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Insegnamento di Fisiologia 1. Fisiologia generale Claudio Babiloni Dipartimento di Fisiologia Umana e Farmacologia Università di Roma La Sapienza.

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1 Insegnamento di Fisiologia 1. Fisiologia generale Claudio Babiloni Dipartimento di Fisiologia Umana e Farmacologia Università di Roma La Sapienza

2 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Notizie utili n Testo consigliato: Carlson N., Fondamenti di Psicologia Fisiologica, V edizione, ed. it. a cura di L. Petrosini, L. De Gennaro e C. Guariglia, Casa Editrice Piccin n Figure di questa lezione prese dai testi (i) Eusebi e Gatti, Fisiologia e Scienza dellAlimentazione, Masson, 1998; (ii) Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998; (iii) Gertmann e Stanfield, EdiSES, Copie dei lucidi disponibili su sito WEB co.htm co.htm n Indirizzo

3 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Selezione naturale: allinterno di una specie si osserva una notevole variabilità di caratteristiche morfologiche e fisiologiche tra i vari esemplari (espressione della variabilità genetica); la pressione selettiva ambientale provoca la sopravvivenza dei soli esemplari che si adattano allambiente Le giraffe che hanno il collo più lungo hanno più possibilità di nutrirsi (adattamento allambiente), cosicchè di generazione in generazione si selezione una popolazione di giraffe con il collo sempre più lungo (finchè questo favorisce ladattamento)

4 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Deriva genetica: allinterno di piccole popolazioni la sopravvivenza dei membri può dipendere da eventi casuali (accidentali) più che dallavere la dotazione genetica piu favorevole alladattamento rispetto alla pressione ambientale

5 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Effetto del fondatore: un evento casuale può isolare pochi membri di una specie in un nuovo ambiente e può darsi che quei pochi membri non fossero quelli con la dotazione genetica più adatta alla pressione dellambiente; si osservano cosi maggiori casi di malformazioni etc.

6 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Levoluzione degli ominidi agli uomini: dalla stazione eretta allo sviluppo di nuove caratteristiche cerebrali e abilità comportamentali

7 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Il più antico ominide: Sahelanthropus tchadensis NOME Sahelanthropus tchadensis COMPARSA7 milioni di anni fa SCOMPARSA5 milioni di anni fa INDIRIZZOAfrica PESO? STATURA? CAPACITA'CRANICA?

8 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Il più antico antenato degli uomini: lAustralopithecus (Lucy) NOME Australopithecus afarensis COMPARSA4,1 milioni di anni fa SCOMPARSA3 milioni di anni fa INDIRIZZOAfrica PESO30/45 Kg STATURA1/1.5 m CAPACITA'CRANICA 380/550 cc (34.4% del dellHomo sapiens, sapiens)

9 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Transizione ominide-uomo(Homo abilis): un gene ferma la produzione di acido N-glycolylneuramine, il cervello è accresciuto, appaiono i primi strumenti (battere, schiacciare, scavare) NOME Homo habilis COMPARSA2.5 milioni di anni fa SCOMPARSA1.6 milioni di anni fa INDIRIZZO Africa (Great Rift Valley system dellAfrica est) PESO40 Kg STATURA1.4 m CAPACITA'CRANICA 640 cc (47.4% del dellHomo sapiens, sapiens)

10 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Homo erectus ( ergaster,erectus): cervello e corpo sono accresciuti, si crea una cultura tecnologica (armi, fuoco) e si spinge oltre lAfrica NOME Homo erectus COMPARSA1,8 milioni di anni fa SCOMPARSA mila anni fa INDIRIZZOAfrica, Europa, Asia PESO60/70 Kg STATURA1.6/1.8 m CAPACITA'CRANICA1000 cc (74% dellHomo sapiens, sapiens)

11 Claudio Babiloni, Fisiologia generale NOME Homo sapiens arcaicus COMPARSA mila anni fa SCOMPARSA mila anni fa INDIRIZZOAfrica, Europa, Asia PESO60 Kg STATURA1.5/1.6 m CAPACITA'CRANICA 1200 cc (88% dellHomo sapiens, sapiens) Homo sapiens arcaicus: lantenato degli uomini moderni (Homo neanderthalensis e sapiens)

12 Claudio Babiloni, Fisiologia generale NOME Homo neanderthalensis COMPARSA mila anni fa SCOMPARSA mila anni fa INDIRIZZOEuropa, Asia PESO65 Kg STATURA 1.6 m CAPACITA'CRANICA 1245/1740 cc (110% dellHomo sapiens, sapiens) Homo di Neanderthal: cervello e corpo più grandi, vive in piccoli gruppi, ha il culto dei morti, un linguaggio essenziale, domina lEuropa per anni nella morsa delle ere glaciali, si estingue dopo il contatto con lHomo sapiens, sapiens

13 Claudio Babiloni, Fisiologia generale NOME Homo sapiens arcaicus COMPARSA mila anni fa SCOMPARSA(non estinto)) INDIRIZZOTutto il pianeta PESO70 Kg STATURA1.7/1.8 m CAPACITA'CRANICA1350 cc Homo sapiens, sapiens: creatività e linguaggio molto sviluppati promuovono arte, cultura, tecnologia, ampi gruppi sociali, commercio e armi fino a dominare il pianeta

14 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Concetti chiave sullorganizzazione dellorganismo Sistema fisiologico: insieme di organi, ognuno costituito da tessuti cellulari (epiteliale, nervoso, muscolare e connettivo). Organismo (umano): insieme di sistemi fisiologici che operano in un ambiente interno separato da un ambiente esterno mediante la barriera cute. Compartimenti dellorganismo: barriere principalmente epiteliali e membrane cellulari dividono lorganismo in compartimenti che contengono liquido (acqua corporea totale = volume totale di acqua formato da liquido intra-cellulare e liquido extra-cellulare; liquido extra- cellulare = plasma sanguineo, linfa e liquido tra le cellule o interstiziale). Il problema del rifornimento delle cellule dellorganismo: lambiente esterno e troppo lontano perché le cellule possano direttamente assumere sostanze/gas vitali e riversarvi i rifiuti metabolici. Sostanze/gas vitali e rifiuti devono prima raggiungere il liquido che circonda ogni cellula = il mezzo interno (plasma sanguineo per le cellule del sangue e liquido interstiziale per le altre cellule). Il sangue scambia sostanze/gas vitali e rifiuti con il mezzo interno (passano la parete capillare fino allo spazio interstiziale e, infine, passano la membrana cellulare). Il primo principio organizzativo dellorganismo: lomeostasi per la sua sopravvivenza (dinamico mantenimento di composizione e temperatura del mezzo interno). Sistemi fisiologici impegnati nellomeostasi: sistema respiratorio polmonare = scambio di gas vitali (ossigeno e anidride carbonica) tra lambiente esterno e il sangue; sistema gastrointestinale = assunzione e digestione di sostanze vitali dallambiente esterno ed espulsione dei rifiuti nellambiente esterno attraverso le feci; sistema cardiovascolare = circolazione del sangue che trasporta sostanze/gas vitali per le cellule e i loro prodotti/rifiuti; sistema renale e urinario = controllo del volume e della composizione del sangue ed escrezione dei rifiuti nellambiente esterno attraverso le urine; sistema endocrino = regolatore dei sistemi fisiologici; sistema nervoso = controllo del comportamento e regolatore del sistema endocrino e degli altri sistemi fisiologici; sistema immunitario = difesa dellorganismo da virus, batteri e sostanze tossiche che alterano il mezzo interno. Meccanismi di regolazione dei sistemi fisiologici: controllo a feed-back e forward. Il secondo principio organizzativo fondamentale dellorganismo: la riproduzione per la sopravvivenza della specie (sviluppo delle cellule germinali e dei sistemi riproduttivi, ricerca del partner, accoppiamento, fecondazione, gravidanza, parto e cure parentali).

