Appunti di fisiologia

INTRODUZIONE ALLA FISIOLOGIA

La fisiologia studia le funzioni dell’organismo. È strettamente associata all’anatomia che studia invece la

struttura. È molto importante la distinzione tra funzione e meccanismo. Mira a conoscere le cause, le

condizioni e le leggi che determinano e regolano i fenomeni vitali. Opera su diversi livelli di osservazione:

meccanismi di base a livello molecolare, funzioni di cellule e organi e integrazione delle funzioni d’organo in

organismi complessi. Gli organismi unicellulari sono svantaggiati dall’avere un ambiente interno isolato, ma

soggetto alle variazioni dell’ambiente esterno. Costituiscono un sistema aperto che dipende dall’ambiente

esterno per gli scambi. Gli organismi pluricellulari sono avvantaggiati in quanto l’ambiente interno è

costante e indipendente dalle variazioni esterne. L’ambiente esterno può anche essere gassoso. Sono

presenti strutture deputate a mantenere costante l’ambiente interno. Si ha un lavoro coordinato garantito

dalla specializzazione delle cellule. È molto importante la capacità di comunicare tramite l’ambiente interno

all’organismo, formato dal liquido extracellulare. Gli organismi pluricellulari hanno un’alta necessità e

possibilità di adattamento. Il liquido extracellulare è spesso chiamato LEC e funge da interfaccia tra

l’ambiente esterno e il liquido intracellulare LIC. I meccanismi omeostatici permettono all’organismo di

mantenere costante la composizione del LEC. Claude Bernard è stato il primo a introdurre il concetto di

mezzo interno. Il termine omeostasi è stato coniato da Cannon definendola come la tendenza

dell’organismo a mantenere lo stato stazionario, ovvero l’ambiente interno stabile, a fronte di modificazioni

ambientali. Tutti i tessuti e gli organi del corpo contribuiscono all’omeostasi. Il mantenimento

dell’omeostasi permette all’organismo di adattarsi a situazioni particolari. Deve essere presente un sistema

in grado di recepire una modificazione di una condizione e di attivare i meccanismi compensativi. I sistemi

di controllo sono a livello dell’interno della cellula, all’interno di un organo e all’interno dell’organismo.

L’integrazione tra organi differenti è fondamentale. Il sistema nervoso e l’endocrino fungono da centri di

integrazione. I sistemi di controllo sono generalmente ridondanti e capaci di adattamento. Tra le variabili

fondamentali regolate nel nostro organismo troviamo la temperatura corporea, la pressione arteriosa, la

volemia e osmolarità plasmatica, il pH plasmatico e la concentrazione ematica di specifiche molecole.

Grazie all’omeostasi il valore fisiologico delle variabili controllate viene mantenuto in steady-state. È il

risultato di un bilanciamento dinamico e continuo tra stimolazione e inibizione di un dato valore fisiologico.

L’omeostasi non è sinonimo di equilibrio. I meccanismi di controllo possono agire localmente o tramite un

riflesso a lunga distanza. Un riflesso fisiologico viene diviso in due componenti: un circuito di risposta

riflessa e un circuito a retroazione. Oscillazioni intorno al valore di riferimento possono portare

all’attivazione dei circuiti di risposta. I sistemi a feedback sono dei circuiti a retroazione. Possono essere

positivi o negativi. I feedback negativi sono i più abbondanti in fisiologia. Un esempio di feedback positivo si

ha nelle contrazioni causate dal parto che sono favorite dal rilascio di ossitocina a cascata. Ci sono dei

controlli definiti anticipatori come ad esempio il riflesso posturale. Porta all’attivazione di una funzione

prima che avvenga un cambiamento. In presenza di modificazioni ambientali a livello prolungato

l’organismo va a modificare i range delle variabili (bradicardia, sopportazione caldo/freddo).

LA TERMOREGOLAZIONE

La termoregolazione è un meccanismo fisiologico che tende a mantenere costante la temperatura corporea

dell’organismo adattando i processi di produzione e di dispersione del calore alle variazioni della

temperatura ambientale. Nel nostro corpo la distribuzione del calore non è omogenea. Nei punti in cui c’è

possibilità di trasmissione del calore il valore della temperatura è inferiore. Il nucleo interno mantiene una

temperatura costante di circa 37°. Troviamo quindi un guscio interno e un guscio esterno. Esiste un ritmo

circadiano della temperatura che va a regolarla durante la giornata, facendola diminuire durante il sonno.

