Per soddisfare le necessità di coordinamento delle funzioni del corpo si sono sviluppati diversi meccanismi anatomici e fisiologici.

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2 Gli organismi viventi complessi sono un insieme di molecole disposte in organelli, cellule, tessuti e organi. Le dimensioni del corpo umano comportano problemi di organizzazione, in quanto le singole cellule possono essere distanti l una dall altra pochi micron oppure metri. Il processo di diffusione è adeguato per la comunicazione tra cellule vicine, ma inefficace sulle lunghe distanze. Gli organismi multicellulari richiedono altri mezzi per far viaggiare i segnali.

3 Per soddisfare le necessità di coordinamento delle funzioni del corpo si sono sviluppati diversi meccanismi anatomici e fisiologici. Il sangue compie un giro completo del nostro sistema circolatorio in circa un minuto trasportando materiali fra le varie parti del nostro organismo. Il sistema nervoso e il sistema endocrino garantiscono la comunicazione intercellulare tramite segnali elettrici e chimici il primo, e solo chimici il secondo.

4 COMUNICAZIONE CELLULARE Esistono diverse modalità di comunicazione intercellulare: trasferimento citoplasmatica diretto di segnali chimici ed elettrici attraverso le giunzioni comunicanti che uniscono cellule adiacenti. Proteine canale - connessine Flusso diretto alle cellule adiacenti di segnali elettrici (ioni) o di segnali chimici

5 comunicazione attraverso molecole di adesione (CAMs): Richiedono un contatto diretto di superficie Segnali chimici

6 comunicazione chimica locale tramite neuromodulatori, sostanze paracrine e sostanze autocrine; Esempio: Citochine

7 comunicazione a lunga distanza attraverso segnali chimici (ormoni).

8 comunicazione a lunga distanza attraverso segnali elettrici (neurotrasmettitori e neurormoni). Segnali elettrici lungo l assone Molecola segnale (neurotrasmettitore) alla cellula bersaglio

9 comunicazione a lunga distanza attraverso segnali elettrici (neurotrasmettitori e neurormoni). Segnali elettrici e chimici lungo l assone Ormone trasportato attraverso la circolazione sanguigna alla cellula bersaglio

10 IMPORTANZA DELLA COMUNICAZIONE INTERCELLULARE: IL CONCETTO DI OMEOSTASI L omeostasi è la capacità dell organismo di mantenere un ambiente interno relativamente stabile. Quando si verificano alterazioni in seguito ad una perturbazione interna o esterna le cellule devono reagire per riportare il corpo al suo stato normale.

11 Omeostasi Definita come la capacità di mantenere l ambiente interno relativamente stabile L omeostasi è essenziale per la soprovvivenza e per mantenere efficienti le funzioni cellulari Ogni cellula contribuisce a mantenere l ambiente interno stabile

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13 OMEOSTASI E AMBIENTE INTERNO Liquido extracellulare + plasma = ambiente interno E l ambiente interno che permette alle cellule lo scambio di nutrienti e di prodotti di rifiuto La sua composizione e le proprietà fisiche debbono restare stabili per consentire una buona funzione cellulare Distribuzione dell acqua e dei sali nell organismo

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15 Sodio Anioni proteici

16 K+

17 Ruolo vitale dell ambiente interno secondo Claude Bernard, grande fisiologo della fine dell 800: E la fissità dell ambiente interno che costituisce la condizione della vita libera e indipendente. Tutti i meccanismi vitali, per quanto possano differire tra loro, hanno un unico scopo, che è quello di mantenere costanti le condizioni vitali nell ambiente interno. Affermò questo dopo avere osservato che il fegato libera nel sangue glucosio quando la sua concentrazione nel sangue è bassa

18 Come contribuisce il nostro corpo Sistema circolatorio all omeostasi? Trasporta messaggeri da una parte all altra del corpo Sistema digestivo Digerisce il cibo (lo riduce in molecole piu piccole) Trasferisce H2O ed elettroliti dall esterno all interno Elimina il cibo non digerito

19 Sistema respiratorio Prende O 2 ed elimina CO 2 verso l esterno Contribuisce a mantenere il ph costante Sistema urinario Rimuove gli eccessi di H20, sali, acidi, ed altri elettroliti dal plasma attraverso le urine Sistema tegumentario Barriera protettiva Regola la temperatura coporea

20 Sistema scheletrico Riserva di calcio Sistema immunitario Difende dalle infezioni Contribuisce alla riparazione delle ferite

