1-15 ottobre
Introduzione alla fisiologia:
concetto di omeostasi
Scambi e trasporti
Osmosi
Il sangue: proprietà biologiche
e fisiche
FISIOLOGIA UMANA
Dalla molecola …
… alla cellula …
… all’uomo
ambiente interno
omeostasi
controllo
condizioni basali, variazioni, limiti
fisiologici e patologici
attività coordinate
Le cellule sono le unità viventi: sono
racchiuse
da
una
membrana
cellulare che mantiene la differenza
di composizione e governa gli scambi
fra il liquido intracellulare e il
liquido extracellulare
Le cellule vivono in un mezzo liquido (extracellulare)
a composizione costante: l’ambiente interno
L’ambiente esterno interagisce con quello interno
(es.: temperatura)
L’ambiente interno si altera per effetti esterni ed
interni (metabolismo cellulare)
OMEOSTASI: i processi che mantengono la costanza
dell’ambiente interno e si basano su continui scambi:
cellula
membrana
ambiente interno
trasporto
ambiente esterno
SONO
(es.): a temperatura,
Tutte leCOSTANTI
variabili tendono
modificarsi:
composizione
volumi,
è necessario elettrolitica
un sistema (ioni),
di controllo
gas
(O2, CO2), pH, materiali nutritizi.
automatico.
Perturbazione
Set point
+
effettore
-
sensore
Feedback negativo
Variabile
controllata
Perturbazione
Set point
+
effettore
+
sensore
Feedback positivo
Variabile
controllata
Elementi del sistema di controllo
Controllore: in genere nel SNC
Effettore: in genere cellule muscolari scheletriche,
lisce (viscerali e vascolari) e cardiache
Variabile regolata dipende dal sistema: es.
temperatura, press. arteriosa, peso corporeo,
posizione ...
Sensore: recettore, vie afferenti
Punto di riferimento (set point): elemento
(in genere nervoso) non bene identificato.
DIFFUSIONE ATTRAVERSO UNA MEMBRANA
La velocità netta di diffusione attraverso una membrana
è proporzionale al coefficiente di diffusione, all'area
della membrana e al gradiente di concentrazione; è
inversamente proporzionale allo spessore della
membrana.
Il coefficiente di diffusione D è proporzionale alla
temperatura e inversamente proporzionale al raggio
della molecola e alla viscosità del mezzo. Per molecole
con PM (peso molecolare) > a 300 D è inversamente
proporzionale a ( 3 PM) e a (2 PM) per le molecole
più piccole
TRASPORTO MEDIATO DA PROTEINE
Più rapido; cinetica di saturazione; specificità;
inibizione competitiva; possibile inibizione da
altri fattori;
TRASPORTO (DIFFUSIONE ) FACILITATO:
non avviene contro gradiente (non consuma
energia), ma è operato da proteine specifiche
TRASPORTO ATTIVO: crea gradienti di
concentrazione; consuma energia;
trasporto attivo secondario (cotrasporto).
OSMOSI: si verifica quando due ambienti
contenenti molecole in soluzione sono separati da
una membrana semipermeabile
E’ semipermeabile una membrana che consenta il
passaggio del solvente, non del soluto
Qualunque membrana può comportarsi
come semipermeabile nei confronti di
alcune molecole e non di altre
membrana semipermeabile
soluzione
solvente
mmHg
0
10
PRESSIONE OSMOTICA (PO) è la
pressione che si oppone al passaggio del
solvente ed è uguale e contraria alla forza
di attrazione delle molecole del soluto su
quelle del solvente. La PO è proporzionale
alla differenza nel numero assoluto di
particelle presenti in ogni ambiente, non al
gradiente di concentrazione. A parità di
concentrazione sono più attive le molecole
più piccole (sono più numerose) e quelle
dissociate (gli ioni aumentano il numero di
particelle).
