Appunti di Fisiologia 1

Appunti di Fisiologia 1

Tratto dai libri Fisiologia di Cindy L. Stanfield e Fondamenti di Fisiologia Umana di Lauralee Sherwood, dagli 1

appunti delle lezioni e dalle slide fornite a lezione

APPUNTI DI FISIOLOGIA 1 GIULIA SOFIA CHINDAMO

INTRODUZIONE ALLA FISIOLOGIA

Organizzazione dell’organismo

LA CELLULA: STRUTTURA E FUNZIONE

Biomolecole

Struttura della cellula

Adesioni cellula-cellula

Funzioni generali della cellula

Sintesi proteica

METABOLISMO CELLULARE

Tipi di reazioni metaboliche

Reazioni metaboliche ed energia

Velocità delle reazioni

Ossidazione del glucosio: la principale reazione del metabolismo energetico

Fasi dell’ossidazione del glucosio: glicolisi, ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa

TRASPORTI DI MEMBRANA

Fattori che influenzano la direzione del trasporto 2

Velocità di trasporto

Trasporto passivo

Trasporto attivo

Osmosi: trasporto passivo di acqua attraverso le membrane

Trasporto di materiale all’interno di compartimenti delimitati da membrana

Trasporto epiteliale: movimento di molecole attraverso due membrane

MESSAGGERI CHIMICI

Messaggeri chimici

Meccanismi di trasduzione del segnale

IL SISTEMA ENDOCRINO: GHIANDOLE ENDOCRINE E AZIONI ORMONALI

Organi endocrini primari

Azioni ormonali sulle cellule bersaglio

CELLULE NERVOSE E SEGNALI ELETTRICI

Panoramica del sistema nervoso

Fisiologia delle cellule eccitabili

Il potenziale di membrana

APPUNTI DI FISIOLOGIA 1 GIULIA SOFIA CHINDAMO

I canali ionici

Le caratteristiche della corrente ionica

La cinetica di apertura e chiusura del canale (gating)

Le fasi della depolarizzazione

I meccanismi di refrattarietà

I meccanismi di modulazione dei canali ionici

Il potenziale di membrana (2)

L’equazione di Nernst

Il potenziale di membrana dei neuroni

La costante di tempo

I segnali elettrici sono dovuti a variazioni del potenziale di membrana

Descrizione delle variazioni del potenziale di membrana

Potenziali graduati

Potenziali graduati sono decrementali

I potenziali graduati possono essere depolarizzanti o iperpolarizzanti

Sommazione dei potenziali graduati 3

Potenziali d’azione

Il principio del tutto o nulla nel potenziale d’azione

Periodi refrattari

La tecnica del voltage clamp

Le neurotossine

La propagazione del potenziale d’azione

TRASMISSIONE SINAPTICA E INTEGRAZIONE NEURONALE

Trasmissione sinaptica

Quale ruolo funzionale svolgono le sinapsi elettriche?

Trasmissione sinaptica diretta

Meccanismi di trasmissione sinaptica

Recettori del glutammato

Recettori di GABA e glicina

Recettori

Integrazione neuronale

Recettori metabotropici

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SISTEMA NERVOSO CENTRALE

L’encefalo

IL SISTEMA NERVOSO: SISTEMA MOTORIO AUTONOMO E SOMATICO

Il sistema nervoso autonomo

Il sistema nervoso somatico

LA CONTRAZIONE MUSCOLARE

La giunzione neuromuscolare

Struttura del muscolo scheletrico

Basi muscolari della contrazione del muscolo scheletrico

Metabolismo del muscolo scheletrico

IL MUSCOLO LISCIO

IL SISTEMA CARDIOCIRCOLATORIO: FUNZIONE CARDIACA

Visione d’insieme del sistema cardiocircolatorio

Circolazione del sangue attraverso cuore e vasi sanguigni

Anatomia del cuore

Attività elettrica del cuore 4

Ciclo cardiaco

Gittata cardiaca e suo controllo

I VASI SANGUIGNI E LA PRESSIONE SANGUIGNA

IL SISTEMA RESPIRATORIO: LA VENTILAZIONE POLMONARE

Breve sintesi della funzione respiratoria

Anatomia del sistema respiratorio

Forze che intervengono nella ventilazione polmonare

Fattori che influenzano la ventilazione polmonare

Significato clinico dei volumi respiratori e dei flussi d’aria

IL SISTEMA RESPIRATORIO: LO SCAMBIO DEI GAS E LA REGOLAZIONE DEL RESPIRO

Panoramica della circolazione polmonare

La diffusione dei gas

Gli scambi di ossigeno e anidride carbonica

Il trasporto di gas nel sangue

La regolazione centrale della ventilazione

Il controllo della ventilazione da parte dei chemocettori

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La regolazione locale della ventilazione e della perfusione

