fisiologia

Introduzione alla fisiologia

La fisiologia è lo studio del normale funzionamento dell’organismo vivente e delle parti che lo compongono, inclusi tutti i processi chimici e fisici. Il corpo umano possiede delle proprietà emergenti, cioè delle proprietà che non possono essere previste esclusivamente sulla base della conoscenza delle componenti individuali del sistema. Infatti, queste proprietà derivano da interazioni complesse tra i diversi componenti. Luogo comune della fisiologia è l’integrazione delle funzioni con molti livelli di organizzazione, quindi unificare tra loro i vari elementi per creare uno unico.

Per quanto concerne i livelli di organizzazione, possiamo dire che ne abbiamo diversi che vanno dagli atomi a popolazione della stessa specie e diverse specie che vivono insieme in un ecosistema per creare una biosfera. Come è stato detto prima, la fisiologia è l’integrazione con molti livelli di organizzazione quindi è strettamente collegata all’anatomia. Sappiamo che la più piccola unità di struttura in grado di realizzare tutti i processi vitali è la cellula. La membrana cellulare, barriera di lipidi e proteine, separa le cellule dall’ambiente esterno. Un insieme di cellule forma organismi semplici, mentre quelli complessi sono formati da cellule con differenti specializzazioni strutturali e funzionali. I tessuti formano organi, mentre gruppi di organi danno luogo ad apparati o sistemi.

Il sistema tegumentario e muscolo scheletrico

Il sistema tegumentario è composto dalla cute che forma una barriera protettiva che separa l’ambiente esterno da quello interno. Il sistema muscolo scheletrico dà supporto e movimento al corpo.

Sistemi di scambio del corpo umano

Attraverso quattro sistemi abbiamo uno scambio di materiale da ambiente interno a esterno, questi sono:

• Sistema respiratorio, che si occupa dello scambio gassoso;
• Sistema digerente, che assorbe nutrienti ed acqua ed elimina gli scarti;
• Sistema urinario, elimina gli eccessi di liquidi e gli scarti;
• Sistema riproduttivo, che si occupa della riproduzione umana attraverso la produzione di sperma e ovociti.

Oltre a questi sistemi ricordiamo:

• Sistema cardio circolatorio deputato alla distribuzione di materiale nei vasi pompando sangue. Questo sistema comunica con il renale infatti una variazione nell’uno può causare una reazione nell’altro. Un esempio è dato dalla variazione della pressione sanguigna che ha effetti significativi sulla funzione renale deputata a regolare i volumi dei liquidi.
• Sistema nervoso e endocrino che coordinano le funzioni corporee;
• Sistema immunitario e linfoide che attraverso le cellule specializzate del sistema linfatico si ha una protezione dell’ambiente interno da elementi esterni. Il sistema linfatico è strettamente correlato al sistema cardiocircolatorio.

Temi fondamentali della fisiologia

Partendo dalla definizione di fisiologia possiamo dire che emergono cinque temi fondamentali:

1. Struttura e funzione sono strettamente correlati. Questa tema indica che questa integrazione fra strutture si estende a tutti i livelli di organizzazione, dal molecolare all’intero corpo. Possiamo parlare dunque di compartimentazione e interazione molecolare. L’interazione molecolare è la capacità della molecola di legarsi individualmente o reagire con altre molecole per la funzione biologica. La funzione di una molecola è data dalla sua forma e dalla sua struttura infatti variazioni possono dare effetti significativi sulla funzione. La compartimentazione è la divisione di uno spazio in compartimenti separati che consentono alla cellula, al tessuto o all’organo di specializzarsi e di isolare le funzioni. Ogni livello di organizzazione ha un diverso tipo di compartimento;
2. Gli organismi viventi richiedono energia;
3. Il flusso di informazione coordina il funzionamento del corpo, questo varia dal trasferimento di informazioni presenti nel DNA da una generazione ad un'altra, quindi attraverso la traduzione del codice genetico in proteine responsabili della struttura e della funzione cellulare e dalla comunicazione tra cellula-cellula che coordina il funzionamento dell’organismo. Questo flusso prende il nome di segnale chimico ed elettrico;
4. Omeostasi mantiene costante l’ambiente interno. Quando il corpo non mantiene l’omeostasi il normale funzionamento viene danneggiato e ne consegue una condizione patologica. Ogni qualvolta viene perturbata l’omeostasi l’organismo attiva un processo di compensazione che se ha successo ristabilisce l’omeostasi al contrario ne consegue una malattia. L’ambiente interno è costituito da liquido extracellulare (LEC), cioè una zona di transizione tra ambiente esterno dell’organismo e il LIC (liquido intracellulare).

