DEFINITIA SI OBIECTUL FIZIOLOGIEI

Termenul FIZIOLOGIE = PHYSIS (natura) + LOGOS (stiinta)(greaca0

Fiziologia este o ramura a biologiei care descrie functiile vitale ale organismelor vii si a

sistemelor, organelor, celulelor si moleculelor acestora. Cu alte cuvinte, fiziologia este studiul

dinamic al vietii.

Spre deosebire de stiintele morfologice, care studiaza modul de organizare a celulelor,

tesuturilor, organelor si a intregului organism, fiziologia este o stiinta functionala, care

studiaza deci modul de realizare a activitatii diferitelor structuri. De altfel, structura si functia

sunt strans legate, deoarece o anumita structura realizeaza o anumita functie. Modificarea

structurii duce la modificarea functiei, iar modificari ale functiei induc remanieri structurale

adecvate.

Fiziologia umana are ca obiect de studiu mecanismele si legile de de functionare, reglarea si

adaptarea organismului, sistemelor si subsistemelor sale.

In scoala medicala, studiul fiziologiei este important pentru ca serveste la evaluarea

normalului si a starii de sanatate. Medicina foloseste fiziologia ca stare de referinta.

Cunoasterea modului in care organele si sistemele functioneaza in mod normal este esentiala

pentru a intelege ce se petrece in starea de boala si pentru a intelege tratamentele medicale. In

plus, testele dezvoltate de fiziologi pentru explorarea functiei normale au trecut in clinica si

sunt utilizate pentru diagnostic (spirografie, clearance renal, etc).

MEDIILE LICHIDIENE ALE ORGANISMULUI. HOMEOSTAZIA.

Obiective educationale

Dupa parcurgerea acestui capitol, trebuie sa fiti capabili sa:

Definiti homeostazia, precizati importanta ei si explicati principiul circuitelor de

retroactiune

Precizati care sunt factorii de care depinde continutul de apa al organismului

C|lasificati compartimentele lichidiene ale organismului. Dati valorile normale

ale concentratiei principalilor ioni intra- si extracelulari

A. Niveluri de organizare a materiei vii

Cea mai mica unitate din organism care intruneste toate componentele necesare desfasurarii

proceselor metabolice caracteristice vietii este celula. Componentele celulare sunt organitele,

macromoleculele, micromolecule, ioni si au roluri bine definite, dar fiecare din acestea sunt

vii doar integrate in celula.

Tesutul este o asociere de celule similare ca structura si activitate. Unul si acelasi tesut este

repartizat in diferite organe.

Organul este o unitate functionala, alcatuit din 1 sau mai multe tipuri de tesuturi.

O grupare de organe asociate in realizarea unei anumite functii este un sistem. Sistemul

reprezinta mai mult decat suma partilor sale componente.

Organismul reprezinta o unitatea morfofunctionala asigurata prin functionarea tuturor

celulelor, tesuturilor, organelor si a sistemelor de organe. La nivelul organsimului se

realizeaza toate functiile fundamentale ale structurii vii.

In cadrul sistemelor biologice, organismal (individual) nu reprezinta treapta suprema, caci

organismele vii alcatuiesc o populatie, iar populatia este parte componenta a biocenozei.

B. MEDIILE LICHIDIENE ALE ORGANSIMULUI

1. Apa din organism

Din punct de vedere cantitativ, apa este principalul constituent al organismului. Continutul de

apa in organism depinde de:

a). Intensitatea proceselor metabolice

- continutul de apa este ridicat la embrion (97%) si scade cu varsta (60% la adult, 55% la

varstnic)

- continutul de apa este ridicat in organele cu metabolism intens (creier, tiroida, muschi) si

scazut in cele cu rata metabolica joasa (tesut adipos, oase, smalt dentar)

b). proportia de testu adipos un organism de sex feminine are mai putina apa decat unul de

sex masculin.

2. Mediile lichidiene ale organsimului

Apa din organism contine o serie de substante dizolvate (ioni, substante organice, etc),

impreuna cu care alcatuieste fluidele organismului.

