Fisiologia di organi e apparati

FISIOLOGIA

È la scienza che studia il funzionamento degli organismi viventi in condizioni normali che si basa sul metodo sperimentale

Aristotele → studio della natura

Lo studio può essere raggiunto a tutti i livelli dato che il funzionamento dell’intero organismo si spiega con quello dei sistemi e

degli organi che lo compongono, a sua volta basato sul funzionamento delle singole cellule e delle loro molecole

Livello di organizzazione Atomi → Livello Molecolare o Chimico → Livello Cellulare → Livello Tissutale → Livello di Organo →

Livello di Apparato / Sistema → Livello di Organismo

Processo spiga il come, il meccanismo con cui avviene un evento naturale → corrisponde alla fisiologia

Funzione perché, scopo dell’avvenimento → non rientra strettamente nello studio fisiologico

OMEOSTASI

Gli organismi sono sistemi termodinamici aperti, in continuo scambio di energia e materia con l’ambiente

Claude Bernard costanza del mezzo interno

Walter Cannon insieme dei processi grazie ai quali i meccanismi fisiologici correggono tempestivamente le perturbazioni che

continuamente si verificano, assicurando la stabilità del mezzo interno, nonostante le forze, interne ed esterne, che tendono

continuamente ad alterarla

Equilibrio dinamico, regolato da sistemi di controllo, sia intracellulari che extracellulari, ai fini del mantenimento dell’integrità

biochimica, strutturale e funzionale, che si realizza a tutti i livelli: cellulare, tissutale e dell’intero organismo

MECCANISMI

DI CONTROLLO

Operano con la modalità della retroazione feedback: una variazione di un parametro dal valore desiderato) prodotto da una

determinata causa innesca automaticamente una reazione che ritorna ad agire sulla causa, influenzando il processo che ha

prodotto la deviazione

Feedback positivo non ha significato omeostatico: la variazione produce una risposta che amplifica la variazione stessa

“ negativo la variazione produce una risposta che attenua o elimina la variazione stessa

ELEMENTI COSTITUTIVI

Recettori sistema di sensori che misura continuamente il valore del parametro controllato

Centro di integrazione gli giungono i segnali dai recettori, che vengono confrontati con un valore di riferimento setpoint

→ se il valore rilevato si discosta dal set point, vengono generati comandi (nervosi e/o ormonali) diretti a degli effettori

Effettori sono regolati dal centro di integrazione in risposta ai segnali ricevuti e modificano il valore della variabile controllata

ANTICIPATORI

Comportamentali volto a prevenire future variazioni

Regolazione anticipativa è un controllo automatico, avviene in anticipo mediante segnali di correzione inviati prima di

conoscere l’esito del processo: i meccanismi di controllo hanno memorizzato la dinamica temporale di un processo e la

utilizzano per controllarne in anticipo l’evoluzione

COMPOSIZIONE CORPOREA

I costituenti quantitativamente predominanti sono , e → vi sono differenze di composizione tra uomo e

muscolo osso grasso

donna: uomo possiede maggiore massa corporea, ossea e muscolare, e minore massa grassa

La massa grassa totale è distribuita in due forme: non rappresenta una riserva energetica disponibile e

grasso essenziale di

costituito dall’accumulo di grasso nel tessuto adiposo: è la riserva energetica di origine alimentare e comprende grasso

deposito

viscerale protegge gli organi interni da traumi e sottocutaneo

ACQUA

È circa il 50-70% del peso corporeo → 0,6 L per peso corporeo

Si divide in liquido intracellulare e

liquido extracellulare divisi dalla

membrana cellulare

LIC

È circa i 2/3, 0,4 per peso corporeo

Contiene principalmente potassio K,

proteine e fosfati inorganici

LEC

È circa 1/3 e comprende liquido

interstiziale ¾ del LEC e plasma ¼

del LEC divise dall’endotelio capillare

Contiene principalmente ioni sodio,

ioni cloro e idrogeno carbonato Le diverse concentrazioni sono alla base dei

meccanismi dell’eccitabilità cellulare

Neutralità elettrica ciascun compartimento presenta

la stessa concentrazione, espressa in mEq/L, di

cariche positive e negative

Osmolarità totale numero totale di particelle libere

per litro di soluzione, indipendentemente dalla loro

natura, pressione osmotica

MOVIMENTI

Le forze che possono provocare flussi di acqua attraverso le membrane che separano i compartimenti di acqua sono

