Insegnamento di Fisiologia 1 by CInbY41w

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									          Insegnamento di Fisiologia
      1. Fisiologia generale

                Claudio Babiloni
Dipartimento di Fisiologia Umana e Farmacologia
       Università di Roma “La Sapienza”
Notizie utili
   Testo consigliato: Carlson N., Fondamenti di Psicologia
    Fisiologica, V edizione, ed. it. a cura di L. Petrosini, L.
    De Gennaro e C. Guariglia, Casa Editrice Piccin 2003.

   Figure di questa lezione prese dai testi (i) Eusebi e Gatti,
    Fisiologia e Scienza dell’Alimentazione, Masson, 1998;
    (ii) Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998; (iii) Gertmann e
    Stanfield, EdiSES, 2003. Copie dei lucidi disponibili su
    sito WEB
    http://hreeg.ifu.uniroma1.it/Education2/Materiale_didatti
    co.htm

   Indirizzo email: claudio.babiloni@uniroma1.it


Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Selezione naturale:
all’interno di una specie si
osserva una notevole
variabilità di
caratteristiche
morfologiche e fisiologiche
tra i vari esemplari
(espressione della
variabilità genetica); la
pressione selettiva
ambientale provoca la
sopravvivenza dei soli
esemplari che si adattano
all’ambiente

       Le giraffe che hanno il collo più lungo hanno più possibilità di nutrirsi (adattamento
  all’ambiente), cosicchè di generazione in generazione si selezione una popolazione di giraffe
              con il collo sempre più lungo (finchè questo favorisce l’adattamento)
Claudio Babiloni, Fisiologia generale
 Deriva genetica:
 all’interno di piccole
 popolazioni la
 sopravvivenza dei
 membri può dipendere
 da eventi casuali
 (accidentali) più che
 dall’avere la dotazione
 genetica piu’ favorevole
 all’adattamento rispetto
 alla pressione ambientale




Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Effetto del fondatore: un evento casuale può isolare pochi membri
di una specie in un nuovo ambiente e può darsi che quei pochi
membri non fossero quelli con la dotazione genetica più adatta alla
pressione dell’ambiente; si osservano cosi’ maggiori casi di
malformazioni etc.




Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Evoluzione dal ratto alla scimmia: si espandono le
regioni cerebrali “associative” non devolute all’analisi
sensoriale e all’esecuzione dei movimenti




Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Evoluzione dalla scimmia
all’Uomo: si espandono le
regioni cerebrali
“associative” non devolute
all’analisi sensoriale e
all’esecuzione dei
movimenti




Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Evoluzione in razze di arvicole (roditori): la pressione
ambientale seleziona caratteristiche cerebrali (volume
dell’ippocampo) e comportamentali (ampiezza del
territorio, promiscuità sessuale)




Claudio Babiloni, Fisiologia generale
L’evoluzione degli ominidi agli uomini: dalla stazione eretta
allo sviluppo di nuove caratteristiche cerebrali e abilità
comportamentali




Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Il più antico ominide: Sahelanthropus tchadensis

  NOME
                     Sahelanthropus
                     tchadensis

  COMPARSA           7 milioni di anni fa




  SCOMPARSA          5 milioni di anni fa




  INDIRIZZO          Africa



  PESO               ?



  STATURA            ?




  CAPACITA'CRANICA   ?


Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Il più antico antenato degli uomini: l’Australopithecus
(“Lucy”)
 NOME               Australopithecus afarensis

 COMPARSA           4,1 milioni di anni fa




 SCOMPARSA          3 milioni di anni fa




 INDIRIZZO          Africa



 PESO               30/45 Kg



 STATURA            1/1.5 m



                    380/550 cc (34.4% del dell’Homo
                    sapiens, sapiens)
 CAPACITA'CRANICA




Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Transizione ominide-uomo(“Homo abilis”): un gene ferma la
produzione di acido N-glycolylneuramine, il cervello è accresciuto,
appaiono i primi strumenti (battere, schiacciare, scavare)
 NOME               Homo habilis

 COMPARSA           2.5 milioni di anni fa




 SCOMPARSA          1.6 milioni di anni fa



                    Africa (Great Rift Valley system
 INDIRIZZO
                           dell’Africa est)


 PESO               40 Kg



 STATURA            1.4 m




                    640 cc (47.4% del dell’Homo
 CAPACITA'CRANICA
                    sapiens, sapiens)



Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Homo “erectus” ( “ergaster”,“erectus”): cervello e corpo sono
accresciuti, si crea una cultura tecnologica (armi, fuoco) e si
spinge oltre l’Africa
 NOME               Homo erectus

 COMPARSA           1,8 milioni di anni fa




 SCOMPARSA          500.000 mila anni fa




 INDIRIZZO          Africa, Europa, Asia



 PESO               60/70 Kg



 STATURA            1.6/1.8 m




 CAPACITA'CRANICA   1000 cc (74% dell’Homo sapiens, sapiens)




Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Homo “sapiens arcaicus”: l’antenato degli uomini moderni
(Homo “neanderthalensis” e “sapiens”)
 NOME               Homo sapiens arcaicus

 COMPARSA           500.000 mila anni fa




 SCOMPARSA          130.000 mila anni fa




 INDIRIZZO          Africa, Europa, Asia



 PESO               60 Kg



 STATURA            1.5/1.6 m




                    1200 cc (88% dell’Homo sapiens, sapiens)
 CAPACITA'CRANICA




Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Homo “di Neanderthal”: cervello e corpo più grandi, vive in piccoli
gruppi, ha il culto dei morti, un linguaggio essenziale, domina
l’Europa per 250.000 anni nella morsa delle ere glaciali, si estingue
dopo il contatto con l’Homo “sapiens, sapiens”
 NOME               Homo neanderthalensis

 COMPARSA           500.000 mila anni fa




 SCOMPARSA          130.000 mila anni fa




 INDIRIZZO          Europa, Asia



 PESO               65 Kg


                    1.6 m
 STATURA



                    1245/1740 cc
                     (110% dell’Homo sapiens, sapiens)
 CAPACITA'CRANICA


Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Homo “sapiens, sapiens”: creatività e linguaggio molto
sviluppati promuovono arte, cultura, tecnologia, ampi gruppi
sociali, commercio e armi fino a dominare il pianeta
 NOME               Homo sapiens arcaicus

 COMPARSA           200.000 mila anni fa




 SCOMPARSA          (non estinto))




