Fisiologia umana

Fisiologia

La fisiologia è la scienza che studia il funzionamento del corpo umano e delle sue parti. Per comprendere il suo ruolo, vediamo come esempio l’ECG o il diabete.

Elettrocardiogramma

L'elettrocardiogramma (ECG) registra sulla superficie della pelle l'attività elettrica generata dal cuore. Sebbene il cuore sia un organo meccanico, svolge anche una funzione elettrica: l'attività elettrica è infatti prodotta da flussi ionici che si diffondono nel corpo grazie alla presenza di acqua e raggiungono la superficie cutanea.

L'ECG genera un tracciato, e ogni sua parte fornisce indicazioni specifiche sull'attività fisiologica del cuore. Le onde principali sono:

• Onda P rappresenta la contrazione degli atri;
• Complesso QRS rappresenta la contrazione dei ventricoli.
• Onda T rappresenta la ripolarizzazione (diastole) dei ventricoli;

Le anomalie in queste onde possono indicare possibili problematiche. Ad esempio:

• Un'alterazione nell'onda P suggerisce un problema nella contrazione atriale;
• Un'alterazione nel complesso QRS indica una problematica nella contrazione ventricolare;
• Variazioni nella tempistica complessiva del tracciato possono suggerire problemi nella conduzione elettrica;
• Un dislivello nel segmento ST può essere indice di un infarto del miocardio.

Glicosuria

Nel diabete, la glicosuria (presenza di glucosio nelle urine) può essere un primo segnale della malattia. Normalmente, il glucosio viene filtrato dai glomeruli renali e riassorbito completamente nel tubulo prossimale, senza finire nelle urine. Tuttavia, ciò può avvenire per due motivi principali:

1. Danni ai glomeruli, se la struttura dei glomeruli è compromessa, la filtrazione non può essere efficace.
2. Elevata glicemia, che supera la capacità di riassorbimento del rene, causando l'eliminazione del glucosio in eccesso nelle urine.

La glicosuria indica spesso un diabete non controllato o non diagnosticato.

Omeostasi

L’omeostasi, ovvero il "mantenimento di condizioni quasi costanti nell'ambiente interno", rappresenta un equilibrio dinamico, in quanto i parametri vitali sono mantenuti all’interno di un range fisiologico di riferimento. Ad esempio, il range fisiologico della frequenza cardiaca è compreso tra 60 e 80 battiti al minuto. Questo range fisiologico è anche detto “steady state”. Questo avviene grazie a meccanismi di regolazione che compensano le variazioni, aumentando o riducendo specifiche attività fisiologiche per mantenere l'equilibrio dinamico.

Il corpo mantiene l’omeostasi di parametri come il contenuto di acqua e ioni, applicando il principio dell'equilibrio di massa, ossia regolando l’assunzione e la perdita delle sostanze. Per esempio, in caso di iperidratazione, aumenta il volume di urina prodotta, mentre in caso di disidratazione, il volume urinario diminuisce e si attiva lo stimolo della sete.

Cooperatività sistemi

All’interno del corpo umano, i vari apparati e sistemi collaborano, e il centro di questa integrazione è sicuramente l’apparato cardiovascolare, indispensabile per distribuire sangue e ossigeno a tutte le aree del corpo. Anche il sistema endocrino e quello nervoso hanno un ruolo fondamentale nel controllo delle funzioni corporee, regolando processi ormonali che incidono sulla fisiologia del corpo. Un esempio di integrazione tra sistemi è il mantenimento dell’equilibrio acido-base: il pH del plasma deve rimanere intorno a 7.4. Quando ci si discosta da questo valore, possono insorgere condizioni come acidosi o alcalosi, potenzialmente pericolose.

Queste situazioni sono gestite grazie alla cooperazione tra sistema respiratorio e sistema renale:

• Sistema respiratorio: Modifica la frequenza respiratoria, influenzando l’espulsione di anidride carbonica.
• Sistema renale: Regola l’eliminazione degli ioni H+ e del bicarbonato, contribuendo a riportare il pH ai livelli normali.

Risposta variazione omeostasi

Quando l’omeostasi viene perturbata, il corpo può reagire in tre modi:

• Controllo omeostatico: Nella maggior parte dei casi, i meccanismi di regolazione ripristinano l’equilibrio.
• Meccanismo patologico: Se l’omeostasi non viene mantenuta, possono insorgere patologie che, se non trattate, portano alla morte cellulare.
• Adattamento: Il corpo stabilisce un nuovo equilibrio, che può evolvere in una condizione patologica.

