FISIOLOGIA
Generale e Oculare
File # 2
UniSalento – Ottica e Optometria – Fisiologia Generale e Oculare – A.A. 2016-2017 – S. Marsigliante - # 2
Gli ambienti interno e esterno
Solo una piccola quota di cellule dell’organismo è in grado di scambiare
materiale con l’ambiente esterno
Questo materiale (acqua e soluti) entra nell’ambiente interno (liquido extracellulare)
attraversando le cellule di scambio oppure attraversando la via paracellulare presente tra di esse
Esempio di scambi di acqua, di glucosio e di
amminoacidi nell’intestino e nei tubuli renali
LUME intestinale o del tubulo renale
acqua
acqua
SANGUE
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entrate di acqua -
Bilancio idrico dell’organismo – perdite di acqua
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Liquido Intracellulare & Liquido Extracellulare
(quantità riferite a un uomo di 70 Kg)
IntraCellulare (IC)
ExtraCellulare (EC)
~36% peso del corpo: 25 Litri
~24% peso del corpo: 17 Litri
i Fluidi extracellulari:
distribuzione dell’acqua nell’organismo
Acqua del Plasma:
• I nutrienti assorbiti
raggiungono le cellule
attraverso il plasma
• I prodotti cellulari di rifiuto
passano attraverso il plasma
prima della loro eliminazione
I sistemi di controllo dell’organismo
regolano l’ingestione e l’escrezione
dell’acqua affinchè:
Acqua dello spazio
interstiziale:
punto di accesso diretto
per quasi tutte le cellule del
corpo (tranne quelle del
sangue)
a) il contenuto di acqua del corpo risulti
costante
b) l’osmolarità totale del corpo risulti
costante
L’osmolarità è identica in tutti
i fluidi del corpo (condizioni di
stato stazionario)
L’acqua del corpo si
ridistribuisce come necessario
allo scopo di mantenere
uguale l’osmolarità
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L’omeostasi dell’acqua e dei sali
il flusso di acqua attraverso le membrane delle cellule dipende dalla differenza di concentrazione
di acqua e/o dalla differenza di pressione idrostatica ai versanti della membrana
Il “potenziale chimico” dell’acqua (energia libera delle molecole) dipende dalla
concentrazione di acqua e dalla pressione idrostatica
La concentrazione dell’acqua è alterabile addizionando soluto: all’aumentare
della concentrazione di soluto diminuisce quella dell’acqua
il passaggio di acqua da un ambiente all’altro secondo il suo gradiente di
concentrazione prende il nome di osmosi
• membrana Semipermeabile
• H2O attraversa liberamente
Acqua si muove fino a che la
concentrazione dei soluti da entrambi i
lati della membrana diventa uguale
... oppure, fino a che non si instaura
una forza opposta in grado di impedire
ulteriori movimenti
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Principali ioni Intracellulari ed Extracellulari
cationi
anioni
Na+
Extracell:
Intracell: K+
Extracell: Cl- e bicarbonato (HCO3-)
Intracell: proteine, aa, fosfati
“ inorganici (HPO42-, H2PO4-)
“ organici (aa e ATP)
Distribuzione di soluti nei compartimenti liquidi dell’organismo
Composizione ionica
intra ed extracellulare
Molto differente
Concentrazione
ionica totale molto
simile
Concentrazioni
osmotiche totali
identiche
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Regolazione del Volume Intracellulare dell’acqua
Il Volume IntraCellulare dell’acqua
viene alterato da variazioni della osmolarità del liquido extracellulare
Variazioni dell’osmolarità extracellulare possono causare gravi problemi per il funzionamento delle
cellule, a causa delle elevate permeabilità osmotiche all’acqua delle membrane cellulari (10-2 - 10-3
cm/s), che permettono flussi capaci di alterare l’attività dell’acqua cellulare nel giro di msec
Aumenta l’osmolarità dell’acqua
extracellulare
Diminuisce l’osmolarità dell’acqua
extracellulare
1. L’Acqua abbandona la cellula
2. Volume intracellulare dell’acqua diminuisce
3. L’Osmolarità aumenta
1. Acqua entra in cellula
2. Volume intracellulare dell’acqua aumenta
3. L’Osmolarità diminuisce
H 20
H 20
H 20
H 20
Le cellule sono in grado di muovere attivamente gli ioni attraverso la membrana
plasmatica (entrano ed escono dalla cellula) alterando opportunamente l’osmolarità in
modo che l’acqua esca dalla cellula oppure entri in cellula per osmosi
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Nelle membrane cellulari sono presenti i canali per l’acqua chiamati Aquaporine (AQP)
Distribuzione delle Aquaporine nell’occhio
AQP e regolazione del volume
AQP4 è anche presente nelle cellule retiniche di
Müller.
