FISIOLOGIA La fisiologia è una scienza che studia le funzioni degli organismi viventi

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Veronica Bonetti
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1 FISIOLOGIA La fisiologia è una scienza che studia le funzioni degli organismi viventi 生理学

2 Obiettivi Al termine del corso di fisiologia lo studente dovrebbe conoscere i principi molecolari di base che regolano le normali funzioni cellulari e degli organi sia le funzioni integrate tra i vari organi dell organismo umano. Fisiologia e Biofisica delle cellule Taglietti-Casella

3 OMEOSTASI

4 Controllo ad anello aperto Controllo ad anello chiuso feedback negativo feedback positivo

5 TRASFORMAZIONI DI ENERGIA

6 Flusso e permeazione f 1 2 = n/naδt F A = f 1 2 -f 2 1 Equazione di Teorell F i = k i X i

7 Flusso massivo Equazione di Teorell diventa F m = k m (P 1 -P 2 ) K m =4πr 4 /8ηl

8 Flusso sanguigno

9 Flusso diffusionale o diffusione Equazione di Teorell diventa F d = k d (C 1 -C 2 ) nota come prima legge di Fick K d =D= R/N x T/f se la molecola è sferica f=6πηr

10 Seconda legge di Fick: Il tempo necessario affinchè la concentrazione del soluto raggiunga una certa percentuale della concentrazione iniziale ad una certa distanza dalla sorgente della diffusione cresce col quadrato della distanza

11 Migrazione in campo elettrico Equazione di Teorell diventa F e = zk e (V A -V C ) nota come prima legge di Fick Elettrodiffusione F ed = k d (C 1 -C 2 ) + zk e (V A -V C )

12 Permeazione membrana omogenea Legge di Fick diventa F i = P i (C 1 -C 2 ) P i = β i D m /Δx

13 Osmosi Movimento di acqua attraverso una membrana semipermeabile Δπ= RT (C 1 -C 2 ) nota come legge di van t Hoff

20 TRASPORTI TRANSMEMBRANALI In Fisiologia con il termine trasporto si indica qualunque tipo di passaggio di sostanze attraverso la membrana cellulare

21 Classificazione dei trasporti

22 I trasporti che avvengono in questa forma sono tutti trasporti passivi

23 Diffusione nella matrice fosfolipidica F i = P i (C 1 -C 2 ) P i = β i D m /Δx

24 Riguarda sostanze che facilmente passano da uno stato indissociato a quello dissociato Ciò comporta un unica direzione di diffusione preferenziale

25 TRASPORTI TRAMITE PROTEINE DI MEMBRANA Proteine canale Proteine trasportatrici (o carrier)

26 Le dimensioni dei canali membranali corrisponderebbero ad un diametro non maggiore di 8 Å; essi quindi non possono essere percorsi dalla maggior parte delle molecole indissociate che si trovano nei liquidi organici, mentre lasciano passare, in modo più o meno selettivo nei diversi casi, molti ioni inorganici (Na+, K+, Cl-, Mg2+, Ca2+, ecc.) Sono possibili due casi per il passaggio delle particelle idrofile nei canali membranali: 1) che essa avvenga per diffusione libera, cioè come in un grande volume; 2) che essa avvenga per diffusione ristretta.

28 Quando la dimensione dei canali membranali è appena superiore a quella delle particelle che debbono passare, la loro diffusione è notevolmente ostacolata dalle interazioni che intervengono con le pareti del canale. Le particelle sono costrette a disporsi in singola fila. All'interno di canali di piccolo diametro, il coefficiente di diffusione di un soluto sarà quindi molto minore che in un volume di soluzione e di conseguenza risulterà ridotto il coefficiente di permeabilità della membrana. Alla diffusione ristretta non è applicabile la legge di Fick.

29 I canali ionici hanno delle caratteristiche: selettività controllabilità

40 Accoppiamento tra trasporti mediati

41 Per spiegare le caratteristiche dei trasporti mediati si ipotizzò che il trasportatore fosse un "carrier mobile". Secondo l ipotesi del "carrier mobile", le particelle trasportate (S), quando vengano a contatto con una delle superfici membranali, si combinerebbero specificamente con le molecole del "carrier (X), formando un complesso "carrier particella trasportata" che diffonde attraverso lo spessore della membrana fino all'altra superficie membranale, ove si dissocia e rende libera la particella trasportata.