gradiente osmotico

Differenza di pressione osmotica

Trasferimento di acqua attraverso una membrana che non consenta il passaggio di soluti da un ambiente a concentrazione di

acqua maggiore verso un ambiente con potenziale idrico minore

Tra LIC e LEC esiste solo un gradiente di pressione osmotica per cui il movimento di acqua avviene solo per osmosi

sfruttando canali per il passaggio dell’acqua detti acquaporine

→ proteine canale che facilitano il flusso delle molecole d'acqua all'interno o all'esterno delle cellule di specifici tessuti

che richiedono questa capacità

Differenza di pressione idrostatica gradiente idraulico π = n/V RT = MRT

LEGGE DI VAN’T HOFF

Spiega la pressione osmotica π = pressione osmotica

→ se è presente una di pressione osmotica si attiva un flusso di solvente di entità n = numero di particelle del soluto

differenza

proporzionale a tale differenza V = volume della soluzione

R = costante universale dei gas

Le soluzioni possono essere isosmotiche, iposmotiche se è meno concentrata quindi con T = temperatura assoluta

maggiore potenziale idrico o iperosmotiche se è più concentrata quindi con minore potenziale

idrico

Una cellula immersa in un ambiente ipertonico si raggrinzisce perché l’acqua passa per osmosi dal LIC alla soluzione mentre in

ambiente ipotonico la cellula si rigonfia, in quanto l’acqua passa per osmosi dalla soluzione al LIC

MEMBRANA CELLULARE

È una barriera di permeabilità: ha la funzione di

regolare gli scambi di sostanze fra le diverse cellule e tra

organismo vivente e mondo esterno

→ fondamentale per:

- Difendere l’integrità di ogni cellula

- Mantenere nei limiti fisiologici volume cellulare.

pH e concentrazione di sostanze che permettono

alle attività metaboliche di aver luogo

- Coordinare le attività delle diverse cellule

FOSFOLIPIDI

Molecole anfipatiche con una testa polare idrofila e due

code apolari idrofobe → si organizzano spontaneamente in un doppio strato fosfolipidico definendo compartimenti chiusi

È un modello a mosaico fluido

PROTEINE

PERIFERICHE

Sono estrinseche e si ancorano al citoscheletro

ma non sono immerse nel doppio strato

INTEGRALI

Sono trans-membrana: attraversano tutto lo

strato fosfolipidico

RECETTORE

Ionotropo

Proteina che attraversa tutta la membrana con un sito di legame per la molecola segnale: il recettore è esso stesso un

canale

Risposta rapida

Metabotropo

Il legame recettore-ligando attiva la proteina G che attiva direttamente un canale ionico in un altro punto della

membrana o un enzima che produce un secondo messaggero intracellulare che attiva un canale ionico in un altro

punto della membrana

Risposta lenta

CANALI IONICI

Mettono in comunicazione l’ambiente intra- ed extra-cellulare e permettono il passaggio di ioni (sono selettivi)

Passivi sono sempre aperti

Attivi si aprono a seguito di uno specifico stimolo rispondendo a diversi tipi di stimoli variazione di voltaggio, segnali

chimici, stimoli meccanici

CARRIER

Legano substrati su un lato della membrana e li trasportano sull’altro lato: non permettono una comunicazione diretta

tra i due ambienti in quanto la proteina è aperta solo un lato della membrana, non forma un canale

