Corso di Fisiologia
Docente: maristella gussoni Facoltà di medicina e chirurgia Dipartimento di scienze e tecnologie biomediche
1) Silverthorn DU, Fisiologia, un approccio integrato. Casa Editrice Ambrosiana 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 potrà seguire un colloquio orale 1) su indicazioni del docente o 2) su richiesta dello studente, nel caso intenda modificare la valutazione conseguita.
Plan of the talk Organizzazione del corso e argomenti lezione 1 1. Basi della fisiologia: 1. omeostasi
2. La cellula e la membrana. proprietà
Starting point
BIOLOGY = SCIENCE of LIFE
(from Greek, bios = life, living, + -ology = study of)
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) .
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)
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
Fisiologia cellulare Presupposto moderna biologia cellulare: tutti i sistemi biologici replicazione di moduli elementari
Organismi viventi: cellula
Materia: atomo
unità fondamentale, strutturale e funzionale organismo completo varie parti insieme organizzato e coordinato.
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
Di che cosa siamo fatti? Acqua (molecola polare) Ioni (Na+, Cl-, K+, Ca++) Proteine (An-)
+
H O2-
+H
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
10
pH
7.4
7.1
Osmolarità
290
290
(mOsm/L)
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: testa idrofilica
coda idrofobica
Fosfolipidi (70%)
Colesterolo (15%)
permeabile a sostanze liposolubili (O2, CO2) impermeabile acqua, ioni, zuccheri
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 attaccate con legami non covalenti con altre proteine o lipidi di membrana, fuoriescono soltanto sulla faccia esterna o su quella interna
Superficie cellulare esterna
Estrinseche o Periferiche
Citoplasma
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
il modo in cui una proteina di membrana si associa con il doppio strato lipidico, riflette la funzione della proteina.
Funzione delle proteine transmembrana: canali o carrier single pass
multiple pass
dominio polare
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
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
Le proteine intrinseche di membrana possono formare CANALI che attraversano la membrana cellulare 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 : ♠ ligandi (canali regolati chimicamente) ♠ stato elettrico della cellula (canali voltaggio dipendenti) ♠ da una modificazione fisica (canali regolati meccanicamente).
Apertura e chiusura dei canali
Ho una bocca da ciascuno dei due lati…
Sostanza da trasportare
Proteina carrier
Ma ne apro solo una alla volta!!!
Proteina di trasporto
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: 1) permeabilità
permeabile: la molecola può attraversarla (presenza di canali e proteine trasportatrici) impermeabile: la membrana non permette il passaggio passivo
2) dispendio energetico
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.
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
Diffusione semplice Se in una soluzione la concentrazione varia da una fase all’altra si crea un
flusso netto
M = - D grad [S ] grad [S ] = ∆ S = SA -SB 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 = SB
Diffusione e Legge di Fick
Legge di Fick della diffusione Prima legge di Fick:
J = - D A dc/dx
J: (moli/t) velocità di diffusione; A: area; dc/dx gradiente di concentrazione;
cm/sec: velocità sostanza attraverso la membrana
Tenendo conto dello spessore della membrana (δ ):
P=D/δ 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
Meccanismi di trasporto mediato La sostanza attraversa la membrana grazie ad uno specifico trasportatore:
Meccanismi di trasporto mediato: Trasporto attivo (Na+/K+ ATP-asi)
Trasporto facilitato (Glucosio)
Passivo
no energia metabolica
Spesa metabolica (ATP, O2)
Differenze capace di pompare una sostanza contro gradiente di potenziale
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.
Proprietà saturazione
competizione
Il trasporto del glucosio mostra saturazione quando tutti I carrier sono occupati
Pompa Na+- K+ 1. Na+ citosolico si lega al trasportatore 7. pompa pronta per nuovo ciclo
6. K rilasciato nel citosol +
2. Il legame inizia idrolisi ATP ad ADP e fosforilazione del trasportatore (legame Pi)
Ciclo pompa Na+-K+ 3.legame Pi: cambiamento conformazionale rilascio Na+ extracellularmente
5.Legame K+ induce rilascio Pi e permette nuovo cambiamento conformazionale
4. I siti di binding del K+ possono essere occupati
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 Spazio extracellulare
Interno della cellula
Origine del potenziale di membrana 1) capacità delle sostanze di attraversare la membrana:
A) • • B)
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 3) pompa Na+- K+ elettrogenica
Possono sostanze distribuite in diversa concentrazione in compartimenti diversi risultare in equilibrio? Donnan
Il potenziale di membrana-grafico
Equilibrio di Gibbs-Donnan 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 b
a 8 Na+
Na+ 4
2 Cl
Cl
-
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
6 XIone indiffusibile
[Na+]a > [Cl-]a; [Na+]a > [Na+]b; [Cl-]a > [Cl-]b [Na+]a + [Cl-]a > [Na+]b + [Cl-]b
In presenza di uno ione indiffusibile ci sono più ioni diffusibili nel compartimento che contiene X-
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 L’effetto Donnan è determinato dalla permeabilità selettiva e dal trasporto passivo, ma può essere esaltato o inibito dal trasporto attivo
L’origine del potenziale di membrana ma non il suo mantenimento
OSMOSI conseguenza dell’asimmetria
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
C6H12 O6
Wc
out
K
+
+
C6H12 O6
in Wc WE
K+
a) Sostanza non dotata di carica: Differenza di energia potenziale di concentrazione Wc lavoro necessario per trasportare 1mole dall’esterno all’interno contro gradiente di concentrazione.
WC = RT(log e[K+ ]i − loge[K+ ]e R: costante universale gas
-
Equilibrio: [out] = [in]
b) Ione: differenza di energia potenziale elettrica WE lavoro che deve essere compiuto contro forze elettriche per trasportare 1 mole attraverso la membrana
WE = ZioneF εm F costante di faraday ε m voltaggio transmembrana
ione diffusibile: la forza chimica può essere equilibrata dalla forza elettrica
Equilibrio elettrochimico
Potenziale elettrochimico e legge di Nernst La differenza di potenziale elettrochimico (∆ µ ) è la somma della differenza di energia elettrica e di concentrazione ai lati della membrana. [K + ]i ∆µ K = Z K F ε m + RT loge + [K ]e All’equilibrio ∆ µ = 0 µ A = µ B equazione di Nernst valida per una qualunque specie ionica in equilibrio fra ambiente extra- ed ambiente intra-cellulare.
εK =
Eq. Nernst per sodio e potassio
+
RT [K ] loge + e ZF [K ]i
Na+
+
Naout( 150mM) IO P εNa = 61log EM + S E Na ( 15 mM ) in
potenziale di equilibrio stabilisce quale valore deve avere il potenziale di membrana perché lo ione sia in equilibrio
61 log (10) = 61 mV K+ + Kout ( 5mM) εK = 61log + K ( 150 mM ) in 1 61log = 61 ( −1.47)= −90mV 30
+61
0 -70 Resting
potential
-90
Potenziale di riposo
cellula a riposo: non è in equilibrio ma in uno ‘stato stazionario’ a spese di energia metabolica