Esempi di adattamento includono l’ipertrofia ventricolare causata dall’ipertensione e la metaplasia dell’epitelio respiratorio dovuta al fumo.

Controllo risposte

Il controllo delle risposte avviene in due modalità:

• Controllo locale: Risposta immediata e limitata a un’area specifica, senza coinvolgimento del sistema nervoso o endocrino. Esempio: La vasocostrizione locale in caso di lesione di un vaso sanguigno per ridurre la perdita di sangue.
• Controllo riflesso: Risposta che coinvolge il sistema nervoso o endocrino per regolare parametri a livello sistemico. Esempio: La regolazione della temperatura tramite un sistema di rilevazione e risposta, come un termostato in un acquario.

Meccanismo di feedback

Gli stimoli, a cui è continuamente esposto il nostro corpo, vengono rilevati da recettori sensoriali e convertiti in segnali elettrici detti potenziali d’azione. Questi segnali raggiungono il Sistema Nervoso Centrale, dove le informazioni vengono elaborate e inviate ai tessuti bersaglio sotto forma di risposte. Queste risposte possono attenuare o amplificare lo stimolo iniziale, a seconda che il meccanismo di regolazione sia a feedback negativo o positivo.

Esempi di circuiti di controllo:

• Aumento della pressione parziale di anidride carbonica: Quando la pressione parziale di CO₂ nel sangue aumenta, questa variazione viene rilevata da recettori specializzati noti come “chemocettori”. Questi inviano informazioni al SNC, che funge da centro di integrazione. In risposta all’aumento della CO₂, il SNC invia segnali ai muscoli respiratori (bersaglio), stimolando un incremento della frequenza respiratoria. L’obiettivo di questo meccanismo è ridurre la concentrazione di anidride carbonica nel sangue attraverso un aumento degli atti respiratori, facilitando così l’eliminazione dell’anidride carbonica in eccesso.
• Disidratazione: In caso di disidratazione, l’osmolarità dei fluidi corporei aumenta. Questo cambiamento viene rilevato dagli osmocettori localizzati nel SNC, che stimolano il rilascio di ormone antidiuretico (ADH) dalla neuroipofisi. L’ADH agisce sui reni, aumentando il riassorbimento di acqua, riducendo l’eliminazione urinaria e aiutando a mantenere l’equilibrio idrico.
• Riflesso barocettivo: Il riflesso barocettivo regola rapidamente la pressione arteriosa. I barocettori nei seni carotidi e nell’arco aortico rilevano variazioni di pressione e inviano segnali al centro di controllo cardiovascolare nel tronco encefalico.
  • Se la pressione aumenta: Il sistema nervoso parasimpatico riduce la frequenza cardiaca e dilata i vasi sanguigni per abbassarla.
  • Se la pressione diminuisce: Il sistema nervoso simpatico aumenta la frequenza cardiaca e restringe i vasi sanguigni per riportarla a valori normali.

Sistemi di controllo

I sistemi di controllo nel nostro corpo possono essere suddivisi in:

• Feedback positivo: La risposta amplifica lo stimolo iniziale. Per esempio, durante il parto, la pressione della testa del bambino sulla cervice attiva recettori che stimolano il rilascio di ossitocina. Questa intensifica le contrazioni uterine, aumentando la distensione cervicale e favorendo il rilascio di ulteriore ossitocina, creando un ciclo di amplificazione.
• Feedback negativo: La risposta neutralizza lo stimolo iniziale. Per esempio, in caso di perdita di sangue, il corpo attiva meccanismi compensatori: i reni riducono l'escrezione di acqua e sodio, aumentando la ritenzione di liquidi per ripristinare il volume sanguigno. Una volta ristabilito l’equilibrio, il corpo torna all’omeostasi.
• Feedforward o anticipatorio: Sistema che si attiva in anticipo rispetto a un evento. Ad esempio, alla vista del cibo, la bocca produce saliva in anticipo, un fenomeno noto come "acquolina in bocca". Studiato da Pavlov, dimostra come l’organismo si prepari a un evento futuro tramite segnali anticipatori.