Il sistema respiratorio nell’omeostasi acido-base

IL SISTEMA URINARIO: LA FUNZIONE RENALE

Funzioni del sistema urinario

Anatomia del sistema urinario

Processi fondamentali di scambio renale

Proprietà distrettuali dei tubuli renali

Escrezione

IL SISTEMA GASTROINTESTINALE

Panoramica dei processi del sistema gastrointestinale

Anatomia funzionale del sistema gastrointestinale

Digestione e assorbimento dei nutrienti e dell’acqua

Principi generali della regolazione gastrointestinale

Secrezione gastrointestinale e sua regolazione

Motilità gastrointestinale e sua regolazione

Glossario 5

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APPUNTI DI FISIOLOGIA 1 GIULIA SOFIA CHINDAMO

INTRODUZIONE ALLA FISIOLOGIA

Organizzazione dell’organismo

Nonostante ognuna delle cellule del corpo, che rappresentano la più piccola unità vivente, sia capace da sola

di realizzare i propri processi vitali di base, i vari tipi cellulari sono specializzati per svolgere funzioni diverse,

tutte importanti per il funzionamento dell’organismo nel suo insieme.

Le cellule sono raggruppate insieme a formare tessuti, che a loro volta formano gli organi. Le cellule possono

essere raggruppate in quattro principali categorie:

• Neuroni

• Cellule muscolari

• Cellule epiteliali

• Cellule connettivali

Qualsiasi insieme di cellule che svolgono funzioni simili è definito tessuto. Generalmente, quando due o più

tessuti si combinano tra loro a costruire strutture che svolgono particolari strutture, queste strutture sono

detti organi. I vari organi sono strutturati in sistemi, ovvero insiemi di organi che lavorano congiuntamente

per svolgere alcune funzioni.

Per poter vivere, le cellule devono ricevere ossigeno e nutrienti dall’ambiente circostante e devono rilasciare

in esso anidride carbonica e altri prodotti di scarto. La maggior parte delle cellule non è in diretto contatto

con il sangue, ma è circondata da un fluido di separazione che scambia le varie sostanze con il sangue. Poiché

tale fluido forma l’ambiente più prossimo alla maggior parte delle cellule dell’organismo, viene chiamato

ambiente interno (il termine “ambiente interno” viene usato anche per definire il fluido che nel sangue

circonda le cellule ematiche). 7

Il costituente più abbondante dell’organismo è l’acqua, che agisce da solvente nei confronti della

maggioranza di soluti che si trovano nei liquidi corporei.

Il volume dell’acqua contenuta in tutto il corpo è definito acqua corporea totale (Total Body Water, TBW) e

corrisponde al volume totale di liquido racchiuso dallo strato epiteliale esterno. L’acqua corporea totale

comprende sia l’acqua che si trova nel liquido contenuto nelle cellule, chiamato liquido intracellulare

(IntraCellular Fluid, ICF), che l’acqua che si trova all’esterno delle cellule, definito liquido extracellulare

(ExtraCellular Fluid, ECF).

Il liquido intracellulare e quello extracellulare sono separati dalle membrane cellulari.

Circa il 20% del volume totale di liquido extracellulare si trova nel sangue, mentre la parte restante di esso si

trova all’esterno del sangue. La parte che è presente nel sangue (cioè la parte liquida noncellulare del sangue

stesso) è il plasma. La parte che si trova all’esterno del sangue e che è a contatto con la maggior parte delle

cellule dell’organismo si chiama liquido interstiziale (ISF). Il plasma e il liquido interstiziale sono molto simili

come composizione.

CELLULA – STRUTTURA E FUNZIONE

Biomolecole

I quattro tipi principali di biomolecole sono:

• i carboidrati, che sono molecole polari, includono i monosaccaridi, i disaccaridi e i polisaccaridi.

• i lipidi, che sono generalmente molecole non polari, includono i trigliceridi, i fosfolipidi, gli

eicosanoidi e gli steroidi; i fosfolipidi sono molecole anfipatiche.

• le proteine sono polimeri di amminoacidi.

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• gli acidi nucleici comprendono DNA ed RNA e sono polimeri di nucleotidi.

Struttura cellulare

La membrana plasmatica separa la cellula dal fluido extracellulare; è costituita da un doppio strato di

fosfolipidi con proteine e colesterolo immersi all’interno del doppio strato.

I carboidrati si trovano sulla superficie esterna della membrana come glicolipidi o glicoproteine.

Il nucleo (all’interno della cellula) contiene DNA.

