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(robpanichi@gmail.com)(robpanichi@gmail.com)

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.