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 Gli ambienti interno e esterno 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 Esempio di scambi di acqua, di glucosio e di amminoacidi nell intestino e nei tubuli renali LUME intestinale o del tubulo renale acqua acqua SANGUE

3 entrate di acqua - Bilancio idrico dell organismo perdite di acqua

4 Liquido Intracellulare & Liquido Extracellulare (quantità riferite a 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

5 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

6 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

7 Regolazione del Volume Intracellulare dell acqua Il Volume IntraCellulare dell acqua viene alterato da variazioni della osmolarità del liquido extracellulare Variazioni dell osmolarità extracellulare possono causare gravi problemi per il funzionamento delle cellule, a causa delle elevate permeabilità osmotiche all acqua delle membrane cellulari ( cm/s), che permettono flussi capaci di alterare l attività dell acqua cellulare nel giro di msec Aumenta l osmolarità dell acqua extracellulare 1. L Acqua abbandona la cellula 2. Volume intracellulare dell acqua diminuisce 3. L Osmolarità aumenta Diminuisce l osmolarità dell acqua extracellulare 1. Acqua entra in cellula 2. Volume intracellulare dell acqua aumenta 3. L Osmolarità diminuisce H 2 0 H 2 0 H 2 0 H 2 0 Le cellule sono in grado di muovere attivamente gli ioni attraverso la membrana plasmatica (entrano ed escono dalla cellula) alterando opportunamente l osmolarità in modo che l acqua esca dalla cellula oppure entri in cellula per osmosi

8 Nelle membrane cellulari sono presenti i canali per l acqua chiamati Aquaporine (AQP) AQP e regolazione del volume I movimenti di acqua associati alla regolazione del volume sfruttano i canali per l acqua chiamati aquaporine (AQP) che aumentano enormemente la permeabilità osmotica delle cellule Distribuzione delle Aquaporine nell occhio AQP4 è anche presente nelle cellule retiniche di Müller. AQP5 è anche presente nelle cellule secretorie delle ghiandole lacrimali 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

9 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

10 Tipologie di canali ionici Canali Voltaggio-dipendenti Si aprono quando cambia il potenziale elettrico della membrana nella quale sono inseriti Canali Ligando-dipendenti Si aprono quando ad essi si lega un altra molecola (ligando)

11 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

12 Esempio di canali: le gap junctions (o giunzioni comunicanti ) Sono fatte da 6 proteine dette connessine assemblate in un canale transmembrana (detto connessone) che interconnette il citoplasma di cellule adiacenti. Questi canali permettono lo scambio di ioni e di piccole molecole consentendo così l accoppiamento elettrico e metabolico delle cellule Le 6 connessine che costituiscono un connessone sono leggermente inclinate e possono cambiare il diametro del poro da loro formato; ph acido, fosforilazione e potenziale di membrana modulano le gap junctions

13 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

14 il Ca 2+ entra nelle cellule attraverso specifici canali di membrana Anche per lo ione calcio vi sono canali che dipendono dal voltaggio e canali voltaggio-indipendenti Canali Voltaggio-indipendenti 10-3 M 10-7 M Canali Voltaggiodipendenti Canali del calcio del Reticolo endoplasmico 10-5 M Reticolo endoplasmico

15 Come mai lo ione calcio è così poco concentrato nel citosol? Per le seguenti tre ragioni: (1) è portato fuori dalle cellule dalla pompa PMCA e mediante il trasporto attivo secondario Na + /Ca 2+ (2) è pompato dentro il reticolo endoplasmatico dalla SERCA e dentro l apparato di Golgi dalla SPCA. Cioè, all omeostasi cellulare del calcio partecipano i seguenti trasportatori: a.trasporti attivi primari (PMCA, SERCA, SPCA) b. Trasporti attivi secondari (NCX) (3) per la presenza di proteine tampone (calmodulina, calbindina...) che legano il calcio abbassando la concentrazione di calcio libero nel citosol 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

16 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)

17 I sistemi di controllo chimico e i fattori della comunicazione cellulare secrezione Recettore mediatore chimico trasduzione intracellulare VARIABILE CONTROLLATA Cellula Endocrina Recettore NEURONE TARGET trasduzione intracellulare RISPOSTA neurotrasmettitore

18 i Fattori della comunicazione cellulare: agenti modificatori capaci di veicolare informazioni tra organi e/o cellule Sistema Nervoso neuroormoni neurotrasmettitori Asse ipotalamo-ipofisario Midollare surrene Sistema Endocrino ormoni fattori di crescita chemiochine prostanoidi citochine

19 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)

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

21 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)

22 I quattro diversi tipi di proteine recettore implicati nella segnalazione cellulare Una cellula che esprime una data proteina recettore é un bersaglio ( target ) ormone canali Recettori per: Acetilcolina (nicotinici) Glutammico (NMDAR, Kainato,AMPAR) Glicina...eccetera... 1TM Recettori per: FATTORI di CRESCITA (Insulina, GH, PRL, EPO...eccetera...) Recettore di membrana Recettore nucleare ormone 7TM Recettori per: ORMONI PEPTIDICI (ACTH, ADH, Angiotensina, Bradichinina, adrenalina, calcitonina, glucagone, ossitocina, paratormone, TSH...eccetera...) nucleari Recettori per: Ormoni steroidei (estrogeni, androgeni, cortisolo, aldosterone, progesterone) Ormoni tiroidei...eccetera...

23 Modalità di funzionamento dei 4 tipi di proteine recettore implicati nella segnalazione cellulare Situazione 1: canale controllato da ligando proteina-canale che lega un fattore della comunicazione cellulare (un LIGANDO)

24 Modalità di funzionamento dei 4 tipi di proteine recettore implicati nella segnalazione cellulare Situazione 2: recettore accoppiato a proteine G (recettori 7TM) il fattore della comunicazione cellulare si lega al recettore che si attiva e attiva la proteina G (il Trasduttore); a sua volta la proteina G attiva un Effettore (un enzima tipo adenilato ciclasi o fosfolipasi C..)

25 Modalità di funzionamento dei 4 tipi di proteine recettore implicati nella segnalazione cellulare Situazione 3: recettore ad attività enzimatica (recettori 1TM) il fattore della comunicazione cellulare si lega al recettore che si attiva diventando funzionale (è esso stesso Trasduttore); a sua volta il recettore attiva un Effettore (un enzima intracellulare)

26 Modalità di funzionamento dei 4 tipi di proteine recettore implicati nella segnalazione cellulare Situazione 4: recettore intracellulare (recettori Nucleari) il fattore della comunicazione cellulare si lega al recettore intracellulare che si comporta da fattore di trascrizione, cioè si lega al DNA controllando i geni