Escrezione e omeostasi

Attraverso l’escrezione abbiamo l’eliminazione di sostanze dall’organismo, ma monitorare l’escrezione o il metabolismo di queste sostanze risulta molto difficoltoso. Per ovviare a questo deficit seguiamo la velocità di scomparse dal sangue attraverso il tasso di eliminazione “clearance”, questa viene espressa come volume del plasma sanguigno ripulito dalla sostanza x per unità di tempo. Quindi attraverso una misura indiretta. Gli organi deputati a ciò sono il rene e il fegato, infatti attraverso gli epatociti (cellule del fegato) vengono metabolizzati molte differenti molecole, il risultato dei metaboliti può essere secreto dal fegato nell’intestino per essere poi escreti attraverso le feci o rilasciati nel sangue per l’escrezione da parte dei reni. La clearance oltre ai reni e al fegato può avvenire anche in tessuti diversi quali la saliva (secrezione salivare del cortisolo, questo monitora anche lo stress cronico), sudore, latte e capelli che contengono tutti i soluti escreti dall’organismo.

Mantenere l'omeostasi

L’omeostasi è la stabilità del LEC formato da plasma sanguigno e liquido interstiziale. Attraverso la centrifuga il sangue si separa in plasma (componente liquida, che è parte del compartimento del LEC e la sua composizione è molto più facile da analizzare) e cellule ematiche più pesanti. In condizioni di omeostasi abbiamo una sorta di stabilità quindi si ha uno stato stazionario dinamico sempre con un costante movimento tra i due compartimenti. Tutto ciò indica che non abbiamo un equilibrio appunto perché, esaminando i due compartimenti, abbiamo diverse concentrazioni di molte sostanze, infatti i due compartimenti si trovano in uno stato di squilibrio.

Al fine di mantenere l’omeostasi bisogna tenere in considerazione variabili controllate che devono essere mantenute entro la loro gamma di valori accettabili da meccanismi di controllo fisiologici che intervengono quando le variabili si differenziano dal loro valore di riferimento o ottimale. Parliamo di sistema di controllo che consiste: segnale di ingresso, centro di controllo o integrazione che integra le informazioni in ingresso e dà inizio alla risposta appropriata, segnale di uscita che crea la risposta.

Tipi di controllo

Abbiamo due tipi di controllo: quello semplice o controllo locale (limitato al tessuto o alle cellule coinvolte, quindi in un tessuto avviene un cambiamento isolato e la risposta è limitata alla regione dove ha avuto luogo il cambiamento. Esempio ipossia cioè una diminuzione di O nei tessuti) e il controllo riflesso (si indica ogni via a lunga distanza che utilizza il sistema nervoso, endocrino o entrambi). Possiamo dividere una via riflessa in due parti: circuito di risposta riflessa e circuito a retroazione.

Lo stimolo è la variazione che si verifica quando la variabile regolata esce dalla gamma di valori desiderati e attraverso un sensore specializzato viene monitorata la variabile. Se abbiamo l’attivazione del sensore dallo stimolo viene inviato un segnale in ingresso al centro di integrazione che valuta l’informazione in arrivo e innesca un segnale in uscita che si dirige verso un bersaglio per effettuare la risposta. Se abbiamo un riscontro positivo la risposta riporta la variabile regolata entro i limiti desiderati. Il circuito che determina la risposta è solo parte di un riflesso, infatti la risposta è un circuito a retroazione o feedback. Solitamene i processi a retroazione negativi (la risposta si oppone o rimuove il segnale. Questi circuiti stabilizzano la variabile regolata e contribuiscono al mantenimento omeostatico) sono omeostatici quindi mantengono il sistema al valore di riferimento o vicino, in modo che la variabile regolata sia "stabile". La sensibilità del sistema definisce l’efficienza con la quale un centro di regolazione mantiene la stabilità. Quindi "circuiti a retroazione negativa possono ripristinare lo stato normale, ma non possono prevenire una perturbazione iniziale. Per prevenire il cambiamento che innesca il riflesso bisogna parlare di controllo anticipatorio o feed forward. Un esempio è dato dalla salivazione che viene prodotta grazie alla vista, odore o pensiero del cibo. Oltre alla salivazione queste sensazioni possono produrre la secrezione di acido cloridrico nello stomaco.