La temperatura corporea è influenzata anche dal rilascio di ormoni, dovuto al ciclo mestruale. La

termogenesi è una proprietà comune a tutti i tessuti. Se la compensazione della temperatura non riesce si

hanno l’ipotermia o l’ipertermia. Nell’ipertermia si ha la denaturazione proteica, la possibilità di emorragie

aumenta a 42° e a 44° si muore in poche ore. In caso di ipotermia i processi metabolici rallentano, a 30° si

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ha il blocco dei sistemi regolatori e si rischia la morte a 27°. Le entrate di calore sono principalmente date

dall’attività metabolica. Le entrate di calore dall’esterno dipendono dalle radiazioni solari,

dall’irraggiamento, dalla convezione e dalla conduzione. La velocità di dispersione del calore dipende dalla

velocità di trasferimento dalla cute all’ambiente e alla velocità di conduzione del calore a livello dell’organo

produttore. I termorecettori si trovano sia a livello cutaneo che nell’area ipotalamica. L’ipotalamo anteriore

riguarda la termodispersione mentre l’ipotalamo posteriore la termoproduzione. L’aumento di temperatura

può essere mediato da una vasocostrizione o una termogenesi con o senza brivido. Il processo è mediato

dai neuroni simpatici adrenergici. Il tessuto adiposo bruno è molto limitato nell’adulto mentre è più

presente nel neonato in quanto è utile a produrre calore senza i brividi. In caso di dispersione di calore si

può avere una secrezione del sudore o una vasodilatazione. Questo processo è mediato da dei neuroni

colinergici. La percezione del calore dipende molto dal grado di umidificazione dell’aria. Un ambiente ricco

di umidità aumenta il rischio di colpi di calore. Anche il vento ha un ruolo importante in quanto concorre

alla rimozione del calore dal corpo. Variazioni della temperatura interna possono essere causate da ragioni

fisiologiche (menopausa) o patologiche (febbre). Si ha una ridefinizione del set-point ipotalamico causato

ad esempio dalla carenza di estrogeni o dall’attivazione del sistema immunitario (pirogeni). La febbre è un

aumento della temperatura corporea al di sopra dei limiti normali. Può essere dovuta ad anomalie

funzionali a livello cerebrale o a sostanze tossiche che agiscono sui centri termoregolatori. Molte proteine,

in particolare tossine polisaccaridiche rilasciate dalle membrane batteriche, possono determinare un

innalzamento del punto di regolazione del centro termoregolatore ipotalamico (pirogeni). Quando il punto

di regolazione del centro ipotalamico si innalza a un livello più alto del normale, entrano in azione tutti i

meccanismi atti ad aumentare la temperatura corporea, sia intensificando la produzione di calore sia

riducendo la termodispersione. Due eventi molto gravi per l’organismo sono il colpo di calore e il collasso di

calore. Nel colpo di calore si possono avere degli eventi gravi come la perdita di coscienza, vertigini, vomito,

delirio, turbe addominali che impediscono l’attivazione dei meccanismi comportamentali per la dispersione

di calore. Il collasso di calore è favorito dalla disidratazione e dalla senescenza e porta a crampi, cefalea e

nausea. Nell’ipotermia man mano che la temperatura corporea profonda scende, le reazioni enzimatiche

rallentano e il soggetto perde conoscenza. Quando il metabolismo rallenta anche il consumo di ossigeno

diminuisce. LA MEMBRANA E I TRASPORTI

La membrana plasmatica è costituita principalmente da un doppio strato lipidico composto da molecole di

fosfolipidi e da un elevato numero di molecole proteiche che attraversano tale strato a pieno spessore

(proteine integrali) o che si trovano soltanto nel versante interno (proteine periferiche). Inoltre molecole di

carboidrati sono attaccate a molecole proteiche sulla superficie esterna della membrana. Gli scambi tra

ambiente intra ed extra cellulare avvengono attraverso la membrana cellulare. Le proteine sono libere di

ruotare e di muoversi lateralmente all’interno di un singolo strato. Le membrane plasmatiche sono simili a

cristalli liquidi: i fosfolipidi sono disposti ordinatamente con teste all’esterno e code all’interno. Le code

sono idrocarburiche e sono in continuo movimento. La membrana si comporta come un fluido

bidimensionale la cui fluidità deve essere ottimale. Le proteine transmembrana hanno una componente

immersa nella membrana idrofobica mentre le porzioni che si affacciano sono idrofiliche. Le proteine di

membrana gestiscono inoltre l’attacco con la matrice o con altre cellule. Le proteine di membrana fungono

