Appunti di Fisiologia Generale Umana Professioni Sanitarie e Scienze Motorie

Fisiologia

La fisiologia è quella disciplina che studia i vari organi e apparati dell’organismo vivente e inoltre i cosiddetti sistemi di controllo che sono rappresentati dal sistema nervoso e dal sistema endocrino, la cui funzione è quella di coordinare l’attività dei singoli organi e apparati che costituiscono l’organismo vivente. Non solo, questi sistemi di controllo hanno lo scopo di permettere l’espletamento delle funzioni organiche in rapporto a modificazioni che possono provenire o dall’ambiente esterno o dall’ambiente interno dell’organismo.

Organizzazione gerarchica dell'organismo

L’organismo umano ha una organizzazione tipicamente gerarchica. Questi appunto sono i livelli che possono rappresentare graficamente questa organizzazione tipicamente gerarchica del corpo umano attraverso l’immagine di una piramide capovolta. Alla base vedremo che sono rappresentati gli apparati, ma questa piramide tiene conto delle dimensioni dei diversi componenti dell’organismo vivente; è chiaro che avremo particelle molto piccole all’apice (vedi gli atomi, le molecole e le macromolecole quali lipidi, glicidi, proteine e acidi nucleici), poi abbiamo gli organuli cellulari come i mitocondri, i lisosomi, ecc. Poi abbiamo finalmente la cellula, che è la più piccola struttura che presenta le caratteristiche della materia vivente. Dopodiché le cellule formeranno i tessuti, i tessuti gli organi, gli organi gli apparati. Il tessuto è formato da cellule che hanno tutte la stessa morfologia e la stessa funzione. L’organo invece presenterà aspetti diversi a seconda dei tessuti che lo compongono. E così via apparati e poi l’organismo umano.

Ecco infatti secondo questo schema la costituzione corporea è costituita da diversi livelli:

• Livello chimico
• Livello molecolare
• Livello cellulare
• Livello tissutale
• Livello d’organo
• Livello d’apparato
• Livello d’organismo

Le cellule per la maggior parte sono costituite di acqua e sono circondate di acqua. Abbiamo liquido, infatti, intracellulare ed extracellulare, quindi gli scambi avvengono sempre mediante il liquido, non esiste di conseguenza una cellula senza acqua. Tutte le cellule devono poter effettuare scambi con i liquidi, ma questi ultimi essendo limitati hanno bisogno di continui rinnovi: si deve rifornire continuamente di ossigeno, deve eliminare le sostanze di rifiuto, così come abbiamo bisogno di nutrienti. Si creano quindi delle esigenze per cui l’acqua che abbiamo dentro si deve rifornire di ossigeno, grazie ad esempio all’apparato respiratorio. Quindi le nostre cellule hanno bisogno di ossigeno per vivere e viene fornito dal circolo sanguigno. Ma affinché possa verificarsi questo trasferimento bisogna considerare diversi aspetti: l’ossigeno viene trasportato dagli eritrociti che sono prodotti nel midollo osseo, ma per assicurare la sintesi di queste cellule vi è un sistema di regolazione costituito da un ormone secreto dai reni che si chiama eritropoietina. Affinché vi sia un adeguato flusso di sangue ai tessuti, il cuore dovrà pompare un volume sufficiente di sangue ogni minuto e, per questa ragione, la frequenza e la forza delle sue contrazioni sono regolate dal sistema nervoso. Affinché il sangue possa trasportare un adeguato apporto di ossigeno, i polmoni dovranno essere ventilati da una sufficiente quantità di aria, cosa che richiede il controllo dei muscoli respiratori come il diaframma, attraverso il sistema nervoso. Infine, per fornire l’energia necessaria a questi ed altri processi, il sistema gastrointestinale dovrà occuparsi di scindere le molecole del cibo ingerito in una serie di molecole più piccole che possano essere assorbite nel sangue e distribuite alle cellule di tutto il corpo.

