Appunti completi esame di Fisiologia umana

Fisiologia

In biologia nulla ha senso se non alla luce delle moderne teorie evoluzionistiche, che permettono di comprendere com'è stato possibile che organismi complessi e organi sofisticati si siano adattati all'attuale funzione. Darwin osservò che i fringuelli provenienti da isole diverse presentavano tra loro piccole distinzioni fisiologiche, appartenevano tutti alla stessa specie iniziale in seguito distribuita in ambienti diversi e adattata specificamente ad ambienti con sfide diverse → cambiamento delle esigenze adattative (speciazione determinata dalla segregazione spaziale o temporale). Questo è possibile grazie a un meccanismo di riproduzione variabile e alla selezione naturale; la variabilità è un meccanismo fondamentale per l’adattamento. Le mutazioni puntiformi sono meccanismi di variabilità, hanno scarsa probabilità di produrre un miglioramento nei nuovi individui, servono molti tentativi. I mammiferi sono pochi e longevi quindi il numero di tentativi è basso; i batteri invece sono presenti in grandi numeri e si riproducono molto in fretta. La riproduzione per clonazione elimina la grande variabilità di quella sessuata.

Principali funzioni di una cellula e di un organismo

Considerando un ipotetico organismo unicellulare nel suo oceano primordiale come modello di cellula, per rimanere in vita deve svolgere i seguenti meccanismi fondamentali:

• Assunzione, elaborazione ed escrezione di sostanze: ogni organismo assume dall'esterno sostanze e le modifica per i suoi bisogni strutturali ed energetici (il lavoro strutturale ha bisogno di energia), una volta che le sostanze sono digerite e usate per produrre energia, sono escrete le molecole povere di contenuto energetico.
• Scambio ionico e gassoso: le cellule necessitano di O₂ per produrre l’energia necessaria alle normali funzioni cellulari. I trasportatori controllano il passaggio attraverso la membrana (confine) e selezionano le molecole in entrata e uscita, alcuni non necessitano di energia, altri sì.
• Motilità: allontanarsi da un ambiente sfavorevole verso uno favorevole.
• Scambio di acqua e di calore: all’interno si verifica la combustione per produrre energia, NB η <1 (seconda legge della termodinamica).
• Capacità di sentire l’ambiente circostante: ogni organismo sviluppa gli organi di senso necessari per il suo ambiente.

Quasi tutte le cellule si riproducono, sono tutte immerse nel liquido extracellulare, le cui condizioni fisico-chimiche sono controllate in maniera precisa. In organismi più complessi sono presenti le stesse funzioni in maniera più sofisticate e se ne aggiungono, come per esempio cellule nervose che controllano il comportamento che diventa adattabile. Le principali funzioni dell’organismo sono:

• Omeostasi
• Controllo degli scambi di materiali ed energia con l’ambiente
• Riproduzione variabile
• Memoria, percezione, pensiero ovvero memoria del passato, consapevolezza del presente e previsione del futuro
• Generazione di comportamenti adattivi in funzione dell’ambiente specifico
• Esplorazione, valutazione e adattamento a sé dell'ambiente in cui vive
• Cooperazione intra e interspecifica
• Comunicazione intraspecifica

La principale fonte di energia (ricavata dagli alimenti) è l’ATP che cede energia diventando ADP (+P), l’ATP è necessario per sintesi chimiche, lavoro meccanico, lavoro elettrico, lavoro osmotico, calore e luce.

Distribuzione acqua corporea

Tutti i processi richiedono la presenza di un ambiente acquoso, l’acqua totale del corpo (TBW, 42l) è divisa in liquido intracellulare (ICF, 24l) e liquido extracellulare (ECF, 14l), che è a sua volta diviso in plasma (3l) e liquido interstiziale (ISF, 11l). Il liquido extracellulare rappresenta l’ambiente interno, si tratta dell’ambiente con cui interagiscono le cellule dell’organismo, è protetto dall’ambiente esterno da tessuti che lo racchiudono, mantiene caratteristiche chimico-fisiche ottimali per il metabolismo cellulare.

Meccanismi di regolazione

Le funzioni sono realizzate con meccanismi di regolazione.