15 Claudio Babiloni, Fisiologia generale n Cellula: la più piccola unità vivente, specializzata per svolgere le diverse funzioni dellorganismo. Vi sono 4 tipi di cellule: nervosa, muscolare, epiteliale, connettivale. Vi sono diversi tipi di cellule connettivali (es. cellule del sangue, delle ossa, della glia, etc.) La cellula: la più piccola unità vivente Fig. 1.2 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003

16 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Sistema fisiologico: insieme di organi, ognuno costituito da tessuti cellulari n Tessuto: formato da cellule di un unico tipo n Organo: i tessuti si combinano per formare gli organi. Lorgano cuore è formato da tessuto muscolare, tessuto nervoso (nervi), tessuto epiteliale (valvole), e tessuto connettivo (tendini valvolari) n Sistema fisiologico: più organi formano un sistema di organi o sistema fisiologico. Ad esempio, il sistema cardiovascolare è formato dal cuore e dai vasi sanguinei Fig. 2.6 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998

17 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Organismo umano: un insieme di sistemi fisiologici operanti in un ambiente interno n Sistemi fisiologici: operano in un ambiente interno separato da un ambiente esterno mediante la cute, principalmente formata dai tessuti epiteliale e connettivale n Compartimenti idrici dellorganismo: barriere principalmente epiteliali (es. parete dei capillari) e membrane cellulari dividono lorganismo in compartimenti che contengono liquido. Acqua corporea totale = volume totale di acqua formato da liquido intra-cellulare e liquido extra-cellulare n Liquido extra- cellulare: Fig. 1.1 di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998 è formato da plasma sanguineo, linfa e liquido tra le cellule (liquido interstiziale)

18 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Il sangue come vettore per rifornire e liberare dai rifiuti il mezzo interno n Il rifornimento: lambiente esterno e troppo lontano perché le cellule possano direttamente assumere sostanze/gas vitali e riversarvi i rifiuti metabolici. Sostanze/gas vitali e rifiuti devono prima raggiungere il liquido che circonda ogni cellula = il mezzo interno (plasma sanguineo per le cellule del sangue e liquido interstiziale per le altre cellule) n Il sangue: riceve sostanze/gas vitali da, e riversa rifiuti per, lambiente esterno tramite polmoni (gas vitali) e tubo digerente (acqua, elettroliti e nutrienti). Riversa rifiuti nellambiente esterno anche tramite i reni (acqua, elettroliti). Trasporta elementi del sistema immunitario e segnali chimici per le cellule (ormoni) n Il mezzo interno: le sostanze/gas vitali che entrano ed escono dalle cellule sono trasportate dal sangue e attraversano parete (cellule endoteliali) o pori capillari, lo spazio (liquido) interstiziale e la membrana cellulare. Sangue e liquido interstiziale costituiscono il mezzo interno, sede degli scambi Fig di Germann- Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003

19 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Il primo principio organizzativo dellorganismo: lomeostasi del mezzo interno n Lomeostasi: dinamico mantenimento di volume, composizione, temperatura e acidità del mezzo interno (plasma sanguineo e liquido interstiziale), come condizione essenziale per la sopravvivenza dellorganismo n Differenze in- out: Tra mezzo interno (outside) e liquido intra-cellulare (inside) esistono notevoli differenze di concentrazione di sostanze/ioni. Molta energia della cellula e deputata al mantenimento (omeostasi) di tali concentrazioni

20 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Sistemi fisiologici impegnati nellomeostasi n S. polmonare: scambio di gas vitali (ossigeno e anidride carbonica) tra lambiente esterno e il sangue; bilancia lacidità del sangue n S. gastrointestinale: assunzione di acqua, nutrienti e sali inorganici dallambiente esterno; digestione dei nutrienti; espulsione dei rifiuti nellambiente esterno attraverso le feci n S. cardiovascolare: circolazione del sangue che trasporta sostanze/gas vitali per le cellule e i loro prodotti/rifiuti n S. renale e urinario: controllo del volume e della composizione del sangue ed escrezione dei rifiuti nellambiente esterno attraverso le urine; bilancia lacidità del sangue n S. endocrino: regolatore dei sistemi fisiologici n S. nervoso: controllo del comportamento e regolatore del sistema endocrino e degli altri sistemi fisiologici n S. immunitario: difesa dellorganismo da virus, batteri e sostanze tossiche Fig. 1.3 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003

21 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Il secondo principio organizzativo dellorganismo: la riproduzione per la sopravvivenza della specie n Oltre lomeostasi: la riproduzione. Alcuni organi del sistema riproduttivo non hanno nessun ruolo nel mantenimento dellomeostasi per la sopravvivenza dellorganismo. La loro asportazione non provoca nessun effetto nella capacità dellorganismo di regolare volume, temperatura, composizione e acidità del mezzo interno. Tali organi seguono un altro importante principio organizzativo: la riproduzione n I comportamenti riproduttivi: costituiscono la categoria più importante dei comportamenti sociali, poiché, senza di essi, la maggioranza delle specie non sopravvivrebbe. Questi comportamenti, che includono il corteggiamento, laccoppiamento, la cura della prole e la maggior parte delle forme di comportamento aggressivo, rappresentano le categorie più singolari dei comportamenti sessualmente dimorfici, cioè che differiscono a seconda del genere di appartenenza n Riproduzione contro omeostasi: alcuni comportamenti riproduttivi mettono a rischio la vita dellorganismo. Si pensi alla diffusione delle malattie per contagio sessuale dovute a rapporti sessuali non protetti con persone a rischio di infezione. In questi casi prevale listinto (forte motivazione inconsapevole) di garantire la sopravvivenza della specie e della propria prole anche a discapito della propria vita. Vi sono numerosi esempi di adulti che hanno rischiato la vita per salvare la vita di bambini

