fisiologia cellulare prof.lorenzon fa-ctf.pdf

Universita' degli Studi di Trieste

Facolta' di Farmacia

Fisiologia

prof.Paola Lorenzon Dipartimento di Scienze della Vita

A) Fisiologia cellulare

1. Comunicazione cellulare

2. Canali ionici

3. Potenziale d'azione

4. Sinapsi elettriche e chimiche

5. Gli esterocettori

6. Muscolo scheletrico

7. L'autoritmicita'

01.Comunicazione cellulare FC01 - 1 www.perpetuum-lab.com.hr

prof.Paola Lorenzon UniTS Farmacia

L’organismo pluricellulare necessita

di comunicazione intercellulare

Omeostasi

“Mantenimento di condizioni stabili mediante meccanismi fisiologici coordinati”

1) Comunicazione tra cellule

2) Interazione con l’esterno

3) Reazione agli stimoli

4) Autoritmicità (cuore, respiro)

La comunicazione chimica tra le cellule

01.Comunicazione cellulare FC01 - 1 prof.Paola Lorenzon UniTS Farmacia



Le ghiandole endocrine

Il recettore e la specificità di risposta

- Il recettore è in genere una glicoproteina

- La sua attivazione si basa su un meccanismo “chiave-serratura” (sito di legame specifico)




La localizzazione del recettore è funzionedelle proprietà chimico fisiche del segnale extracellulare

Se il segnale extracellulare (o ligando) è lipofilo

i recettori sono intracellulari

I recettori intracellulari possono essere:

- citoplasmatici

- nucleari




Il complesso ligando-recettore (intracellulare)

riconosce specifiche sequenze di DNA

Se il segnale extracellulare (o ligando) è idrofilo

i recettori sono inseriti nella membrana plasmatica

I recettori di membrana possono essere:

recettori dotati di attività enzimaticarecettori dotati di attività enzimatica

recettori accoppiati a proteine Grecettori accoppiati a proteine G




I recettori con attività enzimatica:

i recettori tirosina chinasi

La dimerizzazione dei recettori tirosina chinasi




Una cascata

I recettori accoppiati a proteine G




Gli elementi caratterizzanti

la trasduzione via recettori accoppiati a proteine G


la trasduzione via recettori accoppiati a proteine G




I secondi messaggeri

La sintesi dell’AMPc




La sintesi dell’IP3

La sintesi

dell’acido arachidonico




Il secondo messaggero attiva le protein chinasi

Fosforilazione

strategia “universale”

di attivazione cellulare

Il vantaggio della cascata attivata da secondi messaggeri

L’amplificazione del segnale




La comunicazione rapida:

le vie nervose

- afferenti

- efferenti

il centro integratoreSistema Nervoso Centrale (SNC)

- cervello

(comportamenti complessi)

- midollo spinale

(comportamenti stereotipati)

Il riflesso da stiramento

Tempo di latenza ~ 3.5 ms



Le cellule “chiave”:

i neuroni

I messaggi “chiave”:

i segnali elettrici

I segnali elettrici sfruttano

le proprietà elettriche di membrana

i canali ionicii canali ionici

il potenziale di membranail potenziale di membrana



I trasporti attraverso la membrana cellulare

A causa della natura idrofila

gli ioni non possono attraversare la membrana plasmatica



I canali ionici:

proteine transmembrana

poro ionico

Il flusso di ioni

attraverso un canale ionico



Come si studiano i canali ionici: il patch clamp



Le singole aperture

del canale ionico

Le proprietà dei canali ionici

Cinetica e conduttanzaCinetica e conduttanza

Permeabilità (selettività)Permeabilità (selettività)

Meccanismo di aperturaMeccanismo di apertura



La permeabilità:

il canale ionico è un filtro meccanico

La permeabilità:

il canale ionico è un filtro chimico



I meccanismi di apertura

identificano le categorie

dei canali ionici

1. ligando-dipendenti

2. attivati da fosforilazione

3. voltaggio-dipendenti

4. attivati da stiramento

Prima legge di Fick:

Fd = Kd (c1-c2)

Fd = flusso diffusionale nettoKd = coeff. di diffusione libera (P.M.)c1-c2= diff. di concentrazione del soluto