Fluidele sunt distribuite in urmatoarele compartimente separate de membrane biologice:

1. Intracelular 2/3 din fluidele organismului (40%) din greutatea corporala la adult)

2. Extracelular 1/3 din fluidele organismului (20% din G corp la adult)

Lichidele extracelulare se divid in:

o Lichidul intravascular - plasma

o lichid interstitial

o lichide transcelulare in seroase (peritoneu, pleura, etc). In conditii

fiziologice, lichidele transcelulare sunt o cantitate neglijabila, sub 1%, dar

pot devein semnificativ crescute in conditii patologice.

Lichidul intravascular si interstitial sunt separate de peretele vascular.

LICHIDUL EXTRACELULAR POARTA NUMELE DE MEDIU INTERN.

Lichidele organsimului contin apa si substante dizolvate. Ionii sunt distribuiti inegal in

compartimentele lichidiene ale organismului. Astfel, apa intracelulara contine cu precadere

potasiu, magneziu, fosfati, iar apa extracelulara contine cu precadere sodiu, clor, bicarbonat.

Concentratia ionilor de calciu exte extrem de joasa in apa intracelulara.

Cu toate diferentele de compozitie chimica intre compartimentele intra- si extracelular,

concentratia substantelor dizolvate este in echilibru in compartimentele lichidiene. Astfel,

suma ionilor pozitivi este egala cu cea a ionilor negativi in fiecare compartiment. Numarul de

partiocule dizolvate in compartimentul intracelular este egal cu numarul de particule dizolvate

in compartimentul extracelular.

Cationi mEq/L Plasma Lichid interstitial Lichid intracelular

Na+

K+

Mg++

Ca++

142

4

3

5

138

5

3

5

14

155

26

2

Anioni mEq/L

Cl-

HCO3-

PO4-

103-108

27

2

103-108

27

2

4-20

10

113

Proteine- 16 2 74

C. HOMEOSTAZIA. MECANISME HOMEOSTATICE

1. Homeostazia

Organsimul uman este expus unor variatii frecvente ale mediului extern si unor consecinte

biochimice si fiziologice ale diverselor activitati pe care le desfasoara. Cu toate acestea,

mediul intern trebuie sa isi pastreze constante caracteristicile (compozitie, temperatura,

presiune osmotica, pH, volum celular, niveluri de energie- ATP, concentratia ionilor mici

anorganici, etc), pentru mentinerea viabilitatii celulare. Toate celulele organismului traiesc in

mediul intern, din care isi preiau substantele nutritive si in care isi varsa metabolitii. Celulele

se mentin viabile (traiesc si isi realizeaza functiile) atat timp cat mediul intern se pastreaza

constant. Cu alte cuvinte, functiile fiziologice ale organelor si sistemelor se desfasoara

continuu datorita existentei mediului intern, care izoleaza aceste organe si tesuturi in fata

variatiilor mediului extern.

Homeostazie = constanta mediului intern/ capacitatea animalelor superior organizate de

a se mentine cu caracteristicile lor morfologice si functionale intr-un mediu de viata

extrem de variabil.

Homeostazia este o conditie obligatorie a normalitatii si a vietii. Homeostazia este mentinuta

prin activitatea tuturor organelor si sistemelor. Tubul digestiv asigura aportul de substante

nutritive, plamanii asigura un nivel constant de O2 si CO2, rinichii mentin constanta

concentratiei de electroliti si echilibrul acido-bazic, sistemul circulator este o punte de

legatura intre organele de absorbtie si tesuturile beneficiare si intre acestea si organele de

excretie. Activitatea tuturor organelor si sistemelor este mentinuta si controlata de catre alte 2

sisteme, care actioneaza in paralel: sistemul nervos, cu actiune rapida, si sistemul endocrin, cu

actiune mai lenta.

Toare organele si sistemele contribuie la mentinerea homeostaziei si sunt beneficiari ai ei.

