Fisiologia generale

La fisiologia è il ramo della biologia che studia le funzioni e le attività coordinate delle

cellule, dei tessuti e degli organi negli organismi viventi.

Il termine deriva da due parole greche che possono essere tradotte come "discorso sui

fenomeni naturali". In senso moderno, la fisiologia è la disciplina che studia le funzioni degli

organismi viventi.

Data la complessità delle funzioni vitali, la

fisiologia si suddivide in diverse branche.

Si distingue tra fisiologia vegetale e fisiologia

animale.

Quest'ultima comprende la fisiologia generale,

che studia i processi elementari comuni a tutti

gli organismi nella loro fondamentale

unitarietà, la fisiologia comparata, che

confronta i processi fisiologici tra diverse

specie animali, e la fisiologia umana, che si

concentra sulle funzioni del corpo umano.

Da questa derivano la fisiologia medica,

orientata allo studio delle funzioni umane in

ambito medico, e la fisiologia applicata, che

analizza le funzioni in condizioni particolari

come ambiente, sport, astronautica e

immersioni in profondità marine.

La fisiologia si occupa dell’aspetto funzionale e dinamico del fenomeno della vita. Un

concetto fondamentale è la distinzione tra funzione e processo.

-​ La funzione spiega il motivo per cui un determinato evento si verifica e quale sia la

sua utilità per l'organismo.

-​ Il processo, invece, descrive il meccanismo con cui avviene un evento fisiologico,

ossia il "come".

Un principio cardine della fisiologia è il concetto di omeostasi, introdotto dal fisiologo

francese Claude Bernard. L'omeostasi si riferisce alla capacità dell'organismo di mantenere

un ambiente interno relativamente costante nonostante le variazioni dell'ambiente esterno.

Ad esempio, la regolazione della temperatura corporea, della

pressione sanguigna e della concentrazione degli elettroliti nel sangue

sono tutti fenomeni che rientrano nei meccanismi omeostatici. Questi

sistemi di controllo a feedback, che possono

processi si basano su

essere di due tipi: negativo o positivo.

-​ Il feedback negativo è il meccanismo più comune e consente

di mantenere l'equilibrio riportando una variabile verso il suo

valore ottimale quando si verifica una deviazione. Un esempio

classico è la regolazione della glicemia: se i livelli di glucosio

nel sangue aumentano, il pancreas rilascia insulina per favorire

l'assorbimento nelle cellule e riportare la concentrazione a livelli

normali.

-​ Il feedback positivo, invece, amplifica una risposta fisiologica e

si osserva in fenomeni come il potenziale d'azione nei neuroni o

la coagulazione del sangue.

Giulio Iozzi 1

L'organismo umano è strutturato in modo altamente organizzato. Le cellule rappresentano

l'unità fondamentale e possono essere raggruppate in quattro principali categorie:

-​ cellule nervose, specializzate nella trasmissione di segnali elettrici;

-​ cellule muscolari, capaci di contrarsi per generare movimento;

-​ cellule epiteliali, che formano barriere protettive e svolgono funzioni di assorbimento

e secrezione; e

-​ cellule del tessuto connettivo, che forniscono supporto strutturale e collegano diverse

parti del corpo.

Queste cellule si organizzano in tessuti, che a loro volta si combinano per formare organi.

Gli organi, lavorando in sinergia, costituiscono i sistemi di organi, ognuno dei quali è

responsabile di specifiche funzioni vitali.

Tra i principali sistemi del corpo umano vi sono:

-​ il sistema cardiovascolare, che assicura il trasporto di sangue e ossigeno ai tessuti;

-​ il sistema respiratorio, che consente gli scambi gassosi;

-​ il sistema digestivo, che elabora e assorbe i nutrienti;

-​ il sistema nervoso, che coordina le risposte dell'organismo agli stimoli esterni;

-​ il sistema endocrino, che regola le funzioni biologiche mediante la produzione di

ormoni; e

-​ il sistema immunitario, che difende l'organismo da agenti patogeni.

Il mantenimento dell'equilibrio tra l'assunzione e l'eliminazione delle sostanze è essenziale

per garantire il corretto funzionamento cellulare. Il bilancio idrico, ad esempio, è regolato

attraverso l'assunzione di liquidi e l'eliminazione mediante sudorazione, respirazione e

escrezione urinaria.

Un ruolo cruciale nel bilancio chimico è svolto dagli ioni, che sono distribuiti in modo

differente tra l'interno e l'esterno della cellula.

-​ Il sodio (Na⁺) è maggiormente concentrato nel liquido extracellulare, mentre il

potassio (K⁺) prevale nel liquido

intracellulare.

