Fisiologia

APPUNTI DI FISIOLOGIA

Politecnico di Milano - Laurea di Primo Livello in Ingegneria Biomedica

ARGOMENTI TRATTATI

1. Omeostasi

2. Trasporti di Membrana

Forze che guidano i trasporti

▪ Classificazione dei trasporti

▪ Diffusione semplice

▪ Diffusione facilitata con carrier e canali ionici

▪ Trasporto attivo

▪ Osmosi

▪ Fagocitosi, endocitosi, esocitosi, transcitosi

▪ Trasporto transepiteliare

▪

3. Messaggeri chimici

Classificazione dei messaggeri e trasporto

▪ Trasduzione del segnale

▪ Ampiezza della risposta

▪ Recettori di membrana

▪ Segnali elettrici

▪

4. Potenziali di Membrana

Equazione di Goldman

▪ Potenziale di membrana a riposo

▪ Variazioni dei potenziali di membrana

▪ Caratteristiche dei potenziali graduati

▪ Conduzione del potenziale d’azione

▪ Proprietà passive dei neuroni

▪

5. Sinapsi

Sinapsi elettriche e chimiche

▪ Sinapsi eccitatorie e inibitorie

▪ Modulazione presinaptica

▪ Sintesi, trasporto e inattivazione dei neurotrasmettitori

▪ Antagonismo funzionale

▪

6. Organizzazione del sistema nervoso

Neuroni e cellule gliali

▪ Sistema nervoso centrale: encefalo e midollo spinale

▪

7. Sensibilità

Caratteristiche del recettore sensoriale e dello stimolo

▪ Corteccia Somatosensoriale: tatto-pressione, propriocezione, termocezione, nocicezione

▪ Modulazione del dolore: teoria del cancello

▪

8. Olfatto, Gusto e Udito

Trasduzione dei segnali olfattivi

▪ Trasduzione gustativa

▪ Organizzazione anatomica dell’orecchio

▪ Trasduzione e trasmissione del suono

▪ Sordità

▪ Equilibrio

▪

9. Vista

Anatomia dell’occhio

▪ Riflesso Pupillare

▪ Riflesso di Accomodazione

▪ Miopia e Ipermetropia

▪ Fototrasduzione

▪

10. Sistema Nervoso Periferico Efferente

Sistema nervoso simpatico, parasimpatico ed enterico

▪ Trasmissione del segnale

▪ Midollare del surrene

▪ Riflessi nervosi e riflessi motori somatici

▪

11. Sistema Muscolare

Classificazione in base alla morfologia della cellula muscolare e in base al controllo

▪ Muscolo Scheletrico: struttura connettivale e contrattile, ciclo dei ponti trasversali, classificazione delle

▪ fibre, sommazione tetanica, meccanica del movimento corporeo

Muscolo Liscio: Contrazione e rilasciamento, differenze col muscolo scheletrico

▪

12. Sistema Cardiovascolare

Anatomia del cuore

▪ Circolazione polmonare e sistemica

▪ Valvole cardiache

▪ Cellule pacemaker e miocardiche contrattili

▪ Ciclo cardiaco

▪ Gittata sistolica e cardiaca

▪ Insufficienza Cardiaca

▪ Vasi sanguigni

▪ Pressione arteriosa

▪ Sistema Linfatico

▪

13. ECG

14. Apparato Urinario

Funzioni

▪ Struttura Anatomica: parte tubulare e vascolare

▪ Processi del nefrone: filtrazione, riassorbimento, secrezione ed escrezione

▪

15. Sistema Respiratorio

Struttura anatomica

▪ Volumi e capacità polmonari

▪ Compliance polmonare

▪ Patologie polmonari

▪ Scambio dei gas: trasporto di ossigeno e anidride carbonica

▪ Controllo della respirazione: chemocettori periferici e centrali

▪

16. Equilibrio idro-elettrolitico

Vasopressina (ADH)