La diffusione ionica in una soluzione acquosa



La diffusione ionica

in un campo elettrico

Legge di Ohm:

Fe = zKe (Va-Vc)

Fe = flusso di cariche netto (anche I)zKe = conduttività della soluzioneVa-Vc= differenza di potenziale

La forza che guida gli ioni:

1) il gradiente chimico

Prima legge di Fick: Fd = Kd (c1-c2)



La forza che guida gli ioni:

2) il gradiente elettrico

Legge di Ohm: Fe = zKe (Va-Vc)

La forza che guida gli ioni: il gradiente elettrochimico

+gradiente elettrico gradiente chimico

gradiente elettrochimico

Legge di Nernst-Planck:

Fed = Kd (c1-c2) + zKe (V1-V2)

Fed = flusso di cariche netto



Il potenziale di membrana

Il potenziale di equilibrio

Equazione di Nernst



Il potenziale di membrana:

la distribuzione asimmetrica

degli ioni

L’equilibrio di Donnan: il ruolo delle proteine



La formula del

potenziale di membrana:

l’equazione

di Goldman-Hodgkin-Katz

(o equazione GHK)

Le correnti ioniche passive o di fondo



Il flusso netto delle correnti ioniche passive è nullo

Il ruolo della pompa Na+/K+:

il mantenimento dei gradienti di Na+ e K+



La stechiometria della pompa 3Na+:2K+

- elettrogenica

- contributo al valore del potenziale di membrana trascurabile (alcuni mV)



La comunicazione elettrica

Le cellule “chiave”:

i neuroni

I messaggi “chiave”:

i potenziali d’azione



Le fasi del

potenziale d’azione:

depolarizzazione

ripolarizzazione

iperpolarizzazione

La fase di salita: la depolarizzazione



I canali voltaggio-dipendenti per il Na+:

il bersaglio degli anestetici locali

La fase di discesa: la ripolarizzazione



La diversa cinetica

delle correnti responsabili

del potenziale d’azione

PNa corrente rapida

PK corrente lenta

Il meccanismo di “gating”

dei canali per il Na+

e dei canali per il K+



L’inattivazione

dei canali per il Na+

Meccanismo “palla-catena”

La legge del “tutto o nulla”

Il potenziale soglia



Stimoli sottosoglia, soglia e soprasoglia

La refrattarietà:

assoluta

relativa



La refrattarietà:

la durata




I principi fisici

della propagazione


Le correnti elettrotoniche

in una superficie piana


lungo una fibra nervosa



La propagazione


richiede canali voltaggio-dipendenti

lungo tutta la fibra nervosa

La refrattarietà

rende la propagazione


unidirezionale



Il processo

di mielinizzazione


in una fibra nervosa mielinizzata



La propagazione

del potenziale d’azione richiede

canali voltaggio-dipendenti

solo a livello dei nodi di Ranvier

Lungo una fibra mielinizzata

la conduzione si definisce “saltatoria”



La velocità di conduzione

delle fibre mieliniche e amieliniche a confronto

La velocità di conduzione dipende:

- dalla presenza di mielina

- dal diametro dell’assone



Nella sclerosi multipla la mielinizzazione è alterata

- diminuita velocità di conduzione- efapsi



Le sinapsi

La sinapsi è la giunzione tra due elementi cellulari eccitabili

che consente il passaggio di segnali elettrici.

Sulla base della diversa strategia di trasmissione del segnale elettrico

tra la cellula presinaptica e la cellula postsinaptica

si distinguono sinapsi elettriche e sinapsi chimiche.

Nella sinapsi elettrica la trasmissione dei segnali elettrici

avviene tramite correnti elettrotoniche

che si instaurano tra la cellula presinaptica e la cellula postsinaptica

Nella sinapsi chimica la trasmissione dei segnali elettrici

avviene per liberazione di un segnale chimico nella fessura sinaptica.

