Corso di Fisiologia

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

1) Silverthorn DU, Fisiologia, un approccio integrato 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 Testi consigliati

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.

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

Starting point

BIOLOGY = SCIENCE of LIFE (from Greek, bios = life, living, + -ology = study of) Diamo una veste connotativa a questa parte del corso

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

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

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

Levels of Organization

Levels of Organization 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 (cont) . Levels of Organization (cont) 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

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

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 CO2)

8. Circulation (movement within body fluids) 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)

Quali discipline studiano la vita e la sua organizzazione?

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

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.

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.

Ambito di pertinenza della fisiologia

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!

Principio base della fisiologia: Omeostasi o costanza del mezzo interno

Omeostasi e variabile regolata Per garantire l’omeostasi, le variabili devono essere regolate

L’analogia con il termostato di casa è corretta? SET POINT

Regolazione della temperatura corporea Risposta:No!!!!

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

Il parto: raro esempio di feedback positivo

I confini della fisiologia: Omeostasi e patologia

Cellule organi e apparati

cellule Fisiologia cellulare Presupposto moderna biologia cellulare: tutti i sistemi biologici cellule replicazione di moduli elementari varie parti insieme organizzato e coordinato. Materia: atomo Organismi viventi: cellula unità fondamentale, strutturale e funzionale organismo completo

La cellula: l’unità più piccola della materia vivente Diversi tipi di cellule

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

Acqua (molecola polare) Ioni (Na+, Cl-, K+, Ca++) Di che cosa siamo fatti? Acqua (molecola polare) Ioni (Na+, Cl-, K+, Ca++) Proteine (An-) +H O2- Compartimenti cellulari

I compartimenti cellulari Sostanza (mEq/L) Liquido extracellulare Liquido intracellulare Na+ 140 14 K+ 4 120 Ca2+ 2,5 10–4 Cl– 105 10 HCO3– 24 pH 7.4 7.1 Osmolarità (mOsm/L) 290 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

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

I lipidi

Le membrane sono tri-stratificate e costituite da lipidi e proteine I tre tipi di lipidi di membrana: Fosfolipidi (70%) Colesterolo (15%) permeabile a sostanze liposolubili (O2, CO2) impermeabile acqua, ioni, zuccheri testa idrofilica coda idrofobica Le membrane sono tri-stratificate e costituite da lipidi e proteine Glicolipidi (10%)

Il problema posto dall’esistenza della membrana comporta lo studio dei meccanismi di trasporto attraverso la membrana

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

Le proteine delle membrane cellulari (1:50) classificazione 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

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 α-eliche attraverso la membrana e domini idrofobici multipli multiple pass

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 :

Apertura e chiusura dei canali

Proteina carrier La proteina ha due cancelli: 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 l’altro si chiude I carriers mediano il trasporto di glucidi, aminoacidi e nucleosidi

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.

Meccanismi di trasporto di membrana

Diffusione esempio

(segno meno: direzione del flusso opposta a gradiente) Diffusione semplice grad [S ] = DS = SA -SB 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 SA = SB Se in una soluzione la concentrazione varia da una fase all’altra si crea un flusso netto

Diffusione e Legge di Fick

Legge di Fick della diffusione Tenendo conto dello spessore della membrana (d): P = D / d a riposo: PK+ >> PNa+ La membrana presenta una permeabilità selettiva al passaggio delle sostanze. es: muscolo scheletrico anfibi: Pk = 10-6 cm /sec PNa = 10-8 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

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, O2) capace di pompare una sostanza contro gradiente di potenziale

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

Pompa Na+- K+ Ciclo pompa Na+-K+ 1. Na+ citosolico 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

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 dell’energia per la maggior parte delle cellule, ¾ per i neuroni Interno della cellula Spazio extracellulare

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 domanda: Possono sostanze distribuite in diversa concentrazione in compartimenti diversi risultare in equilibrio? ? Donnan 3) pompa Na+- K+ elettrogenica

Il potenziale di membrana-grafico

Equilibrio di Gibbs-Donnan Cl- X- Ione indiffusibile 8 6 2 4 [Na+]a = [Cl-]a + [X-]a; [Na+]b = [Cl-]b 8 = 2 + 6 ; 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, all’equilibrio: 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 all’equilibrio

Può una cellula trovarsi in un equilibrio alla Donnan? Se due soluzioni contengono ioni liberamente diffusibili, all’equilibrio, si avrà una distribuzione simmetrica delle concentrazioni Se sono presenti ioni indiffusibili la distribuzione all’equilibrio sarà asimmetrica SPIEGA L’origine del potenziale di membrana ma non il suo mantenimento OSMOSI conseguenza dell’asimmetria L’effetto Donnan è determinato dalla permeabilità selettiva e dal trasporto passivo, ma può essere esaltato o inibito dal trasporto attivo

Il mantenimento del volume cellulare ingresso H2O > uscita Se la pompa viene bloccata con: veleni metabolici (uabaina) bassi livelli di O2 La cellula si rigonfia rompendosi

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 dall’esterno all’interno contro gradiente di concentrazione. b) Ione: differenza di energia potenziale elettrica WE lavoro che deve essere compiuto contro forze elettriche per trasportare 1 mole attraverso la membrana F costante di faraday em voltaggio transmembrana + a) Sostanza non dotata di carica: Differenza di energia potenziale di concentrazione Wc K+ - C6H12O6 out in Wc WE

Potenziale elettrochimico e legge di Nernst La differenza di potenziale elettrochimico (Dm) è la somma della differenza di energia elettrica e di concentrazione ai lati della membrana. All’equilibrio Dm = 0 mA = mB 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 -90 +61 -70 Resting potential Na+ Eq. Nernst per sodio e potassio 61 log (10) = 61 mV K+ ESEMPIO

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