Fisiologia e scienze dell’alimentazione 1 e 2

Fisiologia e scienze dell'alimentazione

Anatomia e fisiologia

L'anatomia è lo studio della struttura degli organismi viventi. La fisiologia è lo studio del normale funzionamento dell'organismo vivente in toto e delle parti che lo compongono (omeostasi); il nostro organismo deve vivere in omeostasi (in equilibrio) con l'ambiente che ci circonda. In particolare studia la funzione di un organo, tessuto e il meccanismo di funzionamento di un sistema, organo, tessuto. La funzione di un evento fisiologico è il perché dell'evento; inoltre i meccanismi o processi fisiologici rappresentano come il sistema funziona. Fisio= natura Logia= studio di.

Anatomia e fisiologia sono legate dal fatto che la funzione di un tessuto o di un organo è strettamente legata alla struttura. La fisiologia viene divisa in:

• Fisiologia della vita di relazione: la quale studia i meccanismi che sono alla base del comportamento animale o umano.
• Fisiologia della vita vegetativa: studia le funzioni viscerali che consentono alle cellule dell’organismo di circondarsi di un ambiente appropriato per la loro funzione.

Determinismo e approcci di studio

➢ Determinismo: principio fondamentale della fisiologia “tutte le cose passate, presenti e future sono governate dalla necessità”.

Gli approcci di studio si dividono in:

• Meccanicistico (individuazione delle cause meccaniche e delle regole che fanno compiere il fenomeno come avviene un evento).
• Finalistico o teleologico (l’universo o il corpo agisce per scopi o fini perché avviene un evento).

Organismi viventi e molecole

Gli organismi viventi sono sistemi chimici autonomi capaci di autoriprodursi in equilibrio con l'ambiente. Essi sono costituiti da un ristretto numero di molecole organiche:

• Zuccheri (sorgente primaria di energia).
• Amminoacidi (costituenti delle proteine).
• Acidi grassi (costituenti delle membrane cellulari, molecole di accumulo dell’energia).
• Nucleotidi (monomeri degli acidi nucleici, trasportatori di energia).

Declaratoria BIO/09 Fisiologia

La fisiologia studia le funzioni vitali degli animali e dell’uomo, anche in modo comparato. Analizza come l’organismo vivente ottenga e mantenga l’omeostasi del suo mezzo interno a livello molecolare, cellulare e tessutale, nel contesto delle modificazioni dell’ambiente circostante. Studia la biofisica, i meccanismi elettrofisiologici e funzionali dei sistemi di trasporto e comunicazione nelle membrane biologiche, della mobilità cellulare, nonché le funzioni specializzate delle singole cellule. Dall’unitarietà delle soluzioni funzionali, escogitate dall’evoluzione, formula l’enunciazione di leggi fisiologiche di carattere generale. Verifica la validità di tali leggi nei modelli di massima complessità studiando, nell’uomo e negli altri primati, meccanismi e interrelazioni di tutte le funzioni vegetative e i fondamenti generali dell’endocrinologia. Valuta inoltre le caratteristiche nutrizionali degli alimenti, lo stato di nutrizione, il dispendio e bisogno energetico e l’utilizzo fisiologico dei nutrienti nella dieta.

Studia i fondamenti neurobiologici e psicofisiologici relativi al comportamento e alle interazioni cognitive ed emotive fra il soggetto e l’ambiente ed analizza il funzionamento integrato dei diversi organi e apparati nel corso delle attività motorie in condizioni ambientali estreme. Infine studia le potenziali applicazioni di tali conoscenze in campo ambientale, biotecnologico e sportivo.

Livelli di organizzazione degli organismi viventi

Ci sono vari livelli di organizzazione degli organismi viventi e campi di studio correlati ad essi:

• Atomo → chimica e biologia molecolare
• Molecola → chimica e biologia molecolare
• Cellula → la più piccola unità strutturale in grado di produrre processi vitali
• Tessuto → biologia
• Organi → fisiologia
• Apparati → fisiologia
• Organismi → fisiologia
• Popolazioni di una specie → fisiologia
• Ecosistema → ecologia
• Biosfera → ecologia

Omeostasi

La stabilità del mezzo interno è assicurata:

• In minima parte dalle proprietà fisico-chimiche del sangue;
• In massima parte del gioco di meccanismi fisiologici chiamati fenomeni omeostatici. Il risultato del loro intervento è l’omeostasi, ossia la stabilità del mezzo interno.

