Fisiologia umana

Fisiologia umana

Prof. Battezzati
Anno accademico 2021/22

Introduzione alla fisiologia

La fisiologia spiega il comportamento dell’organismo e comprende diverse altre materie come anatomia, biochimica, biologia cellulare, fisica e ingegneria. La fisiologia, a sua volta, ci permette di comprendere la fisiopatologia, ovvero quando le cose non vanno come previsto (ipertensione aumenta). Noi cerchiamo di capire come ci si ammala nel contesto della nutrizione.

Argomenti

• Concetti basilari
• Sistema nervoso
• Endocrinologia e metabolismo
• Muscolo: anatomia e funzione
• Sistema cardiovascolare
• Sistema respiratorio
• Sistema urinario
• Acqua, elettroliti, equilibrio acido-base, bilancio idrosalino
• Sistema gastrointestinale

Lezione 1: Concetti basilari

Il concetto base di tutta la fisiologia è l’omeostasi. L’omeostasi è un concetto molto profondo, in quanto si devono andare ad analizzare tutti i concetti al di sotto di questa parola. La definizione di omeostasi è quindi: il mantenimento della stabilità dell’ambiente interno dell’organismo. È una stabilità dinamica, quindi in continuo lavoro, che non è mai uguale. Implica l’esistenza di variabili regolate (es. temperatura, concentrazione plasmatica di soluti, volume e pressione plasmatica) per cui esistono sistemi di controllo: gli elementi di questi sistemi sono: sensori, input, centri integrativi (elaborano i segnali dei sensori e mandano degli output), output ed elementi effettori. Inoltre, riconosciamo anche dei setpoint che sono dei valori di riferimento entro il quale bisogna stare; es: regolazione a breve termine della pressione arteriosa quando ci si alza in piedi. Abbiamo dei barocettori (cellule che registrano la pressione dei vasi) che inviano il segnale a un centro integrativo, il quale manda degli output nervosi ad alcuni elementi effettori, questi viaggiano verso il sistema nervoso simpatico, arrivano al cuore aumentando la forza di contrazione e la gittata cardiaca e poi arriva alle arterie periferiche che gli dicono di contrarsi per aumentare la pressione sanguigna per permettere di arrivare al cervello.

- Il feedback negativo utilizza set point e sensori che producono input diretti a centri integrativi che a loro volta emettono output diretti a elementi effettori: quando la variabile regolata supera il set point gli elementi effettori tendono a riportarla entro i limiti (es. sento la glicemia che sale, il sensore sarà la cellula beta del pancreas che produrrà l’output, ovvero l’insulina, che arriva ad elementi effettori ad esempio i tessuti insulinosensibili come tessuto adiposo, fegato e muscolo e lì fa le azioni metaboliche. Le cellule esporranno GLUT4, le cellule permettono l’ingresso di glucosio che promuovono glicogenosintesi e inibiscono glicogenolisi).

1- Il feedback positivo invece tende ad amplificare il cambiamento registrato dai sensori (es. cascata coagulazione/termocettori/trasmissione nervosa).

Interpretazione della composizione corporea

La fisiologia spiega i livelli di organizzazione del nostro organismo, definendo i livelli come:

• Chimico
• Cellulare
• Tissutale
• Organi
• Livelli sistemici
• Livelli organismici

La grande difficoltà di comprensione dell’organismo è che dobbiamo riuscire a capire come comunicano orizzontalmente i sistemi oppure come dialogano e che relazione c’è tra il livello di comprensione più semplice e quello più complesso.

Tipi di cellule e tessuti

A livello cellulare abbiamo moltissimi tipi di cellule, che si possono dividere in 4 macro-gruppi:

• I neuroni
• Cellule muscolari: cambiano forma (contrazione) per gli stimoli
• Cellule epiteliali: hanno delle funzioni varie. Queste cellule coprono tutta la superficie dei vari apparati, molte di queste sono ciliate e quindi fanno movimentare il muco permettendo una difesa molto attiva nei confronti delle infezioni.
• Cellule del tessuto connettivale: sono molto varie tra di loro. Quelle del sangue sono frammenti di cellule, poi abbiamo osteoblasti e osteoclasti nelle ossa, i fibroblasti nella pelle e nei tessuti (costituenti delle cicatrici quando si addensano) e ci sono anche, ad esempio, gli adipociti.

