Appunti di fisiologia

La fisiologia e l'omeostasi

La fisiologia è la scienza che studia tutte le proprietà di funzionamento dal livello molecolare al livello di sistemi viventi, nonché l'organizzazione degli esseri viventi. La fisiologia si basa sul concetto di omeostasi: stato di equilibrio di una cellula, di un essere vivente o di un sistema che consente il miglior funzionamento del sistema stesso. È uno stato in cui l'entropia non è eccessiva, si trova in uno stato stabile che però può essere alterato da perturbazioni interne o esterne al sistema. Da qui il concetto di controllo omeostatico: insieme di controllori che riportano il sistema nella posizione di equilibrio. Se questo controllo non avviene, si passa dalla situazione fisiologica alla situazione patologica; patologia: rottura del controllo omeostatico.

Origini della fisiologia

La fisiologia è presente già nell'antica Grecia, dove Aristotele intende per fisiologia lo studio del funzionamento di tutti gli organismi viventi, animali e vegetali. La fisiologia è la scienza che studia il funzionamento di una struttura definita in un altro modo: l'anatomia studia la struttura del corpo umano, la chimica studia la struttura di una molecola. Tuttavia, il funzionamento, anche a livello molecolare, e le interazioni tra cellule e molecole sono studiate dalla fisiologia. La fisiologia comincia a interessarsi delle interazioni tra le molecole, in particolare dell'interazione molecole-cellule.

Esempio di contrazione muscolare

Un esempio pratico è la contrazione muscolare (verrà affrontata in modo approfondito in seguito) che possiamo osservare a vari livelli:

• Livello di organismo
• Livello di sistemi di organi: coinvolgimento di un sistema di organi
• Livello di organo
• Livello di tessuti: come sono organizzate tra di loro cellule diverse
• Livello cellulare: come è fatta la singola cellula
• Livello molecolare

A livello muscolare ci sono due proteine fondamentali, actina e miosina, dalla cui interazione si ha, a livello cellulare, un allungamento o un accorciamento della cellula. Siccome le cellule nel muscolo sono adese a un sincizio con particolari connessioni tra una e l'altra, questa connessione può avvenire in modo sincrono, soprattutto se arriva uno stimolo (fibra nervosa) che darà l'impulso al muscolo scheletrico di contrarsi o di allungarsi.

Le cellule

Le cellule sono l'unità strutturale più piccola in grado di realizzare tutti i processi vitali e si possono dividere in quattro grandi categorie:

• Cellule nervose: le più note sono i neuroni (cellule con una loro specializzazione) che sono in grado di trasmettere informazioni a distanza attraverso segnali elettrici. Per quanto riguarda la contrazione muscolare, l'uomo ha neuroni che hanno un corpo cellulare sito in una porzione della cellula (non alle estremità) e una serie di prolungamenti (assone, singolo, e l'albero dendritico, formato da più prolungamenti cellulari) che consente ai neuroni di ricevere informazioni (attraverso l'albero dendritico) e rimandare informazioni (attraverso l'assone). I nostri muscoli volontari sono comandati da neuroni che hanno i loro corpi cellulari all'interno del midollo spinale e che mandano i loro prolungamenti fuori dal midollo fino al muscolo a cui devono dare il comando. Sono quindi cellule polari con una forma molto allungata; esistono anche cellule nervose più corte come quelle site nella scatola cranica (i neuroni sono sempre polari, ma hanno dimensioni minori rispetto ai motoneuroni [neuroni che innervano i muscoli]).
• Cellule epiteliali: ne esistono di vario tipo tra le quali abbiamo cellule endoteliali (che rivestono i vasi sanguigni), cellule dell'epitelio ciliato (nel naso e in generale nelle mucose del cavo orale e di quello intestinale) ed in genere le cellule epiteliali sono in grado di disporsi a formare una membrana basale (situazione in cui le cellule sono aderenti una all'altra a formare una sorta di rivestimento).
• Cellule muscolari: la loro funzione di base è quella di produrre una forza meccanica che può essere misurata; abbiamo tre tipi di cellule muscolari:
  • Cellula muscolare scheletrica: ha strutture molto ben definite, sono le cellule dei muscoli volontari, sono chiamate anche cellule del muscolo scheletrico, in quanto consentono il movimento delle ossa e la postura, o cellule muscolari striate (se osservate al microscopio hanno strutture ripetute come fossero delle striature).
  • Cellule muscolari lisce: non abbiamo l'organizzazione di strutture ripetute, compongono tutta la muscolatura delle vene e delle viscere (muscoli involontari).
  • Cellule del muscolo cardiaco: il muscolo cardiaco è un sistema a sé stante, è un muscolo striato ma non volontario; le sue cellule presentano delle strutture organizzate e ripetute molto simili a quelle del muscolo scheletrico, ma hanno delle proprietà intrinseche di auto-elettricità tale per cui non hanno bisogno di un impulso nervoso per battere. I pazienti affetti da SLA hanno una degenerazione progressiva dei nervi che innervano i muscoli scheletrici: hanno una degenerazione progressiva di tutti quelli che sono i muscoli volontari, ma non hanno danni cardiaci.
• Cellule del tessuto connettivo: hanno la funzione di sostegno e di trasporto, ad esempio osteoclasti, osteoblasti, fibroblasti, cellule del sangue (tessuto connettivo liquido in cui abbiamo una parte liquida, il plasma, e una parte corpuscolare, globuli rossi, globuli bianchi e piastrine).