22 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Sistemi fisiologici impegnati nella riproduzione n S. riproduttivo: apparato per laccoppiamento e la gestazione femminile; sviluppo delle cellule germinali, produzione di ormoni sessuali n S. nervoso di relazione: rappresentazione di mondo esterno, bisogni e aspettative del partner, strategie comportamentali per ricerca del partner, corteggiamento, accoppiamento, parto e cure parentali n. S. nervoso autonomo: controllo dellattività erettile del pene e delleiaculazione n S. neuroendocrino: regolatore degli ormoni sessuali per sviluppo delle cellule germinali, sviluppo e controllo dellapparato riproduttivo, facilitazione dei circuiti nervosi per ricerca del partner, corteggiamento, accoppiamento, parto e cure parentali Fig. 8.8 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998 Fig. 8.1 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998Fig. 8.4 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998

23 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Meccanismi di regolazione dei sistemi fisiologici n Regolazione a feed- back negativo: un sensore rileva il valore attuale della variabile fisiologica (es. temperatura corporea), manda il segnale ad un centro integrativo che compara tale valore con quello(i) di riferimento (set point). In caso di differenza, viene mandato un segnale di errore a effettori che agiscono per portare il valore della variabile al valore di riferimento o entro lintervallo dei valori di riferimento. E il meccanismo di controllo fisiologico più diffuso nellorganismo n Regolazione a feed- back positivo: la differenza del valore della variabile rispetto a quello(i) di riferimento innesca un segnale di errore che promuove processi volti ad aumentare ancora di più quella differenza Fig. 1.6 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003 Fig. 9.4 di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998

24 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Concetti chiave sui trasporti attraverso le membrane cellulari Differenze di composizione del liquido intra ed extra-cellulare: sono dovute alle caratteristiche delle membrane cellulari. La struttura della membrane cellulare: è formata da due strati di fosfolipidi con le code idrofobe e le teste idrofile verso il liquido intra ed extra-cellulare. Le funzioni della membrana cellulare dipendono dalle proteine. Le proteine che attraversano la membrane (integrali) costituiscono canali per lacqua e gli ioni idratati come anche trasportatori e pompe per il passaggio di sostanze/ioni. Le proteine su una faccia della membrana (periferiche) facilitano i processi biochimici (enzimi), captano ioni e biomolecole (recettori) o hanno funzioni strutturali associate al citoscheletro. Trasporto attraverso la membrana: passivo o in discesa (= senza consumo di energia ATP) per differenza di concentrazione (gradiente chimico) o carica elettrica (gradiente elettrico) tra i due lati della membrana; attivo (consumo di ATP) o in salita contro tali gradienti. Trasporto senza proteine: diffusione semplice (in discesa) per agitazione termica casuale di gas e soluti liposolubili mediante soluzione nei costituenti lipidici della membrana. Caratteristiche del trasporto tramite proteine: lentezza, numero limitato di sedili (saturazione) ed effetti di specificità e competizione tra i soluti trasportati. Trasporto passivo mediante proteine canali o trasportatrici: diffusione facilitata o in discesa di zuccheri, aminoacidi e ioni in direzione del gradiente chimico o elettrico (es. entrata del glucosio attraverso la membrana muscolare). Trasporto attivo mediante proteine: Trasporto attivo primario in salita (con consumo di energia ATP) contro un gradiente chimico o elettrico (es. pompa K+/Na+ nella membrana nervosa e muscolare). Trasporto attivo secondario in salita sfruttando il movimento di un altro soluto lungo il suo gradiente chimico-elettrico (es. scambio di Na+ verso linterno e di Ca++ verso lesterno nella membrana muscolare; si consuma energia ATP per portare fuori il Na+). Trasporto mediante vescicole: endocitosi (invaginazione della membrana che racchiude i soluti) ed esocitosi (fusione di vescicole e membrana ed espulsione di soluti). Pressione osmotica: spinge lacqua (solvente) dal lato della membrana in cui vi sono più soluti (ioni/biomolecole) rispetto che acqua. Losmosi di acqua non è diffusione ma pressione perché non dipende dalla concentrazione assoluta di acqua ma da quella dei soluti rispetto allacqua.

25 Claudio Babiloni, Fisiologia generale La membrana cellulare: struttura e funzioni n Membrana cellulare: le sue caratteristiche determinano la differenze di composizione del liquido intra- ed extra-cellulare n. Struttura: è formata da due strati di fosfolipidi con le code idrofobe e le teste idrofile verso il liquido intra- ed extra-cellulare. Vi sono canali per il passaggio di piccole molecole (es. lacqua) n Funzioni: dipendono dalle proteine. Le proteine che attraversano la membrane (integrali) costituiscono canali per gli ioni, trasportatori e pompe per il passaggio di sostanze/ioni. Le proteine su una faccia della membrana (periferiche) facilitano i processi biochimici (enzimi), captano ioni e biomolecole (recettori) o hanno funzioni strutturali associate al citoscheletro Fig. 1-2 di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998 Fig. 1.1 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998

26 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Trasporto attivo e passivo attraverso la membrana n Trasporto passivo : o in discesa (= senza consumo di energia ATP). Si attua per differenza di concentrazione (gradiente chimico dovuto ad agitazione termica casuale dei soluti) o carica elettrica (gradiente elettrico) tra i due lati della membrana. Il gradiente può essere espresso dal concetto di forza chimica e forza elettrica n Diffusione semplice di molecole liposolubili: per soluzione nei costituenti lipidici della membrana (acidi grassi, ormoni stereoidei, ossigeno, anidride carbonica e vitamine liposolubili). Non richiede consumo di ATP (in discesa) e la mediazione di proteine di membrana n Trasporto attivo: richiede consumo di ATP perché si svolge in salita contro i suddetti gradienti. Servono proteine di membrana Fig. 4.1 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003 Fig. 4.3 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003

