Appunti fisiologia umana

Introduzione

Con fisiologia si intende la scienza che studia le funzioni degli organismi viventi. Scienza = metodo di conoscenza → Funzioni = come funziona e a cosa serve un determinato organo cosa fa e come lo fa. Viventi = è un sistema aperto con bassa entropia e lontano da equilibrio termodinamico. Tutto in natura tende al disordine e quindi entropia, ma il corpo umano ha continuamente un flusso di energia, grazie alla quale si ha minore disordine e quindi bassa entropia. Quindi per ordine serve bassa entropia → per bassa entropia serve un flusso di energia → per un flusso di energia serve un gradiente. Questo gradiente è dato dalla presenza di una membrana, che tende a creare differenze tra interno ed esterno, in modo da generare un gradiente.

Comunicazione

Per comunicare serve l’informazione. Per poter trasmettere un’informazione occorre: → emittente segnale → ricevente. L’emittente è colui che emette un segnale; il segnale è un fenomeno fisico, percepibile, che esiste in almeno due stati (luce – buio, 1 – 0, acceso – spento, silenzio – rumore …). Il ricevente è colui che riceve il segnale; deve possedere due caratteristiche, ovvero deve accorgersi che gli è stato inviato un segnale (ad es. il timpano si modifica a causa delle vibrazioni che gli arrivano da segnali acustici) e deve comprendere qual è il messaggio portato dal segnale.

Oltre questi 3 elementi, esiste un quarto, che è astratto ed è il codice. Senza di esso non esiste comunicazione; il codice è il vocabolario, ciò che associa un certo stato del segnale con un significato preciso. Uno stesso segnale può assumere significati diversi a seconda del codice utilizzato (una parola in una lingua può essere fraintesa in un’altra lingua); anche le molecole nel nostro corpo (neurotrasmettitori, ormoni …) sono dei segnali e diverse cellule le possono interpretare in maniera diversa, poiché ognuna conosce codici diversi.

Sistemi di controllo

Sistema = insieme di oggetti che interagiscono tra loro in modo tale ed in quantità tale che il comportamento del sistema di oggetti ha più valore della somma dei singoli comportamenti; una macchina ha più utilità di quanta non ne abbiano i suoi componenti smontati ed ammucchiati. Deve esserci una trasmissione di informazioni tra i componenti del sistema. Le proprietà emergenti dei sistemi sono quelle proprietà nate dall’unione delle singole parti, che prese da sole non ne hanno.

Controllo = è quella condizione in cui, alla variabile di un sistema, non è permesso di variare casualmente o imprevedibilmente ma la variabile assume determinati valori all’interno di un “range” determinato dal controllore. Il sistema di controllo è quindi un insieme di oggetti capace di mantenere entro certi valori delle variabili fisiche (temperatura, pressione, % di glucosio nel sangue …). Può essere a catena aperta o catena chiusa.

• Sistema di controllo a catena aperta: Il sistema controllante decide se occorre aumentare o diminuire la grandezza della variabile fisica (interruttore); il sistema di regolazione aumenta o diminuisce la grandezza (termosifone), mentre il sistema controllato possiede la grandezza che deve essere tenuta nel range (temperatura nella stanza).
• Sistema di controllo a catena chiusa: Nel sistema di controllo a catena chiusa, il controllore compara il valore di riferimento con il valore segnalato dal sensore: la somma algebrica tra i due valori deve essere diversa da zero per attivare il sistema di regolazione. Questo tipo di sistema può compensare le variabili impreviste, proprio grazie ad un sensore.

Esistono due tipi di sistemi di controllo a catena chiusa:

• Retroazione negativa, il sistema di regolazione tende ad annullare la differenza di valore della variabile con il valore di riferimento.
• Retroazione positiva, il sistema di regolazione incrementa il valore della variabile fino ai suoi valori massimi possibili.

Nei sistemi a retroazione negativa il valore di riferimento non è mai presente poiché tende ad oscillare vicino ad esso (ad es. se la temperatura in una stanza è di 19° ed il termostato stabilisce che deve essere a 20°, la caldaia scalda l’acqua ma prima che questa raggiunga i termosifoni la T sarà scesa a 18°; quando finalmente la T raggiunge i 20°, i termosifoni si spengono ma rimangono caldi e la alzano a 21°). Si genera un’oscillazione intorno al valore di riferimento; tutti i sistemi hanno bisogno di tempo per inviare segnali alle parti che li compongono. Più la trasmissione di informazioni è lenta, più le oscillazioni sono alte. Anche le amplificazioni generano oscillazioni: se un elemento del sistema amplifica, ingigantisce l’informazione, l’oscillazione è più marcata. Esistono diversi metodi per amplificare il segnale.