La sinapsi elettrica:

- contatto elettrico

- correnti elettrotoniche

intercellulari

04.Sinapsi elettriche e chimiche FC04 - 1 prof.Paola Lorenzon UniTS Farmacia



Vantaggi:

- rapidità (latenza 10-5 s)

- propagazione bidirezionale

Svantaggi:

le cellule devono essere piccole (es. miocardio, muscolatura liscia)

Le gap junctions:

ogni connessone

è un complesso proteico

formato da 6 connessine

Le gap junctions:

il meccanismo di apertura




Un esempio di sinapsi chimica: la sinapsi neuromuscolare

Gli elementi della sinapsi neuromuscolare

- cellula presinaptica il motoneurone (�- motoneurone)

- cellula postsinaptica la fibra muscolare scheletrica

- il mediatore chimico (o neurotrasmettitore) l’acetilcolina





Le cellule sinaptiche:

- le vescicole sinaptiche

- i recettori per il neurotrasmettitore

Le fasi della trasmissione

in una sinapsi chimica




Il ruolo del Ca2+ nell’esocitosi del neurotrasmettitore

La patologia: la distrofia di Lambert-Eaton

Il meccanismo

kiss and run




Le molecole coinvolte nel meccanismo “kiss and run”

Il complesso di fusione

Esempi di bloccanti del rilascio

di neurotrasmettitore:

- la tossina tetanica

- la tossina botulinica




Il canale acetilcolinico

nicotinico muscolare

(muscular nAChR)

� �

� �

�ACh ACh

Il canale acetilcolinico

nicotinico muscolare

(muscular nAChR)

- isoforma embrionale (�2��)

- isoforma adulta (�2��)




Il neurotrasmettitore genera una depolarizzazione

Il potenziale di placca è un potenziale locale

Durata EPSP/IPSP ~ 5-100 ms




Il potenziale di placca innesca il potenziale d’azione

Dal potenziale di placca al potenziale d’azione

La patologia: la miastenia grave




La miastenia grave: le alterazioni morfologiche

L’effetto

degli anticorpi:

la rapida

internalizzazione del nAChR

(o turnover)




Gli eventi elettrici nella sinapsi chimica




Lo spegnimento della sinapsi chimica

- desensibilizzazione del recettore e/o canale

- diffusione del neurotrasmettitore

- inattivazione chimica o riassorbimento del neurotrasmettitore

imipramina

eserina (Sarin)

Il trattamento farmacologico per la miastenia grave:

gli anticolinesterasici

neostigmina edrofonio




I neurotrasmettitori attivano

canali ionici (a) o recettori (b)

I potenziali locali possono essere eccitatori o inibitori




I canali ionici responsabili dei potenziali locali inibitori

Le categorie dei neurotrasmettitori




I principali

neurotrasmettitori

eccitatori ed inibitori

Alcune molecole

ad azione sinaptica




I vantaggi delle sinapsi chimiche

- l’integrazione degli inputs sinaptici

La sommazione temporale e spaziale




La sommazione spaziale

La sommazione temporale




Sommazione spaziale e temporale combinate





Omeostasi






N.B. Decussazione vie afferenti ed efferenti!

La natura delle cellule recettoriali:

cellule specializzate neuronali o non



Il primo neurone della via afferente è un neurone a T

I diversi tipi di neuroni



La classificazione di una cellula recettoriale

è basata sulla natura del corrispondente stimolo adeguato

La modalità tatto:

il corpuscolo del Pacini (meccanocettore)



La percezione dello stimolo tattile:

lo stimolo meccanico apre canali attivati da stiramento

La successione degli eventi durante la percezione

1

2

3



L’intensità dello stimolo adeguato

determina il numero dei canali ionici attivati

L’intensità dello stimolo adeguato è tradotta in:

- ampiezza del potenziale di recettore

- frequenza di potenziali d’azione



Dall’intensità dello stimolo adeguato

alla frequenza dei potenziali d’azione

La frequenza dei potenziali d’azione è proporzionale

all’intensità dello stimolo adeguato



Proprietà delle cellule recettoriali: il campo recettoriale

Le dimensioni del campo recettoriale

determinano la capacità discriminativa



Proprietà delle cellule recettoriali: l’adattamento

Cellule recettoriali non capsulate

Cellule recettoriali capsulate

Le aree corticali

secondo A. Brodmann



Le aree sensitive corticali

La corteccia somatosensitiva primariae la rappresentazione somatotopica



Mappe somatosensitive

di alcune specie animali

La rappresentazione spaziale

dell’oggetto-stimolo



La plasticità

Le diverse

vie nervose afferenti

(o ascendenti)



