Fisiologia generale - Appunti d'esame completi

FISIOLOGIA GENERALE

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. Analizza quindi tutti quei processi che sono fondamentali per la

sopravvivenza per gli organismi viventi. La fisiologia generale studia le funzioni biologiche elementari che sono comuni a

tutti gli esseri viventi; molte delle attuali informazioni riguardanti la fisiologia generale derivano dalla ricerca in campo della

fisiologia umana. Tutto il mondo vivente si basa su processi elementari che sono comuni a tutti gli organismi, sia che questi

appartengano al mondo vegetale sia che appartengano al mondo animale: tali processi si basano su un continuo

trasferimento di energia nelle sue forme diverse e la materia che studia i trasferimenti di energia è la termodinamica. I

sistemi termodinamici sono definiti come la quantità di materia ed energia contenute in uno spazio delimitato da un

confine. Si conoscono sistemi isolati, che non scambiano materia né energia con l’esterno, sistemi chiusi, che scambiano

energia ma non materia con l’esterno, e sistemi aperti, che scambiano materia ed energia con l’esterno. Gli organismi

viventi sono considerati come sistemi aperti.

Il primo principio della termodinamica o principio della conservazione dell’energia prevede che l’energia può essere

convertita da una fonte ad un’altra, ma non può essere né creata né distrutta. La variazione di energia interna di un sistema

chiuso è quindi uguale alla somma del calore scambiato e del lavoro meccanico eseguito o subito; di conseguenza la

variazione di energia interna di un sistema isolato è pari a 0. In un sistema aperto invece ciò non è valido: infatti esso

scambia con l’ambiente anche materia, la quale è composta da atomi tenuti insieme da legami e dunque da energia di tipo

chimico che deve essere considerata nell’addizione. Perciò si aggiunge un addendo formato dal prodotto tra il numero di

moli di ogni elemento scambiato e il proprio potenziale chimico, e cioè la quantità di energia in esso contenuta.

Negli organismi viventi quindi la sopravvivenza ha un costo energetico: per sostenere le forme di lavoro che sostengono

l’attività vitale come la contrazione muscolare, la circolazione del sangue e la sintesi di molecole ogni organismo “assume”

energia chimica dall’ambiente esterno. Il primo principio della termodinamica può quindi essere applicato agli esseri viventi

se si tiene in considerazione oltre al calore scambiato e al lavoro (inteso come energia meccanica, elettrica, ecc) che il

sistema scambia con l'ambiente, anche l'energia chimica associata alla materia che gli esseri viventi assumono e rilasciano

nell'ambiente circostante.

Il secondo principio della termodinamica prevede che in un sistema isolato, tutte le trasformazioni spontanee di energia

avvengono portando il sistema da una situazione più ordinata ad una condizione meno ordinata. In generale quindi il

sistema passa da uno stato meno probabile ad uno più probabile, aumentando di conseguenza l’andamento casuale e

caotico delle particelle: queste trasformazioni spontanee sono quindi irreversibili. Si introduce la grandezza fisica della

variazione di entropia ∆S, definita come rapporto tra calore scambiato e temperatura, che in una trasformazione spontanea

deve essere quindi sempre maggiore di 0: in un processo spontaneo parte dell’energia è dissipata in calore per aumentare

l’entropia. Introduciamo poi la grandezza fisica della variazione di energia libera di Gibbs ∆G, definita come la differenza tra

la variazione di energia interna ∆U del sistema e la quantità di calore dissipato, e rappresenta il lavoro massimo che il

sistema può compiere al netto dell’energia dissipata tramite il calore. In un sistema isolato la variazione di energia interna è

sempre 0 quindi la variazione di energia libera di un sistema isolato durante una trasformazione sarà sempre minore di 0.

Gli esseri viventi tuttavia non si trovano in uno stato disordinato e caotico, ma al contrario sono organizzati e ordinati: il

livello di ordine aumenta durante lo sviluppo fino a raggiungere un certo valore che viene mantenuto pressoché costante

durante la vita, per poi diminuire gradualmente durante l’invecchiamento fino alla morte. Gli esseri viventi dunque si

trovano in uno stato di disequilibrio (dato che la tendenza sarebbe quella di andare verso un sistema più caotico)

stazionario, poiché viene mantenuto costante nel tempo. Per gli esseri viventi dunque non vale il secondo principio della

termodinamica poiché sono dei sistemi aperti e non isolati; tale principio rimane però valido a livello dell’universo, che è un

sistema isolato: la diminuzione di entropia dovuta all’organizzazione ordinata degli esseri viventi verrà compensata da una

perdita di ordine in un altro punto dell’universo, in modo che la variazione di entropia totale dell’universo sarà maggiore di

0 rispettando il secondo principio della termodinamica.

