Esame di fisiologia

Fisiologia

La fisiologia è lo studio di come funzionano gli apparati del corpo umano e come insieme sostengono l’organismo. Gli organismi sono multicellulari che hanno un ambiente interno molto diverso dall’ambiente esterno in cui vivono. Le prime cellule primordiali hanno dovuto sviluppare meccanismi di regolazione che gli permettevano di vivere in ambienti acquosi e in cambiamenti dell’ambiente esterno, prendendo contemporaneamente dei nutrienti tramite canali e pori ed espellendo nell’ambiente esterno il materiale di scarto attraverso l’esocitosi.

Tutte le cellule sono molto simili sotto il profilo dei meccanismi elementari di funzionamento e del fabbisogno metabolico. Infatti, ogni singola cellula per sopravvivere ha bisogno di nutrimento e ossigeno, che deve per forza ottenere da fuori.

Tipi di tessuti

L’insieme delle cellule forma 4 diversi tipi di tessuti:

• Tessuto muscolare: che ha lo scopo di sostenere e produrre attività motoria (ma non solo).
• Tessuto nervoso: che ha il ruolo di condurre impulsi elettrici per regolare altri organi e sistemi.
• Tessuto connettivo: che ha il ruolo di collegare tutte le altre cellule insieme.
• Tessuto epiteliale: che protegge tutto il resto, secerne e assorbisce sostanze.

Questi quattro tessuti insieme formano tutti gli apparati e sistemi, che agiscono affinché all’interno del corpo ci siano sempre delle condizioni ottimali per la vita. Soprattutto il nostro organismo cerca di mantenere costanti: temperatura (intorno ai 37 gradi), livello di pH, di glucosio, di fosforo, di sodio, volume del sangue.

Sistema dei tessuti

Omeostasi

Tutti gli organi mantengono un ambiente interno il più costante possibile (cambia continuamente), nonostante le condizioni dell’esterno cambino il nostro corpo oscilla tra dei valori di soglia. L’omeostasi è il cercare di mantenere una situazione dell’ambiente interno il più possibile costante nonostante un’influenza dell’ambiente esterno, attraverso feedback negativi e positivi. Quando il nostro corpo non riesce a mantenere l’omeostasi si discosta dai valori ideali (insorge la malattia).

Feedback negativo

Il meccanismo è mediato da tre sistemi:

• Sistema sensore: percepisce se sta avvenendo qualche cambiamento nell’organismo.
• Sistema regolatore: manda un segnale al terzo sistema (quello effettore).
• Sistema effettore: esso può essere un organo o una cellula, che recepisce il segnale di variazione del sistema regolatore e controbilancia l’insulto (cambiamento) con un effetto.

Solitamente il valore reale oscilla attorno al proprio valore ideale di riferimento, ma se l’insulto/perturbazione è violento, anche la risposta sarà molto brusca e quindi il processo richiederà più tempo per tornare all’omeostasi. Quando c’è una forte deviazione del valore di riferimento a causa di patologie o malattia cambia anche il valore ideale.

Feedback positivo

Non esiste un valore ideale, ma quando quello reale raggiunge una determinata soglia si autoalimenta per aumentare a livello esponenziale entrando in un circolo. È la deviazione tra un valore reale e quello registrato un istante prima che lo attiva. (es. l’ormone LH stimola la secrezione di estrogeni, che stimola a sua volta il rilascio di LH, che promuove una maggiore secrezione di estrogeni e così via.)

Sistema nervoso ed endocrino

L’omeostasi viene mantenuta dal sistema nervoso e dal sistema endocrino (diversi ma integrati):

• Il sistema nervoso, nello specifico le fibre nervose, innervano gli organi che regolano e quando vengono stimolate producono impulsi nervosi che vengono condotti ai suoi terminali negli organi bersaglio. Questi organi bersaglio possono essere muscoli o ghiandole che possono funzionare come effettori del mantenimento dell’omeostasi.
• Il sistema endocrino produce e trasporta nel sangue regolatori chimici (ormoni) quindi in modo indiretto regola gli altri sistemi. Tuttavia solo gli organi specifici possono rispondere ad un particolare ormone: organi bersaglio, perché hanno recettori particolari.

