Insegnamento di Fisiologia 1. Fisiologia generale

1. Insegnamento di Fisiologia 1.Fisiologia generale Claudio Babiloni Dipartimento di Fisiologia Umana e Farmacologia Università di Roma “La Sapienza”

2. 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_didattico.htm • Indirizzo email: claudio.babiloni@uniroma1.it

3. 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)

4. 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

5. 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.

6. L’evoluzione degli ominidi agli uomini: dalla stazione eretta allo sviluppo di nuove caratteristiche cerebrali e abilità comportamentali

7. Il più antico ominide: Sahelanthropus tchadensis

8. Il più antico antenato degli uomini: l’Australopithecus (“Lucy”)

9. 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)

10. Homo “erectus” ( “ergaster”,“erectus”): cervello e corpo sono accresciuti, si crea una cultura tecnologica (armi, fuoco) e si spinge oltre l’Africa

11. Homo “sapiens arcaicus”: l’antenato degli uomini moderni (Homo “neanderthalensis” e “sapiens”)

12. 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”

13. Homo “sapiens, sapiens”: creatività e linguaggio molto sviluppati promuovono arte, cultura, tecnologia, ampi gruppi sociali, commercio e armi fino a dominare il pianeta

14. 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).

15. 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

16. Sistema fisiologico: insieme di organi, ognuno costituito da tessuti cellulari • 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 Fig. 2.6 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998

17. 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-cellulare: Fig. 1.1 di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998 è formato da plasma sanguineo, linfa e liquido tra le cellule (liquido interstiziale)

18. 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

19. 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

20. Sistemi fisiologici impegnati nell’omeostasi • S. polmonare: scambio di gas vitali (ossigeno e anidride carbonica) tra l’ambiente 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 Fig. 1.3 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003

21. 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

22. Sistemi fisiologici impegnati nella riproduzione • 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. 8.8 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998 Fig. 8.1 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998 Fig. 8.4 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998

23. Meccanismi di regolazione dei sistemi fisiologici • 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. 1.6 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003 Fig. 9.4 di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998

24. 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. Caratteristichedel 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.

25. La membrana cellulare: struttura e funzioni • 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. 1-2 di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998 Fig. 1.1 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998

26. 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 • Trasporto attivo: richiede consumo di ATP perché si svolge “in salita” contro i suddetti gradienti. Servono proteine di membrana Fig. 4.1 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003 Fig. 4.3 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003

27. Trasporto attraverso la membrana con proteine trasportatrici (I) • Generalità: le proteine 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”: “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 un gradiente chimico o elettrico (es. pompa K+/Na+ nella membrana nervosa e muscolare) Fig. 1-4 Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998 Fig. 4.11 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003 Pompa K+/Na+ Fig. 1.2 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998

28. Trasporto attraverso la membrana con proteine trasportatrici (II) • Trasporto attivo secondario: “in salita” sfruttando il movimento “trainante” 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+). Cotrasporto se il soluto trasportato va nella stessa direzione di quello “trainante”. Controtrasporto in caso contrario • Trasporto mediante vescicole:endocitosi(invaginazione della membrana che racchiude i soluti) edesocitosi(fusione di vescicole e membrana ed espulsione di soluti) Fig. 1-7. di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998 Fig. 1-8. di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998 Fig. 1.7 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998

29. Osmosi • 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 Fig. 1-9 di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998

30. 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 riposoil 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

31. 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 • 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+) Fig. 1-10 di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998

32. Potenziale di membrana a riposo • Negatività della membrana a riposo:in una cellula nervosa o muscolare a riposoil 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 Fig. 1.3 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998

33. Potenziale di azione • 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). L’entrata brusca di Na+ riduce ulteriormente la negatività, fino a valori positivi del potenziale di membrana (ripolarizzazione) • Uscita del K+ ed iperpolarizzazione: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 Fig. 1.5 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998 Neurone o muscolo scheletrico Muscolo cardicaco. Il potenziale d’azione è più duraturo per l’apertura prolungata dei canali Ca++

34. Conduzione del potenziale d’azione • 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 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 Fig. 1-14 di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998 Fig. 1.6 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998

35. Rapida trasmissione del potenziale d’azione tra cellule muscolari cardiache: la sinapsi elettrica • Le giunzioni strette:sono 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 Fig. 2.27 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003

36. Trasmissione del potenziale d’azione tra cellule nervose: la sinapsi chimica • Sinapsi chimica: separa la 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 Fig. 7.2 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003

37. Meccanismi di trasduzione nelle sinapsi chimiche • Risposte veloci a livello dei 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.) Fig. 7.3 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003

38. Sinapsi inibitorie ed eccitatorie • Sinapsi eccitatorie veloci e 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+) Fig. 7.4 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003 Fig. 7.5 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003

39. Trasmissione neuromuscolare • Giunzione o placca 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 acetilcolinesterasi (AChE) Fig. 1.8 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998 Fig. 1-15 di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998

40. Il muscolo scheletrico • Struttura: il muscolo è costituito 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 Fig. 1.15 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998

41. 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)

42. Accoppiamento eccitazione-contrazione • Fasi di un singolo evento: 1. L’acetilcolina 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 Fig. 1-24 di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998

43. 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

44. 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

45. 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+

46. Muscolo liscio • Muscolo liscio: avvolge 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) Fig. 11.29 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003

47. 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

48. 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

49. 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 H2O • 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

50. 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