Presentazione alla fisiologia

Fisiologia

Capitolo 1: introduzione alla fisiologia

Introduzione

La fisiologia è la scienza scientifica che studia i fenomeni che permettono il funzionamento degli organismi viventi in condizioni normali, integrando le conoscenze di altre discipline. Il metodo scientifico utilizzato che dimostra se le affermazioni sono vere è organizzato in passaggi:

• Osservazione di un fenomeno
• Formulazione di un’ipotesi
• Esecuzione dell’esperimento
• Raccolta dei dati
• Osservazione critica
• Pubblicazione su una rivista scientifica

Livelli di organizzazione della materia vivente

Cellule: le cellule svolgono diverse attività:

• Assunzione (assorbimento): capacità di prelevare dall’esterno le sostanze che sono fonte di energia e quelle utili per la sintesi di sostanze nuove. Attività svolta dall’apparato digerente e respiratorio.
• Escrezione/secrezione: capacità di eliminare nell’ambiente esterno i rifiuti metabolici e rilasciare le sostanze sintetizzate (enzimi, ormoni). Attività svolta dall’apparato respiratorio, renale e tegumentario.
• Metabolismo: capacità di svolgere le reazioni chimiche per immagazzinare (anaboliche, sintesi di nuove sostanze) e liberare (cataboliche, associate alla demolizione di sostanze) energia.
• Crescita e maturazione: capacità di aumentare le dimensioni e di assumere nuove funzioni più complesse. La maturazione avviene attraverso l’acquisizione di molecole con funzioni specifiche. L’accrescimento invece dipende da specifici ormoni.
• Movimento: capacità di muovere il proprio ambiente (azione dei muscoli scheletrici sotto il controllo del SNC) e produrre movimento delle sostanze interne.
• Riproduzione: capacità di dare vita a nuovi elementi (divisione cellulare o mitosi) per rinnovare il patrimonio cellulare.

Tessuti: gruppi di cellule con stesse caratteristiche morfologiche e funzionali:

• Tessuto epiteliale: formato da cellule compatte, ricopre le parti esposte, le cavità, i condotti e gli organi. Ha funzione di protezione, assorbimento, filtrazione e secrezione. Attraverso queste cellule si hanno scambi di acqua, gas soluti e nutrienti.
• Tessuto connettivo: formato da cellule disperse nella sostanza intercellulare la quale contiene fibre che rendono il tessuto resistente (fibre) ed elastico (pareti delle arterie). Nell’osso la sostanza intercellulare è calcificata.
• Tessuto muscolare: capacità di contrarsi grazie alle miofibrille. Si distingue in:
  • Scheletrico: specializzato nella contrazione, lo scheletro attaccato alle ossa è utilizzato per movimenti coscienti e volontari.
  • Cardiaco: presente nel cuore e produce i movimenti di pompa.
  • Liscio: presente negli organi cavi interni e determina contrazioni e rilasciamenti involontari.
• Tessuto nervoso: costituito da neuroni.

Organi: strutture formate da due o più tessuti che svolgono funzioni particolari. Gli organi che contengono tutti i tipi di tessuti sono cuore e stomaco.

Apparati e sistemi: sono costituiti da diversi organi che collaborano nello svolgimento di funzioni finalizzate al funzionamento fisiologico dell’organismo.

Fisiologia

Capitolo 1

Introduzione alla fisiologia

Introduzione

La fisiologia è la scienza scientifica che studia i fenomeni che permettono il funzionamento degli organismi viventi in condizioni normali, integrando le conoscenze di altre discipline. Il metodo scientifico utilizzato che dimostra se le affermazioni sono vere è organizzato in passaggi:

• Osservazione di un fenomeno
• Formulazione di un'ipotesi
• Esecuzione dell'esperimento
• Raccolta dei dati
• Osservazione critica
• Pubblicazione su una rivista scientifica

Livelli di organizzazione della materia vivente

Cellule: le cellule svolgono diverse attività:

• Assunzione (assorbimento): capacità di prelevare dall'esterno le sostanze che sono fonte di energia e quelle utili per la sintesi di sostanze nuove. Attività svolta dall'apparato digerente e respiratorio.
• Escrezione/secrezione: capacità di eliminare nell'ambiente esterno i rifiuti metabolici e rilasciare le sostanze sintetizzate (enzimi, ormoni). Attività svolta dall'apparato respiratorio, renale e tegumentario.
• Metabolismo: capacità di svolgere le reazioni chimiche per immagazzinare (anaboliche, sintesi di nuove sostanze) e liberare (cataboliche, associate alla demolizione di sostanze) energia.
• Crescita e maturazione: capacità di aumentare le dimensioni e di assumere nuove funzioni più complesse. La maturazione avviene attraverso l'acquisizione di molecole con funzioni specifiche. L'accrescimento invece dipende da specifici ormoni.
• Movimento: capacità di muovere il proprio ambiente (azione dei muscoli scheletrici sotto il controllo del SNC) e produrre movimento delle sostanze interne.
• Riproduzione: capacità di dare vita a nuovi elementi (divisione cellulare o mitosi) per rinnovare il patrimonio cellulare.

Tessuti: gruppi di cellule con stesse caratteristiche morfologiche e funzionali:

• Tessuto epiteliale: formato da cellule compatte, ricopre le parti esposte, le cavità, i condotti e gli organi. Ha funzione di protezione, assorbimento, filtrazione e secrezione. Attraverso queste cellule si hanno scambi di acqua, gas soluti e nutrienti.
• Tessuto connettivo: formato da cellule disperse nella sostanza intercellulare la quale contiene fibre che rendono il tessuto resistente (fibre) ed elastico (pareti delle arterie). Nell'osso la sostanza intercellulare è calcificata.
• Tessuto muscolare: capacità di contrarsi grazie alle miofibrille. Si distingue in:
  • Scheletrico: specializzato nella contrazione, lo sforzo attaccato alle ossa è utilizzato per movimenti coscienti e volontari.
  • Cardiaco: presente nel cuore e produce i movimenti di pompa.
  • Liscio: presente negli organi cavi interni e determina contrazioni e rilasciamenti involontari.
• Tessuto nervoso: costituito da neuroni.

Organi: strutture formate da due o più tessuti che svolgono funzioni particolari. Gli organi che contengono tutti i tipi di tessuti sono cuore e stomaco.

Apparati e sistemi: sono costituiti da diversi organi che collaborano nello svolgimento di funzioni finalizzate al funzionamento fisiologico dell'organismo.

Quattro apparati sostengono le esigenze di base e sono definiti apparati della vita vegetativa e sono responsabili di assunzione, trasformazione, assorbimento e distribuzione delle sostanze essenziali alle cellule e dell'eliminazione dei rifiuti del metabolismo così da mantenere costante la composizione dell'ambiente interno:

• Apparato digerente: funzione di dividere il cibo in molecole e riversarle insieme a ioni e acqua nel sangue e di eliminare le sostanze di rifiuto.
• Apparato respiratorio: funzione di ventilazione con il quale elimina l'anidride carbonica e assume ossigeno.
• Apparato renale: mantiene il volume e la composizione dei fluidi ed elimina le sostanze in eccesso.
• Apparato circolatorio: trasferisce alle cellule le sostanze nutritive ed elimina i prodotti di rifiuto.

Tre sistemi (gruppo di organi e tessuti) responsabili della vita di relazione cioè di interagire con l'ambiente:

• Sistema nervoso: raccoglie, elabora e interpreta le informazioni decidendo le azioni da intraprendere. È il centro del pensiero, dell'apprendimento e delle emozioni.
• Sistema muscoloscheletrico: responsabile delle azioni elaborate dal sistema nervoso. Lo scheletro funge da protettore per gli organi e consente la posizione eretta e la locomozione.
• Sistema endocrino: controlla in modo più lento e duraturo (rispetto al sistema nervoso) l'attività di cellule e organi attraverso ormoni e messaggeri chimici.

Due sistemi hanno funzioni protettive:

• Sistema tegumentario: funzione di barriera protettiva, contribuisce alla termoregolazione, escrezione di sostanze di rifiuto e scambio unidirezionale di acqua.
• Sistema immunitario: protegge l’ambiente interno, rimuove le cellule danneggiate o anomale.

Il sistema riproduttivo svolge funzioni tra vita vegetativa e relazione. Alcuni organi svolgono funzioni che appartengono a diversi sistemi come ad esempio il pancreas (funzioni dell'apparato digerente e sistema endocrino).

Omeostasi

Il termine omeostasi è utilizzato per indicare il mantenimento di condizioni costanti nel "mezzo interno" grazie a meccanismi fisiologici.

