Fisiologia

Fisiologia: studio dei fenomeni e delle funzioni degli organismi viventi

La fisiologia studia i fenomeni e le funzioni degli organismi viventi. Il corso ha l'obiettivo di fornire una visione integrata del funzionamento di organi ed apparati come premessa allo studio delle patologie che possono colpire l'organismo umano. Rigorosa attenzione verrà dedicata alla descrizione dei meccanismi fisiologici a livello cellulare e molecolare. La buona comprensione degli argomenti è facilitata dalla conoscenza di elementi di matematica, fisica, chimica generale ed organica, biologia, anatomia e biochimica.

Programma del corso

1 – Introduzione

Organizzazione dell'organismo umano: cellule, tessuti, organi, sistemi di organi, organismo. Cos'è la fisiologia? Definizione e finalità. Caratteristiche principali di un essere vivente. La cellula e i suoi componenti.

2 - Costituenti della materia vivente

Acqua e sua distribuzione nell'organismo. Bilancio idrico giornaliero. Componenti organici. Componenti minerali: importanza e loro distribuzione. Compartimenti dei liquidi nell'organismo e composizione. Omeostasi.

3 - Membrane biologiche e fenomeni di trasporto

La membrana cellulare: composizione, struttura e funzione. Equilibri semplici. Tonicità, proprietà delle soluzioni. Diffusione: I legge di Fick, flussi unidirezionali. Osmosi: pressione osmotica, coefficienti osmotici, osmolarità. Coefficiente di ripartizione. Rapporto superficie/volume. Potenziali chimico ed elettrochimico. Stato di equilibrio e stato stazionario. Equilibrio di Gibbs-Donnan. Pori e canali di membrana. Fagocitosi. Pinocitosi. Assorbimento. Secrezione. Permeabilità agli zuccheri. Diffusione facilitata. Equazione di Michaelis-Menten. Trasporto attivo.

4 - Eccitabilità

Potenziale di membrana a riposo. Potenziali di equilibrio. Legge di Nernst. Equazione di Goldman-Hodgkin-Katz. Generazione e conduzione del potenziale d'azione: basi ioniche. Conduttanze e canali ionici. Analogo elettrico di una membrana eccitabile. Pompa sodio-potassio. La curva intensità-durata. Periodo refrattario. Tecniche di registrazione extracellulari ed intracellulari.

5 - Tessuti eccitabili

Classificazione e caratteristiche delle fibre nervose. Proprietà dei nervi. Tessuto muscolare: scheletrico, cardiaco, liscio. Muscoli scheletrici: morfologia, fenomeni elettrici e meccanici. Meccanismo della contrazione muscolare a livello molecolare. Fonti di energia e metabolismo. Miocardio: proprietà elettriche e meccaniche. Sinapsi elettriche. Sinapsi chimiche. Sommazione dei potenziali postsinaptici. Giunzione neuromuscolare. Generazione di impulsi in organi di senso e recettori. Codifica dell'informazione sensoriale.

6 - Funzioni del sistema nervoso

Organizzazione del sistema nervoso. L'arco riflesso. Sensi: cutanei, viscerali e profondi. Vista: occhio, richiami di ottica, riflessi pupillari, accomodamento, fotochimica della visione, ciclo della rodopsina, visibilità fotopica e scotopica, elettrofisiologia della retina, fotorecettori (coni e bastoncelli). Udito: struttura dell'orecchio, richiami di acustica, trasmissione dello stimolo, risposte uditive, elettrofisiologia della coclea, audiogramma. Olfatto. Gusto. Funzione motoria del sistema nervoso centrale. Funzione sensitiva del sistema nervoso centrale. Sistema nervoso autonomo. Funzioni dell'ipotalamo. Regolazione della temperatura corporea.

7 - Liquidi circolanti

Il sangue. Plasma: componenti ionici, componenti proteici e non proteici. Elementi figurati: eritrociti, leucociti e piastrine. Il globulo rosso: caratteristiche, composizione, proprietà della membrana e fenomeno di Hamburger. La linfa.

8 - Cuore e circolazione

Apparato circolatorio. Muscolo cardiaco: cavità e valvole. Circolo sistemico e circolo polmonare. Vasi sanguigni: struttura e funzione. Pressioni e volumi durante il ciclo cardiaco. Calcolo del lavoro del cuore. Teorema di Bernoulli. Idrodinamica della circolazione del sangue. Effetto della gravità. Legge di Poiseuille. Resistenza vascolare. Resistenza periferica. Fattori influenzanti il volume-minuto cardiaco e la gettata sistolica. Toni cardiaci. Misura della pressione arteriosa: metodo ascoltatorio. Origine del battito cardiaco e propagazione dell'eccitamento. Attività contrattile. Attività elettrica delle singole cellule cardiache: registrazione. Ritmi. Elettrocardiogramma (ECG). Triangolo di Einthoven. Componenti dell'ECG. Meccanismi regolatori cardiovascolari. Controllo della frequenza cardiaca. Controllo della pressione arteriosa.