42 Il carrier mobile nei trasporti passivi e attivi La differenza tra trasporti mediati passivi ed attivi è riconducibile al modello del "carrier mobile" purché si ammetta che i carriers che intervengono nell'uno o nell altro caso presentino opportune caratteristiche. Si può ad esempio ipotizzare che in un trasporto mediato passivo i "siti di legame" del carrier mantengano uguale affinità per le particelle trasportate all'uno ed all'altro lato della membrana cellulare, e che in un trasporto mediato attivo i "siti di legame" modifichino la propria affinità con le particelle trasportate quando si trovino all'uno o all' altro lato della membrana.

43 Trasporto passivo mediato da un carrier mobile

44 Trasporto attivo mediato da un carrier mobile

45 Proteine integrali e il modello del flip-flop o ping-pong

46 Proteine integrali e il modello del flip-flop o ping-pong Trasporto passivo Trasporto attivo

47 DIFFUSIONE FACILITATA Questo tipo di trasporto mediato deve il suo nome al fatto che le particelle trasportate sono vincolate alle molecole di un "trasportatore" membranale, ma il complesso che si forma può migrare attraverso la membrana solo secondo gradiente. Verrà descritto un esempio di diffusione facilitata di fondamentale importanza per tutte le cellule: il trasporto del glucosio.

Diffusione facilitata del glucosio La proteina trasportatrice del glucosio essa è stata denominata glucosio permeasi ed ha un p.m. di circa 50.000.

48 Diffusione facilitata del glucosio La proteina trasportatrice del glucosio essa è stata denominata glucosio permeasi ed ha un p.m. di circa Tutti i sistemi di trasporto del glucosio per diffusione facilitata sono specificamente bloccati da una stessa sostanza farmacologica: la floretina

La misura della velocità d'ingresso del glucosio in vescicole ottenute da membrane eritrocitarie ha permesso di definire con esattezza la cinetica

49 La misura della velocità d'ingresso del glucosio in vescicole ottenute da membrane eritrocitarie ha permesso di definire con esattezza la cinetica del processo di trasporto, mettendo in luce le strette analogie che sussistono tra la cinetica dei trasporti mediati e quella delle reazioni enzimatiche.

50 La sequenza delle reazioni che intervengono nel trasporto del glucosio: glucosioext + permeasi glucosio-permeasi permeasi + glucosioint può essere assimilata alla sequenza delle reazioni di una reazione enzimatica: substrato + enzima complesso enzima-substrato enzima + prodotto È possibile quindi esprimere la relazione tra la velocità iniziale di ingresso del glucosio (Fin) e la concentrazione esterna del glucosio [g]e con la seguente equazione: Fin = Fmax 1 + Km/[g]e formalmente identica a quella di Michaelis-Menten per le reazioni enzimatiche.

51 Nella relazione Fmax (analogamente a Vmax delle reazioni enzimatiche) esprime la massima velocità di trasporto che viene raggiunta quando le molecole di glucosio-permeasi presenti nella membrana sono tutte impegnate nel trasporto, mentre la costante Km (in modo del tutto analogo alla costante di Michaelis-Menten), corrisponde alla concentrazione extracellulare di glucosio [g]e alla quale la velocità d'ingresso è uguale a Fmax/2, e può essere utilizzata come indice (inversamente correlato) dell affinità della glucosio-permeasi per le molecole di glucosio.

52 TRASPORTI ATTIVI I trasporti attivi trasferiscono le particelle trasportate attraverso la membrana cellulare anche contro-gradiente. Esso deve quindi spendere energia traendola dal metabolismo cellulare. Si distinguono due tipi di trasporto attivo: i trasporti attivi primari ed i trasporti attivi secondari.

60 La pompa del Ca2+

66 L esocitosi, l endocitosi (fagocitosi, pinocitosi, ed endocitosi mediata da recettori) e la transcitosi sono dei meccanismi che permettono a materiale di grosse dimensioni (anche cellule intere) di entrare, uscire dalla cellula o attraversarla Questi fenomeni richiedono energia

67 ENDOCITOSI: fagocitosi

ENDOCITOSI: pinocitosi Vescicole Piccole goccioline di fluido o grasso (emulsione) vengono intrappolate nelle pieghe della membrana plasmatica alla base dei microvilli

68 ENDOCITOSI: pinocitosi Vescicole Piccole goccioline di fluido o grasso (emulsione) vengono intrappolate nelle pieghe della membrana plasmatica alla base dei microvilli Queste subiscono una strozzatura all interno della quale le goccioline rimangono intrappolate Il contenuto di queste vescicole viene lentamente trasferito al citoplasma

69 ENDOCITOSI: pinocitosi mediata da recettore

70 ESOCITOSI Serve all espulsione di prodotti di scarto o alla secrezione di ormoni La membrana della vescicola secretoria si fonde con la membrana plasmatica rilasciando il contenuto all esterno

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