LA FISIOLOGIA Fisiologia: Studio delle funzioni vitali a vari livelli di complessità Funzione (Fisiologia) Struttura (Anatomia) - Livello Molecolare - Livello Cellulare - Livello dei tessuti - Livello di organo - Livello di Sistemi di organi - Livello di organismi - Livello di popolazione

I livelli organizzativi Apparati o Sistemi Organi Tessuti Cellule Organuli Strutture molecolari

Un sistema o apparato è un insieme di organi anche diversi per struttura e per specifica funzione che collaborano tutti insieme per la funzione unica dell’intero apparato. Si possono distinguere apparati della vita di relazione: scheletrico, muscolare, nervoso che svolgono attività anche volontarie in relazione all’ambiente; apparati della vita vegetativa: cardiovascolare, uropoietico, genitale, digerente, endocrino, che svolgono tutte quelle attività viscerali che assicurano l’omeostasi generale dell’organismo anche indipendentemente dall’ambiente esterno.

Sistemi del corpo umano SistemaOrgani o tessuti rappresentativiFunzione CircolatorioCuore, vasi, sangueTrasporto di materiale tra cellule DigerenteStomaco, intestino, fegato, pancreasTrasformazione del cibo in particelle assorbibili, eliminazione scorie EndocrinoTiroide, surrene, ipofisiCoordinazione funzioni corporee tramite sintesi e rilascio molecole regolatrici ImmunitarioTimo, milza e lifonodiDifesa contro agenti esogeni TegumentarioCuteProtezione agenti esterni Muscolo-scheletricoMuscoli, ossaSostegno e movimento NervosoCervello, midollo spinaleCoordinazione funzioni tramite segnali elettrici e rilascio neuro-trasmettiori RiproduttivoOvaie e utero, testicoliConservazione della specie RespiratorioPolmoni, via aereeScambio di O 2 e CO 2 tra ambiente esterno ed interno UrinarioReni, vescicaRegolazione acqua e soluti nell’ambiente interno; eliminazione di scorie Fisiologia come scienza integrativa

la cellula…...è l’unità fondamentale della materia vivente

La cellula è l’unità fondamentale di tutti i viventi Tutti gli organismi sono formati da cellule (gli organismi unicellulari sono formati da una sola cellula,gli organismi pluricellulari sono formati dall’unione di più cellule specializzate per compiere diverse funzioni) Ogni cellula deriva da una cellula preesistente (ogni cellula è in grado di produrre cellule uguali a se stessa attraverso la riproduzione)

Le cellule… …sono le unità costitutive delle piante e degli animali …sono prodotte dalla suddivisione di preesistenti cellule …sono le più piccole unità che svolgono tutte le funzioni fisiologiche vitali (unità di misura: micron 1/1000 di mm) …mantengono la propria omeostasi La tendenza dei sistemi fisiologici a stabilizzare le condizioni interne

Una distinzione importante - Eucarioti o cellule superiori Tutte le cellule degli organismi pluricellulari, nonché alcuni organismi unicellulari (protozoi) - Procarioti o batteri Cellule “vere” ma prive di membrana nucleare e di organuli citoplasmatici - Virus Forme di vita non cellulari Composti unicamente da un acido nucleico e un capside proteico

LA CELLULA PROCARIOTEEUCARIOTE Senza nucleo distinto Ridotto numero di organuli Nucleo distinto (presente la membrana nucleare) Numerosi organuli ANIMALEVEGETALE

LA CELLULA è costituita da: MEMBRANA PLASMATICA MATERIALE NUCLEARE CITOPLASMA (citosol + organuli) MitocondriRibosomi Apparato di Golgi Reticolo endoplasmatico (liscio e rugoso) Lisosomi e vacuoliCloroplasti Citoscheletro

STRUTTURA DELLA CELLULA STRUTTURAFUNZIONI membrana cellulare Protezione e passaggio selettivo di sostanze citoplasma Sede attività metaboliche della cellula organelli Mitocondri: produzione energia e respirazione cellulare. Ribosomi: produzione delle proteine Apparato di golgi: rielaborazione e secrezione delle sostanze prodotte Lisosomi: spazzini cellulari Reticolo endoplasmatico: trasporto macromolecole Microtubuli e microfilamenti: citoscheletro Centrioli: riproduzione cellulare membrana nucleare Avvolge e protegge il nucleo nucleo Dirige e controlla ogni attività cellulare, compresa la sua riproduzione. Contiene: - cromosomi (DNA) - nucleoli (RNA)

