Corso di Fisiologia

Docente: maristella gussoni

Facoltà di medicina e chirurgia

Dipartimento di scienze e tecnologie

biomediche

Testi consigliati

1) Silverthorn DU, Fisiologia, un approccio integrato. Casa Editrice Ambrosiana

Berne e Levy Fisiologia sesta edizione2) Stanfield C. L., Germann W, Fisiologia. III edizione Casa Editrice: Edises3) Gussoni, Monticelli, Vezzoli, Dallo stimolo alla sensazione: Fisiologia degli organi di senso. Casa Editrice Ambrosiana

Le slide del corso con opportuni commenti

Modalità di esame• L'esame consisterà

nel superamento di due prove in itinere, il cui esito sarà valido fino al completamento dell'appello estivo, o una prova complessiva finale.

• Le prove consisteranno in DOMANDE APERTE.

• A queste prove seguirà un colloquio orale collegiale.

Plan of the talk

Organizzazione del corso e argomenti

lezione 11. Basi della fisiologia:

1. omeostasi

2. La cellula e la membrana. proprietà

Starting point

BIOLOGY = SCIENCE of LIFE

(from Greek, bios = life, living, + -ology = study

of)

DEFINING "LIFE”

• Difficult to define, many exceptions

• Possible to “characterize.”

CHARACTERISTICS of living things

1. Organization– Maintenance of boundaries

2. Metabolism– Take in & use energy and material– Responsiveness to stimuli– Movement– Growth– Reproduction (DNA, RNA)– Adaptability

• short-term = acclimation, homeostasis• long-term = adaptation, evolution

Organization

• Life organized in hierarchy of levels – Smaller levels

included within larger

– Certain phenomena unique to each level

Levels of Organizati

on

The human body is the sum of its parts and these parts can be studied at a variety of levels of organization.1. Atoms are the simplest level.2. Molecules =2 or more atoms joined together.3. Macromolecules =large, biologically important molecules inside cells (proteins, lipids, carbohydrates, nucleic acids).4. Organelles =macromolecules joined together to carry out a specific function in the cell.

Levels of Organization

5. Cells are the basic living unit.6. Tissues are groups of cells functioning together.7. Organs = groups of tissues working together to perform a certain function.8. Organ Systems = groups of organs working together to perform certain functions.9. Organism = organ systems functioning together to support life

.

Levels of Organization (cont)

Metabolism: 10 Characteristics of Life

• These are the fundamental characteristics (traits) shared by all organisms.

Taken together, these 10 characteristics constitute metabolism.

• 10 Characteristics of life:

1. Movement (internal or gross)2. Responsiveness (reaction to internal or external change)3. Growth (increase in size without change in shape)4. Reproduction (new organisms or new

cells)5. Respiration (intake of oxygen; removal

of CO2)

6. Digestion (breakdown of food into simpler forms)

7. Absorption (movement of substances through membranes and into fluids)8. Circulation (movement within body fluids)9. Assimilation (changing nutrients into chemically different forms)10. Excretion (removal of metabolic wastes)

Quali discipline studiano la vita e la sua organizzazione?

ANATOMY (ana- apart, + tom- to cut)

• 1. Study of structures of organisms and relationships among structures.

• 2. syn. Morphology – (morph- shape, + ology study)

PHYSIOLOGY (physi- nature, + -ology

study)

• Study of functional "nature" of organisms• 1. Branch of biology dealing with

processes, activities, & phenomena of living organisms, organs, tissues, and cells.

• 2. Normal function of an organism or cell.

Anatomy and Physiology

• Anatomy deals with the structure (morphology) of the body and its parts, in other words, what are things called?

• Physiology studies the functions of these parts

or asks the question, “how do they work?

• The two disciplines are closely interrelated because the functional role of a part depends on how it is constructed.

Ambito di pertinenza della fisiologia

Cosa studia la fisiologia?

Partendo dal dato sperimentale, la Fisiologia si basa sulla definizione di

modelli

messi a punto utilizzando le

leggi della fisica classica

importanza della rappresentazione grafica!

Principio base della fisiologia:Omeostasi o costanza del mezzo interno

Omeostasi e variabile regolata

Per garantire l’omeostasi, le variabili devono essere regolate

L’analogia con il termostato di casa è corretta?