AQP5 è anche presente nelle cellule secretorie
delle ghiandole lacrimali
• I movimenti di acqua associati alla
regolazione del volume sfruttano i canali per
l’acqua chiamati aquaporine (AQP) che
aumentano enormemente la permeabilità
osmotica delle cellule
AQP
H 2O
AQP
H 2O
H 2O
le AQP facilitano rapidi assorbimenti e
secrezioni (anche transepiteliali) di fluidi
anche quasi-isosmolari
il movimento dell’acqua attraverso le
aquaporine è bidirezionale
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i CANALI delle MEMBRANE Cellulari
La permeazione degli ioni, dell’acqua e di varie piccole molecole organiche
attraverso le membrane biologiche può avvenire tramite opportuni canali
La configurazione dei vari canali è differente
Canale tetramerico
del K+: un singolo
poro è creato da
quattro proteine
identiche
Canale tipo “ligandgated” per l’Ach
oppure per il
GABA, un poro è
formato da 5
subunità
Canale del Clvoltaggiodipendente è un
dimero dove ogni
subunità ha un
proprio poro
Canale per
l’acqua, un
tetramero in cui
ogni subunità ha
un proprio poro
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Tipologie di
canali ionici
Canali Voltaggio-dipendenti
Si aprono quando cambia il potenziale
elettrico della membrana nella quale
sono inseriti
Canali Ligando-dipendenti
Si aprono quando ad essi si lega
un’altra molecola (ligando)
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Esempio di canale ionico: uno dei canali per il Clil canale del cloro regolato dall’AMP ciclico (cAMP): CFTR
cystic fibrosis transmembrane conductance regulator
La Fibrosi Cistica è una malattia letale caratterizzata da difetti nel trasporto di
acqua e ioni attraverso epiteli e dovuta a mutazioni a carico di CFTR
CFTR permette la perdita o il
riassorbimento di Cl- e la secrezione
o il riassorbimento di fluidi
CFTR è espresso in:
polmone; rene
ghiandole salivari;
intestino; cuore; testicoli
Alcune mutazioni
possono alterarne
la regolazione
lasciando il canale
aperto oppure
chiuso
Ghiandole
sudoripare
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Esempio di canali: le “gap junctions” (o “giunzioni comunicanti”)
Sono fatte da 6 proteine dette connessine assemblate in un canale transmembrana
(detto connessone) che interconnette il citoplasma di cellule adiacenti.
Questi canali permettono lo scambio di ioni e di piccole molecole consentendo
così l’accoppiamento elettrico e metabolico delle cellule
Le 6 connessine che costituiscono un
connessone sono leggermente inclinate e
possono cambiare il diametro del poro da loro
formato;
pH acido, fosforilazione e potenziale di
membrana modulano le gap junctions
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Esempio di OMEOSTASI CELLULARE: lo ione calcio
La concentrazione di calcio
libero nel citoplasma ([Ca2+]i) è
molto bassa
ER
10-5 M
10-7 M
10-3 M
Un forte gradiente elettrochimico spinge il Ca2+ dall’esterno
all’interno del citosol attraverso le membrane plasmatiche e
dall’interno del reticolo endoplasmico (ER) al citosol
L’ingresso transiente di Ca2+ è uno dei mezzi a disposizione
della cellula per trasmettere informazioni nel suo interno
Nelle cellule attivate la [Ca2+]i può transientemente aumentare
fino a 10-6 M
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il Ca2+ entra nelle cellule attraverso specifici
canali di membrana
Anche per lo ione calcio vi sono canali che dipendono dal voltaggio e
canali voltaggio-indipendenti
10-3 M
Canali
Voltaggio-indipendenti
10-7 M
Canali
Voltaggiodipendenti
Canali del calcio del
Reticolo endoplasmico
10-5 M
Reticolo endoplasmico
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Come mai lo ione calcio è così poco concentrato nel citosol?
Per le seguenti tre ragioni:
(1) è portato fuori dalle cellule dalla pompa PMCA e mediante il trasporto attivo secondario Na+/Ca2+
(2) è pompato dentro il reticolo endoplasmatico dalla SERCA e dentro l’apparato di Golgi dalla SPCA.
Cioè, all’omeostasi cellulare del calcio partecipano i seguenti trasportatori:
a.Trasporti attivi primari (PMCA, SERCA, SPCA)
b. Trasporti attivi secondari (NCX)
(3) per la presenza di proteine tampone (calmodulina, calbindina ...) che legano il calcio abbassando
la concentrazione di calcio libero nel citosol
Canali
Voltaggiodipendenti
Canali
Voltaggio-indipendenti
10-7 M
Nota:
L’aumento transiente
di Ca2+ è uno dei
modi usato dai
fattori della
comunicazione per
trasmettere
informazioni
all’interno della
cellula
Canali del calcio del
Reticolo endoplasmico
Reticolo endoplasmico
10-3 M
10-5
Na+
SERCA
M
golgi
NCX
Ca++
SPCA
PMCA
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La concentrazione dello ione calcio libero nel citosol è molto
importante perché, legandosi a svariate proteine, ne controlla le
attività e quindi, in questo modo, controlla molte funzioni cellulari.
