Il corso intende fornire le basi molecolari e cellulari del funzionamento dei diversi organi che compongono il corpo umano utilizzando le nozioni di Anatomia, Biologia, Fisica e Chimica apprese negli anni precedenti. Il corso è al 2° semestre e comprende 65 ore di lezione frontali e 20 ore di attività di ripasso, spiegazioni ed esercitazioni ai quiz per un totale di 10 crediti formativi. Il corso è propedeutico agli insegnamenti di Biochimica, Farmacologia e Patologia svolti negli anni successivi.

The course aims at clarifying the molecular and cellular basis of human body functions taking advantage of the anticipated notions of body anatomy, cell biology, physics and chemistry principles acquired in the preceding semesters. The classes are at 2^nd semester of the 2^nd year. They include 70 hours of frontal lectures and 10 hours for clarifications, exercising on multiple-choice tests for a total of 10 transfer credits. The classes are preparatory for the Biochemistry, Pharmacology and Pathology courses of the following semesters.

Alla fine del corso gli studenti avranno acquisito i principi molecolari di base che regolano sia le normali funzioni cellulari, e di organo che le funzioni integrate tra i vari organi del corpo umano. Con la conoscenza dei principi di base di Fisiologia gli studenti saranno in grado di studiare in maniera critica gli aspetti molecolari, cellulari e integrativi di alcune importanti malattie o disfunzioni delle quali si conoscono (o si cominciano a conoscere) le cause e i principali approcci terapeutici. Lo studente vedrà accresciuto il proprio interesse verso la Fisiologia come materia propedeutica per capire meglio, non solo l’origine di alcune importanti patologie, ma anche il razionale delle terapie di tipo farmaceutico e degli interventi clinici finalizzati alla loro cura e prevenzione.

At the end of the course, the student will have acquired the molecular principles that are at the basis of body organs function and regulate the integrative actions among different organs. The knowledge of the basic principle of Physiology will help the students to critically understand the molecular, cellular and integrative aspects of most important diseases and body dysfunctions of which we know (or begin to know) the causes and the main therapeutic approaches. The student will increase the self-interest toward Human Physiology as a leading professional subject to better recognize both the origins of most important pathologies and the rationale of the pharmaceutical and clinical approach followed to prevent and cure them.

Fisiologia Generale

Crediti: 10

Prof. Carbone Emilio

Dipartimento di Neuroscienze, Sezione di Fisiologia

Corso Raffaello 30, 10125-Torino

 emilio.carbone@unito.it  

 http://www.personalweb.unito.it/emilio.carbone/  

Corso: annuale (2° semestre)

Durata del corso: 65 ore di lezione più 20 ore di esercitazioni

Obiettivi formativi: Il corso intende fornire le basi molecolari e cellulari del funzionamento integrato dei diversi organi che compongono il corpo umano utilizzando le nozioni di Anatomia, Biologia, Fisica e Chimica apprese negli anni precedenti. Il corso è annuale (2° semestre) e comprende 65 ore di lezione frontali e 20 ore di attività di ripasso, spiegazioni ed esercitazioni ai quiz. Il corso è propedeutico agli insegnamenti di Biochimica, Farmacologia e Patologia svolti negli anni successivi.

Requisiti: Si raccomanda di aver superato gli esami di Anatomia, Biologia Generale, Matematica e Fisica.

Modalità d’esame: Prova scritta (quiz a scelta multipla) e orale su tutto il programma. Si accede alla prova orale solo dopo aver superato la prova scritta. Per gli studenti in corso che frequentano assiduamente le lezioni sono previste due prove in itinere valide come esame finale.

Programma:

I Modulo (30 ore di lezione)

Scambi tra cellula ed ambiente - Le membrane cellulari: proteine di membrana e fosfolipidi. Osmosi e osmolarità. Diffusione di ioni attraverso membrane, i gradienti stazionari ionici e le pompe ioniche. Trasporto passivo di membrana: diffusione semplice, facilitata e attraverso canali ionici. Trasporto attivo: le pompe Na⁺/K⁺, H⁺/K⁺, Ca²⁺-ATPasi e H⁺-ATPasi. Cotrasporto e controtrasporto. Endocitosi ed esocitosi. Le giunzioni intercellulari: comunicanti e serrate. Trasporto attraverso epiteli. (5 ore)

L’eccitabilità cellulare - Proprietà passive di membrana: capacità e resistenza. Equilibri chimici: il potenziale elettrochimico, la legge di Nernst, il potenziale di riposo e l’equazione di Goldmann. Le basi molecolari del potenziale d’azione: l’ipotesi del sodio e il modello di Hodgkin-Huxley. Il “voltage-clamp” ed il “patch-clamp”. Struttura e funzione dei canali ionici voltaggio-dipendenti: i canali del Na⁺, K⁺ e Ca²⁺. Canali ionici attivati da recettori. (7 ore)

