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1 Fisiologia (generale ed umana) Sito WEB: unipv.it/webtanzi Orario ed aule –Anatomia9-9.45 Palazzo Botta Laboratori: da definirsi Scopo del corso Il percorso.

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1 1 Fisiologia (generale ed umana) Sito WEB: unipv.it/webtanzi Orario ed aule –Anatomia Palazzo Botta Laboratori: da definirsi Scopo del corso Il percorso Biologia Umana e Scienze Biomediche: generalità Laurea entro Settembre:niente tassa 1° anno specialistica Bonus alla Laurea Se non vi laureate entro Dicembre Libro di testo: La laurea Specialistica Responsabile del percorso e delle Lauree specialistiche: feedback Unipv.it\webtanzi: informazioni varie ed appunti Crediti liberi (9): circa un mese (5 ore al pomriggio (5 ore)) Tirocinio: circa 20 giorni Tesi presso il Dipartimento: da definirsi

2 2 Esami sostenuti Chimica generale? Biochimica? Fisiologia generale? Fisica? Quanti hanno fatto tutti gli esami?

3 3 Richiami di Fisica La diffusione attraverso una membrana 1 M0 M 1 M0.5 M 1 M2 M 3 mM 130mM Q= K*(C 1 -C 2 )*Superficie*time*T/spessore membrana ? ? ? ?

4 4 1 M5 M ? Se un compartimento è molto più grande dellaltro? Che cosa vuol dire 1 M? 1 M0 M ?

5 5 Prot. La pressione colloido-osmotica od oncotica P1P1 P2P2 P1P1 P2P2 La pressione colloido-osmotica od oncotica ( ) è proporzionale alla concentrazione delle proteine. E quantificata tramite la differenza di pressione idrostatica (P 2 -P 1 ) che equilibra la tendenza dellacqua ad andare nel comparto dove esistono le proteine. La Pressione P è la Forza diviso la superficie su cui agisce la forza P=peso della colonna di liquido/superficie ΔP=P 2 -P 1

6 6 La differenza di potenziale ( V) 1)La Δv è quel parametro che si misura con il voltmetro (definizione operativa) 2) La Δv origina da unasimmetrica distribuzione spaziale delle cariche Q 3) Se cè una Δv, sulle cariche agisce una forza, la forza di Coulomb, attrattiva o repulsiva v1v v2v2 R1R1 v2v2 v1v1 V 2 -V 1 =R 1 *I (legge di Ohm) I=Q/t

7 7 In tutte le cellule vi è una membrana, di natura lipidica, che separa lambiente interno da quello esterno. In tutte le cellule la concentrazione delle molecole, allinterno ed allesterno, è differente. In tutte le cellule vi è una V (0 -90 mV) tra linterno e lesterno. Interno Esterno (mM) (mM) Na K Ca ( M) 2 Cl ATP 2 tracce Le proteine sono presenti solo allinterno delle cellule o nel plasma e, al pH normale (circa 7.3), sono cariche negativamente. pH= log(1/[H + ]), pH 7= M ; pH extrac.=7.4, pH intrac.=7.2 Numeri magici

8 8 La legge di Nerst A sinistra, gli ioni si muovono solo per differenza di concentrazione A destra, gli ioni si muovono per differenza di concentrazione e per ΔV Nel centro, gli ioni si muovono solo per ΔV??? K + 1 M K + 0 M K + 1 M K + 0 M V 1 V 2 ΔV=V 2 -V 1 K + 1 M V 1 V 2 K + 1 MK + 0.5M Qual è la concentrazione all equilibrio? ΔV=V 2 -V 1 =RT/ZF*lnC 1 /C 2 Qual è il potenziale che equilibra i flussi causati dalla ΔC? ΔV= V E =RT/ZF*lnC1/C 2 K + 1 M V 1 V 2 ΔV=?

9 9 La legge di Nerst Ve=RT/ZF*lnC 1 /C 2 = 0.061*logC 1 /C 2 (a 37 °C)

10 10 Le molecole si muovono disordinatamente a causa dellagitazione termica Le molecole si muovono semi-ordinatamente secondo gradiente di concentrazione Le molecole si muovono ordinatamente secondo gradiente elettrico Ma, le membrane, sono permeabili alle molecole??? Bisogna cioè considerare le forze che muovono le molecole e la permeabilità alle molecole. Ed il vocabolo gradiente, qual è il suo significato?

