Schemi di Fisiologia

Fondamenti di Fisiologia Umana

Riassunto Completo - Concetti Fondamentali e Meccanismi Omeostatici

1. Introduzione alla Fisiologia e Organizzazione Biologica

La Fisiologia Umana è lo studio delle funzioni svolte dalle varie parti del corpo umano (sistemi, organi,

tessuti, cellule) in una condizione di normalità. L'obiettivo formativo centrale è comprendere in modo

chiaro e sistematico i principi che regolano il funzionamento del nostro organismo.

Nello studio della fisiologia si utilizzano due approcci complementari, la cui integrazione è indispensabile

per comprendere i processi biologici a fini diagnostici e terapeutici: funzione fine

• Approccio Teleologico: risponde alla domanda "Perché?". Studia la e il di un

determinato processo (es. perché globuli rossi trasportano ossigeno). cause meccanismi

• Approccio Meccanicistico: risponde alla domanda "Come?". Studia le e i

attraverso i quali un processo avviene.

Caratteristiche della Materia Vivente

La materia vivente è composta principalmente da Carbonio, Idrogeno, Ossigeno, Azoto, Fosforo e Zolfo

(CHON PS), che si combinano per formare acqua e molecole organiche. Le caratteristiche comuni a

tutte le forme di vita includono: risposta agli stimoli, respirazione, attività metaboliche, escrezione di

sostanze di rifiuto, crescita e riparazione, riproduzione, movimento ed ereditarietà/evoluzione.

Dalla Cellula all'Organismo Pluricellulare

La cellula è l'unità strutturale di base, in grado di possedere tutte le caratteristiche della materia vivente.

È dotata di una membrana che la separa (ma non completamente) dall'ambiente esterno, mantenendo la

propria identità chimica.

Negli organismi pluricellulari complessi, l'aggregazione segue rigidi livelli di organizzazione:

• Cellule: si organizzano per formare i tessuti.

• Tessuti: insiemi di cellule specializzate; tessuti diversi formano gli organi.

• Organi: unità funzionali specifiche (es. stomaco, ossa) che, lavorando insieme, formano i sistemi o

apparati (ne contiamo 11: Circolatorio, Digerente, Respiratorio, Urinario, Scheletrico, Muscolare,

Tegumentario, Immunitario, Nervoso, Endocrino, Riproduttivo).

Funzioni Cellulari: Fondamentali e Specializzate

Tutte le cellule mantengono delle funzioni fondamentali per la propria sopravvivenza, tra cui:

O

• Respirare e nutrirsi: assumere e nutrienti dall'ambiente.

2 H O + 6 O → 6 CO + 6 H O + Energia).

• Ricavare energia: attraverso reazioni chimiche (C 6 12 6 2 2 2

CO

• Eliminare le scorie: riversare e altre tossine all'esterno.

2

• Sintetizzare proteine: per la manutenzione e il trasporto di materiali attraverso la membrana.

Il differenziamento cellulare (avvenuto durante l'evoluzione e a livello embrionale) ha permesso alle

cellule di sviluppare una funzione specializzata. Ogni cellula esalta una determinata funzione a

vantaggio dell'intero organismo, anche a costo di perdere alcune funzioni fondamentali (ad esempio, le

cellule nervose perdono la capacità di riprodursi per specializzarsi nella conduzione elettrica).

2. L'Ambiente Interno e i Compartimenti Liquidi

La sopravvivenza di un organismo è strettamente correlata alle caratteristiche chimico-fisiche

dell'ambiente in cui le sue cellule sono immerse. Mentre un organismo unicellulare vive in un vasto

oceano da cui attinge risorse all'infinito senza alterarne le concentrazioni, le cellule del nostro

organismo sono immerse in un ambiente acquoso di dimensioni estremamente ridotte.

Definiamo "Ambiente Interno" (o Mezzo Interno) di un organismo pluricellulare il liquido nel

quale le sue cellule sono immerse (esterno alle cellule, ma interno rispetto all'organismo).

A causa del ridotto volume dell'ambiente interno, l'intensa attività metabolica di migliaia di miliardi di

O2

cellule modifica rapidamente la concentrazione di nutrienti, e scorie. Pertanto, l'organismo necessita

di sistemi specifici per mantenere costanti queste caratteristiche.

I Compartimenti Corporei

L'acqua costituisce in media il 60% del peso corporeo di un individuo adulto (variabile in base al

tessuto, es. 10% nell'adipe, 70-75% altrove; nelle donne si attesta intorno al 50%). Per un individuo di 70

Kg, questo corrisponde a circa 42 litri totali, suddivisi in due grandi compartimenti:

Volume

Compartimento Proporzione Descrizione

(su 42L)

Liquido 2/3 dell'acqua Volume di liquido contenuto all'interno

~ 28 Litri

Intracellulare (LIC) totale delle membrane cellulari (citosol, organuli).