Questi due sistemi si co-regolano perché il sistema nervoso (fibre nervose) è a contatto diretto con le ghiandole endocrine e regolano il loro secernere degli ormoni. A loro volta questi ormoni possono influenzare la funzione del sistema nervoso, del cervello.

Membrana cellulare

Il corpo umano è composto da cellule eucariotiche con all’interno vari organelli che svolgono funzioni specifiche. La cellula con il suo nucleo e i suoi organelli è circondata da una membrana plasmatica costituita da un doppio strato lipidico formato principalmente da fosfolipidi, con quantità variabile di glicolipidi, colesterolo e proteine.

Il doppio strato lipidico è posizionato in modo tale che le code idrofobiche degli acidi grassi siano orientate verso il centro della membrana e i gruppi idrofilici delle teste polari siano orientati verso lo spazio extracellulare o intracellulare.

Per permettere che avvengano scambi di sostanze nutrienti e di scarto, la cellula ha sviluppato una serie di meccanismi utilizzando diverse proteine. Dunque, le membrane sono semipermeabili grazie ad una varietà di proteine inserite nel doppio strato lipidico, che possono essere:

• Canali ionici: le proteine formano dei veri e propri “buchi” nella membrana, che permettono agli ioni (atomi carichi, come sodio e potassio per esempio) di poter entrare.
• Recettore di ligandi
• Molecole di adesione
• Segnali di riconoscimento cellulare

Compartimenti fluidi/liquidi

Il problema di mantenere l’omeostasi è dovuto al fatto che siamo dei comparti fluidi. Considerando la composizione in termini di biomolecole organiche, il cui ruolo è sia strutturale sia energetico, l’organismo umano è composto mediamente per il 20% da lipidi (prevalentemente trigliceridi contenuti nel tessuto adiposo, nel fegato e nei muscoli, oltre al grasso essenziale), per circa il 16/20% da proteine e per meno dell’1% da carboidrati (prevalentemente glicogeno muscolare ed epatico). Il contenuto totale di energia è per il 75% è sotto forma di lipidi, il 24% di proteine e solo l’1% di carboidrati.

L’organismo umano è formato essenzialmente dal 59% da acqua, 1% carboidrati, 19% proteine e 5% minerali.

Acqua corporea totale – tra il 50% e il 70% del peso corporeo è rappresentato da acqua (es. in un maschio adulto di 70 kg ci sono circa 42 L di acqua corporea totale). L’ACT è presente per 2/3 nel liquido intracellulare e per 1/3 circa nel liquido extracellulare. Nel liquido extracellulare è presente una piccola percentuale di acqua che costituisce il liquido transcellulare, contenuto nelle cavità pleurica, peritoneale e pericardica, del liquido cerebrospinale...

Diffusione

L’acqua all’interno del nostro corpo funziona da solvente, in cui sono sciolte una serie di molecole, chiamate soluti. Le molecole di una soluzione sono in un costante stato di movimento casuale come conseguenza della loro energia termica (cioè il calore). Se c'è una differenza di concentrazione o gradiente di concentrazione tra due regioni di una soluzione, questo movimento casuale tende a eliminare la differenza di concentrazione. Le molecole nella parte di soluzione a concentrazione maggiore entreranno nell’area a minore concentrazione, ma si muoveranno anche nella direzione opposta con meno frequenza, fino a che questa differenza di concentrazione sarà annullata e si stabilirà un equilibrio. Questo movimento netto è detto diffusione netta.

La diffusione netta è un processo fisico che avviene ogni volta che c'è una differenza di concentrazione a cavallo della membrana. La membrana plasmatica seleziona cosa può entrare e cosa no. Alcune piccole molecole come le molecole apolari (ossigeno od ormoni steroidei) e quindi liposolubili riescono ad entrare semplicemente per diffusione perché non hanno carica. Anche le piccole molecole che hanno legami covalenti polari ma non hanno cariche come la CO₂ sono in grado di attraversare il doppio strato fosfolipidico. Le molecole polari più grandi come il glucosio non possono attraversare il doppio strato fosfolipidico e quindi per il trasporto necessitano di speciali proteine Carrier della membrana.

