Appunti fisiologia infermieristica primo anno

Omeostasi

Descritta da Walter Cannon nel 1932 come una capacità dell’organismo nel mantenimento costante, entro certi valori, il parametro chimico e fisico dei propri organi. Se non viene mantenuta, può portare a una condizione patologica. La legge dell’equilibrio di massa afferma: "Se la quantità di una sostanza nell’organismo deve rimanere costante, ogni aumento deve essere compensato da una perdita di pari entità". Per perdita si intende una escrezione che può avvenire tramite urina, feci, respirazione polmonare e pelle. Le sostanze estranee come i farmaci sono escreti nella bile del fegato o dai reni.

Regolazione

La regolazione avviene attraverso meccanismi di feedback. Viene diviso in due circuiti:

• Circuito di risposta
• Circuito a retroazione

Circuito di risposta

Il circuito di risposta parte da:

• Stimolo: evento che provoca la variazione di un parametro al di fuori di valori prefissati
• Sensore specializzato monitora la variabile. Se il sensore viene attivato dallo stimolo, invia un segnale.
• Centro di integrazione valuta l’informazione in arrivo e innesca un segnale in uscita
• Il segnale in uscita si dirige verso il bersaglio per effettuare una risposta.

Circuito a retroazione o feedback

La risposta torna indietro a modulare lo stimolo in ingresso della via. Quando raggiunge il massimo valore accettabile, fa terminare la risposta riflessa. Si hanno due tipi di feedback:

• Feedback negativo: stabilizza la variabile e contribuisce al mantenimento dell’omeostasi. Con la perdita dello stimolo, il circuito si spegne.
• Feedback positivo: rafforza la risposta allo stimolo invece che diminuirlo o rimuoverlo. In un processo a feedback positivo, la risposta spinge la variabile regolata ancora più lontano dal proprio valore normale. Questo feedback intensifica la risposta e richiede un intervento o un evento esterno al processo per bloccare la risposta. Il parto è un evento raro di feedback positivo.

Esempi di variabili controllate omeostaticamente

• Volume dei liquidi corporei
• Composizione dei liquidi corporei cioè osmolarità, concentrazione elettroliti, nutrienti, prodotti di scarto, livelli di O₂ e CO₂
• Temperatura corporea

Controllo anticipatorio o feedforward

Controllo anticipatorio (feedforward) consente all’organismo di anticipare i cambiamenti. I processi a retroazione negativa stabilizzano una funzione e la mantengono in un intervallo normale, ma non sono in grado di prevenire il cambiamento che innesca il riflesso. Si sono evoluti riflessi che permettono al corpo di prevedere che sta per verificarsi un cambiamento e che innescano il circuito di risposta in anticipo rispetto al cambiamento. Esempio: riflesso di salivazione che agisce nello stomaco che si prepara all'introduzione di cibo.

Oltre al concetto di omeostasi c’è di più

• Relazione tra funzione e struttura (es. cuore): la funzione di una molecola, di un organo dipende direttamente dalla sua struttura che è dotato di basi fisiche adeguate per far svolgere le loro funzioni.
• Ridondanza e pleiomorfismo: la ridondanza consente una regolazione molto precisa e assicura un grado di sicurezza elevato perché permette che quando uno dei meccanismi cessa di essere efficiente, il risultato possa essere comunque ottenuto utilizzando un altro in via compensatoria. L’aspetto opposto è il pleiomorfismo, una stessa struttura può svolgere diverse funzioni (per esempio l’emoglobina svolge funzioni di trasporto sia dell’ossigeno che dell’anidride carbonica e partecipa alla regolazione del pH).
• Capacità delle cellule di riconoscere segnali e la comunicazione tra cellule. I segnali provenienti dall’esterno e molti di quelli interni vengono raccolti (tradotti) da strutture appartenenti al sistema di comunicazione facendo capo al sistema nervoso. La comunicazione tra cellule permette il funzionamento coordinato delle diverse parti del corpo.
• Dinamica dell’omeostasi. La legge della conservazione della materia afferma che la quantità totale di una sostanza nell’organismo rimane costante se le sue entrate corrispondono esattamente alle sue uscite = bilancio che deve essere mantenuto in pareggio nel tempo. Se si verifica sbilanciamento, la situazione può essere corretta da meccanismi di controllo. Nello stato stazionario, anche in assenza di perturbazioni, la materia vivente non si trova mai in uno stato di totale equilibrio cioè in uno stato statico in cui il sistema resta a riposo senza consumo di energia, ma piuttosto si trova in uno stato stazionario, in cui il bilancio viene mantenuto dai flussi di entrata e uscita. Quindi il bilancio è dinamico, consentito dal continuo adattamento dei sistemi di controllo. I flussi di materia si verificano continuamente all’interno del corpo: acqua e soluti passano da un ambiente all’altro. La forza propulsiva è diversa a seconda del tipo di flusso.