▪ Sistemi di scambio in controcorrente: ansa di Henle e vasa recta

▪ Bilancio del sodio: sistema renina-angiotensina-aldosterone

▪ Peptide natriuretico

▪ Omeostasi del PH: sistemi tampone, ventilazione, reni

▪ FISIOLOGIA

È la scienza che studia il normale funzionamento di un organismo e delle parti che lo compongono

Partendo dal dato sperimentale, si basa sulla definizione di modelli utilizzando le leggi della fisica classica

FUNZIONI CELLULARI FONDAMENTALI

Ottenere nutrienti e O dall’ambiente

▪ 2

Nutrienti + O CO + H O + energia ATP

→

▪ 2 2 2

Metabolismo aerobico/ossidativo

Eliminare CO e sostanze di rifiuto

▪ 2

|

CO + H O = acido carbossilico Dissociandosi fa il PH (deve rimanere cost a 7.4)

→ 

2 2

Sintesi proteica

▪ Regolazione degli scambi con l’ambiente

▪ Trasporto di materiale all’interno della cellula

▪ Percepire e rispondere agli stimoli ambientali

▪ Duplicarsi

▪

FUNZIONI CELLULARI SPECIALIZZATE

Caratteristiche delle cellule negli organismi pluricellulari

▪ Specializzazione di una funzione fondamentale

▪ TESSUTI

Formano i

▪

MUSCOLARE NERVOSO EPITELIALE CONNETTIVO

|

GHIANDOLE. Specializzato nella secrezione

Esocrine Endocrine

| |

Rilasciano il loro prodotto di secrezione Rilasciano prodotto di secrezione (ormone)

attraverso un dotto verso esterno del corpo nel sangue

Lo stomaco è un organo che contiene tutti i quattro tipi primari di tessuto:

Epiteliale: protezione, secrezione, assorbimento Muscolare: movimento



~ Connettivo: supporto strutturale Nervoso: comunicazione, coordinamento, controllo



~ Gli organismi sono sistemi termodinamicamente aperti,

in continuo scambio di energia e materia con l’ambiente circostante

|

Diventa fondamentale la costanza dell’ambiente interno

OMEOSTASI

la capacità degli organismi animali di mantenere costanti,

almeno entro un certo livello, molti parametri chimico fisici dei propri organi

(es. temperatura corporea, livelli di ossigeno e di anidride carbonica, pH del sangue)

La variazione viene rilevata attraverso un sistema di controllo

|

Se il parametro rilevato è ≠ da quello di riferimento viene messa

in atto una riposta mediante una spesa di energia:

attivato un SENSORE che manda un segnale al CENTRO DI

INTEGRAZIONE che attiva gli EFFETTORI

FEEDBACK

La regolazione avviene attraverso meccanismi di (o retroazione):

FEEDBACK NEGATIVO FEEDBACK POSITIVO

La risposta contrasta lo stimolo, controbilanciando La risposta rinforza lo stimolo, spingendo la variabile

la perturbazione iniziale ancora più lontano dal proprio valore di riferimento

(Poco utilizzato Dispendio di energia)

→

VARIABILI CONTROLLATE OMEOSTATICAMENTE

VOLUME DEI LIQUIDI CORPOREI (PA – pressione arteriosa)

▪ TEMPERATURA CORPOREA

▪ COMPOSIZIONE DEI LIQUIDI CORPOREI:

▪ Osmolarità

~ Concentrazione degli elettroliti (es. Na e K )

+ +

~ Concentrazione dei nutrienti (es. glucosio)

~ Concentrazione dei prodotti di scarto (es. CO )

~ 2

Concentrazione degli ioni H (pH)