Lo scambio di sostanze tra il sangue e l’ambiente esterno avviene in diversi siti, tra cui i polmoni, il tratto gastrointestinale e i reni. Nei polmoni, l’ossigeno dell’aria inspirata entra nel circolo sanguigno, mentre l’anidride carbonica esce dal circolo e viene espulsa mediante l’aria espirata. Nel tratto gastrointestinale avviene il trasporto dal lume al sangue di acqua, sali inorganici e nutrienti estratti dal cibo digerito, attraverso un processo chiamato assorbimento. Per favorire la digestione del cibo, lo stomaco utilizza sostanze provenienti dal sangue e produce acidi e proteine che sono poi trasportati nel lume mediante un processo definito secrezione. Le sostanze non assorbite (più batteri e detriti cellulari) rimangono nel tratto gastrointestinale e vengono, infine, eliminate all’esterno sotto forma di feci, processo chiamato escrezione. Nei reni il liquido passa prima dal sangue ai tubuli grazie al meccanismo di filtrazione. In seguito, man mano che il liquido filtrato procede lungo i tubuli, le sostanze necessarie come acqua, sali inorganici, nutrienti, sono trasportate di nuovo nel sangue in maniera selettiva grazie al processo di riassorbimento. Allo stesso tempo, sostanze che invece non sono necessarie seguiranno il percorso inverso e vengono trasportate in maniera selettiva dal sangue ai tubuli grazie al processo di secrezione. Il liquido che alla fine raggiunge la parte terminale dei tubuli costituisce l’urina, che viene eliminata dal corpo grazie al processo di escrezione.

I vari organi sono strutturati in sistemi, ovvero insieme di organi che collaborano ad una determinata funzione. Se ne distinguono 10:

• Sistema tegumentario: la cute. Che funzione ha? Protegge l’organismo da eventi esterni, quindi la funzione tipicamente protettiva, ma quando si parla di apparato tegumentario non si intende solo la cute, ma esso comprende anche gli annessi cutanei quali ghiandole sebacee, l’apparato pilifero, le ghiandole sudoripare, che assolvono funzioni diverse ma di norma di natura protettiva. Per esempio le ghiandole sudoripare, a che serviranno? In questo momento saranno in funzione le nostre ghiandole sudoripare, perché siamo in ambiente molto caldo, dobbiamo mantenere l’omeostasi termica e attuare meccanismi che permettano la termo dispersione, vedi la sudorazione.
• Apparato muscolo-scheletrico: muscolare e scheletrico, quindi muscoli, articolazioni e ossa. Che funzione hanno? Funzione di sostegno e di movimento, protettiva nei riguardi degli organi contenuti in determinate cavità, per esempio la scatola cranica che protegge l’encefalo e ovviamente la gabbia toracica, importante per l’atto respiratorio, ma che permette anche una protezione degli organi contenuti nel torace.
• Apparato respiratorio: qui vi dice polmoni e vie aeree. Che funzione avranno? Permetteranno l’assunzione e il trasporto dei gas quali ossigeno (O₂) e anidride carbonica (CO₂), quindi l’apparato respiratorio è costituito da strutture di scambio e vie aeree che permettono all’ambiente interno di comunicare con l’esterno.
• Apparato urinario: con l’urina noi eliminiamo sostanze tossiche o potenzialmente tali, il rene svolge anche altre funzioni, contribuisce al mantenimento costante del volume dei liquidi cellulari, permette il mantenimento della costanza dell’equilibrio idrico e dell’equilibrio salino e dell’equilibrio acido-base, quindi abbiamo funzioni molto diverse. Alla fine, il prodotto finale qual è? Urina, quindi rapporto con l’esterno.
• Apparato riproduttivo, con funzione endocrina e funzione gametogenetica, con gameti che verranno emessi all’esterno.
• Apparato digerente che permette all’organismo soprattutto di assumere nutrienti necessari alla sopravvivenza cellulare e quindi alla vita dell’organismo.
• Apparato circolatorio: cuore, vasi e sangue. La funzione è essenzialmente quella di trasporto di materiale alle cellule.
• Sistema immunitario, con funzione essenzialmente di difesa.
• Sistema endocrino, con funzione di controllo, vi parla ad esempio di ghiandole surrenali, ma ve ne sono diverse altre.
• Sistema nervoso, le cui funzioni sono soprattutto di regolare le funzioni somatiche, viscerali e metaboliche dell’organismo.

Il concetto di omeostasi

Di notevole importanza è quindi il concetto dell’omeostasi, ovvero la capacità di mantenere una costanza nell’ambiente interno, quindi permettere il normale funzionamento cellulare e quindi lo stato di benessere e di sopravvivenza dell’individuo. Non si tratta di un equilibrio statico, per esempio quando abbiamo caldo: per mantenere l’omeostasi, quindi la temperatura del nostro organismo a 37°, si mette in moto un meccanismo per regolare tutto ciò, infatti sudando si abbasserà la nostra temperatura.

