Insegnamento di Fisiologia 1. Fisiologia generale

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Insegnamento di Fisiologia 1. Fisiologia generale

• Claudio Babiloni
• Dipartimento di Fisiologia Umana e Farmacologia
• Università di Roma La Sapienza

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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
  dellAlimentazione, 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_at_uniroma1.it

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Selezione naturale allinterno 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 allambiente
Le giraffe che hanno il collo più lungo hanno più
possibilità di nutrirsi (adattamento
allambiente), cosicchè di generazione in
generazione si selezione una popolazione di
giraffe con il collo sempre più lungo (finchè
questo favorisce ladattamento)
4
Deriva genetica allinterno di piccole
popolazioni la sopravvivenza dei membri può
dipendere da eventi casuali (accidentali) più che
dallavere la dotazione genetica piu favorevole
alladattamento 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 dellambiente si osservano
cosi maggiori casi di malformazioni etc.
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Levoluzione degli ominidi agli uomini dalla
stazione eretta allo sviluppo di nuove
caratteristiche cerebrali e abilità
comportamentali
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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 ?
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Il più antico antenato degli uomini
lAustralopithecus (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
CAPACITA'CRANICA 380/550 cc (34.4 del dellHomo sapiens, sapiens)
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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
INDIRIZZO Africa (Great Rift Valley system dellAfrica est)
PESO 40 Kg
STATURA 1.4 m
CAPACITA'CRANICA 640 cc (47.4 del dellHomo sapiens, sapiens)
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Homo erectus ( ergaster,erectus) cervello
e corpo sono accresciuti, si crea una cultura
tecnologica (armi, fuoco) e si spinge oltre
lAfrica
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 dellHomo sapiens, sapiens)
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Homo sapiens arcaicus lantenato 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
CAPACITA'CRANICA 1200 cc (88 dellHomo sapiens, sapiens)
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Homo di Neanderthal cervello e corpo più
grandi, vive in piccoli gruppi, ha il culto dei
morti, un linguaggio essenziale, domina lEuropa
per 250.000 anni nella morsa delle ere glaciali,
si estingue dopo il contatto con lHomo sapiens,
sapiens
NOME Homo neanderthalensis
COMPARSA 500.000 mila anni fa
SCOMPARSA 130.000 mila anni fa
INDIRIZZO Europa, Asia
PESO 65 Kg
STATURA 1.6 m
CAPACITA'CRANICA 1245/1740 cc (110 dellHomo sapiens, sapiens)
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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
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Concetti chiave sullorganizzazione dellorganismo
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 dellorganismo barriere
principalmente epiteliali e membrane cellulari
dividono lorganismo 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
dellorganismo lambiente 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 dellorganismo lomeostasi per la
sua sopravvivenza (dinamico mantenimento di
composizione e temperatura del mezzo interno).
Sistemi fisiologici impegnati nellomeostasi
sistema respiratorio polmonare scambio di gas
vitali (ossigeno e anidride carbonica) tra
lambiente esterno e il sangue sistema
gastrointestinale assunzione e digestione di
sostanze vitali dallambiente esterno ed
espulsione dei rifiuti nellambiente 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 nellambiente
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
dellorganismo 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
dellorganismo 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).
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La cellula la più piccola unità vivente

• Cellula la più piccola unità vivente,
  specializzata per svolgere le diverse funzioni
  dellorganismo. 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. Lorgano 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 dellorganismo barriere
  principalmente epiteliali (es. parete dei
  capillari) e membrane cellulari dividono
  lorganismo 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)
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Il sangue come vettore per rifornire e liberare
dai rifiuti il mezzo interno

• Il rifornimento lambiente 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, lambiente esterno tramite
  polmoni (gas vitali) e tubo digerente (acqua,
  elettroliti e nutrienti). Riversa rifiuti
  nellambiente 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 dellorganismo
lomeostasi del mezzo interno

• Lomeostasi dinamico mantenimento di volume,
  composizione, temperatura e acidità del mezzo
  interno (plasma sanguineo e liquido
  interstiziale), come condizione essenziale per la
  sopravvivenza dellorganismo
• 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

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Sistemi fisiologici impegnati nellomeostasi

• S. polmonare scambio di gas vitali (ossigeno e
  anidride carbonica) tra lambiente esterno e il
  sangue bilancia lacidità del sangue
• S. gastrointestinale assunzione di acqua,
  nutrienti e sali inorganici dallambiente
  esterno digestione dei nutrienti espulsione dei
  rifiuti nellambiente 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 nellambiente esterno attraverso le
  urine bilancia lacidità 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 dellorganismo da virus,
  batteri e sostanze tossiche

Fig. 1.3 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana,
EdiSES, 2003
21
Il secondo principio organizzativo
dellorganismo la riproduzione per la
sopravvivenza della specie