 INDIRIZZO          Tutto il pianeta



 PESO               70 Kg



 STATURA            1.7/1.8 m




 CAPACITA'CRANICA   1350 cc



Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Concetti chiave sull’organizzazione dell’organismo
 Sistema fisiologico: insieme di organi, ognuno costituito da tessuti cellulari (epiteliale, nervoso, muscolare e
 connettivo). Organismo (umano): insieme di sistemi fisiologici che operano in un “ambiente interno” separato
 da un “ambiente esterno” mediante la barriera cute. Compartimenti dell’organismo: barriere principalmente
 epiteliali e membrane cellulari dividono l’organismo in compartimenti che contengono liquido (acqua corporea
 totale = volume totale di acqua formato da liquido intra-cellulare e liquido extra-cellulare; liquido extra-
 cellulare = plasma sanguineo, linfa e liquido tra le cellule o interstiziale). Il problema del rifornimento delle
 cellule dell’organismo: l’ambiente esterno e’ troppo lontano perché le cellule possano direttamente assumere
 sostanze/gas vitali e riversarvi i rifiuti metabolici. Sostanze/gas vitali e rifiuti devono prima raggiungere il
 liquido che circonda ogni cellula = il “mezzo interno” (plasma sanguineo per le cellule del sangue e liquido
 interstiziale per le altre cellule). Il sangue scambia sostanze/gas vitali e rifiuti con il “mezzo interno”
 (passano la parete capillare fino allo spazio interstiziale e, infine, passano la membrana cellulare). Il primo
 principio organizzativo dell’organismo: l’omeostasi per la sua sopravvivenza (dinamico mantenimento di
 composizione e temperatura del “mezzo interno”). Sistemi fisiologici impegnati nell’omeostasi: sistema
 respiratorio polmonare = scambio di gas vitali (ossigeno e anidride carbonica) tra l’ambiente esterno e il
 sangue; sistema gastrointestinale = assunzione e digestione di sostanze vitali dall’ambiente esterno ed
 espulsione dei rifiuti nell’ambiente esterno attraverso le feci; sistema cardiovascolare = circolazione del sangue
 che trasporta sostanze/gas vitali per le cellule e i loro prodotti/rifiuti; sistema renale e urinario = controllo del
 volume e della composizione del sangue ed escrezione dei rifiuti nell’ambiente esterno attraverso le urine;
 sistema endocrino = regolatore dei sistemi fisiologici; sistema nervoso = controllo del comportamento e
 regolatore del sistema endocrino e degli altri sistemi fisiologici; sistema immunitario = difesa dell’organismo da
 virus, batteri e sostanze tossiche che alterano il “mezzo interno”. Meccanismi di regolazione dei sistemi
 fisiologici: controllo a feed-back e forward. Il secondo principio organizzativo fondamentale
 dell’organismo: la riproduzione per la sopravvivenza della specie (sviluppo delle cellule germinali e dei
 sistemi riproduttivi, ricerca del partner, accoppiamento, fecondazione, gravidanza, parto e cure parentali).
Claudio Babiloni, Fisiologia generale
La cellula: la più piccola unità vivente



 Cellula: la più
 piccola unità vivente,
 specializzata per svolgere
 le diverse funzioni
 dell’organismo. Vi sono 4
 tipi di cellule: nervosa,
 muscolare, epiteliale,
 connettivale. Vi sono
 diversi tipi di cellule
 connettivali (es. cellule del
 sangue, delle ossa, della
 glia, etc.)
   Fig. 1.2 di Germann-Stanfield,
  Fisiologia umana, EdiSES, 2003




Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Sistema fisiologico: insieme di organi, ognuno
costituito da tessuti cellulari
                                        Fig. 2.6 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998
    Tessuto: formato da cellule
 di un unico tipo

    Organo: i tessuti si
 combinano per formare gli organi.
 L’organo cuore è formato da
 tessuto muscolare, tessuto nervoso
 (nervi), tessuto epiteliale
 (valvole), e tessuto connettivo
 (tendini valvolari)

 Sistema       fisiologico:
 più organi formano un sistema di
 organi o sistema fisiologico. Ad
 esempio, il sistema
 cardiovascolare è formato dal
 cuore e dai vasi sanguinei




Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Organismo umano: un insieme di sistemi fisiologici
operanti in un “ambiente interno”
 Sistemi      fisiologici:
 operano in un “ambiente interno”
 separato da un “ambiente esterno”
 mediante la cute, principalmente
 formata dai tessuti epiteliale e
 connettivale

 Compartimenti idrici
 dell’organismo: barriere
 principalmente epiteliali (es. parete
 dei capillari) e membrane cellulari
 dividono l’organismo in
 compartimenti che contengono
 liquido. Acqua corporea totale =
 volume totale di acqua formato da
 liquido intra-cellulare e liquido
 extra-cellulare

 Liquido extra-                                                Fig. 1.1 di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998
 cellulare:
 è formato da plasma sanguineo, linfa e liquido tra le cellule (liquido interstiziale)
Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Il sangue come vettore per rifornire e liberare dai rifiuti il
“mezzo interno”
 Il   rifornimento: l’ambiente esterno e’ troppo lontano perché le cellule possano direttamente
 assumere sostanze/gas vitali e riversarvi i rifiuti metabolici. Sostanze/gas vitali e rifiuti devono prima
 raggiungere il liquido che circonda ogni cellula = il “mezzo interno” (plasma sanguineo per le cellule del
 sangue e liquido interstiziale per le altre cellule)
    Il sangue: riceve sostanze/gas vitali da, e riversa rifiuti per, l’ambiente esterno tramite polmoni (gas
 vitali) e tubo digerente (acqua, elettroliti e nutrienti). Riversa rifiuti nell’ambiente esterno anche tramite
 i reni (acqua, elettroliti). Trasporta elementi del sistema immunitario e segnali chimici per le cellule
 (ormoni)
 Il   “mezzo interno”: le sostanze/gas vitali che entrano ed escono dalle cellule sono trasportate dal
 sangue e attraversano parete (cellule endoteliali) o pori capillari, lo spazio (liquido) interstiziale e la
 membrana cellulare. Sangue e liquido interstiziale costituiscono il “mezzo interno”, sede degli scambi




   Fig. 13.12 di Germann-
 Stanfield, Fisiologia umana,
        EdiSES, 2003




Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Il primo principio organizzativo dell’organismo:
l’omeostasi del “mezzo interno”
 L’omeostasi:
 dinamico mantenimento di
 volume, composizione,
 temperatura e acidità del
 “mezzo interno” (plasma
 sanguineo e liquido
 interstiziale), come
 condizione essenziale per la
 sopravvivenza
 dell’organismo

 Differenze       “in”-
 “out”: Tra “mezzo
 interno” (“outside”) e
 liquido intra-cellulare
 (“inside”) esistono notevoli
 differenze di concentrazione
 di sostanze/ioni. Molta
 energia della cellula e’
 deputata al mantenimento
 (omeostasi) di tali
 concentrazioni
Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Sistemi fisiologici impegnati nell’omeostasi
 S.   polmonare: scambio di gas vitali
 (ossigeno e anidride carbonica) tra l’ambiente       Fig. 1.3 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003
 esterno e il sangue; bilancia l’acidità del sangue

    S. gastrointestinale: assunzione di
 acqua, nutrienti e sali inorganici dall’ambiente
 esterno; digestione dei nutrienti; espulsione dei
 rifiuti nell’ambiente esterno attraverso le feci

 S.   cardiovascolare: circolazione del
 sangue che trasporta sostanze/gas vitali per le
 cellule e i loro prodotti/rifiuti

 S.   renale e urinario: controllo del
 volume e della composizione del sangue ed
 escrezione dei rifiuti nell’ambiente esterno
 attraverso le urine; bilancia l’acidità del sangue
 S.   endocrino: regolatore dei sistemi
 fisiologici
 S.   nervoso: controllo del comportamento
 e regolatore del sistema endocrino e degli altri
 sistemi fisiologici
 S.   immunitario: difesa dell’organismo
 da virus, batteri e sostanze tossiche
Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Il secondo principio organizzativo dell’organismo: la
riproduzione per la sopravvivenza della specie
  Oltre l’omeostasi: la riproduzione. Alcuni organi del sistema riproduttivo non hanno nessun
 ruolo nel mantenimento dell’omeostasi per la sopravvivenza dell’organismo. La loro asportazione non provoca
 nessun effetto nella capacità dell’organismo di regolare volume, temperatura, composizione e acidità del
 “mezzo interno”. Tali organi seguono un altro importante principio organizzativo: la riproduzione
  I comportamenti riproduttivi: costituiscono la categoria più importante dei comportamenti sociali,
 poiché, senza di essi, la maggioranza delle specie non sopravvivrebbe. Questi comportamenti, che includono il
 corteggiamento, l’accoppiamento, la cura della prole e la maggior parte delle forme di comportamento
 aggressivo, rappresentano le categorie più singolari dei comportamenti sessualmente dimorfici, cioè che
 differiscono a seconda del genere di appartenenza

