Appunti completi con grafici per il modulo di Fisiologia

Fisiologia umana

Cdl in chimica e tecnologia farmaceutiche, anno scolastico 2021/2022, prof. Montagnani Marelli

Introduzione e termoregolazione

La fisiologia descrive fenomeni e processi organici che avvengono in stato di salute, partendo dal livello chimico-molecolare fino al livello di organismo. Le varie funzioni organiche cooperano in modo gerarchico in modo che ci siano alcune funzioni che siano primariamente mantenute funzionali, magari a scapito di altre.

Una delle caratteristiche comuni tra organismi mono e pluricellulari è la capacità di duplicarsi (mitosi/meiosi) e possedere un ambiente acquoso separato dall’ambiente esterno da una superficie, inoltre consumare ossigeno per produrre energia e liberare elementi di scarto come la CO₂, oltre che la capacità di saper lavorare in modo coordinato con altre cellule. Tutte le cellule mantengono funzioni comuni (respirazione, divisione), ma poi acquisiscono funzioni specifiche.

Gli svantaggi di organismi unicellulari sono: che è un sistema aperto, separato dall’ambiente esterno ma non ha all’interno un ambiente dove tutte le cellule differenziate si possono rapportare, riceve nutrienti direttamente dall’ambiente esterno attraverso la superficie di separazione e va ad eliminare gli scarti in modo diretto, per cui siamo influenzati direttamente da variazioni dell’ambiente esterno.

Nei pluricellulari abbiamo dei vantaggi: le varie cellule sono separate dal liquido extracellulare che è un ambiente che permette di separare e mantenere sempre costanti certi parametri nella cellula, ha un livello elevato di differenziazione delle cellule che, in questo modo, lavorano in modo coordinato. Quindi la chiave di sopravvivenza è legata proprio a questo ambiente interno acquoso che permette gli scambi necessari alla sopravvivenza e può rapportarsi con l’esterno, mantenendo sempre protetto il luogo in cui la singola cellula è presente. L’ambiente interno è costante e indipendente dall’ambiente esterno.

Se ci sono variazioni importanti dell’ambiente esterno in cui vive, un unicellulare (es. in ipotonica o ipertonica), subirà dirette conseguenze, nell’organismo pluricellulare questo effetto dannoso sulla cellula è contenuto dal fatto che c’è questo liquido extracellulare, che può essere modificato nel momento in cui c’è una variazione esterna: ci sono eventi di controregolazione per far sì che la cellula non subisca danni.

Questo liquido circonda la cellula e rappresenta il suo ambiente vitale, spesso definito come LEC, rappresenta l’interfaccia tra l’ambiente esterno e il LIC, mantenendo in un range di valori tantissimi parametri. Inoltre meccanismi omeostatici permettono al LEC di mantenere il più possibile invariata la sua composizione.

Alcuni organi hanno diretto contatto con l’ambiente esterno (riproduttivo, inizio e fine del digerente, respiratorio, urinario), altri sistemi sono completamente contenuti all’interno (circolatorio, muscolo-scheletrico, nervoso, endocrino). Già Aristotele aveva intuito che era fondamentale il coordinamento di tutte le forze per mantenere la buona salute. Bernard fece alla fine dell’800 degli studi fondamentali che dimostrano che per restare in buona salute è fondamentale che l’ambiente interno all’organismo resti stabile.

Poi Cannon coniò per la prima volta il termine omeostasi, descrivendola come la tendenza dell’organismo a mantenere lo stato stazionario ovvero l’ambiente interno stabile a fronte di modificazioni ambientali. Tutti gli organi e i tessuti svolgono funzioni che contribuiscono al mantenimento di questo stato stazionario (condizioni relativamente costanti).

Quindi omeostasi è il mantenimento di condizioni relativamente costanti dell’ambiente interno a fronte di perturbazioni interne o esterne. Il mantenimento dell’omeostasi permette di adattarsi a situazioni particolari, deve essere presente un sistema in grado di recepire la modificazione di una condizione (che può essere interna o esterna) e di attivare meccanismi compensativi. Quando la compensazione fallisce si può entrare in stato patologico o comunque di disordine, se funziona si mantiene lo stato di benessere fisiologico.

