Appunti parte di Fisiologia umana

FISIOLOGIA UMANA

1. Introduzione alla fisiologia

La FISIOLOGIA è lo studio dell’organismo vivente e delle parti che lo compongono, inclusi tutti processi

chimici e fisici alla base del suo normale funzionamento. Oggi il termine è usato in senso generale in

riferimento allo studio delle funzioni di tutti gli esseri viventi, animali e vegetali.

1.1 La fisiologia è una scienza integrata

Molti sistemi complessi (inclusi quelli del corpo umano) possiedono PROPRIETÀ EMERGENTI, cioè

proprietà che non possono essere previste esclusivamente sulla base della conoscenza delle

componenti individuali del sistema. Le proprietà emergenti derivano da interazioni complesse e non

lineari tra diverse componenti. Fra le proprietà emergenti più complesse degli esseri umani vi sono le

emozioni, l’intelligenza e altri aspetti del funzionamento cerebrale.

Un particolare punto focale della fisiologia è l’integrazione delle funzioni attraverso molti livelli di

organizzazione. A qualsiasi livello, la fisiologia è strettamente legata all’ANATOMIA. La struttura di una

cellula, un tessuto o di un organo deve fornire un’efficiente base fisica per il suo funzionamento. Per

questa ragione è quasi impossibile studiare la fisiologia di un organismo senza avere solide

conoscenze della sua struttura anatomica.

Al livello più basso gli atomi si legano insieme a formare molecole. La più piccola unità strutturale in

grado di realizzare tutti i processi vitali è la CELLULA. Una barriera di lipidi e proteine, chiamata

membrana cellulare (o plasmatica), separa le cellule dal loro ambiente esterno. Gli organismi semplici

sono composti esclusivamente da una cellula, gli organismi complessi hanno molte cellule con differenti

specializzazioni strutturali e funzionali.

L’insieme delle cellule che presentano funzioni correlate costituiscono i TESSUTI. I tessuti formano

unità strutturali e funzionali denominate organi, e gruppi di organi integrano le lor funzioni per creare

APPARATI (o sistemi).

Sono dieci gli apparati fisiologici del corpo umano:

 Circolatorio (cuore, vasi sanguigni, sangue) = Trasporto di materiali nelle cellule del corpo.

 Digerente (stomaco, intestini, fegato, pancreas) = Conversione del cibo in particelle che

possono essere trasportate nel corpo; eliminazione di alcuni prodotti di scarto.

 Endocrino (tiroide, ghiandole surrenali) = Coordinamento delle funzioni corporee attraverso la

sintesi e la secrezione di molecole regolatrici.

 Immunitario (timo, milza, linfonodi) = Difesa da differenti tipi di patogeni ed in genarle di fattori

esterni.

 Tegumentario (cute) = Protezione dall’ambiente esterno.

 Muscoloscheletrico (muscoli scheletrici, ossa) = Sostegno e movimento.

 Nervoso (cervello, midollo spinale) = Coordinamento delle funzioni corporee attraverso segnali

elettrici e rilascio di molecole di regolazione. 1

 Riproduttivo (ovaie e utero, testicoli) = Perpetuazione delle specie.

 Respiratorio (polmoni, vie aeree) = Scambio di ossigeno e anidride carbonica fra gli ambienti

interno ed esterno.

 Urinario (reni, vescica)

1.2 Funzione e meccanismo

I fisiologi sono molto attenti alla distinzione tra funzione e meccanismo. La FUNZIONE di un sistema o

di un evento fisiologico è il “perché” del sistema o dell’evento. Al contrario, la maggior parte dei fisiologi

studia i processi ed i MECCANISMI che sono alla base delle risposte fisiologiche: il “come” di un

sistema. L’applicazione del concetto di funzioni e meccanismi integrati è il fondamento della RICERCA

TRASLAZIONALE, che ha come fine quello di sviluppare soluzioni diagnostiche e terapeutiche

partendo da ricerche condotte sui meccanismi di base cellulari e fisiologici

1.3 Temi della Fisiologia

1. La correlazione fra struttura e funzione a tutti i livelli di organizzazione biologica = L’integrazione

fra struttura e funzione si estende a tutti i livelli di organizzazione.

