Appunti completi corso Fisiologia per ingegneria biomedica

Appunti fisiologia

Introduzione alla fisiologia

La fisiologia è quella scienza che si occupa di studiare tutti gli esseri viventi, animali e vegetali. Il punto focale della biologia è l'integrazione delle funzioni attraverso molti livelli di organizzazione degli organismi viventi che si estendono dalle molecole fino ad arrivare alle popolazioni, agli ecosistemi e, infine, alla biosfera. La più piccola unità strutturale capace di realizzare tutti i processi vitali è la cellula: cellula → tessuti → organi → apparati o sistemi.

Concetti principali della fisiologia

È possibile distinguere quattro principali concetti trattati dalla fisiologia:

• Omeostasi e sistemi di controllo → riguarda il mantenimento dello status quo/dei meccanismi stabili, attraverso sistemi di controllo. Es. Temperatura richiede sensori e sistemi di controllo per ripristinare il parametro nella posizione corretta.
• Utilizzo energia biologica → studiato dalla biochimica (come il corpo riesce ad immagazzinare energia per poi utilizzarla successivamente).
• Rapporto struttura-funzione → anatomia → organizzazione in compartimenti, proprietà meccaniche di cellule, tessuti, organi → interazioni molecolari.
• Comunicazione → flusso di informazione e flusso di massa (tramite segnali elettrici e chimici).

Apparati e sistemi fisiologici

Apparato respiratorio

Tutte le interazioni che prevedono lo scambio di gas sono gestite dall'apparato respiratorio (principale funzione è lo scambio dei gas); in particolare l’ossigeno è trasportato alle cellule per produrre energia attraverso reazioni chimiche. Lo stesso apparato è usato per eliminare lo scarto delle reazioni chimiche che si verificano nell'organismo: anidride carbonica.

Sistema cardiovascolare o circolatorio

Questo apparato ha il compito di distribuire materiali utili all'organismo attraverso la circolazione del sangue, il quale è pompato nei vasi sanguigni dal cuore. Nei vasi sanguigni è possibile trovare anche vari nutrienti ricavati dagli alimenti attraverso l’apparato digerente.

Ossigeno + nutrienti => ossidazione => produzione energia

Apparato filtrante o renale

L'apparato filtrante o renale ha il compito di eliminare sostanze di scarto diverse dall'anidride carbonica, come acqua e sali in eccesso e materiali di rifiuto, attraverso un sistema di tubi che le porterà all’esterno dell'organismo. È proprio a questo punto che entra in gioco l'apparato escretore grazie al quale viene espulso materiale non assorbibile dall'organismo stesso. La differenza principale tra questi due apparati è che quello renale elimina ciò che è tossico dall’organismo, mentre il secondo il materiale non più assorbibile.

Sistemi nervoso e endocrino

Hanno la funzione di permettere la comunicazione tra le varie parti dell'organismo vivente coordinando le funzioni corporee.

Sistema muscolare scheletrico

Questo apparato, insieme a quello ha il compito di permettere il movimento e fornire supporto al corpo.

Sistema riproduttivo

Esso svolge un ruolo importante in funzione della specie.

Omeostasi

Il concetto di "omeostasi" venne introdotto per la prima volta dal medico francese Bernard a metà del 1800, diventando argomento di discussione tra fisiologi e medici. Successivamente il fisiologo americano Cannon nel 1929 coniò il vero e proprio termine, omeostasi, per descrivere la regolazione dell'ambiente interno in un ambito di valori piuttosto che a un valore fisso e preciso. Il concetto importante da ricordare è che l'organismo è in grado di monitorare il proprio stato interno e intraprendere azioni atte a correggere le variazioni di questa condizione.

Se il corpo non mantiene l'omeostasi, la normale funzione viene danneggiata e a questo consegue uno stato di malattia o condizione patologica. Le malattie si dividono in due gruppi: quelle nelle quali il problema nasce dall'interno (cancro o tumori benigni) e quelle che sono originate da una sorgente esterna (intervento di sostanze chimiche e tossiche).