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22 Esempi di omeostasi sistemica: - Temperatura - Pressione sanguigna

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25 IL CASO DELL ACQUA

26 BILANCIO DELL ACQUA Assunzione (2800): (ml/giorno) - bevande cibo prodotta metabolicamente 300 Perdita (2800): - urina perdita insensibile 1150 (cute, polmone) - sudore 50 - feci 100

27 Riassumendo Il bilancio totale di una sostanza dipende dall entità del: - -guadagno corporeo netto (tratto GI, polmoni, sintesi) -perdita netta (catabolismo, escrezione dal corpo via: polmoni, tratto GI, reni, cute, flusso mestruale) -scambi all interno del corpo (depositi di riserva, incorporazione in altre strutture ) Il bilancio può essere positivo, negativo, stabile La Fisiologia studia i meccanismi omeostatici che fanno corrispondere il guadagno alla perdita, per ottenere un bilancio STABILE

28 Variazioni esterne VIVENTE in OMEOSTASI Cambiamenti provocano la perdita dell omeostasi Malfunzionamento interno Risposte compensatorie Fallisce La compensazione: Ha successo Scompenso Buon funzionamento

29 Riassumendo: Omeostasi è il termine che sta a significare le condizioni stabili che risultano da risposte compensatorie regolatrici, indotte da variazioni dell ambiente interno (per cause intrinseche o estrinseche). Cioè qualsiasi variazione dell ambiente interno deve suscitare automaticamente una reazione atta a minimizzare il cambiamento, consentendo agli esseri viventi di sopravvivere in ambienti variabili e sfavorevoli. Tuttavia piccole fluttuazioni sono tollerabili. Il caso della temperatura (animali omeotermi e pecilotermi)

30 COME SI REALIZZA L OMEOSTASI? Mediante sistemi di controllo: 1) risposte locali 2) riflessi nervosi ed endocrini (meccanismi a feedback) Comunicazioni intercellulari Ruolo del sistema nervoso e del sistema endocrino I principali bersagli (effettori) di queste azioni sono la muscolatura e le ghiandole endocrine Mediatori chimici e specificità della risposta, il caso dell acetilcolina

31 L omeostasi può essere mantenuta da vie brevi o da vie lunghe. Il meccanismo di controllo più semplice si verifica a livello del tessuto o della cellula coinvolti. Nel controllo locale un cambiamento relativamente isolato si verifica nelle vicinanze di una cellula o di un tessuto ed evoca una risposta paracrina o autocrina.

32 Vie di controllo mantengono l omeostasil Controllo locale (paracrini) Controllo riflesso un segnale di ingresso l integrazione del segnale un segnale di uscita

33 Ingresso sensitivo Sensore Centro di integrazione Uscita motoria Effettore

34 Molto più complesse sono le vie di controllo riflesso che rispondono a cambiamenti più estesi o sistemici. In una via di controllo riflessa la decisione della necessità di una risposta avviene lontano dalla cellula o dal tessuto direttamente coinvolti, e un segnale chimico o elettrico viene inviato alla cellula o al tessuto stessi per iniziare una risposta. Le vie riflesse a lunga distanza coinvolgono due sistemi di controllo, quello nervoso e quello endocrino.

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36 ARCO RIFLESSO

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38 L inizio di ogni via riflessa è lo stimolo, cioè la variazione che fa partire la reazione, e può essere uno stimolo esterno o un cambiamento di parametri corporei (per es. temperatura, ecc). Lo stimolo viene percepito da un sensore, o recettore, che monitora continuamente l ambiente. Quando avverte un cambiamento il recettore invia un segnale lungo una via detta via afferente che collega il recettore ad un centro d integrazione. Il centro d integrazione è il centro di controllo che valuta il segnale entrante e decide una risposta appropriata. Dal centro d integrazione un segnale uscente, lungo una via efferente, si porta verso un effettore. L effettore è una cellula o un tessuto che effettua la risposta.

39 STIMOLO Lo stimolo può essere di varia natura: Chimico Meccanico Luminoso Pressorio Osmotico

40 RECETTORE ATTENZIONE: la parola recettore può assumere diversi significati in fisiologia. I recettori di un riflesso biologico non sono proteine di membrana come quelli coinvolti nella traduzione del segnale. I recettori di un riflesso sono cellule specializzate, parti di cellule o complessi multicellulari come per esempio l occhio o l orecchio. Tutti i recettori hanno una soglia cioè uno stimolo minimo che deve essere raggiunto per mettere in movimento la risposta riflessa; se uno stimolo è sotto soglia la risposta non inizia.

