Fisiologia umana – Appunti completi, 2025/2026

Fisiologia

La fisiologia è la disciplina che studia le funzioni vitali dell’organismo, analizzando i meccanismi e i processi alla base di attività di cellule, organi e apparati, che operano in maniera coordinata e integrata per conservare l’integrità e favorirne l’adattamento all’ambiente.

Il processo è cosa fa un sistema, il meccanismo è cosa fa un sistema. Il processo, in maniera più dettagliata, è una serie di eventi (sottoprocessi) collegati tra di loro che hanno un obiettivo, ad esempio la respirazione, la digestione. Ad esempio, la digestione è la degradazione delle molecole degli alimenti perché diventino nutrienti, molecole più piccole per far modo che quest’ultime vengano assorbite ed entrino nei nostri processi metabolici, e questo è un processo. Invece i meccanismi all’interno di questo sistema riguardano gli enzimi digestivi che vanno a decomporre le molecole degli alimenti, sono i trasportatori di membrana che fanno in modo di poter assorbire i nutrienti dall’intestino al nostro interstizio.

L’organismo è un sistema termodinamicamente aperto, che per mantenere attivamente i propri equilibri ha bisogno di rifornirsi continuamente di energia dall’esterno (ambiente) e utilizzare l’energia potenziale chimica contenuta dai legami chimici degli alimenti per costruire la nostra moneta energetica. Allo stesso tempo, questi nutrienti una volta assorbiti dall’ambiente, dobbiamo espellere i prodotti di scarto nell’ambiente. La materia e l’energia in ingresso devono essere uguali a quelle in uscita.

Potenziale di membrana

Il potenziale di membrana è la differenza di voltaggio presente ai due lati della membrana cellulare. È espresso in termini di differenza di potenziale all’interno della cellula rispetto al voltaggio misurato all’esterno di essa.

In tutte le cellule è possibile registrare una differenza di potenziale a cavallo della membrana plasmatica che è comunemente definita, appunto, potenziale di membrana. In alcune cellule questo valore è costante, mentre in altre varia anche rapidamente in relazione all’attività fisiologica svolta dalla cellula stessa. Soltanto i neuroni e le cellule del muscolo scheletrico e cardiaco sono capaci di generare un segnale bioelettrico transiente che può essere propagato anche a lunghe distanze; per questa loro caratteristica sono definite cellule eccitabili, mentre il segnale prende il nome di potenziale d’azione. Il significato funzionale di potenziale d’azione è la trasmissione di informazioni.

Il potenziale di membrana a riposo è la differenza di voltaggio transmembrana che si registra in una cellula che si trova in stato di quiescenza e non riceve alcun segnale (quando non sono stimolate).

Il potenziale di membrana può cambiare temporaneamente e questo è importante per le nostre cellule, come neuroni o cellule muscolari (cellule eccitabili), perché questo significa segnali per queste cellule eccitabili che portano ad esempio la cellula muscolare a contrarsi.

In questa illustrazione abbiamo una cellula nel suo mezzo di coltura, un microelettrodo dotato di fili di rame o altri metalli capaci di condurre elettricità con il quale posso registrare l’attività elettrica di una cellula, e abbiamo poi anche un elettrodo di riferimento posto nel bagno di coltura. Questi due sono collegati con un voltmetro elettrometrico e un oscilloscopio che misurano la differenza di potenziale di voltaggio netto dai 2 diversi elettrodi. Nel caso A, vediamo che il microelettrodo è appena immerso nel bagno di coltura, e anche l’elettrodo di riferimento, e quindi leggono lo stesso voltaggio; quindi, il voltmetro che misura i 2 voltaggi dà come valore 0 perché ovviamente non c’è differenza di voltaggio tra questi. L’oscilloscopio collegato al voltmetro, ci fa vedere che quest’ultimo si mantiene su una linea retta fissa sullo 0, non c’è differenza.

Nel caso B, andiamo ad entrare con il microelettrodo, all’interno della cellula, e notiamo che il voltaggio che otteniamo è differente da quello dell’elettrodo di riferimento, in particolare misurano un voltaggio negativo, all’interno della cellula rispetto a quello di riferimento, che è all’incirca pari a –70 mV (milliVolt). Nell’oscilloscopio invece osserviamo un tracciato che forma una sorta di gradino una volta che inseriamo il microelettrodo nella cellula, fino ad arrivare ad un valore di -70 mV, e poi si mantiene stabilmente, finché questa cellula rimane in uno stato di quiescenza.