Il citoplasma (anch’esso all’interno della cellula) è costituito da citosol e organuli.

Il citosol contiene enzimi, depositi di glicogeno e trigliceridi e vescicole secretorie.

Gli organuli includono il reticolo endoplasmatico liscio e rugoso, l’apparato del Golgi, i mitocondri, i lisosomi

e i perossisomi, e i ribosomi.

Il citoscheletro conferisce alle cellule la loro forma, fornisce supporto strutturale, trasporta varie sostanze

all’interno della cellula, mantiene gli organuli in sospensione, contribuisce all’adesione fra le cellule per

formare i tessuti e produce la contrazione o il movimento in alcuni tipi di cellule.

Il citoscheletro è formato da filamenti proteici che includono microfilamenti, filamenti intermedi e

microtubuli.

Adesioni cellula-cellula

Tre tipi di strutture di adesione connettono le cellule tra loro:

• le giunzioni serrate si trovano comunemente nei tessuti epiteliali, dove limitano il movimento delle 8

molecole attraverso lo spazio interstiziale che esiste tra le cellule. Proteine chiamate occludine

legano insieme due cellule adiacenti in modo tale da generare un’adesione pressoché impermeabile.

Le molecole polari che non possono attraversare il doppio strato lipidico non possono, in genere,

neanche muoversi tra le cellule connesse da giunzioni serrate.

• i desmosomi sono giunzioni resistenti tra cellule, presenti tipicamente in tessuti sottoposti a stress.

Filamenti proteici si estendono da una placca situata in prossimità della membrana plasmatica nel

punto in cui le due cellule aderiscono. Alcuni di questi filamenti si trovano all’interno delle cellule

(filamenti intracellulari), mentre le caderine (filamenti intercellulari) si estendono nello spazio

intercellulare e collegano insieme le due cellule.

• le giunzioni comunicanti sono costituite da regioni di membrana che contengono proteine, chiamate

connessoni, che formano canali che collegano il citoplasma di due cellule adiacenti. Questi canali

consentono a ioni e piccole molecole di passare tra cellule adiacenti.

Funzioni generali della cellula

Le funzioni generali svolte da quasi tutte le cellule includono:

• il metabolismo, ovvero tutte le reazioni chimiche che si verificano nell’organismo; può essere diviso

in due classi di reazioni:

✓ reazioni anaboliche, mediante le quali si ha la sintesi di grandi molecole a partire da molecole

più piccole e ciò richiede un apporto di energia;

✓ reazioni cataboliche, che consistono nella degradazione di grandi molecole in molecole più

piccole con conseguente rilascio di energia.

• il trasporto cellulare di molecole attraverso le membrane

• la comunicazione intercellulare

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Sintesi proteica

I geni che si trovano nel DNA contengono i codici per la sintesi proteica, che vengono trascritti nell’mRNA

all’interno del nucleo.

L’mRNA si sposta nel citoplasma, dove viene tradotto dai ribosomi per sintetizzare le proteine.

Nel momento in cui una proteina è stata sintetizzata nel citosol, la sequenza leader determina se la proteina

resterà nel citosol stesso, o entrerà in un mitocondrio, in un perossisoma o nel nucleo.

Le proteine sintetizzate in associazione con il reticolo endoplasmatico verranno infine impacchettate

all’interno di vescicole dall’apparato del Golgi e indirizzate all’appropriata destinazione cellulare o secrete

dalla cellula stessa.

METABOLISMO CELLULARE

Tipi di reazioni metaboliche

Il metabolismo è l’insieme di tutte le reazioni chimiche che si svolgono nelle cellule di un organismo; le

reazioni del metabolismo energetico sono coinvolte specificamente negli scambi energetici.

Le reazioni cataboliche generano prodotti più piccoli a partire da reagenti più grandi; le reazioni anaboliche

generano prodotti più grandi a partire da reagenti piccoli.

Le tre reazioni metaboliche più comuni sono: idrolisi e condensazione, fosforilazione e defosforilazione e

ossidoriduzione.

Reazioni metaboliche ed energia 9

Le reazioni metaboliche permettono alle cellule di trasformare materie prime ricavate dall’ambiente in

componenti strutturali e funzionali e inoltre permettono alle cellule di rifornirsi di energia.

Due forme di energia sono riconoscibili: l’energia cinetica (associata con il movimento) e l’energia potenziale

(energia immagazzinata che può essere trasformata in cinetica).

La variazione di energia di una reazione ne determina la direzione. Le reazioni cataboliche (esoergoniche)

sono, in genere, reazioni che liberano energia e che procedono spontaneamente; le reazioni anaboliche

(endoergoniche) richiedono energia per procedere.