27 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Trasporto attraverso la membrana con proteine trasportatrici (I) n Generalità: le proteine trasportatrici hanno un numero limitato di sedili (saturazione) e possono portare solo certi tipi di soluti (effetti di specificità e competizione tra tali soluti). La velocità di trasporto e più lenta rispetto alla diffusione semplice n Diffusione facilitata: in discesa (senza ATP) in direzione del gradiente chimico (es. entrata del glucosio attraverso la membrana muscolare) n Trasporto attivo primario: in salita (con consumo di energia ATP) contro un gradiente chimico o elettrico (es. pompa K+/Na+ nella membrana nervosa e muscolare) Fig. 1-4 Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998 Fig di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003 Fig. 1.2 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998 Pompa K+/Na+

28 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Trasporto attraverso la membrana con proteine trasportatrici (II) n Trasporto attivo secondario: in salita sfruttando il movimento trainante di un altro soluto lungo il suo gradiente chimico- elettrico (es. scambio di Na+ verso linterno e di Ca++ verso lesterno nella membrana muscolare; si consuma energia ATP per portare fuori il Na+). Cotrasporto se il soluto trasportato va nella stessa direzione di quello trainante. Controtrasporto in caso contrario n Trasporto mediante vescicole: endocitosi (invaginazione della membrana che racchiude i soluti) ed esocitosi (fusione di vescicole e membrana ed espulsione di soluti) Fig di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998 Fig di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998 Fig. 1.7 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998

29 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Osmosi n Pressione osmotica: spinge lacqua (solvente) dal lato della membrana in cui vi sono più soluti (ioni/biomolecole) che acqua Losmosi di acqua non è diffusione ma pressione perché non dipende dalla concentrazione assoluta di acqua ma da quella dei soluti rispetto allacqua Fig. 1-9 di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998

30 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Concetti chiave su potenziali di membrana, conduzione e trasmissione dellinformazione nel sistema neuro-muscolare Potenziali di diffusione ed equilibrio: i canali proteici si aprono/chiudono variando la loro conduttanza a specifici ioni, in funzione del potenziale di membrana o del contatto tra ligandi e recettori di membrana. Il flusso di ioni attraverso la membrana genera un potenziale di diffusione ai suoi due lati. Tale flusso continua fino al potenziale di equilibrio (= equilibrio tra forze chimiche ed elettriche agenti sugli ioni). Potenziale di membrana a riposo: in una cellula nervosa o muscolare a riposo il potenziale è negativo allinterno della membrana rispetto allesterno (circa -70 mV),. La negatività dipende dalle proteine negative (anioni) del citosol troppo grandi per attraversare la membrana e dallazione di pompe ioniche che portano più Na+ e Ca++ fuori che K+ dentro la cellula. A riposo, la conduttanza al K+ e molto più alta di quella al Na+, per questo non entra Na+ a dispetto delle forze elettriche e chimiche verso linterno della cellula. Potenziali dazione: quando la polarità negativa del potenziale di membrana si riduce (depolarizzazione) oltre circa -40 mV, si aprono bruscamente i canali potenziale-dipendenti del Na+ (aumento della conduttanza). Lentrata brusca di Na+ riduce ulteriormente la negatività, fino a valori positivi del potenziale di membrana. La brusca apertura dei canali potenziale-dipendenti del K+ determina la rapida uscita del K+ (toglie positività allinterno della cellula) e valori di elevata negatività di membrana (iperpolarizzazione). Lapertura di canali potenziale-dipendenti del Ca++ (entra Ca++) ripristina il potenziale a riposo. Conduzione del potenziale dazione: il potenziale di azione in un punto della membrana fa aprire i canali potenziale-dipendenti del Na+ nel punto vicino rigenerando il potenziale dazione. La comunicazione tra cellule muscolari cardiache mediante sinapsi elettrica: canali proteici (giunzioni strette) collegano il citosol di due cellule vicine, permettendo la propagazione del potenziale dazione. La comunicazione tra neuroni mediante sinapsi chimica: larrivo del potenziale dazione al terminale nervoso determina lapertura di canali potenziale-dipendenti del Ca++, lentrata del Ca++, la migrazione di vescicole di neurotrasmettitore verso la membrana pre-sinaptica, il rilascio per esocitosi del neuro-trasmettitore nello spazio sinaptico, il contatto tra neurotrasmettitore (ligando) e recettore post-sinaptico, lapertura/chiusura di canali ligando-dipendenti con effetti sul flusso ionico transmembranario e sul potenziale post-sinaptico. Giunzione neuromuscolare. La sinapsi tra neurone e membrana muscolare è caratterizzata da neurotrasmettitore acetilcolina e recettori post-sinaptici collegati a canali ionici per Na+ K+ Ca++. Ogni potenziale dazione del neurone determina un potenziale dazione sulla membrana della fibra muscolare e una contrazione muscolare. Struttura del muscolo scheletrico. Ordinata sequenza di unità funzionali (sarcomeri) in cui un motoneurone innerva piu fibre muscolari (unità motoria). Le fibre muscolari (multi-nucleate) sono costituite da proteine contrattili (actina, miosina), proteine regolatrici e una rete tubolare. Tale rete è formata da un tubulo trasverso come invaginazione della membrana muscolare e da un reticolo sarcoplasmico con cisterne terminali contenenti Ca++. Contrazione nel muscolo scheletrico. Il potenziale dazione si propaga lungo la membrana muscolare (ingresso di Ca++ extracellulare) e il tubulo trasverso (rilascio di Ca++ intracellulare). Il Ca++ modifica le proteine regolatrici e scopre sullactina i siti di legame per la miosina. La biomolecola energetica ATP modifica la miosina e fa scorrere la miosina sullactina (contrazione muscolare). LATP fa distaccare la miosina dallactina (nuovo ciclo). Il pompaggio del Ca++ nel reticolo endoplasmico ripristina la conformazione delle proteine regolatrici e il rilascio muscolare. Muscolo cardiaco: rispetto al muscolo scheletrico, il potenziale dazione è piu duraturo e lentrata del Ca++ intracellulare innesca il rilascio del Ca++ delle cisterne terminali sarcoplasmiche. Muscolo liscio: rispetto al muscolo scheletrico, la fibre sono nucleate, non ce sequenza di sarcomeri e manca il tubulo trasverso. Processo a tre stadi dellossidazione del glucosio: rappresenta una importante fonte di energia in forma di ATP ed è costituito da glicolisi, ciclodi Krebs e fosforilazione ossidativa. Creazione di energia mediante il sistema creatina/creatinfostato: copra la spesa energetica per un periodo di qualche secondo tempo necessario per produrre ATP da altre fonti energetiche. Metabolismo dei grassi e delle proteine per la produzione di energia: la gluconeogenesi

