Fisiologia - Testi consigliati Guyton Elementi di Fisiologia Umana - Piccin Silverthorn, Fisiologia, - C.E.A. Guyton-Hall Fisiologia Medica - EdiSES Rhoades-Pflanzer Fisiologia umana - Piccin Martini-Bartholomew Elementi di Anatomia, Istologia e Fisiologia dell uomo - EdiSES Programma Caratteristiche fisiologiche generali - Proprieta funzionali membrane eccitabili Il muscolo Sistema cardiovascolare Funzione respiratoria - Funzione renale Sistema digerente Sistema endocrino Organismo Insieme di cellule specializzate 10 14 cellule nell uomo (1/4 globuli rossi) Tutte utilizzano l ossigeno Quasi tutte si riproducono fotocettore neurone oocita 56% acqua 2/3 liquido intracellulare K +, Mg 2+ PO 4 - spermatozoo cell. muscolare cell. pilifera 1/3 liq. extracellulare (in continuo movimento nel sangue) Na +, Cl -, Ca 2+ O 2, glucosio, a.a., acidi grassi CO 2, prod. escrezione 1
Macromolecole. Il dogma centrale : DNA RNA proteine Protein Alcune proteine intervengono anche nelle fasi di replicazione e traduzione del DNA 2
Amminoacidi - Le proteine sono catene polipeptidiche, ovvero sequenze di amminoacidi legati tra di loro dal legame peptidico - Possono essere formate da una o più catene e unite ad altre molecole non proteinche detti cofattori o gruppi prostetici. Funzioni delle proteine 3
Fisiologia dell organismo vivente Sistemi Organi Tessuti Cellula Fisiologia della Cellula Strutture molecolari biologiche Biofisica Tentativo di definizione biofisica di un sistema vivente - Un sistema chimico aperto (in grado di scambiare energia e materiali- continuo turmover delle componenti biochimiche - Un sistema lontano dall equilibrio termodinamico in cui il bilancio energetico include gradienti di energia termodinamica, di concentrazione di materiali (energia chimica) e di carica elettrica (energia elettrica) - Fonti energetiche primarie dei gradienti di energia nella biosfera - assorbimento di luce solare nella fotosintesi degli organismi vegetali ossigeno e carboidrati ricchi di energia, - assorbimento di cibi ad alto contenuto energetico negli organismi animali - L esistenza di gradienti di energia determina flussi di materiali (anche reazioni chimiche) e di cariche elettriche (ioni) - Si puo dimostrare in casi esemplificativi che in presenza di gradienti costanti, si instaurano flussi costanti per i quali il sistema si dice essere in uno stato stazionario di non equilibrio - Presenza di un programma di sviluppo (DNA) e di riproduzione determinato dalla sua storia evolutiva 4
Stato stazionario Omeostasi Tutti gli organismi esistono in uno stato stazionario dinamico lontano dall equilibrio chimico Nello stato stazionario avviene un continuo turn over e produzione di materiali ed energia Le variabili fisiologiche sono normalmente mantenute entro stretti limiti da meccanismi di feedback negativi (omeostatici) Es. la temperatura del corpo nei mammiferi, o la concentrazione ionica nei compartimenti intracellulari e extracellulari Feedback negativo Qualunque meccanismo di feedback negativo ha i seguenti elementi: uno stimolo (una specifica grandezza fisiologica sotto controllo) un sensore che misura il valore della variabile controllata un elemento di controllo che confronta il valore della variabile del sensore ad un punto di equilibrio un segnale in uscita dall elemento di controllo, proporzionale alla differenza tra il valore corrente della variabile e il punto di equilibrio un effettore che riceve il segnale di uscita e modifica la variabile in modo da avvicinarsi al punto di equilibrio. I punti di equilibrio possono cambiare per adattarsi alle condizioni ambientali: i punti di equilibrio sono sotto controllo dinamico. 5