CONSEGUENZE FISIOLOGICHE DEI
FENOMENI OSMOTICI
Le membrane cellulari si comportano come
semipermeabili nei confronti delle
molecole di cui non consentono il passaggio
(sono permeabili all'acqua): in un ambiente
povero di soluti (ipoosmotico) le cellule si
rigonfiano, mentre si raggrinzano in
ambiente iperosmotico.
CONSEGUENZE FISIOLOGICHE DEI
FENOMENI OSMOTICI
Nell’organismo avvengono continui ed
importanti scambi di acqua. Le forze che
spostano l’acqua sono:
Pressione idrostatica
Pressione osmotica
IL SANGUE
Tessuto liquido che riempie
cardiovascolare e vi circola.
il
sistema
SISTEMA DI TRASPORTO DI:
Acqua
Cellule (globuli
piastrine)
rossi,
bianchi
Molecole disciolte (elettroliti,
molecole organiche, proteine)
e
IL SANGUE
SISTEMA DI TRASPORTO DI:
Gas in soluzione (O2, CO2, N2)
•Messaggi chimici
Calore
SANGUE INTERO:
Elementi cellulari (EMATOCRITO=40-45%).
PLASMA = sangue senza cellule;
SIERO = plasma senza fattori di coagulazione
(fibrinogeno).
Circa 5 l in un individuo normale.
Composizione del corpo: circa 60% acqua
Compartimenti liquidi dell’organismo:
liquido intracellulare 40 l
liquido extracellulare 14 l di cui
plasma 3,5 l
IL PLASMA
è composto per il 93% di acqua e per il 7% di
soluti:
•
Proteine 60-70 g/l
•
Elettroliti 8 g/l
•
Sostanze Organiche 2 g/l
PROTEINE PLASMATICHE
albumine - pressione colloido-osmotica
(oncotica); funzione tampone del plasma
globuline (,,) (trasporto, difesa)
fibrinogeno (coagulazione)
LE CELLULE DEL SANGUE
ERITROCITI (globuli rossi)
contengono l’emoglobina: 4-5 milioni /mm3 di
sangue
sono cellule anucleate con una durata media di vita di
100 giorni
La produzione (continua) di eritrociti da parte delle
cellule staminali del midollo osseo (eritropoiesi) è
regolata dall'eritropoietina, ormone prodotto
prevalentemente dal rene
Contenuto: 4-5 * 106 /mm3 (ml) di sangue.
Gli eritrociti giovani conservano tracce di
cromatina nucleare e si chiamano
RETICOLOCITI
Emoglobina (15 g/dl), proteina che lega e
trasporta l'ossigeno. Capacità del sangue
per l’ossigeno: 1,34 ml/g * 15 g = 20,1
ml/dl. Esistono vari tipi di emoglobina, con
diversa affinità per l’ossigeno: A adulto; F
fetale; altre patologiche.
L’eritropoiesi richiede fra l’altro vitamina
B12 e ferro. Il ferro, assorbito
dall’intestino,
viene
trasportato
in
associazione con la proteina transferrina
ed è depositato in forma legata alla
ferritina.
LEUCOCITI (globuli bianchi): 4-10 * 103 / dl
comprendono: granulociti (65%), linfociti
(30%), monociti (5%). GRANULOCITI:
neutrofili (95%, eosinofili (4%), basofili (1%):
varie funzioni, prevalentemente protettive. I
linfociti, attivati, producono e liberano
anticorpi.
PIASTRINE
(300.000):
prodotte
dai
megacariociti
–
quando
si
aggregano
predispongono la formazione del coagulo.
GRUPPI SANGUIGNI: antigeni che rendono
incompatibili diversi tipi di sangue; i sistemi
proncipali sono: AB0, fattore Rh.
PROPRIETA' FISICHE DEL SANGUE
rilevanti per il funzionamento del sistema:
volume: determina la pressione di riempimento
del sistema circolatorio;
viscosità: dipende dal contenuto proteico
(componente poco variabile) e dall'ematocrito;
la viscosità relativa del sangue rispetto
all’acqua è di 3,5-4,5;
La viscosità stabilisce la pressione che il cuore
deve generare per mettere in movimento il
sangue.