  Riproduzione contro omeostasi: alcuni comportamenti riproduttivi mettono a rischio la vita
 dell’organismo. Si pensi alla diffusione delle malattie per contagio sessuale dovute a rapporti sessuali non
 protetti con persone a rischio di infezione. In questi casi prevale l’istinto (forte motivazione inconsapevole) di
 garantire la sopravvivenza della specie e della propria prole anche a discapito della propria vita. Vi sono
 numerosi esempi di adulti che hanno rischiato la vita per salvare la vita di bambini




Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Sistemi fisiologici impegnati nella riproduzione
                                                                  Fig. 8.8 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998
 S. riproduttivo: apparato per
 l’accoppiamento e la gestazione
 femminile; sviluppo delle cellule
 germinali, produzione di ormoni
 sessuali
 S. nervoso di relazione:
 rappresentazione di mondo esterno,
 bisogni e aspettative del partner,
 strategie comportamentali per ricerca
 del partner, corteggiamento,
 accoppiamento, parto e cure parentali
 .   S. nervoso autonomo:
 controllo dell’attività erettile del pene
 e dell’eiaculazione
    S. neuroendocrino: regolatore
 degli ormoni sessuali per sviluppo
 delle cellule germinali, sviluppo e
 controllo dell’apparato riproduttivo,
 facilitazione dei circuiti nervosi per
 ricerca del partner, corteggiamento,
 accoppiamento, parto e cure parentali
                             Fig. 8.1 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998    Fig. 8.4 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998

Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Meccanismi di regolazione dei sistemi fisiologici
                                         Fig. 1.6 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003
 Regolazione  a feed-
 back negativo: un sensore
 rileva il valore attuale della
 variabile fisiologica (es.
 temperatura corporea), manda il
 segnale ad un centro integrativo che
 compara tale valore con quello(i) di
 riferimento (set point). In caso di
 differenza, viene mandato un
 segnale di errore a effettori che
 agiscono per portare il valore della
 variabile al valore di riferimento o
 entro l’intervallo dei valori di
 riferimento. E’ il meccanismo di
 controllo fisiologico più diffuso
 nell’organismo
 Regolazione          a feed-
 back positivo: la differenza
 del valore della variabile rispetto a
 quello(i) di riferimento innesca un
 segnale di errore che promuove
 processi volti ad aumentare ancora
 di più quella differenza
                                                          Fig. 9.4 di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998
Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Concetti chiave sui trasporti attraverso le membrane cellulari

 Differenze di composizione del liquido intra ed extra-cellulare: sono dovute alle caratteristiche delle
 membrane cellulari. La struttura della membrane cellulare: è formata da due strati di fosfolipidi con le
 “code” idrofobe e le “teste” idrofile verso il liquido intra ed extra-cellulare. Le funzioni della membrana
 cellulare dipendono dalle proteine. Le proteine che attraversano la membrane (“integrali”) costituiscono
 canali per l’acqua e gli ioni idratati come anche trasportatori e pompe per il passaggio di sostanze/ioni. Le
 proteine su una faccia della membrana (“periferiche”) facilitano i processi biochimici (enzimi), captano ioni e
 biomolecole (recettori) o hanno funzioni strutturali associate al citoscheletro. Trasporto attraverso la
 membrana: passivo o “in discesa” (= senza consumo di energia ATP) per differenza di concentrazione
 (gradiente chimico) o carica elettrica (gradiente elettrico) tra i due lati della membrana; attivo (consumo di ATP)
 o “in salita” contro tali gradienti. Trasporto senza proteine: diffusione semplice (“in discesa”) per agitazione
 termica casuale di gas e soluti liposolubili mediante soluzione nei costituenti lipidici della membrana.
 Caratteristiche del trasporto tramite proteine: lentezza, numero limitato di “sedili” (saturazione) ed effetti di
 specificità e competizione tra i soluti trasportati. Trasporto passivo mediante proteine canali o
 trasportatrici: diffusione facilitata o “in discesa” di zuccheri, aminoacidi e ioni in direzione del gradiente
 chimico o elettrico (es. entrata del glucosio attraverso la membrana muscolare). Trasporto attivo mediante
 proteine: Trasporto attivo primario “in salita” (con consumo di energia ATP) contro un gradiente chimico o
 elettrico (es. pompa K+/Na+ nella membrana nervosa e muscolare). Trasporto attivo secondario “in salita”
 sfruttando il movimento di un altro soluto lungo il suo gradiente chimico-elettrico (es. scambio di Na+ verso
 l’interno e di Ca++ verso l’esterno nella membrana muscolare; si consuma energia ATP per portare fuori il
 Na+). Trasporto mediante vescicole: endocitosi (invaginazione della membrana che racchiude i soluti) ed
 esocitosi (fusione di vescicole e membrana ed espulsione di soluti). Pressione osmotica: spinge l’acqua
 (solvente) dal lato della membrana in cui vi sono più soluti (ioni/biomolecole) rispetto che acqua. L’osmosi di
 acqua non è “diffusione” ma “pressione” perché non dipende dalla concentrazione assoluta di acqua ma da
 quella dei soluti rispetto all’acqua.
Claudio Babiloni, Fisiologia generale
La membrana cellulare: struttura e funzioni
                                             Fig. 1-2 di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998
 Membrana cellulare: le sue
 caratteristiche determinano la
 differenze di composizione del
 liquido intra- ed extra-cellulare
 .   Struttura: è formata da due strati
 di fosfolipidi con le “code” idrofobe e
 le “teste” idrofile verso il liquido
 intra- ed extra-cellulare. Vi sono
 canali per il passaggio di piccole
 molecole (es. l’acqua)
 Funzioni: dipendono dalle
 proteine. Le proteine che attraversano
 la membrane (“integrali”)
 costituiscono canali per gli ioni,
 trasportatori e pompe per il passaggio
 di sostanze/ioni. Le proteine su una
 faccia della membrana (“periferiche”)
 facilitano i processi biochimici
 (enzimi), captano ioni e biomolecole
 (recettori) o hanno funzioni strutturali
 associate al citoscheletro                 Fig. 1.1 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998



Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Trasporto attivo e passivo attraverso la membrana

  Trasporto passivo: o “in
 discesa” (= senza consumo di energia
 ATP). Si attua per differenza di
 concentrazione (gradiente chimico
 dovuto ad agitazione termica casuale
 dei soluti) o carica elettrica (gradiente
 elettrico) tra i due lati della membrana.
 Il gradiente può essere espresso dal
 concetto di forza chimica e forza
 elettrica
 Diffusione semplice di
 molecole liposolubili: per
 soluzione nei costituenti lipidici della
 membrana (acidi grassi, ormoni
 stereoidei, ossigeno, anidride carbonica
 e vitamine liposolubili). Non richiede
 consumo di ATP (“in discesa”) e la
 mediazione di proteine di membrana
                                              Fig. 4.1 di Germann-Stanfield,    Fig. 4.3 di Germann-Stanfield,
    Trasporto attivo: richiede              Fisiologia umana, EdiSES, 2003    Fisiologia umana, EdiSES, 2003
 consumo di ATP perché si svolge “in
 salita” contro i suddetti gradienti.
 Servono proteine di membrana
Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Trasporto attraverso la membrana con proteine trasportatrici (I)