L’equilibrio chimico è raggiunto quando i livelli di energia dei prodotti e dei reagenti sono uguali.

Una reazione può essere fatta procedere in una delle due direzioni variando la concentrazione dei reagenti

o dei prodotti, in accordo con la legge d’azione di massa.

La velocità di una reazione è limitata dalla sua energia di attivazione, in quanto le molecole devono passare

attraverso uno stato di transizione ad alta energia prima di poter reagire.

Velocità delle reazioni

I fattori che influenzano la velocità di una reazione sono la concentrazione dei reagenti e dei prodotti, la

temperatura e l’altezza della barriera di energia di attivazione.

Le reazioni metaboliche sono catalizzate da enzimi, una forma di speciali biomolecole (di solito proteine).

Essi agiscono su particolari substrati per generare e rilasciare un prodotto.

Molti enzimi per poter funzionare hanno bisogno di cofattori non proteici. Importanti cofattori sono il NAD+

e il FAD, che trasportano elettroni tra le reazioni.

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La velocità delle reazioni catalizzate dagli enzimi è influenzata dalla velocità catalitica dell’enzima, dall’affinità

enzima-substrato, dalla concentrazione dell’enzima e dalla concentrazione del substrato. Anche la

temperatura e il pH dei reagenti possono influenzare la velocità della reazione.

Alcuni enzimi possiedono dei siti regolatori specifici per particolari modulatori, molecole che, legandosi

all’enzima, ne alterano l’attività.

Nella regolazione allosterica il legame del modulatore è reversibile. Nella regolazione covalente l’attività

dell’enzima viene modificata dal legame covalente di un gruppo chimico (spesso un gruppo fosfato) a uno

specifico sito dell’enzima.

Le vie metaboliche vengono frequentemente regolate dall’inibizione a feedback, nella quale un enzima viene

inibito in maniera allosterica dal prodotto di una reazione a valle. A volte gli enzimi vengono stimolati da

prodotti intermedi che si trovano a monte (attivazione a feedforward).

Ossidazione del glucosio: la principale reazione del metabolismo energetico

Le cellule ottengono la maggior parte della loro energia dall’ossidazione del glucosio: C6H12O6 + 6 O2 → 6

CO2 + 6 H2O. Questa energia viene utilizzata dalle cellule per sintetizzare ATP. Successivamente le cellule

utilizzeranno l’energia rilasciata dalla scissione (idrolisi) dell’ATP per svolgere lavoro.

Fasi dell’ossidazione del glucosio: glicolisi, ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa

L’ossidazione del glucosio avviene in tre passaggi: (1) la glicolisi (nel citosol), (2) il ciclo di Krebs (nella matrice

mitocondriale); (3) la fosforilazione ossidativa (nella membrana mitocondriale interna).

La fosforilazione ossidativa comprende due processi che avvengono simultaneamente: (1) il movimento di

elettroni lungo la catena di trasporto degli elettroni e (2) l’accoppiamento chemiosmotico. 10

Per ogni molecola di glucosio sono sintetizzate quattro molecole di ATP durante la fosforilazione a livello del

substrato nella glicolisi e nel ciclo di Krebs.

6 molecole di CO2, 10 NADH e 2 FADH2 vengono anche prodotte nella ossidazione del glucosio.

Successivamente, il NADH e il FADH2 cedono i loro elettroni (idrogeni) alla catena di trasporto degli elettroni,

ove reagiranno con l’ossigeno per formare acqua.

L’energia liberata in questo processo è utilizzata per sintetizzare ATP grazie alla fosforilazione ossidativa,

responsabile della produzione della maggior parte dell’ATP generato dalla completa ossidazione di una

molecola di glucosio (28 su 32 molecole totali).

TRASPORTI DI MEMBRANA

Fattori che influenzano la direzione del trasporto

Le molecole che attraversano le membrane cellulari possono muoversi sia per diffusione semplice attraverso

il doppio strato lipidico sia per trasporto mediato, che coinvolge proteine trasportatrici specializzate.

Il trasporto attivo richiede energia ed è svolto da speciali proteine chiamate pompe.

Il trasporto passivo non richiede energia e comprende la diffusione semplice e alcune forme di trasporto

mediato.

Le molecole trasportate sono in genere influenzate da tre tipi di forze: (1) forze chimiche, dovute alla

presenza di gradienti di concentrazione; (2) forze elettriche, che dipendono dall’influenza esercitata dal

potenziale di membrana cellulare sul movimento degli ioni; (3) forze elettrochimiche, una combinazione di

forze elettriche e forze chimiche che rappresentano la forza totale netta che agisce sulle molecole.

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Le molecole trasportate passivamente si muovono nel