IL SISTEMA CARDIOCIRCOLATORIO
E' un sistema di trasporto che mette in
movimento un tessuto liquido (sangue),
specializzato per la distribuzione di: gas
respiratori (ossigeno e anidride carbinica), ioni,
materiali nutritizi (glucidi, aminoacidi, lipidi),
prodotti di scarto del metabolismo cellulare,
proteine, messaggeri chimici (ormoni), acqua,
calore.
2-18 ottobre
Modello del sistema
corcolatorio
Struttura dei vasi
La pompa
ELEMENTI COSTITUTIVI: pompa cardiaca
(doppia), tubi, elementi filtranti. Due sistemi in
serie: circolo sistemico, costituito da numerosi
sistemi in parallelo e circolo polmonare.
TESSUTO (LIQUIDO) DI RIEMPIMENTO:
sangue
MODELLO SEMPLIFICATO DEL SISTEMA CIRCOLATORIO
Cuore
pompa
Vene
Arterie
vasi di capacitanza
vasi di trasporto
20 : 1
venule
Capillari
arteriole
vasi di scambio
Sangue
tessuto liquido
Vasi di resistenza
I VASI. La loro struttura non è omogenea e la
differenziazione funzionale dipende dalla
struttura. Sono elementi costitutivi comuni
della parete dei vasi:
l'endotelio, con la sua membrana basale;
la media, contenente fibre muscolari liscie,
fibre elastiche e fibre collagene in diverse
proporzioni;
l'avventizia, contenente tessuto connettivo
lasso, terminazioni nervose (simpatiche) e vasi
(vasa vasorum).
Gli elementi della media possono essere
disposti su più strati e la direzione delle fibre
(muscolari ed elastiche) può essere circolare o
spirale, fino a diventare quasi longitudinale.
arterie
Componenti della parete
Avventizia
f. connettive
arteriole
f. elastiche
f. muscolari lisce
membr. basale
cell. endoteliali
capillari
venule
vene
ARTERIE: di grosso calibro; prevale la
componente elastica; funzione: mantenimento
della pressione in diastole;
ARTERIOLE: meno di 200 micron; distinzione
funzionale più che anatomica; prevale la
componente muscolare, a disposizione
circolare; funzione: determinazione della
resistenza d'ingresso al microcircolo e della
resistenza periferica totale;
CAPILLARI: meno di 8 micron; parete
costituita solo di endotelio e membrana basale;
funzione: scambi (non possono avvenire negli
altri distretti);
VENULE: parete relativamente muscolare;
funzione: regolazione della resistenza
postcapillare;
VENE MEDIE E GRANDI: prevale
progressivamente la componente collagene, con
elementi muscolari; funzione: regolazione della
capacitanza sistemica.
CIRCOLO POLMONARE:
minori differenze fra arterie e vene;
scarsa componente muscolare; mancano
le arteriole (pressione più bassa).
PRESSIONE NEL CIRCOLO SISTEMICO:
all'uscita dal cuore è pulsatile (80-120 mmHg;
media 95); nelle grandi arterie diminuisce
poco il valore medio e aumenta la pulsatilità;
nelle arteriole c'è grande caduta di pressione
(fino a 30-35 mmHg) e sparisce la pulsatilità;
nei capillari, ulteriore caduta, fino a 10
mmHg; fino all'atrio destro ulteriore
progressiva caduta fino a 0 mmHg.
Atrio dx
Vene
Venule
Capillari
Arteriole
Arterie piccole
Arterie grandi
Aorta
V. sx
mmHg
120
60
0
Le arteriole sono i vasi di resistenza perché
a questo livello è massima la caduta di
pressione; inoltre, sono i principali regolatori
della resistenza perché hanno muscolatura
liscia abbondante e a disposizione circolare e
sono riccamente innervate.
