Fisiologia

Lezione 1

Introduzione alla fisiologia

Fisiologia si occupa di come funzionano gli organi, i sistemi (non apparati) e come prendere in considerazione questi meccanismi biochimici e biofisici, responsabili per lo sviluppo e il mantenimento della vita. Meccanismi che sottendono alle funzioni basilari = meccanismi fisiologici. Come funzionano e come interagiscono tra loro i vari organi. Ogni volta che ci poniamo come domanda il “Come?” si entra nel campo della fisiologia.

Scienza sperimentale

È una scienza sperimentale → tutta la medicina è una scienza sperimentale. Per arrivare a capire come un organismo diventa vivente, ci si avvale del metodo sperimentale. Questo (inventato e scoperto da Galilei) è stato traslato nella fisiologia e nella medicina alla fine del 1800. È tutto frutto di esperimenti fatti in laboratorio, che sono stati fatti su organismi o individui viventi, partendo da delle ipotesi che sottintendevano a questo.

Qual è la buona notizia del metodo sperimentale? Tutto quello che viene raccontato come meccanismo è vero finché non viene dimostrato il contrario. Ogni volta che si vuole dare un diverso punto di vista, di prospettiva o di visione dei meccanismi, occorre passare per il metodo sperimentale, ma occorre confutare le regole precedenti. La scienza non è dogmatica ma si poggia su una serie di evidenze condivise sperimentali. Quando cambiano le evidenze sperimentali, cambiano anche gli atteggiamenti verso quegli eventi scientifici.

Omeostasi

Omeostasi = stabilità del mezzo interno. Come fa il nostro corpo ad adattarsi alla varietà di condizioni a cui è sottoposto? L’organismo possiede una serie di meccanismi regolatori che lavorano per mantenere relativamente costanti le condizioni dell’ambiente interno. L’omeostasi è il principio organizzativo regolatore della fisiologia.

Feedback negativo (retroazione negativa) dell’omeostasi → Se una variabile regolata aumenta, il sistema risponde facendola diminuire. Se la variabile diminuisce, al contrario, il sistema ne provoca un suo aumento.

Noi siamo nell’ambito di una situazione vivente fisiologica (= in buona salute); il nostro organismo è in grado di mantenere la nostra omeostasi, ovvero mantenere una serie di meccanismi bilanciati, equilibrati, nonostante eventi perturbativi esterni. Noi assumiamo liquidi e nutritivi dall’ambiente, siamo continuamente sottoposti a una tendenza per subire variazioni dei meccanismi.

Sistemi di controllo

Come facciamo a mantenere la nostra condizione di viventi stabile? Siamo dotati di molti sistemi di controllo delle stesse variabili biologiche → si poggiano sulla funzione d’organo o di più organi.

Es. camminando più rapidamente si aumenta la FC e FR. Questo è un esempio di regolazione di natura omeostatica, perché si produce più CO₂ da parte dei nostri muscoli e deve essere inserito di nuovo l’O₂. Siamo dotati nel torrente ematico di sensori per il pH del sangue, a seguito della variazione della CO₂, il controllore controlla il ritmo e la profondità dell'attività respiratoria. Quindi le variabili di CO₂ sono controllate e si controllano le perturbazioni che si stanno verificando. Questo permette di definirci organismi viventi adattabili.

Sangue come mezzo interno

Mezzo interno sangue → è dotato di un vero e proprio sistema di trasporto. Può:

• Circolare grazie alla pompa cardiaca, circolazione piccola (o polmonare) e grande (o sistemica).
• Assorbimento di sostanze nutritive e acqua.
• Problemi di depurazione (a livello renale) che allontanano le sostanze azotate di scarto.
• Disposto di un sistema polmonare (respiratorio), ossigenato e depauperato di CO₂.
• Sistema di scambio di sostanze nutritive e di scarto, a livello della piccola circolazione, insieme al liquido interstiziale della linfa, la quale si riversa poi nuovamente nel dotto toracico.

Quando si vanno a misurare gli elementi della composizione chimica del sangue, si va in realtà a ricercare la composizione del mezzo interno. Se c’è qualcosa che non va, il mezzo interno è nella fase in cui l’omeostasi è stata momentaneamente alterata.