Queste cellule andranno poi a formare tessuti differenti che, a loro volta, andranno a formare organi i quali comporranno gli apparati, insieme di organi con funzioni diverse che cooperano per il funzionamento dell'apparato.

I sistemi del corpo umano

Sono 10 gli apparati che compongono il corpo umano, inclusi gli apparati di controllo dell'organismo, come il sistema endocrino ed il sistema nervoso:

• Sistema endocrino: formato da un insieme di ghiandole (ipotalamo, ipofisi, surrenali, tiroidee, timo, pancreas) è in grado di far comunicare diversi distretti del corpo attraverso la produzione ed il rilascio di alcune sostanze bioattive, quali gli ormoni, la cui circolazione è mediata dal torrente circolatorio. Ci sono ghiandole che svolgono questa sola funzione e poi ci sono altri organi che, oltre a questa funzione, svolgono altri compiti: il cuore batte e secerne ormoni, i reni filtrano il sangue e diffondono ormoni.
• Sistema nervoso: è confinato in alcuni punti del corpo umano; il sistema nervoso centrale è confinato nella scatola cranica e nella colonna vertebrale e nel midollo spinale; il sistema nervoso periferico di cui fanno parte i nervi periferici ed infine abbiamo il sistema nervoso autonomo. Il sistema nervoso fa comunicare le cellule senza avvalersi del sangue in quanto porta le proprie componenti a contatto con le cellule bersaglio.
• Sistema muscolo-scheletrico: fanno parte muscolo scheletrico, ossa, tendini e legamenti; la funzione principale è quella di sostegno e di movimento.
• Sistema cardio-vascolare: fanno parte cuore, vasi sanguigni ed il sangue (tessuto connettivo liquido), la funzione è quella di trasportare ossigeno e nutrienti alle cellule e togliere alle cellule tutte le sostanze di scarto.
• Sistema respiratorio: fanno parte polmoni, faringe, laringe, trachea, cavo orale e naso; la funzione è quella di immettere ossigeno nel sangue e rimuovere, attraverso l'espirazione, l'anidride carbonica (prodotto del metabolismo); il sistema respiratorio ha necessità di avere muscoli associati, senza i quali la respirazione non esiste e ha anche uno strettissimo legame col sistema circolatorio.
• Sistema urinario: fanno parte rene, uretere, vescica, uretra; ha funzione di filtrare il sangue per eliminare le sostanze di scarto, regolare il pH, regolare il volume di acqua nel sangue e la concentrazione del sangue stesso (ioni nel sangue).
• Sistema gastro-intestinale: formato da bocca, esofago, intestino, fegato, pancreas, cistifellea... ha la funzione di frantumare il cibo e facilitarne l'assorbimento oltre che eliminare gli scarti.
• Sistema riproduttivo: gonadi e le ghiandole riproduttive, su di esso c'è un buon controllo ormonale importante.
• Sistema immunitario: formato da globuli bianchi, milza, linfonodi, timo, linfonodi... ha funzioni di sorveglianza e difesa dagli agenti patogeni.
• Sistema tegumentario: pelle, è il più esteso del corpo umano e serve a proteggere il corpo dall'ambiente esterno.

Quattro di questi apparati sono in grado di scambiare materiale tra l'ambiente esterno e l'ambiente interno: sistema respiratorio, digerente, urinario e riproduttivo. Questi sistemi, per la loro funzione, sono detti sistemi tubulari.

