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UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PERUGIAUNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PERUGIA
CORSO DI FISIOLOGIA UMANACORSO DI FISIOLOGIA UMANA
Primo semestre anno accademico 2011/2012Primo semestre anno accademico 2011/2012docente:docente:
Dott. Roberto PanichiDott. Roberto Panichi([email protected])([email protected])
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 • 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
La fisiologia si propone dispiegare il funzionamentodegli organismi viventiattraverso un approccioteleologico (il perché esiste
La FisiologiaAtomi
Molecole
Cellule
Tessuti
CH
IMIC
A
BIO
LO
GIA
M
OL
EC
OL
AR
E
BIO
LO
GIA
C
EL
LU
LA
RE F
ISIO
LO
GIA
una funzione) emeccanicistico(il come avviene unprocesso) integrato.
Organi
ApparatiSistemi
Organismi
FIS
IOL
OG
IA
La fisiologia è una scienza integrativa
La Fisiologia umana, utilizzando i principi della fisica,della chimica e della biologia, studia i fenomenicaratteristici che consentonoall’organismo uomo dicaratteristici che consentonoall’organismo uomo disvolgere tutte le funzioni necessarie per lasopravvivenza.
La cellula comeunità viventedell’organismo
Acqua corporea totale: 60% del peso corporeo
2/3 liquido intracellulare1/3 liquidi extracellulari
Contenuto idrico del corpo
Liquidi extracellulari:
80% liquido interstiziale20% plasma
Liquido
intracellulare
Liquido extracellulare
12 mmol / L145 mmol / LNa+
1554K+
≤ 0,00012Ca2+
4 - 40120Cl-
-55 / -90 mV0 mVPot. di riposo
4 - 40120Cl
827HCO3-
7,1 - 7,37,4pH
~ 1555Anioni organici
da: Schmidt, Thews, Lang - “Fisiologia Umana”
Mezzo internoMezzo internoMezzo internoMezzo interno
E’ l’ambiente liquido con il quale E’ l’ambiente liquido con il quale scambiano le cellule dell'organismoscambiano le cellule dell'organismo
E’ protetto dall'ambiente esterno da E’ protetto dall'ambiente esterno da cellule che lo schermano e lo racchiudonocellule che lo schermano e lo racchiudono
Ha una composizione ottimale per il Ha una composizione ottimale per il metabolismo cellularemetabolismo cellulare
Mantiene una relativa costanza delle sue Mantiene una relativa costanza delle sue Mantiene una relativa costanza delle sue Mantiene una relativa costanza delle sue caratteristiche chimicocaratteristiche chimico--fisichefisiche
(equilibrio dinamico)(equilibrio dinamico)
Il mantenimento dicondizioni stabili ed ottimali del mezzointerno è indispensabile affinché le cellule dell’organismoesplichino pienamente le loro capacità vitali.
Al fine di garantire il mantenimento dicondizioni stabilinell’organismo, le funzioni dei diversi organi e apparati devono esserein equilibrio:OMEOSTASI.Tutti i tessuti e gli organi del corpo intervengono, per la parte che glicompete, nel mantenimento dell’omeostasi.
� Il mantenimento dinamico delle condizioni delmezzo interno, entro un ambito ristretto, vienedefinito omeostasi (Cannon 1926) ed è ilprerequisito necessario a garantire la sopravvivenzaed il buon funzionamento dell’organismo.
� I diversi meccanismi fisiologici autoregolati, cheoperano per mantenere le condizioni ottimali delmezzo interno e per ristabilirle, in caso dialterazione, sono quindimeccanismi omeostatici.
Negli stati patologici l’omeostasi non è garantita
Sono necessarimeccanismi di controllo per mantenere l’omeostasi
1) Meccanismi a feed-back negativo
La maggior parte dei sistemi di controllo dell'organismo agisconomediante un meccanismo afeedback negativo, in cui la variazionedel parametro da controllare attiva meccanismi di compenso, chemodificano il parametro in senso contrario, riportandolo al valoreoriginale.originale.Per mantenere unequilibrio omeostaticosono richiesti:un sistema direcettori, che misura il valore del parametro che deveessere controllato.Un centro di integrazionedove la misura è paragonata ad un valoredi riferimento.Un sistema di effettori capaci di modificare il parametro dacontrollare, riportandolo al valore di riferimento ogni volta che essosi modifica.
