Fisiologia A

Fisiologia generale

Programma del corso

• Fenomeni di trasporto attraverso le membrane cellulari.
• Segnali elettrici.
• Fisiologia muscolare.
• Segnali chimici e comunicazione intracellulare.

Esercitazioni

• Funzionamento «neuromuscolare» in modelli di Drosophila melanogaster.
• Segnali elettrici.

Introduzione

La fisiologia è la scienza che indaga le funzioni degli organismi viventi e mira a conoscere le cause, le condizioni e le leggi che determinano e regolano i fenomeni vitali. Tali fenomeni sono processi dinamici che riguardano condizioni di «normalità» delle funzioni vitali. La dinamica di tali fenomeni è una risposta alla continua mutazione delle circostanze che contornano gli organismi.

Si applica a livello di organismo, apparati e sistemi, organi, tessuti e cellule, senza studiare le interazioni molecolari che si verificano all’interno di quest’ultime.

La Fisiologia Generale studia le funzioni biologiche elementari che sono comuni a tutti gli esseri viventi. Si distinguono fisiologia vegetale, animale (marina, umana…), comparata, dello sviluppo…

Quando le condizioni fisiologiche (di normalità) vengono a mancare si parla di patologia.

La vita degli organismi comporta, a tutti i loro livelli di complessità, lo svolgimento di numerosi processi che avvengono con dispendio energetico. La maggior parte dei processi richiede la trasformazione di energia da una forma ad un’altra.

(Sintesi di proteine, scambi di sostanze, recupero o degradazione di cataboliti, assimilazione di sostanze nutritizie e mantenimento, negli animali omotermi, di una temperatura corporea fissa).

La termodinamica studia questi fenomeni. Si distinguono tre tipologie di sistemi termodinamici e sono definiti come “quantità di materia ed energia contenute in uno spazio delimitato da un confine”.

• Isolati: è un sistema termodinamico che non scambia né materia né energia con l'ambiente circostante. Ne è un esempio l’Universo.
• Chiusi: è un sistema termodinamico che permette lo scambio di energia con l'ambiente esterno, ma non la materia. Ne è un esempio la Terra.
• Aperti: un sistema termodinamico che consente sia lo scambio di energia che di materia con l'ambiente circostante. Ne sono un esempio gli organismi viventi.

Lavoro = una grandezza fisica che misura la quantità di energia trasferita o convertita da un sistema a un altro a causa di una forza applicata lungo una certa distanza. È una forma “nobile” di energia perché è convertibile in calore. Non è completamente possibile il contrario.

Energia = è una grandezza fisica che rappresenta la capacità di un sistema di compiere lavoro.

I principio della termodinamica

“Conservazione dell’energia”

“L’energia può essere convertita da una forma ad un’altra, ma non può essere né creata né distrutta.”

• La variazione di energia interna di un sistema isolato è pari a zero.
• La variazione di energia interna di un sistema chiuso è data dalla somma tra calore e lavoro scambiati.
• La variazione di energia interna di un sistema aperto è data dalla somma tra calore e lavoro scambiati e la sommatoria di potenziale chimico di tutto ciò che è assorbito per la variazione delle moli di queste sostanze.

Negli organismi viventi, la sopravvivenza ha un costo energetico per sostenere le forme di lavoro che sostengono l’attività vitale: contrazione muscolare, circolazione sangue, sintesi molecole... Per sostenere il bilancio energetico, ogni organismo assume energia chimica dall’ambiente esterno.

II principio della termodinamica

“In un sistema isolato, tutte le trasformazioni spontanee di energia avvengono portando il sistema da una situazione minore entropia a uno stato di maggiore entropia.”

In un processo spontaneo parte dell’energia è dissipata in calore per aumentare l’entropia.

⇒ Sono quindi introdotte le funzioni di stato di entropia (ΔS) ed energia libera di Gibbs, che definiscono rispettivamente l’ordine del sistema e se il processo, nel caso ΔG risulti negativa, è spontaneo.

Funzione di stato = grandezze fisiche la cui variazione nel passare da uno stato iniziale a uno stato finale dipende solamente dalle condizioni assunte da un sistema all'inizio e alla fine di una trasformazione termodinamica, cioè dallo stato iniziale e finale, e non dal particolare percorso seguito durante la trasformazione.