Questo tema si può suddividere in due idee principali: le interazioni molecolari e la

compartimentazione. Per quanto riguarda le INTERAZIONI MOLECOLARI, la funzione di una molecola

è intimamente correlata alla sua struttura e alla sua tipologia; variazioni anche piccole della struttura o

della forma possono avere effetti significativi sulla funzione. Molte interazioni molecolari

fisiologicamente significative, riguardano la classe di molecole biologiche chiamate proteine. Gruppi

funzionali di proteine includono gli enzimi che accelerano le reazioni chimiche. Le proprietà meccaniche

comprendono compliance (facilità di espandersi), elastina (resistenza alla deformazione e capacità

elastica) forza, flessibilità e fluidità (viscosità). Per COMPARTIMENTAZIONE, invece, s’intende la

divisione di uno spazio in compartimenti separati. I compartimenti consentono ad una cellula, un

tessuto o un organo di specializzarsi e di isolare tra loro differenti funzioni.

2. Il ruolo chiave del trasferimento, della conservazione e dell’uso dell’ENERGIA = processi come

la crescita, riproduzione, movimento, omeostasi, che avvengono negli organismi, richiedono un

continuo apporto di energia

3. Il flusso, l’archiviazione e l’uso delle informazioni nei singoli organismi e all’interno di una

specie.

IL FLUSSO DI INFORMAZIONI comprende la traduzione del codice genetico del DNA in proteine che

sono responsabili della struttura e della funzione cellulare. Nel corpo umano, il flusso di informazioni tra

le cellule coordina la funzione. La comunicazione cellula- cellula utilizza segnali chimici, segnali elettrici

o una combinazione di entrambi.

4. Il concetto di OMEOSTASI ed i sistemi che la permettono = Gli organismi possono sopravvivere

anche in habitat estremi, grazie alla loro capacità di contrastare le variazioni dell’ambiente

esterno, mantenendo il loro ambiente interno relativamente stabile, una capacità nota come

omeostasi. 2

1.4 Omeostasi

Comunque sia chiamato il processo, omeostatico o oleodinamico, il concetto importante da ricordare è

che l’organismo è in grado di MONITORARE il proprio stato interno ed intraprendere azioni atte a

correggere le variazioni che minacciano la sua normale funzione.

Se il corpo non mantiene l’omeostasi delle variabili critiche, la normale funzione viene danneggiata ed a

questo consegue uno stato di malattia, o CONDIZIONE PATOLOGICA. Le malattie possono essere

suddivise in due gruppi generali a seconda della loro origine: quelle nelle quali il problema nasce

dall’interno e quelle che originano da una sorgente esterna. Le cause INTERNE della malattia

includono una crescita anomala di cellule, che può causare cancro o tumori benigni; la produzione di

anticorpi da parte del corpo contro i suoi propri tessuti (malattie autoimmuni); e la morte prematura

delle cellule o danneggiamento dei processi cellulari. Si considera che anche le malattie ereditarie

abbiano una causa interna. Le cause ESTERNE di una malattia consistono nell’intervento di sostanze

chimiche tossiche, traumi fisici ed invasori esterni come virus e batteri. Lo studio delle funzioni corporee

in uno stato di malattia è noto come FISIOPATOLOGIA.

Cosa è l’ambiente interno del corpo? La maggior parte delle cellule che compongono il nostro corpo

non possiede un’elevata tolleranza alle variazioni dell’ambiente esterno. Il corpo umano è un sistema

aperto che scambia calore e materiali con l’ambiente esterno. Per mantenere uno stato di omeostasi

l’organismo sfrutta il principio dell’EQUILIBRIO DI MASSA.

La legge dell’equilibrio di massa dice che se la quantità di una sostanza nell’organismo deve restare

costante, ogni aumento deve essere compensato da una perdita di pari entità. L’ingresso di una

sostanza nell’organismo avviene attraverso il metabolismo o dall’ambiente esterno, l’uscita attraverso il

metabolismo o l’escrezione. La velocità di assunzione, produzione o espulsione di una sostanza x è

espressa come FLUSSO DI MASSA, dove flusso di massa = concentrazione x flusso di volume.

La CLEARANCE è la velocità con la quale una sostanza viene rimossa dal sangue mediante

escrezione, metabolismo o entrambi. Fegato, reni, polmoni e pelle eliminano sostanze dal sangue. Sia

le cellule sia il liquido extracellulare mantengono l’omeostasi, ma non hanno composizione identica.

Il LIQUIDO EXTRACELLULARE costituisce l’ambiente interno di un organismo ed ha una

composizione analoga al plasma che costituisce il sangue. Quando si centrifuga, il sangue si separa in

due componenti: il plasma, la componente liquida, e la parte corpuscolare, rappresentata da cellule

ematiche più pesanti. Il plasma è parte del compartimento del liquido extracellulare e la sua

composizione può essere analizzata con facilità. La loro condizione di stabilità è dovuta ad uno STATO

STAZIONARIO DINAMICO. Molti soluti sono più concentrati in un compartimento rispetto all’altro,

generando uno stato di squilibrio.