Interno.

Liquido 1/3 dell'acqua Costituisce l'Ambiente A sua volta

~ 14 Litri

Extracellulare (LEC) totale è suddiviso in due sotto-compartimenti.

- Liquido Interstiziale 80% del LEC ~ 11 Litri Il liquido a diretto contatto con le cellule.

La parte liquida contenuta all'interno dei

- Plasma Sanguigno 20% del LEC ~ 3 Litri vasi sanguigni.

Il vantaggio di essere un organismo pluricellulare risiede nella maggiore sopravvivenza, indipendenza e

spazio d'azione. Tuttavia, lo svantaggio critico è l'elevata distanza tra le cellule e l'ambiente esterno, unita

al ridotto volume del mezzo interno. Questo rende indispensabili apparati di trasporto e coordinazione.

3. Omeostasi e Sistemi di Controllo

L'Omeostasi è il complesso processo fisiologico essenziale per la sopravvivenza, definito come la

capacità di mantenere costanti e idonee le caratteristiche chimico-fisiche dell'ambiente interno,

nonostante le variazioni esterne e le perturbazioni causate dall'attività cellulare (che consuma risorse e

produce scorie).

I principali parametri regolati dai processi omeostatici presentano un ristretto intervallo di valori ottimali e

includono: O CO

• Concentrazione di molecole nutrienti, di e .

2 2

• Concentrazione di prodotti di rifiuto tossici.

• pH, concentrazione di acqua ed elettroliti.

• Temperatura, volume e pressione sanguigna.

Sistemi di Controllo Omeostatico

Il mantenimento dell'omeostasi è garantito dai sistemi dell'organismo, coordinati dal sistema nervoso ed

endocrino. Un sistema di controllo per funzionare deve possedere tre elementi: un sensore/recettore

set-point

(rileva la deviazione del parametro), un centro integratore (confronta il valore attuale con un o

valore di riferimento idoneo), e un meccanismo di aggiustamento (agisce sugli organi bersaglio per

correggere il valore).

Esistono due tipologie principali di controllo:

• Intrinseco (Locale): Regolazioni effettuate a livello dell'organo stesso (es. dilatazione dei vasi

sanguigni in un muscolo in risposta al calo locale di ossigeno).

• Estrinseco: Regolazioni gestite all'esterno dell'organo da parte del sistema nervoso o endocrino (es.

recettori pressori inviano segnali all'encefalo, che a sua volta modifica la frequenza cardiaca). È il

meccanismo più utilizzato.

Modalità Operative del Controllo

I sistemi possono agire preventivamente o reattivamente:

prima

• Feed-forward (Preazione): Il sistema si attiva che la variazione del parametro venga rilevata.

Un esempio classico è la salivazione o la produzione di acido cloridrico nello stomaco alla sola vista

del cibo, in anticipazione della digestione. dopo

• Feed-back (Retroazione): L'azione avviene che è stata rilevata una variazione. L'informazione

torna al centro di controllo per modulare la risposta successiva. Si divide in:

◦ Feedback Negativo: È il meccanismo principale per l'omeostasi. Crea una risposta di verso

opposto set-point

allo stimolo iniziale, con lo scopo di inibire il disturbo e riportare il parametro al

(es. sudorazione per abbassare la temperatura). Il processo si arresta quando la differenza si

annulla.

◦ Feedback Positivo: È meno comune nell'omeostasi generale, in quanto crea una risposta

stesso verso

eccitatoria. La reazione ha lo del cambiamento iniziale, amplificando la deviazione

dal punto di partenza (es. le contrazioni uterine durante il parto).

In sintesi, ogni sistema del nostro corpo contribuisce all'omeostasi svolgendo una

funzione specializzata e coordinata. Questo delicato equilibrio è il fulcro centrale della

Fisiologia Umana: solo proteggendo e mantenendo stabile l'ambiente interno, le singole

cellule e l'intero organismo possono sopravvivere.

Fisiologia Cellulare: Trasporti di Membrana

Riassunto Completo - Struttura e Dinamiche di Scambio Cellulare

1. Struttura della Membrana Plasmatica

La membrana plasmatica ha uno spessore di circa 7-10 nm e svolge la funzione critica di separare il

Liquido Intracellulare (LIC) dal Liquido Extracellulare (LEC), garantendo il mantenimento dei

gradienti chimici ed elettrici (omeostasi). È composta da tre elementi principali:

• Lipidi: Costituiscono la struttura fondamentale. I principali sono i fosfolipidi, molecole anfipatiche

testa idrofila code idrofobe

(con una polare e due apolari). In ambiente acquoso si dispongono in un

doppio strato, rivolgendo le teste verso l'esterno (LIC e LEC) e le code verso l'interno. Il colesterolo,

intercalato tra i fosfolipidi, regola la fluidità e stabilità della membrana, impedendo la cristallizzazione.