Il meccanismo regolatore di omeostasi per funzionare correttamente deve essere quindi in grado di rilevare queste esigenze, e ciò avviene grazie all’azione di sensori, che sono cellule (spesso neuroni) sensibili ai cambiamenti. Ad esempio, alcuni vasi sanguigni contengono cellule chiamate chemocettori che sono sensibili alle concentrazioni di ossigeno e di anidride carbonica del sangue. Oppure nell’encefalo e in altre parti del corpo ci sono neuroni chiamati termocettori, sensibili invece alla temperatura. I sensori inviano degli input che raggiungono un centro integrativo (circuiti nervosi dell’encefalo) che va ad organizzare le risposte appropriate, generando dei segnali di uscita diretti a cellule, tessuti o organi coinvolti nella generazione della risposta finale. Queste cellule, tessuti o organi sono chiamate effettori.

Il ruolo della cellula è intanto di mantenere il proprio benessere, quindi regolare il suo contenuto di acqua, di molecole, di ioni e quindi deve continuamente scambiare informazioni con l’ambiente esterno ma anche con le cellule vicine, ma anche quelle lontane. E per la comunicazione lontana, un ruolo fondamentale ce l’ha la membrana cellulare. È fondamentale perché intanto separa l’intracellulare dall’extracellulare, quindi mantiene l’integrità della cellula e l’identità della cellula. È una membrana che permette gli scambi e permette la comunicazione tra cellula e cellula, e cellula e ambiente e permette infine una struttura cellulare.

La struttura chimica della membrana plasmatica è costituita fondamentalmente da proteine, lipidi e glicidi. Glicidi legati soprattutto ai lipidi, formando i glicolipidi e anche alle proteine formando glicoproteine. Ma la componente maggiore è rappresentata dai lipidi e dalle proteine incastonate tra la membrana, le proteine integrali che attraversano la membrana e prendono contatto con un versante e con l’altro. Le proteine di membrana ci interessano perché vanno a formare i canali, i recettori, i trasportatori, quindi tutte quelle proteine che permettono il passaggio di sostanze da un versante all’altro e viceversa.

Quindi tali proteine le divideremo in:

• Recettori, quindi proteine che si legano a un segnale, un neurotrasmettitore che porterà un’informazione, una risposta cellulare. Non tutti i recettori possono interagire con tutti i neurotrasmettitori, ognuno avrà il suo specifico neurotrasmettitore. Una volta che si legano, inducono una risposta all’interno della cellula. Ad esempio i farmaci non fanno altro che attivare questi recettori e quindi produrre una reazione. O al contrario da veleni. Altro esempio, il recettore che si trova nella fibra muscolare, ovvero il recettore nicotinico, quando si lega al suo neurotrasmettitore che è l’acetilcolina dà il via alla contrazione muscolare. Ma se anziché all’acetilcolina, si va a legare ad un’altra sostanza, ad esempio il curaro, quello con cui gli antichi indigeni avvelenavano le frecce, il curaro è praticamente una sostanza che attivava questi recettori, ma non essendo una sostanza prodotta da noi, una volta che attivava il recettore non si staccava più quindi si aveva una contrazione permanente che portava alla morte.
• Canali ionici, abbiamo la membrana cellulare che separa l’ambiente interno da quello esterno, si forma questo canale e lo ione passa. Sono dei canali specifici, quindi per il sodio, potassio, calcio ecc. Più canali ci sono per una sostanza, più la sostanza sarà libera di muoversi e quindi la permeabilità della membrana sarà maggiore in riferimento a quel determinato ione.
• Trasportatori - Carrier, che cambiano la propria conformazione in base al fatto se una sostanza deve entrare o uscire.
• Pompe ioniche, che sono sempre dei trasportatori ma si tratta di un trasporto attivo. Esempio la pompa sodio potassio. Il tutto avviene contro gradiente di concentrazione, quindi la sostanza si sposta da una zona in cui la concentrazione è minore ad una in cui la concentrazione è maggiore. Proprio per questo è un tipo di trasporto che richiede energia, quindi ATP.

Anche l’acqua si diffonde attraverso la membrana cellulare. La membrana sarà permeabile all’acqua e non al soluto, in questo caso il sale e l’acqua si muove da una zona in cui è presente meno soluto ad una dove è presente più soluto, per osmosi. L’acqua si muove secondo il suo gradiente di concentrazione. Quindi avremo in un compartimento più sale e in uno più acqua. Quindi l’acqua si muove attraverso la membrana fino a che le due concentrazioni non saranno uguali. Ma per farle diventare uguali, aumenterà il livello di acqua nel compartimento dove c’era più sale, fino ad un certo punto però. Perché poi non potrà più andare, perché il peso di quest’acqua eserciterà una pressione e sarà questo a generare la cosiddetta pressione osmotica.