Il tipo di funzione controllata dipende dalla concentrazione del calcio libero e
dal tempo per il quale tale concentrazione rimane presente in cellula
Le Funzioni cellulari dello ione Ca2+
Ca2+
(secondi)
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I sistemi di controllo chimico e i fattori della
comunicazione cellulare
secrezione
mediatore
chimico
Recettore
trasduzione
intracellulare
VARIABILE
CONTROLLATA
Cellula
Endocrina
Recettore
TARGET
trasduzione
intracellulare
RISPOSTA
NEURONE
neurotrasmettitore
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i Fattori della comunicazione cellulare:
agenti modificatori capaci di veicolare
informazioni tra organi e/o cellule
Sistema Nervoso
neuroormoni
neurotrasmettitori
Asse ipotalamo-ipofisario
Midollare surrene
fattori di crescita
chemiochine
Sistema Endocrino
ormoni
prostanoidi
citochine
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I fattori della comunicazione cellulare
Ormoni:
tutti i fattori della comunicazione cellulare prodotti dalle ghiandole
endocrine e riversati nel sangue.
ORMONI
Peptidici
(insulina, angiotensina,
ACTH, ADH, luteinico,
glucagone, ossitocina,
eccetera)
Catecolaminici
(adrenaina, noradrenalina)
Steroidei
Estradiolo, progesterone,
testosterone, aldosterone,
cortisolo
Iodinati
(ormoni tiroidei)
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I fattori della comunicazione cellulare
Schema dei principali effetti degli ormoni nell’organismo umano:
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I fattori della comunicazione cellulare
Neurotrasmettitori:
tutti i fattori della comunicazione cellulare prodotti dalle
cellule nervose e liberate negli spazi intersinaptici
NEUROTRASMETTITORI
Nucleotidi
Peptidi
(ATP, UTP, ADP,
(NGF; VIP; sostanza P,
somatostatina; CCK;
eccetera)
Monoammine
(adrenalina, serotonina,
noradrenalina; dopamina,
5HTP)
UDP, adenosina
Acetilcolina
Aminoacidi
(Ac. Glutammico,
glicina, GABA)
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I quattro diversi tipi di proteine recettore implicati
nella segnalazione cellulare
Una cellula che esprime una
data “proteina recettore” é un
bersaglio (‘target’)
Recettori per: Acetilcolina (nicotinici)
Glutammico
(NMDAR, Kainato,AMPAR)
Glicina
...eccetera....
canali
ormone
1TM
Recettore
di membrana
Recettore
nucleare
Recettori per: FATTORI di CRESCITA
(Insulina, GH, PRL, EPO
...eccetera....)
Recettori per: ORMONI PEPTIDICI
(ACTH, ADH, Angiotensina,
Bradichinina, adrenalina, calcitonina,
glucagone, ossitocina, paratormone, TSH
7TM
....eccetera......)
nucleari
ormone
Recettori per: Ormoni
steroidei
(estrogeni, androgeni, cortisolo,
aldosterone, progesterone)
Ormoni tiroidei
...eccetera....
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Modalità di funzionamento dei 4 tipi di proteine recettore implicati nella
segnalazione cellulare
Situazione 1: canale controllato da ligando
proteina-canale che lega un fattore della comunicazione cellulare (un LIGANDO)
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Modalità di funzionamento dei 4 tipi di proteine recettore implicati nella
segnalazione cellulare
Situazione 2: recettore accoppiato a proteine G (recettori 7TM)
il fattore della comunicazione cellulare si lega al recettore che si attiva e attiva la proteina G (il
Trasduttore); a sua volta la proteina G attiva un Effettore (un enzima tipo adenilato ciclasi o
fosfolipasi C…..)
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Modalità di funzionamento dei 4 tipi di proteine recettore implicati nella
segnalazione cellulare
Situazione 3: recettore ad attività enzimatica (recettori 1TM)
il fattore della comunicazione cellulare si lega al recettore che si attiva diventando funzionale (è
esso stesso Trasduttore); a sua volta il recettore attiva un Effettore (un enzima intracellulare)
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Modalità di funzionamento dei 4 tipi di proteine recettore implicati nella
segnalazione cellulare
Situazione 4: recettore intracellulare (recettori Nucleari)
il fattore della comunicazione cellulare si lega al recettore intracellulare che si comporta da “fattore
di trascrizione”, cioè si lega al DNA controllando i geni
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