Il sistema nervoso - Struttura del neurone e delle cellule gliali. Potenziale graduato e propagazione elettrotonica. Propagazione di impulsi nervosi: la conduzione saltatoria. La sinapsi elettrica e chimica. Potenziali pre- e post-sinaptici. Sinapsi inibitorie ed eccitatorie. Neurotrasmettitori e recettori. Vescicole pre-sinaptiche e la natura quantica del rilascio vescicolare. La neurosecrezione: ruolo del calcio. Vari tipi di neurotrasmettitori e loro azione. L’integrazione sinaptica. Plasticità e facilitazione sinaptica. (6 ore)

I meccanismi sensoriali - Caratteristiche dei trasduttori sensoriali. Recettori fasici e tonici. Il sistema somato-sensoriale. Meccanocettori e termocettori: tipi e funzioni. Le vie meccanosensoriali. Il dolore: recettori, iperalgesia, riflesso assonico. Il dolore riferito e la "gate" del dolore. L’occhio e la formazione dell’immagine retinica. I fotorecettori e loro risposta alla luce: i canali attivati dal cGMP, la trasducina e il ciclo della rodopsina. L’organizzazione retinica: cellule bipolari, orizzontali, amacrine e ganglionari. Cellule a centro ON e a centro OFF. La corteccia e l’organizzazione visiva. L’orecchio: la coclea e la propagazione delle onde sonore. L’apparato vestibolare: struttura e funzione. Chemocettori: il sistema gustativo e olfattivo. (6 ore)

I muscoli - Il muscolo scheletrico: struttura e funzione. La contrazione muscolare: slittamento dei ponti trasversi e curva tensione-lunghezza, il ruolo del calcio e dell’ATP. L’accoppiamento eccitazione-contrazione: i tubuli T, il reticolo sarcoplasmatico e il calcio intracellulare. Biofisica del muscolo scheletrico: contrazione isometrica e isotonica, elementi contrattili in serie e in parallelo. La scossa muscolare e il tetano. Unità motorie. Il muscolo cardiaco: contrazione e potenziali d’azione cardiaci. Il muscolo liscio: contrazione e regolazione neuro-ormonale dei muscoli vasali e viscerali. (6 ore)

II Modulo (35 ore di lezione)

Il cuore - Composizione del sangue. Le parti costituenti il circolo. Il miocardio: struttura, generazione e propagazione dell’eccitamento. Foci ectopici e fenomeni di rientro. Controllo nervoso dell’attività cardiaca. Modulazione muscarinica e bb-adrenergica. Il centro vasomotorio. L’elettrocardiogramma: misura e significato. La pompa cardiaca: e i toni cardiaci. Il ciclo P-V e il lavoro cardiaco. Controllo della gettata cardiaca. La legge di Starling e il controllo estrinseco ormonale. Dinamicità cardiaca durante la stimolazione simpatica. (5 ore)

Il sistema vascolare

Emodinamica: resistenza di un condotto e legge di Poiseuille. Il sistema arterioso: la pressione arteriosa, la resistenza periferica, la compliance arteriosa e il polso pressorio. Controllo arteriolare locale, nervoso e ormonale. La microcircolazione e i capillari. L'endotelio vasale come regolatore di flusso: l’NO e sua azione vasodilatatoria. Le vene. I barocettori, il centro vasomotore e il controllo della pressione arteriosa. Effetti della gravità. La fisiologia dell'ipertensione. (6 ore)

La respirazione - Struttura e funzione del sistema respiratorio. La meccanica respiratoria. La pressione alveolare e pleurica. Fattore tensioattivo e legge di Laplace. Il lavoro respiratorio. Volumi e capacità polmonari. Ventilazione alveolare e fisica degli scambi gassosi. La membrana respiratoria. Capacità di diffusione polmonare e rapporto ventilazione/perfusione. La circolazione polmonare e bronchiale. PO₂ e PCO₂ alveolare e cellulare. Trasporto di O₂: l’emoglobina e la mioglobina. Curva di dissociazione O₂-emoglobina: effetto Bohr, della temperatura e del 2-3 DPG. Trasporto di CO₂: l’effetto Haldane, l’anidrasi carbonica e l’effetto Hamburger. Capacità tampone dell'H₂CO₃/HCO₃^-. Stati di acidosi e di alcalosi. Controllo della respirazione: i centri bulbo-pontini, i recettori di stiramento polmonare e i chemocettori. Regolazione del pH plasmatico. (7 ore)

