Schemi e molto altro di Fisiologia umana

Fisiologia umana

Di Mario Rosario Buffelli, a cura di Anna Bacci. 1

Fisiologia umana

Lezione 1 – 11/10/2022

Disciplina che si occupa di studiare il funzionamento del corpo umano.

A partire da molecole, poi a livello di cellule, dopo apparati e organi e infine studieremo l’interazione tra gli apparati, interazione del corpo umano con l’ambiente esterno (sempre in condizioni fisiologiche). Faremo cenni di patologie.

Disciplina nata già ai tempi dei greci, poi con formule matematiche. Nel 1500 c’è stata la separazione della fisiologia dalla patologia.

Testo: “Fisiologia umana” di Belfiore

Programma

• Introduzione alla fisiologia e definizione di omeostasi.
• Biofisica delle membrane cellulari: potenziale di membrana a riposo, potenziali di equilibrio, potenziale d’azione e sua modalità di propagazione.
• Sinapsi elettriche e chimiche, sinapsi eccitatori e inibitorie.
• Organizzazione anatomo-funzionale del sistema nervoso.
• Dalla sensazione alle risposte comportamentali: sistema somato-sensoriale, visivo, uditivo e sensi chimici.
• Sistema motorio: pianificazione e controllo motorio.
• Memoria e apprendimento. Plasticità del sistema nervoso.
• Sistema nervoso autonomo (struttura che coordina).
• Fisiologia dell’apparato cardio-circolatorio, dell’apparato respiratorio, apparato digerente e dell’apparato escretore.
• Caratteristiche generali del sistema endocrino e descrizione delle principali funzioni degli ormoni.

La fisiologia è una disciplina estesa.

Omeostasi

Concetto introdotto nel 1800 da un fisiologo francese e il termine è stato poi coniato nel 1922 per indicare il mantenimento costante dei parametri vitali.

Il funzionamento di cellule e organi è rivolto a mantenere costanti i parametri vitali. Abbiamo una serie di meccanismi, anche ridondanti, per mantenere costanti i parametri.

Parametri: pH (7.2-7.4), temperatura a livello del nucleo centrale (37 °C), glicemia (100 mg/dL, se non costanti abbiamo diabete I e diabete II, ipoglicemia), ossigenazione (e allontanamento della CO₂), concentrazione di ioni (sodio, calcio, potassio, cloro), pressione arteriosa (80 di diastolica e 120 di sistolica; la quale garantisce il livello di ossigeno e metaboliti dei tessuti), l’acqua (disidratazione o eccesso di acqua) e l’osmolarità (rapporto acqua con soluti).

Dobbiamo mantenere costanti i parametri da cambiamenti da stimoli esterni o per malfunzionamenti interni. Se non lo riesco a tenere costante andrò incontro a patologie, ed è la definizione di malattia. Se si riesce a compensarli si è sani.

Si mantengono costanti i parametri all’interno del corpo, all’interno dell’organismo (non nelle vie aeree a livello degli alveoli, non nelle vie di escrezione, né nel tubo digerente).

Parametri

I. Distribuzione dell’acqua

L’acqua è la componente fondamentale del nostro corpo. Il 60% circa del peso corporeo è acqua (su 70 Kg 42 sono di acqua). L’acqua è distribuita a livello delle cellule, i 2/3 all’interno delle cellule (28 L dei 42 sono all’interno delle cellule). Poi nel plasma (componente liquida del sangue) circa 3 L dei 5 L di sangue.

La quantità di acqua introdotta normalmente con la dieta e dal metabolismo deve essere equivalente a quella espulsa. Ovviamente non è sempre uguale, ci muoviamo in un range, abbiamo delle oscillazioni. Cerchiamo un equilibrio dinamico. 2

La quantità che introduciamo nel nostro organismo deve essere uguale a quella che espelliamo giornalmente tramite sudore, polmoni, cute, reni, tratto GI. Anche per mantenere il giusto rapporto dei soluti.

II. Concentrazione degli ioni

Mantenere la concentrazione degli ioni sia all’interno che all’esterno della cellula.

*Le concentrazioni intracellulari differiscono leggermente da un tessuto all’altro in base all’espressione di canali ionici e carrier della membrana plasmatica. Le concentrazioni intracellulari della tabella sono tipiche della maggior parte delle cellule.

Per il calcio i valori rappresentano concentrazioni libere (2.4 mM nel liquido extracellulare e di 1.5 mM in quello intracellulare) mentre il calcio legato a delle proteine è maggiore all’interno della cellula rispetto che all’esterno. Il calcio è importante per la trasmissione delle informazioni.