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42 VIA AFFERENTE La via afferente di un riflesso varia in relazione al tipo di riflesso. In un riflesso nervoso la via afferente è il segnale chimico ed elettrico trasportato da una cellula nervosa. Nel riflesso endocrino non c è una via afferente perché lo stimolo va direttamente a contatto con la cellula endocrina.

43 CENTRO DI INTEGRAZIONE Il centro d integrazione è l elemento fondamentale di un riflesso, è la sede che riceve l informazione e decide la risposta appropriata. Se l informazione deriva da un singolo stimolo, è relativamente semplice per il centro d integrazione scegliere la risposta appropriata.

44 CENTRO DI INTEGRAZIONE Il ruolo dei centri d integrazione si mette in evidenza quando essi ricevono due o più segnali contrastanti da recettori differenti. Il centro deve allora valutare ogni segnale in base ad intensità e importanza e deve decidere una risposta che tenga conto delle informazioni provenienti da tutti i recettori. Nei riflessi endocrini il centro d integrazione è la cellula endocrina; nei riflessi nervosi il centro d integrazione è all interno del sistema nervoso centrale costituito da cervello e midollo spinale

45 CENTRO DI INTEGRAZIONE Nei riflessi endocrini il centro d integrazione è la cellula endocrina; nei riflessi nervosi il centro d integrazione è all interno del sistema nervoso centrale costituito da cervello e midollo spinale

46 VIA EFFERENTE Le vie efferenti sono relativamente semplici. Nel sistema nervoso, la via efferente è sempre un segnale chimico ed elettrico trasmesso dal neurone efferente. Siccome i segnali elettrici che viaggiano attraverso il sistema nervoso sono tutti uguali la caratteristica distintiva del segnale è data dalla via anatomica usata dalla cellula nervosa per trasportare il segnale.

47 VIA EFFERENTE Poiché la natura del messaggio elettrico è sempre la stessa e sono relativamente pochi i neurotrasmettitori, le vie efferenti del sistema nervoso vengono definite con il nome del nervo che trasporta il segnale. Nel caso di un segnale ormonale, la via anatomica è sempre la stessa poiché tutti gli ormoni viaggiano nella circolazione sanguigna per raggiungere il bersaglio. Le vie efferenti ormonali si distinguono in base alla natura chimica del segnale e vengono quindi chiamate con il nome dell ormone che trasporta il messaggio.

48 EFFETTORE Gli effettori di una via riflessa sono le cellule o i tessuti che attuano la risposta. I bersagli dei riflessi nervosi sono i muscoli, le ghiandole e il tessuto adiposo. I bersagli delle vie endocrine sono tutte le cellule che possiedono il recettore specifico per l ormone.

49 RISPOSTA BIOLOGICA Si può avere una risposta cellulare o tissutale, molto specifica, risultante dalla combinazione del ligando-segnale con il recettore: l apertura di un canale, l inizio della sintesi proteica, o la modificazione dell attività di un enzima. Si può avere anche una risposta sistemica (per es. il legame dell adrenalina ai recettori betaadrenergici sulla parete di certi vasi sanguigni, provoca una risposta cellulare cioè il rilasciamento del muscolo liscio e una risposta sistemica cioè l aumento del flusso di sangue).

50 Una risposta viene detta circuito a feedback quando la risposta del sistema influisce sul parametro che ne era stato lo stimolo. STIMOLO RISPOSTA Quando la risposta si oppone allo stimolo o lo rimuove si parla di feedback negativo; quando la risposta rinforza lo stimolo invece di diminuirlo o di rimuoverlo si parla di feedback positivo.

51 Sistema di controllo. Il concetto di feedback in fisiologia - Il feedback negativo permette il controllo accurato (con minimo errore) di una grandezza vitale per l organismo: ph, [Ca 2+ ], temperatura, pressione arteriosa, osmolarità,.. - Il feedback positivo porta invece il sistema lontano dall equilibrio e causa fenomeni autorigenerativi, esplosivi, autocatalici (es. potenziale d azione, coagulazione del sangue, svuotamento di una cavità corporea, ) oppure a stati patologi che peggiorano nel tempo

52 Feedback negativo

53 H 2 O Disidratazione Feedback negativo H 2 O Recettori ipotalamici ADH Riassorbimento renale Meccanismo della sete

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55 Feedback Negativo: Controllo della temperatura corporea

56 Feedback positivo

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58 Feedback Positivo: Coagulazione del sangue

59 Potenziale d'azione in una cellula nervosa Esempio di feedback positivo

60 Tutti i riflessi omeostatici sono controllati da feedback negativi in modo che il parametro controllato rimanga entro l intervallo normale. I feedback positivi non sono omeostatici e per questo motivo sono molto meno frequenti dei feedback negativi.