Ci sono diversi livelli di sistemi di controllo: sistemi come il controllo della trascrizione genica che avvengono all’interno della cellula, ma anche sistemi che funzionano all’interno di organi (es: mantenimento glicemia nel sangue), sistemi interni all’organismo (es: concentrazione di zuccheri, gas, elettroliti), sistemi che prevedono la cooperazione di organi provenienti da apparati differenti, quindi interni all’organismo (es: controllo calcemia e potassemia, ma anche dell’acqua). In generale i sistemi di controllo sono ridondanti (il network di fattori che concorrono sono altamente ridondanti in alcuni casi: se un sistema non funziona, ci sono altri fattori che svolgono la stessa funzione), inoltre questi sistemi di controllo hanno alto grado di adattamento alle condizioni ambientali (possono anche disattivarsi per sopravvivere ad un nuovo ambiente).

Tra le varie variabili regolate sono la temperatura, pressione, volemia e osmolarità plasmatica, pH plasmatico, concentrazione ematica di molecole importanti… L’omeostasi è una condizione stazionaria dinamica, possiamo mantenere queste variabili in uno steady-state (quello ottimale), grazie però ad un dinamismo, sono modificate da un ambiente esterno. Le correzioni di questo steady-state sono continue. Omeostasi non è sinonimo di equilibrio, è meccanismo che tende al mantenimento di questi valori attraverso un continuo dinamismo di circuiti che vengono continuamente attivati.

Questi sistemi (soprattutto endocrino e nervoso) che sono i principali attori di meccanismi omeostatici, possono agire a livello locale (es: a livello tissutale per consumo elevato di ossigeno può esserci una dilatazione dei capillari che permettono di estrarre maggior contenuto di ossigeno, quindi possono scattare meccanismi locali), oppure meccanismi che richiedono riflessi a lunga distanza, come la regolazione della pressione arteriosa, dove il parametro pressorio è percepito in determinate sedi attraverso cellule nervose che comunicano variazioni ad un centro integrativo che si trova a livello centrale e poi si genera una risposta diretta in un vaso o in altra localizzazione (arteriole…).

Esempio dell’acquario: circuiti di risposta iniziano con uno stimolo. Es: stimolo è un sensore (termometro, rileva che la temperatura non è la stessa su cui è impostato l’acquario), il sensore porta un segnale al termostato (centro di integrazione), da cui parte una risposta e il segnale di uscita è l’accensione di un dispositivo di riscaldamento. Ci possono essere ovviamente oscillazioni intorno al valore di riferimento (es: 1 grado sopra e sotto), per far sì che sia mantenuto intorno al valore ottimale.

Questi sistemi sono detti sistemi a feedback o sistemi a retroazione (feedback negativo o positivo). Il negativo: la risposta contrasta lo stimolo che controbilancia la perturbazione (ci sono soprattutto feedback negativi), il positivo: la risposta rinforza lo stimolo, spingendo la variabile ancora più lontano dal loro valore di riferimento, ed è poi necessario un fattore esterno per far cessare l’attivazione (es: nel travaglio, il parto blocca il feedback positivo di rilascio di ossitocina che causa lo stiramento della cervice uterina per favorire le contrazioni uterine oppure la stimolazione della secrezione di LH, ormone luteinizzante, da parte degli estrogeni al momento dell’ovulazione, quando avviene l’ovulazione si spegne il feedback positivo).

Ci sono poi altri meccanismi come controlli definiti anticipatori (feed-forward), es riflesso posturale permette a un soggetto che si sta sbilanciando, di attivare un controllo muscolare per evitare che il corpo si sbilanci per compiere un’azione, questo controllo consente di anticipare i cambiamenti.

Accanto al concetto di omeostasi c’è anche il concetto di capacità di adattamento: in alcune situazioni l’organismo può modificare i meccanismi omeostatici, in presenza di modificazioni a lungo termine di variabili ambientali: es bradicardia nell’atleta (disattivazione di alcuni sensori), sopportazione caldo freddo nelle popolazioni equatoriali/artiche.

Termoregolazione

Es: termoregolazione, meccanismo omeostatico che tende a mantenere costante la temperatura interna dell’organismo adattando i processi di produzione e dispersione di calore alle variazioni della temperatura ambientale. In esso partecipano sensori, centri di integrazione, per mantenere temperatura corporea interna molto costante: la regolazione è correlata alla produzione metabolica del calore, siamo soggetti in grado di mantenere costante la temperatura del core (parte più profonda e centrale) del nostro organismo, quindi siamo in grado di adattare sia i processi di dispersione che di produzione del calore.