Il controllo omeostatico

Se togliamo le cellule da un organismo e le mettiamo in un terreno di coltura, sono in grado di vivere anche se non sono più all'interno di un tessuto. Questo deriva dal fatto che le cellule sono in grado di mantenere un loro controllo omeostatico scambiando, con determinati sistemi estremamente controllati, sostanze dall'interno del liquido intracellulare all'esterno (liquido interstiziale). Quando mettiamo le cellule in un terreno di coltura le collochiamo in un ambiente che somiglia il più possibile al liquido interstiziale: possiamo immaginare, quindi, un organismo come una sfera in cui nella parte esterna abbiamo cellule protettive (es. pelle), delle cellule che sono in grado di scambiare materiali tra ambiente interno ed esterno (es. cellule dei polmoni, degli alveoli polmonari) e poi abbiamo all'interno un liquido extracellulare che viene controllato molto fortemente da questi scambi ed un liquido intracellulare (simile nella maggior parte delle cellule) che scambia in modo molto controllato col liquido extracellulare. Quindi le cellule non stanno in contatto con l'ambiente esterno, ma sono in contatto con l'ambiente interno, liquido intracellulare, in grado di mantenere il controllo dell'omeostasi.

Noi abbiamo:

• Un ambiente esterno
• Uno strato di cellule epiteliali che proteggono il corpo
• Ambiente interno con il liquido intracellulare e all’interno del quale vivono le cellule

Le cellule come fanno ad avere le sostanze nutrienti necessarie? Attraverso i quattro apparati tubulari. Tutto questo è controllato dai due apparati di controllo: sistema nervoso ed il sistema endocrino.

La membrana plasmatica crea due ambienti separati e consente solo ad alcune sostanze di passare dallo spazio extra a quello intracellulare e viceversa: forma una barriera semipermeabile. I gas possono passare attraverso la membrana essendo composta da una parte idrofobica esterna ed una parte idrofila interna: tutto ciò che è disciolto in acqua passa.

L'acqua corporea totale è di circa 42L, di cui 28L fanno parte del liquido intracellulare e circa 14L fanno parte del liquido extracellulare; tra quelli del liquido extracellulare 3L vanno a comporre il plasma e circa 11L compongono il liquido interstiziale (tra cellula e cellula).

Se guardiamo il liquido intracellulare abbiamo: tanto potassio, poco magnesio, fosfati e parecchie proteine. Nel liquido interstiziale (o extracellulare) abbiamo: tanto sodio, poco potassio, molto cloro ed il bicarbonato. Nel plasma abbiamo: sodio, cloro, bicarbonato e molte proteine utili al trasporto.

Gli scambi tra questi liquidi sono possibili perché sulla membrana delle cellule abbiamo dei meccanismi che consentono ad alcune sostanze di passare ed altre no (trasportatori e canali ionici). Le proteine non passano a meno che di particolari condizioni patologiche.

Questa situazione fa sì che il compartimento extracellulare, detto mare interno, ha un controllo di pH, quantità di ossigeno e ioni molto controllato che consentono la sopravvivenza cellulare. Questi sistemi che comunicano fra interno ed esterno fanno sì che si mantenga un mare interno costante (liquido interstiziale) nel quale le cellule riescono a sopravvivere. Questo è il concetto alla base dell'omeostasi: controllo della composizione del mare interno che fa in modo che le cellule riescano a sopravvivere.

Cosa succede se la composizione del liquido extracellulare si discosta dai valori normali? La legge di Cannon: quando la composizione del liquido extracellulare esce dal normale intervallo di valori, si attivano i meccanismi che lo riportano a livelli normali. La perturbazione dell'ambiente extracellulare dà un segnale (segnale d'ingresso), recepito dal controllore che invia un output per riportare la situazione a livelli normali.

Esempio di controllo del glucosio ematico

Feedback negativo: il nostro corpo chiede cibo e noi non glielo diamo; quindi nel nostro sangue il livello di glicemia è troppo basso e le cellule richiedono glucosio. Come faccio a procurarmi glucosio? Il sangue passa nel pancreas all'interno del quale esistono le cellule alfa che sentono che il glucosio nel sangue è basso; quindi secernono nel sangue un ormone, il glucagone, che agisce a livello delle cellule adipose, del fegato e dei muscoli dove ci sono i depositi di glicogeno e fa attuare a queste cellule la glicogenolisi: si ottiene glucosio che viene reimmesso nel circolo sanguigno. Questo glucosio in circolo ritorna nel pancreas causando l'inibizione delle cellule alfa che smettono così di produrre glucagone.

Ho fame quindi mangio, e nel sangue ho quindi glucosio; quando ho un picco di glucosio, lo stesso glucosio nel sangue arriva al pancreas dove agisce sulle cellule beta che, riconoscendo il glucosio, producono un altro ormone, l'insulina. L'insulina agisce sugli adipociti, cellule del fegato e dei muscoli e induce le cellule ad acquisire glucosio dal sangue e convertirlo in glicogeno. Nel sangue il livello di glucosio è sceso e quindi non agisce più a livello delle cellule beta.