da recettori, enzimi, canali ionici, canali ionici gated, marker d’identità cellulare e molecole di adesione

cellulare (CAM). Sono quindi molto importanti nella trasduzione del segnale, nel passaggio di ioni, nel

marcaggio e nell’interazione cellulare. I trasportatori di membrana si dividono in carrier e canali. I canali si

dividono in aperti e a cancello. I canali a cancello si dividono in canali regolati meccanicamente, voltaggio-

dipendenti e regolati chimicamente. Le proteine strutturali sono presenti nel citoscheletro e nelle giunzioni

cellulari. Gli enzimi di membrana intervengono nel metabolismo e nel trasferimento del segnale. I recettori

di membrana mediano l’endocitosi e il trasferimento. I passaggi attraverso le membrane plasmatiche

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devono soddisfare necessità fisiche (grandezza, solubilità) ed energetiche (concentrazione e gradienti

elettrici). I trasporti che non richiedono energia sono mediati dalla diffusione che sfrutta il gradiente delle

molecole. I trasporti attivi primari e secondari necessitano dell’energia data dall’idrolisi dell’ATP. Endocitosi,

fagocitosi ed esocitosi richiedono energia e una vescicola. La diffusione facilitata sfrutta una proteina di

membrana. I fattori che influenzano la permeabilità di una membrana è la solubilità nei lipidi, la

dimensione, lo spessore della membrana, il gradiente, l’ampiezza della superficie di scambio e la

composizione dello strato lipidico. La molecola che attraversa la membrana è detta permeante. La

diffusione netta si riferisce alla differenza tra due movimenti opposti. All’equilibrio la diffusione netta è

uguale a zero perché il movimento delle molecole da un lato all’altro è uguale. La legge di Fick descrive la

permeabilità→ flusso netto=PA(ΔC) dove A è l’area di superficie della membrana, C è la differenza di

concentrazione a due lati della membrana e P è il coefficiente di permeabilità. Per gli elettroliti la diffusione

netta è influenzata anche dalla differenza di potenziale tra interno ed esterno. Maggiore è il gradiente,

maggiore è la velocità di diffusione. La distanza da percorrere è inversamente proporzionale alla velocità.

L’effetto netto del gradiente elettrico e chimico è detto gradiente elettrochimico. Le acquaporine sono

proteine di membrana che favoriscono il passaggio di acqua e di molecole piccole polari senza carica netta.

La diffusione facilitata comprende un trasportatore o carrier che con un cambio conformazionale trasporta

una molecola dall’altra parte. Questo trasporto è saturabile e raggiunge una velocità massima. Questa

dipende dal numero e dalle caratteristiche del trasportatore. Il glucosio sfrutta la famiglia dei GLUT che

sono espresse in tipi differenti in tessuti differenti. Per mantenere elevato un meccanismo di diffusione

facilitata si attuano dei meccanismi cellulari come ad esempio la fosforilazione del glucosio a dare il

glicogeno. Quando la concentrazione di una molecola è più alta all’interno si ha una mediazione del

trasporto verso l’esterno. I canali ionici hanno una saturazione parziale mentre la diffusione semplice non

porta ad una saturazione. Sono stati identificati più di 100 canali ionici che si dividono in specifici per carica,

non specifici per carica e selettivi. La selettività del canale a cancello dipende dal diametro del canale che

può essere aperto o chiuso. Uno stimolo chimico o elettrico si lega al canale, aprendo il cancello. I trasporti

mediati da canale si dividono in uniporto, simporto e antiporto. Il cambiamento conformazionale richiesto

alla proteina carrier rende il trasporto più lento rispetto a quello attraverso proteine canale. Non generano

mai un passaggio continuo tra interno ed esterno. L’acqua può permeare la membrana per gradiente di

concentrazione. Si sposta da una zona con meno soluto a una a più soluto. L’acqua è la sola molecola che si

muove liberamente tra le cellule e il liquido extracellulare. Per questo LIC e LEC possono raggiungere

l’equilibrio osmotico. Quello che cambia è la distribuzione di soluti e di cariche all’interno e all’esterno delle

cellule. Si crea quindi un disequilibrio chimico ed elettrico. La componente acquosa del corpo è di circa 42L

che sono il 60%. 28L formano il liquido intracellulare mentre 14L quello extracellulare. Dei 14L 10,5

formano il liquido interstiziale del LEC mentre 3,5L formano il plasma. Il quantitativo di acqua varia con l’età