• Proteine di Membrana: Costituiscono circa la metà della massa della membrana (rapporto 1

proteina ogni 50 lipidi). Si dividono in:

Integrali (o transmembranarie):

◦ attraversano l'intero doppio strato lipidico. Agiscono come

recettori, canali selettivi, o proteine trasportatrici (carrier).

Periferiche:

◦ ancorate alla superficie interna o esterna. Sono coinvolte in enzimi cellulari e

processi di esocitosi/endocitosi.

• Carboidrati: Si trovano in minor quantità e sono posizionati esclusivamente sulla superficie esterna

della cellula. Legandosi a proteine (glicoproteine) o a lipidi (glicolipidi) sono essenziali per il

riconoscimento e le interazioni intercellulari.

Modello a Mosaico Fluido: La membrana non è rigida; i fosfolipidi e le proteine godono di

mobilità laterale, garantendo alla cellula la capacità di deformarsi in base alle esigenze (es.

eritrociti nei capillari).

2. Trasporto Passivo secondo gradiente

Il trasporto passivo non richiede consumo di energia metabolica (ATP). Avviene di

concentrazione (o elettrochimico) e tende ad annullare i gradienti tra LIC e LEC. Si manifesta in tre forme

principali:

A. Diffusione Semplice

Le molecole piccole, apolari e liposolubili si spostano direttamente attraverso il doppio strato fosfolipidico

(es. ossigeno, anidride carbonica). Questo movimento casuale è dettato dall'agitazione termica.

direttamente proporzionale

Secondo la Legge di Fick, la velocità di diffusione è al gradiente di

inversamente proporzionale

concentrazione, all'area di diffusione e alla liposolubilità, e allo spessore

della membrana e al peso molecolare.

B. Osmosi

L'Osmosi è un tipo specifico di diffusione passiva in cui è l'acqua (il solvente) a spostarsi attraverso la

membrana. L'acqua migra dalla regione a minore concentrazione di soluto (maggiore concentrazione

d'acqua) verso quella a maggiore concentrazione di soluto. Questo genera una pressione idrostatica in

grado di opporsi al flusso e ripristinare l'equilibrio.

C. Diffusione Facilitata tramite Canali

Na+, K+, Ca2+, Cl-)

Permette il passaggio di piccoli ioni (es. e molecole idrosolubili (diametro < 0.8 nm)

attraverso specifiche glicoproteine chiamate canali. I canali possono essere:

• Non regolati: sempre aperti (es. canali passivi per potassio o "acquaporine" per l'acqua).

• Regolati: il cui stato (aperto/chiuso) varia in risposta a: voltaggio (potenziale di membrana), ligandi

chimici (recettori), stimoli meccanici o termici.

D. Diffusione Facilitata tramite Proteine Trasportatrici (Carrier)

Molecole più grandi (es. glucosio, aminoacidi) o non liposolubili non possono attraversare il doppio strato

lipidico. Utilizzano quindi proteine transmembrana (carrier) che espongono alternativamente il proprio

specificità

sito di legame sui due versanti della membrana. Caratteristiche di questo trasporto sono la

saturazione

(competizione per molecole simili) e la (trasporto massimo raggiungibile quando tutti i carrier

sono occupati).

3. Trasporto Attivo e Vescicolare contro

Il trasporto attivo richiede consumo di energia metabolica (ATP) poiché muove le molecole il loro

gradiente di concentrazione, permettendo di creare e mantenere forti squilibri ionici tra LIC e LEC. È

sempre mediato da proteine di membrana (pompe).

Trasporto Attivo Primario (ATPasi)

direttamente

L'energia viene ricavata dall'idrolisi dell'ATP. Il legame del gruppo fosfato alla proteina carrier

(fosforilazione) le fa cambiare forma, affinità e versante di esposizione.

(Na+/K+-ATPasi),

L'esempio più celebre è la Pompa Sodio-Potassio che idrolizzando una molecola di

Na+ K+

ATP espelle 3 ioni all'esterno della cellula (dove la concentrazione è già alta) e importa 2 ioni

all'interno. Essendo un trasporto asimmetrico di cariche, questa pompa è definita elettrogenica.

Trasporto Attivo Secondario

indirettamente

Utilizza l'energia. Il trasporto contro gradiente di una sostanza avviene sfruttando l'energia

potenziale del gradiente favorevole (creato in precedenza da un trasporto primario) di un altro ione (il

Na+). Na+/Glucosio)

"trascinante", spesso il Può avvenire nella stessa direzione (simporto, es. o in

Na+/H+).

direzioni opposte (antiporto, es.