La funzione renale - I liquidi corporei. Struttura del rene: il nefrone e il circolo renale. La filtrazione glomerulare: pressioni e regolazione. Clearance renale: l’inulina, la creatinina e il PAI. Clearance del glucosio. Formazione e composizione dell’urina: meccanismi molecolari di riassorbimento e secrezione dei tubuli renali. Riassorbimento di Na⁺, Cl^-, H₂O, glucosio e aminoacidi. Meccanismi di concentrazione dell’urea. Escrezione di urea, Na⁺ e K⁺. Riassorbimento del Na⁺ mediante l’aldosterone. L’ansa di Henle e il meccanismo di moltiplicazione in controcorrente. Il riciclo dell’urea. La macula densa e il sistema renina-angiotensina-aldosterone. Regolazione del volume plasmatico e del liquido extracellulare: l’ADH, i volumocettori e gli osmocettori. Regolazione del pH plasmatico: secrezione di H⁺, riassorbimento e formazione di HCO₃^-. Riassorbimento ed escrezione di K⁺ e Ca²⁺. Alterazione dell’equilibrio acido-base, stati di alcalosi ed acidosi, tamponi fosfato e ammonio. Il riflesso della minzione. L'emodialisi. (6 ore di lezione)

Il sistema endocrino - Gli ormoni: sintesi, rilascio e meccanismo d’azione. Cellule secretorie. I secondi messaggeri. Il sistema ipotalamo-ipofisario. Gli ormoni della neuroipofisi: ADH e ossitocina. Gli ormoni dell’adenoipofisi: GH, prolattina, TSH, ACTH, LH e FSH. Le ghiandole surrenali. Ormoni della midollare e l’azione delle catecolamine. Ormoni della corticale: glucocorticoidi, mineralcorticoidi e steroidi sessuali. La tiroide e gli ormoni tiroidei. Il pancreas endocrino: l’insulina, il glucagone e la somatostatina. Gli ormoni sessuali. L’apparato riproduttivo maschile e femminile. (5 ore)

L’apparato gastrointestinale - I movimenti dell'apparato gastrointestinale. I plessi mioenterici e sottomucosi. L'elettrofisiologia del muscolo liscio: sincronismi e modulazione della contrazione. La masticazione e la deglutizione. Il riflesso esofageale. Movimenti meccanici dello stomaco. Controllo dello svuotamento gastrico. Il riflesso del vomito. Motilità dell'intestino tenue e crasso. La saliva e la secrezione salivare. La digestione nello stomaco: il succo gastrico e il muco. Meccanismi di produzione e secrezione dell'HCl. Fasi della secrezione gastrica. Produzione e secrezione di pepsina. Il pancreas: fasi e regolazione della secrezione pancreatica. Il fegato e la funzione epatica: la bile e i sali biliari. Secrezione degli acidi e pigmenti biliari. Il riciclo e la concentrazione della bile: le vie biliari. Digestione e assorbimento dei carboidrati nell'intestino tenue. Digestione delle proteine. Assorbimento di amino acidi, H₂O ed elettroliti. Digestione e assorbimento di lipidi. Assorbimento di Ca²⁺ e Fe²⁺. (6 ore)

General Physiology

Credits: 10

Prof. Carbone Emilio

Department of Neuroscience

Corso Raffaello 30, 10125-Torino

 emilio.carbone@unito.it  

Neurophysiology

1^st part (30 hours of lectures)

Physiology of membranes – The structure of cell membrane: membrane proteins and phospholipids. Diffusion, osmosis and osmolarity. Diffusion of ions and molecules across membranes: simple diffusion through the lipid bilayer, diffusion of ions through protein channels, facilitated diffusion through carriers. The active transport. The primary active transport: the Na⁺/K⁺-ATPase, the H⁺/K⁺-ATPase, the Ca²⁺-ATPase and the H⁺-ATPase. The secondary active transport: the Na⁺-dependent cotransporters, the Na⁺-dependent exchangers, the Cl^-/HCO₃^- exchanger. Endocytosis and exocytosis. Membrane junctions: gap junctions and tight junctions. Ion and water transport across epithelial tissues. (4 hours)

Electrophysiology of the cell membrane – Passive properties of cell membrane: membrane capacity and membrane resistance. Chemical equilibrium across membranes: the ion gradients, the electrochemical potential and the Nernst law. The membrane resting potential and the Goldman equation. Electrical models of the cell membrane. The ionic basis of action potential: the Na⁺ hypothesis and the Hodgkin-Huxley’s model. The voltage-clamp and the patch-clamp. Molecular physiology of ion channels: the voltage-gated Na⁺, K⁺ and Ca²⁺ channels. The receptor-activated ion channels. (6 hours)