Diabete come esempio

Es. diabete → quello classico mellito di tipo II, ormone dell’insulina che omeostaticamente mantiene il livello di glicemia ematica normale. Quando esiste il diabete, abbiamo una rottura dell’omeostasi glucidica. Questa dipende dalla rottura di un ormone glucidico. Se siamo in condizioni fisiologiche (di normalità) → l’omeostasi è stabile, salda. Es. quando mangiamo qualcosa di estremamente elevato, la glicemia si alza, senza mai superare una certa soglia. Se facciamo un digiuno prolungato, il glucagone mantiene la glicemia normale, non scende mai al di sotto di un certo valore.

Definizione e storia della fisiologia

Il termine fisiologia viene coniato nel 1400 - 1500 come Fisiologos = “discorso sulla natura”, mentre il Patologos era il “discorso sulla malattia”. Quindi tutt’ora quando si dice “fisiologico” si riferisce a qualcosa che è normale, in condizione di salute ottimale. La fisiologia non è in realtà solamente qualcosa che è in salute, ma è la scienza dello studio del “come” le cose vanno normalmente.

Fisiologia → può essere cellulare, medica, vegetale, veterinaria, della vita intrauterina, dell’invecchiamento. Nascono tutte dal fatto che a seconda della finestra che si studia, si identificano quei meccanismi specifici che sottendono a quella branca.

Fisiologia della membrana eccitabile

Di base → tipico argomento che ha a che fare con le cellule (fisiologia cellulare) → in realtà quello che succede a livello subcellulare (membrana plasmatica) è alla base di fenomeni d’organo:

• Contrazione muscolare.
• Fenomeni elettrici e meccanici del cuore.
• Trasmissione neuromuscolare.
• Secrezione ghiandolare.
• Comunicazione tra neuroni.

Tutto avviene perché nelle cellule degli organismi hanno una membrana eccitabile → sono cellule genericamente eccitabili che presentano una specificità di funzione. Quando facciamo riferimento agli organi nobili, facciamo riferimento ad organi composti da cellule eccitabili.

Le cellule eccitabili sono:

• Neuroni → inviano messaggi ad altri neuroni.
• Cellule muscolari (lisce, cardiache, striate) → passano per la membrana elettrica, fanno la contrazione muscolare.
• Ghiandolari → secernere secreto (esocrine), ormoni (endocrine).

Esprimono dei fenomeni elettrici e bioelettrici, propri della membrana plasmatica. Grazie a questi esprimono la loro specificità funzionale.

Fenomeni bioelettrici

Fenomeni bioelettrici (che avvengono a cavallo della membrana) coinvolgono degli specifici comparti idrici → acqua che viene utilizzata. Es. su un individuo di 70 Kg (con indice di massa corporea relativamente fisiologico), abbiamo una percentuale di H₂O del 60%. È circa 42 litri. L’acqua si distribuisce quantitativamente e qualitativamente (in quello che contiene) nei comparti idrici dell’organismo.

• Comparto idrico intracellulare
• Mezzo interno circolante (sangue, plasma)
• Comparto idrico interstiziale

Definiscono la quantità dell’acqua contenuta nei 3 comparti idrici. La quantità è diversa. Il compartimento intracellulare è quello composto da più acqua. Potremmo dire che l’acqua è distribuita in comparto extracellulare e intracellulare.

Membrane plasmatiche

A definire i comparti idrici c’è un confine netto, preciso, che sono le membrane plasmatiche. In queste membrane si possono verificare delle importanti variazione di natura elettrica. Non è solamente l’acqua ad essere sostanziale, anche se altrettanto importante, nel generare i fenomeni elettrici, ma le specie ioniche che generano i fenomeni bioelettrici della membrana, sono disciolti in H₂O, nei diversi comparti (intra od extra).

Composizione ionica

Di che composizione parliamo? Sono rispondenti a concentrazioni diverse di specie ioniche. 4 specie ioniche fondamentali sono le responsabili degli eventi che avvengono a cavallo della membrana. I soluti disciolti più interessanti sono quelli che portano cariche elettriche positive e negative. Rappresentano la concentrazione dei soluti (i primi 3 sono tipicamente inorganici):

• Sodio → Na⁺
• Potassio → K⁺
• Cloro → Cl^-
• Proteine → Sono organiche, fatte da amminoacidi, pur essendo apparentemente lontane dai fenomeni bioelettrici, sono fondamentali per determinare delle differenze nei processi di elettronegatività tra comparto intra ed extracellulare. Sono veri e propri anioni organici (carica elettrica negativa).

La concentrazione è espressa in millimolare.

