Fiiologia Umana (Battezzati) - Completo

Fisiologia umana (mod.1) – Composizione corporea

Il corpo umano è una struttura composta da cellule. Esse sono raggruppate insieme a formare tessuti, che a loro volta formano gli organi, che funzionano insieme come sistemi. Le cellule sono raggruppate in 4 categorie:

• Neuroni: trasmissione di informazioni sotto forma di segnali elettrici, possiedono numerose ramificazioni, che ricevono e trasmettono segnali tra le cellule.
• Cellule muscolari: si contraggono e generano forza meccanica e movimento.
• Cellule epiteliali: formano una barriera che impedisce ai materiali presenti ai due lati dell’epitelio di mescolarsi liberamente. Alcune formano le ghiandole, esocrine, se riversano i secreti nell’ambiente esterno (ghiandole sudoripare o salivari), o endocrine, se riversano i secreti nel circolo sanguigno (ghiandola surrenale).
• Cellule connettivali: sono le più diversificate; forniscono un supporto fisico ad altre strutture e servono a connettere le varie parti del corpo.

Un insieme di cellule che svolgono funzioni simili è definito tessuto, che può essere: nervoso, muscolare, epiteliale e connettivo. La combinazione di più tessuti costituisce un organo e gli organi sono strutturati in sistemi:

• Endocrino: comunicazione tra le cellule attraverso il rilascio di ormoni in circolo; è costituito da ipotalamo, ipofisi, ghiandola surrenale e tiroide, timo e pancreas.
• Nervoso: comunicazione tra le cellule attraverso segnali elettrici e neurotrasmettitori; comprende encefalo, midollo spinale e nervi periferici.
• Muscolo-scheletrico: sostiene il corpo, permette i movimenti e le espressioni facciali ed è costituito da muscolo scheletrico, ossa, tendini e legamenti.
• Cardiovascolare: trasporta le molecole in tutto il corpo mediante il circolo sanguigno e comprende cuore, vasi sanguigni e sangue.
• Respiratorio: fornisce O₂ ed elimina CO₂ ed è costituito da polmoni, faringe, trachea e bronchi.
• Urinario: filtra il sangue per regolare l’acidità, il volume e la concentrazione ionica ed elimina le sostanze di scarto; comprende reni, ureteri, vescica e uretra.
• Gastrointestinale: frantuma il cibo e ne permette l’assorbimento ed è costituito da bocca, esofago, stomaco, intestino, fegato, pancreas e cistifellea.
• Riproduttivo: riproduzione e comprende gonadi (testicoli e ovaie) e ghiandole riproduttive.
• Immunitario: difende il corpo da patologie e cellule anomale ed è costituito da globuli bianchi, timo, linfonodi, milza, tonsille e adenoidi.
• Tegumentario: protegge il corpo dall’ambiente esterno ed è costituito dalla pelle.

L’interno del corpo è separato dall’ambiente esterno da una continua barriera epiteliale, ossia un singolo strato di tessuto epiteliale costituito da cute, epitelio dei polmoni, del sistema gastrointestinale e dei tubuli renali. Il costituente più abbondante dell’organismo è l’acqua, che agisce da solvente per la maggioranza dei soluti nei liquidi corporei. Il TBW (Total Body Water) in un soggetto di 70 kg è 42L (60% del peso corporeo), di cui 2/3 dentro le cellule (liquido intracellulare) e 1/3 fuori (liquido extracellulare). Circa il 20% del liquido extracellulare si trova nel sangue e costituisce il plasma, e la parte restante è all’esterno del sangue e costituisce il liquido interstiziale.

Omeostasi

Omeostasi: meccanismi regolatori dell’organismo che lavorano per mantenere relativamente costanti le condizioni dell’ambiente interno (composizione, temperatura, volume liquido extracellulare), nonostante le variazioni delle condizioni dell’ambiente esterno; l’alterazione dell’omeostasi conduce ad uno stato patologico. La temperatura corporea è regolata per rimanere all’interno di un intervallo relativamente ristretto, infatti è una variabile regolata, come la concentrazione plasmatica di K, Na e Ca.

Grazie al feedback negativo, se una variabile regolata aumenta, il sistema la fa diminuire e, se si riduce, il sistema la fa aumentare. La differenza tra il valore reale di una variabile regolata e il valore normale desiderato (set point) costituisce un segnale d’errore e i sistemi di regolazione omeostatica hanno il compito di ridurlo: i sensori (cellule sensibili ai cambiamenti della variabile regolata) inviano degli input a un centro d’integrazione, che confronta il valore reale della variabile in questione al set point e genera degli output a effettori (cellule, tessuti o organi coinvolti nella generazione della risposta finale).