Circuito a feedback negativo
EffettoriModificano il parametro controllato riportandolo al valore di riferimento
Centro di integrazioneConfronta il valore misuratocon un valore di riferimento
(set point)
Variabile regolata
Recettori
Misurano il valore del parametro da controllare
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
La risposta rinforza lo stimolo, spingendo la variabile ancora più lontanodal proprio valore di riferimento. I feedback positivi non sonoomeostatici (per definizione), ma vengono utilizzati in alcune funzionidall’organismo.
2) Meccanismi a feed-back positivo
3) Meccanismi anticipatori (feed-forward)Le informazioni disponibili sono utilizzate per modificare la grandezzasotto controllo prima che avvengano eventi che possono influenzarla. Sitratta di sistemi in grado di “prevedere” le perturbazioni di una variabilecosì da modificarne in anticipo il valore di riferimento.
Controllo anticipatorioModifica il valore di
riferimento EffettoriModificano il parametro
Circuito a feedback negativo(per la calibrazione)
Centro di integrazioneConfronta il valore misuratocon un valore di riferimento
Variabile regolata
Modificano il parametro controllato riportandolo al valore di riferimento
Recettori
Misurano il valore del parametro da controllare
Recettori
Misurano il valore del parametro da controllare
Il mantenimento di condizioni omeostatiche presupponeche i vari componenti comunichino tra loro,scambiandosi le informazioni ed i comandi pertinenti.
Le comunicazioniintra-intercellulari possonoavvenireLe comunicazioniintra-intercellulari possonoavvenireattraverso meccanismi che sfruttano diversi processichimico-fisici.
Fisiologia generale: modalità di comunicazione tra cellulecomunicazione tra cellule
Giunzioni comunicanti:Comunicazione diretta tra due cellule
Messaggero Messaggero chimicochimico
RecettoreRecettoreRecettoreRecettore
paracrinaparacrina
autocrinaautocrina
Segnali autocrini o paracrini:Segnali autocrini o paracrini:Una cellula produce un messaggero chimico, che agiscesulla stessa cellula, o su cellule vicine, legandosi ad unrecettore specifico
NeuroneNeuroneCellula bersaglioCellula bersaglioRecettore sinapticoRecettore sinaptico
NeurotrasmettitoreNeurotrasmettitore
RispostaRispostaassone
Trasmissione nervosa:Una sostanza chimica, detta neurotrasmettitore,viene rilasciata dal terminale assonico di unneurone ed agisce sulla cellula bersaglio,legandosi a recettori specifici.
Cellula Cellula EndocrinaEndocrina
OrmoneOrmone
Cellula Cellula BersaglioBersaglio
Recettore Recettore per l’ormoneper l’ormone
Trasmissione ormonale:Trasmissione ormonale:Una sostanza chimica, detta ormone, viene rilasciata dauna cellula endocrina e, attraverso il sangue, raggiungel’organo bersaglio, dove agisce legandosi a recettorispecifici.
RispostaRisposta
NeuroneNeurone
RecettoreRecettore
Cellula Cellula BersaglioBersaglio
RispostaRisposta
Trasmissione neuro-ormonale:
La cellula che produce l’ormone è un neurone
Fisiologia generale: biofisica: biofisica
Diffusione semplice
Fdiff = D · A · ∆C/∆xFdiff: flusso molare (moli / secondo)D: coefficiente di diffusioneA: area attraverso cui avviene la diffusione∆C: [C1] - [C2]∆x: distanza
Fdiff
∆
(legge di Fick)
C
Flusso attraverso una membrana
P = permeabilità D K
K = coefficiente di ripartizione olio/acqua
F = P · A ·∆C
X∆
Osmosi
Trasporti mediatiTrasporti mediati
L’ingresso selettivo di una sostanzanella cellula può essere consentito dallapresenza di trasportatori (carriers):proteine che legano e liberano lasostanza, esponendo alternativamente ilsito di legame sui due lati dellamembrana.
Per basse concentrazioni, la probabilitàche il trasportatore carichi il substrato,prima di cambiare conformazione, èproporzionale alla concentrazione.
Per alte concentrazioni, il flusso èlimitato da un trasporto massimo, chedipende dal numero dei trasportatori enon dalla concentrazione.
Caratteristiche
Specificità; saturazione; inibizione competitiva; possono essere trasporti singoli o accoppiati.
�C
F
Tm
Diff.semp.
uniportoCotrasporto(simporto)
Controtrasporto(antiporto)Trasporto
mediato
(Trasporto massimo)
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 2) Attiva . Può avvenire contro gradiente, richiede energia, è sensibile all'alterazione della normale attività metabolica. Può essere primario o secondario.
