Riassunto esame Fisiopatologia, Prof. Scalfi Luca, libro consigliato Fisiologia, Scotto

Fisiologia

La fisiologia studia il funzionamento dell'organismo, inclusi processi chimici e fisici utilizzati nei processi vitali. L'organismo umano dovrebbe avere:

• Una stabilità sia a livello funzionale che strutturale
• Un'interazione con l'ambiente esterno per scambiare materie e calore
• Un ciclo vitale (sviluppo, replicazione/proliferazione, senescenza, morte)

Tessuto e organi

Il tessuto è un insieme di cellule simili associate per funzione. Il tessuto può essere solido ma anche liquido (sangue e linfa). Un organo è costituito da più tessuti che formano strutture più complesse. Un sistema è un insieme di organi con scopo in comune, mentre un apparato è un insieme di tessuti e organi diversi sia strutturalmente che per funzione e origine, ma che cooperano insieme.

I sistemi fisiologici

I sistemi in totale sono 10:

• 4 mantengono costante l’ambiente interno (digerente, renale, respiratorio e circolatorio)
• 4 sono connessi con l’esterno (nervoso, muscolare, scheletrico ed endocrino)
• 2 hanno funzioni protettive (tegumentario, sistema immunitario, libera e perdita di calore oltre che protezione)

L’ambiente esterno è l’ambiente che circonda l’organismo, come acqua, aria, ecc., ma include anche parti dell’organismo come vie respiratorie, canale alimentare e lume dell'apparato respiratorio ed escretore. L’ambiente interno interagisce con le cellule e le circonda; include anche quelle che hanno interfaccia verso l’esterno come vescica e fluidi interstiziali.

Omeostasi

L’omeostasi è un processo continuo che utilizza un sistema di controllo fisiologico per monitorare le funzioni dell'organismo. L’organismo ha determinati parametri, come il livello della pressione arteriosa e la concentrazione ematica del glucosio, che devono essere mantenuti in un certo ambito di valori affinché l’organismo si mantenga sano. Queste importanti variabili controllate vengono monitorate e regolate da sistemi di controllo fisiologici. Le caratteristiche fondamentali dei sistemi di controllo sono:

• Il segnale di ingresso (es. pressione arteriosa)
• Il centro di integrazione
• Il segnale di uscita
• La risposta

Il processo omeostatico si basa sull’azione di quattro componenti, che insieme prendono il nome di “feedback”. Il centro di integrazione emette un segnale d’uscita che può essere più intenso o meno. Il controllo può essere di due tipi:

• Locale: le cellule si trovano vicino al cambiamento che sta iniziando (risposta controllo più rapido)
• Riflesso: è controllato da cellule in distretti distanti (è un controllo più lento, sistema nervoso ed endocrino)

Feedback negativo e positivo

Il feedback può essere negativo o positivo:

• Negativo (detto anche retroazione negativa): è la risposta che contrasta lo stimolo (è di tipo inibitorio e soppressorio). Un esempio è la glicemia alta, dove questo processo serve a ridurre la glicemia. L’efficienza di questi sistemi può essere variabile; se un sistema è molto efficiente, le oscillazioni intorno al valore di riferimento saranno ridotte e viceversa.
• Positivo: la risposta rinforza lo stimolo. Un esempio è la contrazione uterina, che dipende dall’ormone ossitocina.

La cellula

Membrana cellulare

La membrana cellulare, oltre ai lipidi, contiene anche una percentuale di proteine; essa delimita il confine tra ambiente esterno ed interno e regola gli scambi di molecole e ioni. Nella membrana cellulare avvengono le comunicazioni intercellulari dirette (canali ionici) e indirette (attraverso comunicazioni cellulari).