31 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Potenziale di membrana n Canali della membrana: si aprono/chiudono variando la loro conduttanza a specifici ioni, in funzione del potenziale di membrana o del contatto tra ligandi e recettori di membrana n Potenziali di diffusione: il flusso di ioni attraverso la membrana genera un potenziale di diffusione ai suoi due lati. Esempio (Fig.): vi è più Na+Cl- nel comparto di sinistra e una membrana permeabile solo al Na+. Per differenza di concentrazione (forza chimica) il Na+ passa nel comparto di destra sviluppando li un potenziale positivo n Potenziale di equilibrio: Tale flusso continua fino al potenziale di equilibrio della membrana, che rappresenta lequilibrio tra forze chimiche ed elettriche agenti sugli ioni (nellesempio: Na+) Fig di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998

32 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Potenziale di membrana a riposo n Negatività della membrana a riposo: in una cellula nervosa o muscolare a riposo il potenziale è negativo allinterno della membrana rispetto allesterno (circa -70 mV) n Sbilanciamento di cariche elettriche dai due lati della membrana: tale negatività dipende dalle proteine negative (anioni) del citosol, troppo grandi per attraversare la membrana, e dallazione di pompe ioniche che portano più Na+ e Ca++ fuori che K+ dentro la cellula n Permeabilità agli ioni (conduttanza) della membrana: a riposo, la conduttanza al K+ e molto più alta di quella al Na+, per questo non entra Na+ a dispetto delle forze elettriche e chimiche verso linterno della cellula Fig. 1.3 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998

33 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Potenziale di azione n Entrata del Na+ e depolarizzazione: quando la polarità negativa del potenziale di membrana a riposo si riduce (depolarizzazione) oltre circa -40 mV, si aprono bruscamente i canali potenziale-dipendenti del Na+ (aumento della conduttanza). Lentrata brusca di Na+ riduce ulteriormente la negatività, fino a valori positivi del potenziale di membrana (ripolarizzazione) n Uscita del K+ ed iperpolarizzazione: la brusca apertura dei canali potenziale- dipendenti del K+ determina la rapida uscita del K+ (toglie positività allinterno della cellula) e valori di elevata negatività di membrana (iperpolarizzazione). Lapertura di canali potenziale-dipendenti del Ca++ (entra Ca++) ripristina il potenziale a riposo Fig. 1.5 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998 Neurone o muscolo scheletrico Muscolo cardicaco. Il potenziale dazione è più duraturo per lapertura prolungata dei canali Ca++

34 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Conduzione del potenziale dazione n Propagazione del potenziale dazione. A: nel segmento iniziale dellassone del neurone il potenziale dazione è associato allentrata di Na+ e alla conseguente depolarizzazione (fino a polarità positiva). Nei segmenti vicini si osserva il potenziale negativo a riposo. B: Forze elettrochimiche spingono le cariche positive interne verso il segmento vicino inattivo. C: Larrivo delle cariche positive depolarizza il sito vicino oltre la soglia, causa lapertura dei canali potenziale-dipendenti del Na+ rigenerando il potenziale dazione n Tipi di propagazione: la propagazione del potenziale dazione e punto per punto (A) nellassone privo di mielina e (B) per salti in corrispondenza dei nodi de- mielinizzati nellassone mielinizzato Fig di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998 Fig. 1.6 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998

35 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Rapida trasmissione del potenziale dazione tra cellule muscolari cardiache: la sinapsi elettrica n Le giunzioni strette: sono canali proteici (giunzioni strette o comunicati) che collegano il citosol di due cellule muscolari cardiache vicine. Esse permettono il passaggio di ioni e piccole molecole e, quindi, la rapida propagazione del potenziale dazione (si noti la differenza rispetto alle giunzioni tramite filamenti inter- cellulari con funzione di stretto ancoraggio tra le cellule muscolari cardiache: desmosomi) n Sinapsi elettrica: è il piccolo spazio tra le cellule, costituito dalle giunzioni strette. Le sinapsi elettriche impediscono una modulazione della trasmissione tra le cellule dellinformazione portata dal potenziale dazione (il potenziale dazione passa direttamente). Esse sono rare nel sistema nervoso delluomo Fig di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003

36 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Trasmissione del potenziale dazione tra cellule nervose: la sinapsi chimica n Sinapsi chimica: separa la membrana pre- e post-sinaptica. Il messaggero neuro-trasmettitore (aminoacido, peptide) attraversa la sinapsi. Si può modulare la trasmissione al momento di sintesi, invio, ricezione e degradazione del neuro-trasmettitore n Le fasi della trasmissione sinaptica: arrivo del potenziale dazione (bottone pre-sinaptico), apertura di canali potenziale-dipendenti del Ca++, entrata di Ca++, migrazione di vescicole di neurotrasmettitore verso la membrana pre-sinaptica, esocitosi del neuro-trasmettitore nella sinapsi, ricezione del neurotrasmettitore ligando (membrana post-sinaptica), apertura/chiusura di canalali ligando- dipendenti con effetti sul flusso ionico transmembranario e sul potenziale post-sinaptico, degradazione e ricaptazione del neurotrasmettitore n Fig. 7.2 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003

37 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Meccanismi di trasduzione nelle sinapsi chimiche n Risposte veloci a livello dei canali ligando-dipendenti: la ricezione del neurotrasmettitore ligando fa aprire/chiudere il canale ionico (generalmente K+, Na+, Ca++) n Risposte lente ad accoppiamento diretto: la ricezione del neurotrasmettitore ligando determina lapertura del canale ionico tramite la mediazione della proteina G (moltiplicano gli effetti) n Risposte lente mediate da secondi messaggeri: la ricezione del neurotrasmettitore ligando determina lapertura del canale ionico tramite la mediazione della proteina G e lulteriore intervento di enzini e secondi messaggeri intra-cellulari (che possono inoltre innescare sintesi di nuovi recettori etc.) Fig. 7.3 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003

38 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Sinapsi inibitorie ed eccitatorie n Sinapsi eccitatorie veloci e potenziale post-sinaptico eccitatorio: il neurotrasmettitore ligando fa aumentare la concentrazione di cariche positive (K+, Na+, Ca++) allinterno della membrana post-sinaptica con effetto gradualmente depolarizzante eccitatorio sul potenziale post- sinaptico (es. più entrata di Na+ che uscita di K+) n Sinapsi inibitorie veloci e potenziale post-sinaptico inibitorio: il neurotrasmettitore ligando fa aumentare la concentrazione di cariche negative (es. entrata di Cl-, uscita di K+) allinterno della membrana post- sinaptica con effetto gradualmente iper-polarizzante inibitorio sul potenziale post-sinaptico (es. uscita di K+) Fig. 7.4 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003 Fig. 7.5 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003