+

~ Livelli di O e CO

~ 2 2

NATURA DINAMICA DELL’OMEOSTASI

1. LEGGE DELLA CONSERVAZIONE DELLA MATERIA

Quantità totale di sostanza X nell’organismo = entrate + produzione – uscite

2. FLUSSO DI MATERIA - movimento di materia all’interno e tra compartimenti

dell’organismo respirazione

PRESSORIO – regola

Le sostanze si muovono secondo un GRADIENTE CONCENTRAZIONE – soluti si muovono se [ ] ≠ in amb ≠

cariche

ELETTRICO – promuove movimento di

TRASPORTI DI MEMBRANA formata da doppio strato fosfolipidico

→

FUNZIONI Intracellulare

1. ISOLA LA CELLULA 2 Compartimenti

→ Extracellulare

I due compartimenti presentano ≠ composizioni :

PLASMA – matrice liquida del sangue, all’interno del sistema circolatorio

LIQUIDO EXTRACELLULARE

~ LIQUIDO INTERSTIZIALE – tra sistema circolatorio e cellule

Le proteine (presenti anche all’interno della cellula) e altri grandi anioni sono concentrati nel plasma

o 

Quasi del tutto assenti nel liquido interstiziale poiché non sono in grado di attraversare il permeabile

epitelio di scambio dei vasi sanguigni

Molecole piccole e ioni come Na e Cl sono abbastanza piccoli da passare fra le cellule endoteliali

+ -

o 

Uguali [ ] nel plasma e nel liquido interstiziale Alte [ ]

→

LIQUIDO INTRACELLULARE Alta [ ] K +

~

I due liquidi presentano simile osmolarità ( = quantità totale di soluto per volume di liquido è = in entrambi i lati

della membrana cellulare)

Si parla di EQUILIBRIO OSMOTICO ma l’organismo è in uno stato di :

Disequilibrio Chimico – Alcuni soluti sono + [ ] in

➢ uno dei due compartimenti rispetto all’altro

Disequilibrio Elettrico – Dovuto alla presenza di

➢ specie cariche (Ioni)

L’equilibrio osmotico e i due squilibri

realizzano un EQUILIBRIO DINAMICO

Mantenuto dall’omeostasi

2. REGOLA GLI SCAMBI tra i due compartimenti

Scambio continuo e biunivoco ( = quantità ) Da liquido interstiziale a liquido intracellulare

tra plasma e liquido interstiziale attraverso la i soluti necessitano di canali ionici / Proteine di

parete capillare trasporto

proteine

ad eccezione delle che rimangono

→ bloccate nel plasma IN GENERALE

Le membrane cellulari sono selettivamente permeabili alcune sostante possono attraversarle e altre no

→ a seconda della composizione di lipidi e proteine

di una determinata membrana

Il movimento di una molecola attraverso la membrana cellulare è influenzato da due proprietà:

- Grandezza della molecola

- Solubilità nei lipidi

Molecole molto piccole e quelle liposolubili possono attraversare direttamente il

doppio strato fosfolipidico

Molecole più grandi, o meno liposolubili, di solito non possono attraversare la

membrana cellulare a meno che la cellula non abbia proteine di membrana specifiche

Molecole lipofobiche molto grandi molto grandi non possono essere trasportate da

proteine e devono entrare e uscire dalle cellule in vescicole

3. COMUNICAZIONE TRA CELLULE E CELLULA/AMBIENTE

La membrana cellulare contiene proteine che permettono alla cellula di riconoscere segnali e di rispondervi

4. SUPPORTO STRUTTURALE

Alcune proteine sono ancorate al citoscheletro struttura di supporto interna alla cellula che ha lo scopo di

→ mantenerne la forma

FORZE CHE GUIDANO I TRASPORTI

1. FORZE CHIMICHE

Passaggio determinato dal gradiente di concentrazione ( [ ] )



Molecole verso zona con concentrazione <

FORZA all’ [ ]

  

Ogni sostanza ha un proprio [ ] e quindi una



forza che la muove

Agisce solo su quella molecola, senza interferire sul [ ] o sul movimento di un'altra sostanza



