Scienze Biologiche

MARIA EGLE DE STEFANO
MARIA EGLE DE STEFANO
MAURO GIORGI
MAURO GIORGI

Obiettivi principali
L’insegnamento di Fisiologia Generale è mirato a fornire conoscenze approfondite sui principi molecolari e cellulari che regolano le normali funzioni di organi e sistemi che caratterizzano un organismo vivente complesso. Il corso prevede una parte iniziale che approfondisce temi più strettamente di fisiologia cellulare, per poi arrivare ad affrontare lo studio della funzione dei singoli organi e dei meccanismi di interazione reciproca tra questi, alla base del delicato equilibrio omeostatico su cui si fonda il corretto funzionamento di una organismo vivente. Lo studio della Fisiologia è fondamentale per la formazione professionale degli studenti delle facoltà di Scienze e poiché è una disciplina molto vasta, il suo studio richiede le conoscenze di Biologia, Istologia, Fisica, Chimica, Biochimica, acquisite nei primi due anni di formazione universitaria. Il corso comprende lezioni frontali e sessioni di laboratorio incentrate sullo studio di principi fisiologici di base. Durante il corso viene appreso anche l’uso di semplici metodiche di indagine di parametri fisiologici.

Obiettivi specifici
A) Conoscenze e capacità di comprensione
- Conoscenza della funzione della membrana plasmatica nel mantenimento dell’omeostasi delle cellule eucariotiche, con richiami alla sua struttura
- Conoscenza e comprensione del funzionamento dei tipi cellulari che caratterizzano i diversi tessuti
- Conoscenza e comprensione dell’organizzazione anatomica, strutturale e funzionale dei singoli organi
- Conoscenza e comprensione dei meccanismi di comunicazione tra cellule, organi e sistemi, e di integrazione delle funzioni dei diversi organi, con particolare riguardo a meccanismi di regolazione dell’omeostasi funzionale
- Conoscenza e comprensione dei principali metodi di studio in fisiologia

B) Capacità di applicare conoscenza e comprensione
- Saper usare la terminologia specifica
- Saper identificare le giuste procedure per risolvere i quesiti di Fisiologia
- Saper riconoscere, nel funzionamento dei sistemi e apparati fisiologici, le leggi chimiche e biofisiche generali che regolano il mondo inanimato

C) Autonomia di giudizio
- Acquisire capacità di giudizio critico, attraverso lo studio in chiave storica del progresso delle conoscenze Fisiologiche e l’analisi dettagliata di alcuni esperimenti fondamentali
- Imparare a porsi domande per l’elaborazione e approfondimento delle conoscenze apprese

D) Abilità comunicative
- Saper comunicare quanto appreso nel corso dell’esame orale

E) Capacità di apprendimento
- Apprendere la terminologia specifica
- Connettere in modo logico le conoscenze acquisite
- Identificare i temi più rilevanti delle materie trattate

L’insegnamento di Fisiologia Generale è mirato a fornire conoscenze approfondite sui principi molecolari e cellulari che regolano le normali funzioni di organi e sistemi che caratterizzano un organismo vivente complesso. Il corso prevede una parte iniziale che approfondisce temi più strettamente di fisiologia cellulare, per poi arrivare ad affrontare lo studio della funzione dei singoli organi e dei meccanismi di interazione reciproca tra questi, alla base del delicato equilibrio omeostatico su cui si fonda il corretto funzionamento di una organismo vivente. Lo studio della Fisiologia è fondamentale per la formazione professionale degli studenti delle facoltà di Scienze e poiché è una disciplina molto vasta, il suo studio richiede le conoscenze di Biologia, Istologia, Fisica, Chimica, Biochimica e Anatomia umana, acquisite nei primi due anni di formazione universitaria.