Es. Feedback negativo: La normale concentrazione di glucosio plasmatico è 100 mg/dL, dopo un pasto essa aumenta e attiva dei meccanismi di regolazione che riportano i valori entro la norma. Quando i livelli di glicemia aumentano, le cellule rilasciano insulina, che promuove il trasporto di glucosio dal sangue alle cellule, abbassando la glicemia. Quando la glicemia torna a livelli normali, il segnale torna indietro, generando il feedback negativo perché la risposta del sistema (diminuzione della glicemia) va in direzione opposta al cambiamento che l’ha prodotta (aumento della glicemia).

Nel caso di feedback positivo, invece, la risposta del sistema va nella stessa direzione del cambiamento della variabile che l’ha prodotta.

Es. Feedback positivo: nelle femmine l’ipofisi secerne l’ormone luteinizzante (LH), che stimola le ovaie a secernere estrogeni. In particolari condizioni, l’aumento degli estrogeni induce un aumento della secrezione di LH e così via. Si ha quindi un rapidissimo aumento di LH, che innesca l’ovulazione. Il feedback positivo permette a una variabile di cambiare rapidamente in risposta ad uno stimolo. In condizioni fisiologiche non si ha mai una crescita infinita di una variabile, in quanto vi sono sempre fattori che agiscono per arrestare il feedback positivo.

Trasporto di membrana

Le cellule, per vivere, scambiano continuamente sostanze con il liquido che le circonda. Lo spostamento delle molecole è influenzato da 3 tipi di forze:

• Forza chimica: riflette la tendenza dello ione a muoversi secondo il proprio gradiente di concentrazione (C).
• Forza elettrica: riflette la tendenza dello ione a muoversi secondo il potenziale di membrana. Il liquido intracellulare ha un lieve eccesso di anioni (-) e il liquido extracellulare di cationi (+). Il potenziale di membrana riflette questa separazione di cariche ai lati della membrana ed è in genere negativo, solitamente V_m = -70 mV. Molecole senza carica non sono soggette a tale forza.
• Forza elettrochimica: forza totale che agisce sugli ioni ed è la combinazione delle precedenti. Se entrambe le forze vanno nella stessa direzione, anch’essa agirà nella stessa direzione; se invece vanno in direzioni opposte, agirà nella direzione della forza maggiore tra le due.

Per determinare se è maggiore la forza elettrica o chimica, occorre conoscere il potenziale di equilibrio dello ione, ossia un valore teorico del potenziale di membrana per cui la forza chimica ed elettrica sono uguali e contrarie e quindi la forza elettrochimica vale zero. Se il potenziale di membrana è uguale al potenziale di equilibrio per un determinato ione, quello ione sarà in equilibrio; se il potenziale di membrana è più grande del potenziale di equilibrio, allora la forza elettrica è maggiore di quella chimica e viceversa.

Es. K⁺ con concentrazione intracellulare pari a 140 nM ed extracellulare pari a 4 nM, avrà una forza chimica diretta verso l’esterno e una forza elettrica diretta verso l’interno. Il potenziale di equilibrio è -94 mV. Se il potenziale di membrana è -70 mV la forza elettrica è minore di quella chimica e quindi la forza elettrochimica è rivolta verso l’esterno e se il potenziale di membrana è -100 mV, la forza elettrica è maggiore di quella chimica e quindi la forza elettrochimica sarà rivolta verso l’interno.

Es. Na⁺ con concentrazione intracellulare pari a 15 nM ed extracellulare pari a 145 nM avrà sia la forza chimica che la forza elettrica rivolte verso l’interno e quindi la risultante forza elettrochimica verso l’interno. Il potenziale di equilibrio del Na⁺ è + 60 mV. K⁺ è più abbondante all’interno della cellula, il Na⁺ e il Cl^- sono più abbondanti all’esterno.