2. Mecanisme homeostatice

Homeostazia este mentinuta prin mecanisme homeostatice, care atenueaza perturbarile si

mentin constantele mediului intern intre anumite limite. Mecanismele homeostatice sunt

mecanisme de reglare, prin reglare a unei functii intelegandu-se mentinerea ei la un nivel

normal, fiziologic.

Mecanismele homeostatice pot fi de natura fizico-chimica, enzimatica, hormonala, nervoasa si

opereaza prin circuite de autoreglare (bucle feed-back). Buclele feed-back pot fi negative, cele

mai multe, sau pozitive.

a). Mecanisme feed-back negative/ circuite cu retroactiune negative

Principiul unui circuit cu retroactiune negativa este urmatorul: valoarea de moment a unui

parametru este inregistrata de un receptor. Acesta trimite informatia unui comparator, care

compara valoarea inregistrata cu cea de referinta, considerata normala. Daca exista diferente

intre cele 2, informatia este trimisa unui efector, care readuce valoarea parametrului aproape

de cea de referinta. Cu alte cuvinte, in circuitele feed-back negative, efectul final se opune

modificarii initiale.

O anumita bucla feed-back nu opereaza izolat, ci face parte de obicei dintr-o retea de control.

Circuitele de control pot fi redundante. Cu cat mai important este un anumit parametru, cu atat

exista mai multe mecanisme feed-back care il controleaza. Intre diverse bucle de feed-back

exista o interrelatie complexa; circuitele de control uneori coopereaza, alteori sunt opuse.

b). Mecanisme feed-back pozitive in acest caz, efectul final accentueaza modificarea

initiala, pana la atingerea unui maxim.

In fiziologie, marea majoritate a mecanismelor de control sunt de tip feed-back negativ.

TRANSPORTUL PRIN MEMBRANE

Obiective educationale

Dupa parcurgerea acestui capitol, trebuie sa fiti capabili sa:

Diferentiati si caracterizati transportul activ/pasiv, transportul cu/fara proteine

transportoare

Diferentiati transportorii proteici (pori, canale, carausi)

Precizati caracteristicile canalelor ionice. Precizati caracteristicile transportului

prin carausi.

Explicati modul in care substantele liposolubile si hidrosolubile traverseaza

membrana celulara

Diferentiati si caracterizati tipurile de transport: difuziune, difuziune facilitate,

osmoza, transport activ primar, transport activ secundar

Diferentiati termenii de osmolarite si tonicitate. Dati valoarea normal a

osmolaritatii lichidelor organismului

Precizati modul in care hidroliza ATP este utilizata in transportul activ

Functia principala a membranei celulare este aceea de a mentine homeostazia celulara. Ea

separa compartimentul intracelular de cel extracelular, dar asigura in acelasi timp schimburile

nutritive intre celula si mediul intern, prin transport transmembranar.

Clasificarea transportului transmembranar

Transportul transmembranar se refera la schimburile de ioni si molecule mici, microtransport,

sau la schimbul de macromolecule, macrotransport.

A. Microtransport

Schimburile de microsubstante pot avea loc prin transport pasiv, care nu necesita energie, si

transport activ, cu cheltuieli de energie. Energia este asigurata prin hidroliza ATP.

Pe de alta parte, transportul se poate desfasura direct prin interstitiile din membrana, fara

transportori, sau necesita transportori proteici.

Transportorii proteici pot fi:

1. Pori acestia sunt deschisi in permanenta. Exemple: aquaporinele (permit difuziunea

apei ca raspuns la gradient osmotic sau de presiune), porii citotoxici formati de

perforinele eliberate de limfocite

2. Canale ionice - sunt proteine membranare integrale, care permit pasajul ionilor,

atunci cand sunt deschise (asigura difuziunea unor ioni in gradient electrochimic).