9 - Respirazione e trasporto dei gas respiratori

Proprietà dei gas. Polmoni di ventilazione. Meccanica della respirazione. Muscoli respiratori. Surfattante. Volumi polmonari. Controllo della respirazione. Ventilazione e scambio dei gas. Shunt fisiologico. Trasporto dell'ossigeno: emoglobina, curva di dissociazione dell'ossiemoglobina. Trasporto della CO₂. Respirazione tissutale. Effetti della respirazione sull'equilibrio acido-base.

10 - Funzione renale

Rene. Nefrone. Circolazione renale. Filtrazione glomerulare (FG). Fattori influenzanti la FG. Concetto di clearance. Misura del flusso di FG. Funzione tubulare. Meccanismi di riassorbimento. Curva di titolazione per il glucosio. Secrezione tubulare. Meccanismi di moltiplicazione in controcorrente. Ansa di Henle. Dotto collettore. Azione degli ormoni sulla funzione renale. Sistema renina-angiotensina. Regolazione renale dell'equilibrio acido-base.

11 - Funzione gastrointestinale

L'enterocita. Superficie di assorbimento. Assorbimento di acqua ed elettroliti. Digestione ed assorbimento di carboidrati, proteine e lipidi. Meccanismo di secrezione dell'acido cloridrico. Succo pancreatico e bile. Masticazione, deglutizione, motilità gastrica e movimenti dell'intestino.

12 - Endocrinologia

Ipotalamo, neuroipofisi e adenoipofisi. Ormoni tiroidei: sintesi e secrezione, regolazione e azioni. Funzione endocrina del pancreas. Midollare e corticale surrenali. Paratiroidi e metabolismo del calcio e dei minerali correlati. Ormoni sessuali steroidei. Sistema riproduttivo maschile. Sistema riproduttivo femminile. Ciclo mestruale e contraccezione.

Introduzione alla fisiologia

La fisiologia studia il funzionamento degli organismi viventi e dei loro componenti in condizioni normali e a tutti i livelli dimensionali. Sono fondamenti della fisiologia: chimica, fisica, chimica-fisica. Gli organismi viventi sono sistemi aperti, ovvero scambiano energia e materia con l'ambiente circostante che, quindi, assume un'importanza fondamentale per la sopravvivenza.

Negli organismi pluricellulari la maggior parte delle cellule non è in contatto diretto con l'ambiente esterno ma vive in un ambiente interno, il liquido interstiziale, che è derivato dal liquido circolante, il sangue. L'organizzazione e la specializzazione cellulare necessita e consente il controllo e la regolazione dell'ambiente con cui tutte le cellule scambiano materia.

Fondamentali sono i meccanismi omeostatici, ovvero i meccanismi di regolazione della composizione e delle caratteristiche chimico-fisiche dell'ambiente extracellulare, in quanto vari parametri possono variare entro limiti molto ristretti compatibili con la vita. I meccanismi omeostatici e l'integrazione delle varie parti che compongono l'organismo presuppongono lo scambio di ingenti quantità di informazioni fra ambiente esterno e interno, e fra compartimenti interni e fra cellule della stessa struttura.

Il corretto flusso di informazioni consente la regolazione della nostra vita vegetativa e della nostra vita di relazione (correlazione con il mondo esterno).

Caratteristiche principali di un essere vivente

Un essere vivente:

• Nasce
• Si accresce
• Si riproduce
• Invecchia
• Muore

L'unità base dotata di queste caratteristiche è la cellula, le cui dimensioni vanno da alcuni micrometri fino all'uovo. La cellula è la più piccola porzione di materia vivente in grado di funzionare in modo autonomo. Esistono organismi unicellulari e pluricellulari. Negli organismi pluricellulari, come l'uomo, le cellule sono organizzate in strutture più complesse (tessuti, organi, apparati o sistemi) a costituire l'organismo.

Osservazione di cellule e teoria cellulare

L'osservazione di cellule inizia con Robert Hooke (1665) il quale, osservando il sughero, ha visto cellule che si ripetevano (cell-cellule del sughero). La prima osservazione di cellule in tessuti vegetali fu ad opera di Malpighi e Grew (1671). Infine nel 1673 Leeuwenhoek osservò la prima cellula animale.