1.5 Sistemi di controllo ed omeostasi

Le variabili regolate hanno un valore di riferimento ed una gamma normale. Il controllo omeostatico più

semplice ha luogo a livello cellulare o tissutale ed è detto CONTROLLO LOCALE. I sistemi di controllo

hanno 3 componenti: un segnale in ingresso, un centro di integrazione ed un segnale in uscita.

Le vie riflesse possono essere suddivise in circuiti di risposta riflessa e circuiti a retrazione. Un

CIRCUITO DI RISPOSTA RIFLESSA si attiva quando uno stimolo viene rilevato da un sensore o

recettore sensoriale. Il sensore è collegato tramite un segnale in ingresso ad un centro di integrazione

che decide quale azione attuare. Un segnale in uscita si porta poi dal centro di integrazione fino ad un

bersaglio che esegue la risposta appropriata. 3

Nel FEEDBACK NEGATIVO, una risposta omeostatica viene arrestata quando la risposta del sistema

si oppone allo stimolo originale o interrompe il circuito di risposta. Nel FEEDBACK POSITIVO, la

risposta rinforza lo stimolo invece di diminuirlo o rimuoverlo. Ciò destabilizza il sistema fino a quando

un evento o un intervento esterno arresta la risposta. Il controllo anticipatorio (FEEDFORWARD)

consente all’organismo di prevedere il verificarsi di una variazione e di avviare il circuito di risposta in

anticipo rispetto al cambiamento. Le variabili regolate che cambiano in modo prevedibile sono chiamate

RITMI BIOLOGICI. Le variabili che cambiano secondo i cicli luce-buio sono dette ritmi circadiani.

1.6 La scienza della Fisiologia

Osservazione e sperimentazione sono gli elementi chiave della RICERCA SCIENTIFICA. Un’ipotesi è

una supposizione logica sul come un evento possa avere luogo. In una sperimentazione scientifica, il

fattore manipolato dal ricercatore è la variabile indipendente ed il fattore osservato è la variabile

dipendente.

Qualsiasi esperimento ben progettato prevede dei controlli per assicurare che le variazioni osservate

siano dovute alla manipolazione sperimentale e non a qualche fattore esterno. I DATI, cioè le

informazioni raccolte durante l’esperimento, sono analizzati e presentati spesso in forma di grafico. Una

teoria scientifica è un’ipotesi sostenuta da dati sperimentali raccolti da numerose fonti. Quando si

ottengono nuove prove sperimentali che non sostengono una teoria o un modello, allora quella teoria o

quel modello devono essere modificati.

La sperimentazione animale è importante a causa dell’enorme VARIABILITÀ all’interno delle

popolazioni umane e perché è difficile controllare gli esperimenti effettuati sugli esseri umani. Inoltre, la

sperimentazione sugli esseri umani è limitata da PROBLEMI ETICI. Come controllo in alcuni

esperimenti, alcuni soggetti possono assumere una sostanza inattiva denominata placebo. Gli effetti

del placebo e nocevo che comportano cambiamenti anche quando il trattamento è inattivo, possono

influenzare i risultati sperimentali. In uno studio in cieco, i soggetti non sanno né se stanno ricevendo il

trattamento sperimentale o un placebo. In uno studio in doppio cieco, solo una terza persona non

presente nell’esperimento sa quale sia il gruppo sperimentale e quale di controllo. In uno STUDIO

CROCIATO IN DOPPIO CIECO, quello che costituisce il gruppo di controllo nella prima metà

dell’esperimento diventa il gruppo sperimentale nella seconda parte, e viceversa. Una META-ANALISI

associa i risultati provenienti da numerosi studi per ricavare delle linee di tendenza.

2. Processi di membrana

Il corpo ha due distinti compartimenti liquidi: le cellule e il LIQUIDO EXTRACELLULARE (LEC) che le

circonda e separa dall'ambiente esterno al corpo. In particolare, l’ACQUA si muove liberamente tra le

cellule e il liquido extracellulare, facendo sì che i due comportamenti raggiungono un EQUILIBRIO

OSMOTICO, in cui la quantità totale di assoluto per volume di liquido è uguale.

Sebbene le concentrazioni totali dei saluti nel LEC e nel liquido intracellulare (LIC) siano uguali, alcuni

soluti sono più concentrati in uno dei due compartimenti corporei, causando uno stato di



DISEQUILIBRIO CHIMICO ioni sodio, cloro, calcio e bicarbonato sono più concentrati nel liquido

extracellulare, mentre gli ioni potassio sono più concentrati all'interno della cellula.