Entropia = è una grandezza termodinamica che rappresenta il grado di disordine o caos in un sistema fisico. È una misura della quantità di energia termica non disponibile per il compimento di lavoro utile in un sistema. L'entropia è denotata con la lettera "S" e viene misurata in unità di joule per kelvin (J/K) nel Sistema Internazionale (SI).

Energia libera di Gibbs = L'energia libera di Gibbs, spesso indicata con la lettera "G" o "ΔG" (Delta G quando si calcola la variazione), è una grandezza termodinamica che misura la disponibilità di energia in un sistema chimico o fisico a temperatura e pressione costanti. È utilizzata per determinare se una reazione chimica o un processo fisico è spontaneo o meno.

Come mai le forme viventi sono ordinate?

Ogni organismo riceve energia e diviene “più ordinato”. Gli scambi di materiale ed energetici avvengono per mantenere tale condizione che, quando l’organismo muore, è persa e l’energia è di nuovo dissipata.

Questo particolare stato di ordine non è in contraddizione con il II principio. Le reazioni per incrementare l’ordine e l’organizzazione contribuiscono ad aumentare il disordine dell’ambiente (universo). In particolare, il disordine generato è maggiore dell’ordine prodotto. I sistemi biologici sono quindi in uno stato di disequilibrio stazionario finché in vita.

Omeostasi

Omeostasi = l’attitudine propria degli organismi viventi a conservare le proprie caratteristiche al variare delle condizioni esterne dell'ambiente tramite meccanismi di autoregolazione. Sono quindi mantenuti pressoché costanti, entro limiti ristretti, gli ambienti cellulare interno ed extracellulare.

L’assetto principale che permette ad una cellula di esistere come unità singola e di mantenersi vitale è la membrana cellulare, la struttura che permette la distinzione tra ambienti intracellulare ed extracellulare.

Ogni cellula assimila dall’ambiente ciò di cui ha bisogno e riversa in esso i cataboliti che produce. I movimenti di sostanze sono mediati da trasportatori posti nella membrana plasmatica.

Gran parte delle cellule degli organismi pluricellulari non è in contatto diretto con l’ambiente esterno, ma con un contesto extracellulare comunque interno all’organismo: il liquido extracellulare.

Le proprietà chimico-fisiche di tale liquido extracellulare sono diverse da quelle dell’ambiente in cui vive.

Nei metazoi, la maggior parte delle cellule è in contatto con un liquido extracellulare le cui proprietà chimico-fisiche sono diverse da quelle dell’ambiente in cui vive.

Metazoi = regno che, nell'ambito della classificazione biologica, comprende organismi multicellulari, cioè esseri viventi costituiti da molte cellule. Questi organismi sono caratterizzati da una struttura corporea complessa, in cui le cellule si organizzano in tessuti, organi e sistemi, e ciascuna cellula ha una specifica funzione all'interno dell'organismo.

Le cellule sono differenziate tanto da non poter sopravvivere singolarmente, ma solo associate in un sistema pluricellulare. Anche qua la membrana ha il ruolo di dividere gli ambienti, consentendo di mantenere differenti le concentrazioni interna ed esterna di soluti.

I processi metabolici intracellulari portano a una variazione del materiale interno e, di conseguenza, anche dell’ambiente. Modificazioni del contesto in cui le cellule vivono possono risultare letali. Nel corso dell’evoluzione sono quindi comparsi meccanismi che mantengano l’ambiente pressoché invariato.

I parametri che regolano i processi omeostatici possono modificarsi nel tempo. Ciò avviene nei processi di adattamento dell’individuo.

Es: a seguito di un’intensa attività fisica, la massa muscolare può aumentare in modo tale da risultare più prestante nel caso l’attività si ripeta in futuro (allenamento). L’adattamento, che in questo caso riguarda le fibre muscolari, non contraddice l’omeostasi. Tale condizione è sempre mantenuta: le variazioni sono di lieve entità e diluite nel tempo.

Un meccanismo analogo avviene nel caso del sistema immunitario, nella sintesi di globuli rossi regolata dalla disponibilità di ossigeno (ipossia o iperossia) e nella formazione di nuovi contatti sinaptici tra neuroni per, almeno in parte, controbilanciare la loro naturale degenerazione che avviene con l’invecchiamento.