Esempi di feedback negativo - A livello molecolare, ogni catena di reazioni biochimiche e controllata da sistemi di feedback negativo - Al livello organismico, un esempio e il meccanismo per la ritenzione idrica: - (stimolo) Aumento osmolarita (conc. totale di soluti) del fluido extracellulare ipotalamico - (sensore) Osmocettori ipotalamici -> - (elemento di controllo) Cellule del nucleo sopraottico (in gran parte) - (segnale in uscita) Rilascio di ADH (ormone antidiuretico) dall ipofisi posteriore - (effettore) Rene Diminuzione volume urinario e aumento volume fluido extracellulare - (risposta) Diminuzione dell osmolarita Feedback positivo - L azione dell effettore torna indietro per aggiungersi ed aumentare l azione stessa. causa Dilatazione del collo dell utero stimola - Questi feedback non sono omeostatici. Servono per portare a conclusione alcuni processi. La terminazione del processo determina anche la fine dello stimolo. - Un esempio e il ciclo dilatazionecontrazione-spinta durante il parto Spinta Contrazione causa Rilascio di ossitocina - Altro esempio importante di feedback positivo e la generazione dell impulso nervoso (potenziale d azione) 6
Omeostasi cellulare Omeostasi - osmotica (mantenimento costante della quantita di acqua e dei soluti) - ionica - organica Mantenimento delle concentrazioni degli ioni e delle molecole organiche in risposta a variazioni (ingressi, uscite, produzione, consumo) Regolazione della selettivita delle membrane e dei trasporti - diffusione - coeff. di permeabilita - trasporti facilitati - trasporti attivi Regolazione delle reazioni chimiche - legge dell azione di massa - induzione (aumento della sintesi) e repressione (diminuzione della sintesi) enzimatica - attivazione e inibizione enzimatica Omeostasi a livello organismico (Sistemi funzionali) Sistema circolatorio Assicura il continuo rimescolamento e omogeneita di composizione e ph del liq. intra-cellulare ed extra-cellulare Sistema respiratorio O 2, CO 2 Apparato gastro-intestinale Assorbimento di carboidrati, ac. grassi e a.a. Funzione renale Urea, acido urico, ioni e sostanze in eccesso Sistema muscolo-scheletrico Movimentazione/stabilita dell organismo Riproduzione Conservazione della specie 7
Regolazione funzionale Sistema nervoso (autonomo/volontario) - neuroni Sistema afferente (percezione della sensibilita > recettori sensoriali) Sistema centrale (funzioni integrative > cervello midollo spinale) Sistema efferente (controllo motilita > motoneuroni) Sistema endocrino - ormoni Regolazione funzioni metaboliche Omeostasi Stimolo Feedback negativo Ritorno allo stato stazionario iniziale Adattamento selettivo Stimolo Selezione somatica Carattere acquisito Esempi Sistema immunitario (selezione clonale) Apprendimento, memoria (selezione neurale?) 8
Membrana cellulare (plasmatica) Modello a mosaico fluido (Singer-Nicolson) Doppio foglietto lipidico (ca. 40% in massa) contenente proteine (60%) I lipidi di membrana (fosfatidilcolina) sono molecole anfipatiche I fosfolipidi si muovono con rotazioni longitudinali, diffusione laterale e flip-flop Il colesterolo (20% dei lipidi) stabilizza il doppio strato Funzioni della membrana - Involucro del citoplasma -Barriera selettiva (permeabile all acqua e a molecole non polari). - Potenziale di membrana -Trasporto specifico di sostanze -Comunicazione attraverso recettori 9
Trasporto passivo attraverso la membrana Il trasporto in se non richiede consumo di energia da parte della cellula Diffusione: movimento di una sostanza da un area in cui e piu concentrata ad un area in cui e meno concentrata Osmosi: diffusione di acqua attraverso una membrana semipermeabile (come la MP) da un area a bassa conc. di soluto ad un area ad alta conc. di soluto. Diffusione facilitata: la sostanza si lega ad un carrier (trasportatore) che di solito e una proteina di membrana, es. un canale, che quando si apre permette il passaggio di una sostanza es. il sodio Diffusione in fase liquida 10
