Appunti di Fisiologia adattato all'esercizio fisico

Fisiologia dell’attività fisica e adattata

1. Omeostasi

L’organismo umano è un sistema aperto in cui energia e materia vengono continuamente scambiati; la salute è uno stato di benessere fisico, psichico e sociale e non solo assenza di malattia o di infermità (inclusione della dimensione psichica oltre che corporea, promozione alla salute oltre che cura della malattia, apertura al carattere sociale dell’individuo).

L’Omeostasi è la tendenza innata di un organismo di raggiungere la stabilità fisiologia (chimico fisica), necessaria per garantire stato di salute negli umani; in altre parole è il mantenimento delle funzioni fisiologiche nonostante le variazioni dell’ambiente esterno, che richiede l’azione integrata di molti meccanismi fisiologici.

I meccanismi omeostatici si attivano quando l’organismo manifesta un bisogno ovvero percezione di uno squilibrio tra la situazione attuale e una situazione desiderata; il bisogno porta all’adattamento, che necessita della percezione di uno stimolo che attivi il bisogno stesso, quindi l’individuo:

• Sente uno stato di disequilibrio (funzionamento sensori),
• È in grado di elaborare e attivare risposta (funzionamento sistemi integrati),
• Trova le condizioni per effettuare una risposta (regolazione dei sistemi).

La spinta motivazionale è quindi il risultato finale di un processo che inizia ogni volta che l'individuo avverte un bisogno, si avvale della integrazione di più sistemi e realizza una risposta adattata all’ambiente interno ed esterno e a una determinata circostanza.

Le variabili regolate dall’omeostasi sono molteplici:

• Osmotica: bilancio dell’acqua e concentrazione totale dei soluti e i loro rapporti.
• Acqua: 0,6 x P. Tot.
• LIC 0,4 x P. Tot.
• LEC 0,2 x P. Tot.
• L. interstiziale ¾ del LEC.
• Plasma ¼ del LEC.
• Ionica: concentrazione dei singoli ioni (bilancio elettroliti tra liquido intra ed extra a seconda dei gradienti).
• Organica ed energetica: concentrazione dei protidi, lipidi, glucidi, vitamine, e l’energia ricavata dalle prime tre classi di composti.
• Termica: regolazione temperatura corporea interna.

Dopo le modificazioni ci possono essere diverse tipologie di risposta:

Risposta locale

Un cambiamento relativamente isolato si verifica nelle vicinanze di una cellula o di un tessuto ed evoca una risposta locale → controllato da sostanze paracrine o autocrine; nel controllo locale una cellula o un tessuto avverte un cambiamento nelle proprie immediate vicinanze e risponde limitatamente alla regione dove ha avuto luogo il cambiamento (es: diminuzione di ossigeno tissutale e risposta segnale paracrino con vasodilatazione).

Risposta riflessa

Vi è una risposta a cambiamenti di natura sistemica che sono diffusi nell’organismo; il centro di integrazione che riceve l’informazione è distante dalla cellula o dal tessuto direttamente coinvolti, quindi valuta l’informazione e decide se mandare un segnale chimico o elettrico per attivare una risposta.

I meccanismi di controllo omeostatico sono indispensabili alla vita e per questo devono seguire uno schema preciso:

• Input: quando c’è un disequilibrio i sensori mandano un segnale di ingresso;
• Set point: questo input raggiunge il centro di integrazione;
• Output: dal centro viene programmato un segnale in uscita;
• Effettori: l’output determina la risposta grazie agli effettori.

Questi meccanismi di controllo possono fallire per due tipi di cause:

• Cause esterne: variazioni rapide ambiente circostante (sostanze tossiche, traumi, patogeni).
• Cause interne: tumori, m. autoimmuni, morte cellulare, stress ossidativo, m. ereditarie.

Se il nostro sistema entra in uno stato stazionario alterato, il disequilibrio di un organo può andare a discapito di altri distretti. Ecco che entrano in gioco diversi circuiti di controllo che hanno lo scopo di ripristinare il normale equilibrio omeostatico:

Feedback negativo

È il sistema di retroazione principale di tutta l’omeostasi e consente di produrre un cambiamento opposto allo stimolo iniziale, facendo sì che il prodotto finale di un processo inibisca il processo stesso; ciò significa che all’aumentare dello stimolo iniziale, il prodotto finale tende a diminuire (fattori sono inversamente proporzionali).