Canalele ionice sunt caracterizate de:

Selectivitate (permit trecerea anumitor ioni) data de:

o Sarcinile care tapeteaza canalul

o Dimensiuni

existenta unor porti/bariere, cu o serie de tranzitii de la starea nchisla starea

deschis, stare care reflecta o conformatie diferita a moleculei. In functie de

pozitia portilor, canalele sunt inchise sau deschise. Cand un canal este deschis,

prezinta o comunicare cele 2 fete ale membranei si permite trecerea pasiva a

ionilor, in gradient electrochimic, pana cand canalul se inchide din nou. Cand

este inchis, ionii nu pot trece, oricat de mare este gradientul electrochimic.

Portile sunt controlate de modificarea potentialului electric al membranei (canale

voltaj dependente), de substante chimice (canale ligand-dependente) sau de

evenimente mecanice (canale mecanic-activate). Exista si canale cu deschidere

spontana.

3. Transportori/carausi sunt proteine de membrana care nu formeaza niciodata un pasaj

continuu. Actioneaza prin modificari reversibile ale conformatiei proteice. Transportul

prin caraus este acarcterizat de: specificitate, saturatie, competitie. Carausii pot

transporta o singura specie (sisteme uniport). Cand transporta mai multe specii,

acestea pot fi transportate in aceeasi directie (sistem simport) sau in directii diferite

(sistem antiport).

A. TRANSPORTUL PASIV

Se datoreaza unor forte fizice si nu necesita energie. Aceste forte fizice sunt: gradientul

chimic gradientul electric gradientul de presiune osmotica gradientul de presiune

hidrostatica echilibrul de membrana Donnan (vezi cursul de Potentiale electrice de

membrana - neuron).

Transportul pasiv include difuziunea si variantele sale.

1. Difuziunea

Are loc datorita miscarii permanente a moleculelor unei solutii, in asa fel incat daca exista

diferente de concentratie zonale, in urma acestei miscari, concentratia se egalizeaza. Energia

care determina difuzia este data de energia cinetica a particulelor aflate in miscare.

Substantele pot difuza prin membrane celulara fie direct prin dublul strat lipidic, fie prin

intermediul unor proteine transportoare.

Subtipurile difuziunii sunt: difuziunea simpla, difuziunea facilitate, osmoza.

Difuziunea simpla

Caracteristici: in gradient electrochimic fara consum de energie fluxul net de substanta

este direct proportional cu diferenta de concentratie intre cele doua fete ale membrane si de

permeabilitatea membranei nu prezinta saturatie

Cantitatea de substanta care difuzeaza prin membrane este data de legea difuziunii a lui Fick:

D x A x (C2-C1)

Flux substanta = --------------------------

d

unde D = constanta de difuziune, A = suprafata efectiva de difuziune, C2-C1 diferenta de

concentratie intre cele 2 fete ale membrane, d = distanta de difuziune

Difuziunea simpla poate avea loc

- prin dublul strat lipidic - pentru substantele liposolubile, gaze respiratorii, alcool

- prin intermediul unor transportori, pentru particulele polare sau incarcate electric.

Apa, cu toate ca nu este liposolubila, difuzeaza cu usurinta prin membrana celulara atat prin

dublul strat lipidic,datorita energiei cinetice ridicate si dimensiunilor mici, cat si prin

aquaporine.

Ionii difuzeaza prin canale ionice, atunci cand ele sunt deschise, in gradient electrochimic.

2. Difuziunea facilitata

Cu cat dimensiunile moleculelor cresc, cu atat mai greu penetreaza membrana celulara, asa

incat utilizeaza proteine transportoare. Difuziunea facilitata este realizata cu ajutorul

carausilor (caracteristici vezi mai sus). Glucoza si aminoacizii penetreaza membrana

celulara prin difuziune facilitata, in cele mai multe celule, in sensul gradientului de

concentratie si fara consum de energie.