Specifiche delle specie ioniche

• Sodio è 140 (in media) millimolare, nell’interstizio e nel plasma (extracellulare). Nello spazio intracellulare è 10 volte meno concentrato. Quando viene fatto l’analisi del sangue, c’è come valore 140 millimolare (o milliequivalenti). Principale sale del comparto extracellulare.
• Potassio è 4 millimolare per litro in ambiente extracellulare. Nella cellula è 140 millimolare per litro.
• Cloro è 108/110 millimolare (extra), 4 (intra). Soluzione fisiologica = NaCl al 0,9%, stessa osmolarità e concentrazione di sodio e cloro, tanto quanto è presente nei comparti idrici.
• Proteine = sono concentrate meno nell’ambiente extra, ma siamo in concentrazione 4 volte maggiore nelle cellule. Sono macromolecole, portatori di cariche elettriche negative. Gli amminoacidi sono fatti da una catena più o meno lunga, sono fatti di due terminazioni: una aminica e una carbossilica. Rimangono libere.

L’acido nella forma carbossilica, tende ad associare H⁺, a seconda del pH, stessa cosa vale per il gruppo aminico. Nel pH corporeo (neutro in quanto compreso tra 7,38 e 7,42), le proteine tendono a presentare una notevole proprietà dissociativa. La proteina a quel pH, presentando quelle proteine anfotetiche, sono lievemente dissociative a livello del gruppo carbossilico. Presentano sulla superficie delle cariche negative (anioni).

Osmolarità

Definizione di osmolarità → è la concentrazione totale di particelle di soluti in una soluzione. Una soluzione che contiene una mole di qualsiasi soluto per litro ha una concentrazione 1 osmolare (1Osm). Una mole di soluto viene definita osmole.

In fisiologia si usano spesso i termini milliosmole e milliosmolare (mOsm) a causa delle basse concentrazioni dei liquidi biologici. Una soluzione che contiene 1 milliosmole contiene 1/1000 di 1 osmole di particelle, per litro.

Soluzioni isosmotiche, iperosmotiche e ipoosmotiche

• Due soluzioni che hanno la stessa osmolarità sono dette isosmotiche. In questo caso non solo hanno identica concentrazione di soluti ma c’è anche una identica concentrazione di acqua.
• Una soluzione più osmotica dell’altra viene detta iperosmotica. La concentrazione d’acqua è minore perché la concentrazione di soluti è maggiore.
• Una soluzione meno osmotica dell’altra viene detta ipoosmotica. La concentrazione d’acqua è maggiore perché la concentrazione dei soluti è minore.

Grafico 1

L’Na⁺ è poco rappresentato nell’intracellulare. Non è solo un problema di acqua ma anche di quello che c’è disciolto. Quando si fanno le analisi del sangue, il valore che si trova è di 140mEq. Il K⁺ attorno ai 4 mOsm fuori, 140 dentro. Il comparto idrico intracellulare vede nella sua concentrazione maggiore l’Na⁺. Cl^-, c’è un salto quantitativo tra il comparto intra ed extra cellulare. Va sempre a braccetto con l’Na⁺.

Il cloruro di sodio è quindi il sale più rappresentato nel nostro organismo. Quando si parla della fisiologica, è allo 0,9%. Si usa la stessa soluzione, con la stessa osmolarità e concentrazione di Sodio e Cloro rappresentato fisiologicamente nei nostri compartimenti.

Le proteine sono decisamente meno concentrate nel comparto extracellulare, siamo a concentrazione più elevata nelle cellule. Le cellule sono infatti fatte da acqua e proteine, che ne determinano il fenotipo. Perché le proteine sono interessanti dal punto di vista elettrico e perché sono anioni? Gli amminoacidi sono fatti da una catena carbonirica, sono fatte da due terminazioni, una amminica e una carbossilica.

L’acido nella sequenza carbossilica tende a dissociare un gruppo OH a seconda del pH. Stessa cosa la parte aminica. Al pH corporeo (che è neuro 7,38 e 7,42, lievemente basico), le proteine tendono a rappresentare una notevole dissociazione del gruppo carbossilico, quindi CO-. Le proteine sono a quel pH, tendenzialmente dissociative a livello carbossilico.

Grafico 2

Cellula eccitabile → es. neurone. Bisogna studiare la membrana della cellula, dal punto di vista di possibili differenze di elettronegatività ed elettropositività.