La maggior parte delle cellule del nostro corpo non possiede un'elevata tolleranza alle variazioni dell'ambiente esterno. Nelle cellule quando si parla di ambiente acquoso interno si fa riferimento al liquido extracellulare (LEC) che costituisce una zona di transizione fra l'ambiente esterno all'organismo e il liquido intracellulare (LIC). Proprio per il ruolo di "cuscinetto" del LEC, è possibile osservare alcuni processi biologici che hanno il compito di mantenere stabile la composizione di questo liquido. Ad ogni variazione del LEC corrisponde l'attivazione di meccanismi che lo riportano alle sue caratteristiche normali.

Legge dell'equilibrio di massa

Per mantenere lo stato di omeostasi l'organismo sfrutta la legge dell'equilibrio di massa per cui ogni aumento deve essere compensato da una perdita di pari entità della sostanza (ad ogni output deve corrispondere un input).

Il mantenimento dell'equilibrio da parte dell'organismo è effettuato tramite:

• Escrezione, cioè l'espulsione di materiale dall'organismo (fegato, urina, feci, sudore, anidride carbonica).
• La conversione del nutriente originale in qualcosa di diverso, che può però generare, a sua volta, una nuova e ulteriore perturbazione dell'equilibrio.
• Clearance. Il concetto di "eliminazione della sostanza" dall'organismo è indicato con il termine clearance. Essa è di solito espressa come il volume di plasma sanguigno ripulito dalla sostanza x per unità di tempo.

Il rene e il fegato sono i due principali organi coinvolti nel processo, ma la clearance può avvenire anche in tessuti diversi: saliva, sudore, latte e peli contengono, infatti, tutte sostanze che sono state escrete dall'organismo.

Per mantenere l'omeostasi il corpo umano si serve di alcuni meccanismi di controllo che hanno la funzione di mantenere entro la gamma di valori accettabili le variabili controllate nel momento in cui queste variabili si discostano dal loro valore di riferimento o ottimale.

Meccanismi di controllo

Nella forma più semplice un meccanismo di controllo locale (controllo limitato al tessuto o alla cellula coinvolta) consiste di tre componenti:

• Segnale di ingresso
• Centro di integrazione
• Segnale di uscita

Nel caso in cui le modificazioni avvengano in zone più diffuse nell'organismo saranno richiesti sistemi di controllo più complessi per mantenere l'equilibrio: i controlli riflessi (con uso di sistema nervoso, endocrino o entrambi). Anche il circuito di risposta prevede varie tappe: stimolo → sensore o recettore → segnale in ingresso → centro di integrazione → segnale in uscita → bersaglio → risposta.

Meccanismo di feedback negativo

Il meccanismo di feedback negativo o di retroazione negativo è usato per mantenere precisi parametri stabili attraverso continui aggiustamenti e può essere applicato a tutti i valori corporei. Esso consiste nella misurazione dell’effetto, per poi riportarlo a valori corretti ed è proprio questo meccanismo che consente il mantenimento dello "status quo" citato in precedenza.

In particolare, i circuiti a feedback negativo stabilizzano la variabile regolata contribuendo così al mantenimento dell'omeostasi (con la perdita dello stimolo, il circuito di risposta si spegne). I circuiti a retroazione negativa possono ripristinare lo stato normale, ma non possono prevenire la perturbazione iniziale.

Meccanismo di feedback positivo

Il meccanismo di feedback positivo consiste in quella che può essere definita come un'amplificazione del parametro considerato. In questo tipo di circuito, infatti, la risposta rafforza lo stimolo invece di diminuirlo o rimuoverlo (nel caso del feedback negativo), cioè spinge la variabile regolata ancora più lontano dal proprio valore normale. Questo innesca una spirale di risposte sempre crescenti che porta, temporaneamente, il sistema fuori controllo.

Proprio a causa dell'intensificazione della risposta, questo tipo di retroazione richiede un intervento esterno al processo per bloccare la risposta stessa. Un esempio di feedback positivo nell'essere umano è riscontrabile sia durante il processo di ovulazione, sia nel controllo ormonale delle contrazioni uterine durante il parto.

Importanza biologica dell'acqua

L'acqua non possiede una struttura simmetrica (a differenza degli idruri che, invece, ne presentano una) perché questa è una molecola polare a causa dell’elettronegatività dell’ossigeno.