Una cellula “tipica” tutte le cellule possiedono: - membrana cellulare - citoplasma - organelli - nucleo

principali costituenti chimici della cellula carboidrati lipidi sali minerali proteine acidi nucleici ACQUA H2O 70-80% Elettroliti Proteine 10-20% Lipidi 20% Carboidrati 1%

Le strutture membranarie della cellula impediscono la commistione del contenuto dei singoli organuli con il citoplasma e con il liquido extracellulare. Membrana: cellulare o plasmalemma 5% nucleare del reticolo endoplasmatico 50% dei mitocondri dei lisosomi dell’apparato di Golgi

Reticolo Endoplasmatico Nucleo Perossisoma Lisosoma Apparato Del Golgi Mitocondrio Membrana plasmatica Vescicola Compartimenti circoscritti da membrana

Membrana plasmatica: Generalità Costituisce il limite esterno della cellula e svolge funzioni di: –Isolamento fisico –Regolazione degli scambi –Sensibilità –Supporto strutturale

Le proteine di membrana 1) Integrali 2) Periferiche Soprattutto glicoproteine Proteine canale (pori) Proteine carrier Enzimi I lipidi di membrana Doppio strato di fosfolipidi I carboidrati di membrana: il glicocalice 90% glicoproteine 10% glicolipidi Funzioni: Carica – Adesione tra cellule diverse Recettori per altre molecole Recettori per il riconoscimento immunitario integrali periferiche superfice extracell. Superfice citosolica Glicoproteina transmembrana glicolipide citosol

Struttura della membrana Liquido extracellularecanale citoplasma proteine Doppio strato fosolipidico

Tutte le membrane biologiche sono bilayers di fosfolipidi Le proteine in ciascun tipo di membrana le conferiscono proprietà uniche

Il doppio strato fosfolipidico “coda” (idrofoba) “testa” (idrofila) …acqua… “sigillo” impermeabile

Molecole indesiderabili, microorganismi ecc. Molecole nutritizie Componenti intracellulari Molecole nutritizie desiderabili Prodotti metabolici inutili Dogana La membrana plasmatica è una barriera selettiva

Funzioni della membrana plasmatica Ricevere informazione Import-export di molecole Capacità di movimento ed espansione

Proprietà della membrana 1. Barriera Selettiva - Circondare la cellula per mantenere organelli, enzimi, metaboliti e certi ioni all’interno 2. Contenere sistemi enzimatici – metabolismo energetico ecc. (mitocondrio) 3. Contenere sistemi di trasporto – portare molecole nutritizie all’interno e mantenere le concentrazioni degli ioni 4. Contenere siti specifici di riconoscimento – scambio di informazione

Quali funzioni sono associate ai vari componenti? Lipidi: - Barriera idrofobica Proteine: - Trasporto Specifico - Riconoscimento e comunicazione - Conversione di energia Carboidrati: - Riconoscimento e comunicazione

Proteine di membrana Nelle cellule animali, il 50% della massa del plasmalemma sono proteine Le proteine di membrane hanno molte funzioni: Trasportatori CollegamentoRecettoriEnzimi Membrane differenti esprimono proteine differenti  funzioni differenti SPAZIO EXTRACELLULARE CITOSOL

intra-extra la membrana plasmatica separa l’interno della cellula dallo spazio extracellulare il fluido che riempie la cellula (citoplasma) ha una composizione diversa dal fluido extracellulare

Il citoplasma Il citoplasma e' la sostanza viscosa compresa tra la membrana cellulare e l'involucro nucleare. E' formata da acqua, sali minerali e sostanze organiche citosol. Al suo interno sono localizzati gli organuli.

Citoplasma K+ Na+ Proteine e aminoacidi liquido extracellulare carboidrati lipidi Consistenza simile ad uno “sciroppo” o ad una gelatina alcune componenti si trovano in concentrazioni maggiori all’interno della cellula altre sono più concentrate nello spazio extracellulare

in che modo vengono generate e mantenute le differenti concentrazioni di sostanze fra liquido extracellulare e citoplasma?

