (condizioni di stato stazionario) L acqua del corpo si ridistribuisce come necessario allo scopo di mantenere uguale l osmolarità

6 L omeostasi dell acqua e dei sali il flusso di acqua attraverso le membrane delle cellule dipende dalla differenza di concentrazione di acqua e/o dalla differenza di pressione idrostatica ai versanti della membrana Il potenziale chimico dell acqua (energia libera delle molecole) dipende dalla concentrazione di acqua e dalla pressione idrostatica La concentrazione dell acqua è alterabile addizionando soluto: all aumentare della concentrazione di soluto diminuisce quella dell acqua il passaggio di acqua da un ambiente all altro secondo il suo gradiente di concentrazione prende il nome di osmosi membrana Semipermeabile H 2 O attraversa liberamente Acqua si muove fino a che la concentrazione dei soluti da entrambi i lati della membrana diventa uguale... oppure, fino a che non si instaura una forza opposta in grado di impedire ulteriori movimenti

7 Principali ioni Intracellulari ed Extracellulari cationi Extracell: Na + Intracell: K + anioni Extracell: Cl - e bicarbonato (HCO 3- ) Intracell: proteine, aa, fosfati inorganici (HPO 4 2-, H 2 PO 4- ) organici (aa e ATP) Distribuzione di soluti nei compartimenti liquidi dell organismo Composizione ionica intra ed extracellulare Molto differente Concentrazione ionica totale molto simile Concentrazioni osmotiche totali identiche

8 Il Volume IntraCellulare dell acqua viene alterato da variazioni della osmolarità del liquido extracellulare Aumenta l osmolarità dell acqua extracellulare Diminuisce l osmolarità dell acqua extracellulare H L Acqua abbandona la cellula H Acqua entra in cellula 2. Volume intracellulare dell acqua diminuisce 2. Volume intracellulare dell acqua aumenta H L Osmolarità aumenta H L Osmolarità diminuisce Le cellule trasportano attivamente gli ioni attraverso la membrana plasmatica alterando opportunamente l osmolarità in modo che l acqua esca dalla cellula oppure entri in cellula per osmosi Na +, K +, Cl - H 2 O K +, Cl - H 2 O

9 Nelle membrane cellulari sono presenti canali per l acqua chiamati Acquaporine (AQP) AQP e regolazione del volume I movimenti di acqua associati alla regolazione del volume sfruttano i canali per l acqua chiamati acquaporine (AQP) che aumentano enormemente la permeabilità osmotica delle cellule Distribuzione delle Acquaporine nell occhio H 2 O H 2 O AQP AQP H 2 O le AQP facilitano rapidi assorbimenti e secrezioni (anche transepiteliali) di fluidi anche quasi-isosmolari il movimento dell acqua attraverso le aquaporine è bidirezionale

10 i CANALI delle MEMBRANE Cellulari La permeazione degli ioni, dell acqua e di varie piccole molecole organiche attraverso le membrane biologiche può avvenire tramite opportuni canali La configurazione dei vari canali è differente Canale tetramerico del K + : un singolo poro è creato da quattro proteine identiche Canale tipo ligandgated per l Ach oppure per il GABA, un poro è formato da 5 subunità Canale del Cl - voltaggiodipendente è un dimero dove ogni subunità ha un proprio poro Canale per l acqua, un tetramero in cui ogni subunità ha un proprio poro

11 Nelle membrane biologiche possono essere presenti canali ionici sempre aperti e canali ionici ad accesso variabile L accesso ai canali può essere sotto il controllo di diversi stimoli: (A) Alcuni canali si aprono quando un ligando si associa con la parte recettoriale del canale (CANALI LIGANDO-DIPENDENTI) (B) L apertura e la chiusura di alcuni tipi di canali è regolata da processi di fosforilazione e defosforilazione. (C) Alcuni canali si aprono e si chiudono in seguito a variazioni del potenziale di membrana (CANALI VOLTAGGIO-DIPENDENTI) (D) Certi canali possono essere attivati dallo stiramento o da variazioni meccaniche di pressione (CANALI MECCANICI)

12 i canali ionici per il Na +, Ca 2+, K + e Cl - [Na + ] Le forze agenti sugli ioni [Ca 2+ ] [Na + ] Na + K + ATPasi [Ca 2+ ] Na + K + ATPasi il Na + è sempre lontano dall equilibrio elettrochimico Il Ca 2+ è sempre molto lontano dall equilibrio elettrochimico

13 i canali ionici per il Na +, Ca 2+, K + e Cl - [K + ] Le forze agenti sugli ioni [Cl - ] + - [K + ] + - [Cl - ] Na + K + ATPasi Na + K + ATPasi Il K + è sempre lontano dall equilibrio elettrochimico Il Cl - è spesso circa all equilibrio elettrochimico

14 Esempio di canale ionico: uno dei canali per il Cl - il canale del cloro regolato dall AMP ciclico (camp): CFTR cystic fibrosis transmembrane conductance regulator La Fibrosi Cistica è una malattia letale caratterizzata da difetti nel trasporto di acqua e ioni attraverso epiteli e dovuta a mutazioni a carico di CFTR CFTR permette la perdita o il riassorbimento di Cl - e la secrezione o il riassorbimento di fluidi CFTR è espresso in: polmone; rene ghiandole salivari; intestino; cuore; testicoli Alcune mutazioni possono alterarne la regolazione lasciando il canale aperto oppure chiuso Ghiandole sudoripare