e in base al sesso. L’osmosi definisce la modalità con cui l’acqua si sposta nel nostro organismo. Tramite

una membrana semipermeabile l’acqua passa per andare a diluire un soluto. La pressione osmotica ferma il

trasferimento ed è esercitata dalle particelle in una soluzione. Dipende dal numero di particelle per unità di

volume di liquido, indipendentemente dalla massa delle particelle stesse. Per esprimere la concentrazione

di una soluzione in funzione del numero di particelle si usa come unità di misura l’osmole. Un’osmole è 1

mole di soluto osmoticamente attivo. Se una mole di soluto si dissocia a dare due ioni si hanno 2 osm. La

normale osmolalità dei liquidi intra ed extracellulari è di circa 300 mOsm/Kg di acqua. L’osmolarità esprime

la concentrazione osmolare in osmoli/L di soluzione. La situazione tipica dei liquidi corporei porta ad una

stessa osmolarità. La tonicità si riferisce all’effetto che la concentrazione dei soluti non permeanti di una

soluzione ha sul volume cellulare. Non ha unità di misura. L’osmolarità misura la concentrazione dei suoi

soluti permeanti e può essere misurata con l’osmometro. Una cellula in un mezzo isotonico è in equilibrio

osmotico. In un mezzo ipertonico cede acqua e si raggrinzisce mentre in un mezzo ipotonico assorbe acqua

fino a lisi. L’osmolarità non coincide mai con la tonicità. Il trasporto attivo avviene contro gradiente

elettrochimico e necessita di energia. Il trasporto attivo si divide in trasporto attivo primario e secondario. Il

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primario dipende dall’idrolisi dell’ATP diretta mentre il secondario sfrutta il gradiente elettrochimico di

un’altra molecola tra i due lati della membrana. I principali trasporti attivi primari sono le pompe ioniche, la

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Na/K ATPasi (antiporto), la Ca ATPasi (uniporto) e le pompe protoniche (uniporto). Il trasporto attivo può

essere elettroneutro senza un trasferimento netto di cariche oppure elettrogenico. Il trasporto secondario

prende l’energia dal trasporto passivo di un’altra molecola. Le molecole grosse necessitano della

formazione di vescicole che mediano l’endocitosi, la fagocitosi, la pinocitosi, l’esocitosi e la transcitosi. Si

creano generalmente delle invaginazioni di membrana mediate da proteine come la clatrina e simili. La

pinocitosi è meno specifica e porta la cellula a bere, portando all’ingresso di liquido extracellulare in una

cellula dopo l’invaginazione della membrana. Un passaggio molto importante nel nostro corpo è il trasporto

cellulare che può essere paracellulare o transcellulare. Si ha una distribuzione asimmetrica dei recettori di

membrana. Le giunzioni strette evitano il passaggio paracellulare, forzando il passaggio in modo

transcellulare. La transcitosi media il passaggio di anticorpi, immonuglobuline e altre mediante l’utilizzo di

microtubuli. POTENZIALI E TRASMISSIONE NERVOSA

In quasi tutte le cellule dell’organismo si registrano differenze di potenziale elettrico tra i due lati della

membrana cellulare. L’organismo è elettricamente neutro, tuttavia gli ioni non sono distribuiti in modo

uniforme tra LIC e LEC. Alcune cellule, come quelle nervose e quelle muscolari sono in grado di generare

rapidi impulsi elettrochimici a livello della membrana, e questi impulsi sono utilizzati per trasmettere

segnali lungo la membrana stessa. Il numero delle cariche degli ioni positivi e negativi ai due lati della

membrana determina la formazione di un potenziale elettrico di membrana. Le cariche si separano in modo

opposto. Per la separazione è necessario un consumo di ATP per mantenere il potenziale. le fluttuazioni

elettriche trasferiscono informazioni. Gli ioni si distribuiscono seguendo il gradiente chimico, l’equilibrio

elettrico, l’impermeabilità della membrana alle proteine intracellulari e fosfati. La permeabilità selettiva

(conduttanza) della membrana ai vari ioni dipende dal numero dei canali specifici. questo crea un delta di

concentrazione differente per ogni ione. Le pompe di membrana contribuiscono al mantenimento dello

steady-state elettrochimico. È molto importante ad esempio la pompa Na/K che è una pompa

elettrogenica. Nei neuroni troviamo canali passivi e canali ligando/voltaggio dipendenti. L’equilibrio

osmotico resta invece invariato. Il potenziale di membrana è prodotto fondamentalmente dalla diversa

distribuzione delle specie ioniche tra i due