La membrana inoltre ha:

• Proteine integrali (in grado di interagire con il doppio strato fosfolipidico)
• Proteine transmembrana
• Proteine esterne alla membrana (legate da legami covalenti o dagli acidi grassi)
• Proteine periferiche (legate con legami non covalenti)

Molte proteine di membrana svolgono funzioni enzimatiche; infatti, quelle transmembrana servono a connettere l’ambiente interno con quello esterno. Possono essere vie di passaggio per le molecole, ma hanno anche recettori che legano specifiche molecole all’esterno della cellula. Infine, hanno la capacità di mediare l’adesione delle cellule, connettere la cellula alla matrice extracellulare o creare strutture di ancoraggio per il citoscheletro.

Giunzioni cellulari

Le giunzioni cellulari sono strutture formate da proteine di membrana che consentono specifiche interazioni tra cellule adiacenti o tra cellule e matrice extracellulare. Vengono distinte in tre tipi di giunzioni:

• Occludenti: impediscono il passaggio dei fluidi tra le cellule, sigillano quasi completamente le aree adiacenti. In queste zone avviene solo il passaggio di ioni e acqua.
• Comunicanti (gap junction): sono presenti soprattutto nelle cellule nervose e sono costituite da canali ionici. Permettono il passaggio non solo di ioni, ma anche di molecole a basso peso molecolare.
• Ancoranti: sono strutture proteiche che uniscono le cellule tra loro, comprendono i desmosomi e le giunzioni aderenti. I desmosomi sono ancorati ai filamenti intermedi del citoscheletro, mentre le giunzioni aderenti sono simili strutturalmente ai desmosomi, ma la differenza è che sono costituite da filamenti di actina e miosina.

Passaggio di sostanze attraverso la membrana cellulare (trasporto transmembrana)

Con il termine trasporto di membrana ci si riferisce a diversi processi attraverso i quali la cellula è in grado di permettere l'attraversamento delle membrane biologiche alle molecole che non sono in grado di diffondervi autonomamente.

La membrana cellulare svolge almeno quattro importanti funzioni:

• Permettere il passaggio selettivo delle molecole destinate ad entrare all'interno della cellula (ad esempio ossigeno, glucosio o altre sostanze coinvolte nel rifornimento energetico)
• Consentire l'uscita verso la matrice extracellulare delle sostanze da eliminare, che possono essere tossiche per la cellula
• Impedire che agenti esterni possano danneggiare fisicamente i componenti interni della cellula
• Mantenere costante il pH del citosol

Le membrane sono in grado di selezionare le molecole che devono entrare all'interno della cellula affinché possano soddisfare le esigenze nutrizionali e mantenere l'omeostasi. Il passaggio di sostanze specifiche è consentito da specifici canali proteici o semplicemente per diffusione di sostanze lipidiche attraverso la membrana. È possibile distinguere due tipi di trasporti delle sostanze differenti: trasporto passivo e trasporto attivo.

Trasporto passivo

Il trasporto passivo consiste nel passaggio di molecole secondo gradiente. Per questo processo non è richiesto ATP. Questo tipo di trasporto può essere di due tipi differenti: diffusione semplice e diffusione facilitata.

• Diffusione semplice: le molecole sono aiutate da proteine di trasporto che ne facilitano e velocizzano il passaggio attraverso la membrana. Le molecole devono essere liposolubili (alcool, gas).
• Diffusione facilitata: le molecole attraversano la membrana liberamente, secondo gradiente (da una zona a maggiore concentrazione ad una a minor concentrazione). Entra lo ione nella cellula grazie a proteine trasportatrici, esse hanno un ciclo che si ripete dalla modifica della loro configurazione secondo una sequenza specifica. I trasportatori sono regolati da 2 porte non aperte contemporaneamente. Non c’è un contatto diretto tra ambiente interno ed extracellulare e non c’è l’utilizzo di energia.
• Diffusione attraverso i canali: le molecole si spostano dal gradiente più elevato al più basso. Per la cellula c’è il gradiente elettrochimico. Il potassio, che ha una carica positiva, viene attratto nella cellula. Ambiente interno e cellulare (poro aperto). Quando il cancello è aperto c’è continuità di spostamento, se è chiuso, anche se c’è il gradiente elettrochimico, il materiale non si sposta.