2. FORZE ELETTRICHE

Si deve generare a cavallo della membrana cellulare un potenziale elettrico che può muovere gli ioni

La differenza di potenziale si ha perché una ≠ distribuzione di cariche ( + ) e ( - )

∃ Eccesso sul lato esterno Eccesso sul lato interno

della membrana della membrana

+ mi allontano dalla membrana, + la differenza non si osserva

Cariche si separano utilizzano energia

Importanza dei materiali attraverso cui possono passare le cariche

Conduttori Isolanti

| |

Liquidi, pieni di elettroliti Membrana Cellulare

Il disequilibrio elettrico si origina per pompe elettriche

Es. Pompa Na /K Pompa 3 cariche (+) verso l‘esterno e 2 verso l’interno

+ + → |

x convenzione si pone lo “0” in Mentre la carica (+) viene pompata all’esterno, la carica (-) non può passare

corrispondenza del valore esterno nella membrana e rimane dentro, lasciando una carina netta di -1 nella

la differenza di potenziale misurata è

→ cellula e di +1 all’esterno

tutta a carico del liquido intracellulare

(Scala relativa del potenziale) DIREZIONE FORZA

Quando uno ione carico positivamente attraversa la Quando uno ione carico negativamente attraversa la

membrana, la forza elettrica è diretta verso l’interno membrana, la forza elettrica è diretta verso l’esterno

Potenziale di membrana assunto negativo

AMPIEZZA FORZA

|

Influenzata da

Differenza di potenziale Quantità di cariche da spostare

all’aumentare della differenza di potenziale, aumenta ampiezza forza

2 cariche (+) = -50Mv

→ V = ampiezza

1 carica (+) = -100mV

→ V

3. FORZE ELETTROCHIMICHE

Forze chimiche

Ioni risentono sia di Forze Elettriche

Come stabilisco la direzione del movimento dello ione?

61 [] POTENZIALE A CUI LO IONE È

EQUZIONE DI NERST : Mi indica il

= log

[]

IN EQUILIBRIO

z = carica dello ione 

POTENZIALE DI EQUILIBRIO

(es. K = -94mV)

+

Potenziale Membrana = Potenziale Equilibrio Non si verifica un movimento netto di ioni

(Tanti ne entrano, tanti ne escono)

Potenziale Membrana = -70mV Forza elettrochimica rivolta verso l’esterno

(f. elettrica che attira potassio verso interno <) Sottraendo infatti cariche (+) sotto forma di K +

Potenziale Equilibrio = -94mV tendo a riportare il potenziale di membrana a -94mV

Potenziale Membrana = - 100mV

(Forza elettrica >) Forza elettrochimica rivolta verso l’interno

Potenziale Equilibrio = - 94Mv

CLASSIFICAZIONE TRASPORTI

TRASPORTO PASSIVO TRASPORTO ATTIVO Traporto di

macromolecole

DIFFUSIONE

PROPRIETÀ GENERALI DELLA

1. È un processo passivo non richiede immissione di energia da una fonte esterna (utilizza solo energia

→ cinetica posseduta da tutte le molecole)

2. Le molecole si muovono secondo il di [ ] tendenza a raggiungere una condizione di equilibrio dinamico

 → (= [ ] in tutto il sistema ma molecole continuano a muoversi)

3. Velocità di diffusione Veloce a breve, lenta a lunga distanza

→ La diffusione all’ T°

→  

La Diffusione all’ dimensioni molecolari

→  

4. Può verificarsi in un sistema aperto o attraverso una barriera che separa due compartimenti

|

DIFFUSIONE ATTRAVERSO UNA MEMBRANA

Dipende da affinità della molecola col doppio strato fosfolipidico

▪ Direttamente proporzionale a area della membrana e gradiente

▪ Inversamente proporzionale a spessore della membrana

▪

Caratteristiche unite nella LEGGE DI FLICK SULLA DIFFUSIONE [ ]