Fisiologia di membrana

La membrana ha delle funzioni:

• Isolamento fisico: è una barriera che separa il liquido intracellulare all’interno della cellula dal liquido extracellulare.
• Regolazione degli scambi con l’ambiente: la membrana controlla l’entrata di ioni e di nutrienti nella cellula, l’eliminazione dei catabolismi e il rilascio di prodotti dalla cellula.
• Comunicazione tra la cellula e il suo ambiente: la membrana contiene proteine che permettono alla cellula di riconoscere segnali.
• Supporto strutturale: alcune proteine della membrana cellulare sono ancorate al citoscheletro, che ha la funzione di mantenere la forma. Le proteine di membrana formano anche giunzioni specializzate tra cellule adiacenti o tra le cellule e la matrice extracellulare. Queste giunzioni stabilizzano la struttura dei tessuti.

Processi di membrana

Il corpo ha due distinti compartimenti liquidi: extracellulare, che è all’esterno ed è il tampone tra le cellule e l’ambiente esterno al corpo. Tutto ciò che entra ed esce dalle cellule passa attraverso il LEC (liquido extracellulare). L’acqua è la sola molecola che si muove liberamente tra le cellule e il liquido extracellulare. A causa di questo, i due compartimenti possono raggiungere uno stato di equilibrio osmotico. Alcuni soluti però sono più concentrati in uno dei due compartimenti corporei. Ciò significa che l'organismo è in uno stato di disequilibrio chimico. Gli ioni di Na (sodio), Cl (cloro) e bicarbonato sono più concentrati nel LEC. Gli ioni K (potassio) sono più concentrati nel LIC. Il Ca (calcio) è più concentrato nel LEC che nel citosol, sebbene molte cellule immagazzinino Ca all’interno di organelli come il reticolo endoplasmatico e i mitocondri. Le differenze di concentrazione del disequilibrio chimico sono una caratteristica dell’organismo, dal momento che solo il continuo apporto di energia mantiene l’organismo in questo stato. Se i soluti attraversano la membrana che li divide, è necessaria energia per riportarli al loro compartimento. Sebbene il corpo sia neutro dal punto di vista elettrico, esso ha un lieve eccesso di ioni negativi nel liquido intracellulare, mentre i corrispondenti ioni positivi si trovano nel LEC. Il risultato è che l’interno della cellula è leggermente più negativo rispetto a fuori.

Processi di trasporto

Il trasporto passivo non richiede energia oltre all'energia potenziale immagazzinata nel gradiente di concentrazione. Il trasporto attivo invece richiede immissione di energia da una sorgente esterna (ATP). La diffusione è un trasporto passivo e utilizza energia cinetica ed energia potenziale. Quando le molecole sono concentrate in un’area di uno spazio chiuso, il loro movimento fa sì che si diffondano gradualmente fino a distribuirsi uniformemente. La diffusione è definita come il movimento di molecole da un’area a concentrazione più elevata verso un’altra a concentrazione più bassa.

Proteine trasportatrici di membrana

I trasportatori di membrana sono proteine transmembrana che aiutano a spostare molecole lipofobe attraverso le membrane. Si riconoscono due tipi:

• Proteine canale: creano un poro pieno d’acqua. Possono essere classificati come:
  • Canali controllati: si aprono e si chiudono in risposta a segnali.
  • Canali aperti: o pori di solito sono aperti.
• Proteine trasportatrici: non formano mai un canale aperto tra i due lati della membrana. Possono essere classificati:
  • Carrier uniporto: trasportano solo un tipo di substrato (come Glu)
  • Carrier simporto: spostano 2 o più substrati nella stessa direzione attraverso la membrana.
  • Carrier antiporto: spostano substrati in direzioni opposte.