Feedback negativo

In questo meccanismo regolatore la variazione del parametro da controllare attiva meccanismi di compenso, che modificano il parametro in senso contrario, riportandolo al valore prefissato (set point), mantenendo l’equilibrio omeostatico. Per questo meccanismo sono necessari concettualmente:

• Recettori in grado di misurare il valore del parametro controllato
• Centri di comparazione e integrazione che confrontano il valore attuale del parametro con il valore di riferimento, in caso di discrepanza attivano:
• Organi effettori che modificano il parametro riportandolo al valore di riferimento

Un esempio di feedback negativo è la regolazione della temperatura corporea: se la temperatura corporea aumenta viene rilevato da centri termoregolatori del cervello che mandano segnali agli effettori (ghiandole sudoripare, cute, circolo sanguigno e muscoli scheletrici) e la risposta consiste in una diminuzione della temperatura corporea; invece, in caso contrario, se la temperatura corporea diminuisce (ambiente freddo) e viene rilevata da termocettori (sensori), viene mandato un input ai centri termoregolatori del cervello (integrazione) che mandano un output ai vari effettori come ghiandole sudoripare (diminuiscono la produzione di sudore), vasi sanguigni cutanei (aumenta la restrizione e diminuisce il flusso ematico) e muscoli scheletrici (aumenta il tono muscolare provocando brividi), i primi due diminuiscono la perdita di calore, l’ultimo porta alla produzione di calore, l’effetto finale è un aumento della temperatura corporea.

Un secondo esempio di feedback negativo è il controllo della pressione sanguigna, passando dalla posizione coricata a quella eretta il sangue fluisce nella gambe e si hanno capogiri, la pressione viene misurata da pressocettori e l’informazione viene trasmessa al tronco encefalico, i riflessi compensatori possono intervenire con diversa prontezza in base al soggetto. → la risposta del sistema si verifica in direzione opposta al cambiamento che l’ha provocata.

Feedback positivo

Un ciclo di feedback positivo si verifica in natura quando il prodotto di una reazione porta ad un aumento di tale reazione. Se osserviamo un sistema in omeostasi, un ciclo di feedback positivo allontana il sistema dall'obiettivo dell’equilibrio. Lo fa amplificando gli effetti di un prodotto o di un evento ed è funzionale a qualcosa che deve accadere rapidamente.

Un esempio di feedback positivo è la maturazione della frutta: in natura un albero o un cespuglio matura improvvisamente tutta la sua frutta o verdura senza alcun segnale visibile. Prendendo ad esempio le mele una volta che la prima mela matura, emette etilene (C₄H₄) attraverso la buccia che porta alla maturazione di altre mele che emettono a loro volta etilene, etc.

Un secondo esempio di feedback positivo riguarda le contrazioni durante il parto, quando inizia il travaglio la testa del bambino viene spinta verso il basso e ciò comporta un aumento della pressione sulla cervice, questo stimola le cellule recettoriali a inviare un segnale chimico al cervello, che induce il rilascio di ossitocina, che si diffonde alla cervice attraverso il sangue, dove stimola ulteriori contrazioni, che stimolano un ulteriore rilascio di ossitocina fino alla nascita del bambino.

Un terzo esempio di feedback positivo è il processo di coagulazione del sangue in una ferita, quando la parete dei vasi sanguigni è lacerata viene rilasciata una sostanza chimica (fattore tissutale) che provoca l’attivazione delle piastrine nel sangue, che, attivate, rilasciano una sostanza che stimola l’attivazione di altre piastrine, fino a quando il sangue nella ferita non si coagula. → la risposta del sistema va nella stessa direzione del cambiamento della variabile che l’ha prodotta (in condizioni fisiologiche non si verifica mai una perdita del suo controllo o una risposta all'infinito).

Meccanismi di trasporto

La membrana cellulare ha varie funzioni: isolamento fisico (relativo, avvengono scambi), regolazione degli scambi, comunicazione tra cellula e cellula/ambiente e supporto strutturale. I liquidi extracellulari sono uguali (il plasma contiene proteine), quelli intracellulari hanno composizione diversa, differiscono principalmente in termini di concentrazioni. I trasporti attraverso la membrana sono classificabili su due principi: energia e meccanismo fisico. Partendo dalla classificazione energetica si suddividono in passivi (no ATP) e attivi (ATP), i trasporti passivi utilizzano l’energia del moto molecolare → diffusione. La diffusione può essere semplice o facilitata. Il trasporto attivo è diviso in primario e secondario (il primario genera un gradiente di concentrazione per il secondario) ed endocitosi, esocitosi e fagocitosi. La classificazione in base al meccanismo fisico si divide in senza mediatori come avviene nel caso della diffusione semplice (i gas respiratori si muovono secondo gradiente senza nessun aiuto) oppure con mediatori (diffusione facilitata e trasporto attivo primario) oppure mediata da vescicole.