VELOCITA' DEL SANGUE NEL CIRCUITO: è
inversamente proporzionale alla sezione totale
di ogni compartimento: massima nell'aorta,
ridotta nelle arteriole, molto bassa nei
capillari; nelle vene che tornano al cuore la
velocità va aumentando, ma non raggiunge
quella dell'aorta perché la sezione delle grandi
vene è maggiore.
arteriole
piccole arterie
grandi arterie
Grandi vene
piccole
vene
venule
aorta
capillari
Vene centrali
Dimostrazione schematica (non in scala) delle variazioni
della sezione totale del letto vascolare a diversi livelli.
Diminuisce il diametro dei singoli vasi, ma aumenta la
sezione totale. A pari livello, la sezione delle vene è
maggiore di quella delle arterie.
DISTRIBUZIONE DEL SANGUE: è
funzione della capacitanza di ogni
distretto: circa 4/5 sono contenuti nelle
vene; una parte non trascurabile è
contenuta nei capillari.
DISTRIBUZIONE DEL VOLUME IN
ECCESSO: il sistema circolatorio è
disteso e pertanto gli elementi elastici
sono in tensione e sviluppano pressione.
A cuore fermo, il circuito contiene una
PRESSIONE CIRCOLATORIA MEDIA di 7
mmHg.
Il volume di sangue che genera questa
pressione si deve considerare come volume
in eccesso
il rapporto fra componente venosa e
arteriosa è di 20:1
Il rapporto fra volume in eccesso e
pressione sviluppata si chiama complianza
(compliance): dipende dall'elasticità dei
vasi. La compliance venosa è molto
maggiore di quella arteriosa. La
compliance del circolo polmonare è
elevata in tutti gli elementi.
LA POMPA. La struttura del cuore comprende
4 cavità (atrii e ventricoli), separate da un
setto in: metà destra, che riceve sangue
venoso dalle vene sistemiche e lo pompa
nell'arteria polmonare e metà sinistra che
riceve sangue arterioso dalle vene plomonari e
lo pompa nell'aorta
Il cuore è dotato di una coppia di valvole
atrio-ventricolari (tricuspide e mitrale) e una
coppia di valvole semilunari, che separano i
ventricoli dalle rispettive arterie
La presenza di valvole conferisce
unidirezionalità al movimento del sangue
Non esistono valvole fra le vene e gli atrii
Il funzionamento delle valvole è passivo: si
aprono e si chiudono seguendo gradienti di
pressione.
Lo spessore della parete delle camere
cardiache è proporzionale alla pressione che
ogni camera sviluppa: sottile negli atri, più
spesso nel ventricolo destro, molto più spesso
nel ventricolo sinistro. Sono possibili
variazioni patologiche.
3-19 ottobre
Il potenziale d’azione cardiaco
Autoeccitazione
Regolazione nervosa del cuore
IL POTENZIALE D'AZIONE CARDIACO
Si distinguono diversi tipi di cellule: nodali
(nodo seno-atriale e nodo atrio-ventricolare);
di conduzione (fascio di His e fibre di
Purkinije); comuni o di lavoro. I meccanismi
elettrici e di membrana sono simili a quelli già
visti: ci soffermeremo soprattutto sulle
differenze.
MIOCARDIO COMUNE: potenziale in 5 fasi
0 - depolarizzazione rapida per apertura di
canali per il sodio voltaggio-dipendenti
1 - parziale breve ripolarizzazione per
aumento transitorio conduttanza al cloro e al
potassio
2 - plateau: potenziale stabile su valori
leggermente positivi per circa 0.2 s; dovuto
all'aumento della conduttanza al calcio
(apertura di "canali lenti") e riduzione della
conduttanza al potassio
3 - ripolarizzazione per progressivo aumento
della conduttanza al potassio e chiusura dei
canali lenti;
4 - potenziale di riposo, stabile a -90 mV.
depolarizzazione
210potenziale
plateau:
potenziale
4 -3
di riposo,
----ripolarizzazione
per
parziale breve
rapida
apertura
di
stabile
su valori
stabile
a per
-90
mV.
ripolarizzazione
per della
progressivo
aumento
canali per il sodio
leggermente
positivi
pere
aumento transitorio
Conduttanza
al al
sodio
molto
conduttanza
potassio
voltaggio-dipendenti
circa
0.2 dei
s; dovuto
conduttanza
al
cloroal
e al
scarsa;
conduttanza
chiusura
canali
lenti;
potassio
Arresto
per della
chiusura
all'aumento
potassio
elevata.