SET POINT

Regolazione della temperatura corporea

Risposta:No!!!!

Feedback o retro-azione

La regolazione avviene attraverso meccanismi di feedback

Feedback significa riportare in ingresso la variabile in uscita

Il parto: raro esempio di feedback positivo

I confini della fisiologia: Omeostasi e patologia

Cellule organi e apparati

Fisiologia cellulare

Presupposto moderna biologia cellulare:

tutti i sistemi biologici

replicazione di moduli elementari

varie parti

insieme organizzato e coordinato.

Materia: atomoOrganismi viventi: cellula

unità fondamentale, strutturale e funzionale

organismo completo

La cellula: l’unità più piccola della materia vivente

Diversi tipi di cellule

Elementi costitutivi di una cellula

Membrana cellulare

Elemento di separazione tra liquido intracellulare ed extracellulare

Di che cosa siamo fatti?

Acqua (molecola polare)

Ioni (Na+, Cl-, K+, Ca++)

Proteine (An-)

+H

+H

O2-

Compartimenti cellulari

I compartimenti cellulari

Le differenze tra liquido intracellulare e interstiziale sono molto più

importanti delle analogie

I soluti sono presenti in concentrazione molto diversa dentro

rispetto a fuori la cellula

Sostanza(mEq/L)

Liquido extracellulare

Liquido intracellulare

Na+ 140 14

K+ 4 120

Ca2+ 2,5 10–4

Cl– 105 10

HCO3– 24 10

pH 7.4 7.1

Osmolarità(mOsm/L)

290 290

La membrana cellulare e la presenza dei lipidi

Elemento separatore tra I due compartimenti

I lipidi

Le membrane sono tri-stratificate e costituite da lipidi e proteine

Glicolipidi (10%)

I tre tipi di lipidi di membrana:

Fosfolipidi (70%)

Colesterolo (15%)

permeabile a sostanze liposolubili (O2, CO2)

impermeabile acqua, ioni, zuccheri

testa idrofilica

coda idrofobica

Il problema posto dall’esistenza della membrana

comporta lo studio dei meccanismi di trasporto attraverso la

membrana

Inzialmente si pensava..

Diffusione o passaggio diretto: sostanze liposolubili: gas respiratori (O2, CO2, alcool)

Esistenza di pori idrofili per cui passaggio delle sostanze avveniva in funzione del rapporto tra il diametro della sostanza da trasportare e il diametro del poro

Per le sostanze con diametro maggiore del diametro del poro: trasporto legato ad un trasportatore o carrier

Citoplasma

Superficie cellulare esterna

il modo in cui una proteina di membrana si

associa con il doppio strato lipidico, riflette la funzione della proteina.

Intrinseche o Integrali

attraversano entrambi gli strati fosfolipidici una (single pass) o più volte (multiplepass transmembrane) possiedono regioni idrofobiche situate all'interno della regione lipidica del doppio strato fosfolipidico

attaccate con legami non covalenti con altre proteine o lipidi di membrana, fuoriescono soltanto sulla faccia esterna o su quella interna

Estrinseche o Periferiche

Le proteine delle membrane cellulari (1:50)classificazione

Funzione delle proteine transmembrana: canali o carrier

Soltanto le proteine transmembrana possono funzionare su entrambi i

lati del doppio strato lipidico o trasportare molecole attraverso di essa. Proteine di trasporto: due

categorie: canali o carrier

single pass

dominio polare

Molecola anfipatica: α-elica idrofobica nella membrana. Domini polari su entrambi i

lati della membrana

dominio polare

α-eliche attraverso la membrana e domini idrofobici multipli

multiple pass

Le proteine intrinseche di membrana possono formare CANALI che attraversano la membrana cellulare

♠ ligandi (canali regolati chimicamente)

♠ stato elettrico della cellula (canali voltaggio dipendenti)

♠ da una modificazione fisica (canali regolati

meccanicamente).

Il canale è costituito da proteine, con le catene laterali arrangiate in modo che i lati idrofobi sono rivolti verso lo strato lipidico, quelli idrofili verso l' interno del poro per interagire con le molecole idrofiliche trasportate.