Forze chimiche ed elettriche

Le forze che guidano i trasporti sono la forza chimica, elettrica ed elettrochimica, queste forze determinano la direzione del trasporto. Ogni differenza di energia a cavallo della membrana agisce come forza che tende a spingere le molecole in una direzione o in un’altra; la direzione di questa forza è sempre dalla regione a più alta energia verso quella a minore energia.

Le forze chimiche si basano sul gradiente di concentrazione (il soluto va nella direzione in cui è meno presente): maggiore è il gradiente di concentrazione maggiore è la forza; ogni sostanza ha un proprio gradiente e quindi una forza che la muove specifica per quella sostanza.

Le forze elettriche sono determinate dalla presenza di ioni che costituiscono gran parte dei soluti, la forza elettrica si basa su una differenza chimica che provoca un disequilibrio nella distribuzione delle cariche (- intra, + extra) che determina il potenziale elettrico di membrana (mV, energia potenziale che può trasformarsi in altro, la membrana si comporta come un condensatore). La differenza è misurabile solo vicino alla membrana (-70 mV). Le forze elettriche hanno alla base: elettroneutralità; cariche di segno opposto si attraggono, cariche di segno uguale si respingono; per separare cariche serve una forza; importanza dei materiali attraverso cui le cariche posso passare (conduttori e isolanti). L’acqua contenendo tanti ioni è un ottimo conduttore, il doppio strato lipidico è un isolante. Il disequilibrio elettrico è dato dalle pompe ioniche come la pompa Na⁺/K⁺ (3 Na⁺/2 K⁺) → omeostasi (disequilibrio fondamentale). Si è stabilita una scala relativa del potenziale: per convenzione si pone lo 0 fuori, la differenza che si genera viene attribuito al liquido intracellulare, nella realtà non è così. L’ampiezza della forza è proporzionale alla differenza di potenziale a cavallo della membrana, la separazione di carica è energia potenziale per il flusso di corrente attraverso la membrana.

Il movimento degli ioni è influenzato dalla forza chimica e dalla forza elettrica → forze elettrochimiche. La direzione dello ione è dettata dalla risultante finale delle due forze, che va confrontata con il potenziale di membrana. Quando le due forze che agiscono sono all'equilibrio si determina un valore potenziale in cui lo ione si trova all’equilibrio, a quel livello tanto ione entra e tanto ione esce, lo spostamento è zero ma non è fermo → il potenziale di equilibrio dello ione (E_i) è un valore teorico del potenziale di membrana al quale la forza elettrica è uguale e opposta alla forza chimica, producendo così una forza elettrochimica pari a 0. Se il potenziale di membrana è uguale al potenziale di equilibrio per un determinato ione, quello ione non si muoverà spontaneamente né verso l’interno né verso l’esterno della cellula, poiché la forza totale che agisce su di esso è pari a 0. Il potenziale di equilibrio si calcola con l’equazione di Nernst: E = 61 mV/z x log [ione]_out / [ione]_in. z rappresenta la forza elettrica ed è la valenza dello ione, la differenza di concentrazione rappresenta la parte chimica dello ione, ogni ione ha un potenziale di equilibrio ed è il valore a cui aspira. Prendendo come esempio K⁺ (più concentrato all’interno) ha potenziale di equilibrio di -94 mV, il potenziale di membrana è lo stesso, quindi le due forze sono all’equilibrio. Se il potenziale di membrana è -70 mV, la forza elettrochimica va verso l’esterno, devo rendere l’ambiente interno più negativo e prevale la forza chimica poiché segue il gradiente di concentrazione chimico. Se invece il potenziale di membrana è -100 mV, la forza elettrochimica va verso l’interno, K⁺ deve entrare quindi prevale la forza elettrica. Quindi se il potenziale di equilibrio è più grande del potenziale di membrana allora la forza chimica è maggiore della forza elettrica; la forza elettrochimica agirà quindi nella stessa direzione della forza chimica. Se il potenziale di membrana è maggiore del potenziale di equilibrio, allora la forza elettrica è maggiore della forza chimica e la forza elettrochimica agirà quindi nella stessa direzione della forza elettrica.