Anche il calcio (Ca²⁺) e il cloro

sono più abbondanti

(Cl⁻)

all'esterno della cellula.

Mentre gli anioni proteici, come le

proteine cariche negativamente, si

trovano principalmente all'interno.

Questa distribuzione ionica è

mantenuta grazie all'azione di

specifiche pompe ioniche e canali di

membrana, come la pompa sodio-potassio (Na⁺/K⁺ ATPasi), che garantisce il corretto

gradiente elettrochimico necessario per le funzioni cellulari.

Ogni variazione nel bilancio corporeo deve essere compensata da adeguati meccanismi

per garantire la stabilità dell'ambiente interno e consentire la sopravvivenza

regolatori

dell'organismo in condizioni mutevoli.

Giulio Iozzi 2

LA CELLULA

La cellula è la piccola unità vivente e tutte le cellule hanno qualcosa che le accomuna, dal

punto di vista chimico infatti sono composte dalle stesse molecole che partecipano alle

stesse reazioni e svolgono le funzioni di base con lo stesso macchinario funzionale.

Differiscono invece per forma, dimensioni, sostanze che utilizzano e funzioni.

Le proprietà essenziali di una cellula sono:

-​ la membrana plasmatica → che separa la cellula dall’ambiente,

-​ il genoma → che codifica tutte le strutture cellulari,

-​ il trasferimento delle informazioni → che esprime l'informazione immagazzinata nel

codice genetico, e

-​ l’utilizzazione dell’energia → ovvero raccoglie energia per formare componenti

complessi.

In base a queste caratteristiche si dividano in Procariote e Eucariote.

Cellula eucariote → si distinguono

➢​ dalle procariote per le dimensioni

(sono circa 10 volte più grandi) e per la

presenza di un nucleo e compartimenti

interni detti organuli. In esse ritroviamo

la membrana plasmatica, il citoplasma

e i ribosomi.

-​ Il nucleo è avvolto da una

doppia membrana cellulare,

che costituisce l’ involucro

nucleare che lo separa dal

citoplasma.

La quantità di DNA contenuta all'interno del nucleo varia da specie a specie;

per la maggior parte del tempo le molecole di DNA formano una massa

aggrovigliata e filamentosa detta cromatina.

Al momento della divisione cellulare, ciascuna molecola di DNA si avvolge a

spirale e si compatta fino ad assumere il caratteristico aspetto di

cromosoma.

All'interno del nucleo, in posizione centrale, è presente anche il nucleolo, una

regione in cui sono costruite le subunità dei ribosomi che sono formate da

RNA e proteine. Attraverso i pori nucleari, sull'involucro, le subunità si

spostano nel citoplasma, dove sono assemblate per formare i ribosomi.

-​ I ribosomi 80s possono essere paragonati a minuscole fabbriche dove

l'informazione immagazzinata del DNA è tradotta e utilizzata per sintetizzare

le proteine necessarie alla cellula.

-​ Nelle cellule eucariote, piruvato e NADH sono trasferiti nei mitocondri,

organuli dove grazie alla respirazione cellulare si produce circa il 90% dell’

ATP necessario alla cellula; essi sono rivestiti da due membrane

mitocondriali, quella all’esterno ha una struttura regolare e quella all’interno

presente creste.

Giulio Iozzi 3

-​ Infine i cloroplasti, nei quali avviene il processo di fotosintesi, presenti nella

cellula vegetale eucariota e contenenti clorofilla, DNA e ribosomi. Nella cellula

vegetale, rispetto a quella animale, sono anche presenti un grosso vacuolo e

una parete aggiuntiva.

-​ Il reticolo endoplasmatico è un organulo cellulare presente nel citoplasma

delle cellule eucariotiche. Esso è costituito da una rete di membrane

ripiegate. Ci sono due tipi principali di reticolo endoplasmatico: il reticolo

endoplasmatico rugoso e il reticolo endoplasmatico liscio.

-​ I lisosomi sono vescicole di forma tondeggiante circondate da una

membrana e ricolme di enzimi digestivi contenuti in ambiente acido

fondamentali nelle cellule eucariotiche. Svolgono un ruolo fondamentale nella

pulizia e nella manutenzione delle cellule eucariotiche. La loro capacità di

degradare e riciclare materiali contribuisce al corretto funzionamento e

all'integrità delle cellule.

-​ L’Apparato di Golgi è una struttura cellulare composta da cisterne appiattite

organizzate in pile. Ha il ruolo di modificare, impacchettare e distribuire le

molecole sintetizzate nella cellula. Si divide in una faccia cis (ingresso delle

vescicole dal reticolo endoplasmatico), una faccia trans (uscita delle vescicole

verso altre destinazioni) e cisterne mediali, dove avvengono modifiche come

la glicosilazione. Le molecole modificate vengono trasportate tramite

vescicole.