Le “vie” di passaggio Citoplasma Fluido extracellulare Citoplasma Liquido extracellulare la diffusione attraverso la membrana può avvenire attraverso il doppio strato fosfolipidico oppure attraverso i canali proteici

le “vie” di passaggio attraverso la membrana plasmatica         

Permeabilità del bilayer lipidico bilayer lipidico I gas diffondono rapidamente gas O 2 CO 2 N 2 piccole molecole polari non cariche glicerolo etanolo Col tempo, piccole molecole polari non cariche diffondono attraverso un bilayer lipidico grosse molecole polari cariche amino acidi glucosio nucleotidi ioni H +,Na +, HCO 3 -,K + Ca 2+,Cl, Mg 2+ Grosse molecole polari non cariche, molecole polari cariche e ioni non permeano ioni Molecole solubili nei lipidi tendono a diffondere molecole lipofile ormoni steroidei

Proteine di trasporto 2 principali classi di proteine di trasporto: Proteine Carrier Legano il soluto da un lato della membrane e lo trasportano dall’altro lato con un cambiamento di conformazione della proteina Proteine Canale Formano pori idrofilici nella membrana attraverso cui certi ioni possono diffondere solutoione bilayer lipidico sito di legame del soluto poro idrofilo Grosse molecole polari non cariche, molecole polari cariche e ioni

COMUNICAZIONE TRA CELLULA E AMBIENTE TRASPORTO PASSIVO DIFFUSIONE SEMPLICE: passaggio di molecole piccole (Acqua, Ossigeno, Anidride carbonica) secondo gradiente cioè da una maggiore a una minore concentrazione. DIFFUSIONE FACILITATA: (sono necessarie proteine integrali di membrana) Proteine canale Proteine trasportatrici il passaggio di molecole attraverso la membrana senza spesa di energia, secondo gradiente (da una zona ipertonica ad una ipotonica). TRASPORTO ATTIVO (sono necessarie proteine integrali di membrana)Si definisce passaggio attivo il passaggio di molecole attraverso la membrana con la spesa di energia sotto forma di ATP. (è necessaria energia) UNIPORTO COTRASPORTO: SIMPORTO, ANTIPORTO CONTRO GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE

OSMOSI: si verifica in presenza di una membrana semipermeabile che non si lascia attraversare dai soluti. Si osserva il passaggio dell’acqua contro gradiente cioè da un ambiente ipotonico (minor concentrazione) a un ambiente ipertonico (maggior concentrazione) nel tentativo di raggiungere l’equilibrio (soluzioni isotoniche) ENDOCITOSI (fagocitosi - pinocitosi) ENDOCITOSI MEDIATA DA UN RECETTORE ESOCITOSI

TRASPORTO PASSIVO se molti “individui” sono concentrati in una spiaggia… …e il passaggio dall’una all’altra è libero... …i bagnanti tenderanno rapidamente a distribuirsi in numero approssimativamente uguale nelle due spiagge

Richiede molta energia, ma consentono di spostare sostanze contro un gradiente di concentrazione Processo di trasporto attivo

TRASPORTO PASSIVO ED ATTIVO

TRASPORTO ATTIVO

TRASPORTO PASSIVO DIFFUSIONE SEMPLICE Il doppio strato lipidico delle membrane impedisce il passaggio alla maggior parte delle molecole polari (ioni, piccole molecole organiche..) Permette invece il passaggio alla maggior parte delle molecole idrofobe e a piccole molecole La diffusione semplice è possibile per: O 2, CO 2, urea, etanolo ( CH 3 CH 2 OH) per piccole molecole polari come H 2 O (il glucosio, invece, diffonde molto lentamente )

DIFFUSIONE FACILITATA Le molecole che non possono attraversare il doppio strato lipidico per semplice diffusione come ad esempio: il glucosio e gli ioni (che non attraversano mai il doppio strato lipidico a causa della carica elettrica) lo attraversano grazie alle: Proteine trasportatrici Proteine canale TRASPORTO PASSIVO

Proteine canale Non devono legare il soluto, ma formare un poro idrofilo per il passaggio del soluto nel doppio strato lipidico. Proteine trasportatrici Si legano al soluto specifico e subiscono dei cambiamenti di conformazione in modo da trasferire attraverso la membrana il soluto legato.

I canali ionici I canali ionici trasportano ioni inorganici (sino ad 1 milione di ioni/sec) con un trasporto di tipo passivo secondo gradiente. Sono selettivi per un determinato ione (a diversità dei pori acquosi), che deve avere carica e dimensione adatta a passare nel canale. Fluttuano tra uno stato aperto ed uno chiuso.

Trasporto attivo Il trasporto avviene attraverso proteine trasportatrici (e non canali) che sono accoppiate ad una fonte di energia metabolica, come l’idrolisi dell’ATP. Si ha il trasporto attivo quando il passaggio di un soluto avviene contro il gradiente di concentrazione o, se ioni carichi si spostano contro il gradiente elettrochimico

TRASPORTO ATTIVO DIFFUSIONE CONTRO IL GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE POMPA SODIO-POTASSIO

POMPA SODIO-POTASSIO La pompa Na+/K+ è un antiporto che sposta Na+ fuori dalla cellula (3 ioni) e K+ dentro (2 ioni). Consuma un terzo delle risorse energetiche di una cellula. Il trasporto e’ accoppiato all’idrolisi di ATP.