Potenziale di membrana a riposo

Il potassio è il catione (ione di carica positiva) principale all’interno delle cellule, mentre il sodio prevale nel LEC. Per gli anioni (ione di carica negativa), la maggior parte degli ioni cloro resta con Na⁺ nel LEC. Gli ioni fosfato e proteine negative sono i principali anioni nel LIC. Ci sono dei principi:

• La legge della conservazione della carica elettrica stabilisce che la quantità netta di carica elettrica prodotta in qualsiasi processo è zero = per ogni carica positiva su uno ione, c’è un elettrone su un altro (elettricamente neutro).
• Cariche opposte sono attratte tra di loro mentre due cariche uguali si respingono.
• Separare le cariche positive dalle negative richiede energia.
• Quando cariche positive e negative possono muoversi liberamente le une verso le altre, il materiale su cui si muovono è detto conduttore (come l'acqua). Quando non possono attraversare perché il materiale lo impedisce si dice isolante (come la membrana fosfolipidica).

Tuttavia, non è in equilibrio chimico. Ci sono gradienti di concentrazione per tutti e quattro i tipi di ioni presenti nel sistema. Se si inserisce un canale per il K⁺, renderà la membrana permeabile a quella sostanza. Quindi il K⁺ inizia a spostarsi all’esterno della cellula secondo il suo gradiente di concentrazione. A- non può seguire il potassio perché la cellula non è permeabile ad A-. Il trasferimento di K⁺ fuori dalla cellula crea un disequilibrio elettrico: l'interno diventa più negativo e l'esterno più positivo. Ora la carica negativa all’interno della cellula inizia ad attrarre K⁺ dal LEC verso il LIC (perché gli opposti si attraggono) e si forma un gradiente elettrico in direzione opposta a quella del gradiente di concentrazione. La velocità con cui gli ioni K⁺ si muovono fuori dalla cellula seguendo il proprio gradiente di concentrazione è uguale alla velocità con cui gli ioni K⁺ si muovono all’interno seguendo il gradiente elettrico. Il sistema ha raggiunto l’equilibrio elettrochimico, descritto dall’equazione di Nernst.

Il potenziale di equilibrio per un qualsiasi ione può essere calcolato usando il potenziale di membrana prodotto se la membrana fosse permeabile a un solo ione. Due fattori influiscono sul potenziale di membrana:

• L’ineguale distribuzione degli ioni: Na, Cl, Ca sono più concentrati nel LEC, mentre il K invece nel LIC.
• La differente permeabilità della membrana a questi ioni: la membrana è più permeabile al K che al Na o Ca, quindi K contribuisce di più al potenziale di membrana.

Al liquido extracellulare viene assegnata una carica di 0 mV, mentre all’interno della cellula si ha una carica di -70 mV. Per le cellule nervose e muscolari a riposo, il voltmetro registrerà un potenziale a riposo compreso tra -40 a -90 mV, indicando che il LIC è negativo rispetto al LEC (0 mV). Le cellule vitali non sono permeabili a un solo ione. Esse possiedono canali aperti e trasportatori che permettono agli ioni di spostarsi tra il citoplasma e il liquido extracellulare. La maggior parte delle cellule è più permeabile al K⁺ rispetto al Na⁺. Con il risultato che il potenziale della membrana a riposo è più vicino all’E_k di -90 mV che all’E_Na di +60 mV. Una piccola quantità di Na⁺ entra nella cellula, rendendo la cellula meno negativa di quanto sarebbe se non ci fosse il sodio. Ma viene prontamente portata di nuovo fuori dalla pompa Na-K-ATPasi. Questa pompa contribuisce al potenziale di membrana portando fuori 3 ioni di Na⁺ per ogni 2 ioni K⁺ che porta dentro. Non tutto il trasporto ionico crea un gradiente elettrico. Alcuni fanno uno scambio alla pari: per ogni carica che entra nella cellula, la stessa carica esce. Quindi si parte da un potenziale di membrana a riposo di -70 mV. Quando la traccia si muove verso l’alto e diventa quindi meno negativa, la differenza di potenziale tra interno ed esterno (0 mV) diminuisce, portando a depolarizzazione. Un ritorno al potenziale di membrana è chiamato ripolarizzazione. Quando la traccia si muove verso il basso, il potenziale a riposo diventa più negativo, e la differenza di potenziale aumenta, causando iperpolarizzazione. Il potenziale di membrana cambia al movimento di uno di questi quattro ioni: Na⁺, Ca⁺, Cl^- e K⁺. L’entrata di Calcio o di Sodio depolarizza la cellula. L’ingresso di Cloro iperpolarizza la cellula.

