Appunti di Fisiologia generale

INTRODUZIONE

La fisiologia è lo studio delle funzioni e dei fenomeni vitali (quindi della vita), in contrasto con quello che resta dopo la

vita. Tutte le funzioni devono essere regolate e coordinate perché l’organismo funzioni correttamente.

Lo stato fisiologico o stato stazionario è lo stato di salute. In opposizione vi è la patologia, che è la perdita

reversibile o irreversibile della salute.

Obbiettivi del corso:

• Acquisire i fondamenti chimico-fisici, molecolari e cellulari dei meccanismi che sostengono le principali funzioni

dell’uomo e degli animali.

• Analizzare le fonti di energia e delle trasformazioni energetiche alla base delle funzioni dell’uomo e degli animali.

• Analizzare i fenomeni di regolazione e integrazione delle funzioni degli organismi in relazione alle variabili

interne e ambientali.

• Valutare in maniera critica le metodologie sperimentali e dell’adozione di modelli matematici, fisici e biologici per

lo studio l’interpretazione dei processi fisiologici.

• Analizzare gli aspetti adattativi delle relazioni struttura-funzione a ogni livello di organizzazione biologica

→ organismi → sistemi e apparati → organi → tessuti → cellule → proteine/acidi nucleici; ognuno

(popolazione

di questi è un livello di organizzazione).

“Tutto ciò che gli esseri viventi fanno può di atomi”

essere compreso in termini di moti e oscillazioni R. Reynman

RELAZIONI STRUTTURA-FUNZIONE

Le interazioni tra ambiente interno ed esterno del tubo digerente avvengono attraverso un’interfaccia: la mucosa

Questo presenta due aperture: dalla bocca vengono introdotti i cibi, dall’ano

intestinale. È il rivestimento del tubo.

escono le feci. Il cibo attraversa l’esofago e raggiunge lo stomaco, dove inizia il processo di digestione. C’è poi una

porzione più consistente, ovvero l’intestino tenute, in cui avviene il processo più importante: l’assorbimento di tutto ciò

che c’è di utile in quella “melma” che si trova all’interno del tubo digerente verso il circolo sanguigno. Per poter

elaborare e digerire tutte le sostanze, vengono messe a disposizione dal sangue al tubo digerente (quindi in senso

inverso rispetto all’assorbimento) dei pacchetti di enzimi (controllati da pH, ecc.) che controllano e coadiuvano la

funzione digestiva. Nella maggior parte dei casi stiamo parlando di trasporti attivi selettivi, attuati per mezzo di

Questi sono sempre presenti sulle membrane e in numero variabile: la loro “densità

trasportatori. di popolazione”

determina la variazione di correlazione tra i due apparati (circolatorio e digerente) durante assorbimento e secrezione di

enzimi.

Lo spessore della mucosa varia. A livello dello stomaco, la mucosa è formata da vari strati di cellule per sostenere la

motilità muscolare. La mucosa ospita inoltre molte ghiandole. A livello dell’intestino tenue vi sono delle pieghe, ovvero

villi intestinali, che sono esposti verso il lume dell’intestino e servono per aumentare la superficie di scambio, e la

dei

parete è più sottile. All’interno vi sono vasi sanguigni, vasi linfatici, cellule nervose e del sistema immunitario.

Sulla membrana apicale troviamo dei microvilli, ovvero pieghe della membrana plasmatica luminale delle cellule

epiteliali. Il pattern è lo stesso della mucosa intestinale, proprio perché la funzione svolta è la stessa.

Questi di seguito sono tutti esempi di correlazione tra struttura-funzione...

 CIRCOLAZIONE

Il lavoro del cuore (è una pompa) è quello di pompare il sangue a tutto il corpo (circolo sistemico o piccolo circolo e

grande circolo). I tipici valori di pressione nelle arterie polmonari sono:

• Sistolica (pressione massima, massima compressione): 25 mmHg

• Diastolica (pressione minima, minima compressione): 10 mmHg

I tipici valori di pressione nelle arterie sistemiche sono:

• •

Sistolica: 120 mmHg Diastolica: 80 mmHg

Il gradiente di pressione è quello che ci serve per far fluire un fluido all’interno dei vasi.