Inoltre, sebbene il corpo sia complessivamente neutro dal punto di vista elettrico, vi è un eccesso di ioni

negativi nel LIC e di ioni positivi nel LEC, per cui l'interno delle cellule è leggermente negativo rispetto



al liquido extracellulare DISEQUILIBRIO ELETTRICO, in cui cambiamenti generano segnali elettrici.

I compartimenti LIC e LE sono quindi in equilibrio osmotico, ma in disequilibrio chimico ed elettrico e ciò

realizza un EQUILIBRIO DINAMICO. 4

2.1 Osmosi e tonicità

Il movimento di acqua attraverso una membrana in risposta ad un gradiente di concentrazione di soluto

è detto OSMOSI, in cui l'acqua si muove sempre per diluire la soluzione più concentrata.

Ad esempio:

I. Due compartimenti sono separati da una membrana che è permeabile all'acqua, ma non al

glucosio. La soluzione in B è più concentrata di quella in A

II. L’acqua si sposta per osmosi nella soluzione più concentrata e l’osmosi si arresta quando le

concentrazioni si uguagliano.

La PRESSIONE OSMOTICA è la pressione che deve essere applicata per opporsi all’osmosi, con unità

di misura atmosfera (atm) o millimetro di mercurio (mmHg).

L’osmolarità descrive il numero di particelle in soluzione

L'acqua si muove per osmosi in risposta alla concentrazione totale di tutte le PARTICELLE in soluzione

e per tale motivo la concentrazione è espressa in OSMOLARITA’, ovvero il numero di particelle

osmotica mente attive per litro di soluzione (unità di misura ostoli/L). Un termine correlato ad essa è

l’OSMOLALITA’, ovvero la concentrazione espressa in moli dissoluto per chilogrammo di acqua.

Confronto dell’osmolarità in due soluzioni:

 Se due soluzioni contengono lo stesso numero di particelle di soluto per unità di volume, si dice

che le soluzioni sono ISOOSMOTICHE

 Se la soluzione A ha un’osmolarità maggiore della soluzione B, si dice IPEROSMOTICA

 Se la soluzione A ha un’osmolarità minore della soluzione B, si dice IPOOSMOTICA

L’osmolarità è quindi una proprietà COLLIGATIVA delle soluzioni, che dipende strettamente dal numero

di particelle per litro di soluzione, ma non dice nulla sulla natura delle particelle o sul loro

comportamento. Se la membrana è permeabile solo all'acqua, essa si muoverà per osmosi da una

soluzione iperosmotica (meno concentrata) a una soluzione iperosmotica (più concentrata).

La tonicità descrive la variazione di volume di una cellula

La TONICITA’ descrive come una soluzione può influenzare il volume cellulare se la cellula viene posta

nella soluzione stessa. In particolare:

 Se una cellula situata nella soluzione acquista acqua e si gonfia, si dice che la soluzione è

IPOTONICA rispetto alla cellula

 Se la cellula perde acqua e si restringe quando è messa in soluzione, essa è detta

IPERTONICA

 Se la cellula in soluzione non cambia di volume, la soluzione è ISOTONICA

Si possono individuare una serie di differenze tra osmolarità e tonicità:

1. L’osmolarità descrive il numero di particelle di soluto disciolte in un volume di soluzione e ha

come unità di misura osmoli/litro, mentre la tonicità non ha un'unità di misura ma è solo termine

comparativo

2. L’osmolarità può essere usata per paragonare due soluzioni, la cui relazione è reciproca,

mentre la tonicità confronta sempre una soluzione e una cellula

3. L’osmolarità non ci dice che cosa succede a una cellula in soluzione, mentre la tonicità descrive

cosa accada al volume cellulare quando la cellula è posta nella soluzione

La tonicità di una soluzione dipende sia dalla sua concentrazione (osmolarità), ma anche dalla natura

dei soluti in soluzione. In particolare soluti DIFFUSIBILI possono attraversare la membrana cellulare,

5



mentre quelli INDIFFUSIBILI non la possono attraversare la tonicità dipende dalla concentrazioni dei

soli soluti indiffusibili (es. NaCl).

Vi sono una serie di regole per predire la tonicità:

1. Se la cellula ha una concentrazione di soluti indiffusibili più elevata rispetto alla soluzione, ci

sarà un'entrata di acqua nella cellula, per cui la soluzione è ipotonica

2. Se la cellula ha una concentrazione di soluti indiffusibili più bassa rispetto alla soluzione, ci sarà

un'uscita di acqua dalla cellula, per cui la soluzione è ipertonica

3. Se le concentrazioni dei soluti indiffusibili sono le stesse nella cellula e nella soluzione,

quest’ultima sarà isotonica.

In partic