A livello tissutale ci sono dei tessuti come, ad esempio, nel sangue in cui le cellule non sono unite tra di loro, mentre in altri tessuti esse sono strettamente connesse tramite delle giunzioni (ancoraggi o comunicazioni). Gruppi di cellule simili possono: derivare dalla stessa origine embrionale, avere la stessa funzione ed essere connesse tra di loro tramite sostanze intracellulari. Ciò che studia i diversi tessuti è l’istologia. Ci sono 4 tipi di tessuti primari:

• Epiteliale
• Connettivale
• Muscolare
• Nervoso

Sistemi dell'organismo

Noi partiamo da 3 tipi di fogli, e a partire da questi (ectoderma-mesoderma-esoderma) va ad originare tutti i tipi di tessuti che ci compongono. A livello sistemico, invece, ci sono gruppi di organi che possiamo osservare:

• Tegumentario:
  Componenti: pelle e strutture derivate da essa come capelli, unghie, ghiandole sudoripare e altre ghiandole.
  Funzioni: protezione del corpo; regolazione della temperatura corporea; eliminazione di tossine; integrazione di produzione della vitamina D e sensazioni come tatto, dolore, freddo e caldo.
  Manifestazione patognomonica, ovvero riesco a riconoscere una patologia da un segno diagnostico come un cambiamento del colore e della struttura della cute.
• Muscolare:
  Componenti: muscoli composti da tessuto scheletrico muscolare, chiamato così perché è attaccato alle ossa.
  Funzioni: produzione di movimenti corporei (come la camminata), stabilizzazione della postura corporea e generazione di calore.
• Scheletrico:
  Componenti: ossa e articolazioni del corpo e la propria cartilagine.
  Funzioni: supporto e protezione del corpo; movimenti corporei; cellule del midollo che vanno a produrre cellule del sangue (apparentemente non legata alla funzione nota di supporto e protezione del corpo), nel midollo osseo vengono anche immagazzinati minerali (principale reservoir di calcio) e lipidi.
• Nervoso:
  Componenti: cervello, midollo spinale, nervi e organi sensoriali come occhi e orecchie.
  Funzioni: generazione di potenziali d’azione (impulsi dei nervi) per regolazione delle attività corporee; riconoscimento di cambiamenti nell’ambiente interno ed esterno al corpo; interpretazione dei cambiamenti esterni e interni e responsabile della contrazione muscolare e delle secrezioni ghiandolari.
• Endocrino:
  Componenti: ghiandole che producono ormoni (pineale, ipotalamo, ghiandole pituitaria, timo, tiroide, paratiroide, pancreas, ovaie e testicoli) e cellule produttrici di ormoni in altri organi.
  Funzioni: regolazione delle attività corporee rilasciando ormoni che sono messaggeri chimici trasportati dal sangue da una ghiandola endocrina fino a un organo target.
• Linfatico e Immunitario:
  Componenti: fluido linfatico e vasi che includono anche milza, timo, linfonodi e tonsille.
  Funzioni: riporta proteine e fluidi al sangue; trasporta lipidi dal tratto gastrointestinale al sangue e comprende anche strutture dove i linfociti vanno a proteggerci contro patologie causate dalla maturazione e della proliferazione dell’organismo.
• Cardiovascolare:
  Componenti: sangue, cuore e vasi sanguigni.
  Funzioni: pompa cardiaca tramite vasi sanguigni, trasporto del sangue di ossigeno e nutrienti e trasporto inverso di CO2 e scarti fondamentale per la regolazione acido-base del corpo. Inoltre, è importante anche per la regolazione della temperatura, del contenuto di acqua nei fluidi corporei. Infine, i componenti del sangue ci aiutano a difenderci da patologie e sistema i danni dei vasi sanguigni.
• Respiratorio:
  Componenti: polmoni e vie di passaggio dell’aria, come faringe, laringe, trachea e vie bronchiali che permettono l’ingresso e la fuoriuscita di aria.
  Funzioni: trasferimento di ossigeno dall’aria inalata e rilascio di CO2 con l’aria espirata. Anche questo sistema aiuta alla regolazione dell’equilibrio acido-base dei fluidi corporei e, inoltre, permette la produzione di suoni dall’aria liberata dai polmoni tramite le corde vocali.
• Digestivo:
  Componenti: organi del tratto gastrointestinale, un tratto che include la bocca, l’esofago, lo stomaco, il grosso e il piccolo intestino e l’ano. Comprende anche organi accessori che aiutano il processo digestivo come le ghiandole salivari, il fegato, la cistifellea e il pancreas.
  Funzioni: permette la distruzione fisica e chimica degli alimenti, l’assorbimento dei nutrienti e l’eliminazione degli scarti solidi.
• Urinario:
  Componenti: reni, ureteri, vescica e uretra.
  Funzioni: produzione, stoccaggio ed eliminazione delle urine; eliminazione degli scarti e regolazione della composizione chimica del sangue. Inoltre, aiuta il mantenimento dell’equilibrio acido-base dei fluidi corporei e mantiene l’equilibrio minerale del corpo. Infine, aiuta la regolazione della produzione dei globuli rossi tramite l’eritropoietina.
• Riproduttivo:
  Componenti: gonadi (testicoli negli uomini e ovaie nelle donne) e organi associati (tube uterine, utero e vagina nelle donne ed epididimo, dotti deferenti e pene negli uomini).
  Funzioni: le gonadi producono i gameti (sperma od oociti) che quando insieme permettono la formazione di un nuovo organismo combinando i componenti genetici di entrambi i genitori; le gonadi rilasciano anche ormoni che regolano la riproduzione e altri processi corporei. Infine, ci sono anche organi associati che trasportano e stoccano gameti.