11 11 F=m * a Se applico una forza ad una molecola, questa si muove Se la molecola si muove, agiscono degli attriti, che esercitano una forza che si oppone al movimento. La forza di attrito è proporzionale alla velocità. Si raggiunge una velocità costante quando la forza applicata è uguale alla (contro)-forza esercitata dagli attriti. Nella diffusione, non vi è una forza netta che agisce sulle molecole, spingendole da un compartimento allaltro, ma è un fenomeno probabilistico. P=F/S La pressione è il rapporto tra la forza e la superficie di applicazione della forza L=Fx dl Il lavoro è il prodotto di F per lo spostamento dl del punto di applicazione di F nella direzione di F (prodotto vettoriale)

12 12 Si descrive (quantitativamente, se possibile) Si cerca di capire che cosa succede Si ricostruisce la catena Causa-Effetto

13 13

14 14 Organizzazione schematica del sistema circolatorio E un sistema ramificato e de-ramificato di vasi Il sistema vasale è chiuso Interposto tra i vasi (in serie) vi è una pompa muscolare, il cuore Nelluomo la circolazione è doppia, e completa AA V V tessuti polmoni Destro Sinistro

15 15 Tipi di vasi Arterie: conducono il sangue nei vari distretti (vasi di conduzione). Laorta inoltre accumula sangue durante la sistole e lo spinge lungo il circolo durante la diastole. Ha due componenti, elastica e muscolare. E coperta internamente da endotelio. Arteriole: controllano il flusso grazie alla loro componente muscolare (endotelio) Capillari: consentono gli scambi (gas respiratori, moelecole nutritizie e di scarto). Sono praticamente costituiti dal solo endotelio. Vene: sono vasi di conduzione, che riportano il sangue al cuore. Inoltre costituiscono un deposito di sangue di riserva (circa 2 litri). Hanno una Limitata componente elastica e muscolare, ed ovviamente lendotelio. Lendotelio ha proprietà anticoagulanti (NO) e partecipa alla risposta immunitaria. Arco aortico Aorta discendente - Cuore coronarie -carotide comune - Arti superiori - Bronchi - Intestino - Reni - Tronco - Arti inferiori Vena Cava infer. Vena Cava super. Atrio destro Vene Capillari Arteriole Grande Circolo carotide interna: encefalo

16 16 4 cavità, due atri e due ventricoli. Gli atri comunicano con i ventricoli tramite valvole atrio- ventricolari. Il ventricolo sinistro comunica con laorta tramite la valvola aortica, quello destro tramite la valvola dellarteria polmonare. E consentito il flusso solo in uscita dai ventricoli Cellule muscolari cardiache: di lavoro, deputate ad esercitare forza e ad accorciarsi, e di conduzione o avviamento (pacemaker -pace=ritmo-), deputate ad autoeccitarsi e a coordinare la diffusione delleccitamento Endocardio o endotelio: monostrato di cellule endoteliali che ricopre completamente le cavità cardiache, le valvole e la parete interna dei vasi con proprietà anticoagulanti. Modula anche il tono vasale, la permeabilità vasale e la risposta immunitaria. Anello fibroso (contenente fibroblasti) su cui si inseriscono le fibre muscolari Vasi: endotelio, fibre muscolari liscie, fibroblasti Il cuore è rivestito esteriormente dal pericardio viscerale, un foglietto aderente al cuore che si ripiega formando il pericardio parietale. Del cuore studieremo: Il cuore: richiami anatomici Attività elettrica: due tipi di PdA e la propagazione del PdA Attività contrattile: forza e frequenza di contrazione Irrorazione sanguigna Adattamenti funzionali Patologie

17 mV Le cellule cardiache sono lunghe circa 100 e sono collegate da gap junction che consentono il passaggio, tra laltro, di ioni. Il potenziale dazione si propaga rapidamente da una cellula allaltra grazie alle gap junction Le cellule cardiache

18 18 Eq= RT/ZF x ln(C out /C in ) : equazione di Nerst Eq è la differenza di potenziale alla quale i flussi ionici dovuti alla differenza di concentrazione sono bilanciati (cioè uguali e contrari) ai flussi dovuti alla differenza di potenziale (survival concept). E q e V m sono due concetti differenti. Se V m =E q per il K +, allora?? Che cosa succede al movimento degli ioni se Vm=-90 mV, Vm=... Na+= 130 mM Na+= 5 mM K+=4 mM K+= 140 mM Cl-= 130 mM Cl- = 5 mM E k = mV E Na = 40 mV Vm=- 90 mV E Cl =-90 mV Vm=- 40 mV Vm= 40 mV Vm=- 120 mV