Cinetiche di amplificazione

• Cinetica lineare A + B → C. È un modo per amplificare il segnale; lineare significa “direttamente proporzionale”: se raddoppia l’input raddoppia anche l’output. Nel grafico è rappresentata da una retta. La velocità di reazione è direttamente proporzionale alla concentrazione dei reagenti, se raddoppia A, raddoppia anche la velocità con cui si forma C.
• Cinetica non lineare 2A + B → C. Con questa equazione si ha una curva nel grafico. La velocità di reazione dipende dalla concentrazione del reagente elevato al quadrato. Se si raddoppia A, la velocità di formazione di C diventa 4 volte di più, se si triplica diventa 9 volte di più ecc. 4A + B → C. In questo caso, la velocità di formazione di C è 16 volte più alta; si ottiene sul grafico una curva che, sotto il valore soglia, rasenta lo zero (per valori 0 < x < 1 il valore elevato ad una potenza diminuisce per poi aumentare dopo il valore soglia). Superata la soglia, il valore diventa molto più elevato di quella che sarebbe la cinetica lineare. Si ha il fenomeno del “tutto o nulla”, se un qualcosa che innesca un processo sale sopra una soglia critica, il fenomeno esplode.
• Meccanismo a cascata: un input determina un primo risultato, che ne determina un altro, e così via. A→B→C, cioè a attiva b, b attiva c ecc.

Ambiente interno

Il concetto di ambiente interno è caratteristico di tutti gli esseri pluricellulari. Per creare dei flussi di materia ed energia nel corpo, in modo tale da mantenerlo vivo tramite l’autopoiesi, occorrono dei gradienti (ovvero differenza di concentrazione di sostanze) fra ambiente interno ed ambiente esterno in modo tale che materia ed energia possano entrare ed uscire dal corpo. Le membrane permettono di distinguere il “dentro” dal “fuori” e di creare differenti concentrazioni di sostanze.

La pompa Na – K è stato il primo meccanismo che gli esseri unicellulari hanno sviluppato per differenziarsi dall’ambiente esterno; tutt’oggi ogni essere vivente usa questo sistema, poiché durante l’evoluzione non si sono trovate alternative altrettanto efficaci. Gli organismi unicellulari dovevano differenziarsi dall’ambiente esterno, costituito dal mare (ricco di cloruro di sodio); la cellula ha cercato di mantenere il potassio all’interno e spingere il sodio all’esterno della propria membrana, creando dei gradienti che generano dei flussi. L’ambiente interno è l’ambiente acquoso in cui vivono le cellule.

Le cellule del corpo si differenziano rispetto all’acqua di mare abbassando il sodio ed aumentando il potassio intracellulare; questo, però, funziona solo se all’esterno si trova acqua di mare. Per poter passare dall’ambiente acquoso dove si sono sviluppate le cellule alla terra ferma, le cellule dovevano trasportarsi dietro l’acqua marina; gli organismi pluricellulari hanno creato un ambiente interno, ovvero una scorta di acqua marina che essi si trasportano dietro. L’ambiente interno deve essere rigidamente controllato, perché se cambiano le sue caratteristiche la cellula non ha più i requisiti per poter vivere. L’organismo pluricellulare si porta dietro un mare piccolo, pari alla somma dei liquidi intracellulari di ogni cellula; la cellula scarica nel liquido extracellulare i suoi cataboliti e ne assorbe delle sostanze.

Nel mare questo problema non si presentava, poiché esso era infinito rispetto alle cellule; nel momento in cui il mare (il liquido extracellulare) diventa uguale alla somma dei liquidi intracellulari delle cellule, questo si modifica e tende a diventare uguale per composizione al liquido intracellulare. È quindi necessario controllare ed eventualmente modificare i parametri del liquido extracellulare.