Membrana plasmatica

La membrana plasmatica separa il liquido interstiziale dallo spazio intracellulare. È semipermeabile, cioè, permette il passaggio di sostanze liposolubili o molto piccole, ed impedisce il passaggio a sostanze cariche o più grandi. È formata da un doppio strato fosfolipidico, con le teste polari verso l’ambiente extracellulare e le code idrofobiche verso l’interno della membrana. In condizioni fisiologiche, lo ione Calcio, lo ione Bicarbonato, lo ione Sodio sono concentrati maggiormente all’esterno della cellula, mentre gli anioni proteici, lo ione Potassio lo sono maggiormente all’interno. Nonostante la semipermeabilità, esistono sostanze in grado di attraversare liberamente il doppio strato fosfolipidico, sfruttando la differenza di concentrazione ai due lati della membrana, come, ad esempio, gli ormoni steroidei grazie alla loro elevata liposolubilità. A essi si aggiungono l’ossigeno, anidride carbonica, benzene e anche l’acqua.

Trasporti

Altre molecole, per caratteristiche fisico-chimiche, non riescono ad attraversare la membrana sfruttando la differenza di concentrazione ai due lati di essa, ma riescono comunque ad attraversarla, ricorrendo a trasporti detti attivi.

Trasporti attivi: necessaria l’idrolisi dell’ATP, cioè, ricava energia perché trasporta contro gradiente di concentrazione; quindi, da dove è meno concentrata dove è più concentrata.

• Primari: utilizza direttamente l’ATP. Ha attività enzimatica.
• Secondari: utilizza indirettamente l’ATP, poiché utilizza l’energia creata dal trasporto primario. Non ha attività enzimatica.
• Simporto: due molecole trasportate nello stesso verso.
• Antiporto: due molecole in direzioni opposte.

Trasporti passivi: senza consumo di ATP, sfrutta il gradiente di concentrazione.

• Diffusione semplice: la sostanza attraversa il doppio strato.
• Diffusione regolata/facilitata: le molecole sono aiutate da canali o da carrier/trasportatori.

Un esempio di diffusione passiva è l’osmosi, ovvero il movimento dell’acqua attraverso una membrana semipermeabile, da una soluzione a bassa pressione osmotica a una con alta pressione osmotica. Un esempio è il rene, dove l’osmosi gioca un ruolo cruciale nel riassorbimento di acqua e soluti.

I canali presenti nella diffusione regolata sono formati da complessi proteici, che formano un foro centrale attraverso cui avviene il passaggio delle sostanze. Questi canali normalmente sono chiusi e si aprono in risposta a uno stimolo. In base agli stimoli abbiamo visto diversi canali:

• Canali voltaggio-dipendenti: Si aprono in risposta a un’inversione della polarità di membrana.
• Canali ligando-dipendenti: Si aprono in risposta a un legame con un mediatore chimico. Esempio il recettore colinergico nicotinico.
• Canali meccano-dipendenti: Si aprono in risposta a uno stimolo meccanico, come l’allungamento della membrana.
• Acquaporine: Sempre aperti permettono il passaggio selettivo delle molecole d’acqua.

I carrier o trasportatori presenti nella diffusione facilitata, non creano mai una comunicazione diretta tra l’interno e l’esterno della cellula. Questi trasportatori sono aperti o all’interno o all’esterno e sono altamente selettivi. Un limite di essi è la saturabilità, quando la concentrazione della sostanza da trasportare aumenta fino ad occupare tutti i trasportatori, il tasso di trasporto non può più aumentare raggiungendo così una velocità massima. Un esempio sono i trasportatori GLUT. Abbiamo visto il GLUT1 affine al glucosio e il GLUT4 affine all’insulina, questi carrier aperti verso l’esterno, una volta che legheranno le sostanze affini ad essi, subiranno un cambiamento conformazionale, aprendosi verso l’interno e rilasciando la sostanza.

Pompa sodio/potassio

Trasporto attivo primario, utilizza direttamente l’energia dell’ATP per spostare molecole contro gradiente di concentrazione. Questa pompa è composta da subunità alfa, che idrolizza ATP per spostare sodio e potassio, e da subunità beta, che ha un ruolo strutturale. La pompa presenta una conformazione E1, rivolta verso l’interno, e una conformazione E2, verso l’esterno. Funzionamento:

1. Legame del sodio: 3 ioni Na si legano alla pompa nella conformazione E1.
2. Fosforilazione: Idrolisi dell’ATP, trasferimento di un gruppo fosfato alla pompa che cambia conformazione in E2.
3. Rilascio del sodio: 3 ioni Na vengono rilasciati all’esterno.
4. Legame del potassio: 2 ioni K si legano alla pompa nella conformazione E2.
5. Defosforilazione: La pompa perde il gruppo fosfato tornando alla conformazione E1.
6. Rilascio del potassio: 2 ioni K vengono rilasciati all’interno.