Il potenziale di membrana a riposo non è un equilibrio passivo (termodinamico), ma dinamico, ovvero un equilibrio, una stabilità (potenziale di membrana sempre fisso a -70, finché non stimolo la cellula) che si mantiene grazie a meccanismi attivi. Quando stimoliamo la cellula, questo potenziale di membrana cambia, e allora abbiamo quelle che chiamiamo variazioni temporanee del potenziale di membrana, che non è più il potenziale di membrana a riposo, ma un potenziale che sta cambiando temporaneamente perché la cellula è stimolata. È molto importante che questo potenziale vari, perché permette a quelle che sono cellule, definite eccitabili (neuroni, cellule muscolari), di indurre il loro stato funzionale. Quindi ad esempio un neurone cambierà la sua frequenza di scarica e la capacità di trasmettere informazioni, una cellula muscolare varierà il suo stato contrattile, si accorcerà, si allungherà.

Quindi il potenziale di membrana a riposo è un potenziale che la cellula mantiene stabile nel tempo, ma variazioni di questo potenziale di membrana significano importanti segnali per le nostre cellule eccitabili.

Importante sottolineare che, se c’è un potenziale di membrana che sia stabile (a riposo) o che stia cambiando temporaneamente, significa che ci sono delle correnti elettriche, dei flussi ionici (movimenti di ioni che attraversano la membrana cellulare) che attraversano la membrana cellulare e che sono alla base della genesi e mantenimento dei potenziali elettrici transmembranari. Quindi come fanno gli ioni a spostarsi attraverso una membrana che divide due compartimenti?

Diffusione degli ioni fra due compartimenti

Ora un modellino molto semplice dove abbiamo due compartimenti, uno A e uno B, divisi da una membrana e questa è permeabile allo ione che è in soluzione. Lo ione è diffusibile attraverso questa membrana, perché quest’ultima presenta alcuni strumenti (canali ionici, senza di questi non sarebbe in grado di attraversarla) che permettono in maniera selettiva e regolata il passaggio di ioni.

Quindi abbiamo un catione monovalente X+ che è più concentrato in A (1 M) che in B (0,1 M), quindi 10 volte maggiore in A rispetto a B. Nel caso non parlassimo di uno ione, ma di un soluto neutro, sappiamo che il soluto si diffonderà verso B, ottenendo un sistema all’equilibrio, avendo una concentrazione di questo soluto neutro uguale nei 2 compartimenti. Sappiamo che questo accade in tante circostanze, pensiamo ad esempio alla diffusione dell’ossigeno, o del glucosio, che attraversano la membrana aiutati o meno da sistemi di trasporto, in funzione del loro gradiente chimico (diffusione semplice). Altri soluti che seguono il loro gradiente chimico, ma hanno bisogno di trasportatori per permettere questa diffusione (diffusione facilitata). Quindi ricapitolando un moto diffusionale in base al gradiente chimico, tende ad annullare il gradiente chimico e ad uniformare le concentrazioni del soluto nei compartimenti separati da una membrana.

Per spiegare invece la diffusione degli ioni non basta più parlare di gradiente chimico, ma anche di gradiente elettrochimico. Al tempo zero, in questo sistema semplificato nei 2 compartimenti, c’è elettroneutralità, ovvero non c’è una differenza di potenziale che possa agire sullo ione, ma solo una differenza di concentrazione (ovviamente stiamo facendo un esempio semplificato, trascurando alcune componenti). Cosa succede se mettiamo in movimento questo sistema? Succede che X+ si muove secondo il suo gradiente chimico, cominciando ad avere un moto diffusionale di X+ su base chimica, in funzione di un gradiente di concentrazione, esattamente come se fosse glucosio e non avesse cariche elettriche, ma la differenza sta nel fatto che X+ muovendosi porta con sé una carica elettrica positiva. Essendoci delle cariche si genera una differenza di potenziale elettrico, perché le cariche positive trasportate dallo ione X si accumulano nel comparto B, ottenendo un potenziale elettrico transmembranario positivo in B e negativo in A. Questa differenza di potenziale è un gradiente elettrico fondamentalmente, che rappresenta una forza aggiuntiva che lavora sugli ioni, che dipende dal gradiente transmembranario che ora è positivo in B. Ora una volta che il gradiente elettrico è positivo in B, riporterà le cariche a spostarsi in A. Quindi, in questo sistema non riusciremo mai ad uniformare la concentrazione dello ione, non sarà mai in equilibrio questo sistema. L’equilibrio di questo sistema lo otteniamo quando il gradiente elettrico e quello chimico si equivalgono, e quindi il flusso dello ione X+ dovuto al gradiente di concentrazione (da A verso B) è uguale al flusso in senso opposto dello ione dovuto al potenziale elettrico (da B verso A). Pertanto, si annulla il flusso netto dello ione (è pari a 0). [Questo modello ideale ci serve per capire che il moto diffusionale degli ioni obbedisce ad un gradiente che non è solo chimico (come quello del glucosio) ma un gradiente elettrochimico (gradiente chimico e gradiente elettrico), 2 componenti].