39 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Trasmissione neuromuscolare n Giunzione o placca neuromuscolare: è la sinapsi tra il terminale pre-sinaptico del motoneurone alfa (controlla la contrazione muscolare) e una zona specializzata con molte pliche della fibra muscolare (membrana post- sinaptica) n Fasi: arrivo del potenziale dazione (bottone pre-sinaptico), apertura di canali potenziale- dipendenti del Ca++, entrata di Ca++, migrazione di vescicole di acetilcolina (ACh) verso la membrana pre-sinaptica (neurone), esocitosi dellACh nella sinapsi, ricezione dellACh sulla membrana post- sinaptica (placca motoria), apertura di canali per cationi (K+, Na+, Ca++), potenziale post-sinaptico eccitatorio, potenziale dazione (fibra muscolare), degradazione dellACh dellenzima acetilcolinesterasi (AChE) Fig. 1.8 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998 Fig di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998

40 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Il muscolo scheletrico n Struttura: il muscolo è costituito da fascicoli muscolari intercalati da tessuto connettivo. Ogni fascicolo è costituito da fibre muscolari (polinucleate: molti nuclei che condividono il citoplasma) avvolte dal sarcolemma. Ogni fibra muscolare è formata da miofibrille avvolte dal reticolo sarcoplasmatico. Ogni miofibrilla mostra unordinata sequenza di unità funzionali (sarcomeri). Ogni sarcomero presenta miofilamenti proteici contrattili spessi e sottili, delimitati da due dischi (linee Z). Si riconoscono le bande I e H (filamenti sottili) e le bande A (sovrapposizione di filamenti sottili e spessi). Un moteneurone spinale alfa innerva più fibre muscolari, che costituiscono lunità motoria n Proteine: filamenti spessi = miosina; filamenti sottili = actina e proteine regolatrici tropomiosina e troponina Fig di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998

41 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Rete tubulare (tubulo trasverso e reticolo sarcoplasmatico) e contrazione del muscolo scheletrico n Rete tubolare: è formata da un tubulo trasverso (tubulo a T), una invaginazione della membrana muscolare (sarcolemma), e da un reticolo sarcoplasmatico con cisterne terminali contenenti Ca++ intra- cellulare. Un tubulo trasverso e ai suoi lati le due cisterne terminali del reticolo sarcoplasmatico costituiscono una triade funzionale. Il tubulo trasverso e caratterizzato da una proteina-recettore voltaggio-dipendente, la cui attivazione al giungere del potenziale dazione fa aprire il canale per il Ca++ intra-cellulare posto nelle cisterne terminali del reticolo sarcoplasmatico n Il meccanismo dello scorrimento dei filamenti: la contrazione muscolare si associa al restringimento delle bande I e della zona H della miofibrilla, che riflettono lactina. Al contrario, la banda A che riflette principalmente la miosina non cambia lunghezza (= non vi è contrazione della miosina). Inoltre, si avvicinano tra loro le linee (strie) Z, che delimitano il sarcomero della miofibrilla. La generalizzazione del fenomeno determina laccorciamento di miofibrille, fibre muscolari, fascicoli muscolari e dellintero muscolo. Questa descrizione mostra che la contrazione muscolare dipende dallo scorrimento dei filamenti di miosina su quelli dellactina (e non dalla contrazione dei filamenti)

42 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Accoppiamento eccitazione-contrazione n Fasi di un singolo evento: 1. Lacetilcolina liberata dal neurone si lega ai recettori della placca motrice e da luogo al potenziale dazione muscolare. 2. Il potenziale dazione viaggia sulla superficie della membrana muscolare (= ingresso di Ca++ extra-cellulare) e in profondità lungo il tubulo trasverso (T). 3. I recettori voltaggio-dipendenti del tubulo trasverso aprono i canali Ca++ delle cisterne del reticolo sarcoplasmatico (= rilascio di Ca++ intra-cellulare); 4. Ca++ soprasoglia si lega alla troponina spostando la tropomiosina e scoprendo sullactina i siti per la testa della miosina. 5. La testa della miosina (forma ad alta energia) si innalza fino a legarsi allactina. Si stacca un fosfato e la testa della miosina si piega tirando lactina verso il centro del sarcomero (colpo di forza e contrazione muscolare). Si stacca lADP dalla miosina (forma a bassa energia) che rimane rigidamente legata allactina. Un nuovo ATP si lega alla testa della miosina (che ritorna ad alta energia) e la stacca dallactina (fine di un ciclo dei ponti trasversi). 6. Il Ca++ viene pompato attivamente dentro il reticolo sarcoplamatico. 7. Sullactina i siti per la miosina vengono coperti dalla tropomiosina. Si consideri che sul filamento di miosina vi sono numerose teste (ponti trasversi) che in presenza di ATP e Ca++ soprasoglia danno vita a numerosi cicli dei ponti trasversi e alla conseguente contrazione muscolare Fig di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998

43 Claudio Babiloni, Fisiologia generale La singola scossa muscolare n Scossa singola: un motoneurone assieme a tutte le fibre muscolari che innerva viene definito unità motoria. La scossa singola è la risposta meccanica di una unità motoria ad un singolo potenziale dazione. Dato un potenziale dazione la scossa singola è sempre uguale n Fasi: periodo di latenza (pochi millisecondi) tra la comparsa del potenziale dazione nel sarcolemma e la contrazione muscolare; fase di contrazione ( millisecondi) dalla fine della latenza al picco della tensione muscolare (grammi) e fase di rilasciamento (fino alla tensione nulla). Una stimolazione ad alta frequenza può indurre scosse singole con caratteristiche anormali. Muscoli diversi sono caratterizzati da scosse singole con caratteristiche diverse in funzione della forza che sono in grado di produrre e della velocità con cui raggiungono il picco della forza n Tipi di contrazione: la contrazione isotonica si verifica quando il muscolo genera una forza muscolare almeno pari al carico (es. un peso) determinando un accorciamento del muscolo. La contrazione isometrica si verifica quando la forza muscolare generata è inferiore al carico (nessun movimento). Si noti landamento della tensione

44 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Caratteristiche della contrazione muscolare n Tetano: quando la concentrazione intra-cellulare del Ca++ è elevata, i siti di legame della miosina sullactina restano esposti e la contrazione muscolare diviene sostenuta e prolungata n Relazione lunghezza-tensione: la tensione attiva massimale si sviluppa in corrispondenza della lunghezza muscolare alla quale si verifica una sovrapposizione ottimale dei filamenti sottili e spessi, che consente la formazione del maggior numero possibile di ponti trasversi. La tensione attiva risulta dalla sottrazione della tensione passiva (che si sviluppa stirando il muscolo a differenti lunghezze o precarichi) dalla tensione totale (la tensione muscolare massima sviluppata partendo da differenti lunghezze) n Relazione forza-velocità: velocità dellaccorciamento in funzione della variazione della forza di opposizione alla contrazione (postcarico) che viene prefissata (contrazione isotonica). La velocità dellaccorciamento dipende dalla velocità alla quale si formano i ponti trasversi di actina e miosina