19 mV 0 mV

20 20 Potenziale dazione cardiaco: tessuto di lavoro chiude I K inward

21 21 Potenziale dazione cardiaco: caratteristiche principali Dura circa 200 ms Rapida depolarizzazione dovuta a canali al Na + voltaggio-dipendenti Durante il plateau entra Ca 2+ attraverso canali voltaggio-dipendenti di tipo L Durante il plateau si inattiva la inward rectifier al K + Si ripolarizza grazie ai canali K + delayed Refrattarietà prolungata: dura quanto la contrazione.

22 22 Potenziale dazione e contrazione Attiva inward rectifier Si inattivano canali L

23 23 Potenziale dazione, contrazione e refrattarietà Attiva inward rectifier

24 24 Le fibre muscolari cardiache contengono miofibrille costituite da una sequenza di sarcomeri. I sarcomeri contengono actina, miosina, tropomiosina e troponina (come le fibre muscolari scheletriche). Un aumento del Ca 2+ citosolico modifica la conformazione della troponina C, che rimuove linibizione della troponina I: actina e miosina possono interagire ed inizia laccorciamento dei sarcomeri e lo sviluppo di forza. Nelle fibre cardiache il Ca 2+ entra attraverso i canali voltaggio-dipendenti. Nelle fibre vi sono vescicole ripiene di Ca 2+ (store) sulla cui membrana sono inseriti recettori per il Ca 2+. Il legame Ca 2+ -recettore apre canali attraverso i quali esce il Ca 2+. Laumento di Ca 2+ intracellulare innesca la contrazione. E il cosiddetto Ca 2+ induced- Ca2+ release (survival concept), cioè liberazione di Ca 2+ (dagli store) indotta dal Ca 2+ (citosolico) Ca2+ (1 mM) Ca mV Ca 2+ (1 mM) : canale per il Ca 2+ accoppiato a recettore per il Ca 2+, detto anche recettore per la raianodina Ca2+ (1 mM) Store intracellulare di Ca 2+ Canale per il Ca 2+ voltaggio-dipendente Calcium-induced Calcium release, uscita di Calcio indotta dal Calcio: entra il Ca 2+ attraverso i canali, e fa uscire il Calcio dagli store.

25 25 Accoppiamento eccitazione-contrazione Il potenziale dazione innesca la contrazione tramite il Ca 2+ induced-Ca 2+ release Ca 2+ Il Ca 2+ che entra da un canale attiva solo uno store Il Ca 2+ che esce da uno store non influenza il release degli altri store No Troponina C La forza di contrazione è proporzionale allingresso di Ca 2+ IlCa 2+ induced-Ca 2+ release non è un fenomeno tutto-o-nulla.Il sistema Ca 2+ induced-Ca 2+ release è costituito da sottosistemi di Ca 2+ induced- Ca 2+ release, costituiti da canali ionici di membrana e store intracellulari, funzionalmente indipendenti

26 26 Leliminazione del Ca 2+ citosolico pone fine alla contrazione Il Ca 2+ viene riassorbito negli store da una Ca 2+ -ATPasi di membrana, detta SERCA Il Ca 2+ viene estruso da una Ca 2+ -ATPasi di membrana e da uno scambiatore Na + /Ca 2+. In condizioni stazionarie (?) tanto Ca 2+ entra dallesterno, tanto Ca 2+ esce allesterno, tanto Ca 2+ esce nel citosol dagli store, tanto Ca 2+ entra negli store dal citosol. Ma non è sempre così. Bilancio del Na + e del K +, elettrico e di concentrazione: Ca2+ (1 mM) Ca 2+ 3 Na + 2 K + SERCA Ca 2+ ATP-ase Ca 2+ 3 Na + Ca 2+ CICR Ca 2+