Nell'800 fu formulata la prima teoria cellulare ad opera di Schleiden (1838) e Schwann (1839); tale teoria afferma che tutti gli esseri viventi sono formati da una o più cellule, ogni cellula deriva da una pre-esistente cellula e ogni cellula è un'unità organizzativa e autonoma. Nacquero così diverse discipline:

• Anatomia: studio di organi e apparati
• Istologia: studio dei tessuti; istochimica: chimica dei tessuti
• Citologia: studio delle cellule; citochimica: chimica delle cellule
• Morfologia submicroscopica: studia le strutture organizzate nelle cellule
• Morfologia molecolare: studia la struttura e la forma delle molecole

La morfologia submicroscopica e la morfologia molecolare convergono nella biofisica, nella biologia molecolare e nella biochimica.

Caratteristiche degli strumenti di osservazione

Le caratteristiche degli strumenti di osservazione sono:

• Ingrandimento: rapporto tra la dimensione dell'immagine e quella dell'oggetto
• Potere risolutivo: indice della ricchezza di particolari che possiamo osservare nella struttura di un'immagine

Il potere di risoluzione è dunque la capacità di distinguere due punti.

CASO I: lo strumento non ha risolto l'immagine in due punti

CASO II: lo strumento risolve l'immagine in due punti

• Limite di risoluzione: ogni strumento di osservazione ha il suo potere di risoluzione e il suo limite di risoluzione, ovvero la distanza minima alla quale due punti sono visti come distinti (dmin)

Il primo strumento di osservazione a nostra disposizione sono i nostri occhi, che hanno un limite di risoluzione di 1/10 di mm. Dal limite di risoluzione di può calcolare il potere di risoluzione:

-8 ricorda: 1 Å = 10 cm

1 mm = 1000 µm = 10 nm = 10 Å

La cellula e i suoi componenti

La cellula è una struttura molto specializzata e la sua composizione è diversa da quella dell'ambiente esterno. Le cellule hanno dimensioni e forme molto variabili in dipendenza del tipo e della funzione che devono svolgere. Le cellule sono delimitate da una struttura, la membrana plasmatica o plasmalemma, che contiene il citoplasma, il quale è formato da una componente semifluida, il citosol, costituita da acqua, sali minerali e molecole organiche e in cui sono immerse varie strutture membranose, gli organuli o organelli, preposte a differenti e specializzate funzioni.

Le cellule sono sede di numerose reazioni chimiche, catalizzate da enzimi, che costituiscono il metabolismo cellulare. Tutte le informazioni necessarie all'attività cellulare sono contenute negli acidi nucleici (DNA e RNA). Con un processo denominato mitosi le cellule sono in grado, dividendosi in due, di riprodursi: tale capacità varia secondo il tipo cellulare e nel corso dell'esistenza. Tutte le cellule di un organismo animale sono prodotte nell'embrione per divisioni successive a partire da una stessa cellula e contengono la stessa informazione genetica.

La diversità cellulare è ottenuta dal differenziamento, che comporta l'attivazione e la disattivazione selettiva di geni diversi all'interno delle cellule staminali, che sono all'inizio virtualmente totipotenti. La sequenza delle fasi in cui la cellula svolge la propria attività metabolica e si riproduce viene definita ciclo cellulare; durante lo stadio M (vera e propria divisione) alcune cellule dell'organismo vanno incontro a meiosi, la quale porta alla formazione delle cellule riproduttive o gameti, con un patrimonio genetico dimezzato. Le cellule vanno infine incontro a morte programmata denominata apoptosi.

Componenti cellulari

• Membrana plasmatica: barriera fra l'ambiente intracellulare ed extracellulare; è formata da un doppio strato fosfolipidico in cui sono immesse numerose proteine; è selettivamente permeabile e presenta diversi meccanismi di trasporto che permettono l'ingresso di sostanze come glucosio e ossigeno, e l'uscita di sostanze come la CO₂; le glicoproteine presenti sulla membrana plasmatica rendono la cellula non attaccabile dal sistema immunitario; la membrana plasmatica può presentare microvilli che aumentano la superficie di scambio.
• Ciglia o flagelli: contengono un fascio centrale di microtubuli e funzionano da motore per il movimento utilizzando l'energia immagazzinata sotto forma di ATP.
• Nucleo: delimitato da una membrana contiene DNA (materiale genetico della cellula) e proteine dette istoni; il nucleo controlla la sintesi proteica che avviene nel citoplasma.
• Citoscheletro: è contenuto nel citoplasma, ed è un sistema di filamenti proteici che sostengono la membrana e conferiscono alla cellula il movimento ameboide.
• Mitocondri: sede del processo della respirazione cellulare, mediante cui la cellula ricava energia bruciando molecole di glucosio e in presenza di ossigeno.
• Ribosomi: sede della sintesi proteica, formati da RNA e proteine: spesso sono associati al reticolo endoplasmatico rugoso.
• Reticolo endoplasmatico: deputato alla sintesi dei componenti di membrana e dei materiali destinati all'esterno della cellula; è costituito da cisterne delimitate da membrane comunicanti tra loro.
• Apparato di Golgi: costituito da pile di cisterne appiattite, riceve ed elabora le molecole sintetizzate nel RE indirizzandoli all'interno o all'esterno della cellula tramite vescicole.
• Lisosomi (solo nelle cellule animali): vescicole contenti enzimi responsabili della digestione di numerose molecole inutili o dannose.
• Perossisomi: vescicole in cui avvengono reazioni in cui sono generate e demolite forme reattive come l'acqua ossigenata (contengono perossidasi e catalasi).
• Vacuoli (solo nelle cellule vegetali): cavità in cui sono accumulate scorie del metabolismo cellulare.
• Apparato della sfera: apparato mitotico.
• Ergastoplasma: reticolo endoplasmatico rugoso in una definizione della microscopia ottica.