Quando la composizione del liquido extracellulare varia al di là del normale insieme di valori, si attivano meccanismi correttivi (omeostatici) che fanno sì che il liquido ritorni alle sue caratteristiche normali. L’omeostasi richiede un sistema di controllo delle entrate e delle uscite attraverso l’attivazione di meccanismi preposti al controllo e al mantenimento all’interno di determinati valori vitali di parametri operativi a livello di diversi distretti fisiologici. Un sistema di controllo è formato da tre componenti:

1. Segnale d’ingresso che è in contatto con un sensore capace di monitorare la variabile regolata.
2. Centro di controllo che confronta se la variabile regolata sta nel range desiderato ed eventualmente dà origine a una risposta finalizzata a riportare la variabile entro il valore di riferimento.
3. Segnale di uscita in contatto con il sistema che deve attuare la risposta.

L’organismo però subisce continuamente delle variazioni che possono essere sia variazioni interne sia variazioni dell’ambiente esterno; per questo il nostro organismo deve cercare di compensare. Se la compensazione ha successo, il corpo raggiunge uno stato di benessere, mentre se la compensazione non raggiunge il suo scopo, non è efficace, nel nostro corpo si sviluppa un disordine, malattia. La branca della fisiologia che studia le malattie prende il nome di fisiopatologia.

Stress

➢ Stress: è determinato da qualsiasi sintomo intenso che disturba l’omeostasi dell’organismo e che innesca una risposta invariabile (sindrome di adattamento generale). La sindrome consiste in un’attivazione del sistema nervoso autonomo (SNA) e del sistema endocrino (stress cronico) allo scopo di mantenere l’omeostasi.

Il nostro organismo è formato da molti apparati e sistemi e tutto il nostro corpo è guidato, tenuto sotto controllo dal sistema nervoso grazie a un sistema che prevede: la ricezione di una serie di input da parte del sistema periferico che entra all’interno del sistema centrale (cervello e midollo spinale), ciò grazie a una sensibilità somatica, organi di senso speciali (vista e udito), sensibilità viscerale; poi ha un centro di controllo in cui elabora una risposta che viene inviata al sistema nervoso periferico con il termine output. Queste risposte possono prendere due strade diverse:

• Via somatica: muscolo scheletrico.
• Via autonoma: che si suddivide in simpatico e parasimpatico che innervano sempre gli stessi organi ma con effetti opposti tra di loro, sistema nervoso enterico branca a parte del sistema autonomo.

Neurofisiologia

Galvani scoprì, studiando le cellule del muscolo, che le cellule (nervose) sono in grado di generare elettricità. In seguito si scoprì che l’attività elettrica di una cellula è in grado di influenzare l’attività di altre cellule in maniera del tutto prevedibile.

• Esperimento della rana morta: nervo sciatico di una gamba con nervo sciatico dell’altra che messi a contatto generarono una corrente bioelettrica (! accumulata nei nervi a riposo).

Cajal dimostrò che il sistema nervoso è costituito da una rete formata da singole cellule: i singoli neuroni connessi tra loro costituiscono l’elemento fondamentale di base per il passaggio dei messaggi del SN. Il neurone è un’unità anatomica, in particolare è l’unità funzionale del sistema nervoso; è un’unità genetica (deriva da un unico neuroblasto).

Fisiologia cellulare

• Eccitabilità cellulare;
• Potenziale di riposo di membrana;
• Struttura e proprietà fondamentali della cellula nervosa;
• Genesi e conduzione del potenziale d’azione;
• Interazioni elementari tra cellule eccitabili;
• Generalità della trasmissione sinaptica;
• Trasmissione sinaptica del SNC.

Le neuroscienze includono anche la neurofisiologia (il SN è il punto focale comune). Il fine ultimo è quello di capire l’attività mentale, cioè i meccanismi attraverso i quali riusciamo ad avere percezioni, ci muoviamo e siamo in grado di ricordare. Perciò studia le relazioni che esistono a livello del SN ed adotta un approccio interdisciplinare (biologia molecolare, cellulare, genetica, fisiologia, psicologia cognitiva, bioingegneria, …).