Diffusione in fase liquida - La diffusione e un trasporto microscopico di particelle indipendenti di una sostanza dovuta esclusivamente all esistenza di un gradiente di concentrazione - E un movimento orientato nel verso di un gradiente di concentrazione (dal compartimento a maggiore concentrazione, verso il compartimento a minore concentrazione), e non e che la traduzione macroscopica dell agitazione termica, non orientata, delle molecole del soluto, - E una conseguenza del 2 principio termod. (il sistema di particelle indipendenti tende a andare laddove il numero di microstati corrispondenti e massimo). Una sostanza disciolta in un liquido che non sia inizialmente omogeneamente distribuita nel liquido (stato piu improbabile), tende spontaneamente ad una distribuzione omogenea nello spazio consentito (stato piu probabile) - La diffusione in fase liquida riguarda istante per istante sia il soluto che il solvente. Se il soluto diffonde da A a B, perche piu concentrato in A, nello stesso tempo il solvente, che risulta piu concentrato in B, diffondera da B ad A. In presenza di membrane permeabili al solo solvente, la diffusione del solvente prende il nome di osmosi. Diffusione: Prima legge di Fick Veloc. di diffusione = dm/dt = D A A = area di diffusione C = concentratione della sostanza x = distanza di diffusione D = coefficiente di diffusione (T, viscosita ) dc dx P 1 Area O 2 CO 2 P 2 thickness Vel. di diffusione Area x concentraz. Distanza Il trasporto di gas per diffusione e tanto piu efficiente quanto piu Grande area di diffusione Piccolo spessore 11
Osmosi Diffusione di solvente attraverso la membrana semipermeabile da un area a bassa conc. di soluto ad un area ad alta conc. di soluto Pressione osmotica del solvente verso un compartimento contenente un soluto a concentrazione c Π= R T c Π= press. osmotica (atm) R= Cost. ideale dei gas =0.082 (litri atm)(/gradi mole) T=temperatura K C= concentraz. del soluto in moli/l Proteine canale di membrana - Formate quasi sempre da segmenti ad α-elica transmembrana - Le proteine canale sono in grado di cambiare la loro struttura tra 2 conformazioni canale chiuso canale aperto in risposta a qualche segnale (diffusione regolata) - I canali selettivi per gli ioni hanno una grande permeabilita (in grado di trasportare circa 10 7 ioni per canale per secondo) - Canali voltaggio dipendenti: - Es. i canali per il Na +, il Ca 2+, ed il K + si aprono in risposta a cambiamenti del potenziale di membrana - Canali attivati chimicamente: - Si aprono in risposta all attacco di un gruppo chimico 12
Il canale del potassio G. Yellen Nature 419:35(2002) http://www.bimcore.emory.edu/home/kins/bimcoretutorials/wthiel/kchannel.html K+ in K+ out I residui aromatici sono posizionati come per estendere il doppio strato, probabilmente all interfaccia acquamembrana I residui acidi carichi negativamente sono posti all interno. Respingono gli ioni negativi Il filtro di selettivita del canale del potassio Gruppi carbonili (-C=O) costituiscono la parete del filtro. Essi imitano l ambiente di coordinazione dello ione nell acqua. I due ioni K+ si respingono l un l altro K+ K+ 12 Å Na+ Permeabillita K + ~ Rb + > Cs + > Na + > Li + Raggio (A) 1.33 1.48 1.69 0.95 0.60 13
Proteine trasportatrici (Carriers) - Trasporto accoppiato a cambiamento conformazionale (diffusione facilitata) - Legano la molecola di soluto da una parte della membrana; - Cambiano conformazione per esporre il sito di legame dall altra parte della membrana; - Rilasciano la molecola - Il trasporto e dell ordine di 100-1000 molecole per secondo - Il meccanismo di trasporto ha tutte le caratteristiche di una reazione enzimatica: - Saturazione: la cinetica in funzione della concentrazione e analoga a quella di una reazione enzimatica semplice (Michaelis- Menten) - Specificita : e legata all affinita di legame della proteina per il soluto; puo essere molto specifica o poco specifica - Regolabile: dal legame di un altra specie chimica Meccanismi di trasporto attivo Mantengono le concentrazioni ioniche funzionali, anche lontane dal potenziale di equilibrio): Dentro la cellula bassa conc. sodio e potenziale di membrana negativo Il trasporto attivo richiede energia quando le molecole sono trasportate da regioni a bassa concentrazione a regioni ad alta concentrazione. Usato per concentrare molecole come il calcio, o per generare il potenziale di membrana Trasporto attivo primario: il trasporto di un soluto e direttamente accoppiato alla reazione che produce energia (es. pompa sodio/potassio) Trasporto attivo secondario non direttamente accoppiato alla reazione che produce energia: Es. il trasporto contro gradiente di un soluto e accoppiato al trasporto di Na+, secondo gradiente elettrochimico (simporto e antiporto) 14