L’osmolarità ci riguarda particolarmente perché le cellule sono piene di acqua e sono anche circondate di acqua, e l’acqua si potrà muovere tranquillamente. Per la cellula sarà importante che l’osmolarità che c’è dentro sia uguale all’osmolarità di fuori. Perché ad esempio prendendo una cellula e mettendola in una soluzione che fuori è molto più concentrata, l’acqua uscirà per osmosi. Quindi la cellula si raggrinsisce e muore. Viceversa se prendiamo una cellula e la mettiamo in una soluzione ipotonica, al contrario l’acqua entrerà fino a quando la cellula non scoppia. L’isotonicità è molto importante proprio per questo motivo. La soluzione fisiologica ha, ad esempio, la stessa osmolarità dei nostri liquidi corporei in modo tale da non alterare questi equilibri. Le soluzioni isotoniche non sono comunque tutte uguali: ad esempio una cellula, un liquido interstiziale e un capillare. Avremo sicuramente un’uguale osmolarità ma non ci sarà equilibrio chimico. Avremo, quindi, per lo più le stesse sostanze (sodio, potassio, ioni carbonato, magnesio ecc) ma le concentrazioni saranno diverse. Per esempio il sodio sta fuori dalla cellula, per cui quando trova un canale tende subito ad entrare. Il potassio, invece, è più concentrato dentro la cellula, per cui quando trova un canale aperto tende ad uscire. E se il sodio tende a entrare, secondo gradiente, e il potassio tende ad uscire, sempre spontaneamente, poi subentra la pompa sodio potassio che li riporta al loro posto. Prende il sodio e lo butta fuori, mentre il potassio dentro.

I segnali nervosi vengono generati proprio grazie alla differenza di concentrazione di ioni fra dentro e fuori, che una volta che si modifica dà vita al segnale nervoso.

Trasporto passivo e attivo

• Trasporto passivo – secondo gradiente di concentrazione:
  • Diffusione semplice, attraverso la membrana per cui più sostanza c’è fuori più entra dentro quando trova i canali.
  • Canali ionici dove è vero che all’aumentare della concentrazione aumenta la velocità, ma fino ad un certo punto perché poi i canali sono limitati per cui rallenterà un po’ il processo. Esistono canali ionici che sono sempre aperti e sono quelli che danno la permeabilità di base alla membrana, e canali ionici che sono aperti chiusi refrattari, poi di nuovo aperti chiusi ecc. e possono essere attivati da segnali esterni, neurotrasmettitori e influenzano in modo diverso la permeabilità della membrana.
  • Trasportatori carrier – si distinguono in voc canali aperti da voltaggio dipendente, ovvero quando varia il voltaggio della membrana questi canali si aprono. I canali roc sono invece quelli che si attivano con una sostanza chimica e gli smoc attivati da secondi messaggeri. Esempio di trasportatore del glucosio.
• Trasporto attivo – contro gradiente di concentrazione. Pompa sodio potassio ad esempio. 3 ioni sodio li porto fuori e 2 ioni potassio dentro. C’è bisogno di energia, quindi di ATP. Nella cellula, quindi, viene attivato un recettore, che attiva una cascata di segnali, a sua volta va a fosforilare un canale che si apre ed inizia a far passare sostanze. Il sodio è concentrato fuori, il potassio dentro. Quando il sodio entra, la pompa sodio potassio lo prende e lo riporta fuori, mentre il potassio lo riporta dentro. Se le sostanze entrano per gradiente di concentrazione o escono, alla fine il gradiente si annulla, quindi la pompa sodio potassio mantiene il gradiente. Quindi lega 3 ioni sodio, lega anche l’ATP, nel momento in cui scinde l’ATP in ADP e fosfato cambia conformazione, e in questa seconda conformazione l’affinità della proteina per il sodio è bassa, quindi il sodio si stacca e viene rilasciato. Quando, invece, si lega il potassio, cambia la conformazione, induce il rilascio del fosfato e viene rilasciato il potassio e ricomincia tutto daccapo.

Esistono anche altri tipi di pompe, ad esempio quella di trasporto attivo per il calcio che le troviamo sulla membrana cellulare e nel reticolo endoplasmatico.