The physiology of the nervous system – The structure of neurons. The graduate potential and the electrotonic propagation. Propagation of action potentials in neurons: cable properties of the membrane and the “saltatory conduction”. Synaptic transmission: electrical and chemical synapses. The presynaptic and postsynaptic potential. Inhibitory and excitatory synapses. The neuromuscular junction. Neurotransmitters and their receptors. Presynaptic vesicles and quantal nature of vesicle release. The neurosecretion: the role of Ca²⁺ and Ca²⁺ channels in transmitter release, the SNARE complex. Toxins, drugs and neuropathologies affecting transmitter release. The different role of neurotransmitters: ACh, GABA, glycine, glutamate, biogenic amines, ATP and peptides. The autonomic nervous system: the sympathetic and parasympathetic divisions. Synaptic integration: temporal and spatial summation. Synaptic plasticity, facilitation and long-term potentiation. (7 hours)

Sensory physiology – General principles: sensory receptors and primary sensory coding. Slowly and rapidly adapting receptors. Specific sensory systems: The somatic sensation: type and function of mechanoreceptors. The cold-sensing and warm-sensing thermoreceptors. Pain sensation: nociceptors, hyperalgesia, the referred pain. The “gate of pain”. Neuronal pathways of somato-sensory system. Vision: the eye anatomy and the optics of vision. Photoreceptor cells and phototransduction: the cGMP-activated channels, transducin, the rhodopsin cycle. The retina and the neural pathways of vision: bipolar cells, horizontal cells, amacrine cells, ganglion cells. The visual cortex. Hearing: the cochlea and sound transmission in the ear. Hair cells of the organ of Corti. The vestibular system: the semicircular canals, the utricle and saccule. Vestibular information and pathways. The chemical sense: taste and smell. (5 hours)

The cell physiology of muscles – The skeletal muscle: cellular and molecular structure. Molecular mechanisms of skeletal muscle contraction: the sliding filaments and the length-tension curve. The role of troponin, tropomyosin, Ca²⁺ and ATP in contraction. Excitation-contraction coupling: the T-tubule, the sarcoplasmic reticulum, the tubule DHP receptors, the ryanodine receptors and the Ca²⁺-sparks. Mechanics of single-fiber contraction: isometric and isotonic contraction. Twitch-contractions and tetanus. Types of skeletal muscle fibers. Whole-muscle contraction: the motor units and the control of muscle tension. The cardiac muscle: cellular structure, heartbeat coordination, sequence of excitation, cardiac action potentials and excitation of the SA node. The smooth muscle: cellular structure, mechanisms of contraction and its control. The sources of cytosolic Ca²⁺ controlling contraction. (8 hours).

Physiology of organ systems

2nd part (35 hours of lectures)

Cardiovascular physiology – Blood and hemostasis. The constituents of the circulatory system. The heart: structure, innervation and heartbeat coordination. The autonomic nervous control of heartbeat: muscarinic and b-adrenergic modulation. The electrocardiogram: methods of measurements, interpretation of ECG waves. The cardiac pump and the heart sounds. Mechanical events of the cardiac cycle: systole and diastole. The atrial, ventricular and aortic pressure. The systolic and diastolic volumes. The pressure-volume cycle and the cardiac work. Definition and control of cardiac output. The Frank-Starling law and the extrinsic neuro-hormonal controls of heartbeat. Effects of sympathetic stimulation on ventricular contraction. (3 hours)

The vascular system – Hemodynamics: pressure, flow and resistance. The Leonardo and the Poiseuille laws. The arteries: the mean arterial pressure, the vascular resistance, the arterial compliance and the pulse pressure. The arterioles and their local controls: active hyperemia, reactive hyperemia, blood flow autoregulation. Extrinsic controls: the intrinsic tone and its sympathetic and hormonal regulation. The endothelial cells and the regulation of blood flow: production and vasodilating action of NO. The capillaries and the microcirculation. Fluid filtration and absorption across the capillary walls: the four Starling forces. The veins: determinants of the venous pressure and the effects of gravity. The skeletal muscle pump and the venous return. Regulation of systemic arterial pressure. The baroreceptor reflexes: the arterial baroreceptors, the medullary cardiovascular center and the compensatory mechanisms of arterial pressure. Physiological aspects of hypertension and other cardiovascular diseases. (8 hours)