27 27 Ritmicità (insorgenza del PdA) La contrazione è innescata dal PdA Il PdaA insorge spontaneamente nel nodo seno-atriale, ad una frequenza di circa 70 i/min Il PdaA insorge spontaneamente nel nodo atrio-ventricolaree, ad una frequenza inferiore Il PdaA insorge spontaneamente nel fascio di His e nelle fibre del Purkinje, ad una frequenza ancora inferiore Dominanza del ritmo più frequente: tutto il cuore si contrae alla maggiore frequenza possibile. Se il nodo SA è intatto, tutto il cuore batte a 70 b/min. Se il nodo SA non funzione, batte a alla frequenza del nodo AV, se il

28 28 Ritmicità (insorgenza del PdA) Il PdA nel nodo seno atriale: 1) Le cellule del tessuto di avviamento (pacemaker) hanno un basso PdM -60 mV 2) A questo V m è attiva una corrente cationica depolarizzante detta I f. I canali cationici della I f sono permeabili al Na + ed al K +. 3)Dopo una prima depolarizzazione dovuta ad If segue una corrente di Ca 2+ voltaggio- dipendente che ad un certo punto diventa fortemente rigenerativa. La depolarizzazione inibisce I f. 4)La depolarizzazione attiva una corrente al K + (tipo delayed) che ripolarizza la cellula. 5) La ripolarizzazione chiude i canali al Ca 2+ ed attiva la I f. Dalle parole al grafico

29 29 Potenziale dazione nel nodo S-A 10 mV I f (cationica) Ca mV I f : attivata dalla ripolarizzazione: Na + e K + I Ca2+ : attivata dalla depolarizzazione, corrente transiente I k+ : attivata dalla depolarizzazione K+K+ K+K+ 0.8 s

30 30 Propagazione del potenziale dazione nel miocardio Nel miocardio le cellule sono connesse tramite gap junctions Il PdA si trasmette da una cellula allaltra mediante correnti elettrotoniche che scorrono attraverso le gj: il cuore si comporta come un sincizio funzionale complesso Sistema di conduzione (e di rallentamento!!) il PdA insorge nel nodo seno-atriale e si propaga velocemente ad entrambi gli atrii Giunto il nodo atrio-ventricolare rallenta ed impiega circa 0.1 s per passare nel vicino fascio di His. Qui invade rapidamente i ventricoli, tramite i due fasci (Dx e Sx) di His e le fibre del Purkinje. Note: gli atri sono separati dai ventricoli da tessuto fibroso. Solo attraverso il nodo atrio-ventricolare leccitamento può passare dagli atri ai ventricoli Velocemente? La propagazione attraverso latrio ed attraverso i ventricoli è molto veloce rispetto alla durata della contrazione La contrazione atriale dura proprio 0.1 s, cosicchè la contrazione atriale è terminata quando iniza leccitamento ventricolare

31 da -90 mV a 0 mV a -90 mV -90 mV Leccitamento si propaga alle cellule adiacenti tramite le gap junction Corrente elettrotonica - 60 mV 0 mV -60 mV Cellula di lavoro Cellula del nodo seno-atriale

32 32 Propagazione del potenziale dazione nel miocardio Rosso: veloce Giallo : lento Nodo seno-atriale Nodo atrio-ventricolare Setto fibroso Fascio di Hiss

33 33 Particolarità metaboliche del miocardio Vedi Testo

34 34 La funzione meccanica del cuore La legge di Poiseuille (relazione tra pressione e flusso) Il flusso F (volume che passa attraverso una sezione di un tubo) si misura in l/min, ml/ore, etc P2-P1= R*F, F=(P2-P1)/R, 1/R=G Il flusso va da pressione maggiore a pressione minore R= 8ηl/ πr 4 (esatta in regime di flusso laminare) Vasi in serie: R T = R 1 +R 2 Vasi in parallelo F T =F 1 +F 2 P1 P2 F 12 F T =F 1 +F 2 1/R T =1/R 1 +1/R 2 G T =G 1 +G 2 F2F2 F1F1 FTFT FTFT l

35 35 Flusso laminare : le molecole hanno bassa velocità vicino alle pareti del vaso. La velocità aumenta andando verso il centro del vaso In ciascun punto del vaso la velocità è costante la velocità è sempre parallela alle pareti del vaso (si muove solo lungo lasse delle X) Esempi Flusso turbolento la velocità non è parallela alle pareti del vaso (si muove lungo gli assi X, Y, Z) Esempi