Neuroni e sistema nervoso

Le cellule nervose o neuroni trasportano velocemente i segnali elettrici. La maggior parte rilascia segnali chimici, detti neurotrasmettitori, nel LEC per comunicare con le cellule vicine. In alcune vie nervose, i neuroni sono collegati da giunzioni comunicanti (o gap junctions, costituiscono un passaggio aperto attraverso cui gli ioni possono passare da una cellula all’altra). Non è una proprietà esclusiva dei neuroni quella di utilizzare il segnale elettrico per indurre il rilascio di sostanze chimiche. Il tessuto nervoso e quello muscolare sono considerati tessuti eccitabili, per la loro capacità di produrre e propagare rapidamente segnali elettrici in risposta a uno stimolo anche a grande distanza, ed è quello che le differenzia tra gli altri tipi di cellule.

I neuroni a riposo sono leggermente più permeabili al Na⁺ e quindi l’entrata di sodio nella cellula rende il potenziale di membrana a riposo leggermente più positivo di quanto sarebbe se fosse permeabile solo al K⁺. Il potenziale di membrana a riposo è quindi determinato dal gradiente di concentrazione e dalla permeabilità della membrana a K⁺, Na⁺ e Cl^-. Un loro cambiamento di questi fattori modifica il potenziale di membrana. Se la membrana aumenta la permeabilità al Na⁺, il Na⁺ entra seguendo il suo gradiente elettrochimico. L’aggiunta di Na⁺ positivo nella cellula depolarizza la membrana cellulare e genera un segnale elettrico. Se la membrana cellulare diventa improvvisamente più permeabile al K⁺, si perdono cariche positive dall’interno della cellula, che diventa più negativa (iperpolarizzazione). Una cellula si può iperpolarizzare anche nel caso in cui ioni con carica negativa, come il Cl^-, penetrino nella cellula dal liquido extracellulare. Una variazione significativa nel potenziale si verifica con il movimento di pochissimi ioni.

La cellula può modificare la propria permeabilità a un determinato ione, in seguito all’apertura o chiusura di canali specifici posti sulla membrana. I neuroni contengono un sacco di canali ionici “a cancello”. Oppure si può modificare la permeabilità inserendo o rimuovendo canali dalla membrana. Ci sono 4 tipi di canali ionici selettivi nel neurone:

• Canali Na⁺
• Canali K⁺
• Canali Ca²⁺
• Canali Cl^-

Altri canali meno selettivi sono i canali cationici monovalenti che fanno passare sia il Na⁺ che il K⁺. La facilità di passaggio è detta conduttanza e cambia a seconda dello stato di apertura o chiusura del canale. Alcuni canali, come quello del K⁺ (responsabili del potenziale a riposo) restano aperti per la maggior parte del tempo. Altri canali hanno cancelli che si aprono o chiudono in reazione a stimoli particolari:

• Canali ionici regolati meccanicamente (neuroni sensoriali) si aprono in risposta a stimoli fisici come pressione o stiramento.
• Canali ionici regolati chimicamente (a porta chimica) rispondono a neurotrasmettitori e neuromodulatori extracellulari.
• Canali ionici voltaggio-dipendenti rispondono, aprendosi o chiudendosi, ai cambiamenti nel potenziale di membrana della cellula. I canali per il Na⁺ e il K⁺ hanno un ruolo importante nella generazione e nella conduzione di segnali elettrici. Non tutti i canali voltaggio dipendenti hanno lo stesso comportamento. Il voltaggio dipende da un canale all’altro.

Il flusso di carica elettrica trasportata da uno ione è chiamato corrente. Le variazioni del potenziale elettrico della membrana possono essere classificate in due tipi fondamentali di segnali elettrici: potenziali graduati e potenziali d’azione. I potenziali graduati sono segnali a intensità variabile che si propagano per brevi distanze, man mano diminuendo di intensità (potenziale graduato sottosoglia). Hanno luogo nei dendriti e nel corpo cellulare. Vengono utilizzati per la comunicazione a breve distanza. Se un potenziale graduato in depolarizzazione è intenso, può raggiungere la regione del neurone, detta zona trigger, e allora innescherà un potenziale d’azione (potenziale graduato soprasoglia). La zona trigger è il centro di integrazione del neurone e contiene un’alta concentrazione di canali Na⁺ voltaggio-dipendenti nella sua membrana. Se i potenziali graduati raggiungono questa zona e depolarizzano la membrana fino a livello soglia, i canali del Na⁺ si aprono e s’innesca il potenziale d’azione. Se non arriva a soglia, il potenziale graduato si esaurisce già all’ingresso dell’assone.