Osmosi

Nonostante l’acqua non sia liposolubile, le molecole d'acqua possono diffondersi attraverso la membrana plasmatica in misura limitata, grazie alle loro piccole dimensioni e alla mancanza di carica netta. Nella maggior parte delle membrane il passaggio dell'acqua è aiutato da specifici canali per l'acqua, chiamati acquaporine, che vengono inseriti nelle membrane in risposta alla regolazione fisiologica. La diffusione netta delle molecole d'acqua, che è il solvente, attraverso la membrana è detta osmosi.

Ci sono due requisiti per l’osmosi:

• Deve esserci una differenza di concentrazione di soluto ai due lati della membrana selettivamente permeabile.
• La membrana deve essere relativamente impermeabile al soluto.

Se il soluto è presente in diversa quantità in due compartimenti delimitati dalla membrana plasmatica impermeabile al soluto ma permeabile all’acqua (tramite le acquaporine), per tornare all’equilibrio deve spostarsi l’acqua tramite movimenti osmotici promossi dai soluti. La prima soluzione diventa più concentrata e la seconda più diluita. Questo comporta un aumento di volume dalla sacca e il movimento d'acqua continuerà, se permesso, fino a che le concentrazioni diventano uguali da entrambi i lati della membrana. Quindi essa è in grado di spostarsi per riottenere l’equilibrio, nel caso in cui il soluto non possa.

Si torna all’equilibrio di concentrazione grazie a una forza, alla base dell’osmosi, che è la pressione idrostatica (presenza di membrana rispetto alla diffusione netta).

Pressione osmotica

È il metodo per misurare la forza necessaria per fermare l’osmosi, essa indica quanta forza è necessaria per bloccare l’ingresso dell’acqua. Se l’acqua non ha alcun tipo di soluto non ha pressione osmotica. Se il soluto è presente in diverse quantità in due compartimenti delimitati da una membrana plasmatica impermeabile al soluto ma permeabile all’acqua, quando l’acqua entra in ogni sacca per osmosi, la sacca si espande fino a che preme contro la scatola circostante. La scatola esercita una pressione contro la sacca che può prevenire l'ulteriore osmosi di acqua.

Tonicità

Il termine viene utilizzato per indicare l'effetto di una soluzione sul movimento osmotico dell'acqua.

• Soluzione è isotonica al plasma = i globuli rossi posti in questa soluzione (stessa concentrazione di soluti presenti al loro interno), non guadagneranno né perderanno acqua, rimarranno invariati perché è come se fossero nel sangue.
• Soluzione ipertonica al plasma = il globulo rosso posto in una soluzione più concentrata di soluti rispetto a sé stesso si raggrinzisce perché cercherà di diluire l’acqua che c’è all’esterno, facendo uscire l’acqua all’interno per il fenomeno dell’osmosi (equilibrio).
• Soluzione ipotonica al plasma = il globulo rosso posto in una soluzione con molto meno soluti rispetto a quelli presenti nel liquido intracellulare si rigonfia perché l’acqua spingerà per entrare nel globulo rosso per avere la stessa concentrazione di soluto dentro e fuori.

Filtrazione e assorbimento

Filtrazione = flusso di acqua attraverso una membrana causato da differenza di pressione tra i due ambienti separati ed è quando avviene un’uscita dal compartimento considerato o dall’organismo. È alla base della creazione del materiale di scarto.

Assorbimento = flusso di acqua attraverso una membrana causato da differenza di pressione idrostatica tra i due ambienti separati ed è quando avviene verso il compartimento considerato o all’interno dell’organismo.