Ciascun carrier riconosce e trasporta solo specifici substrati

MECCANISMI DI TRASPORTO

La membrana cellulare è semipermeabile: è selettiva nei confronti delle sostanze che la devono attraversare

DIFFUSIONE

È un trasporto passivo di sostanze secondo gradiente di concentrazione - gradiente elettrochimico dalla zona più concentrata-

carica alla zona meno concentrata-carica senza utilizzo di energia → termina quando il gradiente viene eliminato

SEMPLICE Composti idrofobici come acidi grassi, steroidi e gas attraversano il doppio strato fosfolipidico

La relazione è lineare e la velocità aumenta infinitamente all’aumentare del gradiente

MEDIATA DA CANALI Piccole molecole idrosolubili e ioni si spostano grazie a proteine transmembrana / integrali

DIFFUSIONE IONICA

È influenzata sia dal gradiente

∆C = differenza di concentrazione

LEGGE DI FICK A = area membrana chimico che dal gradiente elettrico,

Spiega il meccanismo di diffusione PM = peso molecolare della sostanza ossia la differenza di potenziale

L = spessore della membrana elettrico tra i due lati della

Flusso diffusionale netto = (∆C A) / (PM L) = ∆C Pd Pd = coefficiente di permeabilità (cm/s) membrana → gradiente

elettrochimico: combinazione dei

gradienti chimico ed elettrico

MEDIATO DA PROTEINE CARRIER

La proteina carrier trasporta un soluto da un lato all’altro della membrana senza mettere in comunicazione i due ambienti

Sono selettive e possono andare in contro a saturazione

La velocità aumenta all’aumentare della differenza di concentrazione tra i due lati solo fino al raggiungimento di un dato valore

massimo, oltre il quale non può più crescere a causa della saturazione del carrier.

DIFF FACILITATA Trasporto passivo secondo cui una molecola – ione si lega a un sito recettore specifico di una

proteina carrier: il legame permette alla molecola di attraversale la membrana

TRASPORTO ATTIVO Trasporto contro gradiente di concentrazione, da - concentrata-carica a quella + concentrata

mediato da un trasportatore di membrana che richiede energia

trasferimento di ioni o molecole con utilizzo di energia pompa sodio-potassio ATPasi

PRIMARIO si associa il trasferimento di un soluto contro gradiente al trasporto di un’altra sostanza secondo gradiente

SECONDARIO (non si usa energia direttamente) → simporto o antiporto

POMPA Na-K ATPasi

La pompa lega 3 ioni Na sul lato

intracellulare e viene attivata dall’idrolisi

dell’ATP intracellulare, cambiando

conformazione. Così facendo rilascia gli

ioni Na all’esterno e il fosfato legando 2

ioni K, cambiando nuovamente

conformazione rilasciando K all’interno

SIMPORTO Na-GLUCOSIO

Si sfrutta la bassa concentrazione intracellulare del sodio

Il carrier trasporta il sodio nella cellula e contemporaneamente lega una

molecola di glucosio che viene anch’essa trasportata nella cellula senza

consumo di energia

TRASPORTO DI MACROMOLECOLE

Avviene grazie alla formazione di vescicole che fondendosi con la membrana cellulare permettono il trasporto di grandi

molecole Le sostanze prodotte dal Golgi vengono rilasciate all’esterno quando aumenta il calcio intracellulare

ESOCITOSI È il materiale viene portato all’interno della cellula: mediata da recettori

ENDOCITOSI per materiali solidi per liquidi

Fagocitosi pinocitosi

POTENZIALE DI MEMBRANA

È dovuta a una differenza netta nel numero di cariche all’interno e all’esterno di una cellula, vi è una distribuzione di cariche non

uniforme → stabilisce un potenziale elettrico o voltaggio che corrisponde alla differenza di carica tra due punti