I risultati di apprendimento attesi corrispondono agli Obiettivi Specifici del corso.
In dettaglio, accquisizione di:

A) Conoscenze e capacità di comprensione
- Conoscenza della funzione della membrana plasmatica nel mantenimento dell’omeostasi delle cellule eucariotiche, con richiami alla sua struttura
- Conoscenza e comprensione del funzionamento dei tipi cellulari che caratterizzano i diversi tessuti
- Conoscenza e comprensione dell’organizzazione anatomica, strutturale e funzionale dei singoli organi
- Conoscenza e comprensione dei meccanismi di comunicazione tra cellule, organi e sistemi, e di integrazione delle funzioni dei diversi organi, con particolare riguardo a meccanismi di regolazione dell’omeostasi funzionale
- Conoscenza e comprensione dei principali metodi di studio in fisiologia

B) Capacità di applicare conoscenza e comprensione
- Saper usare la terminologia specifica
- Saper identificare le giuste procedure per risolvere i quesiti di Fisiologia
- Saper riconoscere, nel funzionamento dei sistemi e apparati fisiologici, le leggi chimiche e biofisiche generali che regolano il mondo inanimato

C) Autonomia di giudizio
- Acquisire capacità di giudizio critico, attraverso lo studio in chiave storica del progresso delle conoscenze Fisiologiche e l’analisi dettagliata di alcuni esperimenti fondamentali
- Imparare a porsi domande per l’elaborazione e approfondimento delle conoscenze apprese

D) Abilità comunicative
- Saper comunicare quanto appreso nel corso dell’esame orale

E) Capacità di apprendimento
- Apprendere la terminologia specifica
- Connettere in modo logico le conoscenze acquisite
- Identificare i temi più rilevanti delle materie trattate

Il corso si propone di fornire le basi molecolari e cellulari del funzionamento fisiologico, sia a livello cellulare che integrato, dei principali organi e sistemi del corpo umano.

Prerequisiti:
Per affrontare con profitto la materia, è consigliato il ripasso delle conoscenze acquisite negli anni precedenti nei seguenti ambiti:
- Fisica: elettricità, lavoro e macchine, dinamica dei fluidi e dei gas;
- Chimica: leggi dei gas, proprietà delle soluzioni, pressione osmotica, pH;
- Citologia e Istologia: struttura e funzione cellulare, principali processi biochimici, anatomia degli organi e degli apparati.

Propedeuticità:
L’esame di Fisica è propedeutico e deve essere superato prima di sostenere l’esame del presente corso.

1. Membrane cellulari e trasporto transmembrana di soluti e acqua.
Compartimenti cellulari. Specializzazione della membrana plasmatica: rapporti cellula-cellula e cellula-ambiente (giunzione e canali); riconoscimento di materiali endogeni ed esogeni (recettori). Permeabilità della membrana: diffusione passiva e legge di Fick. Osmosi e pressione osmotica. Osmolarità e tonicità. Proprietà osmotiche delle cellule. Trasporto trans-membrana mediato da proteine: trasporto facilitato, trasporto attivo primario e trasporto attivo secondario. Proprietà strutturali e funzionali dei canali ionici. Trasporto attraverso gli epiteli (8 ore)

2. Sistema nervoso e fisiologia delle cellule eccitabili.
Proprietà elettriche delle membrane cellulari. Potenziale trans-membrana. Equilibrio di Gibbs-Donnan. Equilibrio elettrochimico, equazione di Nernst, Equazione di Goldman. Caratteristiche generali delle membrane eccitabili. Proprietà elettriche passive delle membrane: capacità, resistenza, conduttanza. Legge di Ohm e current-clamp (relazione corrente/voltaggio). Corrente elettrotonica e potenziale elettrotonico. Basi ioniche del potenziale d’azione. Il voltage-clamp. Proprietà autorigeneranti del potenziale d'azione. Propagazione del potenziale d'azione: teoria del cavo. Propagazione passiva dei segnali elettrici. Costante di tempo. Costante di spazio. Modalità di propagazione del potenziale d’azione nelle fibre amieliniche e mieliniche. Sinapsi elettriche. Sinapsi chimiche. Meccanismo di rilascio dei neurotrasmettitori: natura quantica del rilascio, influenza della depolarizzazione e del calcio. Recettori post-sinaptici ionotropi e metabotropi. Giunzione neuromuscolare. Sinapsi colinergiche nicotiniche e muscariniche (12 ore).