Respiratory physiology – Organization of the respiratory system. Ventilation and lung mechanics. The alveolar and the intrapleural pressure. The lung compliance and the surface tension at the air-water interface: the role of surfactant and the Laplace law. Lung volumes and capacities. Alveolar ventilation. The physical-chemistry of gas exchanges. The respiratory membrane. The O₂ and CO₂ diffusion capacity and the ventilation/perfusion ratio. The lung and bronchial circulation. The alveolar and tissue gas pressures (PO₂ and PCO₂). O₂ transport in blood: hemoglobin and moglobin. The O₂-hemoglobin dissociation curve. Effects of pH, temperature and 2,3-DPG on the O₂-hemoglobin saturation curve. Transport and different forms of CO₂ in the blood. The Haldane effect, the carbonic anhydrase and the HCO₃^-/Cl^- exchanger. The acid-base equilibrium and the buffering capacity of H₂CO₃/HCO₃^-. Metabolic and respiratory acidosis and alkalosis. Control of respiration. The brainstem control centers of respiratory rhythms. Pulmonary stretch receptors. Control reflexes of ventilation mediated by central and peripheral chemoreceptors. The homeostasis of plasmatic pH. (7 hours)

The renal functions – The body fluid regulation. Structure of the kidney and urinary system: the nefron and the renal circulation. The glomerular filtration: forces involved and the rate of glomerula filtration. The concept of renal clearance. The clearance of inulin, glucose, creatinin and PAI. Formation and composition of urine. Molecular mechanisms of tubular reasorption and secretion. Reasorption by mediated transport of Na⁺, Cl^-, H₂O, glucose and aminoacids. The recycle of urea. The escretion of urea, Na⁺ and K⁺. Reasorption of Na⁺ mediated by aldosterone. The Henle-loop and the countercurrent-multiplier system: the interstitial fluid osmolarity gradient and the vasa recta. Renal sodium regulation: the macula densa and the renin-angiotensin-aldosterone system. The renal water regulation: osmoreceptor and baroreceptor control of vasopressin secretion. The hydrogen ion regulation: secretion of H⁺, reasorption and production of new bicarbonate. Reasorption and secretion of K⁺ and Ca²⁺. Regulation of the acid-base equilibrium. Renal responses to acidosis and alkalosis. The HPO₃^--/H₂PO₄^- and the NH₃/NH₄⁺ pH buffers. The micturition and the hemodialysis. (6 hours)

The endocrine system – The hormones: synthesis, release and mechanisms of action. The secretory and target cells: membrane receptors, coupling to G proteins, second messengers, intracellular receptor systems. The hypothalamus and pituitary gland. The hormones of neurohypophysis: ADH and oxytocin. The hormones of adenohypophysis: growth hormone (GH), prolactin, thyroid-stimulating hormone (TSH), adrenocorticotropic hormone (ACTH), luteininzing hormone (LH) and the follicle-stimulating hormone (FSH). The adrenal glands. The hormones of the adrenal cortex: the mineralcorticoids, the glucocorticoids and the androgens. The hormones of the adrenal medulla: the catecholamines and their action. The thyroid gland: synthesis and action of thyroid hormones. Hormones of the pancreatic islets: insulin, glucagon and somatostatin. The reproductive glands and the sexual hormones. (5 hours)

The gastrointestinal system – Structure and regulation of the gastrointestinal tract. Innervation of the gastrointestinal tract: the enteric nervous system, sympathetic and parasympathetic innervation. The electrophysiology of gastrointestinal smooth muscles: the synchronisms of contraction and their modulation, relationship between membrane potential and tension. Mouth, pharynx and esophagus motility: chewing and swallowing. The esophageal function. Gastric motility: the gastric peristaltic waves, mixing and emptying of gastric contents. Duodenal regulation of gastric emptying. The vomiting center and the chemoreceptor trigger zone. The motility of the small intestine: the migrating myoelectric complex. Motility of the colon. The secretion of saliva. The gastric digestion: secretion of HCl, pepsin, mucus and intrinsic factor. The molecular mechanisms producing and regulating HCl secretion. The three phases of gastric secretion: cephalic, gastric and intestinal. Production and regulation of pancreatic secretions. Function of the liver and gallbladder: the hepatic function, the bile contents and the bile recycling. Secretion of the bile salts and bile pigments. Digestion and absorption of carbohydrates in the small intestine. The digestion of proteins: absorption of amino acids, H₂O, and electrolytes. Absorption of Ca²⁺ and Fe²⁺. Digestion and absorption of lipids: resynthesis of lipids in the smooth endoplasmic reticulum of enterocytes and the chylomicrons. (6 hours)