Acqua, soluti e membrana cellulare

L’acqua è la molecola più abbondante nell’organismo. Acqua e soluti vanno considerati insieme, sono i soluti a determinare la quantità e la distribuzione dell’acqua nell’organismo. Mentre la membrana cellulare fa passare liberamente l’acqua, non fa la stessa cosa con i soluti. C’è quindi una capacità di controllare il passaggio dei soluti a cavallo della membrana e a spiegazione di ciò si muove anche l’acqua.

Questa foto a sinistra indica la % della composizione corporea nell’organismo umano, che può variare in base al tipo di organismo e in base soprattutto al tipo di massa contenente, generalmente la percentuale di acqua è più elevata negli individui giovani e può costituire il 70%, il 60% in età adulta e il 50-55% nelle persone anziane. È una percentuale più bassa nelle donne rispetto agli uomini per via del fatto che le donne hanno una percentuale di massa grassa maggiore.

Se andassimo a semplificare l’organismo in toto, si può utilizzare un’immagine: innanzitutto, il nostro organismo distingue tra un ambiente esterno e uno interno. Ci sono anche, ad esempio, degli spazi che entrano nell’organismo ma che comunque fanno parte della parte esterna dell’organismo stesso, come ad esempio il tratto gastrointestinale. Anche le vie urinarie (uretra, vescica, ureteri, calici renali) sono spazi esterni, anche l’apparato respiratorio comprende spazi esterni.

Esiste una barriera epiteliale che separa lo spazio esterno da quello interno, questa barriera è colonizzata all’esterno da microrganismi (es. microrganismi sulla cute, sulle vie respiratorie, nell’apparato digerente e urinario), l’esistenza di questi microrganismi la dobbiamo considerare fisiologica, negli ultimi anni è di grande interesse la quantità (hg) di materiale batterico presente a livello dell’apparato digerente, il cosiddetto microbiota intestinale. Anche sulla cute ci sono batteri, funghi e lieviti, che normalmente non fanno niente di male, anzi la loro presenza ci protegge da organismi patogeni e aggressori. Ci possono anche essere delle patologie infettive molto frequenti causate da microrganismi che varcano l’ambiente esterno e riescono ad entrare nell’ambiente intracellulare (es. funghi come candida albicans). Nell’apparato respiratorio ci sono una serie di microrganismi (es. Covid che arriva molto in profondità delle vie respiratorie, con variante Omicron che invece si ferma a livello delle vie aeree superiori).

C’è quindi uno spazio esterno delimitato da una membrana, che normalmente ospita dei microrganismi che però non devono varcare questa membrana e quindi entrare nello spazio interno. Ci sono le cellule che garantiscono un mantenimento dell’acqua all’interno del nostro organismo e ci sono anche dei sistemi che permettono il mantenimento dell’equilibrio dell’acqua all’interno del nostro organismo come, ad esempio, il sistema cardiocircolatorio che permette di omogeneizzare tutto l’ambiente interno e permettere che si equilibri rapidamente.

La questione acqua negli ambienti

Come vede il fisiologo la questione acqua negli ambienti? Abbiamo l’acqua corporea totale che si può distinguere in: in questi disegni sembra che il liquido intracellulare sia minore rispetto al liquido extracellulare, cosa che però non è giusta perché è il contrario, l’acqua intracellulare è circa i 2/3 dell’ambiente, mentre il liquido extracellulare rappresenta circa 1/3.

