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Corso di Fisiologia. Docente: maristella gussoni Facoltà di medicina e chirurgia Dipartimento di scienze e tecnologie biomediche.

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Presentazione sul tema: "Corso di Fisiologia. Docente: maristella gussoni Facoltà di medicina e chirurgia Dipartimento di scienze e tecnologie biomediche."— Transcript della presentazione:

1 Corso di Fisiologia

2 Docente: maristella gussoni Facoltà di medicina e chirurgia Dipartimento di scienze e tecnologie biomediche

3 Testi consigliati 1) Silverthorn DU, Fisiologia, un approccio integrato. Casa Editrice Ambrosiana Berne e Levy Fisiologia sesta edizione 2) Stanfield C. L., Germann W, Fisiologia. III edizione Casa Editrice: Edises 3) Gussoni, Monticelli, Vezzoli, Dallo stimolo alla sensazione: Fisiologia degli organi di senso. Casa Editrice Ambrosiana Le slide del corso con opportuni commenti

4 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.

5 Plan of the talk Organizzazione del corso e argomenti lezione 1 1.Basi della fisiologia: 1.omeostasi 2.La cellula e la membrana. proprietà

6 Starting point

7 BIOLOGY = SCIENCE of LIFE (from Greek, bios = life, living, + -ology = study of)

8 DEFINING "LIFE Difficult to define, many exceptions Possible to characterize.

9 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

10 Organization Life organized in hierarchy of levels –Smaller levels included within larger –Certain phenomena unique to each level

11 Levels of Organization

12 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

13 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)

14 Metabolism: 10 Characteristics of Life These are the fundamental characteristics (traits) shared by all organisms. Taken together, these 10 characteristics constitute metabolism.

15 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 CO 2 )

16 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)

17 Quali discipline studiano la vita e la sua organizzazione?

18 ANATOMY (ana- apart, + tom- to cut) 1. Study of structures of organisms and relationships among structures. 2. syn. Morphology –(morph- shape, + ology study)

19 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.

20 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.

21 Ambito di pertinenza della fisiologia

22 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!

23 Principio base della fisiologia: Omeostasi o costanza del mezzo interno

24 Omeostasi e variabile regolata Per garantire lomeostasi, le variabili devono essere regolate

25 Lanalogia con il termostato di casa è corretta? SET POINT

26 Regolazione della temperatura corporea Risposta:No!!!!

27 Feedback o retro-azione La regolazione avviene attraverso meccanismi di feedback Feedback significa riportare in ingresso la variabile in uscita

28 Il parto: raro esempio di feedback positivo

29 I confini della fisiologia: Omeostasi e patologia

30 Cellule organi e apparati

31 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

32 La cellula: lunità più piccola della materia vivente Diversi tipi di cellule

33 Elementi costitutivi di una cellula Membrana cellulare Elemento di separazione tra liquido intracellulare ed extracellulare

34 Di che cosa siamo fatti? Acqua (molecola polare) Ioni (Na+, Cl-, K+, Ca++) Proteine (An-) +H+H +H O 2- Compartimenti cellulari

35 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 K+K Ca 2+ 2,510 –4 Cl – HCO 3 – 2410 pH Osmolarità (mOsm/L) 290

36 La membrana cellulare e la presenza dei lipidi Elemento separatore tra I due compartimenti

37 I lipidi

38 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 (O 2, CO 2 ) impermeabile acqua, ioni, zuccheri testa idrofilica coda idrofobica

39 Il problema posto dallesistenza della membrana comporta lo studio dei meccanismi di trasporto attraverso la membrana

40 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

41 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

42 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

43 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 :

44 Apertura e chiusura dei canali

45 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 laltro si chiude Proteina carrier I carriers mediano il trasporto di glucidi, aminoacidi e nucleosidi

46 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.

47 Meccanismi di trasporto di membrana

48 Diffusione esempio

49 Diffusione semplice grad [S ] = S = S A -S B 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 S A = S B Se in una soluzione la concentrazione varia da una fase allaltra si crea un flusso netto

50 Diffusione e Legge di Fick

51 Legge di Fick della diffusione Tenendo conto dello spessore della membrana ( ): P = D / a riposo: P K + >> P Na + La membrana presenta una permeabilità selettiva al passaggio delle sostanze. es: muscolo scheletrico anfibi: P k = cm /sec P Na = 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

52 Meccanismi di trasporto mediato La 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) Passivo no energia metabolica Trasporto attivo (Na + /K + ATP-asi) Spesa metabolica (ATP, O 2 ) capace di pompare una sostanza contro gradiente di potenziale

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

54 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

55 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 dellenergia per la maggior parte delle cellule, ¾ per i neuroni Interno della cellula Spazio extracellulare

56 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

57 Il potenziale di membrana-grafico

58 Equilibrio di Gibbs-Donnan Na + Cl - X-X- Na + Cl - Ione indiffusibile [Na + ]a = [Cl - ]a + [X - ]a; [Na + ]b = [Cl - ]b 8 = ; 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, allequilibrio: 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

59 Può una cellula trovarsi in un equilibrio alla Donnan? Se due soluzioni contengono ioni liberamente diffusibili, allequilibrio, si avrà una distribuzione simmetrica delle concentrazioni Leffetto 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 allequilibrio sarà asimmetrica Lorigine del potenziale di membrana ma non il suo mantenimento OSMOSI conseguenza dellasimmetria

60 Il mantenimento del volume cellulare ingresso H 2 O > uscita Se la pompa viene bloccata con: veleni metabolici (uabaina) bassi livelli di O 2 La cellula si rigonfia rompendosi

61 Equilibrio elettrochimico ione diffusibile: la forza chimica può essere equilibrata dalla forza elettrica Equilibrio elettrochimico Equilibrio: [out] = [in ] R: costante universale gas lavoro necessario per trasportare 1mole dallesterno allinterno contro gradiente di concentrazione. b) Ione: differenza di energia potenziale elettrica W E lavoro che deve essere compiuto contro forze elettriche per trasportare 1 mole attraverso la membrana F costante di faraday m voltaggio transmembrana + a) Sostanza non dotata di carica: Differenza di energia potenziale di concentrazione Wc K+K+ K+K+ - C 6 H 12 O 6 outin C 6 H 12 O 6 Wc WEWE

62 Potenziale elettrochimico e legge di Nernst La differenza di potenziale elettrochimico ( ) è la somma della differenza di energia elettrica e di concentrazione ai lati della membrana. Allequilibrio = 0 A = B equazione di Nernst valida per una qualunque specie ionica in equilibrio fra ambiente extra- ed ambiente intra-cellulare. potenziale di equilibrio stabilisce quale valore deve avere il potenziale di membrana perché lo ione sia in equilibrio Resting potential Na + Eq. Nernst per sodio e potassio 61 log (10) = 61 mV K+ ESEMPIO

63 Potenziale di riposo cellula a riposo: non è in equilibrio ma in uno stato stazionario a spese di energia metabolica


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