1

EQUAZIONE DEL FLUSSO

Il flusso (F) è la quantità di materia, in questo caso di sangue, spinto nell’unità di tempo. Si misura calcolando il

rapporto tra la differenza di pressione e la resistenza (R). La resistenza, nel sistema circolatorio, è alta nel grande circolo

e bassa nel piccolo circolo. Questo dipende dalla dimensione del condotto (maggiore è la dimensione, minore è la

resistenza; sono inversamente proporzionali). ∆

=

LEGGE DI POISEUILLE

=

Con r che è la lunghezza del circolo o raggio.

LEGGE DI LAPLACE

=

Con T che è la tensione prodotta dall’insieme delle cellule muscolari (è la loro funzione, quella di creare una forza) che

determinano una compressione del fluido sanguigno. Più cellule ci sono, più la parete sarà spessa (d) più contrazione

verrà prodotta. Lo spessore (d) è direttamente proporzionale alla tensione ed inversamente proporzionale al raggio r

della cavità. Quindi, maggiore è la tensione prodotta, maggiore è lo spessore delle cellule muscolari, minore è il raggio

del condotto e maggiore sarà la pressione del fluido.

È possibile fare una previsione basata su queste leggi: un aumento di resistenza porterebbe ad un inspessimento della

parete dei vasi (ipertrofia).

Andiamo ad osservare una particolare struttura presente nella giraffa. Vi sono delle modificazioni nel sistema

cardiocircolatorio per far fronte alla maggiore resistenza e alle forze contrastanti (forza di gravità) dovute alla lunghezza

del collo. Vi è un grande dislivello tra cuore e testa-cervello (organo molto esigente), che può arrivare fino a 3m.

L’adattamento lo spieghiamo tenendo presente le precedenti equazioni. Nonostante l’altezza della testa, la pressione

a livello della testa è simile a quella nell’uomo:

delle arterie sistemiche la loro pressione sistolica oscilla tra i 200-300

mmHg mentre quella diastolica tra i 100-170 mmHg. Il cuore nelle giraffe ha dimensioni molto maggiori rispetto a

quello degli altri mammiferi: pesa circa 12 kg (il nostro 0,25-0,3 kg) ed è alto 60 cm. Con una sezione a metà ventricolo

si nota come il ventricolo sinistro (grosso circolo) ha parete molto inspessita, mentre il lume è ridotto (ipertrofia:

aumento di volume di un organo o tessuto come conseguenza ad un aumento abnorme di volume degli elementi

Questo consente, in virtù dell’enorme parete ventricolare,

cellulari che lo costituiscono). di generare una pressione

adeguata a far arrivare il sangue a notevole altezza (il cervello è 2-3 m sopra al cuore).

Il cuore è un organo muscolare. Le strutture contrattili delle fibre muscolari sono le miofibrille. Al loro interno vi sono

dove avviene tutto l’essenziale della contrazione. L’unità è

delle strutture, considerate le unità funzionali del muscolo,

detta sarcomero e contiene un trasduttore che permette la trasformazione da energia chimica (ATP) a lavoro

meccanico, movimento. Le proteine motrici, organizzate a costituire un polimero detto filamento spesso, che se ne

occupano sono delle ATPasi, idrolizzano l’ATP per utilizzare l’energia chimica per produrre movimento mediante

l’interazione tra proteine motrici: miosina (a comporre il filamento spesso) e altre proteine lungo cui si muovono;

actine (filamenti sottili). Queste proteine si spostano, camminano lungo i filamenti sottili, e la loro interazione è

all’origine della produzione della tensione (il fenomeno è detto scorrimento).

 CANALI IONICI DI MEMBRANA

I canali ionici di membrana sono proteine TM disposte a delimitare un canale e sono alla base di molte funzioni. Sono

essenziali per effettuare lo scambio di molecole non permeabili (ioni) attraverso la membrana. Sono formati da più

subunità proteiche, che si dispongono in modo da delimitare una sorta di poro. La membrana oppone resistenza, non

permettendo il passaggio di alcune sostanze (soprattutto quelle cariche). Le cellule hanno però bisogno di assumere ed

espellere ioni (questo fenomeno è anche alla base della formazione del potenziale di membrana) ed è per questo

necessario che vi siano canali.