In condizioni di riposo la membrana è elettricamente polarizzata a causa dell’azione di pompe ioniche e alla permeabilità

selettiva della membrana: la superficie interna è rivestita da cariche negative mentre il versante esterno è rivestito di cariche

positive → la causa è la differente distribuzione di ioni sui due lati della membrana: nel LEC si trovano cloro e sodio mentre nel

LIC si trovano potassio e anioni proteici

POTENZIALE DI EQUILIBRIO

Si ha quando la differenza netta di carica è nulla → Il flusso netto è =0

A RIPOSO

La membrana è impermeabile agli ioni ma presenta canali passivi per il

K attraverso quale gli ioni escono spinti dal gradiente chimico: l’uscita

del potassio verso l’esterno crea una differenza di potenziale gradiente

elettrico che richiama lo ione dentro la cellula

→ i flussi di K in entrata e uscita diventano uguali, non è più presente un

flusso, quando i gradienti sono uguali. Si raggiunge il potenziale di

equilibrio del potassio

V = - 94 mV

m

La membrana, però, è impermeabile agli anioni proteici che, restando

intrappolati all’interno della cellula, determinano la polarizzazione

negativa del versante interno della membrana Inoltre è scarsamente

permeabile al sodio,

consentendone un

modesto ingresso

L’azione della ATPasi sodio-potassio,

contrastando il modesto flusso in entrata del

sodio e in uscita del potassio, bilancia la

diffusione passiva consentendo al potenziale

di riposo di rimanere costante

Iperpolarizzazione

processo che rende il

potenziale di

CELLULE ECCITABILI membrana più

Alcune cellule sono capaci di generare impulsi elettrici a livello delle membrane e di utilizzarli per negativo

trasmettere segnali → è il potenziale d’azione: variazione rapida del potenziale di membrana seguita Depolarizzazione

da un ritorno alla condizione di riposo processo che rende il

potenziale di

membrana meno

negativo

C MUSCOLARI

I potenziali di azione hanno la funzione di innescare il processo della contrazione → - 90mV

C NERVOSE

I potenziali d’azione hanno la funzione di trasmettere i segnali lungo l’assone della cellula nervosa → - 70mV

POTENZIALE D’AZIONE

Variazione rapida del potenziale di membrana seguita da un ritorno alla condizione di riposo

La membrana, che a riposo ha un potenziale di -70mV, riceve degli stimoli,

degli impulsi, di varia intensità: se l’intensità è minore del valore soglia non si

ha PA ma un potenziale elettronico

Se lo stimolo è tale da raggiungere il valore soglia di -55mV si aprono in

successione 2 canali voltaggio-dipendenti

I canali voltaggio-dipendenti del Na+ si trovano a livello del monticolo assonico

e si aprono molto rapidamente, aumentando la conduttanza al sodio, e

permettono il suo ingresso dentro la cellula → causa una depolarizzazione

che raggiunge il valore picco di +40mV

Successivamente si aprono i canali voltaggio-dipendenti del K+ che, rispetto

agli altri, si aprono più lentamente e restano attivi per un periodo di tempo più

lungo causando l’uscita di potassio dalla cellula. Questo meccanismo

servirebbe per equilibrare il flusso di sodio ma visto che i canali si chiudono

lentamente si ha una iperpolarizzazione postuma

Successivamente si attiva la pompa sodio-potassio ATPasi che provvede a ristabilire i normali livelli di concentrazione

PERIODO REFRATTARIO

Causato dalle due porte del canale voltaggio-dipendente del sodio

Serve per determinare la massima frequenza con cui un assone può generare PA e

l’unidirezionalità della propagazione del PA

P R assoluto

Periodo durante il quale non è possibile ottenere un nuovo potenziale d’azione neppure con

stimolazioni molto intense

Causa Inattivazione canali sodio (si riaprono solo tornando alla conformazione di partenza)