Feedback positivo

Alcune vie riflesse non sono omeostatiche e in questo caso parliamo di retrazione positiva o feedback positivo, quindi la risposta rafforza lo stimolo, spingendo la variabile lontana dal valore normale, con risposte sempre crescenti portando il sistema temporaneamente fuori controllo. Intensificando la risposta, per arrestare la risposta abbiamo bisogno di un intervento o evento esterno al processo (controllo ormonale delle contrazioni uterine durante il parto infatti l’ossitocina provoca la contrazione dell’utero e spinge la testa del bambino contro la cervice stirandola ulteriormente che provoca ulteriore rilascio di ossitocina questo fino a quando non avviene il parto).

Adattamento e evoluzione

Ciascuna persona ha dei valori fisiologici e questi possono essere influenzati da fattori ereditari e le condizioni alle quali la persona è soggetta. I ritmi biologici danno risposte anticipatorie a una variabile ambientale prevedibile. L’adattamento dei processi fisiologici a determinate condizioni ambientali è detta acclimatizzazione se avviene normalmente, se artificialmente acclimatazione.

Evoluzione e interazioni molecolari

Le molecole associate agli organismi viventi hanno la capacità di organizzarsi in compartimenti, replicarsi e agire da catalizzatori al fine di accelerare le reazioni. Attraverso i legami chimici viene immagazzinata e trasferita energia per sostenere le funzioni vitali. Il 90% della massa corporea è formato da O₂, C e H, questi insieme ad altri 8 elementi sono essenziali. Le molecole che contengono carbonio sono definite organiche (chimica organica è definita la chimica della vita). La più piccola particella di un elemento è l’atomo. Gli atomi si legano tra loro condividendo elettroni per formare una molecola. Le molecole organiche sono anche dette biomolecole che possono essere suddivise in:

• Carboidrati fatti da C, H O in rapporto (CH₂O)_n. Sono le molecole più abbondanti e prendono il nome dalla loro struttura: carbo- e idro-. Possiamo suddividerli in monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi;
• Lipidi (sono costituiti da C e H. Molti hanno uno scheletro di glicerolo e 1-3 acidi grassi. Non sono polari quindi non sono molto solubili in acqua. Possiamo dividerli in due categorie: grassi, cioè solidi a temperatura ambiente e oli, cioè liquidi a temperatura ambiente);
• Proteine (contengono N e C, H e O₂. Sono polimeri formati da aminoacidi) e nucleotidi.
• DNA (è una doppia elica, una struttura tridimensionale che si forma quando due catene di DNA si legano tra loro attraverso legami idrogeno fra coppie di basi complementari. Il desossiribosio è lo zucchero dello scheletro e le 4 basi sono: adenina, guanina, citosina e timina);
• ATP, AMP ciclico e RNA (è un acido nucleico a singola catena con ribosio come zucchero dello scheletro e 4 basi: adenina, guanina, citosina e uracile). Contengono N e C, H e O₂. Sono biomolecole che svolgono un ruolo importante nel trasferimento di energia e di informazione.

Gli acidi nucleici funzionano nella conservazione e nella trasmissione delle informazioni. Lo zucchero di un nucleotide si lega al fosfato del successivo creando una catena di gruppi alternati zucchero-fosfato. L’organismo usa i primi tre come fonte di energia e come materiale da costruzione per i componenti cellulari. Non tutte le biomolecole sono proteine, carboidrati o lipidi. Le proteine coniugate sono molecole proteiche combinate con altri tipo di biomolecole. Le lipoproteine sono formate da proteine e lipidi, queste si trovano nelle membrane cellulari e nel sangue, dove trasportano molecole idrofobiche come il colesterolo. Le glicoproteine sono formate da proteine e carboidrati. I glicolipidi sono formate da lipidi e carboidrati.

Molte biomolecole sono polimeri cioè grandi molecole costituite da unità che si ripetono. I gruppi funzionali ricorrono ripetutamente nelle molecole biologiche infatti gli atomi che li compongono tendono a muoversi da una molecola all’altra come se costituissero una singola unità.