Abbiamo una distribuzione del calore che non è omogenea nel nostro organismo, nella parte più superficiale (arti e pelle) c’è capacità di modificare la temperatura, quindi la temperatura sarà minore. Infatti possiamo considerare l’organismo diviso in un guscio interno (con tutti gli organi vitali) con temperatura di 37-37.5 gradi. Mentre il guscio esterno può avere temperature molto differenti, non è regolato entro limiti stretti, dipende dall’esercizio fisico ed all’ambiente. Es: il ritmo circadiano (ritmo nelle 24 ore della giornata) della T (temperatura), più bassa nel sonno, inoltre nella donna ci sono variazioni della temperatura interna legate al ciclo mestruale (con il rilascio di progesterone che innalza la temperatura corporea).

Questo nucleo centrale, dove la temperatura deve essere mantenuta costante, può espandersi quando si ha l’esposizione a temperature elevate perché c’è maggiore vasodilatazione per portare sangue in localizzazione periferica come trasportatore di calore, mentre a temperature basse si riduce per portare la temperatura e limitarla agli organi la cui variazione di temperatura sarebbe molto dannosa.

La termoregolazione è fondamentale: quando il parametro della temperatura è perturbato (con variazioni interne o esterne), dobbiamo tentare di compensare la variazione, se la compensazione fallisce possiamo avere ipotermia o ipertermia: sono due situazioni limite con conseguenze che possono essere mortali per il soggetto. L’ipertermia oltre i 42 gradi può causare danni emorragici e denaturazione di proteine funzionali con danni cerebrali, morte in poche ore oltre i 44 gradi. L’ipotermia rallenta i processi metabolici, a 30 gradi c’è il blocco dei sistemi regolatori, rischio di morte insorge dai 27 gradi (fibrillazione cardiaca).

Ci sono diverse modalità con cui il nostro organismo può scambiare calore con l’ambiente esterno, anche il bilancio termico dipende da un equilibrio dinamico: le uscite di calore sono principalmente legate ad un’attività metabolica, le entrate di calore dall’esterno possono essere attraverso modalità: possiamo dissipare o assorbire calore per conduzione, convezione, irraggiamento e evaporazione, anche con oggetti inanimati.

• Conduzione: trasferimento di energia termica tra oggetti a diretto contatto (es: neve, scaldino)
• Convezione: trasferimento di calore causato da un gas o un liquido in movimento (es: se c’è flusso d’aria fresco elevato come il condizionatore, c’è allontanamento di aria calda)
• Evaporazione: calore usato per la conversione di un liquido in un gas, quindi la sudorazione per esempio favorisce l’abbassamento della temperatura corporea
• Irraggiamento: trasferimento di calore dal corpo all’ambiente sotto forma di radiazioni, non con contatto diretto

La maggior parte del calore è prodotto dagli organi a livello del nucleo centrale (fegato, cuore) trasferito poi a livello della cute dove può essere disperso con questi meccanismi.

Meccanismi di termoregolazione

In che modo ci può essere termoregolazione? Grazie alla presenza di sensori, che sono termorecettori, possono trovarsi sia a livello cutaneo (periferico) per la temperatura esterna, ma anche in area ipotalamica, che percepiscono variazioni della temperatura del nucleo centrale. Entrambi i tipi di termorecettori portano (con sinapsi con i centri ipotalamici), nei due nuclei ipotalamici (ipotalamo posteriore legato al freddo, da termoproduzione, ipotalamo anteriore attivato da stimoli di calore, produce termodispersione). Quindi i due nuclei rispondono in modo diverso a stimoli diversi. Quindi il sistema di rilevazione si trova a livello ipotalamico, con fibre nervose afferenti del sistema nervoso autonomo si genera la risposta.

Nel caso di termoproduzione abbiamo l’attivazione di motoneuroni somatici che portano alla termogenesi con il brivido (che è sviluppato solo nell’adulto), oppure con neuroni simpatici adrenergici che agiscono sui vasi sanguigni cutanei producendo vasocostrizione a livello periferico per trattenere calore, nel neonato abbiamo anche il tessuto adiposo bruno che ha meccanismo di termogenesi senza brivido: la termogenesi con e senza brivido rientra nella produzione metabolica di calore.