Trasporto Vescicolare

Per macromolecole e molecole plurimolecolari, la cellula ricorre al trasporto tramite vescicole (con

consumo di ATP):

• Esocitosi: Fusione della vescicola con la membrana cellulare per espellere materiale (es. ormoni).

• Endocitosi: Inglobamento di macromolecole dal LEC verso l'interno, tramite invaginazione della

membrana plasmatica.

4. Trasporto Attraverso gli Epiteli

I tessuti epiteliali rivestono superfici interne ed esterne dell'organismo. Le cellule epiteliali sono

membrana apicale membrana basolaterale

polarizzate, possedendo una (rivolta al lume/esterno) e una

(a contatto con il fluido interstiziale e il circolo sanguigno). Le giunzioni serrate separano e isolano questi

due ambienti. Il transito epiteliale avviene in due modi: tra

• Trasporto Paracellulare: movimento passivo e a bassa selettività di acqua e piccoli ioni le

cellule, attraverso gli spazi interstiziali.

• Trasporto Transcellulare: attraversamento selettivo della cellula. Coinvolge meccanismi passivi o

Na+/K+-ATPasi)

secondari a livello della membrana apicale, e meccanismi attivi primari (spesso

sulla membrana basolaterale per trasferire definitivamente il soluto nel sangue.

Nota clinica (Fibrosi Cistica): Un difetto genetico del canale transmembrana CFTR

impedisce la corretta secrezione di Cloro. Ciò inibisce l'escrezione paracellulare di Na+ e

acqua. A livello respiratorio, questo determina la produzione di un muco denso che

ostruisce le vie aeree favorendo gravi infezioni.

Fisiologia Umana: Eccitabilità Cellulare

Riassunto Completo - Potenziale di Membrana, Potenziale d'Azione e Propagazione

1. Il Potenziale di Membrana a Riposo

Il potenziale di membrana a riposo (Vm) è la differenza di potenziale elettrico che si registra tra l'interno e

l'esterno di una cellula in condizioni di inattività. Il suo valore varia tra -40 mV e -100 mV (tipicamente

intorno a -70/-82 mV nelle cellule eccitabili).

Questo potenziale negativo è generato e mantenuto da tre fattori principali:

1. La presenza di canali ionici passivi (non regolati) aperti, che rendono la membrana molto più

(K+) (Na+).

permeabile al Potassio rispetto al Sodio

K+ K+

2. L'alta concentrazione di all'interno della cellula. Il tende ad uscire secondo il suo gradiente

chimico, portando cariche positive all'esterno e lasciando all'interno grandi anioni proteici non

(A-).

permeanti Na+/K+

3. Il lavoro costante della Pompa ATPasi, che mantiene i gradienti di concentrazione e

Na+ K+).

contribuisce alla negatività interna (essendo elettrogenica: espelle 3 e introduce 2

Equazione di Goldman-Hodgkin-Katz (GHK)

A differenza dell'Equazione di Nernst (che calcola il potenziale di equilibrio per un singolo ione, es.

potenziale di membrana globale.

ENa = +63 mV, EK = -90 mV), l'equazione GHK calcola il Essa

(Na+, K+, Cl-),

rappresenta una media pesata dei potenziali elettrochimici degli ioni permeanti

tenendo conto del rispettivo coefficiente di permeabilità (P).

Regola generale: Più la membrana diventa permeabile a un certo ione (ad esempio tramite l'apertura di

specifici canali voltaggio-dipendenti), più il potenziale di membrana globale si avvicinerà al potenziale di

equilibrio specifico di quello ione.

2. Risposte Passive della Membrana

La membrana cellulare può essere modellizzata come un circuito RC parallelo, composto da:

• Una resistenza (Rm), rappresentata dai canali ionici (inversamente proporzionale alla conduttanza

gm).

• Una capacità (Cm), rappresentata dal doppio strato fosfolipidico isolante.

Se viene iniettata una corrente (sotto soglia), la membrana risponde in modo passivo (potenziale

elettrotonico). La risposta è proporzionale allo stimolo, ma subisce ritardi e attenuazioni dovuti alle

proprietà del circuito:

• Costante di tempo (τ = Rm × Cm): Indica quanto velocemente la membrana si depolarizza o

iperpolarizza. È il tempo impiegato da Vm per raggiungere il 63% del suo valore finale.

• Costante di spazio (λ = √(Rm / Ri)): Indica quanto lontano si propaga la corrente lungo una fibra

nervosa prima di decadere al 37% del valore iniziale (Ri è la resistenza interna assonale). Una

maggiore λ significa che il segnale viaggia più lontano senza disperdersi.

3. Risposte Attive: Il Potenziale d'Azione (PA)