-​ Il citoscheletro è una rete dinamica di filamenti proteici che fornisce supporto

strutturale alla cellula, ne determina la forma e facilita il movimento di

organelli e vescicole. È composto da tre principali componenti:

- i microfilamenti di actina, coinvolti nella motilità e nella divisione cellulare;

- i microtubuli, formati da tubulina, che regolano il trasporto intracellulare e la

separazione dei cromosomi durante la mitosi; e

- i filamenti intermedi, che conferiscono resistenza meccanica alla cellula.

La riproduzione nelle cellule eucariotiche avviene grazie alla mitosi, processo di

riproduzione asessuata che porta alla formazione di due cellule figlie geneticamente

identiche alla madre.

Giulio Iozzi 4

MECCANISMI DI ADESIONE CELLULARE

Le cellule, nonostante le loro piccole dimensioni, sono in grado di unirsi e organizzarsi in

strutture complesse come tessuti e organi, che svolgono funzioni specifiche. Ogni cellula

interagisce con le altre attraverso proteine transmembrana e la matrice extracellulare,

formando legami che stabilizzano il tessuto e influenzano il microambiente interno.

Le modalità di interazione cellulare si possono suddividere in tre grandi categorie:

1.​ Giunzioni occludenti;

2.​ Giunzioni di ancoraggio;

3.​ Giunzioni comunicanti.

Ognuna di queste categorie ha funzioni specifiche e particolari strutture proteiche coinvolte.

1.​ Giunzioni Occludenti (o Giunzioni Strette)

Le giunzioni occludenti, dette anche giunzioni strette, sono strutture di adesione che

uniscono strettamente le membrane delle cellule adiacenti, bloccando così il

passaggio di molecole attraverso gli spazi intercellulari. Queste giunzioni sono

cruciali nei tessuti epiteliali, come la mucosa intestinale e il rivestimento della

vescica, in cui creano una barriera selettiva per il mantenimento di ambienti interni

distinti.

La struttura delle giunzioni occludenti include proteine transmembrana come le

occludine e le claudine (appartenenti alla famiglia delle caderine), che si legano tra

loro in un meccanismo a cerniera lampo per impedire la diffusione di molecole.

Questo tipo di giunzione è fondamentale per la funzione barriera, specialmente negli

epiteli che rivestono organi interni.

Alterazioni delle proteine di queste giunzioni, come mutazioni della claudina,

possono compromettere il bilancio di sostanze essenziali: ad esempio, mutazioni

della claudina possono causare un’eccessiva perdita di magnesio nelle urine.

2.​ Giunzioni di Ancoraggio

Le giunzioni di ancoraggio sono strutture specializzate che uniscono le cellule tra loro

o le ancorano alla matrice extracellulare. Queste giunzioni sopportano sollecitazioni

meccaniche e rafforzano la coesione del tessuto, in modo che possa resistere a

tensioni e stress. A causa della loro funzione stabilizzante, le giunzioni di ancoraggio

si trovano frequentemente in tessuti esposti a forte stress meccanico, come la pelle e

il muscolo cardiaco.

Tra le principali giunzioni di ancoraggio troviamo:

-​ Giunzioni aderenti: queste giunzioni contengono le caderine che legano il

citoscheletro di actina tra cellule adiacenti. Negli epiteli, formano una fascia di

adesione che rinforza la connessione tra cellule lungo la loro intera

circonferenza.

-​ Desmosomi: sono strutture più puntuali che ancorano le cellule

tramite filamenti intermedi, donando resistenza meccanica. Le

desmocolline e

caderine specifiche di queste giunzioni, chiamate

desmogleine, formano una complessa organizzazione

tridimensionale, contribuendo alla robustezza del tessuto.

Giulio Iozzi 5

-​ Emidesmosomi: ancorano la membrana basale delle cellule epiteliali

alla lamina basale, un sottile strato di matrice extracellulare, attraverso

integrine. Queste strutture si legano a filamenti intermedi, garantendo

la stabilità delle cellule epiteliali rispetto al tessuto sottostante.

Alterazioni nelle giunzioni di ancoraggio possono causare problemi importanti. Ad

esempio, nel penfigo, una patologia autoimmune, si formano anticorpi contro le

caderine dei desmosomi, causando distacco delle cellule epiteliali e formazione di

vescicole cutanee con perdita di fluidi.