Questi canali sono caratterizzati da un grado variabile di selettività: alcuni ioni possono passare mentre ad altri è

impedito il transito. Il passaggio è quindi selettivo. Le interazioni tra ciò che transita e ciò che ne consente il transito

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determina la selettività della struttura. Ci sono diverse strategie per ottenere questo risultato: in alcuni casi, gli

aminoacidi che sono esposti all’interno del canale sono polari (acidi o basici) in condizioni di pH fisiologico. Se un

canale presenta residui acidi (-) esposti sul lume del canale permetterà il passaggio solo agli ioni carichi (+), ovvero i

cationi. Basandoci solo sulla carica dello ione, la selettività del canale non è totale. Esistono canali che hanno anche

altre “forme di controllo” per aumentare la selettività che si basano non soltanto sulla carica e sulle dimensioni.

La vita si basa su:

• FLUSSI DI ENERGIA: consistono in trasformazioni energetiche che sostengono le funzioni cellulari;

• FLUSSI D’INFORMAZIONE: fondamentali per integrare le funzioni, recepire gli stimoli per dare origine a

risposte coerenti.

METABOLISMO

La fonte di energia per tutti gli esseri viventi proviene dal sole e viene fissata dai fotoautotrofi nei legami di molecole

semplici e glucosio, in modo tale che possa essere utilizzabile. Questi prodotti vengono convertiti in energia chimica da

parte dei chemioeterotrofi, che, consumandoli, rilasciano acqua e anidride carbonica.

→ → → →

Organismi fotoautotrofi glucosio organismi chemioeterotrofi acqua e anidride carbonica organismi autotrofi

Le funzioni vitali e le reazioni derivano da processi più semplici.

Il metabolismo (anabolismo, ovvero contrazione muscolare o altro che necessita di energia per funzionare +

catabolismo, ovvero la degradazione ossidativa di nutrienti che fornisce energia) consiste nella trasformazione

dell’energia chimica dei nutrienti in intermedi energetici e costituenti cellulari.

FONDAMENTI DI TERMODINAMICA

Il sistema è una porzione di universo col suo contenuto di materia ed energia a cui noi siamo interessati. Basandoci sul

e l’ambiente

tipo di interazione tra un sistema dato possiamo distinguere:

non c’è scambio di energia o materia

o Sistema isolato: c’è scambio di energia ma non di materia

o Sistema chiuso: c’è scambio di materia e energia

o Sistema aperto:

PRIMO PRINCIPIO O DELLA CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA: l’energia totale di un sistema isolato può

essere trasformata ma non può essere né creata né distrutta.

L’energia interna U di un sistema e le sue variazioni si calcolano mediante questa equazione:

∆ = +

Calore (Q) e lavoro (W) sono modalità equivalenti di trasferimento di energia.

SECONDO PRINCIPIO: in un sistema isolato, tutte le trasformazioni spontanee tendono a procedere nel verso di una

dispersione di energia e materia (cioè verso la degradazione). Il sistema tende a passare da uno stato più ordinato

(statisticamente meno probabile) ad uno stato più disordinato (più probabile).

Questo perché ciascun sistema isolato tende a raggiungere una condizione detta l’equilibrio termodinamico

(condizione in cui l’energia potenziale è minima e vi è un massimo disordine).

Le trasformazioni spontanee che avvengono in un sistema isolato sono irreversibili perché seguono questa inesorabile

freccia che punta ad un maggior grado di disordine o casualità. Questa tendenza può essere quantificata valutando la

variazione di una funzione di stato detta entropia (una misura del grado di casualità del sistema).

La variazione di entropia la misuro calcolando la quantità di calore scambiata ad una determinata temperatura:

∆ =

“L’entropia dell’universo e di ogni sistema isolato tende ad aumentare” R. Clausius

Il contenuto di informazione e l’ordine dei sistemi viventi fu descritto da Schrödinger in termini di entropia negativa

∆ < ).

(negentropia, Questo è ciò che avviene nelle vie anaboliche.

∆ > .