- La Na + /K + ATPasi consiste di una grande subunita catalitica di circa 1000 aminoacidi + una seconda subunita glicoproteica. La sua struttura tridimensionale molecolare non e ancora nota Na + /K + ATPasi - La subunita catalitica contiene i siti di legame per il Na + e per l ATP sul versante citoplasmatico ed il sito di legame sul versante extracellulare. La subunita ha uno stato intermedio fosforilato Asp Pompa Na + -K + ATPasi: ciclo di funzionamento a ADP La pompa in e presenza o assenza di ATP e aperta verso il citosol, ha alta affinità per il Na+ e bassa affinita per il K+. ATP d Stato defosforilato Stato con ATP legato Intermedio fosforilato c b L intermedio fosforilato e aperto verso l esterno, ha alta affinità per il K+ e bassa affinita per il Na+ P i 15
Na + -K + ATPasi: accoppiamento delle reazioni ATP + E(2K + ) E-ATP + 2 K + in E-ATP + 3 Na + in E-P + (3 Na + ) + ADP totale E-P + (3Na + ) + 2 K + out ATP + 3 Na + in + 2 K+ out E(2K + ) + 3 Na + out + P i ADP + P i + 3 Na + out + 2 K+ in La pompa puo funzionare anche in direzione opposta per produrre ATP da ADP e fosfato se il potenziale elettrochimico diviene maggiore dell energia di idrolisi dell ATP Classi di trasportatori Sono basate sul numero dei soluti e sulla direzione del loro trasporto - Uniporto Trasportano singoli soluti. Es. trasporto del glucosio nella membrana degli eritrociti e di quasi tutte le altre cellule dell organismo - Simporto Trasportano 2 soluti nella stessa direzione attraverso la membrana Es. il trasporto di glucosio dal lume dell intestino all interno della cellula epiteliale intestinale e un simporto con il Na + dal lume dell intestino all interno della cellula - Antiporto Trasportano 2 soluti in direzione opposte attraverso la membrana Es. il trasporto di fosfato dal citoplasma all interno del mitocondrio e un antiporto con l OH -. 16
Trasporto attivo secondario - E un trasporto di molecole o ioni contro gradiente elettrochimico - La fonte di energia del trasporto non e direttamente l idrolisi dell ATP, ma il gradiente elettrochimico di un altro ione (spesso il Na + ) che si muove secondo gradiente. - Questi ultimi gradienti elettrochimici vengono pero a dipendere in ultima analisi dall idrolisi dell ATP (es. la Na + /K + ATPasi determina il grad. elettrochimico del Na +, grazie al quale le pompe di scambio Na + /Ca + e Na + /H + funzionano) Il trasporto attivo secondario puo essere un antiporto (es. pompe ioniche di scambio) o un simporto (es. trasporto di zuccheri e Na + nell epitelio intestinale) Trasferimento dell energia e omeostasi cellulare GLUCOSIO ATP - Assorbimento di luce - Assorbimento di cibi - Metabolismo cellulare - Produzione di ATP (glicolisi-ciclo di Krebs) - Stato quasi stazionario lontano dall equilibrio elettrochimico - Omeostasi osmotica controllata dal potenziale elettrochimico del Na + (elevata concentrazione extracellulare) O 2 ADP+P i ATP - Gradienti di concentrazione di Na + e H + mantenuti dal trasporto attivo ATP dipendente (Na + /K + ATP-asi e pompa Na+/H+) - Omeostasi del ph controllata da pompe di scambio (Na + /H + ) - Regolazione e funzionalita Prodotti di scarto Calore 17
Flusso di energia in forma pregiata gradiente di energia Stato nuova stazionario legge fisica di non emergente? equilibrio nuove forme di energia? Prodotti di degradazione Flusso primario di energia in forma pregiata gradiente di energia flusso secondario Stato stazionario di non equilibrio Prodotti di degradazione 18
Pur in presenza di strutture e percorsi biochimici e di segnalazione particolarmente complessi, i cui dettagli e la cui origine sono per la maggior parte incompresi, nessuna nuova legge fisica e nessun tipo di forza o energia misurabile, esclusiva degli organismi viventi, e mai emersa fino ad oggi. 19