                                             Fig. 1-4 Costanzo, Fisiologia,
  Generalità: le proteine                           EdiSES, 1998
 trasportatrici hanno un numero
 limitato di “sedili” (saturazione)
 e possono portare solo certi tipi
 di soluti (effetti di specificità e
 competizione tra tali soluti). La
 velocità di trasporto e’ più lenta
 rispetto alla diffusione semplice
 Diffusione “facilitata”:                Fig. 4.11 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003

 “in discesa” (senza ATP) in
 direzione del gradiente chimico
 (es. entrata del glucosio
 attraverso la membrana
 muscolare)
 Trasporto attivo
 primario: “in salita” (con
 consumo di energia ATP) contro                       Pompa
 un gradiente chimico o elettrico                     K+/Na+
 (es. pompa K+/Na+ nella
 membrana nervosa e muscolare)
                                       Fig. 1.2 di Eusebi-Gatti,
                                       Fisiologia, Masson, 1998

Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Trasporto attraverso la membrana con proteine trasportatrici (II)

 Trasporto attivo
 secondario: “in salita” sfruttando
 il movimento “trainante” di un altro           Fig. 1-7. di Costanzo,
 soluto lungo il suo gradiente chimico-       Fisiologia, EdiSES, 1998
 elettrico (es. scambio di Na+ verso
 l’interno e di Ca++ verso l’esterno
 nella membrana muscolare; si
 consuma energia ATP per portare
 fuori il Na+). Cotrasporto se il soluto
 trasportato va nella stessa direzione di
 quello “trainante”. Controtrasporto in
 caso contrario                                Fig. 1-8. di Costanzo,
 Trasporto mediante                         Fisiologia, EdiSES, 1998

 vescicole: endocitosi
 (invaginazione della membrana che
 racchiude i soluti) ed esocitosi
 (fusione di vescicole e membrana ed
 espulsione di soluti)

                                            Fig. 1.7 di Eusebi-Gatti,
                                            Fisiologia, Masson, 1998



Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Osmosi
                                        Fig. 1-9 di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998

 Pressione
 osmotica: spinge
 l’acqua (solvente) dal lato
 della membrana in cui vi
 sono più soluti
 (ioni/biomolecole) che
 acqua
 L’osmosi di acqua non è
 “diffusione”              ma
 “pressione” perché non
 dipende                 dalla
 concentrazione assoluta di
 acqua ma da quella dei
 soluti rispetto all’acqua




Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Concetti chiave su potenziali di membrana, conduzione e
trasmissione dell’informazione nel sistema neuro-muscolare
 Potenziali di diffusione ed equilibrio: i canali proteici si aprono/chiudono variando la loro conduttanza a specifici ioni, in funzione del potenziale di
 membrana o del contatto tra ligandi e recettori di membrana. Il flusso di ioni attraverso la membrana genera un potenziale di diffusione ai suoi due lati.
 Tale flusso continua fino al potenziale di equilibrio (= equilibrio tra forze chimiche ed elettriche agenti sugli ioni). Potenziale di membrana a riposo:
 in una cellula nervosa o muscolare a riposo il potenziale è negativo all’interno della membrana rispetto all’esterno (circa -70 mV),. La negatività dipende
 dalle proteine negative (anioni) del citosol troppo grandi per attraversare la membrana e dall’azione di pompe ioniche che portano più Na+ e Ca++ fuori
 che K+ dentro la cellula. A riposo, la conduttanza al K+ e’ molto più alta di quella al Na+, per questo non entra Na+ a dispetto delle forze elettriche e
 chimiche verso l’interno della cellula. Potenziali d’azione: quando la polarità negativa del potenziale di membrana si riduce (depolarizzazione) oltre
 circa -40 mV, si aprono bruscamente i canali potenziale-dipendenti del Na+ (aumento della conduttanza). L’entrata brusca di Na+ riduce ulteriormente
 la negatività, fino a valori positivi del potenziale di membrana. La brusca apertura dei canali potenziale-dipendenti del K+ determina la rapida uscita del
 K+ (toglie positività all’interno della cellula) e valori di elevata negatività di membrana (iperpolarizzazione). L’apertura di canali potenziale-dipendenti
 del Ca++ (entra Ca++) ripristina il potenziale a riposo. Conduzione del potenziale d’azione: il potenziale di azione in un punto della membrana fa
 aprire i canali potenziale-dipendenti del Na+ nel punto vicino rigenerando il potenziale d’azione. La comunicazione tra cellule muscolari cardiache
 mediante sinapsi elettrica: canali proteici (giunzioni strette) collegano il citosol di due cellule vicine, permettendo la propagazione del potenziale
 d’azione. La comunicazione tra neuroni mediante sinapsi chimica: l’arrivo del potenziale d’azione al terminale nervoso determina l’apertura di
 canali potenziale-dipendenti del Ca++, l’entrata del Ca++, la migrazione di vescicole di neurotrasmettitore verso la membrana pre-sinaptica, il rilascio
 per esocitosi del neuro-trasmettitore nello spazio sinaptico, il contatto tra neurotrasmettitore (ligando) e recettore post-sinaptico, l’apertura/chiusura di
 canali ligando-dipendenti con effetti sul flusso ionico transmembranario e sul potenziale post-sinaptico. Giunzione neuromuscolare. La sinapsi tra
 neurone e membrana muscolare è caratterizzata da neurotrasmettitore acetilcolina e recettori post-sinaptici collegati a canali ionici per Na+ K+ Ca++.
 Ogni potenziale d’azione del neurone determina un potenziale d’azione sulla membrana della fibra muscolare e una contrazione muscolare. Struttura
 del muscolo scheletrico. Ordinata sequenza di unità funzionali (sarcomeri) in cui un motoneurone innerva piu’ fibre muscolari (unità motoria). Le fibre
 muscolari (multi-nucleate) sono costituite da proteine contrattili (actina, miosina), proteine regolatrici e una rete tubolare. Tale rete è formata da un
 tubulo trasverso come invaginazione della membrana muscolare e da un reticolo sarcoplasmico con cisterne terminali contenenti Ca++. Contrazione nel
 muscolo scheletrico. Il potenziale d’azione si propaga lungo la membrana muscolare (ingresso di Ca++ extracellulare) e il tubulo trasverso (rilascio di
 Ca++ intracellulare). Il Ca++ modifica le proteine regolatrici e scopre sull’actina i siti di legame per la miosina. La biomolecola energetica ATP
 modifica la miosina e fa scorrere la miosina sull’actina (contrazione muscolare). L’ATP fa distaccare la miosina dall’actina (nuovo ciclo). Il pompaggio
 del Ca++ nel reticolo endoplasmico ripristina la conformazione delle proteine regolatrici e il rilascio muscolare. Muscolo cardiaco: rispetto al muscolo
 scheletrico, il potenziale d’azione è piu’ duraturo e l’entrata del Ca++ intracellulare innesca il rilascio del Ca++ delle cisterne terminali sarcoplasmiche.
 Muscolo liscio: rispetto al muscolo scheletrico, la fibre sono nucleate, non c’e sequenza di sarcomeri e manca il tubulo trasverso. Processo a tre stadi
 dell’ossidazione del glucosio: rappresenta una importante fonte di energia in forma di ATP ed è costituito da glicolisi, ciclodi Krebs e fosforilazione
 ossidativa. Creazione di energia mediante il sistema creatina/creatinfostato: copra la spesa energetica per un periodo di qualche secondo
 tempo necessario per produrre ATP da altre fonti energetiche. Metabolismo dei grassi e delle proteine per la produzione di energia: la
 gluconeogenesi


Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Potenziale di membrana
 Canali della membrana: si
 aprono/chiudono variando la loro
 conduttanza a specifici ioni, in
 funzione del potenziale di membrana
 o del contatto tra ligandi e recettori
 di membrana                               Fig. 1-10 di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998

 Potenziali di diffusione: il
 flusso di ioni attraverso la membrana
 genera un potenziale di diffusione ai
 suoi due lati. Esempio (Fig.): vi è più
 Na+Cl- nel comparto di sinistra e una
 membrana permeabile solo al Na+.
 Per differenza di concentrazione
 (forza chimica) il Na+ passa nel
 comparto di destra sviluppando li un
 potenziale positivo
 Potenziale di equilibrio:
 Tale flusso continua fino al potenziale
 di equilibrio della membrana, che
 rappresenta l’equilibrio tra forze
 chimiche ed elettriche agenti sugli
 ioni (nell’esempio: Na+)

Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Potenziale di membrana a riposo
 Negatività      della membrana
 a riposo: in una cellula nervosa o        Fig. 1.3 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998
 muscolare a riposo il potenziale è
 negativo all’interno della membrana
 rispetto all’esterno (circa -70 mV)
  Sbilanciamento di cariche
 elettriche dai due lati della
 membrana: tale negatività dipende
 dalle proteine negative (anioni) del
 citosol, troppo grandi per attraversare
 la membrana, e dall’azione di pompe
 ioniche che portano più Na+ e Ca++
 fuori che K+ dentro la cellula
  Permeabilità agli ioni
 (conduttanza) della
 membrana: a riposo, la
 conduttanza al K+ e’ molto più alta di
 quella al Na+, per questo non entra
 Na+ a dispetto delle forze elettriche e
 chimiche verso l’interno della cellula


Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Potenziale di azione
                                           Fig. 1.5 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998
 Entrata del Na+ e
 depolarizzazione: quando la
 polarità negativa del potenziale di
 membrana a riposo si riduce
 (depolarizzazione) oltre circa -40 mV,
 si aprono bruscamente i canali
 potenziale-dipendenti del Na+
 (aumento della conduttanza).                                    Neurone o muscolo
 L’entrata brusca di Na+ riduce                                     scheletrico
 ulteriormente la negatività, fino a
 valori positivi del potenziale di
 membrana (ripolarizzazione)
 Uscita del K+ ed
 iperpolarizzazione: la brusca
                                                       Muscolo cardicaco. Il
 apertura dei canali potenziale-
                                                      potenziale d’azione è più
 dipendenti del K+ determina la rapida
                                                       duraturo per l’apertura
 uscita del K+ (toglie positività
                                                     prolungata dei canali Ca++
 all’interno della cellula) e valori di
 elevata negatività di membrana
 (iperpolarizzazione). L’apertura di
 canali potenziale-dipendenti del Ca++
 (entra Ca++) ripristina il potenziale a
 riposo
Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Conduzione del potenziale d’azione
                                           Fig. 1-14 di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998
 Propagazione del
 potenziale d’azione. A: nel
 segmento iniziale dell’assone del
 neurone il potenziale d’azione è
 associato all’entrata di Na+ e alla
 conseguente depolarizzazione (fino a
 polarità positiva). Nei segmenti vicini
 si osserva il potenziale negativo a
 riposo. B: Forze elettrochimiche
 spingono le cariche positive interne
 verso il segmento vicino inattivo. C:
 L’arrivo delle cariche positive
 depolarizza il sito vicino oltre la
 soglia, causa l’apertura dei canali
                                           Fig. 1.6 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998
 potenziale-dipendenti del Na+
 rigenerando il potenziale d’azione
 Tipi di propagazione: la
 propagazione del potenziale d’azione
 e’ punto per punto (A) nell’assone
 privo di mielina e (B) per salti in
 corrispondenza dei nodi de-
 mielinizzati nell’assone mielinizzato


Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Rapida trasmissione del potenziale d’azione tra cellule
muscolari cardiache: la sinapsi elettrica
 Le giunzioni strette: sono                Fig. 2.27 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003
 canali proteici (giunzioni strette o
 comunicati) che collegano il citosol
 di due cellule muscolari cardiache
 vicine. Esse permettono il passaggio
 di ioni e piccole molecole e, quindi,
 la rapida propagazione del potenziale
 d’azione (si noti la differenza rispetto
 alle giunzioni tramite filamenti inter-
 cellulari con funzione di stretto
 ancoraggio tra le cellule muscolari
 cardiache: desmosomi)
  Sinapsi elettrica: è il piccolo
 spazio tra le cellule, costituito dalle
 giunzioni strette. Le sinapsi elettriche
 impediscono una modulazione della
 trasmissione tra le cellule
 dell’informazione portata dal
 potenziale d’azione (il potenziale
 d’azione passa direttamente). Esse
 sono rare nel sistema nervoso
 dell’uomo


Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Trasmissione del potenziale d’azione tra cellule nervose: la
sinapsi chimica
 Sinapsi chimica: separa la                Fig. 7.2 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003
 membrana pre- e post-sinaptica. Il
 messaggero neuro-trasmettitore
 (aminoacido, peptide) attraversa la
 sinapsi. Si può modulare la
 trasmissione al momento di sintesi,
 invio, ricezione e degradazione del
 neuro-trasmettitore
  Le fasi della trasmissione
 sinaptica: arrivo del potenziale
 d’azione (bottone pre-sinaptico),
 apertura di canali potenziale-dipendenti
 del Ca++, entrata di Ca++, migrazione
 di vescicole di neurotrasmettitore verso
 la membrana pre-sinaptica, esocitosi
 del neuro-trasmettitore nella sinapsi,
 ricezione del neurotrasmettitore
 “ligando” (membrana post-sinaptica),
 apertura/chiusura di canalali ligando-
 dipendenti con effetti sul flusso ionico
 transmembranario e sul potenziale
 post-sinaptico, degradazione e
 ricaptazione del neurotrasmettitore
Claudio Babiloni, Fisiologia generale
 
Meccanismi di trasduzione nelle sinapsi chimiche

 Risposte  veloci a livello dei           Fig. 7.3 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003

 canali ligando-dipendenti: la
 ricezione del neurotrasmettitore
 “ligando” fa aprire/chiudere il canale
 ionico (generalmente K+, Na+, Ca++)
 Risposte lente ad
 accoppiamento diretto: la
 ricezione del neurotrasmettitore
 “ligando” determina l’apertura del
 canale ionico tramite la mediazione
 della proteina G (moltiplicano gli
 effetti)
 Risposte lente mediate da
 secondi messaggeri: la ricezione
 del neurotrasmettitore “ligando”
 determina l’apertura del canale ionico
 tramite la mediazione della proteina G
 e l’ulteriore intervento di enzini e
 secondi messaggeri intra-cellulari (che
 possono inoltre innescare sintesi di
 nuovi recettori etc.)

Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Sinapsi inibitorie ed eccitatorie
 Sinapsi  eccitatorie veloci e             Fig. 7.4 di Germann-Stanfield, Fisiologia    Fig. 7.5 di Germann-Stanfield,
                                                      umana, EdiSES, 2003               Fisiologia umana, EdiSES, 2003
 potenziale post-sinaptico
 eccitatorio: il neurotrasmettitore
 “ligando” fa aumentare la
 concentrazione di cariche positive
 (K+, Na+, Ca++) all’interno della
 membrana post-sinaptica con effetto
 gradualmente depolarizzante
 “eccitatorio” sul potenziale post-
 sinaptico (es. più entrata di Na+ che
 uscita di K+)
  Sinapsi inibitorie veloci e
 potenziale post-sinaptico
 inibitorio: il neurotrasmettitore
 “ligando” fa aumentare la
 concentrazione di cariche negative
 (es. entrata di Cl-, uscita di K+)
 all’interno della membrana post-
 sinaptica con effetto gradualmente
 iper-polarizzante “inibitorio” sul
 potenziale post-sinaptico (es. uscita di
 K+)
Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Trasmissione neuromuscolare
 Giunzione oplacca                        Fig. 1.8 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998

 neuromuscolare: è la sinapsi tra
 il terminale pre-sinaptico del
 motoneurone alfa (controlla la
 contrazione muscolare) e una zona
 specializzata con molte pliche della
 fibra muscolare (membrana post-
 sinaptica)
 Fasi: arrivo del potenziale
 d’azione (bottone pre-sinaptico),
 apertura di canali potenziale-
 dipendenti del Ca++, entrata di Ca++,
 migrazione di vescicole di
 acetilcolina (ACh) verso la membrana
 pre-sinaptica (neurone), esocitosi
 dell’ACh nella sinapsi, ricezione
 dell’ACh sulla membrana post-
 sinaptica (placca motoria), apertura di
 canali per cationi (K+, Na+, Ca++),
 potenziale post-sinaptico eccitatorio,
 potenziale d’azione (fibra muscolare),
 degradazione dell’ACh dell’enzima              Fig. 1-15 di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998
 acetilcolinesterasi (AChE)
Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Il muscolo scheletrico
 Struttura: il muscolo è costituito        Fig. 1.15 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998
 da fascicoli muscolari intercalati da
 tessuto connettivo. Ogni fascicolo è
 costituito da fibre muscolari
 (polinucleate: molti nuclei che
 condividono il citoplasma) avvolte
 dal sarcolemma. Ogni fibra
 muscolare è formata da miofibrille
 avvolte dal reticolo sarcoplasmatico.
 Ogni miofibrilla mostra un’ordinata
 sequenza di unità funzionali
 (sarcomeri). Ogni sarcomero presenta
 miofilamenti proteici contrattili spessi
 e sottili, delimitati da due dischi
 (linee Z). Si riconoscono le bande I e
 H (filamenti sottili) e le bande A
 (sovrapposizione di filamenti sottili e
 spessi). Un moteneurone spinale alfa
 innerva più fibre muscolari, che
 costituiscono l’unità motoria
 Proteine: filamenti spessi =
 “miosina”; filamenti sottili = “actina”
 e proteine regolatrici tropomiosina e
 troponina
Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Rete tubulare (tubulo trasverso e reticolo sarcoplasmatico) e
contrazione del muscolo scheletrico
    Rete tubolare: è formata da un tubulo trasverso (tubulo a T), una invaginazione della membrana
 muscolare (sarcolemma), e da un reticolo sarcoplasmatico con cisterne terminali contenenti Ca++ intra-
 cellulare. Un tubulo trasverso e ai suoi lati le due cisterne terminali del reticolo sarcoplasmatico costituiscono
 una “triade” funzionale. Il tubulo trasverso e’ caratterizzato da una proteina-recettore voltaggio-dipendente, la
 cui attivazione al giungere del potenziale d’azione fa aprire il canale per il Ca++ intra-cellulare posto nelle
 cisterne terminali del reticolo sarcoplasmatico


 Il   meccanismo dello scorrimento dei filamenti: la contrazione muscolare si associa al
 restringimento delle bande I e della zona H della miofibrilla, che riflettono l’actina. Al contrario, la banda A che riflette
 principalmente la miosina non cambia lunghezza (= non vi è contrazione della miosina). Inoltre, si avvicinano tra loro
 le linee (strie) Z, che delimitano il sarcomero della miofibrilla. La generalizzazione del fenomeno determina
 l’accorciamento di miofibrille, fibre muscolari, fascicoli muscolari e dell’intero muscolo. Questa descrizione mostra
 che la contrazione muscolare dipende dallo scorrimento dei filamenti di miosina su quelli dell’actina (e non dalla
 contrazione dei filamenti)




Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Accoppiamento eccitazione-contrazione
 Fasi    di un singolo evento: 1. L’acetilcolina                   Fig. 1-24 di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998
 liberata dal neurone si lega ai recettori della placca motrice
 e da luogo al potenziale d’azione muscolare. 2. Il
 potenziale d’azione viaggia sulla superficie della
 membrana muscolare (= ingresso di Ca++ extra-cellulare) e
 in profondità lungo il tubulo trasverso (T). 3. I recettori
 voltaggio-dipendenti del tubulo trasverso aprono i canali
 Ca++ delle cisterne del reticolo sarcoplasmatico (= rilascio
 di Ca++ intra-cellulare); 4. Ca++ soprasoglia si lega alla
 troponina spostando la tropomiosina e scoprendo
 sull’actina i siti per la testa della miosina. 5. La testa della
 miosina (forma ad alta energia) si innalza fino a legarsi
 all’actina. Si stacca un fosfato e la testa della miosina si
 piega tirando l’actina verso il centro del sarcomero (“colpo
 di forza” e contrazione muscolare). Si stacca l’ADP dalla
 miosina (forma a bassa energia) che rimane rigidamente
 legata all’actina. Un nuovo ATP si lega alla testa della
 miosina (che ritorna ad alta energia) e la stacca dall’actina
 (fine di un ciclo dei ponti trasversi). 6. Il Ca++ viene
 pompato attivamente dentro il reticolo sarcoplamatico. 7.
 Sull’actina i siti per la miosina vengono coperti dalla
 tropomiosina. Si consideri che sul filamento di miosina vi
 sono numerose teste (ponti trasversi) che in presenza di
 ATP e Ca++ soprasoglia danno vita a numerosi cicli dei
 ponti trasversi e alla conseguente contrazione muscolare

Claudio Babiloni, Fisiologia generale
La singola scossa muscolare
 Scossa     singola: un motoneurone assieme a tutte le fibre muscolari che innerva viene definito unità motoria. La
 scossa singola è la risposta meccanica di una unità motoria ad un singolo potenziale d’azione. Dato un potenziale
 d’azione la scossa singola è sempre uguale
 Fasi: periodo di latenza (pochi millisecondi) tra la comparsa del potenziale d’azione nel sarcolemma e la
 contrazione muscolare; fase di contrazione (10-100 millisecondi) dalla fine della latenza al picco della tensione
 muscolare (grammi) e fase di rilasciamento (fino alla tensione nulla). Una stimolazione ad alta frequenza può indurre
 scosse singole con caratteristiche anormali. Muscoli diversi sono caratterizzati da scosse singole con caratteristiche
 diverse in funzione della forza che sono in grado di produrre e della velocità con cui raggiungono il picco della forza