La pompa
canali
+ritardata
al sodio
calcio
Naconduttanza
/K+ ristabilisce
i
(apertura
di "canali lenti")
gradienti
di concentrazione
e riduzione della
conduttanza al potassio
mV
45
0
-45
-90
0
.05
.10 .15 .20
.25
.30 .35 .40
.45
s
Durante il plateau si verifica una corrente
di calcio, molto importante per
l'accoppiamento elettromeccanico e per la
regolazione della contrattilità
Variazioni di eccitabilità durante il potenziale
d'azione: periodi refrattari. La risposta
meccanica compare durante il potenziale e ha
circa la stessa durata: il cuore non può essere
tetanizzato
mV
Periodo refrattario
assoluto
45
contrazione
0
Periodo refrattario
relativo
-45
-90
0
.05
.10 .15 .20
.25
.30 .35 .40
.45
s
Eccitabilità
normale
CELLULE NODALI. Il funzionamento del cuore
è automatico, perché le cellule nodali sono in
grado di auto-eccitarsi ritmicamente: funziona
da generatore (pace-maker) primario il nodo
senoatriale perché è dotato di ritmicità a
frequenza maggiore
Il potenziale d'azione delle cellule nodali ha le
seguenti caratteristiche:
1 - minore negatività alla fine della
ripolarizzazione (-60 mV), dovuta a più elevata
conduttanza al sodio
2 - lenta depolarizzazione spontanea dopo la
ripolarizzazione, fino al raggiungimento di un
livello soglia (potenziale di pace-maker),
dovuta a progressiva riduzione della
conduttanza al potassio
3 - fase di salita del potenziale più lenta che
nelle cellule di lavoro, per apertura solo di
canali lenti
4 - assenza di plateau.
Miocardio
di lavoro
Cell. nodali
prepotenziale
2+
Salita
lenta:
canali
Ca
Arresto
ripolarizzazione:
Prepotenziale:
diminuzione
Ripolarizzazione:
++
conduttanza
K
+
corrente
Na
corrente K
Determinazione della frequenza cardiaca:
dipende dalla pendenza del potenziale di pacemaker e dal livello di ripolarizzazione
(regolazione nervosa).
4-22 ottobre
Conduzione dello stato
d’eccitamento nel cuore
Elettrocardiogramma
Accoppiamento eccitazionecontrazione
CONDUZIONE DEL POTENZIALE D'AZIONE
Il P.d'A. può insorgere in un punto qualunque
di una cellula o fibra nervosa
All'esterno della membrana, quel punto
diventa elettronegativo rispetto ai punti
contigui; all'interno diventa positivo
Poiché la resistenza elettrica lungo la
membrana non è infinita, si instaurano
correnti elettriche dallo stesso lato della
membrana: le
CORRENTI ELETTROTONICHE
Correnti elettrotoniche
B
A
+ + +
- -mv
-90
- - + + +
- - + + +
+ +
- - +
-60 mv
- - +
+ +
- - + +
B
+ + +
- - -
+ +
- - -
A
B
+ + +
--90
- -mv
- - + + +
+ +
+- -60 mv
+- + +
B
Le CORRENTI ELETTROTONICHE
all'esterno spostano cariche positive
verso il punto eccitato, e all'interno
verso i punti contigui (essendo un
ambiente ionico in cui sono in gioco
cationi, sono questi, che hanno carica
positiva, che si spostano).