Nel trasporto passivo le molecole si muovono attraverso la membrana secondo il loro gradiente elettrochimico, quindi non è richiesta energia. I tipi di trasporto passivo includono:

• Diffusione semplice: trasporto passivo attraverso il doppio strato fosfolipidico. La velocità con cui una sostanza è trasportata è direttamente proporzionale all’ampiezza della forza motrice (il flusso netto diminuisce al diminuire del gradiente di concentrazione), alla superficie della membrana e alla permeabilità della membrana. Quest’ultima è influenzata dalla dimensione/forma delle molecole che diffondono, dalla temperatura (le molecole si muovono più rapidamente a temperature più alte), dallo spessore della membrana e soprattutto dalla liposolubilità della sostanza che diffonde (perché la membrana è costituita da doppio strato lipidico). Le sostanze trasportate per diffusione semplice sono: acidi grassi, ormoni steroidei e tiroidei, O₂, CO₂ e vitamine liposolubili (A, D, E e K).
• Diffusione facilitata: trasporto passivo attraverso proteine di membrana (carrier), ossia proteine transmembrana specifiche per alcune molecole che legano le molecole da un lato della membrana e le trasportano dall’altro lato, grazie a un cambio di conformazione. Il legame del soluto al carrier è influenzato dall’affinità del sito di legame (uguale in entrambi i lati) e dal gradiente di concentrazione. La velocità della diffusione facilitata è determinata da: velocità di trasporto dei singoli carrier, numero dei carrier nella membrana ed entità del gradiente di concentrazione della sostanza trasportata (i carrier vengono saturati al 100% in presenza di elevate concentrazioni di molecole da trasportare).
• Diffusione attraverso canali ionici: un canale è una proteina specifica per alcune sostanze che trasporta molecole attraverso un poro che si estende in entrambi i lati della membrana. Possono essere:
• Acquaporine: pori selettivi che permettono all’acqua di diffondere attraverso le membrane.
• Canali ionici: condotti pieni d’acqua in cui gli ioni si muovono per diffusione o pori con uno o più siti di legame per gli ioni. In questo caso, a differenza dei carrier, i siti di legame sono accessibili contemporaneamente da entrambi i lati della membrana.
• La velocità di trasporto attraverso i canali ionici dipende dal numero di canali aperti (infatti i canali possono trovarsi in conformazione aperta o chiusa) presenti nella membrana e dalla velocità di trasporto di ciascun canale, che dipende a sua volta dal tipo di canale (i canali che funzionano come pori seguono le leggi della diffusione semplice e nei canali con siti di legame il trasporto può essere saturato, come nella diffusione facilitata).

Nel trasporto attivo le molecole si muovono contro il gradiente elettrochimico ed è richiesta energia.

• Trasporto attivo primario: utilizza direttamente ATP o altre fonti energetiche per trasportare le sostanze grazie a delle pompe specifiche per certe molecole e dotate di siti di legame (anch’esse possono essere saturate); la loro affinità varia in base al lato della membrana.
• Esempio: Pompa Na⁺/K⁺: dotata di 3 siti di legame per il Na⁺ e 2 per il K⁺, utilizza direttamente ATP per trasportare gli ioni di Na⁺ fuori e gli ioni K⁺ dentro la cellula contro il loro gradiente elettrochimico.
• a. Il Na⁺ intracellulare si lega alla proteina
• b. Il legame di 3 Na⁺ attiva la fosforilazione della pompa utilizzando ATP
• c. La fosforilazione induce una modificazione conformazionale della proteina, che permette la liberazione di Na⁺ nel liquido extracellulare
• d. Il K⁺ extracellulare si lega alla proteina attivando la liberazione del gruppo fosfato
• e. La perdita del gruppo fosfato permette alla proteina di ritornare alla sua conformazione originaria
• f. Il K⁺ viene liberato all’interno della cellula e i siti per il Na⁺ ritornano disponibili per nuovi legami.
• Trasporto attivo secondario: utilizza energia di un gradiente di concentrazione o di un gradiente elettrochimico che è stato precedentemente creato da un trasporto attivo primario.
• Cotransporto: trasporto accoppiato di 2 sostanze nella stessa direzione.
• Esempio: trasporto del glucosio associato al Na⁺ (SGLT), secondo cui il flusso di Na⁺ all’interno della cellula secondo gradiente elettrochimico libera energia che permette il flusso di glucosio all’interno contro gradiente di concentrazione.
• Controtrasporto: trasporto di 2 sostanze in direzione opposta. Esempio: antiporto Na⁺/H⁺, in cui il flusso del Na⁺ verso l’interno della cellula secondo gradiente elettrochimico libera energia che permette il flusso di protoni verso l’esterno contro il gradiente elettrochimico.

La velocità del trasporto attivo è influenzata dal numero di pompe presenti sulla membrana e dalla loro velocità di trasporto, che è influenzata dalle caratteristiche intrinseche, dalla concentrazione di sostanze trasportate su ciascun lato della membrana e dall’ampiezza della forza elettrochimica per ciascuna sostanza.