Gli elettroni come abbiamo detto prima hanno importanti funzioni quali formare una molecola, in quattro modi:

1. Legami covalenti. La sistemazione degli elettroni a livello più esterno definisce la capacità di un elemento di legarsi agli altri elementi (semplicemente mettendo in compartecipazione gli elettroni di valenza). È un legame forte e per potersi spezzare abbiamo bisogno di energia. È possibile prevedere questo tipo di legame conoscendo il numero di elettroni di valenza. Se gli atomi adiacenti condividono due coppie di elettroni anziché una prende il nome di doppio legame;
2. Ioni. Se un atomo cede o acquista uno o più elettroni, esso acquista una carica elettrica e diventa ione. Questi sono la base della segnalazione elettrica nel corpo. È un legame forte;
3. Elettroni ad alta energia. Certe volte gli elettroni in alcuni atomi assorbono energia dal loro ambiente circostante e la trasferiscono ad altri atomi.
4. Radicali liberi. Sono molecole instabili con un elettrone spaiato e contribuiscono all’invecchiamento e allo sviluppo di alcune malattie.

Alcune molecole sviluppano regioni di parziale carica positiva e negativa quando le coppie di elettroni nei legami covalenti non sono condivise ugualmente tra gli atomi. L’atomo che attrae maggiormente gli elettroni sviluppa una parziale carica negativa, mentre l’atomo che attrae l’elettrone con minore forza sviluppa una leggera carica positiva. Queste molecole vengono definite polari perché presentano un polo positivo e uno negativo. Quando abbiamo una distribuzione uniforme degli elettroni condivisi abbiamo una molecola non polare perché non si formano regioni di parziale carica positiva o negativa.

I legami ionici (si formano quando un atomo ha una così forte attrazione sugli elettroni che riesce a portare via uno o più elettroni ad altri atomi. Lo ione con carica negativa è detto anione, quello con carica positiva è detto catione. Questi legami sono anche conosciuti come attrazione elettrostatica “cariche opposte si attraggono, cariche simili si respingono”), idrogeno (nessun elettrone viene acquistato, perso o condiviso. Possono formarsi tra atomi di molecole vicine o tra atomi di parti diverse di una stessa molecola) e forze di Van der Waals (sono forze di attrazioni deboli e non specifiche che si instaurano tra nuclei di qualunque atomo e gli elettroni di atomi vicini. Queste forze permettono agli atomi di stare strettamente uniti e occuparne una minima quantità di spazio) sono legami non covalenti e svolgono importanti processi fisiologici.

I legami covalenti e non determinano la forma e la struttura della molecola. I non covalenti mediano l’associazione reversibile delle proteine con altre molecole, creando appaiamenti funzionali e substrati o recettori e molecole di segnalazione. La capacità di una molecola di sciogliersi in un solvente è data dalla solubilità. Le molecole che si sciolgono facilmente in acqua sono dette idrofile quelle che non si sciolgono sono dette idrofobiche (sono non polari e non formano legami idrogeno con le molecole di acqua).

I legami molecolari, covalenti e non, hanno un ruolo importante nella definizione della forma della molecola. I legami idrogeno sono altresì importanti. Se un H libero rompe un legame molecolare non covalente, la forma molecolare o conformazione, può variare. Questa variazione di forma può alterare o compromettere la capacità funzionale di una molecola. La concentrazione di H⁺ nei liquidi corporei o acidità si misura in termini di pH. Il pH normale del sangue umano è 7,40 (leggermente alcalino). Un sistema tampone è una qualunque sostanza in grado di moderare i cambiamenti del pH. Molti sistemi tampone contengono anioni che hanno una forte affinità per H⁺. Lo ione bicarbonato è un importante tampone.

Interazione molecolare non covalente

L’interazione molecolare non covalente avviene tra molte differenti molecole biologiche e spesso coinvolge le proteine. Le proteine svolgono compiti importanti. La maggior parte delle proteine rientra in una delle seguenti sette ampie categorie:

1. Enzimi. Alcune proteine agiscono come enzimi catalizzatori biologici che accelerano le reazioni chimiche. Gli enzimi svolgono un ruolo importante nel metabolismo;
2. Trasportatori di membrana. Proteine della membrana cellulare aiutano a muovere sostanze avanti e indietro tra i compartimenti intracellulari ed extracellulare. Queste possono formare canali nella membrana cellulare o possono legarsi a molecole e trasportarle attraverso la membrana;
3. Molecole di segnalazioni. Alcune proteine e alcuni peptidi possono agire come ormoni o come altre molecole di segnalazione;
4. Recettori. Proteine che legano molecole di segnalazioni e iniziano le risposte cellulari sono dette recettori;
5. Proteine di legame. Si trovano per lo più nei LEC, legano e trasportano molecole in tutto l’organismo. Un esempio è l’emoglobina che trasporta O₂.