Sistema nervoso

Principali funzioni del SN:

• Rilevare informazioni dall’ambiente interno ed esterno dell’animale (es. pressione, posizione del corpo, ecc.).
• Valutare ed integrare le informazioni (es. stimolo della fame, ecc.).
• Rispondere in maniera adeguata agli stimoli (es. risposta motoria o ghiandolare).

Comprende:

• Sistema nervoso centrale o SNC (encefalo e midollo spinale).
• Sistema nervoso periferico o SNP (nervi cranici e spinali).

Il SNP si divide in:

• Sistema afferente (sensitivo).
• Sistema efferente (motore) che comprende motoneuroni (muscoli) e il sistema nervoso autonomo SNA (cuore, muscoli lisci, ghiandole).

Il SNC è una massa gelatinosa del peso di circa 1500g, avvolta da 3 membrane connettivali (meningi) e protetta da strutture ossee e liquor cerebrospinale; presenta aree di sostanza grigia e aree di sostanza bianca, il bianco brillante è dovuto ai lipidi che formano la guaina mielinica. Importante è il prelievo di liquor che prende il nome di rachicentesi o puntura lombare che viene eseguito in modo non invasivo: viene fatto prelevare tra due vertebre lombari L2/L3 perché il midollo spinale che percorre la spina dorsale termina nella vertebra L1, e per questo procedendo con il prelievo nella zona terminale lombare si è sicuri di non danneggiare il midollo spinale.

• Nel midollo spinale la sostanza grigia occupa la porzione centrale, assumendo un caratteristico aspetto a farfalla mentre la sostanza bianca occupa la porzione periferica.
• Nell’encefalo le aree di sostanza grigia sono organizzate in cortecce (cerebrale e cerebellare) sulla superficie esterna e in nuclei, con i neuroni organizzati in agglomerati immersi in aree di sostanza bianca, in profondità.

Strutture dell’encefalo

Telencefalo (cervello)

Il telencefalo, che occupa l'80% del volume totale dell’encefalo umano, è costituito da due emisferi (sinistro e destro) e dal diencefalo. Gli emisferi cerebrali sono separati dalla scissura longitudinale ma collegati tra loro da molte fibre nervose che formano il corpo calloso. Ciascun emisfero è composto dalla corteccia cerebrale (sostanza grigia), dalla sostanza bianca sottostante e da tre formazioni nucleari profonde (sostanza grigia): i nuclei della base. La corteccia cerebrale, un sottile strato di sostanza grigia che forma la superficie esterna del cervello, costituisce la regione che si è sviluppata più recentemente nel corso dell’evoluzione dell’encefalo dei vertebrati. Per il grande numero di cellule presenti, la corteccia cerebrale umana è caratterizzata da molte pieghe e circonvoluzioni. Le aree della corteccia cerebrale sono state definite in relazione alle funzioni che svolgono.

➢ Nuclei della base: sono ammassi di sostanza grigia che si trovano in profondità della sostanza bianca e sono coinvolti nell’azione, pianificazione e controllo del movimento ed è deputato alla memoria motoria. Esempio di nuclei della base: nucleo caudato. Una malattia che deriva proprio da una disfunzione dei nuclei della base è l’Alzheimer.

L’area del lobo frontale si occupa dell’integrazione delle attività dei muscoli scheletrici; in questa zona sono localizzate le aree di corteccia motoria. Il lobo parietale è la sede della corteccia sensoriale, interessato alla ricezione degli stimoli della sensibilità somatosensoriale. In queste aree cerebrali il nostro corpo è rappresentato in maniera dettagliata: regioni specifiche delle cortecce sensoriali e motorie corrispondono a specifiche parti del corpo; è presente, quindi, nelle cortecce primarie motoria e sensoriale una mappa somatotopica. In queste mappe, l’estensione della rappresentazione delle diverse regioni corporee non è in proporzione alle dimensioni fisiche della regione, ma alla sua densità di innervazione.

Le afferenze uditive arrivano, invece, a una area di corteccia posta nel lobo temporale. Questa regione della corteccia è il centro di elaborazione dei segnali trasmessi dai neuroni sensoriali dell’orecchio. I segnali provenienti dai vari neuroni sensoriali, stimolati dalle cellule ciliate che rispondono alle diverse frequenze del suono, sono trasmessi alle differenti regioni della corteccia uditiva: esiste, quindi, una mappa tonotopica. La corteccia visiva occupa il lobo occipitale.