Questo circuito è regolato da risposta fisiologica (da parte della ghiandola) e asse ormonale.

[Esempio: carenza di ossigeno stimola produzione di eritroproteina da parte dei reni che → stimola produzione di globuli rossi nel midollo osseo che → determina il ripristino del livello adeguato di ossigeno che → inibisce la produzione di eritroproteina da parte dei reni.]

Feedback positivo

È contrario e meno diffuso del negativo poiché consente di accelerare o intensificare un processo in seguito agli stimoli ricevuti; ciò significa che all’aumentare dello stimolo iniziale, il prodotto finale tende ad aumentare (come in un circolo vizioso; i due fattori sono direttamente proporzionali).

[Esempio: controllo ormonale delle contrazioni uterine durante il parto → in prossimità del parto, il feto si dispone in basso nell’utero → pressione sulla cervice → stimolazione dei sensori che inviano dei segnali che si propagano dalla cervice al cervello → rilascio di ossitocina prodotta dai nuclei ipotalamici e secreta dalla neuroipofisi provoca la contrazione dell’utero e spinge la testa del bambino ancora più fortemente contro la cervice, stirandola ulteriormente → ulteriore stiramento provoca un ulteriore rilascio di ossitocina che a sua volta causa ulteriori contrazioni uterine che spingono ancora più forte il feto contro la cervice → ciclo continuo fino a quando avviene il parto → a questo punto lo stiramento della cervice viene meno e il feedback positivo ha termine].

Feedforward

In questo caso la perturbazione viene rilevata dal sensore prima che induca i suoi effetti sullo stato del sistema e questo significa che il controllore deve essere in grado di calcolare gli effetti che la perturbazione indurrà sulla variabile regolata; questi sistemi hanno il grande vantaggio di poter evitare che la perturbazione eserciti i propri effetti, prevenendo quindi la necessità di interventi correttivi. Sarà il sistema nervoso a rilevare per primo delle situazioni di cambiamento e a comunicare tramite degli impulsi nervosi col sistema endocrino, il quale si occuperà poi di secernere ormoni atti a mantenere il corpo in una situazione di equilibrio.

Negli adattamenti posturali lavora di concerto con il circuito a feedback per minimizzare la destabilizzazione dovuta al movimento volontario o a una perturbazione attesa, prevedendo grazie all’esperienza e a meccanismi di controllo innati gli esiti di una determinata azione.

Esempi di regolazione omeostatica possono essere:

• Termoregolazione.
• Regolazione della sete.
• Ritmo sonno-veglia.
• Ritmi circadiani e stagionali.
• Basic rest - activity cycle BRAC.

2. Eccitabilità cellulare

La cellula è la più piccola unità funzionale del nostro organismo, concorre a formare i tessuti e conseguentemente gli organi; ogni cellula è specializzata a svolgere dei compiti specifici, però tutte hanno delle caratteristiche comuni.

Qui tratteremo le cellule nervose eccitabili, la cui caratteristica principale è quella di avere la capacità di reagire ad uno stimolo che definiamo adeguato con una variazione delle proprietà della membrana cellulare.

I neuroni come ogni altra cellula hanno:

• Membrana plasmatica.
• Nucleo che contiene acidi nucleici.
• Mitocondri e altri organelli.
• Sistema di microtubuli e microfilamenti per il trasporto.
• Proteine del citoscheletro che organizzano le zone attive.
• Sistemi per la sintesi proteica.

La comunicazione dei messaggi avviene sia in forma elettrica che elettrochimica, in modo rapido e prevalentemente unidirezionale, da presinaptico a postsinaptico grazie alla loro particolare anatomia.

La membrana cellulare ha il compito di dividere l’ambiente intracellulare da quello extracellulare ed ha diverse caratteristiche:

• Formata da un bistrato lipidico, funge da isolante elettrico ed è idrofobico, in cui vi sono immerse glicoproteine e proteine-canale definite idrofiliche poiché permettono il passaggio di cariche elettriche e di acqua;
• Separa l’ambiente intracellulare da quello extracellulare;
• È semipermeabile, i passaggi di sostanze avvengono secondo le leggi chimico-fisiche ovvero diffusione, trasporto facilitato e trasporto attivo.