La molecola di acqua rappresenta un esempio classico di molecola polare presentando un polo positivo e uno negativo. Il nucleo di ossigeno, infatti, più grande e forte attira verso di sé gli elettroni dell'idrogeno. Questa attrazione lascia i due atomi di H con una parziale carica positiva e quello di O con una parziale carica negativa derivata dalla condivisione disuguale degli elettroni. Tuttavia, la carica netta dell'intera molecola d'acqua è zero.

Inoltre, è proprio la polarità dell'acqua a renderla un ottimo solvente, fondamentale per lo sviluppo della vita.

La caratteristica dell'ossigeno di essere fortemente elettronegativo favorisce la formazione di legami a idrogeno, grazie ai quali le molecole di acqua formano un vero e proprio reticolo attraendosi le une con le altre. La formazione di questo reticolo comporta alcune importanti conseguenze:

• Acqua evapora a 100 °C a differenza degli idruri che evaporano a temperature sotto lo zero. Per questo motivo l’acqua è in forma liquida, in natura, ed ha costituito l’ambiente chimico nel quale si è formata la vita.
• Tensione superficiale dell’acqua → consiste nella formazione di una parete tra acqua e aria.
• Essendo un dipolo è possibile introdurvi molecole polari che saranno accerchiate da quelle dell'acqua, permettendo lo scioglimento di quelle elettricamente cariche.

Riassumendo, i punti cruciali sono:

• Tensione superficiale
• Densità
• Punto di evaporazione
• Capacità di ionizzare

Composti ionici

In tutti i liquidi corporei sono presenti dei sali (aventi carica elettrica). Mettendo un sale in acqua esso si scioglie ovvero interagisce con le molecole di acqua (dipolo) che hanno circondato i suoi singoli ioni. La capacità di una molecola di sciogliersi in un solvente è rappresentata dalla solubilità. Affinché qualcosa possa sciogliersi in acqua è necessario che possieda una carica elettrica: l'acqua, infatti, è polare, quindi le molecole che si dissolvono rapidamente in acqua sono le molecole polari o ioni le cui regioni positive o negative interagiscono rapidamente con l'acqua. Proprio per questo motivo è possibile parlare di sostanze idrofile (facilmente scioglibile in acqua) e sostanze idrofobiche (non facilmente scioglibile in acqua).

La diffusione

Con il termine diffusione si intende andare da una zona in cui una sostanza considerata è più concentrata ad una in cui lo è di meno, in modo tale da rendere la concentrazione omogenea. Il fenomeno è connesso ad una variazione di calore, la quale sarà a sua volta responsabile dei così detti moti Browniani che, attraverso una vibrazione delle molecole di acqua, comporteranno un corrispondente aumento degli scontri tra particelle. La diffusione è, quindi, guidata dall’agitazione termica ed è un movimento casuale e statistico. Si può parlare anche di diffusione per gradienti di concentrazione.

Pressione osmotica

Consideriamo due soluzioni acquose in due ambienti A e B diversi, separati da una membrana semipermeabile (permette il passaggio di acqua, ma non del glucosio). I compartimenti A e B contengono un uguale volume di soluzione di glucosio: in B c’è più soluto che in A e quindi la soluzione risulta più concentrata. Tuttavia a causa della presenza della membrana semipermeabile, il glucosio non può diffondere per equilibrare la soluzione in questione.

Quello che ci aspetteremmo è che poiché i due ambienti sono separati da una membrana semipermeabile, talvolta equivalente alla parete di una cellula, per il principio di diffusione le molecole contenute nelle soluzioni acquose si sposterebbero casualmente e statisticamente in quantità maggiore da B (soluzione in cui sono più concentrate) ad A (soluzione con una minore concentrazione di particelle). Nel momento in cui verrà raggiunta la stessa concentrazione in entrambe ci troveremo all’equilibrio.