 Tipi   di contrazione: la contrazione isotonica si verifica quando il muscolo genera una forza muscolare
 almeno pari al carico (es. un peso) determinando un accorciamento del muscolo. La contrazione isometrica si verifica
 quando la forza muscolare generata è inferiore al carico (nessun movimento). Si noti l’andamento della tensione




Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Caratteristiche della contrazione muscolare
 Tetano: quando la concentrazione intra-cellulare del Ca++ è elevata, i siti di legame della miosina sull’actina
 restano esposti e la contrazione muscolare diviene sostenuta e prolungata
 Relazione       lunghezza-tensione: la tensione attiva massimale si sviluppa in corrispondenza della
 lunghezza muscolare alla quale si verifica una sovrapposizione ottimale dei filamenti sottili e spessi, che consente la
 formazione del maggior numero possibile di ponti trasversi. La tensione attiva risulta dalla sottrazione della tensione
 passiva (che si sviluppa stirando il muscolo a differenti lunghezze o precarichi) dalla tensione totale (la tensione
 muscolare massima sviluppata partendo da differenti lunghezze)
 Relazione       forza-velocità: velocità dell’accorciamento in funzione della variazione della forza di
 opposizione alla contrazione (postcarico) che viene prefissata (contrazione isotonica). La velocità dell’accorciamento
 dipende dalla velocità alla quale si formano i ponti trasversi di actina e miosina




Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Muscolo cardiaco e potenziali d’azione
 Il muscolo cardiaco: presenta giunzioni strette che rapidamente propagano il potenziale d’azione tra le
 fibre muscolari cardiache. Rispetto al muscolo scheletrico, il potenziale d’azione (150-300 ms) e il periodo
 refrattario del muscolo cardiaco sono di lunga durata per l’apertura dei canali Ca++. La conseguente entrata del
 Ca++ extra-cellulare innesca il rilascio del Ca++ intra-cellulare delle cisterne terminali sarcoplasmatiche che
 con l’ATP sostengono la contrazione muscolare
    Fasi del potenziale d’azione: inversione del potenziale per rapida apertura dei canali del Na+ con
 entrata di Na+; lieve ripolarizzazione iniziale per rapida chiusura dei canali del Na+ e apertura di quelli del K+
 con uscita di K+; stabilizzazione del potenziale d’azione per lenta apertura dei canali Ca++ con entrata di Ca++,
 bilanciata dall’apertura dei canali del K+ con uscita di K+; ripolarizzazione del potenziale per chiusura dei
 canali Ca++ e apertura di quelli K+; potenziale di membrana a riposo per apertura dei canali del K+ con entrata
 di K+
  Il nodo senoatriale (SA): diversamente dalle altre fibre cardiache, il nodo SA presenta (1) potenziali
 d’azione spontanei a cadenza automatica; (2) un potenziale di membrana a riposo instabile per lenta apertura di
 canali del Na+ con entrata di Na+; tale entrata determina la depolarizzazione spontanea del potenziale di
 membrana alla base del segnapasso; (3) un’inversione di potenziale rapida per apertura di canali transitori (T)
 del Ca++ con entrata di Ca++, (4) assenza della lieve ripolarizzazione e del successivo plateau. Come per le
 altre fibre, la ripolarizzazione dipende dall’apertura dei canali del K+ con uscita di Ka+




Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Muscolo liscio
 Muscolo liscio: avvolge                 Fig. 11.29 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003
 organi cavi (tratto gastrointestinale,
 vescica, utero), bronchioli, vasi
 sanguinei, uretere e muscoli oculari.
 Rispetto al muscolo scheletrico, la
 fibre sono nucleate, non c’e
 sequenza di sarcomeri (manca la
 striatura) e manca il tubulo
 trasverso. Il muscolo liscio muove
 (es. chimo e urina) e regola la
 tensione (es. vasi sanguinei)
 Il muscolo liscio
 unitario: presenta giunzioni
 comunicanti che rapidamente
 propagano il potenziale d’azione tra
 le fibre muscolari lisce. Esso
 presenta attività spontanee
 segnapassi, definite come onde
 lente (tratto gastrointestinale,
 vescica, utero e uretere)




Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Accoppiamento eccitazione-contrazione del muscolo liscio

 Muscolo liscio multiunitario: (iride, muscolo ciliare e vasi deferenti) come per il muscolo
 scheletrico, ogni unità motoria è indipendente. Tali unità sono regolate da fibre del sistema nervoso simpatico-
 parasimpatico Accoppiamento eccitazione-contrazione: il Ca++ extra-cellulare entra mediante
 canali regolati dal neuro-trasmettitore od ormone come anche dal potenziale di membrana. Il Ca++ intra-
 cellulare esce dal reticolo sarcoplasmatico per effetto di secondi messaggeri (IP3). Si forma il complesso Ca++-
 calmodulina, che si lega alle chinasi delle catene leggere della miosina, dando luogo ai ponti trasversi di actina e
 miosina. Ciò si attua con consumo di un ATP per ciclo. Si ha rilasciamento muscolare quando il Ca++ è ritirato
 nel reticolo sarcoplasmatico da apposite pompe ioniche




Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Energia per la cellula muscolare dal glucosio (I)
 Ossidazione del glucosio: un processo a tre stadi libera energia dal glucosio per sintetizzare ATP: la
 glicolisi e il ciclo di Krebs (fosforilazione del substrato) come anche la fosforilazione ossidativa (aggiunta di
 gruppi fosfati e rimozione di elettroni). Vi partecipano due importanti coenzimi, i quali sono componenti non
 proteiche (cofattori) aggiuntive degli enzimi proteici. I coenzimi non hanno la funzione di facilitare (catalizzare)
 le reazioni chimiche pur partecipando a tali reazioni. Questi coenzimi sono il flavin adenin-dinucleotide (FAD),
 un derivato della vitamina B12 o riboflavina, e il nicotinamide adenosin dinucleotide (NAD*), un derivato della
 vitamina B3 (niacina)
 La glicolisi: avviene nel citoplasma senza bisogno di ossigeno. 1 molecola di glucosio + 2 coenzimi
 NAD* + 2 ADP + 2 gruppi fosfati (Pi) reagiscono chimicamente per produrre 2 ATP. Inoltre, si producono 2
 molecole di piruvato per il ciclo di Krebs e 2 molecole di coenzima ridotto NADH + 2 ioni idrogeno (H+) per la
 fosforilazione ossidativa

 Il ciclo di Krebs: inizia quando il quando il piruvato prodotto dalla glicolisi, in presenza di ossigeno,
 entra nella matrice dei mitocondri e viene trasformato nel coenzima Aacetil CoA durante un passaggio chimico
 di collegamento. In sintesi, 2 molecole di piruvato + 8 NAD* + 2 FAD + 2 ADP + 2 Pi + 6 H2O reagiscono
 chimicamente per produrre 2 ATP. Si producono, inoltre, 6 CO2 + 8 NADH + 8H* + 2 FADH2 . In assenza di
 ossigeno, il piruvato viene convertito in lattato (enzima lattato deidrogenasi), che consente di convertire il
 NADH in NAD* e di alimentare almeno la glicolisi per produrre ATP

 Fosforilazione ossidativa: avviene nella membrana mitocondriale in presenza di ossigeno e si basa
 per gran parte sui coenzimi ridotti (con elettroni da cedere) e sull’anidride carbonica (CO2) prodotti dalla
 glicolisi e dal Ciclo di Krebs. La fosforilazione ossidativa comprende due processi simultanei: (i) la catena di
 trasporto elettronico e (ii) l’accoppiamento chemiosmotico

Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Energia per la cellula muscolare dal glucosio (II)
 La catena di trasporto elettronico : trasporta un flusso di elettroni dai coenzimi donatori (NADH e
 FADH2) all’ossigeno (accettore di elettroni). Per ogni coppia di elettroni del NADH si producono 3 ATP, mentre
 per ogni coppia di elettroni del FADH2 si producono 2 ATP. La scarsità di ossigeno riduce la produzione di ATP
 e i livelli di coenzima NAD* (necessari anche per glicolisi e ciclo di Krebs)
 L’accoppiamento chemiosmotico: stabilisce il legame tra il trasporto elettronico e la sintesi
 dell’ATP. Usa l’energia liberata nella catena di trasporto elettronico per spostare ioni idrogeno attraverso la
 membrana mitocondriale interna (H2) contro il loro gradiente di concentrazione. Tale spostamento attiva
 l’enzima ATP sintetasi che produce ATP mediante trasferimento di un gruppo fosfato (P) nell’ADP. Nella
 fosforilazione ossidativa, 10 NADH + 10 H+ + 2 FADH2 + 34 ADP + 34 Pi + 6 molecole di ossigeno (O2)
 reagiscono chimicamente per produrre 34 ATP. Inoltre si producono 10 NAD* + 2 FAD + 12 H 2O

 Riassunto: 1 molecola di glucosio + 6 O2 → 2 ATP nella glicolisi + 2 ATP nel Ciclo di Krebs
 (fosforilazione del substrato) + 34 ATP nella fosforilazione ossidativa + 6 CO2 + 6 H2O




Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Energia per la cellula muscolare: oltre il glucosio
 Altri zuccheri : fruttosio, saccarosio e mannosio vengono convertiti in prodotti intermedi che possono
 entrare nel processo della glicolisi etc.
 Il metabolismo del glicogeno: il glicogeno è una riserva energetica costituita da molecole (polimero)
 di glucosio legate. Si forma glicogeno (glicogenesi) quando vi è glucosio in eccesso nel sangue. La carenza di
 glucosio innesca il processo contrario di idrolisi del glicogeno (glicogenolisi). Le cellule muscolari scheletriche
 ed epatiche sono particolarmente efficienti in questi processi.
 Metabolismo dei grassi: I grassi (lipidi) sono importanti fonti di energia per produrre ATP disponibili
 in riserve di trigliceridi. Quando vi è bisogno di energia, i trigliceridi vengono scissi (lipolisi) in glicerolo e
 acidi grassi. Quando vi è un eccesso di molecole energetiche, essi sono riconvertiti in trigliceridi (lipogenesi)
    Metabolismo delle proteine: le proteine vengono scisse in aminoacidi (proteolisi), private del gruppo
 amminico e, infine, convertite in piruvato, acetil CoA o in un prodotto intermedio del ciclo di Krebs

 Formazione di nuovo glucosio: la gluconeogenesi produce glucosio da (1) glicerolo, (2) lattato e
 (3) aminoacidi. Glicerolo, lattato e aminoacidi vengono trasformati in prodotti intermedi o finali dei processi di
 fosforilazione del substrato (glicolisi-Ciclo di Krebs). Altri aminoacidi e gli acidi grassi sono convertiti in acetil
 CoA, che entra nel processo di ossidazione del glucosio per produrre ATP. Una molecola di acido grasso
 permette la sintesi di molte più molecole di ATP di quanto non permetta una molecola di glucosio. Il
 catabolismo degli acidi grassi genera un gran numero di coenzimi ridotti che entrano nella catena di trasporto
 elettronico (fosforilazione ossidativa) per produrre ATP. Infine, anche alcuni derivati dell’acetil CoA (chetoni)
 sono utilizzati per produrre ATP



Claudio Babiloni, Fisiologia generale
Il metabolismo della cellula muscolare durante l’esercizio fisico

 Il sistema creatina/creatinfosfato: poiché le scorte cellulari di ATP sono limitate, durante l’attività
 muscolare si riduce l’ATP e aumenta l’ADP. Ciò innesca l’attività enzimatica per produrre ATP. Il fosfato per la
 reazione ADP + P →ATP è accumulato nel creatinfosfato. La produzione di ATP dal creatinfosfato dura qualche
 secondo, tempo necessario per produrre ATP da altre fonti energetiche
 Effetti dell’esercizio moderato e continuo: per i primi secondi si usano le scorte di glicogeno
 muscolare, poi si usa il glucosio e gli acidi grassi provenienti dal sangue. Dopo 30 minuti, la fonte energetica
 principale è costituita dai grassi
    Effetti dell’esercizio intenso: il principale processo energetico è la fosforilazione del substrato, in
 particolare la glicolisi (senza ossigeno). Il piruvato prodotto dalla glicolisi viene trasformato in lattato (alla base
 dei dolori muscolari) quando il piruvato è in eccesso rispetto alle possibilità metaboliche del ciclo di Krebs, per
 esempio per scarsità di ossigeno o per insufficiente velocità dell’ossidazione del glucosio
 Rilassamento muscolare e rigenerazione delle scorte energetiche: Durante il riposo
 muscolare, il lattato nel citoplasma è convertito in piruvato che entra nel ciclo di Krebs per produrre ATP.
 Inoltre, si verificano reazioni chimiche di direzione opposta a quelle che dal glucosio generano ATP. L’ATP è
 usato per fosforilare la creatina in creatinfosfato. Il glucosio inutilizzato viene convertito in glicogeno.
 L’ossigeno non utilizzato viene in parte legato nella mioglobina, una molecola simile all’emoglobina del sangue




Claudio Babiloni, Fisiologia generale
AUTOVALUTAZIONE

Organizzazione dell’organismo
Definizione di sistema fisiologico e di organismo (umano)
Definizione di acqua corporea totale e liquido extra-cellulare
Definizione di “mezzo interno” e di “omeostasi”
Indicare i sistemi fisiologici impegnati nell’omeostasi
Descrivere i meccanismi di regolazione a feed-back e forward dei sistemi fisiologici

Trasporti transmembranari
Descrivere le principali componenti della membrane cellulare
Descrivere il ruolo delle proteine della membrana
Indicare le caratteristiche del trasporto passivo e attivo attraverso la membrana
Indicare la differenza tra cotrasporto e controtrasporto attivo transmembranario
Descrivere i determinanti del gradiente elettrico e chimico che regola i flussi transmembranari degli ioni
Indicare le differenza tra endocitosi ed esocitosi
Definire la pressione osmotica:

Potenziali e trasmissione neuro - muscolare
Definire i potenziali di diffusione ed equilibrio
Indicare le differenze tra potenziale di membrana a riposo e potenziali d’azione
Descrivere il meccanismo di conduzione del potenziale d’azione
Caratterizzare le proprietà della sinapsi elettrica e chimica
Descrivere la giunzione neuromuscolare
Indicare le fasi dell’accoppiamento tra eccitazione della membrana muscolare e contrazione delle fibre del muscolo scheletrico
Descrivere le principali diversità tra muscolo scheletrico, muscolo cardiaco e muscolo liscio
Descrivere il processo a tre stadi dell’ossidazione del glucosio, che rappresenta una importante fonte di energia in forma di ATP
Descrivere il metabolismo dei grassi e delle proteine per la produzione di energia




Claudio Babiloni, Fisiologia generale

								
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