Potenziale d'azione e canali ionici

Potenziali di membrana

Tutte le cellule viventi possiedono e mantengono una concentrazione di ioni diversa all'interno della cellula e nei liquidi extracellulari.

• I liquidi extracellulari hanno un'elevata concentrazione di Na⁺ e di Cl^- e basse concentrazioni di K⁺, Mg⁺⁺, Ca⁺⁺.
• I liquidi intracellulari possiedono invece elevate concentrazioni di K⁺ e di anioni organici non diffusibili di grandi dimensioni (proteine ed altre sostanze) e, comparativamente, poco Na⁺.

Gli ioni positivi sono presenti in lieve "eccesso" nel lato esterno della membrana, mentre gli ioni negativi lo sono all'interno. Questo fatto genera tra i due lati della membrana una differenza di carica elettrica, denominata potenziale di membrana. Tale differenza di cariche viene detta "potenziale" in quanto è un tipo di energia immagazzinata come energia potenziale: ogni volta che cariche opposte si trovano ai due lati di una membrana hanno la "potenzialità" di muoversi l'una verso l'altra. Se la membrana di una cellula mantiene gli ioni con cariche diverse ai lati opposti si dice polarizzata, cioè ha: un polo negativo (all'interno) e un polo positivo (all'esterno). La misura di grandezza della differenza di potenziale è il millivolt.

Potenziali di membrana a riposo

Tutte le cellule dell'organismo mantengono un potenziale di membrana, ma quelle dei tessuti eccitabili hanno capacità di generare e condurre potenziali. I tessuti eccitabili sono il tessuto nervoso e il tessuto muscolare (nei sottotipi scheletrico, liscio e cardiaco). Quando una cellula di un tessuto eccitabile non genera o conduce impulsi si dice "a riposo".

Il potenziale di membrana di una cellula che non conduce impulsi si definisce potenziale di membrana a riposo (PRM). Il potenziale di membrana a riposo si mantiene attorno a valori medi di circa – 70 mV (tale valore differisce a seconda che siano ad es. cellule nervose, muscolari lisce o scheletriche). I meccanismi che mantengono il PRM promuovono piccoli squilibri ionici attraverso la membrana plasmatica, ossia un eccesso di ioni positivi alla superficie esterna.

Tale squilibrio di concentrazione è prodotto dai meccanismi di trasporto degli ioni attraverso la membrana stessa. Nella membrana plasmatica i canali per il passaggio della maggioranza degli anioni sono assenti o chiusi in condizioni di riposo. Ad esempio non esistono canali che consentano l'uscita delle macromolecole proteiche, gli elementi predominanti nel citoplasma, e gli ioni cloro sono intrappolati da un lato della membrana, perché i loro canali normalmente sono chiusi. I soli ioni che possono efficacemente attraversare la membrana plasmatica di un neurone sono quindi gli ioni positivi sodio e potassio (Na⁺ e K⁺). In una cellula a riposo rimangono aperti molti canali per il potassio, mentre molti canali per il sodio sono chiusi. Gli ioni potassio che si trovano dentro la cellula possono quindi diffondere con facilità all'esterno, ma le cariche negative dei grandi anioni proteici (le proteine al pH cellulare sono allo stato di anioni), che permangono all'interno perché non possono uscire, li richiamano potentemente all'interno. Essi rientrano quindi facilmente perché i loro canali sono aperti in maggior numero. Gli ioni sodio, al contrario, trovano difficoltà a entrare nella cellula poiché i loro canali sono chiusi o limitati in numero.