Fisiologia (generale ed umana) Sito WEB: unipv.it/webtanzi Orario ed aule Anatomia 9-9.45 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

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

Q= K*(C1-C2)*Superficie*time*T/spessore membrana Richiami di Fisica La diffusione attraverso una membrana ? ? 0 M 1 M 0.5 M 1 M ? ? 2 M 1 M 130mM 3 mM Q= K*(C1-C2)*Superficie*time*T/spessore membrana

? ? Se un compartimento è molto più grande dell’altro? 0 M 1 M 5 M 1 M Che cosa vuol dire 1 M?

La pressione colloido-osmotica od oncotica ΔP=P2-P1 Prot. Prot. La pressione colloido-osmotica od oncotica () è proporzionale alla concentrazione delle proteine. E’ quantificata tramite la differenza di pressione idrostatica (P2-P1) che equilibra la tendenza dell’acqua 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

La differenza di potenziale (V) La Δv è quel parametro che si misura con il voltmetro (definizione operativa) 2) La Δv origina da un’asimmetrica distribuzione spaziale delle cariche Q 3) Se c’è una Δv, sulle cariche agisce una forza, la forza di Coulomb, attrattiva o repulsiva + v1 v2 + + + R1 v1 v2 V2-V1=R1*I (legge di Ohm) I=Q/t

In tutte le cellule vi è una membrana, di natura lipidica, che separa l’ambiente interno da quello esterno. In tutte le cellule la concentrazione delle molecole, all’interno ed all’esterno, è differente. In tutte le cellule vi è una V (≈0  -90 mV) tra l’interno e l’esterno. Interno Esterno (mM) (mM) Na+ 5 140 K+ 140 5 Ca2+ 0.1(M) 2 Cl- 20 130 ATP 2 tracce Numeri magici Le proteine sono presenti solo all’interno delle cellule o nel plasma e, al pH normale (circa 7.3), sono cariche negativamente. pH= log(1/[H+]), pH 7= 10-7 M; pH extrac.=7.4, pH intrac.=7.2

La legge di Nerst V1 V2 V1 V2 ΔV=V2-V1 ΔV=? V1 V2 K+ 0 M K+ 1 M K+ 1 M K+ 1 M K+ 0 M K+ 1 M ΔV=V2-V1 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??? ΔV=? V1 V2 K+ 0.5M K+ 1 M K+ 1 M K+ 1 M Qual è la concentrazione all’ equilibrio? ΔV=V2-V1=RT/ZF*lnC1/C2 Qual è il potenziale che equilibra i flussi causati dalla ΔC? ΔV= VE =RT/ZF*lnC1/C2

La legge di Nerst Ve=RT/ZF*lnC1/C2= 0.061*logC1/C2 (a 37 °C)

Le molecole si muovono disordinatamente a causa dell’agitazione 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?

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 all’altro, 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)

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

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 Nell’uomo la circolazione è doppia, e completa tessuti polmoni A A V V Destro Sinistro

Figura cuore Tipi di vasi Grande Circolo Arterie: conducono il sangue nei vari distretti (vasi di conduzione). L’aorta 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 l’endotelio. L’endotelio ha proprietà anticoagulanti (NO) e partecipa alla risposta immunitaria. Grande Circolo carotide interna: encefalo - Arti superiori -carotide comune Vena Cava super. Arco aortico - Bronchi - Intestino - Reni - Tronco - Arti inferiori - Cuore coronarie Aorta discendente Atrio destro Vena Cava infer. Vene Capillari Arteriole Figura cuore

Il cuore: richiami anatomici 4 cavità, due atri e due ventricoli. Gli atri comunicano con i ventricoli tramite valvole atrio-ventricolari. Il ventricolo sinistro comunica con l’aorta tramite la valvola aortica, quello destro tramite la valvola dell’arteria 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 dell’eccitamento 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: Attività elettrica: due tipi di PdA e la propagazione del PdA Attività contrattile: forza e frequenza di contrazione Irrorazione sanguigna Adattamenti funzionali Patologie

Le cellule cardiache - 90 mV - 90 mV Le cellule cardiache sono lunghe circa 100  e sono collegate da gap junction che consentono il passaggio, tra l’altro, di ioni. Il potenziale d’azione si propaga rapidamente da una cellula all’altra grazie alle gap junction

Eq= RT/ZF x ln(Cout/Cin) : equazione di Nerst Na+= 130 mM Na+= 5 mM K+=4 mM K+= 140 mM Cl-= 130 mM Cl- = 5 mM Ek= - 100 mV ENa= 40 mV Vm=- 90 mV ECl=-90 mV Vm=- 40 mV Vm= 40 mV Vm=- 120 mV Eq= RT/ZF x ln(Cout/Cin) : 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). Eq e Vm sono due concetti differenti. Se Vm=Eq per il K+, allora?? Che cosa succede al movimento degli ioni se Vm=-90 mV, Vm=...