61 I sistemi di controllo sono diversi per velocità e specificità. I riflessi biologici sono controllati dal sistema nervoso, da quello endocrino o da una combinazione dei due. Un riflesso mediato solo dal sistema nervoso o da quello endocrino è relativamente semplice mentre i riflessi combinati possono essere piuttosto complessi.

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64 Perché l organismo ha bisogno di due differenti tipi di sistemi di controllo? Il Sistema Nervoso è impiegato per tutte quelle funzioni che richiedono velocità di esecuzione ma sono limitate nel tempo. Il Sistema Endocrino d altro canto è più adatto per quelle funzioni che si protraggono nel tempo e coinvolgono l organismo a molteplici livelli

65 La ragione per cui esistono due sistemi paralleli è che essi hanno caratteristiche differenti Specificità Natura del segnale Velocità Durata di azione Codificazione dell intensità dello stimolo

66 SPECIFICITA Il controllo nervoso è molto specifico perché ogni cellula nervosa ha una o più cellule bersaglio specifiche a cui inviare messaggi. Il controllo endocrino è più generalizzato perché il messaggero chimico è rilasciato nel sangue e può raggiungere virtualmente ogni cellula dell organismo; la risposta ad uno specifico ormone dipenderà da quali cellule presentano i recettori per quell ormone.

67 NATURA DEL SEGNALE Il sistema nervoso usa sia segnali elettrici che segnali chimici per inviare informazioni: i segnali elettrici viaggiano a lunga distanza lungo le cellule nervose mentre i segnali chimici, (neurotrasmettitori) diffondono attraverso gli stretti spazi tra le cellule nervose, o tra la cellula nervosa e la cellula bersaglio. In un limitato numero di casi il segnale elettrico passa direttamente da cellula a cellula tramite giunzioni comunicanti. Il sistema endocrino usa solo segnali chimici: ormoni secreti da cellule o ghiandole endocrine nel plasma. I neroormoni sono un ibrido dei due sistemi.

68 VELOCITA I riflessi nervosi sono molto più veloci dei riflessi endocrini. perché?

69 DURATA DI AZIONE Il controllo nervoso ha durata più breve rispetto al controllo endocrino. I neurotrasmettitori rilasciati da una cellula nervosa si combinano con un recettore sulla cellula bersaglio e innescano una risposta solitamente molto breve perché il neurotrasmettitore viene rapidamente rimosso dalle vicinanze dei recettori. Per avere una risposta prolungata, segnali multipli ripetuti devono essere inviati attraverso la cellula nervosa. I riflessi endocrini hanno latenza più lunga, ma anche durata più lunga.

70 CODIFICAZIONE DELL INTENSITA DELLO STIMOLO Quando uno stimolo aumenta d intensità, il sistema di controllo deve avere un meccanismo per comunicare questa informazione al centro d integrazione. Il segnale da ogni neurone è costante come grandezza e perciò non può riflettere l intensità dello stimolo. Invece, è la frequenza dei segnali attraverso il neurone afferente che aumenta. Nel sistema endocrino, l intensità dello stimolo si riflette nella quantità di ormone rilasciata: più forte è lo stimolo, maggiore è la quantità dell ormone.

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72 Quando i meccanismi omeostatici falliscono nel mantenere costante l ambiente interno il risultato è la malattia

73 Review of Control Pathways

74 OMEOSTASI E BILANCIO CHIMICO

75 IL CASO DELL ACQUA

76 BILANCIO DELL ACQUA Assunzione (2800): (ml/giorno) - bevande cibo prodotta metabolicamente 300 Perdita (2800): - urina perdita insensibile 1150 (cute, polmone) - sudore 50 - feci 100

77 Riassumendo Il bilancio totale di una sostanza dipende dall entità del: - -guadagno corporeo netto (tratto GI, polmoni, sintesi) -perdita netta (catabolismo, escrezione dal corpo via: polmoni, tratto GI, reni, cute, flusso mestruale) -scambi all interno del corpo (depositi di riserva, incorporazione in altre strutture ) Il bilancio può essere positivo, negativo, stabile La Fisiologia studia i meccanismi omeostatici che fanno corrispondere il guadagno alla perdita, per ottenere un bilancio STABILE