45 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Muscolo cardiaco e potenziali dazione n Il muscolo cardiaco: presenta giunzioni strette che rapidamente propagano il potenziale dazione tra le fibre muscolari cardiache. Rispetto al muscolo scheletrico, il potenziale dazione ( ms) e il periodo refrattario del muscolo cardiaco sono di lunga durata per lapertura dei canali Ca++. La conseguente entrata del Ca++ extra-cellulare innesca il rilascio del Ca++ intra-cellulare delle cisterne terminali sarcoplasmatiche che con lATP sostengono la contrazione muscolare n Fasi del potenziale dazione: inversione del potenziale per rapida apertura dei canali del Na+ con entrata di Na+; lieve ripolarizzazione iniziale per rapida chiusura dei canali del Na+ e apertura di quelli del K+ con uscita di K+; stabilizzazione del potenziale dazione per lenta apertura dei canali Ca++ con entrata di Ca++, bilanciata dallapertura dei canali del K+ con uscita di K+; ripolarizzazione del potenziale per chiusura dei canali Ca++ e apertura di quelli K+; potenziale di membrana a riposo per apertura dei canali del K+ con entrata di K+ n Il nodo senoatriale (SA): diversamente dalle altre fibre cardiache, il nodo SA presenta (1) potenziali dazione spontanei a cadenza automatica; (2) un potenziale di membrana a riposo instabile per lenta apertura di canali del Na+ con entrata di Na+; tale entrata determina la depolarizzazione spontanea del potenziale di membrana alla base del segnapasso; (3) uninversione di potenziale rapida per apertura di canali transitori (T) del Ca++ con entrata di Ca++, (4) assenza della lieve ripolarizzazione e del successivo plateau. Come per le altre fibre, la ripolarizzazione dipende dallapertura dei canali del K+ con uscita di Ka+

46 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Muscolo liscio n Muscolo liscio: avvolge organi cavi (tratto gastrointestinale, vescica, utero), bronchioli, vasi sanguinei, uretere e muscoli oculari. Rispetto al muscolo scheletrico, la fibre sono nucleate, non ce sequenza di sarcomeri (manca la striatura) e manca il tubulo trasverso. Il muscolo liscio muove (es. chimo e urina) e regola la tensione (es. vasi sanguinei) n Il muscolo liscio unitario: presenta giunzioni comunicanti che rapidamente propagano il potenziale dazione tra le fibre muscolari lisce. Esso presenta attività spontanee segnapassi, definite come onde lente (tratto gastrointestinale, vescica, utero e uretere) Fig di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003

47 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Accoppiamento eccitazione-contrazione del muscolo liscio n Muscolo liscio multiunitario: (iride, muscolo ciliare e vasi deferenti) come per il muscolo scheletrico, ogni unità motoria è indipendente. Tali unità sono regolate da fibre del sistema nervoso simpatico- parasimpatico Accoppiamento eccitazione-contrazione: il Ca++ extra-cellulare entra mediante canali regolati dal neuro-trasmettitore od ormone come anche dal potenziale di membrana. Il Ca++ intra- cellulare esce dal reticolo sarcoplasmatico per effetto di secondi messaggeri (IP3). Si forma il complesso Ca++- calmodulina, che si lega alle chinasi delle catene leggere della miosina, dando luogo ai ponti trasversi di actina e miosina. Ciò si attua con consumo di un ATP per ciclo. Si ha rilasciamento muscolare quando il Ca++ è ritirato nel reticolo sarcoplasmatico da apposite pompe ioniche

48 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Energia per la cellula muscolare dal glucosio (I) n Ossidazione del glucosio: un processo a tre stadi libera energia dal glucosio per sintetizzare ATP: la glicolisi e il ciclo di Krebs (fosforilazione del substrato) come anche la fosforilazione ossidativa (aggiunta di gruppi fosfati e rimozione di elettroni). Vi partecipano due importanti coenzimi, i quali sono componenti non proteiche (cofattori) aggiuntive degli enzimi proteici. I coenzimi non hanno la funzione di facilitare (catalizzare) le reazioni chimiche pur partecipando a tali reazioni. Questi coenzimi sono il flavin adenin-dinucleotide (FAD), un derivato della vitamina B12 o riboflavina, e il nicotinamide adenosin dinucleotide (NAD*), un derivato della vitamina B3 (niacina) n La glicolisi: avviene nel citoplasma senza bisogno di ossigeno. 1 molecola di glucosio + 2 coenzimi NAD* + 2 ADP + 2 gruppi fosfati (Pi) reagiscono chimicamente per produrre 2 ATP. Inoltre, si producono 2 molecole di piruvato per il ciclo di Krebs e 2 molecole di coenzima ridotto NADH + 2 ioni idrogeno (H+) per la fosforilazione ossidativa n Il ciclo di Krebs: inizia quando il quando il piruvato prodotto dalla glicolisi, in presenza di ossigeno, entra nella matrice dei mitocondri e viene trasformato nel coenzima Aacetil CoA durante un passaggio chimico di collegamento. In sintesi, 2 molecole di piruvato + 8 NAD* + 2 FAD + 2 ADP + 2 Pi + 6 H2O reagiscono chimicamente per produrre 2 ATP. Si producono, inoltre, 6 CO2 + 8 NADH + 8H* + 2 FADH2. In assenza di ossigeno, il piruvato viene convertito in lattato (enzima lattato deidrogenasi), che consente di convertire il NADH in NAD* e di alimentare almeno la glicolisi per produrre ATP n Fosforilazione ossidativa: avviene nella membrana mitocondriale in presenza di ossigeno e si basa per gran parte sui coenzimi ridotti (con elettroni da cedere) e sullanidride carbonica (CO2) prodotti dalla glicolisi e dal Ciclo di Krebs. La fosforilazione ossidativa comprende due processi simultanei: (i) la catena di trasporto elettronico e (ii) laccoppiamento chemiosmotico