I sistemi viventi sono caratterizzati dall'avere un ambiente interno che è diverso dall'ambiente esterno. Se prendiamo in

considerazione gli organismi unicellulari, il loro ambiente interno è mantenuto separato e diverso dall'ambiente esterno

attraverso la membrana plasmatica, attraverso la quale possono avvenire gli scambi di energia e di materia in modo

controllato, mantenendo l'ambiente interno diverso dall'ambiente esterno. Negli organismi pluricellulari invece la maggior

parte delle cellule non è in contatto diretto con l'ambiente esterno: i vari organi e tessuti si sono differenziati per svolgere

le specifiche funzioni e si trovano in contatto con un ambiente costituito da un liquido extracellulare le cui proprietà

chimico-fisiche sono diverse da quelle dell’ambiente in cui vive. Nei sistemi viventi pluricellulari si sono sviluppati degli

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apparati regolatori che contribuiscono al continuo rinnovamento e depurazione dell'ambiente interno, mantenendolo

costante: un esempio sono il sistema cardiocircolatorio, il digerente, il respiratorio e l’escretorio, coordinati dal sistema

nervoso ed endocrino. L'omeostasi viene quindi definita come il mantenimento dell'ambiente

cellulare interno ed esterno costanti entro limiti ristretti.

Prendendo in considerazione un organismo che si trova in uno stato di omeostasi, una qualsiasi

variazione interna o esterna induce una variazione di qualche parametro interno dell’organismo che

si traduce in una perdita di omeostasi; l’organismo tenta di compensare la variazione e se la

compensazione ha successo torna ad uno stato di benessere (condizioni fisiologiche), mentre se la

compensazione fallisce l’organismo può andare incontro ad uno stato di disordine o malattia

(condizioni patologiche). I processi omeostatici partono da una causa in ingresso e comporta un

effetto in uscita: nella maggior parte dei casi viene rilevato l’effetto in uscita e si scatena un

processo di retroazione o feedback che tenta di ripristinare la situazione fisiologica in ingresso. La

maggior parte di questi processi a retroazione è quindi a retroazione negativa o feedback negativo,

in quanto tenta di opporsi alla variazione in ingresso per diminuire l’effetto in uscita. In alcuni casi più rari si assiste a

processi di feedback positivo, dove la retroazione porta all’aumento degli effetti in uscita, in un ciclo

che si auto-alimenta. Un esempio di feedback positivo si presenta durante il parto, dove il feto spinge

sulle pareti uterine stimolando il rilascio di ossitocina, che a sua volta induce l’aumento delle

contrazioni uterine promuovendo un ulteriore rilascio dell'ormone; questo processo termina solo con la nascita del feto: la

retroazione positiva è infatti possibile a livello fisiologico solo se è associata ad un processo che la interrompe. I processi

omeostatici avvengono a tutti i livelli di organizzazione del vivente:

• Molecolare: immaginando una reazione chimica dove i reagenti A e B e i prodotti C e D si trovano in uno stato di

equilibrio, aggiungendo una certa quantità di prodotto C il sistema porterà alla produzione di reagenti nel

tentativo di mantenere costante lo stato di equilibrio.

• Cellulare: un esempio si ha all’interno dei neuroni dopaminergici, dove la tirosina viene modificata da un enzima in

dopa, che a sua volta viene modificata per ottenere il neurotrasmettitore. Questa via metabolica viene regolata

per feedback negativo: il prodotto finale inibisce il primo enzima in modo da rallentare la sintesi di dopamina.

• Organi: un esempio di omeostasi a livello di organo è l’aumento locale di irrorazione sanguigna e di apporto di

ossigeno nel muscolo quando avviene uno sforzo prolungato.

• Organismo intero: un tipo di omeostasi che si ripercuote sull’intero organismo è ad esempio la regolazione del

livello di glucosio nel sangue, attraverso gli ormoni insulina e glucagone.