Proprietà:

Selettività

Cancello (stati: aperto-chiuso)apertura o chiusura regolata da :

Apertura e chiusura dei canali

Proteina di trasporto

Sostanza da trasportare

Ma ne apro solo una

alla volta!!!

Ho una bocca da

ciascuno dei due lati…

La proteina ha due cancelli:

la molecola da trasportare si lega al carrier su un

lato della membrana

Il legame modifica la conformazione della

proteina:

un cancello si apre e l’altro si chiude

Proteina carrier

I carriers mediano il trasporto di glucidi,

aminoacidi e nucleosidi

Meccanismi di trasporto attraverso le membrane cellulari Criteri classificazione:

2) dispendio energetico

passivo

no spesa di energia metabolica (diffusione semplice, diffusione facilitata, trasporto attraverso canali proteici)

avviene lungo un gradiente (concentrazione o potenziale elettrochimico) da maggiore a minore concentrazione.

1) permeabilità

permeabile: la molecola può attraversarla (presenza di canali e proteine trasportatrici)

impermeabile: la membrana non permette il passaggio

attivo

costante apporto di energia (ATP)

contro gradiente (concentrazione potenziale elettrochimico).

Distinguiamo un trasporto attivo primario, che richiede un apporto diretto di energia e un trasporto attivo secondario, che utilizza una fonte energetica indiretta.

Meccanismi di trasporto di membrana

Diffusione esempio

Diffusione semplice

grad [S ] = S = SA -SB

M = - D grad [S ]

Coefficiente di diffusione (segno meno: direzione del flusso opposta a gradiente)

Il processo di diffusione: continua fino ad esaurimento gradiente di

concentrazione:grad S = 0 SA = SB

Se in una soluzione la concentrazione varia da una fase all’altra si crea un

flusso netto

Diffusione e Legge di Fick

Legge di Fick della diffusione

Tenendo conto dello spessore della membrana ():

P = D /

a riposo: PK+ >> PNa

+

La membrana presenta una permeabilità selettiva al passaggio

delle sostanze.

es: muscolo scheletrico anfibi: Pk = 10-6 cm /sec PNa = 10-8 cm / sec

Prima legge di Fick:

J: (moli/t) velocità di diffusione;A: area; dc/dx gradiente di concentrazione;

cm/sec: velocità sostanza attraverso la membrana

J = - D A dc/dx

Meccanismi di trasporto mediatoLa sostanza attraversa la membrana grazie ad uno specifico trasportatore:

tende ad equilibrare le sostanze ai lati della membrana sfruttando forme di energia potenziale. Non risente di veleni metabolici. Es: trasporto glucosio mediato da insulina.

Differenze

Proprietà

saturazione competizione

Meccanismi di trasporto mediato:

Trasporto facilitato (Glucosio)

Passivono energia metabolica

Trasporto attivo (Na+/K+ ATP-asi)

Spesa metabolica (ATP, O2)

capace di pompare una sostanza contro gradiente di potenziale

Il trasporto del glucosio mostra saturazione quando tutti I carrier sono occupati

Pompa Na+- K+

Ciclo pompa

Na+-K+6. K+ rilasciato nel

citosol

7. pompa pronta per nuovo ciclo

5.Legame K+ induce rilascio Pi e permette nuovo cambiamento

conformazionale

1. Na+ citosolico si lega al trasportatore

2. Il legame inizia idrolisi ATP ad ADP e fosforilazione del

trasportatore (legame Pi)

4. I siti di binding del K+ possono essere occupati

3.legame Pi: cambiamento conformazionale rilascio Na+ extracellularmente

Pompa Na+-K+: esempio di trasporto attivo primario

Pompa 3 ioni Na+ fuori dalla cellula e 2 ioni K+ dentro

Mantiene i gradienti di concentrazione di Na+ e K+ a cavallo della membrana

Usa 1 ATP per ogni ciclo: 100 cicli /sec

Usa ¼ dell’energia per la maggior parte delle cellule, ¾ per i neuroni

Interno della cellula

Spazio extracellulare

B)

A)

Origine del potenziale di membrana 1) capacità delle sostanze di attraversare la membrana:

• acqua e ioni diffondono attraverso i canali secondo gradiente di concentrazione

• permeabilità selettiva di membrana: a riposo i canali K+ e il Cl- sono per lo più aperti- i canali Na+ sono per lo più chiusi.