Principali meccanismi di trasporto attivo primario (pompe ioniche)
Pompa ionica di scambio Na+ / K+
•Na+ / K+•Ca2+
Meccanismi di trasporto attivo secondario
1 Glucosio•Na+ / 2 Cl- / K+
• 3 Na+ / Ca2+
• Na+ / H+
• Cl- / HCO -
3 Na+
Antiporto Ca-NaSimporto
Glucosio-sodio
• Cl- / HCO3-
Gli ioni possono attraversare la membrana attraverso tragitti costituiti dai canali ionici (Ø nm).
Il passaggio attraverso il doppio strato lipidico è un evento altamentestrato lipidico è un evento altamenteimprobabile (presenza di interazioni elettrostatiche)
Canale per Na+
I canali ionici sono selettivamente permeabili ad un solo tipo di ione.
Canale per K+
La direzione del flusso ionico dipende dal gradienteelettrochimico esistente ai capi della membrana
gradientedi concentrazionegradientedi concentrazionedifferenza di potenziale elettrico
Apertura e chiusura dei canali ionici ad accesso variabile
Canale chiuso Canale apertoCanale chiuso Canale aperto
-+
+-
Il movimento degli ioni attraverso una Il movimento degli ioni attraverso una membrana genera segnali elettricimembrana genera segnali elettricimembrana genera segnali elettricimembrana genera segnali elettrici
Nei mammiferi si può attribuire un valoremedio di -65, -70 (mv)
Presenza di una differenza di potenziale a cavallo cavallo della membrana
Il potenziale di MembranaIl potenziale di Membrana
Come la membrana delle cellule nervose generauna 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.•La pompa ionica sodio-potassio mantiene i gradienti di concentrazione di questi ioni.
Variazioni del potenziale di membrana
Stim Stim
Potenziale d’azionePotenziale d’azionePerturbazioni del potenziale di membrane di riposo possono far insorgere un potenziale d’azione: depolarizzazione oltre un valore soglia.
E’ un evento tipico delle celluleeccitabili, come quelle nervose emuscolari. E’ costituito da unafase di depolarizzazione rapidaseguitadarapidaripolarizzazione.
Na+
entraK+
esce
seguitadarapidaripolarizzazione.È un evento “tutto o nulla”. Dopoun p.a. si instaura un periodo dinon responsività (periodorefrattario). Il p.a. viene utilizzatoper trasferire informazioni inmodo rapido a distanza.
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
•Non influenzano le concentrazioni intracellulari ed extracellulari delle
specie ioniche
Relazioni quantitative tra spostamenti ionici e potenziali di membrana
specie ioniche
•Non alterano la neutralità elettrica dei due comparti
1) Il potenziale d’azione è un evento isolato che non può sommarsi
con altri potenziali d’azione.
Il periodo refrattario:
Proprietà dei potenziali d’azione
La soglia.
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.
Propagazione del potenziale d’azione
Propagazione senza decremento
Fattori che influenzano la velocità di conduzione
Diametro della fibra
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
Presenza di guaina mielinica
A parità di diametro le fibre mieliniche conducono più velocemente rispettoa quelle amieliniche
Maggiore è il diametro delle fibre maggiore è la velocità di conduzione
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.
Costante di spazio
rm
riλ =
È la distanza alla quale il segnale si è ridotto in ampiezza al 37%
Rm Cm
Ri
Re
Proprietà di membrana e propagazione dei potenziali nelle fibre nervose
In Out
rmr i
λλλλ =☺☺☺☺ = Rm * Cm
La mielina determinaaumento diRmRm nei tratti dimembrana dove è presente.Aumentando in tal modo lacostante di spazio.
La conduzione del p.a. èdefinita saltatoria.
Mielinizzazione
+
La mielinizzazione consente: La mielinizzazione consente: aumento della velocità di aumento della velocità di conduzione, diminuzione del conduzione, diminuzione del dispendio energetico. dispendio energetico.
Propagazione di segnali sottosoglia(potenziali graduati)
Terminazione presinaptica
Membrana
EPPS
Elettrodi di registrazione
postsinaptica
Distanza
Le cellule nervose e i messaggi da cui dipendono le risposte comportamentali
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, 2003.
• F. Conti, Fisiologia Medica, ed. edi-ermes, Copyright 2010.
