Lezioni di Fisiologia

Il concetto di omeostasi

Tema chiave e filo conduttore dello studio della fisiologia è l'omeostasi. L'omeostasi è fondamentale per la sopravvivenza delle cellule che a loro volta costituiscono gli organi, indispensabili per il funzionamento dell'organismo che manterrà a sua volta l'omeostasi del sistema interno.

Definizione di omeostasi

La definizione di omeostasi viene dal concetto di ambiente interno, definito da Claude Bernard, considerato il padre della medicina moderna, il quale ha evidenziato la necessità che l'ambiente interno dell'organismo sia mantenuto costante al variare dell'ambiente esterno; questa è una condizione fondamentale della vita indipendente. "Tutti i meccanismi vitali, per quanto possano essere vari, non hanno che un’unica funzione: quella di mantenere costanti le condizioni della vita nell’ambiente interno dell’organismo".

Il termine omeostasi è stato coniato dall'americano Walter B. Cannon e deriva dal greco 'ómoios', simile, e 'stasis', posizione. Per omeostasi si intende quindi la capacità di un organismo di mantenere costanti le condizioni chimico-fisiche interne anche al variare delle condizioni ambientali esterne. Quindi l'ambiente interno è mantenuto costante a differenza di quello esterno che cambia nel tempo.

Caratteristiche del sistema vivente

L'organismo vivente è un sistema termodinamico aperto, nel senso che è capace di scambiare sia energia che materia con l'esterno. Per mantenere costante il sistema, l’energia (o la materia) che entra deve essere uguale a quella che esce. Questo è possibile grazie al principio della compartimentalizzazione: un principio generale in fisiologia.

La compartimentalizzazione

La compartimentalizzazione è ottenuta tramite barriere selettive che regolano cosa e quanto può passare. Tale barriera è la membrana cellulare. L'organismo più semplice è quello unicellulare, in cui abbiamo l'ambiente interno detto intracellulare e la membrana che lo separa dall'ambiente esterno. Per mantenere l'omeostasi e quindi assicurarsi la sopravvivenza, questa cellula deve assumere materia, ricavarne energia e allontanare i prodotti di rifiuto; questo è possibile attraverso una selezione delle molecole e dei gas che attraversano la membrana.

Inoltre, una cellula deve essere in grado di rispondere a determinati segnali che arrivano dall’esterno. Quando un organismo da unicellulare diventa pluricellulare, abbiamo un insieme di cellule che, singolarmente, presentano anch'esse una membrana e un ambiente interno ma non "vagano" liberamente nell’ambiente esterno; esse sono circondate da una specie di cuscinetto tampone che è caratterizzato a sua volta da un ambiente interno (che conterrà il liquido extracellulare). Queste cellule formano lo strato epiteliale esterno e svolgono una funzione protettiva contro tutti gli agenti che arrivano da fuori.

L'ambiente di un organismo pluricellulare

Gli ambienti di un organismo pluricellulare (noi siamo formati al 60% di acqua) sono ambienti liquidi, separati da membrane come quella presente tra ambiente intracellulare ed extracellulare. L'ambiente extracellulare è a sua volta diviso in due ambienti:

• Uno statico: liquido extracellulare.
• Uno dinamico: il sangue che circola in tutto il corpo.

Tra il sangue e l'ambiente interstiziale avremo una parete di scambio. L'ambiente extracellulare che si pone come cuscinetto tampone è l'ambiente tramite il quale agiscono i sistemi per mantenere l'omeostasi. Anche se varia un poco l'ambiente extracellulare, quello intracellulare si mantiene costante.

Conformità e regolazione

A seconda del parametro, abbiamo la possibilità che questo vari a seguito della variazione del parametro esterno e questo principio è detto conformità. Mentre se il fattore interno è mantenuto costante anche quando si hanno delle variazioni del fattore esterno, si ha la regolazione. Se facciamo un grafico che ha sull'asse delle ascisse il nostro parametro esterno e alle ordinate il parametro interno, vedremo che, negli animali conformi, i due variano proporzionalmente. Mentre negli animali regolatori, per un range di variazione del parametro esterno, il parametro dell’ambiente interno viene mantenuto costante.