"I parametri dell’ambiente interno che devono essere mantenuti omeostaticamente sono:

• La concentrazione degli ioni nei vari compartimenti (controllo ionico).
• La concentrazione dell'acqua e degli ioni in essa disciolti (controllo osmotico).
• La regolazione della temperatura (controllo termico).
• La concentrazione dei composti organici per il metabolismo come proteine, lipidi, carboidrati (controllo energetico).

Tutte le nostre cellule possono continuare a vivere se attraverso le loro membrane vengono rifornite dall'esterno con tutto ciò che serve loro e possono eliminare tutto ciò che non serve. Ogni cellula funziona e vive normalmente soltanto se il proprio ambiente interno rimane stabilmente in condizioni adeguate e questo grazie alla presenza di questo ambiente "cuscinetto", ovvero del fluido extracellulare (circa 15 litri in adulto) che viene controllato nelle sue caratteristiche chimico-fisiche.

I meccanismi regolatori mantengono stabili le caratteristiche del liquido extracellulare in modo che ogni cellula possa stare in contatto con l’ambiente ideale per mantenere stabili le caratteristiche del proprio liquido intracellulare. La maggior parte delle comunicazioni tra cellule e cellula utilizza segnali chimici. L’informazione può passare da una cellula all’altra (comunicazione locale) o da una parte del corpo ad un'altra (comunicazione a distanza).

Le comunicazioni a lunga distanza sono favorite dal movimento del sangue nel circolo sanguigno, invece la comunicazione tra i liquidi extracellulari e l'ambiente interno delle cellule richiede che l'informazione venga trasferita attraverso la membrana cellulare; in questo caso il messaggio deve essere tradotto in un segnale intracellulare.

Meccanismi di controllo omeostatico

Ci sono sistemi di controllo che agiscono all'interno degli organi per regolare le funzioni di singole loro parti, mentre altri operano per controllare le interrelazioni fra gli organi. I sistemi di controllo omeostatici riguardano un insieme di strutture che consentono che il comportamento di un sistema (grandezza in uscita) segua un andamento prestabilito, che è determinato dalla grandezza del segnale applicato al suo ingresso. Tali sistemi di controllo si possono suddividere in:

Sistemi ad anello aperto

Sistemi ad “anello aperto” (o in avanti o predittivo o feedforward): il sistema aperto si riferisce ad un segnale in ingresso che è indipendente da quello in uscita, cioè i segnali di correzione sono applicati in anticipo, senza misurare l'effetto (relazione anticipativa). Questi sistemi vengono utilizzati quando il funzionamento del sistema è abbastanza prevedibile e non è richiesta una particolare precisione dei valori di uscita; i meccanismi di controllo hanno memorizzato (meccanismi di apprendimento e memoria) la dinamica temporale di un processo e la utilizzano per controllarne la risposta in evoluzione.

Sono ampiamente utilizzati nei meccanismi corticali e cerebellari, che agiscono sui riflessi posturali per il controllo della postura e del movimento, in quanto non implicano la necessità di un controllo consapevole. Ulteriori correzioni sono poi apportate durante l'esecuzione del movimento attraverso feedback negativo sulla base del risultato che in quel momento si sta ottenendo.

Sistemi ad anello chiuso

Sistemi ad "anello chiuso" (retroazione): nel caso del controllo ad anello chiuso (feedback negativo), il meccanismo è generalmente utilizzato per attuare l'omeostasi: l'azione evocata dalla perturbazione agisce in modo da contrastarla, per riportare il sistema alla situazione esistente precedentemente. La deviazione della variabile controllata in una direzione (aumento o diminuzione) rappresenta uno stimolo, che provoca la partenza di recettori di segnali che, giunti al centro integratore, ne modificano l’attività; questi inviano agli effettori comandi diretti ad attivarli in modo da assecondare sulla causa della deviazione, nella direzione opposta a quella del meccanismo che l’aveva provocata. La variabile così in un ambito molto ristretto di valori che costituisce il normale ambito di variabilità.