Omeostasi

L’omeostasi è l’insieme dei sistemi di controllo che permettono di limitare entro determinati range le varie grandezze che caratterizzano il liquido extracellulare. I valori di omeostasi non sono sempre costanti, ma si modificano a seconda della situazione in cui si trova l’organismo (a riposo, durante lo sforzo fisico ecc.). L’ambiente interno deve rimanere costante, altrimenti lo scambio di informazioni tra le cellule non avviene efficacemente.

Il segnale inviato come informazione molto spesso è una molecola; per trasmettere informazioni è necessario che la concentrazione di base di una certa molecola segnale sia molto bassa. Se la sua concentrazione di base è alta, si crea una specie di “rumore di fondo” che disturba il messaggio inviato nell’ambiente interno. Quando la molecola segnale non è più necessaria, essa deve essere smaltita molto rapidamente altrimenti non è possibile inviare altri segnali. Essendoci vari parametri da controllare nell’ambiente interno, è necessario differenziare i diversi sistemi di controllo: gli organi.

Ogni organo si prende carico di controllare una parte dell’omeostasi dell’ambiente interno. È necessario che il lavoro omeostatico di ogni organo sia trasportato in tutto il corpo: occorre una “rimescolazione” dell’ambiente interno, in modo da portare il prodotto degli organi al resto dell’organismo. Il sangue funge da trasferimento per il prodotto degli organi, garantendo l’omeostasi in tutto l’ambiente interno. Se più organi controllano lo stesso parametro, questi devono comunicare efficacemente tra di loro; il conflitto omeostatico si ha quando, intervenendo su un parametro, se ne altera un altro.

L’apparato endocrino ed il sistema nervoso autonomo agiscono coordinando gli interventi omeostatici. L’intervento del SN autonomo è molto rapido e localizzato (arriva in una zona precisa), mentre l’intervento dell’apparato endocrino è lento ma generalizzato (interviene su diverse aree del corpo).

L'acqua

In una molecola d’acqua, la coppia di elettroni che forma il legame covalente tra H ed O è più probabile che si trovi vicino all’atomo di ossigeno, poiché questi ha un valore di elettronegatività (tendenza ad attrarre elettroni) maggiore di quello dell’idrogeno. Se prendiamo in esame la molecola dell’acqua H₂O, possiamo notare che l’angolo che hanno i due atomi di idrogeno è di circa 105° dovuti al fatto che essi hanno carica parziale + e tendono quindi a repellersi. H₂O è quindi un dipolo, ovvero ha due cariche elettriche separate nello spazio (la distanza è di circa 95 picometri, dove 1 picometro = 10^-12 m).

Il legame a idrogeno farà sì che tra un idrogeno di una molecola d’acqua e l’ossigeno di un’altra molecola si formi un legame debole, il cosiddetto ponte a idrogeno; questo legame permette all’acqua di mantenere uno stato liquido, costituendo “grappoli” di molecole. A 37° (temperatura interna del corpo umano), la durata di questi grappoli è molto breve; i legami a idrogeno si rompono e si ricostituiscono costantemente in maniera diversa tra loro.