3. Fisiologia del movimento muscolare.
Il muscolo scheletrico. Meccanica della contrazione muscolare. Basi ultrastrutturali e molecolari della contrazione e accoppiamento eccitazione-contrazione. Componenti attive e passive. Contrazione muscolare in condizioni isotoniche ed isometriche. Scossa singola e tetano. Relazione forza/lunghezza del muscolo in toto e del sarcomero. Modulazione della forza contrattile. Lavoro e fatica muscolare; Potenza muscolare. Fibre muscolari ed unità motorie. Ipotesi molecolare della generazione di forza (4 ore).

4. Circuiti nervosi semplici.
Arco riflesso spinale: riflesso miotatico e riflesso miotatico inverso. Arco riflesso autonomo. Sistema nervoso autonomo ortosimpatico e parasimpatico. Muscolatura liscia e sua innervazione (4 ore).

5. Fisiologia del rene: osmoregolazione ed escrezione.
Considerazioni generali. Omeostasi ed osmoregolazione. Il rene di mammifero: struttura e vascolarizzazione. Il nefrone e le sue funzioni: filtrazione glomerulare, riassorbimento e secrezione tubulare. Modificazioni tubulari del filtrato glomerulare. Scambio e moltiplicazione in controcorrente, gradiente cortico-midollare di osmolarità. Riassorbimento di sali ed acqua nel tubulo distale e nel dotto collettore e loro regolazioni ormonali (ormone antidiuretico, sistema renina-angiotensina-aldosterone, fattore natriuretico atriale). Regolazione renale della pressione osmotica e del pH del sangue (8 ore)


6. Fisiologia del cuore e della circolazione.
Aspetti generali. Il cuore: struttura, proprietà elettriche e contrattili. Potenziali pace-maker. Il ciclo cardiaco: manifestazioni elettriche, meccaniche ed idrodinamiche. Gittata cardiaca. Lavoro del cuore, relazione forza di contrazione sistolica-gittata cardiaca (legge di Starling). Legge di Boyle e relazione pressione-volume. Regolazione nervosa della frequenza cardiaca. Il sangue: caratteristiche generali. Dinamica dei fluidi: flusso, portata, pressione, velocità e resistenza. Emodinamica: viscosità del sangue, principio di Bernoulli (relazione tra velocità e pressione); Flusso laminare stazionario e legge di Poiseuille; Flusso turbolento e numero di Reynolds; Flusso pulsatile e onda sfigmica. Circolo sistemico: arterie, capillari, vene.Flusso e pressione nei vari distretti e loro regolazione. Regolazione della pressione arteriosa: riflessi barocettivi e chemocettivi (8 ore)
7.
Fisiologia della respirazione: scambi gassosi ed equilibrio acido-base.
Composizione dell'aria, pressione parziale dei gas. Leggi dei gas. Meccanismo della ventilazione polmonare (legge di Boyle), dinamica dei gas, resistenze delle vie aeree (legge di Poiseuile), scambio di gas a livello degli alveoli. Tensione superficiale e legge di Laplace. Trasporto di ossigeno e di anidride carbonica nel sangue. Scambi gassosi a livello dei tessuti, consumo di ossigeno. Influenza della pO2 , della pCO2 e del pH sulla ventilazione polmonare. Sistemi tampone e regolazione del pH del sangue. Controllo nervoso della respirazione; centri e riflessi respiratori. Barocettori e chemocettori. Compliance polmonare e volumi polmonari, spirometria (6 ore)

