Testo di base. Autori vari Fisiologia dell uomo ed. edi-ermes. William J. Germann, Cindy L. Stanfield Fisiologia ed. EdiSES

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PERUGIA CORSO DI FISIOLOGIA UMANA Primo semestre anno accademico 2011/2012 docente: Dott. Roberto Panichi

2 Testo di base Autori vari Fisiologia dell uomo ed. edi-ermes William J. Germann, Cindy L. Stanfield Fisiologia ed. EdiSES Consultazione: Linda S. Costanzo Fisiologia ed. EdiSES D.U. Silverthorn Fisiologia ed. Casa Editrice Ambrosiana Testi di approfondimento: Guyton & Hall Fisiologia Medica ed. EdiSES F. Conti Fisiologia Medica ed. edi-ermes

3 Atomi Molecole Cellule Tessuti Organi Apparati Sistemi CHIMICA BIOLOGIA MOLECOLARE La Fisiologia BIOLOGIA CELLULARE FISIO OLOGIA La fisiologia si propone di spiegare il funzionamento degli organismi viventi attraverso un approccio teleologico (il perché esiste una funzione) e meccanicistico (il come avviene un processo) integrato. Organismi La fisiologia è una scienza integrativa

4 La Fisiologia umana, utilizzando i principi della fisica, della chimica e della biologia, studia i fenomeni caratteristici che consentono all organismo uomo di svolgere tutte le funzioni necessarie per la sopravvivenza.

5 La cellula come unità vivente dell organismo

6 Contenuto idrico del corpo Acqua corporea totale: 60% del peso corporeo 2/3 liquido intracellulare 1/3 liquidi extracellulari Liquidi extracellulari: 80% liquido interstiziale 20% plasma

7 Liquido extracellulare Liquido intracellulare Na mmol / L 12 mmol / L K Ca , Cl - HCO - 3 Anioni organici Pot. di riposo ph mv 7, ~ / -90 mv 7,1-7,3 da: Schmidt, Thews, Lang - Fisiologia Umana

8 E l ambiente liquido con il quale scambiano le cellule dell'organismo Mezzo interno E protetto dall'ambiente esterno da cellule che lo schermano e lo racchiudono Ha una composizione ottimale per il metabolismo cellulare Mantiene una relativa costanza delle sue caratteristiche chimico-fisiche (equilibrio dinamico) Il mantenimento di condizioni stabili ed ottimali del mezzo interno è indispensabile affinché le cellule dell organismo esplichino pienamente le loro capacità vitali.

9 Al fine di garantire il mantenimento di condizioni stabili nell organismo, le funzioni dei diversi organi e apparati devono essere in equilibrio: OMEOSTASI. Tutti i tessuti e gli organi del corpo intervengono, per la parte che gli compete, nel mantenimento dell omeostasi.

10 Il mantenimento dinamico delle condizioni del mezzo interno, entro un ambito ristretto, viene definito omeostasi (Cannon 1926) ed è il prerequisito necessario a garantire la sopravvivenza ed il buon funzionamento dell organismo. I diversi meccanismi fisiologici autoregolati, che operano per mantenere le condizioni ottimali del mezzo interno e per ristabilirle, in caso di alterazione, sono quindi meccanismi omeostatici.

11 Negli stati patologici l omeostasi non è garantita

12 Sono necessari meccanismi di controllo per mantenere l omeostasi 1) Meccanismi a feed-back negativo La maggior parte dei sistemi di controllo dell'organismo agiscono mediante un meccanismo a feedback negativo, in cui la variazione del parametro da controllare attiva meccanismi di compenso, che modificano il parametro in senso contrario, riportandolo al valore originale. Per mantenere un equilibrio omeostatico sono richiesti: un sistema di recettori, che misura il valore del parametro che deve essere controllato. Un centro di integrazione dove la misura è paragonata ad un valore di riferimento. Un sistema di effettori capaci di modificare il parametro da controllare, riportandolo al valore di riferimento ogni volta che esso si modifica.

13 Circuito a feedback negativo Centro di integrazione Confronta il valore misurato con un valore di riferimento (set point) Effettori Modificano il parametro controllato riportandolo al valore di riferimento Variabile regolata Recettori Misurano il valore del parametro da controllare Il grado di efficienza (nel mantenere costante una variabile) di un sistema di controllo è il guadagno

14 2) Meccanismi a feed-back positivo La risposta rinforza lo stimolo, spingendo la variabile ancora più lontano dal proprio valore di riferimento. I feedback positivi non sono omeostatici (per definizione), ma vengono utilizzati in alcune funzioni dall organismo.