Il concetto di omeostasi non si applica esclusivamente alle cellule, ma è uno dei concetti generali alla base stessa della vita. Una mancanza delle iniziali condizioni omeostatiche, interne e/o esterne, porta l’organismo a reagire attivando processi per ripristinare il benessere fisiologico compatibile con la vita. Nel caso non ritorni una situazione di normalità, l’organismo si trova in condizioni patologiche.

Interne → scambi energetici, assimilazione di molecole, processi metabolici…

Esterne → perturbazioni varie, anche non imputabili all’organismo.

Feedback

Feedback = in fisiologia si riferisce a un meccanismo di controllo che regola o modula una funzione biologica o un processo fisiologico in risposta a cambiamenti nelle condizioni del corpo. Questo meccanismo di feedback è essenziale per mantenere l'omeostasi, cioè il mantenimento di condizioni interne stabili e ottimali per il funzionamento dell'organismo.

L’omeostasi trova fondamento sul principio di retroazione, che consiste nel trasferimento retrogrado di un segnale in modo che l’effetto agisca sulla causa che l’ha generato.

“Una causa agisce in ingresso sull’organismo generando una risposta, un effetto, in uscita. Questo agisce a ritroso in ingresso modulando l’impatto della causa stessa e la risposta in uscita.”

A seconda dell’effetto in uscita della risposta e agente sulla causa si distinguono.

1. Feedback negativo: meccanismo di controllo che opera per mantenere o riportare le condizioni del corpo o di un processo fisiologico verso un valore ottimale o normale dopo una variazione iniziale. Agisce per ridurre o opporsi a una deviazione dalle condizioni desiderate, contribuendo così a mantenere l'omeostasi, che è l'equilibrio interno del corpo. (sudorazione a seguito di attività)
2. Feedback positivo: meccanismo di controllo in cui una variazione iniziale nelle condizioni del corpo o in un processo fisiologico viene amplificata e rinforzata anziché corretta o opposta. Aumenta ulteriormente una deviazione dalle condizioni normali anziché ripristinare l'omeostasi. (movimenti del feto stimolano rilascio di ossitocina che stimola a sua volta i movimenti del feto fino al parto)

Feedforward

Feedforward = in fisiologia si riferisce a un tipo di regolazione anticipatoria che il corpo utilizza per prepararsi a una futura variazione nelle condizioni o nelle richieste fisiologiche. A differenza del feedback, che risponde a variazioni attuali o passate, il feedforward è proattivo e anticipa le necessità del corpo in base a segnali o stimoli che indicano che un cambiamento è imminente.

La retroazione anticipata non è un processo generale e diffuso, ma più raro e specifico. Si tratta spesso di movimenti muscolari veloci e volontari ben noti all’organismo.

Es: Una risposta anticipatoria di questo tipo si può verificare nella fase di concentrazione pre-prestazione di un atleta. Il corpo “sa” di essere in procinto di uno sforzo, pertanto si prepara e, per esempio, aumenta il ritmo del battito cardiaco.

I processi omeostatici avvengono a tutti i livelli di organizzazione del vivente: molecolare, cellulare, di organi e di organismo intero.

Es: L’attività dell’anidrasi carbonica è regolata da feedback negativo. Catalizza in entrambe le direzioni la reazione:

La direzione della reazione è definita dalle concentrazioni relative di anidride carbonica, acqua e acido carbonico che presto si dissocia autonomamente. Reagenti e prodotti possono stimolare o inibire una reazione catalizzata da un enzima a seconda delle loro concentrazioni relative.

Es: Feedback positivo e negativo agiscono insieme nella gestione del potenziale di azione. Il feedback positivo è coinvolto nella fase iniziale di depolarizzazione di un neurone o di una cellula eccitabile. Tuttavia, questo feedback positivo è di breve durata e si arresta quando il potenziale di azione raggiunge il suo picco. Il feedback negativo entra in gioco per ripristinare il potenziale di membrana a un valore di riposo dopo che il potenziale di azione è passato. Dopo il picco del potenziale di azione, i meccanismi di feedback negativo, come il pompare attivo degli ioni attraverso le pompe ioniche, riportano gradualmente la membrana alla sua polarizzazione di riposo, pronta per generare un nuovo potenziale di azione se viene stimolata nuovamente.