Un esempio di omeostasi è quello della temperatura corporea negli omotermi, cioè in quegli

organismi in cui la temperatura viene mantenuta costante entro certi limiti. Affinché avvenga un

processo omeostatico è necessario che siano presenti degli specifici sensori che permettono di

percepire la variazione di una determinata variabile; questi sensori inviano l'informazione rilevata ad

un centro di integrazione, che la confronta con un valore di riferimento e, qualora questi non

coincidessero, invia delle istruzioni ad un effettore. L’effettore determina una reazione compensativa

che ha come effetto il ritorno della variabile regolata alla normalità (condizione fisiologica); a questo

punto il feedback negativo spegne il sistema responsabile della risposta. Supponendo di avere una

diminuzione della temperatura corporea sotto il valore di riferimento, tale variazione viene rilevata

dai termocettori, cioè dei sensori termosensibili che si possono trovare sia a livello della cute sia a

livello dell'ipotalamo, dove percepiscono variazioni di temperatura interne all'organismo. A questo

punto essi comunicano con il centro termoregolatore (l'ipotalamo stesso), il quale manda delle

istruzioni agli effettori. Ci possono essere diverse risposte: in genere si va ad agire riducendo

l’apporto sanguigno alla parte periferica del corpo tramite la vasocostrizione, viene aumentato il

metabolismo basale a livello del fegato e i muscoli vengono contratti (brividi e pelle d’oca) in modo da generare energia che

viene dispersa sotto forma di calore. Quando il sistema percepisce un aumento della temperatura corporea, gli step che

vengono seguiti sono gli stessi, ma variano le risposte: viene promossa ad esempio la sudorazione e viene indotta la

vasodilatazione in modo da avere una maggiore dissipazione di calore dall'ambiente interno verso l'ambiente esterno.

Per quanto riguarda invece l’omeostasi dell’ossigeno, essa può avvenire sia a livello locale (nei tessuti), sia a livello

sistemico. Quando il flusso sanguigno apporta una quantità di ossigeno insufficiente

alle richieste metaboliche in un determinato tessuto, il suo utilizzo comporta una

diminuzione della pressione parziale dell'ossigeno a livello del liquido extracellulare

che circonda il tessuto stesso: ciò porta ad una dilatazione delle arteriole che fa sì

che venga aumentato il flusso sanguigno e di conseguenza l’apporto di ossigeno per

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rispondere alle richieste metaboliche di quel tessuto. A livello sistemico invece esistono dei sensori posti in determinate

arterie che sono in grado di rilevare la pressione parziale dell’ossigeno nel sangue: se questa si rileva inferiore al livello

fisiologico, vengono contattati i centri respiratori bulbari che hanno come effetto

finale quello di aumentare la ventilazione polmonare.

L’omeostasi del calcio è molto importante in quanto è coinvolto sia nella

comunicazione tra cellule che nell’apoptosi; la concentrazione di calcio è

controllata sia a livello intracellulare sia a livello extracellulare. A livello

intracellulare ci sono dei trasportatori che trasferiscono il calcio all'interno di

specifici organelli (mitocondri o reticolo endoplasmatico) o che trasferiscono il

calcio nell'ambiente extracellulare attraverso la membrana citoplasmatica: essi -7

mantengono la concentrazione di calcio a livello intracellulare a livelli fisiologici, cioè circa 10 molare. La concentrazione

extracellulare di calcio è invece regolata a livello delle ghiandole tiroide e paratiroide ed è controllata da due ormoni: la

calcitonina e l'ormone paratiroideo. In particolare, se viene rilevata una riduzione del livello di calcio nel liquido

extracellulare, viene rilasciato l'ormone paratiroideo che agisce a livello renale, a livello intestinale e a livello osseo

promuovendo il rilascio di calcio. Nello specifico a livello renale inibisce l'espulsione di calcio e promuove l'escrezione del

fosfato: il calcio e il fosfato infatti sono i componenti principali dell'idrossiapatite che si trova nelle ossa e diminuendo la

concentrazione di fosfato, l’equilibrio di tale reazione viene spostato verso i reagenti liberando così il calcio a partire

dall’idrossiapatite. L'ormone paratiroideo agisce nella produzione della vitamina D3 che agisce a livello intestinale

promuovendo l'assorbimento di calcio; questo ormone agisce anche a livello osseo, promuove l'attività degli osteoclasti, i

quali portano al riassorbimento del tessuto osseo rilasciando il calcio.