Un processo spontaneo ha ∆ = ∆ + ∆

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In condizioni di pressione e temperatura costanti ∆

∆ = −

∆ = ).

è una proprietà del sistema e rappresenta il calore scambiato nel processo (∆ Quindi...

∆

∆ = ∆ −

−∆ = ∆ − ∆

con G che è l’energia o l’energia riscrivo l’equazione e ottengo...

−∆ = ∆,

Definendo libera di Gibbs,

∆ = ∆ − ∆

∆ <

Quindi, un processo è spontaneo se e corrisponde dunque ad un decremento di energia libera.

Considerando un processo A → B...

• ∆ <

Se la reazione procede spontaneamente nella direzione in cui è scritta, la reazione è esoergonica;

• ∆ >

Se la reazione procede nella direzione opposta, la reazione è endoergonica.

• all’equilibrio.

∆ =

Se la reazione non procede in modo netto in alcuna direzione, la reazione è

La reazione di ossidazione del glucosio è...

+ → + +

⁄

∆ = − = −, ⁄

la sua reazione con l’ossigeno è una reazione fortemente

Il glucosio ha un elevato potenziale termodinamico: di un’alta

esoergonica ma praticamente non avviene in condizioni normali per via energia di attivazione.

• In laboratorio e in condizioni ordinarie la reazione è talmente lenta che praticamente non avviene.

• In una cellula vivente questa reazione fondamentale procede ad una velocità elevatissima. Questo è dovuto al

che abbassano l’energia di attivazione, aumentando così la velocità di

fatto che la cellula contiene degli enzimi

reazione.

La cinetica di una reazione consiste nella velocità con la quale avviene una reazione mentre la termodinamica ci

permette di comprendere la capacità di una reazione di avvenire.

PROCESSI ACCOPPIATI NEI SISTEMI BIOLOGICI

L’accoppiamento energetico è una strategia che permette di spingere un processo termodinamicamente sfavorito,

sfruttandone uno favorito.

L’energia potenziale dipende dalla massa e dalla posizione dell’oggetto. Il sistema procede verso una situazione a

minima energia potenziale. Questa energia viene dissipata sottoforma di un’altra energia, come ad esempio sottoforma

di calore. accoppiato questa energia può essere trasferita ad un altro sistema: l’energia può essere trasferita

Se il sistema è

sottoforma di lavoro.

Nei sistemi biologici, gran parte delle reazioni, principalmente quelle anaboliche, procedono contro barriere di energia e

dunque devono essere accoppiate a processi termodinamicamente favorevoli che liberino energia.

> )

Un processo termodinamicamente sfavorevole (∆ può avvenire se accoppiato ad uno termodinamicamente

< ).

favorevole (∆ Per esempio...

−

− − ⁄

+ → + ∆ = −,

−

− − ⁄

+ → + ∆ = +,

Quindi...

− − − − ⁄

+ → + ∆ = −,

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La reazione termodinamicamente favorevole traina l’altra reazione. Un esempio lo possiamo osservare nella

fosforilazione a livello del substrato: la fosforilazione di ADP a ATP è favorita dalla defosforilazione del PEP che è

esoergonica. ORGANIZZAZIONE E STRUTTURA

DEI SISTEMI FISIOLOGICI

Lo stato stazionario è il mantenimento del livello di certe variabili (pressione, pH, temperatura). Andiamo ad

osservare, come prima cosa, quello che entra (input) e quello che esce (output) da un dato sistema fisiologico. Ci deve

essere un bilanciamento tra entrate ed uscite nel sistema. Andando poi ad osservare la struttura del sistema, notiamo che

è costituito da sottoinsiemi organizzati in vario modo.

Le reazioni input-output e le connessioni tra sistemi convergono a costituire sistemi via via più complessi o

supersistemi. Ogni organismo può essere considerato un supersistema, in cui i vari sistemi e sottoinsiemi operano in

modo integrato.

COMPARTIMENTI LIQUIDI DEL CORPO

Un organismo è una porzione di mondo che ha un confine, una barriera che lo separa dall’ambiente esterno. Questo

ambiente può essere l’aria o l’acqua e il confine è rappresentato dalla superficie cutanea che, in certi punti, si estende