Equazione di Nernst

Quindi abbiamo 2 componenti; una chimica e una elettrica e quando queste si equivalgono abbiamo un sistema all’equilibrio. L’equazione di Nernst ci dice quant’è il potenziale di membrana di questo ione così concentrato nei 2 compartimenti all’equilibrio. Quindi ci dice qual è il potenziale di membrana di singoli ioni all’equilibrio. La componente chimica presenta quindi alcune costanti, come la costante dei gas (R) e la costante della temperatura assoluta (T), che sono attinenti al calcolo della chimica del gradiente, ma quella che veramente costituisce la mia variabile di interesse sono le concentrazioni. Quindi la componente chimica dipende da queste concentrazioni. La componente elettrica dipende da alcune componenti come la valenza dello ione X (Z), la costante di Faraday (F) e la differenza di potenziale elettrico ai due lati della membrana, dove solo Faraday è costante.

Il sistema sarà all’equilibrio quando la componente elettrica e la componente chimica si equivalgono (il flusso netto dello ione X+ si annulla), quindi delta μ (gradiente elettrochimico) sarà uguale a 0. Poi andremo a sostituire delta μ con la componente chimica meno la componente elettrica e vado ad ottenere quella che è l’equazione di Nernst facendo i vari calcoli, dove Ex sta per il potenziale di equilibrio elettrochimico Ex, ovvero il potenziale di membrana al cui uno ione, date le concentrazioni iniziali, sarà all’equilibrio.

Ciò che otteniamo è un valore in milliVolt (mV).

Quindi il potenziale di equilibrio elettrochimico di uno ione è il potenziale di membrana in corrispondenza del quale le forze chimiche (dovute al gradiente di concentrazione) che determinano il movimento dello ione attraverso la membrana sono in equilibrio con quelle elettriche (dovute alla differenza di potenziale elettrico transmembranario). In altre parole, è il valore di potenziale di membrana al quale il flusso diffusionale netto dello ione si annulla.

Quindi, applicando l’equazione di Nernst in questo sistema, viene fuori che all’equilibrio il moto diffusionale di questo ione in funzione di questo gradiente elettrochimico, ha caricato la membrana di un potenziale elettrico che è pari a -60 mV nel comparto in cui il catione X+ è più concentrato. Ovvero il potenziale di membrana è pari a -60 mV, in questo caso.

Simulazioni delle variabili del sistema

Proviamo a fare delle simulazioni, giochiamo con le variabili di questo sistema, andando a cambiare ad esempio la concentrazione dello ione all’interno della formula di Nernst:

• Ora rispetto all’altra volta abbiamo 0,5 molare invece che 0,1, quindi che succede? Semplicemente il gradiente chimico di quello ione ora è inferiore, e svolgendo Nernst notiamo che prima il rapporto era 10, ora sarà 5. Se la forza chimica è più debole, abbiamo bisogno di una forza elettrica più debole per far pari (per ottenere l’equilibrio), quindi se prima avevo come risultato -60 ora sarà -40.
• Cosa succederebbe se invertissimo le concentrazioni dei cationi? Quindi ora abbiamo 1 molare in B e 0,1 molare in A, ciò che otteniamo è un potenziale di membrana uguale a +60 milliVolt.
• Se X fosse bivalente, ovvero stessa situazione ma mettiamo una carica in più su X (X++), ciò che accade è che Zx all’interno dell’equazione non è più 1 ma 2, quindi otterremo un risultato di -30 mV. Il gradiente elettrico è più piccolo perché quest’ultimo è più efficace a muovere un catione bivalente che un catione monovalente.
• E se lo ione X+ fosse uno anione X-? La separazione di cariche come ampiezza è la stessa, 60 mV, ma la polarità è opposta.
• Se il potenziale di membrana variasse? Se il potenziale di membrana fosse -60 mV in A rispetto a B, quindi la mia condizione iniziale è: 1 molare di X+ contro 0,1 molare e abbiamo una separazione di cariche con 60 mV di negatività (-60 mV) in A rispetto a B, cosa succede? Non essendo all’equilibrio lo ione si sposta, e il verso della corrente netta di quello ione è in ragione del suo gradiente chimico, perché il vettore che mi rappresenta quel flusso è superiore ancora a quel vettore che mi rappresenta il flusso al contrario. Quindi il gradiente chimico vince su quello elettrico, perché il potenziale elettrico di membrana, è sì della stessa polarità (-40 mV) ma inferiore a quello di equilibrio (-60 mV).
• E se fosse -80 il potenziale di membrana? Se il potenziale è di -80 mV, come prima cosa possiamo dedurre che non ci troviamo all’equilibrio, quindi il nostro ione si sta muovendo, ha un flusso netto. Dove va? Prevale il gradiente chimico o quello elettrico? In questo caso ho un valore di –80 mV e Nernst mi dice che all’equilibrio siamo a –60 mV, vuol dire che il gradiente elettrico è della stessa polarità ma più ampio. In questo momento il gradiente elettrico rappresenta una forza che muove lo ione che è superiore a quella chimica, e allora il vettore che rappresenta il movimento dello ione su base elettrica è più grande del vettore che rappresenta il movimento su base chimica, quindi prevarrà il gradiente elettrico.
• E se il gradiente elettrico contro il potenziale transmembranario fosse +30 mV? Quindi il gradiente elettrico è positivo in A, cambiamo l’entità e la sua polarità. La componente elettrica e quella chimica del gradiente elettrochimico spingono il moto diffusionale dello ione, entrambe, nella stessa direzione, siamo molto lontano dall’equilibrio. Questa distanza del potenziale di membrana dall’equilibrio, vuol dire che il flusso ionico è massimo, perché non ci sono 2 flussi che si controbilanciano; quindi, non vado a fare la sottrazione dei vettori, ma faccio l’addizione dei 2 vettori. Perché i 2 vettori sia la componente chimica che elettrica del gradiente elettrochimico di quello ione, se il potenziale di membrana fosse 30 mV positivo in A, tutte e 2 le componenti spingerebbero in un solo verso.

Quindi ciò che comprendiamo da questi esempi, è che il flusso netto dello ione dipende dal gradiente elettrochimico, deve essere diverso da 0, e se è 0 questo ione non si sposta, se non è 0 si sposta. La direzione in cui si sposta dipende se vince il gradiente elettrico o chimico, se 2 gradienti sono concordi, il flusso netto è maggiore perché siamo ancora più distanti dall’equilibrio.

Trasporto attivo

Cominciamo ad entrare nel dettaglio nelle nostre cellule.

La nostra cellula è racchiusa nella sua membrana plasmatica, la prima cosa che dobbiamo fare è separare degli ioni, ragionare sulla componente chimica che è data dal rapporto delle concentrazioni degli ioni. È plausibile pensare che nel mezzo extracellulare che bagna la membrana plasmatica rispetto al mezzo intracellulare che bagna la membrana cellulare, ci sia una differente concentrazione di ioni. Gli ioni fondamentali sono 2; Na+ e K+. Chi genera il gradiente di concentrazione (la differenza di concentrazione) di sodio e potassio a cavallo della membrana, il sodio è concentrato dentro il potassio fuori. Questo perché sono presenti dei trasporti, che posso mediare un trasporto di tipo attivo.

Trasporto attivo, il quale richiede energia ATP per spostare un soluto contro il proprio gradiente. Il trasporto contro gradiente deve avvenire quindi con utilizzo di energia, e il suo obiettivo è generare un gradiente. Dividiamo i trasporti attivi; primario e secondario, e si distinguono per la modalità per come utilizzano l’energia. Il primario è un trasporto ATP dipendente, quindi utilizza l’idrolisi di ATP per ricavare quell’energia necessaria per far funzionare il suo meccanismo di trasporto. Il trasporto secondario, che lo chiamiamo anche accoppiato, per funzionare, sfrutta l’energia potenziale che è nel gradiente precedentemente generato da un trasporto attivo primario, non utilizza ATP.

Chi è c