Trasporto attivo

Il trasporto attivo permette il passaggio di soluti contro gradiente di concentrazione. Tale passaggio è mediato da proteine di membrana che richiedono l'utilizzo di energia biochimica (ATP). Questo tipo di trasporto può essere ulteriormente suddiviso in diverse tipologie: trasporto attivo primario e trasporto attivo secondario.

• Trasporto attivo primario: Si occupa di trasferire molecole contro un gradiente di concentrazione, richiedendo la presenza di ATP. È in grado di generare un gradiente di concentrazione ed un gradiente elettrico a cavallo della membrana cellulare. Lo spostamento di un soluto dall'altra parte della membrana è legato alla conversione dell’ATP in ADP e fosfato inorganico. (il sodio va al di fuori della cellula)
• Trasporto attivo secondario: Si differenzia dal trasporto attivo primario per come viene utilizzata l'energia per spostare le sostanze secondo gradiente di concentrazione. Infatti, riutilizza l’energia impiegata nel trasporto attivo primario.

Potenziale di membrana

Per potenziale di membrana si intende la differenza di potenziale elettrico, in una cellula, tra il citosol, che presenta cariche negative, e lo spazio extracellulare, che presenta cariche positive. Questa differenza di cariche è data dall’ineguale distribuzione di fosfolipidi di membrana che portano una carica negativa. Il potenziale di membrana a riposo varia tra -5 a 100 millivolt.

Ogni variazione del potenziale di membrana prende tre nomi diversi:

• Depolarizzazione: quando il potenziale di membrana passa da uno stato negativo verso uno positivo. Gli stimoli depolarizzanti sono stimoli eccitanti.
• Ripolarizzazione: segue a una fase di ritorno all’equilibrio.
• Iperpolarizzazione: situazione opposta alla depolarizzazione, dove il potenziale di membrana tenta di diventare ancora più negativo di prima. Essendo l’opposto della depolarizzazione, l’iperpolarizzazione corrisponde a una inattivazione della cellula, rendendone difficile l’attivazione.

Canali ionici

Un canale ionico è una proteina trans-membrana (cioè attraversa la membrana cellulare) che permette il passaggio di determinati ioni dall'esterno all'interno della cellula o viceversa.

Differenti tipi di canali ionici:

• Canali regolati da cancello (accesso è variabile) comprendono:
• Canali ionici voltaggio-dipendenti: apertura del canale è dovuta alla variazione del potenziale di membrana.
• Canali ionici ligando-dipendenti: apertura del canale è dovuta all’interazione con uno specifico ligando.
• Canali attivati meccanicamente: l’apertura del canale è dovuta a pressione/stiramento sulla membrana cellulare.
• Canali passivi:
• Canali di leakage: costantemente aperti.

Il muscolo

È il compartimento strutturale più abbondante dell’organismo; ha la capacità di generare forza, dare potenza e resistenza. Inoltre, la sua attività è necessaria per la postura, deambulare, fonazione, circolazione sanguigna, ecc. Il muscolo riduce la propria lunghezza grazie a un’organizzazione molecolare.

Tipi di muscolo

Il muscolo viene suddiviso in:

• Striato: ne fa parte anche il diaframma, muscolo appendicolare (arto superiore e inferiore)
• Cardiaco: attività contrattile del cuore
• Liscio: è involontario, fanno parte canale alimentare, vasi sanguigni, uretere

Il muscolo scheletrico è costituito da un insieme di fibre muscolari (fibrocellule) tenute insieme da tessuto connettivo (la lamina connettivale più esterna è detta epimisio, lamina intermedia perimisio, la lamina che avvolge la singola fibra muscolare è detta endomisio). Si organizza in fasce di fibre muscolari intorno al muscolo.