P R relativo

Periodo durante il quale è possibile ottenere un nuovo potenziale d’azione solo con

stimolazioni molto intense (la soglia per la generazione sarà più alta) Causa Canali del

potassio aperti che si oppongono alla depolarizzazione

Il PA tende per sua natura a propagarsi, tende naturalmente a spostarsi dalla regione dove viene

generato alle aree limitrofe, alle quali si trasmette in forma del tutto identica a sé stessa, come

un’onda di ampiezza costante

Assone non mielinizzato

La propagazione è punto a punto

Quando sopraggiunge lo stimolo si crea una zona di depolarizzazione che a sua volta depolarizza

le zone a riposo adiacenti. La zona che si era depolarizzata per prima si inattiva e l’impulso si

propaga nella direzione opposta a quella dove i canali del sodio sono chiusi

Assone mielinizzato

La propagazione è saltatoria

Il potenziale di azione non si conduce in modo continuo lungo tutto l’assone

ma trovando la guaina mielinica che isola l’assone salta da un nodo di

Ranvier a quello successivo

La velocità di conduzione aumenta e vi è un risparmio energetico perché la

quantità di ioni che attraversano la membrana è inferiore

TRASMISSIONE SINAPTICA

Le sinapsi sono siti di contatto specializzati che permettono la trasmissione del potenziale d’azione da una cellula

elettricamente eccitabile ad altre cellule

ELETTRICA

Avviene come flusso diretto di corrente

È una trasmissione rapida di tipo eccitatorio e bidirezionale

L’onda depolarizzante del PA passa da una cellula all’altra

attraverso le che contengono

giunzioni comunicanti

connessoni che garantiscono la continuità citoplasmatica

tra cellula pre- e post- sinaptica

Permettono la di reti neuronali in diverse

sincronizzazione

regioni del sistema nervoso

CHIMICA

Avviene con la liberazione di un neurotrasmettitore e la trasmissione è unidirezionale

SINTESI

Il NT viene sintetizzato dalla cellula

presinaptica: quelli a basso peso molecolare

sono sintetizzati nel terminale da enzimi

(arrivati tramite trasporto assonico lento) e poi

inglobati all’interno di vescicole, mentre quelli

peptidici sono sintetizzati nel corpo cellulare e

trasportati all’interno di vescicole

La depolarizzazione di membrana data

dall’arrivo del PA causa l’apertura dei canali

voltaggio-dipendenti del calcio permettendo

l’ingresso dello ione nel terminale assonico

Questo è lo stimolo per la fusione delle

vescicole con la membrana plasmatica e per la

successiva → il suo rilascio

esocitosi del NT

avviene in piccole quantità discrete: quanti

corrispondente al contenuto di una vescicola

Il NT una volta espulso dalla cellula

presinaptica diffonde nella fessura sinaptica e

si lega al recettore ligando-dipendente della

cellula post-sinaptica (questo causa un ritardo

sinaptico di 0,5 ms)

L’accoppiamento apre temporaneamente dei

canali ionici e permette un flusso di ioni

attraverso la membrana postsinaptica

producendo variazioni di voltaggio nella

membrana postsinaptica: potenziali

postsinaptici Il NT liberato, una volta terminata la funzione, deve

gli ioni positivi causano depolarizzazione della cellula postsinaptica: il

Eccitatorio essere eliminato dallo spazio della giunzione

P di membrana viene portato verso il valore soglia quindi aumenta la sinaptica: ricaptazione

possibilità di generare PA (l’effetto del P dipende dal numero di - Diffusione delle molecole fuori dalla sinapsi

canali aperti) - Riassorbimento da parte della membrana

gli ioni negativi causano la iperpolarizzazione della cellula

Inibitorio nel citosol presinaptico

postsinaptica: il P di membrana diventa ancora più negativo quindi si - Distruzione per via enzimatica all’interno

allontana dal valore soglia della fessura sinaptica

Sommazione spaziale il neurone post-sinaptico riceve più stimoli che vengono sommati tra di loro, tenendo conto della loro

singola azione. Si integrano le informazioni e si vede se la somma permette l’attivazione di un PA oppure no

Sommazione temporale sin