• Oltre lomeostasi la riproduzione. Alcuni
  organi del sistema riproduttivo non hanno nessun
  ruolo nel mantenimento dellomeostasi per la
  sopravvivenza dellorganismo. La loro
  asportazione non provoca nessun effetto nella
  capacità dellorganismo 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,
  laccoppiamento, 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 dellorganismo. 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
  listinto (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

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Sistemi fisiologici impegnati nella riproduzione

• S. riproduttivo apparato per laccoppiamento 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 dellattività
  erettile del pene e delleiaculazione
• S. neuroendocrino regolatore degli ormoni
  sessuali per sviluppo delle cellule germinali,
  sviluppo e controllo dellapparato 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 lintervallo dei valori di riferimento. E
  il meccanismo di controllo fisiologico più
  diffuso nellorganismo
• 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 lacqua 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
linterno e di Ca verso lesterno 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 lacqua
(solvente) dal lato della membrana in cui vi sono
più soluti (ioni/biomolecole) rispetto che acqua.
Losmosi di acqua non è diffusione ma
pressione perché non dipende dalla
concentrazione assoluta di acqua ma da quella dei
soluti rispetto allacqua.
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. lacqua)
• 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 linterno e di Ca
  verso lesterno 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) ed esocitosi (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 lacqua (solvente) dal
  lato della membrana in cui vi sono più soluti
  (ioni/biomolecole) che acqua
• Losmosi di acqua non è diffusione ma
  pressione perché non dipende dalla
  concentrazione assoluta di acqua ma da quella dei
  soluti rispetto allacqua

Fig. 1-9 di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998
30
Concetti chiave su potenziali di membrana,
conduzione e trasmissione dellinformazione 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 allinterno della membrana
rispetto allesterno (circa -70 mV),. La
negatività dipende dalle proteine negative
(anioni) del citosol troppo grandi per
attraversare la membrana e dallazione 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 linterno della cellula.
Potenziali dazione 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). Lentrata 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 allinterno della cellula) e valori di
elevata negatività di membrana (iperpolarizzazione
). Lapertura di canali potenziale-dipendenti del
Ca (entra Ca) ripristina il potenziale a
riposo. Conduzione del potenziale dazione il
potenziale di azione in un punto della membrana
fa aprire i canali potenziale-dipendenti del Na
nel punto vicino rigenerando il potenziale
dazione. 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 dazione. La
comunicazione tra neuroni mediante sinapsi
chimica larrivo del potenziale dazione al
terminale nervoso determina lapertura di canali
potenziale-dipendenti del Ca, lentrata 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, lapertura/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 dazione
del neurone determina un potenziale dazione
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 dazione 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 sullactina i siti
di legame per la miosina. La biomolecola
energetica ATP modifica la miosina e fa scorrere
la miosina sullactina (contrazione muscolare).
LATP fa distaccare la miosina dallactina (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 dazione è piu
duraturo e lentrata del Ca intracellulare
innesca il rilascio del Ca delle cisterne
terminali sarcoplasmiche. Muscolo liscio
rispetto al muscolo scheletrico, la fibre sono
nucleate, non ce sequenza di sarcomeri e manca
il tubulo trasverso. Processo a tre stadi
dellossidazione 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 NaCl- 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 lequilibrio tra forze chimiche
  ed elettriche agenti sugli ioni (nellesempio
  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 riposo il
  potenziale è negativo allinterno della membrana
  rispetto allesterno (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
  dallazione 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 linterno 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). Lentrata 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 allinterno della cellula) e valori di
  elevata negatività di membrana (iperpolarizzazione
  ). Lapertura 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 dazione è più
duraturo per lapertura prolungata dei canali
Ca
34
Conduzione del potenziale dazione

• Propagazione del potenziale dazione. A nel
  segmento iniziale dellassone del neurone il
  potenziale dazione è associato allentrata 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
  Larrivo delle cariche positive depolarizza il
  sito vicino oltre la soglia, causa lapertura dei
  canali potenziale-dipendenti del Na rigenerando
  il potenziale dazione
• Tipi di propagazione la propagazione del
  potenziale dazione e punto per punto (A)
  nellassone privo di mielina e (B) per salti in
  corrispondenza dei nodi de-mielinizzati
  nellassone mielinizzato

Fig. 1-14 di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998
Fig. 1.6 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998
35
Rapida trasmissione del potenziale dazione 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 dazione (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
  dellinformazione portata dal potenziale dazione
  (il potenziale dazione passa direttamente). Esse
  sono rare nel sistema nervoso delluomo