La convergenza e la divergenza delle vie nervose

La convergenza “anatomica” delle vie nervose:

il dolore riferito



Interazione funzionale tra le vie nervose:

la teoria del controllo a “cancello”



Le vie nervose efferenti

(o discendenti) motorie

Omeostasi






La corteccia motoria primaria



Il controllo dell’ideazione e dell’esecuzione

del piano motorio

Il ruolo della corteccia premotoria

nell’ideazione del piano motorio



L’attivazione dell’area premotoria precede

l’attivazione dell’area motoria primaria



I nuclei della base

Il morbo di Parkinson

La localizzazione dell’�-motoneurone



L’organizzazione anatomo-funzionale

del tessuto muscolare scheletrico

Il sarcomero è l’unità funzionale

della fibra muscolare scheletrica



I filamenti contrattili

del sarcomero:

- l’actina (filamenti sottili)

- la miosina (filamenti spessi)

(proteine accessorie)

L’arrangiamento geometrico dei filamenti contrattili



La struttura dell’actina:

- l’actina G (monomero)

- l’actina F (polimero)

La struttura della miosina:

- la regione testa (“head”)

- la regione coda (“tail”)



Il complesso

troponina-tropomiosina

La formazione del ponte acto-miosinico

- necessita di Ca2+

- è reso reversibile dall’ATP



Il deposito intracellulare di Ca2+:

il reticolo sarcoplasmatico

La triade osservata al microscopio elettronico

- foot and feet



La contrazione della cellula muscolare scheletrica

non richiede Ca2+ extracellulare

I meccanismi coinvolti nell’omeostasi della [Ca2+]i



(modificata da Ríos and Pizarro, 1991)

La triade ed i canali ionici:

- canali voltaggio-dipendenti per il Ca2+

(DHPR)

- canali per il Ca2+ rianodina-sensibilio canali caffeina-sensibili

(RyR)

L’interazione DHPR-RyR

(“foot” o piede)



I diversi tipi di RyR

- Giunzionali “accoppiati”- Giunzionali “non accoppiati”- Extragiunzionali

Il meccanismo di accoppiamento eccitazione-contrazione

1) Rilascio di acetilcolina

2) Potenziale d’azione muscolare

3) Liberazione di Ca2+ dal reticolo

4) Interazione Ca2+-troponina

5) Interazione actina-miosina

6) Contrazione



La modulazione della forza sviluppata dal muscolo:

il ruolo della lunghezza del sarcomero

La diversa durata del segnale elettrico (potenziale d’azione)

e dell’evento meccanico (contrazione)




la sommazione dei transienti di Ca2+

Ogni muscolo è un insieme di unità motorie




il reclutamento delle unità motorie



Omeostasi






La localizzazione del cuore nella gabbia toracica

07.Autoritmicita' FC07 - 1 prof.Paola Lorenzon UniTS Farmacia



Le basi ioniche del potenziale d’azione

di una cellula P del tessuto specifico del cuore

I canali If (f: funny) sono canali voltaggio-dipendenti, attivati dalla ripolarizzazione.

Sono canali con selettività cationica. La corrente netta attraverso il canale è entrante.

La corrente If è responsabile dell’autoritmicità cardiaca(pacemaker potential)

Basi ioniche del potenziale d’azione

di una cellula del tessuto cardiaco comune




Basi ioniche del potenziale d’azione

di una cellula P del tessuto specifico del cuore

Anche alcuni neuroni sono dotati di automatismo:

i neuroni inspiratori




Il sistema di conduzione del cuore (tessuto specifico)

il centro ritmogenico:

nodo seno-atriale(o nodo pacemaker)

La propagazione del potenziale d’azione cardiaco

sfrutta sinapsi elettriche




L’ultrastruttura della cellula muscolare cardiaca

Il meccanismo di accoppiamento eccitazione-contrazionedella cellula muscolare cardiaca




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