Le correnti elettrotoniche non
attraversano la membrana e non
richiedono variazioni di
permeabilità, ma le provocano nei
punti contigui, propagando lo stato
di eccitamento, cioè lo
spostamento del potenziale verso il
valore soglia.
Le correnti elettrotoniche sono
graduate (non tutto-o-nulla), si
propagano con decremento, ed hanno
costante di tempo e di spazio. Il
potenziale d'azione viene generato nei
punti contigui quando viene superato il
valore soglia.
VELOCITA' DI PROPAGAZIONE
Le correnti elettrotoniche si propagano con la
velocità della corrente elettrica (300.000
m/s), che è virtualmente infinita per le
distanze da percorrere
il P. d'A. si propaga con velocità finita, perché
è una risposta biologica ad un fenomeno fisico.
La velocità di propagazione dipende dalla
resistenza longitudinale ed è tanto più elevata
quanto più grande è la cellula o più grossa la
fibra.
CONDUZIONE NEL CUORE:
propagazione elettrotonica da cellula a cellula
attraverso ponti laterali con giunzioni strette
Importanza dell'ampiezza e della velocità della
depolarizzazione nel determinare la velocità di
conduzione
Vie di conduzione: fasci atriali funzionali, nodo
AV, fascio di His, fibre di Purkinje, miocardio
comune
Variazioni della velocità di conduzione
Determinazione dell'intervallo atrioventricolare
Funzione di "valvola" del nodo AV;
protezione dai rientri.
Principali disturbi del ritmo:
aritmia sinusale; extrasistoli (foci
ectopici); ritmo nodale, ritmo
idioventricolare, tachicardia ventricolare,
flutter e fibrillazione atriali e ventricolari.
ELETTROCARDIOGRAMMA:
basi fisiologiche; disposizione
degli elettrodi nelle derivazioni
standard; onde ECG. Cosa dice e
cosa non dice l'ECG
++++++++++++++++++
- ----------------
- - - - - - - - - +++++++++
++++++++++ - - - - - - - +++++++++ - - - - - - - - - - - - - - - - ++++++++++
++++++++++++++++++
- ----------------
0
-1
+1
-
+
mv
++++++++++ - - - - - - - - - - - - - - - - +++++++++
- - - - - - - - ++++++++++
+++++++++ - - - - - - - - -
ACCOPPIAMENTO ECCITAZIONECONTRAZIONE
Ruolo dei tubuli T
Importanza della corrente di calcio nella
fase 2 (plateau) del potenziale d'azione:
regolazione continua della contrattilità
Scambiatore Na+/Ca++: mantenimento
dell'omeostasi cellulare; meccanismo d'azione
della digitale
Plateau
L. extracell.
Potenziale d’azione
Tubulo T
Tubulo T
Tubulo T
Plateau
L. extracell.
ripolarizzazione
Tubulo T
Tubulo T
Tubulo T
ALCUNE DEFINIZIONI
Frequenza cardiaca: numero di contrazioni
cardiache al minuto
Gittata sistolica: volume di sangue espulso
da ciascun ventricolo ad ogni contrazione
(sistole)
Gittata cardiaca: volume di sangue pompato al
minuto = gittata sistolica * frequenza cardiaca
Pressione aortica: pressione istantanea alla
radice dell'aorta, distalmente al piano valvolare
Gradienti pressori: differenze di pressione
fra un compartimento e un altro
Volume telediastolico: volume di sangue
contenuto in ciascun ventricolo subito prima
l'inizio della sistole ventricolare
Volume telesistolico: volume di sangue
che residua in ciascun ventricolo alla
fine della sistole (la differenza fra i
due è la gittata sistolica)
Frazione di eiezione: percentuale del
sangue espulso da una sistole
rispetto al volume telediastolico
Fasi isovolumetriche: non vi è variazione di
volume ventricolare, ma non è corretto
usare il termine "isometrico" perché la
forma dei ventricoli si modifica.