In realtà, con il passare del tempo, è aumentato il volume della soluzione B: ovvero l’acqua si è spostata verso la soluzione a concentrazione (dei soluti) maggiore, con il conseguente aumento di volume. L’acqua, cioè, si muove per diluire la soluzione più concentrata. Durante il processo appena descritto è possibile osservare un aumento di volume che genererà una pressione sulla membrana semipermeabile. Anche l’acqua si sposta secondo gradiente di concentrazione (del soluto). Quindi, per questo, è possibile affermare che l’ambiente A è più concentrato di acqua rispetto al B e quindi la soluzione si sposta dall’ambiente a concentrazione maggiore a quello con concentrazione minore per diffusione, più esattamente per gradiente di concentrazione proprio come i soluti.

È, inoltre, possibile applicare una forza su B la cui intensità sarà direttamente proporzionale alla volontà dell’acqua di oltrepassare la membrana. La forza di pressione idrostatica da applicare per opporsi al movimento osmotico dell’acqua verso il compartimento B, prende il nome di pressione osmotica e sussisterà fino a quando non sarà raggiunto l’equilibrio. [L’acqua si sposta dove sono i soluti]

Osmolarità

Un altro modo per prevedere il movimento osmotico dell’acqua è quello di conoscere le concentrazioni delle soluzioni di cui ci stiamo occupando; in chimica queste sono espresse con la molarità, mentre in fisiologia possiamo introdurre il concetto di osmolarità che rappresenta il numero di particelle osmoticamente attive per litro di soluzione, non il numero di molecole. Essa si misura in osmosi per litro ed è importante sottolineare il fatto che descrive solo il numero di particelle presenti nella soluzione, non dice nulla riguardo la composizione di queste.

È possibile confrontare l’osmolarità di due soluzioni distinguendo:

• Isoosmotiche → se contengono lo stesso numero di particelle di soluto per unità di volume
• Iperosmotica Se la soluzione A ha un’osmolarità maggiore della soluzione B → A è iperosmotica rispetto a B
• Ipoosmotica Nello stesso esempio del punto precedente, la soluzione B è ipoosmotica rispetto alla soluzione A

Il numero normale dei nostri liquidi nel sangue è di 300 mOsm (0,3 M). Un aumento di osmolarità si ha, per esempio, durante la sudorazione o a seguito dell'assunzione di cibi salati, che richiedono l'apporto di acqua per ripristinare il valore normale di liquidi. Quindi, l’acqua si muove secondo gradiente osmotico.

Inserendo una cellula in acqua distillata (ambiente povero di soluti) si verifica un’entrata di acqua all’interno della cellula e questa morirà poiché l’acqua esterna entrerà senza limite. La morte della cellula si verificherà anche in caso contrario, in un ambiente ricco di soluti.

Tonicità

È un concetto pratico ed è una misurazione operativa di ciò che succede. La variazione di volume di una cellula è descritta dalla tonicità di una soluzione. Esso è un termine fisiologico usato per descrivere una soluzione e come questa potrebbe influenzare il volume cellulare se la cellula viene posta nella soluzione e le viene consentito di raggiungere l’equilibrio.

Tenendo conto di questa definizione, una soluzione può essere:

• Ipotonica (rispetto alla cellula) → se una cellula situata nella soluzione acquista acqua e si gonfia (soluzione con minore concentrazione di soluto rispetto ad un’altra)
• Isotonica → se la cellula non cambia volume in soluzione (due soluzioni hanno stessa concentrazione di soluto)
• Ipertonica → se la cellula perde acqua e si restringe quando è messa in soluzione (una soluzione ha maggiore concentrazione di soluto rispetto ad un’altra)

Esempio visto a lezione con immagini: Cellula con soluto viola al suo interno circondata da un altro soluto giallo che però è in grado di attraversare le pareti della cellula stessa nonostante entrambi i soluti si trovino a 0,3 M. Il soluto giallo, urea, entra nella cellula per gradiente di concentrazione, aumentando l’osmolarità della cellula con la conseguente entrata di acqua in essa. Una soluzione può essere isosmotica, ma non isotonica.

Soluto permeante → soluzione isotonica poiché il volume della cellula non cambia il suo volume (Cellula in soluzione A). Se la cellula si gonfia la soluzione B è ipotonica (Cellula in soluzione B).