15 Esempio di OMEOSTASI CELLULARE: lo ione calcio La concentrazione di calcio libero nel citoplasma ([Ca 2+ ] i ) è molto bassa ER 10-5 M 10-7 M 10-3 M Un forte gradiente elettrochimico spinge il Ca 2+ dall esterno all interno del citosol attraverso le membrane plasmatiche e dall interno del reticolo endoplasmico (ER) al citosol L ingresso transiente di Ca 2+ è uno dei mezzi a disposizione della cellula per trasmettere informazioni nel suo interno Nelle cellule attivate la [Ca 2+ ] i può transientemente aumentare fino a 10-6 M

16 il Ca 2+ entra nelle cellule attraverso specifici canali di membrana voltaggio dipendenti e voltaggio indipendenti Come mai lo ione calcio è così poco concentrato nel citosol? Per le seguenti tre ragioni: (1) è portato fuori dalle cellule dalla PMCA e dal trasporto attivo secondario Na + /Ca 2+ (NCX) (2) è pompato dentro il reticolo endoplasmatico dalla SERCA e dentro l apparato di Golgi dalla SPCA (3) è legato da proteine tampone (calmodulina, calbindina...) che ne abbassano la concentrazione Nota: L aumento transiente di Ca 2+ è uno dei modi usato dai fattori della comunicazione per trasmettere informazioni all interno della cellula Canali Voltaggio-indipendenti 10-3 M Na + NCX Ca M Canali del calcio del Reticolo endoplasmico Reticolo endoplasmico 10-5 M golgi SPCA Canali Voltaggiodipendenti SERCA PMCA

17 La concentrazione dello ione calcio libero nel citosol è molto importante perché, legandosi a svariate proteine, ne controlla le attività e quindi, in questo modo, controlla molte funzioni cellulari. Il tipo di funzione controllata dipende dalla concentrazione del calcio libero e dal tempo per il quale tale concentrazione rimane presente in cellula Le Funzioni cellulari dello ione Ca 2+ Ca 2+ (secondi)

18 I sistemi di controllo chimico e i fattori della comunicazione cellulare Recettore Cellula Endocrina Secrezione di un ormone VARIABILE CONTROLLATA Ripristino dei valori corretti della variabile sotto controllo Recettore RISPOSTA Cellula Nervosa Rilascio di un neurotrasmettitore Cellula BERSAGLIO

19 i Fattori della comunicazione cellulare: agenti modificatori capaci di veicolare informazioni tra organi e/o cellule SISTEMA ENDOCRINO Ormoni Asse ipotalamo-ipofisario Midollare surrene SISTEMA NERVOSO Neuro-ormoni Neurotrasmettitori Neuroormone Neuro-ormone

20 I fattori della comunicazione cellulare Ormoni: tutti i fattori della comunicazione cellulare prodotti dalle ghiandole endocrine e riversati nel sangue ORMONI Peptidici (insulina, angiotensina, ACTH, ADH, luteinico, glucagone, ossitocina, eccetera) Steroidei Estradiolo, progesterone, testosterone, aldosterone, cortisolo Catecolaminici (adrenaina, noradrenalina) Iodinati (ormoni tiroidei)

21 I fattori della comunicazione cellulare Schema dei principali effetti degli ormoni nell organismo umano:

22 I fattori della comunicazione cellulare Neurotrasmettitori: tutti i fattori della comunicazione cellulare prodotti dalle cellule nervose e liberate negli spazi intersinaptici NEUROTRASMETTITORI Peptidi (NGF; VIP; sostanza P, somatostatina; CCK; eccetera) Nucleotidi (ATP, UTP, ADP, UDP, adenosina Monoammine (adrenalina, serotonina, noradrenalina; dopamina, 5HTP) Acetilcolina Aminoacidi (Ac. Glutammico, glicina, GABA)

23 alcuni tipi di proteine recettore implicati nella segnalazione cellulare: i recettore-canale e i recettori accoppiati a proteine G Una cellula che esprime una data proteina recettore é un bersaglio ( target ) ormone Recettori per neurotrasmettitori: Acetilcolina (nicotinici) Recettori -canale Glutammico (NMDAR, Kainato,AMPAR) Glicina...eccetera... Recettore di membrana Accoppiati a proteine G Recettori per Ormoni peptidici: (ACTH, ADH, Angiotensina, Bradichinina, adrenalina, calcitonina, glucagone, ossitocina, paratormone, TSH...eccetera...)

24 Modalità di funzionamento di un Recettore-canale controllato da ligando proteina-canale che lega un neurotrasmettitore (il LIGANDO)

25 Modalità di funzionamento di un recettore accoppiato a proteine G il fattore della comunicazione si lega al recettore che si attiva e, a sua volta, attiva la proteina G; successivamente la proteina G attiva un enzima che produce un secondo messaggero intracellulare