Osmolalità – misura la concentrazione dei soluti nel liquido. Anche se la somma totale del numero di molecole nel plasma è sempre uguale a quello del liquido intracellulare ed interstiziale, la selettività delle membrane cellulari che permettono il passaggio di soluti solo se esistono proteine di trasporto specifiche, fa sì che la composizione dei compartimenti sia molto diversa. Ma se l’osmolarità non è costante, se la somma complessiva dei soluti nei vari compartimenti fosse diversa, si formerebbero delle forze/pressioni che comporterebbero lo spostamento dell’acqua nelle cellule e come conseguenza la morte cellulare.

I liquidi per via endovenosa sono generalmente isotonici al plasma (stessa concentrazione di soluti) in modo tale da non creare forze che possono danneggiare le cellule e quindi prevenendo l’espansione o il raggrinzimento cellulare in seguito al movimento d’acqua. I comuni liquidi per via endovenosa sono la soluzione salina normale e il destrosio al 5%, che hanno circa la stessa osmolarità del plasma (circa 300 mOsm). Un'altra soluzione isotonica frequentemente utilizzata è il Ringer lattato che contiene il lattato e gli ioni sodio, cloruro, potassio e calcio in modo da assomigliare agli elettroliti nel plasma.

Ci sono casi particolari in cui è necessario somministrare soluzioni che cambiano completamente la concentrazione di soluti, perché si vuole che avvengano gli spostamenti dell’acqua. Si utilizza una soluzione di mannitolo (uno zucchero) perché ha una concentrazione del soluto diversa rispetto al plasma e aiuta ad assorbire l’acqua nei tessuti che si sono gonfiati, in seguito a edema cerebrale, dovuto soprattutto a traumi o ictus.

In caso di disidratazione perché il paziente ha bevuto poco o sudato di più, il volume ematico diminuisce e i soluti all’interno del sangue diventano più concentrati, quindi aumenta l’osmolalità plasmatica e la pressione osmotica. Questo stimola gli osmorecettori (neuroni nell’ipotalamo) che rilasciano acqua e si raggrinziscono per aumentare la loro produzione di impulsi nervosi che innescano la sensazione di sete e rilasciano l’ormone antidiuretico nel sangue in modo che venga secreto un volume inferiore di urina.

Proteine

Proteine estrinseche

Sono inserite su un lato della membrana ma non la attraversano completamente quindi non mettono a contatto i due strati: quello extracellulare e intracellulare.

Proteine integrali o intrinseche o transmembrana

Mettono in contatto lo strato extracellulare e quello intracellulare della membrana, possono scegliere che sostanze far entrare/uscire e quindi creare differenze di concentrazione tra l’interno e l’esterno della cellula. Esistono tre tipologie di proteine transmembrana:

• Recettori di membrana = funzionano con un meccanismo chiamato chiave serratura: hanno una parte esterna nel liquido extracellulare che è in grado di legare con un ligando specifico (ormone messo in circolo dal sistema endocrino) e questo fa partire una serie di eventi cellulari (enzimi vengono attivati, geni trasferiti, proteine sintetizzate).
• Canali ionici = essenzialmente sono dei pori e in essi possono passare varie molecole (sodio, calcio e potassio, cloro). I canali ionici prendono il nome di:
  • Recettori ionotropici: sono buchi chiusi nella membrana e quando si legano alla molecola corretta cambiano la loro conformazione e si aprono in risposta al legame. Quando si aprono posso entrare e uscire molecole cariche (sodio, potassio…) in base al loro gradiente. Ogni canale ionico è specifico per ogni ione.
  • Recettori metabotropi: sono più complessi perché sono un insieme di proteine che interagiscono tra loro. Il ligando può agire o solo da messaggero oppure può legarsi al recettore per poi entrare a seguito dell’apertura dei canali.
  • Accoppiamento diretto = il ligando si lega al recettore e si attiva la proteina G che si stacca dalla subunità alpha e va a determinare l’apertura o la chiusura del canale ionico.
• Intervento di secondi messaggeri = il ligando si lega al recettore, ma quest’ultimo subisce una modifica della conformazione e attiva la proteina G. La subunità alpha della proteina G si stacca e interagisce con altre molecole.