La membrana plasmatica, definita come un mosaico fluido, è costituita da fosfolipidi, colesterolo, proteine e carboidrati. I fosfolipidi sono disposti in un doppio strato fosfolipidico con le teste idrofobiche rivolte verso il mezzo acquoso e le code idrofobiche rivolte le une verso le altre. Le molecole di colesterolo si trovano tra le code idrofobiche e determinano la cristallizzazione e la riduzione della fluidità della membrana. L’acqua attraversa la membrana grazie alle acquaporine. Le proteine possono essere integrali o periferiche; quelle integrali sono immerse nel doppio strato lipidico e possono attraversare interamente la membrana (proteine transmembrana) o solo su un lato; quelle periferiche sono debolmente legate alla membrana mediante associazioni con proteine integrali o con fosfolipidi. I carboidrati si legano ai lipidi (glicolipidi) o alle proteine (glicoproteine) e formano il glicocalice (strato protettivo per mantenere collegate le cellule tra loro) e partecipano al riconoscimento cellulare.

Il trasporto dell’acqua è semplice poiché è sempre passivo, non è influenzato dal potenziale di membrana e procede sempre secondo il proprio gradiente di concentrazione. L’osmosi è il flusso di acqua attraverso una membrana, secondo il proprio gradiente di concentrazione; ossia da basse concentrazioni verso alte concentrazioni di soluto.

L’osmolarità è la concentrazione totale di soluti permeanti (es. H₂O, CO₂, urea, etanolo e gas) e non permeanti (glucosio, amminoacidi, Na, K, Cl, Mg, Ca e fosfato) in una soluzione. [Certi soluti quando sono in soluzione si dissociano in particelle e ciascuna particella presente diminuisce la concentrazione di acqua; es. 1L di soluzione che contiene glucosio 0,1 molare ha un’osmolarità di 0,1 perché il glucosio non si dissocia in soluzione; 1L di soluzione contenente NaCl 0,1 molare ha osmolarità di 0,2 perché NaCl si dissocia in Na⁺ e Cl^-]. Due soluzioni con la stessa osmolarità sono isosmotiche, se una ha una maggiore osmolarità dell’altra è definita iperosmotica e se ha osmolarità minore isosmotica.

La pressione osmotica (mmHg) di una soluzione misura la concentrazione dei suoi soluti; aumenta al crescere dell’osmolarità; quindi quando l’acqua si muove per osmosi da basse concentrazioni ad alte concentrazioni, si muove contro gradiente di pressione osmotica, ma secondo il proprio gradiente di concentrazione.

La tonicità è la concentrazione extracellulare dei soluti non permeanti rispetto a quella del liquido intracellulare. Se una cellula viene inserita in un ambiente isotonico (soluzione che non altera il volume della cellula) non modifica il suo volume; se viene inserita in un ambiente ipotonico, si rigonfia a causa dell’ingresso dell’acqua; e se viene posta in un ambiente ipertonico, si ha l’uscita dell’acqua dalla cellula con conseguente raggrinzimento fino a raggiungere l’equilibrio.

Sistema endocrino

Il sistema endocrino comunica lentamente liberando ormoni e, insieme al sistema nervoso, che comunica rapidamente liberando neurotrasmettitori, consente all’organismo di comunicare a lunga distanza. Esso è costituito da ghiandole endocrine, che possono essere:

• Organi endocrini primari: la loro principale funzione è la secrezione di ormoni e comprendono ipotalamo, ipofisi (ghiandola pituitaria), epifisi (ghiandola pineale), tiroide, paratiroidi, timo, ghiandole surrenali, pancreas e gonadi.
• Organi endocrini secondari:
• Cuore: secerne peptide natriuretico atriale (ANP), che regola il riassorbimento renale di Na.
• Fegato: secerne le somatomedine (o fattori crescita insulino-simili IGFs), che promuovono la crescita tissutale.
• Apparato digerente (stomaco e intestino tenue): secernono gastrina, secretina e colecistochinina, importanti per la digestione e per l’assorbimento del cibo. Sia il fondo che il corpo dello stomaco presentano delle fossette gastriche, contenenti cellule esocrine ed endocrine secernenti i prodotti presenti nel succo gastrico: nella regione apicale delle fossette, le cellule del colletto secernono muco, più in basso le cellule principali secernono pepsinogeno nel lume gastrico, le cellule parietali secernono idrogenioni e fattore intrinseco nel lume gastrico e le cellule G secernono gastrina nel torrente ematico. Nell’intestino tenue,