+ ∆ + À

∝ à

Quasi tutte le molecole biologiche hanno à ∝

spessore di membrana = 8nm

TRASPOSTO MEDIATO

DIFFUSIONE FACILITATA TRASPORTI ATTIVI (ATP)

Per le molecole che non passano liberamente la membrana cellulare

Creano continuità

tra LIC e LEC DIFFUSIONE FACILITATA

Non creano mai continuità tra i due ambienti (Apertura da un lato, poi dall’altro)

1. CARRIER →

Es. DIFFUSIONE FACILITATA DEL GLUCOSIO Per fare in modo che il glucosio continui ad

Il trasportatore porta il glucosio dentro La diffusione si arresta all’equilibrio, entrare (fonte energetica) glucosio

la cellula lungo il [ ] quando [ ] interna ed esterna sono =

 fosforilato in glucosio-6-fostato così che [ ]

glucosio dentro la cellula rimangano basse e

diffusione non raggiunga l’equilibrio

VELOCITÀ DI TRASPORTO ATTRAVERSO CARRIER influenzata da velocità singoli carrier

→

▪ n° carrier

→ [ ]

→ 

PROPRIETÀ CARRIER

▪ SPECIFICITÀ Capacità di un carrier di trasportare solo una molecola o un gruppo di molecole

→ strettamente collegate

COMPETIZIONE si verifica tra i substrati per cu un carrier è specifico che competono per i siti di

→ legame del trasportatore

Glucosio Glucosio, Galattosio

| |

Velocità straporto maggiore Velocità trasporto minore perché i due

monomeri competono per il carrier

SATURAZIONE per un numero fisso di carrier, nel momento in cui la [ ] di substrato aumenta la

→ velocità di trasporto aumenta fino ad un massimo (trasporto massimo).

A questo punto tutti i siti di legame dei carrier sono occupati dal substrato

DIFFUSIONE SEMPLICE VS DIFFUSIONE FACILITATA

Si differenziano all’aumentare del substrato

Classificabili in

2. CANALI IONICI

SEMPRE APERTI APERTURA CONTROLLATA ACQUAPORINE

| | |

Definiti canali passivi Si aprono in risposta a stimoli Permette passaggio H O in

2

membrane particolarmente lipofile

elettrici meccanici chimici

| | |

Canali a porta elettrica Canali a porta meccanica Canali a porta chimica

o Voltaggio dipendenti |

Favoriti dall’attacco al citoscheletro

I canali ionici sono proteine transmembrana formate da + subunità

|

In ogni subunità c’è un dominio (sempre espresso a livello del poro) che indica la specificità di quel canale

|

Dovuta alla presenza di cariche (+) e (-)

Ad es. le acquaporine presentano tre cariche positive disposte in modo tale da

permettere il passaggio dell’H O (molecola dipolare) e non di altre sostanze

2

PERCHÉ GLI IONI HANNO BISOGNO DEI CANALI?

grandi dimensioni

Gli ioni presentano una “nuvola di idratazione” che fa si che in acqua assumano che non permettono

di passare attraverso la membrana

|

Hanno bisogno dei canali che presentano filtri di selettività per permettere il passaggio di un determinato ione

VELOCITÀ DI TRASPOSTO ATTRAVERSO CANALI influenzata da n° canali aperti disponibili

→

▪ modalità di traposto all’interno del

→ canale (siti di legame)

TRAPORTO ATTIVO

Muove le molecole contro gradiente

❖ Genera Disequilibrio Permette ad alcune cellule di generare segnali elettrici

→

❖ Richiede Energia (ATP)

❖

TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO (DIRETTO) TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO (INDIRETTO)

L’energia necessaria a spingere le molecole contro il loro [ ] L’energia non viene utilizzata attivamente ma viene investita



deriva direttamente dal leg