Controllare bene la distribuzione tra l’interno e l’esterno delle cellule.

Sodio più concentrato all’esterno rispetto che all’interno. Potassio più concentrato all’interno rispetto all’esterno. Cloro più all’esterno.

Se alteriamo il rapporto tra esterno e interno avremo delle conseguenze, ad esempio l’ipercalcemia, iperpotassemia o ipopotassemia può portare alla non eccitabilità dei tessuti.

Si parla quindi di equilibrio dinamico.

Il principale meccanismo è basato sul meccanismo a feedback negativo. Abbiamo nell’organismo molti sensori. I sensori mandano le informazioni al sistema di controllo, il quale confronta i valori con quelli che dovrebbero essere a livello genetico. Se non sono i valori corretti cerca di correggerli attraverso delle strategie e riportarli al range fisiologico.

III. Termoregolazione

La temperatura del nucleo centrale (quindi del cervello, cuore, polmoni, reni) deve rimanere a 37 °C, con piccole variazioni entro un certo range. Alle estremità la temperatura varia intorno ai 37 °C (anche fino 31 °C le gambe).

È possibile morire per congelamento, poi abbiamo ipotermia (più o meno grave da 35 a 32 °C), il colpo di calore, la sincope e infine ipertermia (perdita di acqua ed elettroliti) che porta alla morte.

Deve esserci un bilanciamento tra la termogenesi (quantità di calore prodotta dal nostro organismo) con la termo-dispersione (quantità di calore dispersa).

Produciamo calore tramite il metabolismo basale, ADS (azione dinamico specifica degli elementi), le attività muscolari, gli ormoni e le condizioni ambientali. Mentre perdiamo calore tramite irraggiamento, conduzione, convenzione ed evaporazione.

Noi di continuo abbiamo uno scambio con l’esterno, possiamo sia assorbire che cedere calore.

La temperatura va misurata a livello del nucleo centrale (bocca, ano, ascella).

Come fa il nostro organismo a mantenere costante l’equilibrio tra termogenesi e termo-dispersione?

Attraverso dei termo-recettori misuriamo la temperatura. I recettori sono localizzati all’interno dei distretti.

I valori vengono mandati a livello dell’ipotalamo (struttura alla base dell’encefalo e che ha delle connessioni con la corteccia cerebrale → centro integrativo). Esso confronta i valori con il valore codificato geneticamente (37 °C). L’ipotalamo controlla anche la parte endocrina (con l’ipofisi) quindi ci sono delle persone che hanno delle variazioni.

I valori sono stati misurati dalla media della popolazione, tramite una gaussiana.

Controllo a feedback della temperatura corporea. 3

L’ipotalamo controlla:

• Controlla la temperatura.
• Controlla la circolazione, l’attività del cuore, la frequenza cardiaca.
• Regolazione delle funzioni sessuali.
• Controlla l’apparato endocrino (i livelli di ormoni).
• Controlla la concentrazione dei sali (equilibrio idrosalino).
• Controllo del comportamento, il sistema vegetativo.
• Controlla o influenza il ritmo sonno-veglia.
• Controlla il senso di sazietà.
• Controlla l’ipotalamo.

Attraverso il simpatico va a controllare la vasodilatazione o vasocostrizione a livello della cute, attraverso la sudorazione (meccanismo principale) abbassiamo e disperdiamo il calore.

Termodispersione:

Termogenesi:

Aumentare il metabolismo per correggere la temperatura è solo nel neonato, non nell’adulto.

Febbre: le citochine infiammatorie vanno a cambiare il parametro all’ipotalamo e quindi si modifica il valore di riferimento (che è aumentato). L’ipotalamo insegue il nuovo valore. Poi quando il livello di citochine ritorna a livelli basali si torna al nostro valore di riferimento e si attiva la termo-dispersione. 4

Manteniamo costanti i nostri parametri a livello cellulare. È fondamentale mantenere anche l’omeostasi cellulare, che va a influenzare tutto l’organismo.

Quali sono i meccanismi di scambio a livello della membrana citoplasmatica? Come avviene la diversa ripartizione?

Grazie ai meccanismi a livello della membrana cellulare che permettono di trasportare ioni dall’esterno verso l’interno e viceversa. Abbiamo anche dei canali ionici che permettono il passaggio a livello della membrana citoplasmatica. O anche delle molecole trasportatrici.

Il doppio strato dei fosfolipidi permette il passaggio di piccole molecole (piccole molecole idrofobiche, molecole lipofile, piccole molecole polari non cariche come acqua, glicerolo ed etanolo).