2) presenza anioni proteici confinati dentro la cellula

Possono sostanze distribuite in diversa concentrazione in compartimenti diversi risultare in equilibrio?

Donnan

3) pompa Na+- K+ elettrogenica

Il potenziale di membrana-grafico

Equilibrio di Gibbs-Donnan

Na+

Cl-

X-

Na+

Cl-

Ione indiffusibile

8

6

2 4

4[Na+]a = [Cl-]a + [X-]a; [Na+]b = [Cl-]b 8 = 2 + 6 ; 4 = 4

[Na+]a * [Cl-]a = [ [Na+]b * [Cl-]b 8 * 2 = 4 * 4

[Na+]a > [Cl-]a; [Na+]a > [Na+]b; [Cl-]a > [Cl-]b

[Na+]a + [Cl-]a > [Na+]b + [Cl-]b

a b

Considerate due soluzioni a e b che riempiono due compartimenti separati da una membrana semipermeabile, all’equilibrio:1. Ciascuna soluzione sarà elettricamente neutra:[cationi] a = [anioni]a [cationi] b = [anioni]b

2. [cationi diffusibili] a * [anioni diffusibili]a = [cationi diffusibili]b*[anioni diffusibili]b

ci sono più ioni diffusibili nel compartimento che contiene X-

In presenza di uno ione indiffusibile

Può una cellula trovarsi in un equilibrio alla Donnan?

Se due soluzioni contengono ioni liberamente diffusibili, all’equilibrio, si avrà una distribuzione simmetrica delle concentrazioni

L’effetto Donnan è determinato dalla permeabilità selettiva e dal trasporto passivo, ma può essere esaltato o inibito dal trasporto attivo

Se sono presenti ioni indiffusibili la distribuzione all’equilibrio sarà asimmetrica

L’origine del potenziale di membrana ma non il suo mantenimento

OSMOSI conseguenza dell’asimmetria

Il mantenimento del volume cellulare

ingresso H2O > uscita

Se la pompa viene bloccata con: •veleni metabolici (uabaina) •bassi livelli di O2

La cellula si rigonfia

rompendosi

Equilibrio elettrochimico

ione diffusibile: la forza chimica può essere equilibrata dalla forza elettrica

Equilibrio elettrochimico

Equilibrio:[out] = [in]

eeieC ]K[log]K[(logRTW R: costante universale gas

lavoro necessario per trasportare 1mole dall’esterno all’interno contro gradiente di concentrazione.

b) Ione: differenza di energia potenziale elettrica WE lavoro che deve essere compiuto contro forze elettriche per trasportare 1 mole attraverso la membrana

F costante di faraday m voltaggio transmembrana

mioneE FZW

+

a) Sostanza non dotata di carica:Differenza di energia potenziale di concentrazione Wc

K+ K+

-

C6H12O6

out in

C6H12O6

Wc

Wc

WE

Potenziale elettrochimico e legge di Nernst

e

iemKK ][K

][K log RT F Z

La differenza di potenziale elettrochimico () è la somma della differenza di energia elettrica e di concentrazione ai lati della membrana.

All’equilibrio = 0 A = B equazione di Nernst valida per una qualunque

specie ionica in equilibrio fra ambiente extra- ed ambiente intra-cellulare.

i

eeK K

K

ZF

RT

][

][log

potenziale di equilibrio

stabilisce quale valore deve avere il

potenziale di membrana perché

lo ione sia in equilibrio

-90

+61

0

-70 Restingpotential

)mM150(K

)mM5(Klog61

in

outK

Na+

)mM15(Na

)mM150(Nalog61

in

outNa

Eq. Nernst per sodio e potassio

61 log (10) = 61 mV

mV90)47.1(61301

log61

K+

ESEMPIO

Potenziale di riposo

cellula a

riposo:

non è in

equilibrio

ma in uno

‘stato

stazionario’

a spese di

energia

metabolica