Esempi di regolazione

L'esempio più comune è la temperatura corporea: gli anfibi, per esempio, non sono in grado di regolarla e per questo vengono chiamati pecilotermi, mentre gli animali che sono in grado di regolarla vengono detti omeotermi. Questo mantenimento del parametro interno può avvenire ovviamente finché le condizioni dell'ambiente esterno non sono estreme sia in difetto che in eccesso. Se facciamo un’analisi dei tempi di sopravvivenza, vediamo che per dei valori troppo bassi o troppo alti, l'individuo non sopravvive.

Sistemi di controllo

Il concetto di regolazione determina l’esistenza di sistemi di controllo. Questi sistemi di controllo possono essere a circuito aperto o a circuito chiuso.

• Circuito aperto: il controllore, in base all’ingresso dell’informazione, determina l’azione sul sistema da attenzionare e all’uscita l’informazione non è più soggetta a controllo. È un sistema la cui azione avviene prima, anche detti sistemi anticipatori.
• Circuito chiuso: è un sistema regolato dall'uscita stessa dell'informazione, che viene rimandata al controllore e retroagisce sul sistema da controllare.

In tutti i circuiti, sia aperti che chiusi, dobbiamo avere i segnali di ingresso, sistemi di controllo, segnale d’uscita e una risposta.

Feedback negativo e positivo

Il feedback negativo è stabilizzante poiché la variazione di un parametro da controllare attiva una risposta che contrasta la perturbazione iniziale, riportando il parametro al valore originale. Ad esempio, se abbiamo una riduzione nella risposta, il segnale a feedback negativo darà un aumento per mantenere costante il valore di riferimento.

Il feedback positivo è destabilizzante perché potenzia troppo, infatti in natura è poco diffuso. Il feedback negativo stabilizzante è in grado di mantenere l'omeostasi. L’organismo, per accorgersi che il segnale è cambiato e rispondere con uno dei due feedback, ha bisogno di alcuni sensori (ambito ingegneristico) che in (ambito biologico) sono detti recettori. I recettori sono in grado di inviare le informazioni di questo cambiamento al centro di controllo il quale le interpreta e definisce una risposta adeguata a riportare la nostra variabile a valore costante.

Un esempio di feedback negativo non biologico è il termostato su cui viene fissata una temperatura di riferimento. Un recettore, quando vedrà variare la temperatura esterna da quella fissata, procederà all’accensione dei termosifoni fino a quando la temperatura non tornerà a quella predisposta.

Quindi, noi abbiamo un parametro che si deve mantenere costante a un certo valore, con al più un piccolo margine di errore (positivo o negativo). La variazione dell’errore è dettata dalla sensibilità dei sensori. Ad esempio, la temperatura corporea è in media 37 gradi, con piccole differenze da individuo a individuo.

Il pH (fondamentale per il funzionamento degli enzimi) è una delle costanti chimico-fisiche più controllate con un'alta sensibilità perché una sua piccola variazione causa forti scompensi.

Regolazione della temperatura corporea

Se la temperatura corporea aumenta, i recettori avvisano il sistema di controllo, in questo caso il sistema nervoso, che reagisce portando il corpo a produrre sudore e facendo dilatare i vasi sanguigni e quindi a riabbassare la temperatura. Se si ha un abbassamento di temperatura, invece, si ha una vasocostrizione, per evitare l’afflusso di sangue in zone fredde del corpo e si attivano delle contrazioni muscolari non finalizzate al movimento ma alla produzione di calore, ovvero i brividi, cercando di disperdere meno energia possibile e di innalzare la temperatura.

Feedback positivo

Nel feedback positivo, in cui la componente d’uscita rinforza l’entrata, è necessario che ci sia un segnale di stop. Sono pochi gli esempi in natura per il feedback positivo, alcuni potrebbero essere il processo di c...