Possiamo suddividere i meccanismi di passaggio dei soluti in diffusione semplice, diffusione regolata, diffusione facilitata (che non richiedono l’uso di ATP).

Mentre il trasporto attivo, sia primario che secondario, richiede l’uso di molecole a energia. 5

Diffusione semplice

La forza motrice chimica è il gradiente di concentrazione. Le molecole passano da una parte, alcune vanno in direzione opposta, però il flusso netto segue il gradiente di concentrazione.

La velocità dipende:

• Dalla differenza di concentrazione (man mano che il gradiente diminuisce anche la velocità diminuisce). La direzione principale è da un gradiente ad alta concentrazione di soluti verso un gradiente a bassa concentrazione, vi è un flusso unidirezionale anche nel senso opposto però il flusso netto segue il gradiente di concentrazione.
• Massa della molecola e permeabilità.
• Temperatura.
• Area della superficie della membrana.
• Mezzo in cui si muovono le sostanze.

La velocità con cui passa una molecola segue una curva logaritmica con asse y = cost (asintoto).

È possibile determinare delle curve che sono legate alla permeabilità della molecola.

→ Il flusso determinabile dalla legge di Fick J = P A (C_ex – C_in).

Dove J è il flusso, A è l’area, P = coefficiente di permeabilità (tipo di soluto, composizione della membrana, spessore della membrana).

P = (D*r)/d

D = coefficiente di diffusione

r = coefficiente di ripartizione tra membrana e acqua

d = spessore della membrana.

Chi ha l’edema polmonare avrà difficoltà respiratorie subito come primo sintomo.

Forza matrice elettrica: distribuzione delle cariche.

Carica positiva all’esterno e carica negativa all’interno.

Diffusione facilitata

Intendiamo i trasportatori di membrana.

Diffusione regolata

Intendiamo i canali ionici.

Anche l’acqua in parte riesce a passare la membrana citoplasmatica, ma pochissima. Per un passaggio più veloce abbiamo le acqua-porine (sempre diffusione regolata).

Sono molecole con diversi segmenti che attraversano la membrana. Sono 4 monomeri, ogni monomero ha un poro centrale e poi un poro a livello dei 4 monomeri con delle anse che vanno a formare il filtro di selettività. Queste molecole sono state scoperte nel ’90 circa.

Abbiamo 13 acqua-porine all’interno del nostro organismo con una distribuzione diversa. Alcune fanno passare solo acqua (filtro selettivo stretto), in altre anche gas/ammoniaca/urea/lattato, ecc. 6

Lezione 2 – 13/10/2022

Diffusione facilitata

Esempio di diffusione facilitata: il trasportatore di glucosio, per cui il glucosio dall’esterno passa all’interno.

Esempio della diffusione regolata: canali ionici e acqua porine, che permettono di avere un maggior afflusso di acqua o all’interno o all’esterno.

Quali sono le caratteristiche della diffusione facilitata e regolata rispetto a quella semplice?

La velocità del flusso in relazione alla concentrazione è diversa. Graficando la concentrazione di soluto extracellulare sull’ascissa e il flusso nella cellula sull’ordinata (dall’esterno verso l’interno) avremo due diversi grafici.

Nel caso della diffusione semplice avremo una retta, all’aumentare della concentrazione aumenta la velocità del flusso in modo lineare.

Invece in caso della diffusione mediata (facilitata e regolata) dobbiamo anche considerare la saturazione del trasportatore, inizialmente è lineare ma a mano a mano diminuisce fino a che si arriva al flusso massimale.

Se aumentiamo il numero dei carrier il flusso massimo aumenta, viceversa diminuisce se diminuiamo i carrier o se funzionano male. → La curva spiega anche un altro meccanismo fisiologico competizione: più molecole competono per legare il carrier. Ancora prima di arrivare a saturazione diminuisce la velocità di diffusione per competizione (es. glucosio nelle urine in quanto in eccesso).

→ Il trasporto facilitato e regolato dipende dal numero delle molecole trasportatrici presente a livello della membrana. Vi è un trasporto massimo che dipende dalla saturazione dei trasportatori.

È una differenza da considerare rispetto al trasporto semplice.

La diffusione facilitata segue una km, come pendenza, che si ha alla metà della velocità massima V_MAX.

Trasporto attivo primario

Trasporto attivo primario. Esempio classico: pompa sodio potassio.