15 3) Meccanismi anticipatori (feed-forward) Le informazioni disponibili sono utilizzate per modificare la grandezza sotto controllo prima che avvengano eventi che possono influenzarla. Si tratta di sistemi in grado di prevedere le perturbazioni di una variabile così da modificarne in anticipo il valore di riferimento. Controllo anticipatorio Modifica il valore di riferimento Centro di integrazione Confronta il valore misurato con un valore di riferimento Circuito a feedback negativo (per la calibrazione) Effettori Modificano il parametro controllato riportandolo al valore di riferimento Variabile regolata Recettori Misurano il valore del parametro da controllare

16 Il mantenimento di condizioni omeostatiche presuppone che i vari componenti comunichino tra loro, scambiandosi le informazioni ed i comandi pertinenti. Le comunicazioni intra-intercellulari possono avvenire Le comunicazioni intra-intercellulari possono avvenire attraverso meccanismi che sfruttano diversi processi chimico-fisici.

17 Fisiologia generale: modalità di comunicazione tra cellule

18 Giunzioni comunicanti: Comunicazione diretta tra due cellule

19 Messaggero chimico autocrina Recettore paracrina Recettore Segnali autocrini o paracrini: Segnali autocrini o paracrini: Una cellula produce un messaggero chimico, che agisce sulla stessa cellula, o su cellule vicine, legandosi ad un recettore specifico

20 Neurone Recettore sinaptico Cellula bersaglio assone Risposta Neurotrasmettitore Trasmissione nervosa: Una sostanza chimica, detta neurotrasmettitore, viene rilasciata dal terminale assonico di un neurone ed agisce sulla cellula bersaglio, legandosi a recettori specifici.

21 Ormone Cellula Endocrina Recettore per l ormone Cellula Bersaglio Risposta Trasmissione ormonale: Una sostanza chimica, detta ormone, viene rilasciata da una cellula endocrina e, attraverso il sangue, raggiunge l organo bersaglio, dove agisce legandosi a recettori specifici.

22 Neurone Recettore Cellula Bersaglio Risposta Trasmissione neuro-ormonale: La cellula che produce l ormone è un neurone

23 Fisiologia generale : biofisica

24 Diffusione semplice (legge di Fick) F diff = D A C/ x F diff : flusso molare (moli / secondo) D: coefficiente di diffusione A: area attraverso cui avviene la diffusione C: [C 1 ] - [C 2 ] x: distanza F diff C

25 Flusso attraverso una membrana F = P A C P = permeabilità D K X K = coefficiente di ripartizione olio/acqua

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27 Osmosi

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30 Trasporti mediati L ingresso selettivo di una sostanza nella cellula può essere consentito dalla presenza di trasportatori (carriers): proteine che legano e liberano la sostanza, esponendo alternativamente il sito di legame sui due lati della membrana. Per basse concentrazioni, la probabilità che il trasportatore carichi il substrato, prima di cambiare conformazione, è proporzionale alla concentrazione. Per alte concentrazioni, il flusso è limitato da un trasporto massimo, che dipende dal numero dei trasportatori e non dalla concentrazione.

31 Caratteristiche Specificità; saturazione; inibizione competitiva; possono essere trasporti singoli o accoppiati. F Diff. semp. Trasporto mediato uniporto Cotrasporto (simporto) Controtrasporto (antiporto) Tm (Trasporto massimo) C

32 Modalità di trasporto 1) Passiva (diff. Facilitata). Può avvenire solo in favore di gradiente chimico o/e elettrico. 2) Attiva. Può avvenire contro gradiente, richiede energia, è sensibile all'alterazione della normale attività metabolica. Può essere primario o secondario.

33 Principali meccanismi di trasporto attivo primario (pompe ioniche) Na+ / K+ Ca2+ Pompa ionica di scambio Na + / K +

34 Meccanismi di trasporto attivo secondario Na + / 2 Cl - / K + 3 Na + / Ca 2+ Na + / H + Cl - / HCO Glucosio 3 Na+ Antiporto Ca-Na Simporto Glucosio-sodio

35 Gli ioni possono attraversare la membrana attraverso tragitti costituiti dai canali ionici (Ø nm). Il passaggio attraverso il doppio strato lipidico è un evento altamente improbabile (presenza di interazioni elettrostatiche)

36 I canali ionici sono selettivamente permeabili ad un solo tipo di ione. Canale per K + Canale per Na +

37 La direzione del flusso ionico dipende dal gradiente elettrochimico esistente ai capi della membrana gradiente di concentrazione gradiente di concentrazione differenza di potenziale elettrico