36 36 Vasi in serie: il flusso è uguale nei due vasi Vasi in parallelo: la differenza di pressione ΔP è identica ai due capi Nei singoli vasi in parallelo il flusso è inversamente proporzionale ad R1, R2,.. Vasi in parallelo: maggiore è il loro numero, minore la R T Caduta di pressione –Procedendo lungo un vaso, la pressione scende (perchè R aumenta) –Lungo il vaso, la caduta di pressione è proporzionale alla R di quel pezzo di vaso P1 R1 P2 R2 P3 R3 P4 F

37 37 Il ciclo cardiaco Il ciclo cardiaco dura, a riposo, 0.8 s: 0.1 sistole atriale, 0.3 sistole ventricolare e diastole atriale, 0.4 diastole atriale e ventricolare. Frequenza= 60 s/0.8s=70 b/m La gettata sistolica è di circa 80 ml, circa 70 ml restano nel ventricolo (volume telesistolico Volume telediastolico=150 ml Riempimento Ventricolare –70 ml circa sono residui dalla sistole precedente –60 ml affluiscono durante la diastole –20 ml affluiscono durante la sistole atriale Sistole ventricolare Alla fine della sistole atriale si chiudono le valvole atrio-ventricolari Sistole isometrica, finchè P80 mm/Hg (pressione arteriosa-aortica minima) Quando la P ventricolare è maggiore di quella aortica si apre la valvola aortica. Efflusso, rapido, poi lento, Pmax 120 mm/Hg Quando la P ventricolare è minore di quella aortica si chiude la valvola aortica (allincirca, alla fine della sistole). Diastole isometrica Riempimento Il flusso è regolato (on-off) da valvole unidirezionali aperte o chiuse a seconda della ΔP ai lati della valvola. I muscoli papillari si contraggonono durante la sistole ventricolare ed impediscono alla valvola di aprirsi nellaltro senso.

38 38 Pressioni nel ventricolo Dx: stesso andamento temporale, ma minore ampiezza (0-30 mm/Hg) Pressioni atriali (v. figura) Pressione arteriosa grande circolo ( mm/Hg); pressione ventricolo SX: mm/Hg Pressione arteriosa massima piccolo circolo (circa 30 mm/Hg) (Casella-Taglietti)

39 39 (Casella-Taglietti)

40 40 (Casella-Taglietti) I soffi sono dei rumori non percepibili senza lausilio di strumenti (il fonendo). Sono generati, a seconda dei casi, dalla contrazione muscolare, dalla chiusura delle valvole, dal flusso turbolento.

41 41 Toni cardiaci: –Primo tono (sistolico): chiusura valvole A-V e contrazione ventricolare –Secondo tono (diastolico):chiusura valvole aortiche e polmonari –Due toni più deboli Soffi cardiaci che si originano da stenosi o insufficienza delle valvole semilunari o A-V Toni cardiaci e soffi cardiaci Lavoro nel cuore Statico L=F x dl (dl=spostamento nella direzione della forza) L= P x dV (dV=volume di sangue spostato alla pressione P P=F/S (S=area della sezione) dV= l x S l PS F

42 42 Lavoro dinamico = ½ m V 2 A riposo, il lavoro statico è molto maggiore di quello dinamico

43 43 La funzione meccanica del cuore La legge di Poiseuille (relazione tra pressione e flusso) Il flusso F ( volume che passa attraverso una sezione di un tubo) si misura in l/min, ml/ore, etc P2-P1= R*F, F=(P2-P1)/R, 1/R=G Il flusso va da pressione maggiore a pressione minore R=8ηl/π r 4 (esatta in regime di flusso laminare) Vasi in serie: R T = R 1 +R 2 Vasi in parallelo P1 P2 F 12 F T =F 1 +F 2 1/R T =1/R 1 +1/R 2 G T =G 1 +G 2 F2F2 F1F1 FTFT FTFT l

44 44 Vasi in serie: il flusso è uguale nei due vasi Vasi in parallelo: la differenza di pressione (ΔP) è identica ai due capi Nei singoli vasi in parallelo il flusso è inversamente proporzionale ad R1, R2,.. Vasi in parallelo: maggiore è il loro numero, minore la R T Caduta di pressione –Procedendo lungo un vaso, la pressione scende (l aumenta) –Lungo il vaso, la caduta di pressione è proporzionale alla R di quel pezzo di vaso P1 R1 P2 R2 P3 R3 P4 F


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