È una proteina transmembrana formata da due subunità: α e β. Questa molecola con il consumo di ATP prende 3 ioni sodio dall’interno e li porta all’esterno e 2 ioni potassio dall’esterno e li porta all’interno. È una pompa asimmetrica e bidirezionale con verso opposto (antiporto) e non abbiamo un bilancio delle cariche (non è bilanciata).

È presente in tutte le cellule.

La pompa calcio-ATP è una pompa ATPasi dipendente, è uniporto. Porta il calcio dall’interno all’esterno. Nel muscolo scheletrico striato porta il calcio all’interno del reticolo sarcoplasmatico.

La pompa H⁺-ATPasi o pompa protonica è uniporto.

La pompa H⁺-K⁺-ATPasi è antiporto.

Trasporto contro gradiente. 7

Trasporto attivo secondario

Sono proteine transmembrana che di per sé non consumano ATP, ma hanno bisogno per poter lavorare del gradiente creato dalle molecole responsabili del trasporto attivo primario.

Ad esempio il trasportatore glucosio-sodio, nell’intestino ed a livello renale (quindi l’assorbimento è legato al sodio).

Molte molecole utilizzano il gradiente del sodio per entrare nella cellula. Il sodio che ha parte della pompa sodio-potassio, abbiamo bisogno di ATP per la pompa sodio-potassio, e in quel momento attiviamo trasportatori di membrana che utilizzano i gradienti del sodio.

La maggior parte dei meccanismi di trasporto attivo secondario sono legati al sodio.

Se si va nella stessa direzione si parla di cotrasporto (o simporto) e in direzione opposta è detto controtrasporto (o antiporto).

Oltre ai trasportatori di sodio abbiamo dei trasportatori legati all’idrogeno, e anche legati al potassio (es. potassio-cloro).

Le pompe sono sulla membrana basilare. Prendiamo il sodio dall’interno lo portiamo all’esterno, mentre il potassio dall’esterno verso l’interno. Si attivano tutti dei trasportatori di membrana a livello apicale, che di per sé non richiedono energia.

Entra il sodio ed entra il glucosio.

Tutto l’assorbimento a livello intestinale e renale avviene con questo meccanismo.

La pompa svuota le cellule epiteliali di sodio e attiviamo i trasportatori di membrana.

Nella stessa cellula possiamo trovare una miriade di trasportatori di ioni o soluti.

Coesistono tutti sulla stessa cellula. Ogni trasportatore è specifico e molecole simili possono andare incontro competizione e saturazione. Dipende dal numero di queste molecole presenti sulla membrana.

Endocitosi ed esocitosi

→ Endocitosi dall’esterno portiamo all’interno. Lo possiamo dividere in pinocitosi, fagocitosi ed endocitosi mediata da recettori.

→ Esocitosi dall’interno verso l’esterno.

Concetto di osmosi

Passaggio di acqua o soluzione attraverso una membrana semipermeabile da un gradiente più concentrato ad uno meno concentrato.

Se un compartimento è solo fatto di acqua esso ha maggior concentrazione di acqua rispetto ad un compartimento con acqua e soluti.

Possiamo calcolare la molarità dell’acqua rispetto ai soluti o la molarità dei soluti rispetto all’acqua. 8

Se abbiamo due compartimenti separati da una membrana semipermeabile che fa passare solo acqua, l’acqua passerà dal compartimento in cui è più concentrata verso quello dove è meno concentrata. Alla fine all’equilibrio cambia il volume.

La forza che dobbiamo applicare per impedire il passaggio dell’acqua attraverso la membrana (impedendo un cambiamento di volume) per far avvenire l’osmosi si chiama pressione osmotica.

La pressione osmotica dipende dalla quantità di soluti. Se abbiamo pochi soluti dovremmo applicare una minor pressione osmotica; mentre se abbiamo tanti soluti dovremo applicare una maggior pressione osmotica.

Il fattore determinante della pressione arteriosa è la quantità di soluti, cioè il numero di moli di soluto. Lo possiamo vedere dalla formula: i = coefficiente di Van’t Hoff (1 per soluti che non si dissociano).

Pressione osmotica (π) = iMRT M = numero di moli di soluto disciolte in un Kg di solvente.

[Equazione di Van’t Hoff] R = costante dei gas

T = temperatura assoluta

Osmole = numero di molecole contenute in 1 mole di soluto

Osmolalità = numero di osmoli di soluto per Kg di acqua

Osmolarità = numero di osmoli di soluto per litro di acqua

In tutto il nostro organismo, con la sola eccezione della midollare del rene (iperosmotico), abbiamo un ambiente con osmolarità intorno a 300 mOsm (milli osmoli). Il valore reale è