La zona polare = comparto idrico extracellulare. Mediante un voltmetro, possiamo (grazie a due microelettrodi) testare eventuali differenze elettronegative tra comparto intra ed extra. Riportato sull’asse delle x → tempo espresso in millisecondi, osservazione “nel tempo” del voltaggio, riportato nelle ordinate, che varrà valori inferiori a 0 o superiori a 0. Il voltaggio è espresso in millivolts, i fenomeni elettrici non sono misurabili i volts (come la corrente elettrica normale).

Condizione A

I due microelettrodi esploranti che dovrebbero rilevare differenze elettriche sono nello stesso ambiente. Si rileva che non c’è nessuna differenza di potenziale. Non c’è differenza di distribuzione della carica elettrica. Se tutto va bene, l’ambiente extracellulare caratterizzato da molto sodio, molto cloro, 0,8 gr di proteina/litro, e 0,4 potassio.

Condizione B

Elettrodo extracellulare e intracellulare. Si vuole vedere l’eventuale differenza di potenziale elettrico tra i due diversi ambienti. Un microelettrodo perfora la membrana plasmatica, viene una differenza di potenziale = -70 millivolts. In termine qualitativo → l’ambiente intracellulare è più elettronegativo rispetto all’extra (ci sono più cariche negative all’interno).

Potenziale di membrana a riposo

Il potenziale di membrana a riposo → la cellula è a riposo, non sta esprimendo nessuna attività di segnale verso altri neuroni. Se lasciamo inserito l’elettrodo, e misuriamo il potenziale nel tempo, il potenziale rimane stabile nel tempo.

NB. Nella fisiologia del cuore (che accendono elettricamente il cuore), cellule che hanno un potenziale di membrana instabile nel tempo. Si accendono in modo ritmico, garantiscono il ritmo del cuore.

Differenza di potenziale

Perché c’è questa differenza di potenziale? E a cosa serve? La membrana plasmatica ha un doppio strato fosfolipidico. Spessore di 5 nanometri. Teste che guardano verso l’esterno e verso l’interno. Le code che sono idrofobe costituiscono la cerniera al centro. L’ambiente è pieno di soluti disciolto in acqua, ci possono essere dei flussi ionici.

Proteine transmembrana

Occorre osservare tra i componenti di membrana: Proteina transmembrana = sono nella fattispecie canali ionici, hanno la caratteristica che riescono ad avere un canale centrale che sarà in grado di far passare le specie ioniche che sto idrosolubili. Tante porte disponibili al passaggio delle specie ioniche disciolte in acqua. Coefficiente di idratazione → più abbiamo la carica positiva concentrate nel nucleo, abbiamo un coefficiente elevato, l’acqua si distribuisce attorno allo ione. L’acqua ha diverse elettroni spaiati, disponibili nei legami con specie ioniche disponibili.

Il cane ionico ha un filtro di selettività → sono selettive per specifiche specie ioniche. L’unica che passa tra il sodio e il potassio, è solo il sodio. Questo raggiunge il filtro che è specifico per lui, non per il potassio. La composizione dei comparti idrici del sodio = c’è una differenza di concentrazione. Il sodio va dal comparto in cui è più concentrato, in una parte dove è meno concentrato. Questo è per raggiungere l’equilibrio.

Gradiente di concentrazione

C’è una differenza di concentrazione → il mantenimento di questo avviene a dispendio dell’energia. La differenza di concentrazione e il suo mantenimento, si arriva a capire come mai abbiamo un potenziale d’azione a riposo, e il potenziale d’azione. La differenza di concentrazione = gradiente di concentrazione (del potassio, del sodio, ecc.)

Canali ionici

Canali ionici (porte proteiche):

• Passivi = sempre aperti, disponibili, a far passare la specie ionica secondo gradiente di concentrazione.
• Ad accesso variabile = possono essere chiusi e aperti, secondo gli stimoli adeguati.

Stimoli per i canali ionici

• NT (neurotrasmettitore) → es. acetilcolina. L’acetilcolina è un neurotrasmettitore che quando interagisce con il recettore del canale ionico il canale si attiva, si apre e si espone agli eventuali ioni.
• In base al voltaggio di membrana → presenta una variazione di voltaggio, il canale da chiuso diventa aperto. Secondo titoli di selettività si fa passare lo ione.
• Mediante la conformazione della membrana.

Membrana con potenziale a riposo. Canale ionico passivo (aperto).