3.​ Giunzioni Comunicanti (o Giunzioni GAP)

Le giunzioni comunicanti, dette anche giunzioni GAP, permettono la comunicazione

diretta tra cellule adiacenti attraverso il passaggio di ioni e piccole molecole, come

zuccheri, aminoacidi e messaggeri intracellulari. Questa comunicazione è

particolarmente utile nei tessuti che richiedono un’azione coordinata, come il

muscolo cardiaco e il tessuto nervoso.

Nelle giunzioni GAP, proteine chiamate connessine si assemblano formando canali

o connessoni, che attraversano le membrane di due cellule adiacenti, permettendo

così il passaggio di piccole molecole.

Le giunzioni gap sono essenziali per la trasmissione rapida di segnali elettrici e

chimici, ma sono anche regolate in base alla concentrazione di calcio: si aprono a

basse concentrazioni di calcio e si chiudono ad alte.

Mutazioni nelle connessine possono causare vari problemi, come la mancata

mobilitazione del glucosio nel fegato e difetti nella conduzione del segnale elettrico

nel cuore.

Oltre alle giunzioni cellulari, altre molecole svolgono ruoli critici nell’adesione cellulare.

Possiamo quindi distinguerle in:

1.​ Segnali dipendenti dal contatto → Queste sono note come CAM (Cell Adhesion

Molecules) e facilitano le interazioni cellula-cellula e cellula-matrice.

Tra le CAM si può fare una distinzione in importanti:

-​ Dipendenti dal calcio=

●​ Caderine:Le caderine sono glicoproteine transmembrana dipendenti

dagli ioni calcio (Ca²⁺) per mantenere la loro conformazione e quindi la

capacità adesiva. La presenza di Ca²⁺ stabilizza la struttura rigida

delle caderine, necessaria per legarsi ad altre molecole di caderina di

cellule adiacenti. Ogni caderina ha specificità di tessuto:

-​ E-caderina: presente nei tessuti epiteliali;

-​ N-caderina: caratteristica del tessuto nervoso;

-​ P-caderina: presente nella placenta.

Le caderine si legano anche al citoscheletro di actina tramite le

catenine, permettendo così l’adesione stabile tra cellule.

Giulio Iozzi 6

●​ Integrine: Le integrine sono proteine transmembrana coinvolte non

solo nell'adesione cellula-matrice, ma anche nella trasmissione di

segnali intracellulari. Questa funzione avviene grazie alla capacità di

legare sia i componenti della matrice extracellulare alla superficie

esterna, sia i filamenti di actina al di sotto della membrana nel

citoplasma. Grazie a questa interazione la matrice extracellulare

influenza il citoscheletro così come il citoscheletro può regolare

l'organizzazione della matrice extracellulare.

●​ Selettine: Le selettine sono proteine di superficie coinvolte

principalmente nell’infiammazione. Esse facilitano l'adesione dei

leucociti alle pareti dell'endotelio vascolare, consentendo ai globuli

bianchi di migrare dai vasi sanguigni ai tessuti in risposta a segnali

infiammatori.

-​ Indipendenti dal calcio=

●​ N-CAM o IgG: Le N-CAM (molecole di adesione cellulare neuronale)

sono particolarmente presenti nelle cellule nervose e non richiedono

ioni Ca²⁺ per la loro funzione adesiva. Esse mediano l'adesione

cellula-cellula con legami omofilici, contribuendo alla regolazione delle

interazioni nei tessuti, soprattutto nei vertebrati.

2.​ Segnali autocrini → Sono secreti da una cellula e agiscono direttamente sulla stessa

cellula che li ha prodotti. Un esempio sono i fattori di crescita autocrini che stimolano

la proliferazione cellulare.

3.​ Segnali paracrini → Sono secreti da una cellula e diffondono nel fluido extracellulare

per agire su cellule vicine. Un esempio è il rilascio di neurotrasmettitori, che

comunicano segnali tra neuroni o da neuroni a cellule muscolari.

4.​ Neurotrasmettitori e comunicazione sinaptica → I neurotrasmettitori sono segnali

chimici rilasciati dai neuroni nelle sinapsi, e viaggiano su distanze molto brevi per

attivare i neuroni o altri tipi di cellule.

5.​ Segnali endocrini (ormoni) → Sono secreti nel circolo sanguigno e raggiungono

cellule bersaglio lontane che possiedono recettori specifici per quegli ormoni. Un

esempio è l’insulina, prodotta dal pancreas, regola i livelli di glucosio nel sangue.

6.​ Neurormoni → Sono molecole rilasciate da neuroni, che viaggiano attraverso il

sangue per raggiungere cellule bersaglio lontane, quindi combinano caratteristiche

nervosi ed endocrini. Un esempio è ossitocina e ADH, rilasciati dall’ipofisi

dei segnali

posteriore.

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La comunicazione intercellulare è impo