49 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Energia per la cellula muscolare dal glucosio (II) n La catena di trasporto elettronico : trasporta un flusso di elettroni dai coenzimi donatori (NADH e FADH 2 ) allossigeno (accettore di elettroni). Per ogni coppia di elettroni del NADH si producono 3 ATP, mentre per ogni coppia di elettroni del FADH 2 si producono 2 ATP. La scarsità di ossigeno riduce la produzione di ATP e i livelli di coenzima NAD* (necessari anche per glicolisi e ciclo di Krebs) n Laccoppiamento chemiosmotico: stabilisce il legame tra il trasporto elettronico e la sintesi dellATP. Usa lenergia liberata nella catena di trasporto elettronico per spostare ioni idrogeno attraverso la membrana mitocondriale interna (H 2 ) contro il loro gradiente di concentrazione. Tale spostamento attiva lenzima ATP sintetasi che produce ATP mediante trasferimento di un gruppo fosfato (P) nellADP. Nella fosforilazione ossidativa, 10 NADH + 10 H FADH ADP + 34 Pi + 6 molecole di ossigeno (O 2 ) reagiscono chimicamente per produrre 34 ATP. Inoltre si producono 10 NAD* + 2 FAD + 12 H 2 O n Riassunto: 1 molecola di glucosio + 6 O2 2 ATP nella glicolisi + 2 ATP nel Ciclo di Krebs (fosforilazione del substrato) + 34 ATP nella fosforilazione ossidativa + 6 CO2 + 6 H2O

50 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Energia per la cellula muscolare: oltre il glucosio n Altri zuccheri : fruttosio, saccarosio e mannosio vengono convertiti in prodotti intermedi che possono entrare nel processo della glicolisi etc. n Il metabolismo del glicogeno: il glicogeno è una riserva energetica costituita da molecole (polimero) di glucosio legate. Si forma glicogeno (glicogenesi) quando vi è glucosio in eccesso nel sangue. La carenza di glucosio innesca il processo contrario di idrolisi del glicogeno (glicogenolisi). Le cellule muscolari scheletriche ed epatiche sono particolarmente efficienti in questi processi. n Metabolismo dei grassi: I grassi (lipidi) sono importanti fonti di energia per produrre ATP disponibili in riserve di trigliceridi. Quando vi è bisogno di energia, i trigliceridi vengono scissi (lipolisi) in glicerolo e acidi grassi. Quando vi è un eccesso di molecole energetiche, essi sono riconvertiti in trigliceridi (lipogenesi) n Metabolismo delle proteine: le proteine vengono scisse in aminoacidi (proteolisi), private del gruppo amminico e, infine, convertite in piruvato, acetil CoA o in un prodotto intermedio del ciclo di Krebs n Formazione di nuovo glucosio: la gluconeogenesi produce glucosio da (1) glicerolo, (2) lattato e (3) aminoacidi. Glicerolo, lattato e aminoacidi vengono trasformati in prodotti intermedi o finali dei processi di fosforilazione del substrato (glicolisi-Ciclo di Krebs). Altri aminoacidi e gli acidi grassi sono convertiti in acetil CoA, che entra nel processo di ossidazione del glucosio per produrre ATP. Una molecola di acido grasso permette la sintesi di molte più molecole di ATP di quanto non permetta una molecola di glucosio. Il catabolismo degli acidi grassi genera un gran numero di coenzimi ridotti che entrano nella catena di trasporto elettronico (fosforilazione ossidativa) per produrre ATP. Infine, anche alcuni derivati dellacetil CoA (chetoni) sono utilizzati per produrre ATP

51 Claudio Babiloni, Fisiologia generale Il metabolismo della cellula muscolare durante lesercizio fisico n Il sistema creatina/creatinfosfato: poiché le scorte cellulari di ATP sono limitate, durante lattività muscolare si riduce lATP e aumenta lADP. Ciò innesca lattività enzimatica per produrre ATP. Il fosfato per la reazione ADP + P ATP è accumulato nel creatinfosfato. La produzione di ATP dal creatinfosfato dura qualche secondo, tempo necessario per produrre ATP da altre fonti energetiche n Effetti dellesercizio moderato e continuo: per i primi secondi si usano le scorte di glicogeno muscolare, poi si usa il glucosio e gli acidi grassi provenienti dal sangue. Dopo 30 minuti, la fonte energetica principale è costituita dai grassi n Effetti dellesercizio intenso: il principale processo energetico è la fosforilazione del substrato, in particolare la glicolisi (senza ossigeno). Il piruvato prodotto dalla glicolisi viene trasformato in lattato (alla base dei dolori muscolari) quando il piruvato è in eccesso rispetto alle possibilità metaboliche del ciclo di Krebs, per esempio per scarsità di ossigeno o per insufficiente velocità dellossidazione del glucosio n Rilassamento muscolare e rigenerazione delle scorte energetiche: Durante il riposo muscolare, il lattato nel citoplasma è convertito in piruvato che entra nel ciclo di Krebs per produrre ATP. Inoltre, si verificano reazioni chimiche di direzione opposta a quelle che dal glucosio generano ATP. LATP è usato per fosforilare la creatina in creatinfosfato. Il glucosio inutilizzato viene convertito in glicogeno. Lossigeno non utilizzato viene in parte legato nella mioglobina, una molecola simile allemoglobina del sangue

52 Claudio Babiloni, Fisiologia generale AUTOVALUTAZIONE Organizzazione dellorganismo Definizione di sistema fisiologico e di organismo (umano) Definizione di acqua corporea totale e liquido extra-cellulare Definizione di mezzo interno e di omeostasi Indicare i sistemi fisiologici impegnati nellomeostasi Descrivere i meccanismi di regolazione a feed-back e forward dei sistemi fisiologici Trasporti transmembranari Descrivere le principali componenti della membrane cellulare Descrivere il ruolo delle proteine della membrana Indicare le caratteristiche del trasporto passivo e attivo attraverso la membrana Indicare la differenza tra cotrasporto e controtrasporto attivo transmembranario Descrivere i determinanti del gradiente elettrico e chimico che regola i flussi transmembranari degli ioni Indicare le differenza tra endocitosi ed esocitosi Definire la pressione osmotica: Potenziali e trasmissione neuro - muscolare Definire i potenziali di diffusione ed equilibrio Indicare le differenze tra potenziale di membrana a riposo e potenziali dazione Descrivere il meccanismo di conduzione del potenziale dazione Caratterizzare le proprietà della sinapsi elettrica e chimica Descrivere la giunzione neuromuscolare Indicare le fasi dellaccoppiamento tra eccitazione della membrana muscolare e contrazione delle fibre del muscolo scheletrico Descrivere le principali diversità tra muscolo scheletrico, muscolo cardiaco e muscolo liscio Descrivere il processo a tre stadi dellossidazione del glucosio, che rappresenta una importante fonte di energia in forma di ATP Descrivere il metabolismo dei grassi e delle proteine per la produzione di energia


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