Diffusione semplice

Il trasporto passivo è diviso in diffusione semplice e facilitata. Nella diffusione le molecole si muovono per distribuirsi in modo da avere una concentrazione uniforme; le molecole si muovono per gradiente, il movimento avviene fino all’equilibrio (non statico). Il movimento è veloce a breve e lento a lunga distanza (t² proporzionale a s²), aumentando T aumenta la velocità di diffusione, aumentando le dimensioni molecolari diminuisce la velocità di diffusione, la diffusione avviene in sistemi aperti o attraverso barriere (membrane cellulari). In tutti i casi le singole molecole si muovono continuamente attraverso la membrana in entrambe le direzioni, ma le molecole che statisticamente si muovono in una direzione possono essere più numerose di quelle che si muovono nell’altra. La velocità di diffusione attraverso la membrana cellulare dipende dalla capacità della molecola di sciogliersi nello strato lipidico della membrana. Le molecole solubili nei lipidi (lipofile) possono diffondere attraverso la membrana per diffusione semplice. La velocità di diffusione attraverso la membrana è direttamente proporzionale all’area della membrana. Tanto maggiore è l’area, tante più molecole possono attraversare la membrana nell’unità di tempo. La velocità di diffusione attraverso una membrana è inversamente proporzionale allo spessore della membrana (8 nm). Maggiore è lo spessore della membrana, più lenta sarà la diffusione. Ci sono strutture che tendono a limitare il numero di barriere che possono formare le varie interfacce poiché usano solo la diffusione per esempio negli alveoli. La legge di Fick mette in relazione le caratteristiche che definiscono la velocità di diffusione attraverso la membrana:

• Direttamente proporzionale all’area di superficie, al gradiente di concentrazione e alla permeabilità della membrana
• Inversamente proporzionale allo spessore della membrana

La permeabilità della membrana è direttamente proporzionale alla solubilità nei lipidi e alla temperatura e inversamente proporzionale alle dimensioni molecolari e allo spessore di membrana. Il flusso è direttamente proporzionale al gradiente di concentrazione. Una modificazione della composizione dello strato lipidico può aumentare o diminuire la permeabilità della membrana.

Trasporto mediato

Diffusione facilitata

Il trasporto mediato si effettua per molecole che non passano liberamente la membrana cellulare (es. ioni). La diffusione facilitata è un fenomeno passivo (al contrario del trasporto attivo), la proteina di trasporto è necessaria perché le sostanze non sono lipofile. Tra i trasportatori di membrana ci sono canali e carrier. I canali sono strutture proteiche che creano continuità tra i due ambienti intracellulare ed extracellulare, a loro volta possono essere classificati in canali maggiormente aperti o chiusi, generalmente sono canali ionici o acquaporine. I carrier sono proteine trasportatrici propriamente dette, sono trasportatori che non mettono mai in comunicazione i due ambienti, sono classificabili come uniporto o costrasportatori (simporto e antiporto). Nella diffusione facilitata c’è un gradiente, la molecola ha una tendenza a entrare ma non può farlo perché non è affine alla membrana, trova un carrier con siti di legame molto attrattivi e si lega, cambia la conformazione del carrier che si chiude per aprirsi dall'altra parte; si tratta di un trasporto relativamente lento, da alcune centinaia a decine di migliaia di molecole al secondo. Un esempio è il trasportatore del glucosio che è polare e non può attraversare il doppio strato ed è il principale substrato da cui si ottiene energia, le cellule necessitano glucosio, dentro ne hanno poco e fuori tanto, il trasportatore seguendo il gradiente lo porta all’interno, ma la diffusione che tende all’equilibrio, quindi tanto ne esce e tanto ne entra, il gradiente vale solo per una sostanza, le cellule per evitare di perdere glucosio attaccano un gruppo fosfato e diventa glucosio 6 fosfato (G6P) che va in glicolisi o diventa glicogeno. I fattori che limitano la velocità di trasporto attraverso i carrier sono la velocità intrinseca dei singoli carrier, il numero di carrier nella membrana, il gradiente di concentrazione. Alcune proprietà sono la specificità (solo un determinato tipo di substrato), la competizione (glucosio su galattosio) e la saturazione (arrivati a un certo valore di concentrazione di substrato la velocità è costante). Nella diffusione semplice più aumenta il gradiente più aumenta il trasporto, nella facilitata a un certo punto bisogna tenere conto delle caratteristiche del carrier.