POMPA SODIO-POTASSIO

TRASPORTO PASSIVO L’OSMOSI L’osmosi è il movimento dell’H 2 O da una zona dove il soluto è più diluito verso una zona dove il soluto è più concentrato. L’H 2 O tende a diluire le soluzioni sino all’equilibrio.

OSMOSI Il processo continua fino a che la pressione esercitata dal dislivello fra i due scomparti fa si che il numero di molecole di acqua che passano da sinistra a destra sia uguale al numero di molecole di acqua che passano da destra a sinistra

PRESSIONE OSMOTICA È la pressione che, applicata alla soluzione, arresta l’osmosi verso di essa del solvente puro Dipende dal dislivello tra i due scomparti che aumenta fino a raggiungere un valore tale che la pressione in più da esso esercitata controbilancia la tendenza delle molecole dell’acqua a passare dallo scomparto del solvente puro a quello dell’acqua salata

Osmolarità L’osmolarità è un’unità di misura della concentrazione delle soluzioni usata in chimica, ed in particolare è il numero totale di molecole e ioni presenti in un litro di soluzione. E’ definita come il numero di osmoli per litro di soluzione, dove l’osmole è l’unità di misura del numero di particelle che contribuiscono alla pressione osmotica della soluzione.

ENDOCITOSI FAGOCITOSI PINOCITOSI ENDOCITOSI MEDIATA DA RECETTORI

ESOCITOSI Vescicola sinaptica non ancorata Ammasso di proteine nella membrana della vescicola sinaptica Il “poro di fusione” (canale ionico) si allarga, la membrana della vescicola sinaptica si fonde con la membrana presinaptica Ancoraggio della vescicola sinaptica alla membrana Ammasso di proteine nella membrana presinaptica

Nucleo cellulare Componente essenziale della cellula (struttura assente nei procarioti) Contiene il materiale genetico (DNA) Sede di meccanismi indispensabili alla riproduzione cellulare e alla sintesi proteica

il nucleo svolge un ruolo cruciale nel controllo della vita della cellula e nel processo di divisione cellulare entrambe le funzioni dipendono strettamente dall’acido desosiribonucleico (DNA) contenuto nel nucleo all'interno dei 46 cromosomi ( 46 per la specie umana)

Posizione - eccentrica: la gocciola lipidica spinge il nucleo dell’adipocita verso la periferia - centrale: in questo neurone, il nucleo si trova in posizione centrale rispetto al corpo cellulare il citoscheletro forma un’impalcatura che mantiene stabile la posizione del nucleo

Numero Le cellule sono, nella maggior parte dei casi, mononucleate Le cellule sono, nella maggior parte dei casi, mononucleate Talvolta binucleate (epatiche, cartilaginee) Talvolta binucleate (epatiche, cartilaginee) Talvolta plurinucleate (fibre muscolari scheletriche, osteoclasti) Talvolta plurinucleate (fibre muscolari scheletriche, osteoclasti)

Il mitocondrio è delimitato da una doppia membrana; quella interna è ripiegata formando creste mitocondriali immerse nella matrice in cui sono presenti i ribosomi e filamenti di DNA. La principale funzione dei mitocondri è quella di produrre energia sotto forma di ATP, dalla demolizione dei carboidrati in ambiente aerobico (respirazione cellulare).

Il ribosoma è formato da due sub unità di RNA e proteine; partecipa alla sintesi proteica ed è localizzato nel reticolo endoplasmatico rugoso.

L’apparato di Golgi è costituito da un’insieme di sacchi appiattiti impilati e connessi tra loro. La principale funzione dell’apparato di Golgi è quella di “impacchettare” (conferire alle proteine una struttura terziaria o quaternaria) e smistare le sostanze prodotte dal reticolo endoplasmatico. I materiali prodotti vengono distribuiti attraverso vescicole di trasporto per mezzo dell’esocitosi.

I lisosomi, vescicole prodotte dall’apparato di Golgi come centro di digestione e di riciclaggio di molecole grazie alla presenza nel loro interno di enzimi digestivi.apparato di Golgi

Il citoscheletro è composto da filamenti e tubuli (microtubuli) che sostengono e assicurano una posizione ai singoli organelli. Conferisce una forma alla cellula.