3. Osmoza

Osmoza defineste difuziunea apei intre 2 compartimente care contin o solutie a carui solvit nu

poate trece prin membrana celulara. In acest caz, apa va trece din compartimenul cu solutia

mai diluata in cel cu solutia mai concentrata. Difuziunea apei poate fi blocata prin aplicarea

unei presiuni hidrostatice compartimentului cu solutia mai concentrata. Presiunea osmotica

este presiunea care trebuie aplicata compartimenului cu solutie concentrata pentru a preveni

difuzia apei. Presiunea osmotica depinde de numarul de particule dizolvate si nu depinde de

marimea moleculelor sau de natura chimica a substantei. Cea mai mare parte din presiunea

osmotica a comaprtimentelor lichidiene ale organismului este data de ioni. Prin presiune

coloidosmotica se intelege partea din presiunea osmotica data de proteine si, desi mica, are

importanta in schimburile capilare si in filtarrea glomerulara. Compartimentele lichidiene ale

organsimului au o presiune osmotica constanta, de 290-310 mOsm/l.

Diferentele de presiune osmotica de o parte si alta a membrane celulare sunt cele care

dicteaa intensitatea si sensul schimburilor de apa.

Tonicitate = In medicina, se refera la presiunea osmotica a unei solutii comparativ cu

presiunea osmotica a fluidelor organismului. Astfel, solutiile pot fi izo-, hiper- sau hipotone.

O solutie izotona este serul fiziologic, care este o solutie de NaCl cu concentratia de 0,9 g/l.

B. TRANSPORTUL ACTIV

Transportul activ este realizat de proteine transportoare cu specificitate de legare si, pentru ca

se desfasoara impotriva gradientelor electrochimice, necesita energie.

Caracteristicile transportului activ sunt: consum de energie cu protein transportoare

specificitate competitie saturatie

Exemple de substante transportate active prin membrana celulara: sodiu, potasiu, calciu,

protoni, urat, glucoza, aminoacizi. In functie de sursa de energie, transportul activ poate fi

primar si secundar.

1. Transportul activ primar

In acest caz, energia deriva direct din hidroliza ATP, transportorul avand functie ATP-azica.

a). Pompa de Na+-K+

Este un transportor cu functie ATP-azica prezent in membrana tuturor celulelor -

introduce in celula 2 ioni de K si in acelasi timp scoate din celula 3 ioni de Na, ambii ioni

fiind pompati impotriva gradientelor de concentratie. In cele mai multe cellule epiteliale,

pompa de Na+ - K+ se gaseste in membrane bazolaterala.

Clasa de compusi numiti glicozide cardiace (ouabaina, digoxina) blocheaza activitatea

acestei pompe ionice.

Rolurile pompei Na-K dependente:

1. Mentine potentialului de repaus este o pompa electrogena.

2. Asigura transportul activ secundar

3. Mentine volumul celular

b). Pompe de Ca 2+ - prezente in membrane celulara, ca si in cea a unor organite celulare.

Rolul acestor pompe este acela de a mentine sau reface concentratia intracitoplasmatica joasa

de Ca++.

C). Pompa de protoni - prezenta in celulele parietale ale glandelor gastrice, cu rol in ssecretia HCl.

2. Transport activ secundar

Functioneaza pe baza gradientul de concentratie pentru Na+, produs de pompa de Na+-K+.

Cu alte cuvinte, energia acestui tip de transport este furnizata de transportul activ primar.

Transportorii implicati fixeaza Na+ (extracelular) si, in acelasi timp, o alta specie. Cand

ambele sunt fixate la transportor, acesta isi schimba conformatia, astfel realizand functia de

transport. In timp ce Na este introdus in celula in gradient de concentratie, cealalta specie este

transportata impotriva unui gradient de concentratie.

Transportorii activi secundari pot functiona ca sisteme simport (Na-glucoza) sau antiport

(Na+-H+)

TRANSPORTUL MACROMOLECULAR (PRIN VEZICULE)

Veziculele care fuzioneaza cu membrane celulara pot fi utilizate pentru transportul

transmembranar al unor molecule mari sau chiar particule.

Forme de transport prin vezicule:

a). Exocitoza

b). Endocitoza: fagocitoza pinocitoza