8. Regolazione ormonale.
Generalità sulle ghiandole endocrine. Natura chimica degli ormoni. Ormoni steroidei e recettori intracellulari. Ormoni che agiscono mediante recettori di membrana e secondi messaggeri. Meccanismi di regolazione dei livelli ormonali. Ormoni che regolano il metabolismo energetico: ormoni tiroidei; ormoni pancreatici e loro ruolo nella regolazione della glicemia (8 ore)

9. Nutrizione, digestione ed assorbimento.
Alimentazione ed energia. Generalità sul sistema digerente. Digestione dei carboidrati, lipidi e proteine. Secrezioni gastro-intestinali: acidi, basi ed enzimi digestivi. Meccanismi di assorbimento (6 ore)

Sessioni di laboratorio didattico:
Le attività di laboratorio sono dedicate all’approfondimento sperimentale di alcuni principi fisiologici fondamentali, quali:
- la diffusione e la pressione osmotica attraverso le membrane cellulari;
- la tonicità cellulare in relazione a soluzioni con diversa osmolarità e composizione chimica;
- la determinazione di attività enzimatiche specifiche in tessuti biologici.

Durante queste sessioni, gli studenti acquisiranno familiarità con le principali strumentazioni di laboratorio, tra cui bilance analitiche, centrifughe, spettrofotometro, pipette graduate e micropipette ad alta precisione.
La durata complessiva delle attività di laboratorio è di 12 ore.

- Fondamenti di Fisiologia Generale e Integrata
A cura di: V. Taglietti - Casa Editrice Edises

- Fisiologia
A cura di: E. D’angelo, A. Peres - Casa Editrice: edi-ermes

- Fisiologia Umana - Un approccio integrato
Autore: D.U. Silverthorn - Casa Editrice: Pearson

Nel caso si scegliesse l’ultimo testo suggerito, i punti 3 e 4 del programma dovranno essere approfonditi su uno degli altri due testi. Tutti i testi sono presenti nella Biblioteca del Dipartimento di Biologia e Biotecnologie “Charles Darwin” e sono a disposizione per consultazione e/o prestiti a breve termine.

Ulteriore materiale didattico sarà reso disponibile sulla pagina web del corso sul sito di el-earning della Sapienza: https://elearning2.uniroma1.it

Per un immediato aggiornamento dei testi o del materiale didattico distribuito dal docente consultare la pagina web del corso

Il corso si articola in lezioni frontali della durata di due ore ciascuna, per un totale di 8 CFU, a cui si aggiunge 1 CFU dedicato alle esercitazioni di laboratorio.
L’esposizione degli argomenti sarà supportata dalla proiezione di slide esplicative. Le slide delle lezioni e ogni altro materiale didattico ritenuto utile per lo studio individuale saranno resi disponibili agli studenti attraverso la piattaforma Moodle.

Esercitazioni di laboratorio:
Il corso prevede tre esercitazioni, generalmente svolte a fine corso (nella seconda settimana di gennaio), che approfondiscono argomenti trattati durante le lezioni. Agli studenti verranno fornite in anticipo:
- dispense illustrative per ciascuna esercitazione, al fine di rivedere i concetti teorici rilevanti;
- il protocollo sperimentale, da seguire durante l’attività di laboratorio.

La frequenza non è obbligatoria, sebbene sia fortemente consigliata per una fruizione più approfondita e corretta del corso

L’esame orale prevede la formulazione di domande sia generiche che specifiche, relative ai diversi argomenti trattati durante il corso. La valutazione della preparazione dello studente si baserà su diversi criteri: accuratezza e correttezza delle risposte; proprietà di linguaggio scientifico; capacità di stabilire collegamenti funzionali tra sistemi e apparati differenti.

Un esempio di domanda è:

- Cosa sono le cellule pacemaker cardiache, dove si trovano, e quali sono le loro caratteristiche funzionali?