• Liquido intracellulare
• Liquido extracellulare, il quale si può dividere ulteriormente in:
  • Plasma
  • Liquido interstiziale

Questa divisione è estremamente regolata, ci sono degli osmoliti ovvero delle sostanze che trattengono l’acqua. In un uomo indicativamente di 70kg abbiamo: fluido transcellulare presenti in compartimenti molto specifici come nei bulbi oculari, succhi gastrici, saliva.

Perdere più del 15% dell’acqua corporea è letale, quindi si possono trovare degli individui che hanno il 70% dell’acqua corporea, alcuni che hanno il 45% dell’acqua corporea, è una questione di fluttuazione della massa grassa, la massa magra è idratata in maniera costante. Se si ha un’idratazione del 70% o del 50% se di questa specifica acqua si perde il 15% si muore. Se io perdo acqua, la prima cosa che si perde (perché l’organismo tende a proteggere le cellule) è l’acqua extracellulare.

Il problema fondamentale è anche, non soltanto se si riduce l’acqua, ma anche se aumenta in modo molto elevato. Il sodio, ad esempio, è il principale catione extracellulare. Se io mangio tanto sodio si espande l’acqua sia nell’interstizio che nel plasma (quindi l’acqua extracellulare). Una delle più classiche conseguenze dell’aumento dell’apporto di sodio è l’espansione del liquido plasmatico che determina un aumento della pressione arteriosa. Sono regolazioni molto fini, quindi, basta aumentare di poco il fluido intravascolare che determina un aumento della pressione sanguigna, se la cosa aumenta si osservano anche edemi.

Ci può essere una situazione in cui simultaneamente si impoverisce il compartimento intravascolare e aumenta il compartimento extravascolare. Mentre l’eccessivo apporto di sodio fa espandere il compartimento intravascolare aumentando la pressione, se io ho poche proteine nella dieta sviluppo un tipo di malnutrizione definita malnutrizione Kwashiorkor che non è una malnutrizione di energia ma di proteine, e può succedere allo svezzamento non idoneo nei bambini. In questi casi mancando le proteine manca anche l’albumina che è ciò che trattiene acqua nel compartimento vascolare, ovvero la pressione scende. esempio di bambino con questa sindrome, si lascia questa fossetta (definita segno della Fovea) che è il sintomo da valutare sempre perché è un elemento della malnutrizione infantile acuta. Naturalmente, questa condizione si verifica anche per altre ragioni, non solo per la mancanza di proteine, potrebbe essere anche che il rene non sia in grado di trattenere proteine e quindi viene liberata albumina. Al contrario, l’espansione dell’acqua intracellulare spesso si associa ad un’aumentata capacità funzionale. Il muscolo è il tessuto più idratato dell’organismo, quindi un atleta aumenta l’acqua intracellulare.

Cosa trattiene l’acqua all’interno della cellula? È fondamentale nella fisiologia che l’acqua sappia stare al suo compartimento adeguato. La sottile membrana cellulare è permeabile all’acqua, quindi questa potrebbe andare dove vuole ma, al contrario dell’acqua, il trasporto dei soluti è finemente regolato da proteine di membrana. L’acqua è libera di passare, ma i soluti no. Tanto la cellula è liberale nel trasporto di acqua, tanto non è per nulla liberale ma fortemente regolatoria nel trasporto di soluti.

La rigida compartimentazione di soluti crea gradienti elettrici e di concentrazione a cavallo della membrana e dei compartimenti fluidi dell’organismo e dato che l’osmolarità di equilibra in tutti i compartimenti, è la quantità di soluti in ogni compartimento a regolare la quantità di acqua presente.

Qui possiamo osservare una rappresentazione schematica che fa vedere tre compartimenti importanti: intracellulare e compartimento extracellulare diviso in plasma e fluido interstiziale. Qui, possiamo cominciare a vedere che il sodio passa liberamente a cavallo dei vasi sanguigni tra il compartimento plasmatico ed extracellulare, ma non passa liberamente tra il compartimento extracellulare e intracellulare; sodio ce n’è molto fuori, ma ben poco dentro perché una pompa, definita ATPasi Na-K continua a tirar dentro potassio e liberare sodio. Il potassio, al contrario, ce n’è molto all’interno della cellula e poco.