Termoregolazione

Altro parametro di controllo è la misura della temperatura corporea: energia termica prodotta dal metabolismo cellulare che riesce a mantenere stabile la temperatura corporea in quella zona definita di neutralità termica (28-30 gradi).

Meccanismi di termoregolazione nel quale abbiamo:

• Un segnale di ingresso che è rappresentato dal cambiamento della temperatura esterna, percepita dai termo-recettori;
• Un controllore, nucleo dell'ipotalamo (sito alla base del cervello) che ha un suo valore di riferimento di temperatura corporea ottimale (37°C); questo nucleo confronta quanto il nostro corpo si sta allontanando dal valore di riferimento di 37° ed attiva un segnale in uscita che è vario.

Questo segnale in uscita arriva a varie cellule: muscoli, ghiandole sudoripare... Abbiamo due regioni importanti dell'ipotalamo che regolano la temperatura corporea:

• Nucleo anteriore dell'area preottica mediale che si occupa di dissipare il calore: aumento della frequenza cardiaca, dilatazione dei vasi sanguigni, sudorazione. Se c'è una lesione di quest'area abbiamo un grave problema di ipertermia che, se non controllata, porta alla morte in seguito a degradazione cellulare.
• Nucleo posteriore dell'ipotalamo che si occupa della conservazione del calore: se stimolato, abbiamo la comparsa dei brividi, vasocostrizione (in quanto si tende a proteggere gli organi vitali andando a trascurare le zone periferiche del corpo, utili alla dispersione del calore), aumento del rilascio degli ormoni tiroidei, aumento dei depositi di grasso bruno. Se c'è una lesione in questa zona, finché stiamo in una zona a temperatura controllata e mite non è letale, ma lo diventa in ambienti molto freddi.

Quindi cosa vuol dire che ho un sistema a feedback negativo? Significa che ho un segnale, un controllore, degli effettori, l'effetto degli effettori abbassa il segnale d'ingresso chiudendo così il cerchio.

Feedback positivo

Non tutti i controllori dell'omeostasi si basano su feedback negativo (che comporta il dispendio minimo di energia in quanto ho una perturbazione dell'equilibrio quindi lo sistemo senza ulteriori interventi). Alcuni controlli, soprattutto alcuni segnali ormonali, si basano sul concetto del feedback positivo: abbiamo un segnale d'ingresso, un effettore ed un segnale in uscita che causa l'aumento del segnale d'ingresso, quindi porta ad un aumento sempre maggiore di questa condizione fino ad una situazione finale di chiusura del processo che risulta essere più semplice rispetto al feedback negativo.

Esempio è la regolazione della secrezione di estrogeni nelle ovaie: dall'ipofisi viene secreto l'ormone luteinizzante, o LH, che agisce sulle ovaie inducendole a produrre estrogeni; nel momento in cui gli estrogeni vanno nel circolo sanguigno, mediante il circolo sanguigno stesso, arrivano all'ipofisi: tutto ciò porta ad un aumento della secrezione di estrogeni. Gli estrogeni portano a maturazione l'endometrio e l'ovulo e abbiamo l'ovulazione che si autoalimenta fino a che non si ha un evento di rottura: momento in cui o l'ovulo viene fecondato (cambia il segnale a livello dell'utero) o in seguito a non fecondazione si forma il corpo luteo. Nel momento in cui abbiamo un evento di rottura comincia a calare la produzione di estrogeni e di conseguenza la secrezione di LH.

Altro evento di feedback positivo è quello del parto: il parto è pronto quando la testa del feto spinge sulla cervice uterina e abbiamo lo sviluppo di impulsi nervosi che arrivano a livello del cervello, in particolare all'ipotalamo: l'ipotalamo induce l'ipofisi a produrre e rilasciare ossitocina nel sangue; l'ossitocina arriva alle pareti uterine stimolando la contrazione dell'utero che aiuta la spinta verso la cervice: aumenta la pressione e quindi i segnali nervosi che giungono ancora all'encefalo. Tutto questo procede fino alla rottura del parto: espulsione del feto, momento in cui non abbiamo più lo stimolo che alimenta il feedback positivo.

A questo punto, se tutto il processo funziona, il nostro sistema riesce a ritornare nella condizione di omeostasi. Tuttavia, se si ha un fallimento della omeostasi, possono insorgere problemi significativi.