Ogni cellula presenta da 10 a 50 tipi di proteine di membrana divisibili in:

• Integrali: classificate in famiglie a seconda dei segmenti transmembranari;
• Estrinseche o periferiche: enzimi di membrana e proteine strutturali che ancorano i recettori e il citoscheletro alla membrana;
• Recettori;
• Canali ionici;
• Proteine di segnale: che guidano esocitosi-e endocitosi.

Questa membrana ha quindi un ruolo di barriera, ma funge anche da tramite garantendo l’omeostasi e la comunicazione fra le cellule.

In tutte le cellule gli ioni più importanti per determinare il potenziale di riposo sono rappresentati da sodio Na⁺ e potassio K⁺ (altri ioni, come calcio Ca⁺⁺ e cloro Cl^- contribuiscono a stabilire alcune proprietà bioelettriche della membrana cellulare); questi ioni sono responsabili dell’eccitabilità delle cellule.

Potenziale di membrana

Le principali caratteristiche del potenziale di membrana a riposo sono:

• Le differenti distribuzioni degli ioni e, quindi, delle cariche elettriche, sui due versanti della membrana cellulare, accoppiate alle caratteristiche fisiche della membrana (il doppio strato lipidico isolante e i canali proteici permeabili in modo selettivo) generano una differenza di potenziale (V_m) stabile a riposo tra l'interno e l’esterno della cellula, detta potenziale di membrana a riposo;
• Il V_m di una cellula a riposo (V_m) è sempre negativo;
• I valori di V_m a riposo comunemente registrati variano, a seconda del tipo di cellula, tra -40 mV e -90 mV (cellule nervose hanno un Vm a riposo di circa -70 mV);
• Il V_m è fondamentale per la generazione di segnali elettrici transmembranari nelle cellule eccitabili.

Le cellule eccitabili hanno la particolarità di reagire ad uno stimolo adeguato con una variazione della permeabilità della membrana cellulare, in seguito alla quale attraverso di essa si verificano flussi di ioni che modificano la differenza di potenziale tra i suoi lati: in questo modo si generano segnali elettrici.

L’impulso contiene in sé l'informazione che il sistema nervoso deve comprendere ed elaborare per poter dare risposte adeguate ai vari stimoli a cui siamo costantemente sottoposti.

Nell’ambiente extracellulare si accumulano vari ioni (sodio, calcio...) all’interno se ne accumulano altri (potassio e anioni proteici...): potassio molto più concentrato a livello intracellulare, sodio è molto più concentrato a livello extracellulare.

Questa diversa distribuzione ionica all’interno e all’esterno della membrana cellulare crea una differenza di potenziale elettrico con l’interno negativo rispetto all’esterno; questa negatività è possibile misurarla mediante un galvanometro e risulta essere per le cellule nervose di circa -70mV.

Il potenziale di membrana delle cellule, essendo generato dalla ineguale concentrazione di specie ioniche diffusibili che non si trovano all’equilibrio elettrochimico, è in realtà un potenziale di diffusione alla cui genesi partecipano di fatto principalmente i due ioni principali: Na⁺ e K⁺ per i quali esistono due flussi netti diffusionali, cioè 2 correnti ioniche, entrante I_Na e uscente I_K.

La membrana plasmatica riesce a mantenere questa differente concentrazione di potassio e sodio dentro e fuori, grazie all’intervento di una proteina definita pompa sodio-potassio che tende a rimettere all’esterno della membrana il sodio e a portare il potassio all’interno, mantenendo la differenza di concentrazione tra potassio e sodio che è la base dell’eccitabilità delle nostre cellule nervose.

Questo potenziale di diffusione è particolare perché non decade nel tempo per via dei processi ionici attivi che intervengono, in particolare grazie all’attività della pompa sodio-potassio.

Il potenziale di membrana di una cellula a riposo, rappresenta la differenza di potenziale elettrico che deriva dalla differente distribuzione delle cariche, con segno diverso, tra i due versanti, esterno ed interno, della membrana. Viene mantenuto da pompe ioniche con attività ATPasica, trasporti attivi primari che generano un gradiente così potente da essere sfruttato da trasporti attivi secondari. Esistono poi trasporti passivi attraverso la membrana, trasporti mediati da vescicole (endo- e esocitosi) e trasporti attraverso membrane multicellulari.