Nel caso di termodispersione, si attivano effettori che partono dal nucleo anteriore con neuroni simpatici coinergici, che agiscono sulle ghiandole sudoripare che permettono la perdita di calore per evaporazione con secrezione di sudore, oppure questi neuroni agiscono sui vasi sanguigni con vasodilatazione.

La sudorazione è fondamentale, è l’unico sistema indipendente dal valore della temperatura corporea, si attiva quando gli altri sistemi organici non sono in grado di compensare, cede calore ad un ambiente a temperatura più elevata. La percezione di calore dipende dall’umidità relativa e dalla presenza di vento (freddo o caldo), es: in ambienti umidi la termoregolazione avviene peggio che in ambienti secchi, quindi il colpo di calore è più frequente in ambiente umido. Un ambiente umido può far percepire il freddo maggiormente che un ambiente secco, quindi l’umidità relativa può influenzare molto la percezione del calore: l’acqua evapora più rapidamente in ambiente secco, quindi è legato al processo di termoregolazione per evaporazione.

In questi meccanismi di termoregolazione sono fondamentali le risposte comportamentali: es: raggomitolarsi, togliersi i vestiti, diminuzione attività fisica. Ci sono poi variazioni temperatura interna che possono dipendere da variazioni organiche come nella menopausa (fisiologico, diminuzione della componente di estrogeni, possono portare a modificazioni del set point ipotalamico che diminuisce e quindi a vampate di calore), oppure nel caso patologico della febbre, c’è innalzamento del set point ipotalamico: c’è il rilascio di molecole dette pirogeni che possono interferire con i neuroni ipotalamici, aumentano il set point, quindi attivando risposte verso un valore differente dai 37-37.5 gradi quindi si attuano meccanismi atti ad aumentare la temperatura corporea, sentiamo brividi finché la temperatura non arriva al set point. Quando prendiamo un antipiretico, questo abbassa la produzione di prostaglandine prodotte dal pirogeno.

Due eventi molto gravi e pericolosi sono il colpo e il collasso di calore. Il colpo di calore è una modalità di ipertermia (tra 40.5 e 42.2°C) si ha interruzione del funzionamento dei meccanismi che portano alla regolazione della temperatura corporea, quindi posso avere eventi sempre più gravi come vertigini e turbe addominali talora associate a vomito, fino alla perdita di coscienza (che impedisce i meccanismi comportamentali), nel caso del collasso di calore (spesso causato da disidratazione, tra 37.5 e 39°C), spesso avviene negli anziani (che ha meccanismi dello stimolo della sete alterati), può esserci innalzamento importante della temperatura corporea che porta a tachicardia, cefalea, nausea, crampi muscolari, ma il sistema è ancora attivo per cui si può agire più facilmente con spugnature.

Membrana e trasporti

Tutte le molecole che si muovono dal compartimento cellulare a quello extracellulare passano attraverso la membrana plasmatica (oltre che alle membrane degli organelli nella cellula). La membrana plasmatica è un modello a mosaico fluido con un doppio strato lipidico formato da fosfolipidi di membrana, ma anche da un numero variabile di proteine che si trovano o che attraversano completamente il doppio strato (proteine integrali di membrana) con possibilità di sporgere nel comparto intra o extracellulare o proteine periferiche che si affacciano solo su un lato della membrana. Abbiamo poi carboidrati, legati soprattutto a porzioni proteiche o lipidiche e hanno un ruolo molto importante soprattutto nella comunicazione e riconoscimento cellulare (es: embriogenesi riconoscimento tra cellule simili che andranno a formare lo stesso gruppo tissutale, oppure nelle comunicazioni cellula-cellula).

Le proteine sono libere di muoversi lateralmente e di ruotare all’interno del singolo strato. I fosfolipidi si dispongono con teste idrofiliche rivolte verso gli ambienti acquosi e le code idrofobiche verso la parte centrale della membrana, le code idrocarburiche sono in continuo movimento. Permette tutti i possibili scambi tra ambiente intra e extra cellulare. La fluidità della membrana è data dalla presenza di fosfolipidi non inseriti rigidamente nella struttura, ma hanno un grado di mobilità e quindi possono continuare ad avere piccole oscillazioni e scambiare posizione (più raramente da un monostrato all’altro). Le teste del fosfolipide rappresentano la parte polare della molecola che permette di interfacciarsi con tutti i comparti liquidi biologici intra e extracellulari. Quindi le molecole che vi si trovano inserite sono per lo più idrofiliche.