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39 Apertura e chiusura dei canali ionici ad accesso variabile Canale chiuso Canale aperto Canale chiuso Canale aperto

40 Il movimento degli ioni attraverso una membrana genera segnali elettrici

41 Il potenziale di Membrana Presenza di una differenza di potenziale a cavallo della membrana Nei mammiferi si può attribuire un valore medio di -65, -70 (mv)

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44 Come la membrana delle cellule nervose genera una differenza di potenziale. Differenti concentrazioni ioniche tra compartimento intracellulare ed extracellulare. Diversa permeabilità alle varie specie ioniche, in particolare (Pk+) > (PNa+), il potenziale di riposo è spostato verso Ek. La pompa ionica sodio-potassio mantiene i gradienti di concentrazione di questi ioni.

45 Variazioni del potenziale di membrana Stim Stim

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47 Potenziale d azione Perturbazioni del potenziale di membrane di riposo possono far insorgere un potenziale d azione: depolarizzazione oltre un valore soglia. Na + entra K + esce E un evento tipico delle cellule eccitabili, come quelle nervose e muscolari. E costituito da una fase di depolarizzazione rapida seguita da rapida ripolarizzazione. È un evento tutto o nulla. Dopo un p.a. si instaura un periodo di non responsività (periodo refrattario). Il p.a. viene utilizzato per trasferire informazioni in modo rapido a distanza.

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55 Alcune tossine agiscono bloccando in modo specifico alcuni canali: il TEA (tetraetilammonio) blocca i canali per il K +, mentre la tetrodotossina (TTX, contenuta nel pesce palla) blocca i canali per il Na + Un piatto di sushi di pesce palla (fogu sushi), preparato in maniera impropria può risultare letale

56 Relazioni quantitative tra spostamenti ionici e potenziali di membrana Non influenzano le concentrazioni intracellulari ed extracellulari delle specie ioniche Non alterano la neutralità elettrica dei due comparti

57 Proprietà dei potenziali d azione La soglia. Il periodo refrattario: 1) Il potenziale d azione è un evento isolato che non può sommarsi con altri potenziali d azione. 2) La frequenza con cui un neurone può generare potenziali d azione è limitata. 3) Unidirezionalità. L accomodazione: Depolarizzazioni lente consentono il raggiungimento della soglia senza che si verifichi un p.d.

58 Propagazione del potenziale d azione Propagazione senza decremento

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60 Fattori che influenzano la velocità di conduzione Dipende in modo sostanziale dalla costante di spazio e di tempo (in relazione a fattori che influenzano due proprietà di membrana: resistenza e capacità) Diametro della fibra Maggiore è il diametro delle fibre maggiore è la velocità di conduzione Presenza di guaina mielinica A parità di diametro le fibre mieliniche conducono più velocemente rispetto a quelle amieliniche

61 Proprietà di membrana e eccitabilità cellulare V = i * Rm V = Q / Cm = Rm * Cm = (Costante tempo) tempo impiegato per raggiungere il 63% del valore finale del potenziale di membrana (plateau), oppure dal plateau al 37% di tale valore.

62 Costante di spazio λ = r mri È la distanza alla quale il segnale si è ridotto in ampiezza al 37%

63 Proprietà di membrana e propagazione dei potenziali nelle fibre nervose Re In Rm Cm Out Ri = Rm * Cm λ = r m ri

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65 Mielinizzazione La mielina determina aumento di Rm nei tratti di membrana dove è presente. Aumentando in tal modo la costante di spazio. La conduzione del p.a. è definita saltatoria. + La mielinizzazione consente: aumento della velocità di conduzione, diminuzione del dispendio energetico.

66 Propagazione di segnali sottosoglia (potenziali graduati) EPPS Terminazione presinaptica Elettrodi di registrazione Membrana postsinaptica Distanza

67 Le cellule nervose e i messaggi da cui dipendono le risposte comportamentali

68 Le immagini tratte fanno riferimento ai seguenti volumi William J. Germann, Cindy L. Stanfield, Fisiologia, ed. EdiSES Silverthorn D.U., Fisiologia, Copyright 2005, ed. Casa Editrice Ambrosiana. AAVV, Fisiologia dell uomo, ed. edi-ermes, 2007 (rist.) Kandel Eric R. [et al.], Principi di neuroscienze, ed. Casa Editrice Ambrosiana, F. Conti, Fisiologia Medica, ed. edi-ermes, Copyright 2010.