Potenziale di equilibrio

Il potenziale di equilibrio è quella differenza di potenziale capace di creare equilibrio a una determinata differenza di concentrazione dello ione ai due lati di una membrana, quindi di rendere nullo il flusso netto attraverso la membrana. Si genera quando la membrana è impermeabile ad almeno una specie ionica fra quelle presenti e permeabile ad almeno un’altra, che sia in concentrazione diversa ai due lati della membrana (Equazione di Nerst).

Potenziale di diffusione

Gli ioni sono sottoposti sia a forze elettriche che a forze chimiche; la diffusione di più specie ioniche attraverso la membrana secondo il loro gradiente di concentrazione (forza chimica) può creare essa stessa differenze di potenziale elettrico a cavallo di una membrana, quando gli ioni presentino conduttanze membranali differenti.

Il potenziale che si genera è detto potenziale di diffusione: differenza di potenziale che si genera a cavallo di una membrana come conseguenza di:

• Ineguale distribuzione di ioni sui due versanti della membrana, quindi dell’esistenza di gradienti di concentrazione tra i due ambienti separati alla membrana,
• Diseguale permeabilità agli ioni da parte della membrana stessa.

Questo potenziale avviene in una condizione di squilibrio elettrochimico in cui per 2 o più specie ioniche c’è un passaggio netto transmembranario di ioni nell’una o nell’altra direzione secondo il loro gradiente di concentrazione; questo passaggio netto tende a ridurre progressivamente la differenza di concentrazione degli ioni permeanti tra i due lati della membrana. Per questa ragione un potenziale di diffusione, se non intervengono altri fattori, non si mantiene indefinitamente ma decade nel tempo.

Comunicazione fra cellule elettricamente eccitabili

Comunicazione elettrica

Contenuto di informazione: messaggio elettrico è monosegnale e l’informazione sull’intensità è complessa da mantenere su lunghe distanze.

Indirizzo del messaggio: solo elementi cellulari che sono in connessione tramite particolari specializzazioni funzionali (connessoni).

Velocità della comunicazione: altissima velocità dei processi bioelettrici, spostamento di piccoli ioni inorganici.

Comunicazione chimica

Contenuto di informazione: messaggio chimico, modulabile in qualità, intensità variabile con la quantità di messaggero.

Indirizzo del messaggio: è un target preciso definito dalla struttura molecolare del recettore e dalla conformazione del messaggero chimico.

Velocità della comunicazione: processi biochimici richiedono il tempo perché il messaggero sia prodotto e liberato in maniera adeguata.

Proprietà elettriche passive di membrana

La nostra membrana può essere paragonata ad un semplice circuito elettrico, caratterizzato dalla presenza di una capacità, il bistrato lipidico, che separa le cariche negative da quelle positive, ed una resistenza che invece è rappresentata dal canale di membrana; questa similitudine col circuito elettrico permette di capire le proprietà passive di membrana cioè come mai la nostra membrana è in grado di rispondere ad una stimolazione elettrica.

Se noi somministriamo all’interno della nostra cellula, un impulso di corrente (onda quadra una determinata intensità e una certa durata) la membrana risponderà con una variazione del potenziale elettrico:

• In senso depolarizzante, se abbiamo somministrato cariche positive all’interno della cellula, quindi diminuendo il potenziale di riposo della membrana (da -70mV a meno -50mV a seconda dell’intensità di corrente),
• In senso iperpolarizzante se somministriamo a questa cellula dei pulsi di corrente negativi e quindi la membrana diventerà più negativa.

Le variazioni del voltaggio che registriamo sono proporzionali all’intensità di corrente somministrata.

La nostra membrana si comporta come un circuito elettrico, quindi seguendo la prima legge di Ohm, fino a che la nostra membrana non incomincia a rispondere in maniera attiva, cioè fino a che con i pulsi depolarizzanti, non si raggiunge il potenziale di soglia e così avremo l’inversione del potenziale che fa raggiungere alla membrana valori interni positivi (potenziale anche di +60mV - potenziali che non raggiungono il livello di soglia, vengono definiti potenziali elettronici).

Le variazioni del potenziale di membrana possono avvenire attraverso:

• Potenziali locali: si trasmettono con decadimento a breve distanza dal luogo di origine.
• Potenziali d’azione: si propagano con velocità elevata su grandi distanze nello stesso elemento cellulare.
• Potenziali locali: sono graduali, cioè l’ampiezza varia in modo proporzionale all