Riassumendo i lobi del telencefalo:

• Lobi frontali (pianificazione, funzioni esecutive e motorie)
• Lobi parietali (funzioni somatosensoriali, spazio e relazioni spaziali)
• Lobi temporali (funzioni uditive, memoria e linguaggio)
• Lobi occipitali (visione)

All’interno dei lobi ci sono delle specializzazioni funzionali della nostra corteccia (aree sensitive/motorie di ordine superiore e aree associative). Le aree associative in genere ricevono afferenze da tutte le aree sensoriali superiori.

Diencefalo

Comprende l’epitalamo, il talamo e l’ipotalamo.

• L’epitalamo, nella sua porzione posteriore, contiene una ghiandola, l'epifisi o ghiandola pineale, che secerne l’ormone melatonina, coinvolto nella regolazione dei ritmi circadiani e delle funzioni riproduttive.
• Il talamo è una stazione attiva di collegamento sensoriale che invia informazioni alla corteccia ed è costituito da vari nuclei che ricevono dal tronco cerebrale, selezionano ed elaborano le informazioni sensoriali provenienti dai recettori e trasmettono alla corteccia cerebrale quelle che devono raggiungere lo stato di coscienza.
• L’ipotalamo, che si trova proprio sotto il talamo, è coinvolto nella regolazione ormonale e nel controllo della motivazione (alimentazione, temperatura, comportamento riproduttivo, …) parte vegetativa. Esso contiene neuroni raccolti in vari nuclei specializzati nel controllo omeostatico delle funzioni viscerali e nel controllo del comportamento, ed è il centro principale di integrazione del sistema nervoso autonomo e del sistema endocrino. Interagendo con altri centri encefalici, con i centri di origine dell'attività del sistema nervoso autonomo e mediante la liberazione di fattori che regolano la secrezione di ormoni tropici dal lobo anteriore dell'ipofisi (adenoipofisi), regola un gran numero di attività involontarie, come tutte quelle che permettono il controllo di parametri quali pressione arteriosa, gittata cardiaca, temperatura corporea, bilancio energetico e idrico, attività associate al sesso, alla fame, alla sete, al piacere, al dolore e alla rabbia. Produce due ormoni: l’ormone antidiuretico (ADH), deputato al controllo dell’escrezione di acqua dal rene, e l’ossitocina che controlla la contrazione della muscolatura liscia dell’utero; questi due ormoni vengono immagazzinati nel lobo posteriore della ghiandola endocrina principale, l'ipofisi (neuroipofisi), e da qui rilasciati.

➢ Sistema limbico: si trova posizionato intorno al talamo che, insieme ad altre strutture, quali amigdala, ippocampo (che sono parte del lobo temporale), controlla le spinte motivazionali e il comportamento emotivo; inoltre, ha un ruolo importante nel controllo delle funzioni endocrine e vegetative, oltre che nell’apprendimento e nella formazione della memoria di tipo dichiarativo (prevalentemente ippocampo). Circuito “reward”.

Cervelletto

Il cervelletto, come il cervello, è costituito da due emisferi cerebellari e da una regione mediana, il verme, ricoperta da corteccia cerebellare, al di sotto della quale, nella sostanza bianca, si trovano tre nuclei profondi per emisfero. Il cervelletto, grazie alle sue molteplici connessioni, riceve informazioni discendenti motorie e informazioni ascendenti sensitive e svolge un’azione di controllo, di coordinazione, di aggiustamento dei programmi motori e di mantenimento dell’equilibrio e ha anche un ruolo importante nel processo di apprendimento motorio.

Tronco encefalico

È ubicato e si alla base del cervello e si occupa del controllo delle funzioni vitali, della coscienza, dei cicli sonno-veglia e del tono muscolare. Le reti neuronali che costituiscono i "centri" di controllo di diverse funzioni che non sono sotto il controllo della volontà, quali il battito cardiaco e la respirazione. Inoltre, nel tronco passano le fibre nervose che collegano il midollo spinale ai centri superiori del cervello. Comprende:

• Mesencefalo (movimenti oculari): oltre alla formazione reticolare pontina, contiene collicoli superiori e inferiori, implicati rispettivamente nella sensibilità visiva e uditiva, nuclei rossi e la sostanza nera coinvolti nel controllo della contrazione dei muscoli scheletrici; i nuclei associati ai nervi cranici III e IV.