Esistono in questo caso due tipi di feedback:

• Negativo (la variazione produce una risposta che attenua o elimina la variazione stessa): il ruolo è quindi quello di stabilizzare una funzione mantenendola all'interno dell'ambito di normalità. Questi meccanismi di controllo e regolazione omeostatica presuppongono tre componenti:
  • Recettore (sensore): è sensibile alle modificazioni della variabile controllata. I segnali provenienti dall'esterno (stimoli fisici, chimici o elettromagnetici) e molte di quelli interni (elettrici) sono raccolti dai recettori sensoriali, che trasformano questi segnali in impulsi elettrici (traduzione) per trasmetterli al sistema nervoso centrale, dove l'informazione è elaborata e integrata.
  • Centro di integrazione: arrivano i segnali provenienti dai recettori, che sono confrontati con un valore di riferimento (set point), se il valore rilevato si discosta dal set point vengono generati comandi (nervosi e/o ormonali) diretti agli effettori, per dare luogo a una sensazione cosciente e/o una risposta. (es. un'attività motoria, attività cardiaca, una secrezione ghiandolare...).
  • Effettore: la sua attività, regolata dai segnali provenienti dal centro di integrazione in risposta ai segnali ricevuti, modifica il valore della variabile controllata. Il trasferimento di informazioni (feedback negativo) di comandi volti a modificare determinate risposte è attuato in diverse modalità e a distanza variabile nel tempo, e agisce dove i segnali sono chimici, recepiti da specifiche macromolecole proteine di membrana (recettori), i segnali elettrici invece trasmessi dal sistema nervoso sono convertiti in segnali chimici.
• Positivo (la variazione produce una risposta che amplifica la variazione stessa): il feedback positivo al contrario amplifica la deviazione una volta che si è verificata, ovvero quando la variabile devia dal suo valore normale o di riferimento, il sistema agisce con una risposta che va nella stessa direzione della deviazione, rendendola sempre più ampia (esempio: coagulazione del sangue); questo processo non interviene spesso come quello negativo ma in certi casi svolge un ruolo importante come durante il parto.

Guadagno di un sistema di controllo

Il guadagno (G) del feedback negativo determina il grado di efficienza con il quale un sistema di controllo mantiene condizioni costanti. Supponiamo che la pressione arteriosa si alzi per qualche motivo da 100 mmHg a 160 mmHg, questo stimolo genera un riflesso barocettivo che dopo pochi secondi fa scendere il valore della pressione da 160 mmHg a 140 mmHg; pertanto il sistema di controllo a feedback negativo ha determinato una correzione di -20 mmHg, cioè da 160 mmHg a 140 mmHg. Tuttavia, rimane ancora un aumento di pressione di +40 mmHg, definito errore.

Il guadagno viene quindi calcolato utilizzando la seguente formula:

Guadagno = correzione / errore

Nell'esempio del sistema barocettivo la correzione è di -20 mmHg e l'errore ancora persistente è pari a +40 mmHg; il guadagno sarà quindi -2.

I vari meccanismi di controllo operano, quindi, con un certo margine di errore, definito "guadagno nel sistema di controllo," che è espresso con un numero negativo.

Quanto più elevato il guadagno, tanto più il sistema sarà in grado di compensare la deviazione e minore sarà l'errore.

Un guadagno nullo indica che il sistema di controllo non è in grado di compensare in alcun modo la perturbazione, mentre un guadagno infinito indica il completo annullamento della perturbazione.

I meccanismi di controllo iniziano la loro correzione solamente dopo un certo periodo di latenza e quindi, se lo stimolo si mantiene inalterato nel tempo, il guadagno dei sistemi subisce modificazioni (ovvero i vari meccanismi regolatori perdono la loro efficacia e si adattano alla nuova situazione senza riportare la pressione arteriosa a valori normali).

In conclusione, l'omeostasi può essere definita come un equilibrio dinamico, regolato da sistemi di controllo, sia intracellulari che extracellulari, ai fini del mantenimento dell'integrità biochimica, strutturale e funzionale, che si realizza a tutti i livelli: cellulare, tissutale dell’intero organismo.

Altri temi della fisiologia

La complessità dei sistemi regolatori dell’organismo è causata dall’esistenza di complesse interazioni:

• Ridondanza: possibilità di compensare il deficit funzionale di altri sistemi complessi (per esempio il controllo della pressione arteriosa).
• Pleiomorfismo: la stessa struttura può svolgere diverse funzioni (ad esempio l’emoglobina che trasporta l’ossigeno, anidride carbonica e partecipa alla regolazione del pH).
• Plasticità: capacità delle funzioni biologiche di modificarsi in seguito a determinati stimoli ambientali e a perdurare dopo la cessazione (ad esempio l’esercizio fisico dove vengono fenomeni di modificazione della massa muscolare e delle funzioni cardiovascolare e respiratoria).