0 mV - 90 mV

Potenziale d’azione cardiaco: tessuto di lavoro chiude IK inward

Potenziale d’azione cardiaco: caratteristiche principali Dura circa 200 ms Rapida depolarizzazione dovuta a canali al Na+ voltaggio-dipendenti Durante il plateau entra Ca2+ 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.

Potenziale d’azione e contrazione Si inattivano canali L Attiva inward rectifier

Potenziale d’azione, contrazione e refrattarietà Attiva inward rectifier

detto anche recettore per la raianodina 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 Ca2+ citosolico modifica la conformazione della troponina C, che rimuove l’inibizione della troponina I: actina e miosina possono interagire ed inizia l’accorciamento dei sarcomeri e lo sviluppo di forza. Nelle fibre cardiache il Ca2+ entra attraverso i canali voltaggio-dipendenti. Nelle fibre vi sono vescicole ripiene di Ca2+ (store) sulla cui membrana sono inseriti recettori per il Ca2+. Il legame Ca2+-recettore apre canali attraverso i quali esce il Ca2+. L’aumento di Ca2+ intracellulare innesca la contrazione. E’ il cosiddetto Ca2+ induced- Ca2+ release (survival concept), cioè liberazione di Ca2+ (dagli store) indotta dal Ca2+ (citosolico) Canale per il Ca2+ voltaggio-dipendente : canale per il Ca2+ accoppiato a recettore per il Ca2+, detto anche recettore per la raianodina Ca2+ (1 mM) Ca2+ Ca2+ Ca2+ (1 mM) - 90 mV Ca2+ (1 mM) Store intracellulare di Ca2+ Calcium-induced Calcium release, uscita di Calcio indotta dal Calcio: entra il Ca2+ attraverso i canali, e fa uscire il Calcio dagli store.

Accoppiamento eccitazione-contrazione Il potenziale d’azione innesca la contrazione tramite il Ca2+ induced-Ca2+ release Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ No No Troponina C Troponina C Il Ca2+ che entra da un canale attiva solo uno store Il Ca2+ che esce da uno store non influenza il release degli altri store La forza di contrazione è proporzionale all’ingresso di Ca2+ IlCa2+ induced-Ca2+ release non è un fenomeno tutto-o-nulla.Il sistema Ca2+ induced-Ca2+ release è costituito da sottosistemi di Ca2+ induced- Ca2+ release, costituiti da canali ionici di membrana e store intracellulari, funzionalmente indipendenti

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

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 ...... .

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 Vm è attiva una corrente cationica depolarizzante detta If. I canali cationici della If sono permeabili al Na+ ed al K+. 3)Dopo una prima depolarizzazione dovuta ad If segue una corrente di Ca2+ voltaggio-dipendente che ad un certo punto diventa fortemente rigenerativa. La depolarizzazione inibisce If. 4)La depolarizzazione attiva una corrente al K+ (tipo delayed) che ripolarizza la cellula. 5) La ripolarizzazione chiude i canali al Ca2+ ed attiva la If . Dalle parole al grafico..............

Potenziale d’azione nel nodo S-A If : attivata dalla ripolarizzazione: Na+ e K+ ICa2+: attivata dalla depolarizzazione, corrente transiente Ik+ : attivata dalla depolarizzazione Ca2+ Ca2+ K+ 10 mV K+ 0.8 s If (cationica) -60 mV

Propagazione del potenziale d’azione nel miocardio Nel miocardio le cellule sono connesse tramite gap junctions Il PdA si trasmette da una cellula all’altra 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 l’eccitamento può passare dagli atri ai ventricoli Velocemente? La propagazione attraverso l’atrio 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 l’eccitamento ventricolare

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

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

Particolarità metaboliche del miocardio Vedi Testo

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/ πr4(esatta in regime di flusso laminare) Vasi in serie: RT = R1+R2 Vasi in parallelo FT=F1+F2 1 2 F1 FT FT F2 FT =F1+F2 1/RT=1/R1+1/R2 GT=G1+G2 P1 P2 F l

Flusso laminare: Flusso turbolento 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 l’asse delle X) Esempi Flusso turbolento la velocità non è parallela alle pareti del vaso (si muove lungo gli assi X, Y, Z)

Caduta di pressione F 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 RT 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

Riempimento Ventricolare 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 P≤80 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 (all’incirca, 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 nell’altro senso.

(Casella-Taglietti) Pressioni nel ventricolo Dx: stesso andamento temporale, ma minore ampiezza (0-30 mm/Hg) Pressioni atriali (v. figura) Pressione arteriosa grande circolo (90-130 mm/Hg); pressione ventricolo SX: 0-130 mm/Hg Pressione arteriosa massima piccolo circolo (circa 30 mm/Hg)

(Casella-Taglietti)

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

Toni cardiaci e soffi 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 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 F S P

Lavoro dinamico = ½ m V2 A riposo, il lavoro statico è molto maggiore di quello dinamico

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 r4 (esatta in regime di flusso laminare) Vasi in serie: RT = R1+R2 Vasi in parallelo 1 2 F1 FT FT F2 FT =F1+F2 1/RT=1/R1+1/R2 GT=G1+G2 P1 P2 F l

Caduta di pressione F 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 RT 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