Proprietà dell'acqua

• Densità: È la massa diviso il volume [kg/m³] di un materiale; più è alta e più il materiale in esame è “pesante”. La densità dell’acqua è molto alta, poiché le numerose molecole sono legate tra loro attraverso i ponti a idrogeno. Il ghiaccio ha una densità minore perché quando l’acqua si solidifica crea un reticolato con numerosi spazi vuoti nei quali i legami a idrogeno si allargano per occupare più spazio, infatti esso galleggia sull’acqua liquida.
• Viscosità: È l’attrito che crea un liquido scivolando su se stesso; la viscosità dell’acqua è alta, poiché le molecole dello strato che scorre tendono a legarsi a quelle dello strato fermo tramite i ponti a idrogeno.
• Proprietà di solvente: L’acqua è un ottimo solvente nei confronti di sostanze polari. Tra due ioni si ha energia potenziale poiché tra loro è presente una forza attrattiva (come la gravità per un oggetto sollevato da terra); è necessaria molta energia per vincere l’attrazione elettrica. Le molecole di H₂O si avvicinano agli ioni ed impediscono ad essi di attrarsi nuovamente tra loro. In una molecola lipidica, i legami che si formano sono tra C e H, che hanno elettronegatività simile e quindi non costituiscono un dipolo; la struttura è quindi apolare. Dal punto di vista energetico, se si separasse una parte di grasso dalla struttura del lipide, aumenterebbe l’energia potenziale dell’acqua perché i legami tra le molecole di H₂O si devono rompere per fare spazio alla molecola.
• Proprietà termiche: Il calore specifico è la quantità di calore che devo somministrare ad un materiale per alzarne la temperatura di 1°. L’acqua ha un calore specifico molto elevato perché occorre rompere i legami tra le molecole attraverso il calore ceduto; solo una parte di esso viene utilizzato per aumentare la mobilità delle molecole.
• Tensione superficiale: Dove l’acqua incontra l’aria si forma uno strato particolare, nel quale le molecole sulla superficie si “accartocciano” su quelle interne, occupando così il minor spazio possibile (sferico). Sopra di esse si trova aria e non acqua, quindi sono attratte solamente dalle altre molecole d’acqua verso l’interno.
• Dissociazione: In parte, l’acqua è dissociata; gli elettroni di legame possono venire catturati interamente dall’ossigeno, creando ioni H⁺ e ioni OH^-. La percentuale di H₂O che si dissocia è costante, poiché dai due ioni prodotti si riforma continuamente H₂O. Il prodotto di dissociazione dell’acqua indica la concentrazione di ioni nell’acqua: [H⁺] · [OH^-] = 10^-14. Nell’acqua pura la concentrazione di [H⁺] è uguale alla concentrazione di [OH^-], quindi essa avrà un valore pari a 10^-7 M. [H⁺] = [OH^-] = 10^-7. Il pH è una grandezza che esprime la concentrazione di ioni idrogeno di una soluzione. pH = -log [H⁺].
• Conducibilità elettrica: L’acqua ha una bassa conducibilità elettrica, dovuta al ridotto numero di ioni H⁺ e ioni OH^- al suo interno (10^-7 M per ione). Tuttavia, l’acqua non è mai pura al 100% ma contiene al suo interno altri ioni disciolti che ne aumentano la conducibilità; l’ambiente interno delle nostre cellule ha composizione simile all’acqua marina diluita, ma comunque ricca di ioni e per questo un buon conduttore elettrico.
• Biochimica dell’acqua: L’acqua viene prodotta durante i processi di polimerizzazione e metabolizzazione all’interno del nostro organismo, soprattutto nella catena respiratoria; è il prodotto finale della respirazione cellulare. Si consuma acqua ogni volta che si effettuano reazioni di idrolisi, come l’idrolisi dell’ATP necessaria a rilasciare energia. Per animali che vivono in ambienti aridi e che non hanno possibilità di bere molta acqua, essa è ricavata dalle reazioni chimiche.
• Osmosi: È una proprietà che permette all’acqua di trasferirsi da un ambiente più diluito ad un ambiente più concentrato, attraverso membrane semipermeabili. L’acqua trasferita per osmosi sarà tanta quanta ne occorre per bilanciare la pressione idrostatica delle due soluzioni; la pressione che occorre applicare alla soluzione affinché il passaggio attraverso la membrana del solvente non avvenga, è detta pressione osmotica. L’osmolarità è la concentrazione di particelle disciolte all’interno dell’ambiente; in questo caso si considerano le particelle senza distinguerle tra loro (1 mol di NaCl, se disciolta, rilascia 1 mol di Na⁺ e 1 mol di Cl^-, per un totale di 2 mol). L’acqua presente nell’organismo diminuisce con l’età e, nelle donne dopo la pubertà, la % di acqua è inferiore rispetto agli uomini a causa di una maggiore quantità di tessuto adiposo sottocutaneo. L’acqua non è distribuita in tutti i tessuti allo stesso modo: il tessuto adiposo ed il tessuto osseo ne sono poveri. L’acqua extracellulare è di poco inferiore all’acqua intracellulare.

Membrane cellulari

Le membrane cellulari sono composte da un doppio strato fosfolipidico con zolle proteiche al suo interno; le membrane sono fluide e non rigide, grazie ai fosfolipidi stessi che non sono ancorati lateralmente gli uni agli altri. I fosfolipidi sono i lipidi che costituiscono la membrana cellulare; essi si dispongono in modo che si formino due regioni nella membrana:

• Regione idrofila, le teste dei fosfolipidi