Fig. 2.27 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana,
EdiSES, 2003
36
Trasmissione del potenziale dazione 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 dazione (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 lapertura del canale ionico tramite la
  mediazione della proteina G (moltiplicano gli
  effetti)
• Risposte lente mediate da secondi messaggeri la
  ricezione del neurotrasmettitore ligando
  determina lapertura del canale ionico tramite la
  mediazione della proteina G e lulteriore
  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) allinterno
  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) allinterno 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 dazione (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 dellACh nella sinapsi, ricezione
  dellACh sulla membrana post-sinaptica (placca
  motoria), apertura di canali per cationi (K,
  Na, Ca), potenziale post-sinaptico
  eccitatorio, potenziale dazione (fibra
  muscolare), degradazione dellACh dellenzima
  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
  unordinata 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 lunità 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
  dazione 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 lactina. 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
  laccorciamento di miofibrille, fibre muscolari,
  fascicoli muscolari e dellintero muscolo. Questa
  descrizione mostra che la contrazione muscolare
  dipende dallo scorrimento dei filamenti di
  miosina su quelli dellactina (e non dalla
  contrazione dei filamenti)

42
Accoppiamento eccitazione-contrazione

• Fasi di un singolo evento 1. Lacetilcolina
  liberata dal neurone si lega ai recettori della
  placca motrice e da luogo al potenziale dazione
  muscolare. 2. Il potenziale dazione 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 sullactina i siti per la testa della
  miosina. 5. La testa della miosina (forma ad alta
  energia) si innalza fino a legarsi allactina. Si
  stacca un fosfato e la testa della miosina si
  piega tirando lactina verso il centro del
  sarcomero (colpo di forza e contrazione
  muscolare). Si stacca lADP dalla miosina (forma
  a bassa energia) che rimane rigidamente legata
  allactina. Un nuovo ATP si lega alla testa della
  miosina (che ritorna ad alta energia) e la stacca
  dallactina (fine di un ciclo dei ponti
  trasversi). 6. Il Ca viene pompato attivamente
  dentro il reticolo sarcoplamatico. 7. Sullactina
  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 dazione. Dato un potenziale dazione
  la scossa singola è sempre uguale
• Fasi periodo di latenza (pochi millisecondi) tra
  la comparsa del potenziale dazione 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 landamento della
  tensione

44
Caratteristiche della contrazione muscolare

• Tetano quando la concentrazione intra-cellulare
  del Ca è elevata, i siti di legame della
  miosina sullactina 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
  dellaccorciamento in funzione della variazione
  della forza di opposizione alla contrazione
  (postcarico) che viene prefissata (contrazione
  isotonica). La velocità dellaccorciamento
  dipende dalla velocità alla quale si formano i
  ponti trasversi di actina e miosina

45
Muscolo cardiaco e potenziali dazione

• Il muscolo cardiaco presenta giunzioni strette
  che rapidamente propagano il potenziale dazione
  tra le fibre muscolari cardiache. Rispetto al
  muscolo scheletrico, il potenziale dazione
  (150-300 ms) e il periodo refrattario del muscolo
  cardiaco sono di lunga durata per lapertura dei
  canali Ca. La conseguente entrata del Ca
  extra-cellulare innesca il rilascio del Ca
  intra-cellulare delle cisterne terminali
  sarcoplasmatiche che con lATP sostengono la
  contrazione muscolare
• Fasi del potenziale dazione 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 dazione per lenta
  apertura dei canali Ca con entrata di Ca,
  bilanciata dallapertura 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 dazione 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)
  uninversione 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 dallapertura 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 ce 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 dazione 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 sullanidride 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) laccoppiamento 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) allossigeno (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)
• Laccoppiamento chemiosmotico stabilisce il
  legame tra il trasporto elettronico e la sintesi
  dellATP. Usa lenergia 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 lenzima ATP sintetasi che
  produce ATP mediante trasferimento di un gruppo
  fosfato (P) nellADP. 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 dellacetil CoA
  (chetoni) sono utilizzati per produrre ATP

51
Il metabolismo della cellula muscolare durante
lesercizio fisico

• Il sistema creatina/creatinfosfato poiché le
  scorte cellulari di ATP sono limitate, durante
  lattività muscolare si riduce lATP e aumenta
  lADP. Ciò innesca lattività 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 dellesercizio 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 dellesercizio 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 dellossidazione 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. LATP è usato per
  fosforilare la creatina in creatinfosfato. Il
  glucosio inutilizzato viene convertito in
  glicogeno. Lossigeno non utilizzato viene in
  parte legato nella mioglobina, una molecola
  simile allemoglobina del sangue

52
AUTOVALUTAZIONE
Organizzazione dellorganismo 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 nellomeostasi 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
dazione Descrivere il meccanismo di conduzione
del potenziale dazione Caratterizzare le
proprietà della sinapsi elettrica e chimica
Descrivere la giunzione neuromuscolare Indicare
le fasi dellaccoppiamento 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 dellossidazione 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