Come abbiamo visto gli esseri viventi possono essere considerati dei sistemi aperti e il confine tra l’organismo e l’ambiente

esterno viene definito dalla presenza di membrane plasmatiche e membrane epiteliali. Le membrane plasmatiche

circoscrivono lo spazio delimitato dalla cellula e permettono gli scambi di materia con l’ambiente extracellulare; le

membrane epiteliali invece sono a diretto contatto con l’esterno. Per comprendere i fenomeni di trasporto, iniziamo

definendo il flusso molare unidirezionale per unità di area: considerando ad esempio una soluzione acquosa separata in

due compartimenti da una superficie S di area A, definiamo il flusso come il numero di moli che attraversano la superficie

nell’unità di tempo. Il flusso possiede una direzione (ad esempio dal compartimento 1 al compartimento 2) ed è

direttamente proporzionale al numero di moli di sostanza che attraversa la

superficie ed inversamente proporzionale all’area e al tempo trascorso; poiché il

numero di moli a sua volta è rappresentato dal rapporto tra il numero di particelle

e il numero di Avogadro, la formula può essere scritta come in figura, dove n è il

numero di particelle (non il numero di moli). Il flusso netto attraverso la superficie

S è uguale alla differenza dei due flussi, da 1 a 2 e viceversa; se uno dei due flussi risulta maggiore dell’altro si ha un flusso

netto in quella direzione, altrimenti il flusso netto è nullo. Come sappiamo, nei processi spontanei l’energia libera ∆G è

minore di 0 ed è connessa a differenze di concentrazione, di pressione o di potenziale elettrico. La termodinamica descrive

però quali saranno i risultati delle trasformazioni una volta raggiunto l’equilibrio e non descrive gli eventi mentre si

verificano: quelle che ora considereremo sono invece trasformazioni che non si trovano in stato di equilibrio.

Consideriamo ora la teoria fenomenologica del trasporto, alla base della quale si trova l’equazione di Teorell:

ogni flusso dipende in modo lineare dalla forza che lo genera, cioè è direttamente proporzionale alla forza secondo una

determinata costante di proporzionalità. Se nei sistemi sono presenti più sostanze ciascuna con una forza coniugata, per

ogni sostanza si può applicare l’equazione in modo indipendente: F = K ∙ X ; F = K ∙ X ; F = K ∙ X . Queste sostanze

1 11 1 2 22 2 n nn n

possono interagire tra di loro e il moto di una sostanza può andare a perturbare il moto di un’altra sostanza, influendo così

sul suo flusso. Ogni flusso dipende quindi in modo lineare non solo dalla forza che lo genera, ma anche da tutte le forze che

operano nel sistema e che generano il flusso di altre sostanze presenti. La forza dell’interazione viene valutata dai

coefficienti crociati K , K , ecc associati ai processi indiretti: F = K ∙ X + K ∙ X + K ∙ X +... il flusso reale di una sostanza

n1 n2 n nn n n1 1 n2 2

dunque sarà dato dalla somma di tutte componenti, tuttavia sarebbe troppo complesso da analizzare a livello matematico

e dunque i flussi si considerano indipendenti dagli altri fattori.

Sulla base di quali sono le diverse driving forces presenti nel sistema, distinguiamo 3 modalità di flusso:

• Flusso di massa: la driving force è prodotta da una differenza di pressione idraulica tra regioni diverse della

soluzione; deriva quindi da un gradiente di pressione.

• Diffusione: la driving force è data da una differenza di concentrazione di particelle in zone diverse della soluzione.

• Migrazione in campo elettrico di particelle elettricamente cariche: la driving force è prodotta da una differenza di

potenziale elettrico tra regioni diverse della soluzione.

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Il flusso massivo o flusso di massa è generato quando nel sistema è presente una differenza di pressione

idraulica. Prendiamo come esempio due contenitori contenenti una soluzione acquosa di viscosità η e

connessi tra loro da un dotto connettore di lunghezza l e raggio r. Se uno dei due contenitori contiene

una maggior quantità di soluzione acquosa, questa genererà una maggiore pressione idraulica

all’imboccatura del dotto connettore, che spingerà la soluzione a fluire nell’altro

contenitore. Tale flusso è descritto dall’equazione di Teorell: la forza è data dalla

differenza tra le due pressioni, mentre la costante di proporzionalità è stabilita

dalla legge di Poiseuille. Questa legge è valida solo nel caso in cui il fluido si