Meccanismo generale di azione di un controllo a feedback negativo

Esistono parametri chimico-fisici sotto controllo omeostatico e rilevati da sensori variabile-specifici. Tali sensori trasmettono l’informazione a un centro di integrazione che la confronta con un valore di riferimento. Se quanto rilevato si discosta in modo percettibile dal riferimento, l’integratore incarica un centro effettore, tendenzialmente encefalico, ma presente anche a livello periferico; di generare una risposta compensativa. L'effetto agisce in ingresso riportando la variabile a valori normali continuamente controllati e confrontati con quello di riferimento.

Meccanismo di controllo a feedback negativo nella regolazione dell’omeostasi della temperatura corporea

Termorecettori specifici a livello di ipotalamo e periferico nell’epidermide percepiscono un’eventuale variazione della temperatura e inviano un segnale al centro termoregolatore. I primi colgono cambiamenti della temperatura interna al corpo, mentre i secondi di quella ambientale.

L’ipotalamo integra le due informazioni percepite, le confronta con valori di riferimento e genera un segnale per i muscoli scheletrici, centri effettori.

Sono quindi azionate le risposte volte a generare calore: micro-contrazioni muscolari generano la “pelle d’oca” per convertire lavoro in calore e non a scopo di movimento, dissipazione del gradiente protonico accumulato durante la fosforilazione ossidativa, teoricamente utile alla sintesi di ATP; sudorazione e alterazione della circolazione con espansione o restringimento delle reti capillari per differenziare l’apporto sanguigno nelle diverse parti del corpo.

L’organismo preferisce ridurre l’afflusso sanguigno del sangue in anche zone periferiche lasciando che tali tessuti si degenerino piuttosto di un raffreddamento generalizzato che può colpire cuore e cervello e causare, in casi gravi, la morte.

Meccanismo di controllo a feedback negativo nella regolazione dell’omeostasi dell’ossigeno

È importante che l’organismo contenga la giusta concentrazione di ossigeno per poter generare ATP correttamente. Il suo apporto è controllato sia a livello locale che globale.

Esistono due meccanismi di compensazione:

1. A carattere locale, nei tessuti: ogni causa che tende ad abbassare localmente la pO2 determina una dilatazione dei piccoli vasi precapillari comportando maggiori apporti di sangue, e quindi di ossigeno, nel distretto.
2. A carattere sistemico: Avviene in alta quota, dove la disponibilità di ossigeno è ridotta. Chemiorecettori specifici osservano un’acidificazione del sangue: il pH del sangue è direttamente legato alla concentrazione relativa di ossigeno, quando questo diminuisce il pH shifta da basico verso l’acido. La risposta immediata consiste nella variazione della frequenza e della profondità della respirazione, quella a lungo termine induce una produzione di globuli rossi più intensa, migliorando il trasporto di ossigeno.

Meccanismo di controllo a feedback negativo nella regolazione dell’omeostasi del calcio

Il calcio è assorbito a livello intestinale e depositato nelle ossa sottoforma di cristalli di idrossiapatite. La sua sistemazione dello scheletro, la sua immissione nel torrente sanguigno e l’escrezione che avviene principalmente a livello renale, avvengono di continuo e sono pressoché in uno stato di equilibrio dinamico.

Ha una doppia regolazione: cellulare e sistemica.

• Cellulare: la concentrazione di calcio esterna è circa di 10⁻³, mentre interna fluttua attorno ai 10⁻⁷ ed è contenuto nel reticolo endoplasmatico.
• Sistemico: Nell’uomo adulto il ruolo principale nell’omeostasi del calcio è svolto principalmente da paratormone e calcitonina. Il primo aumenta la concentrazione di calcio a livello sistemico, il secondo la diminuisce. Agiscono entrambi sulla calcemia a livello renale, intestinale e osseo.

Fenomeni di trasporto attraverso membrane cellulari

Membrana cellulare = struttura sottile e flessibile che delimita il contenuto di una cellula.

È composta principalmente da lipidi, in particolare fosfolipidi. Questi formano un doppio strato che costituisce la struttura di base della membrana. Le teste dei fosfolipidi sono idrofile, mentre le code sono idrofobiche. Questo conferisce alla membrana la sua natura semipermeabile. Il doppio strato fosfolipidico incorpora proteine, glicoproteine e glicolipidi.

Ha molteplici