Canali ionici

Applicano un tipo di trasporto passivo, ovvero quello della diffusione regolata. I canali ionici nelle cellule eccitabili hanno la capacità di rispondere a stimoli modificando il loro potenziale di membrana. Nelle cellule non eccitabili, invece, sono coinvolti nel mantenimento del potenziale di membrana a riposo. I canali ionici sono anche essenziali nella trasduzione del segnale, ad esempio nei neuroni il calcio può indurre il rilascio di neurotrasmettitori. Le canalopatie sono disturbi causati da alterazioni nei canali ionici, che possono portare a malattie come la fibrosi cistica, causata da una mutazione in un canale del cloro.

Ogni canale offre una certa “resistenza” al passaggio degli ioni. Però, anziché parlare di resistenza, si preferisce usare il termine “conduttanza”, che è l’inverso della resistenza: più alta è la conduttanza, più facilmente passano gli ioni.

Il movimento degli ioni è guidato da una forza chiamata forza elettrochimica, che dipende da:

1. Il gradiente chimico: la differenza di concentrazione dello ione tra l’interno e l’esterno della cellula.
2. Il gradiente elettrico: la differenza di carica elettrica (cioè, il potenziale di membrana).

Queste due componenti insieme formano il gradiente elettrochimico. Se è abbastanza forte, lo ione riesce a passare attraverso il canale.

La maggior parte dei canali, come quelli del potassio, sono ohmici: presentano una conduttanza costante, cioè, lasciano passare gli ioni allo stesso modo. I canali rettificanti, invece: modificano la loro conduttanza a seconda del potenziale della membrana. In pratica, lasciano passare gli ioni meglio in una direzione rispetto all’altra.

Il canale ionico è una proteina integrale di membrana, formata da una subunità alfa, cioè una catena amminoacidica che attraversa la membrana. Tale subunità è organizzata in quattro domini, ciascuno composto da sei segmenti transmembrana. Il quarto segmento funziona come sensore del voltaggio, attivando il canale durante la depolarizzazione della membrana, mentre l’ansa P tra i segmenti S5 e S6 forma il filtro di selettività del canale, grazie a cui avviene il passaggio degli ioni. Questo filtro di selettività presenta dei residui amminoacidici intorno a sé che permettono di eliminare il guscio d’acqua che è intorno allo ione sostituendo le molecole d’acqua con atomi di ossigeno appartenenti ai gruppi carbonilici dei residui amminoacidici. A questo punto il filtro di selettività stabilirà un’interazione debole con lo ione, facilitandone il passaggio.

Canali ad accesso variabile

Questi canali sono fondamentali nella generazione di potenziali d’azione e sono altamente selettivi. Essi si aprono solo in risposta a uno specifico stimolo:

• Voltaggio, variazioni del potenziale di membrana;
• Ligandi;
• Stimoli meccanici;
• Canali TRP, coinvolti nella trasmissione di segnali nocicettivi (dolore);

Presentano tre possibili conformazioni:

1. Conformazione chiusa: in assenza di stimoli;
2. Conformazione aperta: in seguito ad uno stimolo;
3. Conformazione refrattaria, meccanismo difensivo assunto in seguito da uno stimolo persistente per evitare il danneggiamento della cellula.

Il canale in conformazione refrattaria può rispondere ad un nuovo stimolo solo quando passa allo stato chiuso. Per cui la cellula sarà in uno stato inattivo. Se ciò accade ad un recettore parleremo di desensibilizzazione dei recettori.

Questo meccanismo di refrattarietà è essenziale per le cellule nervose, poiché impedisce la generazione continua di potenziali d’azione, proteggendo la cellula da scariche ripetute che potrebbero danneggiarla.

Canali voltaggio-dipendenti

Questi canali si attivano quasi tutti in risposta a uno stimolo depolarizzante. Anche in condizioni di riposo, la membrana cellulare è polarizzata, con un potenziale negativo. I valori di questo potenziale variano:

• Per le cellule nervose: -70 millivolt
• Per le cellule muscolari: -90 millivolt
• Per le cellule pacemaker: -60/65 millivolt

Depolarizzazione: Membrana cellulare va da valori negativi a valori più positivi.

Iperpolarizzazione: Membrana cellulare assume valori ancora più negativi.

L’apertura di questi canali dipende dal sensore del voltaggio, che si trova nel segmento S4 di ciascun dominio, ed è composto da residui amminoacidici carichi positivamente. In condizioni di riposo, l’esterno della membrana è positivo e l’interno è negativo. Quando arriva