Ogni fibra muscolare ha una membrana plasmatica detta sarcolemma, le fibrocellule hanno un diametro compreso tra 10 e 100 nm con estremità allungate e forma cilindrica. Il citoplasma è detto sarcoplasma e contiene le miofibrille, ovvero filamenti costituiti da proteine responsabili della contrazione muscolare. Il sarcoplasma contiene il reticolo sarcoplasmatico, che avvolge completamente ogni miofibrilla ed è formato da tubuli che formano strutture tubulari dette cisterne terminali. Alle cisterne sono associati i tubuli T costituiti da invaginazioni del sarcolemma.

Contrazione muscolare

Il sarcomero è l’unità funzionale e contrattile del muscolo. È possibile valutarlo attraverso il microscopio a luce polarizzata. In questo modo vengono distinti:

• Filamenti spessi (miosina)
• Filamenti sottili (actina)

L’allineamento dei filamenti spessi a quelli sottili determina l’alternanza di bande scure (A: anisotrope/miosina) e chiare (isotrope/actina). La zona centrale della banda A forma la banda H, a sua volta al suo centro che la linea M. La banda I è divisa a metà da una linea scura detta linea Z.

La contrazione muscolare avviene per l’accorciamento del sarcomero, dovuto allo scorrimento dei filamenti spessi fra i filamenti sottili, senza che si modifichi la lunghezza.

• Proteine contrattili: actina e miosina
• Proteine strutturali: titina, nebulina, alfa actinina e desmina
• Proteine regolatrici: troponina e tropomiosina

Struttura della miosina

È composta da:

• Coda e collo
• 2 teste

Le teste interagiscono con l’actina (l’interazione avviene con la sovrapposizione tra i filamenti spessi e sottili). Il filamento sottile è formato da actina G (globulare) che si organizza in sequenza lineare formando l’actina F (filamentosa) e si organizza in un filamento a doppia elica, sopra si sovrappongono troponina (proteina globulare) e tropomiosina (proteina filamentosa). Il filamento sottile è più corto di quello spesso.

Le proteine strutturali servono a tenere in ordine il sarcomero:

• Titina: filamento spesso
• Nebulina: sottile

Le teste globulari della miosina formano i ponti trasversali che mediano l'interazione con i filamenti sottili di actina, i quali fungono da "fune".

Fenomeno della contrazione

Il fenomeno della contrazione può essere diviso in due fasi:

1. Aggancio (formazione dei ponti trasversali) tra filamenti spessi e sottili
2. Scorrimento dei filamenti

La formazione dei ponti trasversali dipende dall'aumento dell'attività del calcio interno alla fibra.

Ciclo dei ponti trasversali

È un meccanismo ciclico che avviene nel tempo e richiede la partecipazione dell’ATP:

• Nel punto di partenza si ha il legame con l’ATP alla testa della miosina. In questa situazione la testa della miosina è staccata rispetto all’actina.
• La testa della miosina è in grado di idrolizzare l’ATP con la formazione di ADP + fosforo organico.
• Si crea un legame prima a bassa affinità tra la miosina e actina.
• Si ha la chiusura dell’angolo grazie ai due colpi di potenza perché si stacca il fosforo inorganico.
• Il secondo colpo di potenza perché si distacca dall’ADP.

L’arrivo della molecola di ATP fa staccare la miosina dall’actina.

Tipi di contrazione muscolare

Ci sono due tipi di contrazione muscolare:

• Le estremità tendinee non sono fisse: le variazioni della lunghezza totale del muscolo possono superare il 10% della lunghezza iniziale.
• I capi articolare sono bloccati: non si può avere scorrimento dell’actina rispetto alla miosina.

Rigor mortis: la testa della miosina non lega con nessuno, la miosina è attaccata all’actina e l’angolo della miosina è chiuso.

Unità motoria

Le fibre muscolari sono innervate dai motoneuroni alfa, esse si trovano nel midollo spinale.