Fisiologia

Fisiologia

Fisiologia è la disciplina che studia come funzionano gli organismi viventi complessi. Ogni organismo si origina dalla moltiplicazione di una singola cellula. Se questo fosse l’unico processo, gli organismi pluricellulari sarebbero costituiti da più cellule di uguale forma e funzione. Il nostro organismo è formato da cellule differenti per struttura e funzione svolta (circa 200 tipi, raggruppabili in quattro categorie principali: neuroni, cellule muscolari, epiteliali e connettivali) grazie al processo di differenziazione cellulare: è diretta conseguenza dei processi evolutivi caratteristici degli organismi pluricellulari complessi. Questo processo avviene allo stato cellulare embrionale e determina modificazione nella forma, nella struttura e nella funzione svolta, fattori indispensabili per la sopravvivenza delle cellule stesse e dell’organismo di cui fanno parte.

Ogni cellula del nostro organismo svolge una serie di funzioni di base o fondamentali che assicurano la sopravvivenza della cellula stessa:

• Respirare: assumere O₂ dall’ambiente esterno alla cellula
• Nutrire: assumere i nutrienti presenti nell’ambiente esterno
• Ricavare energia dai nutrienti: all’interno della cellula i nutrienti e l’O₂ reagiscono producendo nutrienti + O₂ = CO₂ + H₂O + energia
• Eliminare le scorie: sostanze inutili e/o dannose per la sopravvivenza cellulare (es. prodotti delle reazioni chimiche che avvengono nella cellula) sono riversate nell’ambiente esterno (es. CO₂)
• Sintetizzare (produrre) proteine e altre sostanze necessarie per la cellula stessa e/o per lo svolgimento di particolari funzioni cellulari
• Trasportare materiali attraverso la membrana plasmatica, nell’ottica dello svolgimento di particolari funzioni cellulari

Negli organismi pluricellulari complessi, grazie al processo di differenziazione cellulare, ogni cellula oltre alle funzioni fondamentali svolge anche una funzione specializzata, tipicamente una esaltazione di una di queste funzioni (Es: cellule ghiandolari secernono enzimi digestivi). In alcuni casi, il processo di differenziazione cellulare causa la perdita di alcune delle funzioni fondamentali. Ad esempio, le cellule nervose sono specializzate nel rispondere a variazioni elettrochimiche ma perdono la capacità di riprodursi.

La funzione svolta dipende dalla struttura (e viceversa). Per questo motivo la fisiologia si basa sull’anatomia che si occupa di studiare la struttura delle parti del corpo umano. Le cellule con struttura e funzione specializzata simili si combinano a formare i tessuti e organi. Gruppi di organi integrano le loro funzioni per creare apparati (o sistemi).

• Funzione di protezione
• Funzione di sostegno e movimento
• Scambiano materiale con l’ambiente esterno
• Si estendono attraverso tutto l’organismo

Gli organismi sono in grado di sopravvivere in habitat estremi, grazie alla loro capacità di contrastare le variazioni dell’ambiente esterno, mantenendo il loro ambiente interno relativamente stabile, in uno stato di omeostasi.

Ambiente esterno

L’interno del corpo e sono separati da un singolo strato di tessuto epiteliale. Questa barriera è continua, cioè non c’è alcuna separazione reale tra la cute e le superfici interne dei polmoni, del sistema gastrointestinale e dei tubuli renali.

Ambiente interno

Definiamo di un organismo pluricellulare il liquido nel quale le sue cellule sono immerse (esterno alle cellule, ma interno rispetto all’organismo stesso) cioè liquido extracellulare (LEC). Le cellule devono ricevere ossigeno e nutrienti dall’ambiente circostante per poter sopravvivere e devono rilasciare in esso prodotti di scarto. La maggior parte delle cellule non è in grado di scambiare le sostanze direttamente con l’ambiente esterno, infatti le cellule ricevono ossigeno e nutrienti dal circolo sanguigno che allontana anche i prodotti di scarto. La maggior parte delle cellule non è in diretto contatto con il sangue, ma è circondata dal LEC. Per svolgere la funzione di scambio di sostanze tra l’ambiente esterno e quello interno, il sangue deve ricevere l’ossigeno e i nutrienti e lo scambio avviene in vari siti, tra cui i polmoni, il tratto gastrointestinale e i reni.

Il volume di acqua contenuta in tutto il corpo è definito acqua corporea totale (Total Body Water, TBW) = volume totale di liquido racchiuso dallo stato epiteliale esterno. In una persona che pesa 70 kg l’acqua corporea totale è 42 L, che corrisponde a circa il 60% del peso corporeo. La TBW comprende sia l’acqua che si trova nel liquido contenuto nelle cellule (= liquido intracellulare, IntraCellular Fluid, ICF), che l’acqua che si trova all’esterno delle cellule (= liquido extracellulare, ExtraCellular Fluid, ECF). Circa i 2/3 dell’acqua corporea totale sono contenuti nel liquido intracellulare e solo 1/3 in quello extracellulare. Circa il 20% del volume totale di liquido extracellulare si trova nel sangue, mentre la parte restante di esso si trova all’esterno del sangue. La parte che è presente nel sangue (cioè la parte liquida non-cellulare del sangue stesso) è il plasma. La parte che si trova all’esterno del sangue e che è a contatto con la maggior parte delle cellule dell’organismo si chiama liquido interstiziale (ISF).

Omeostasi

Claude Bernard (1813-78) introduce il concetto di stabilità dell’ambiente interno dell’organismo "Milieu interieur". Walter Cannon (1871-1945) definisce l’omeostasi come la tendenza dell’organismo a mantenere lo "stato stazionario" ovvero l’ambiente interno stabile a fronte di modificazioni ambientali. Tutte le variabili (temperatura, pressione, pH...) hanno un set point. Piccole variazioni di questo set point determinano l’ambito di lavoro fisiologico di un sistema di controllo. Nove sistemi dell’organismo su dieci operano per mantenere l’omeostasi (fa eccezione il sistema riproduttivo). Un esempio: Il pH normale del sangue nel corpo umano è 7,4. La sua regolazione omeostatica è critica poiché valori inferiori a 7,0 o superiori a 7,7 NON sono compatibili con la vita.

L’alterazione dell’omeostasi conduce ad uno stato patologico. Il fallimento dei sistemi di controllo deputati all’omeostasi provoca la comparsa di segni e sintomi di malattia, poiché tale insuccesso influenza negativamente il funzionamento di sistemi di organi. Meccanismi omeostatici = Meccanismi fisiologici che intervengono quando le variabili si discostano troppo dal loro valore di riferimento. Le variabili regolate sono quelle variabili che vengono mantenute costanti dai meccanismi di regolazione omeostatica da sistemi di organi e sono ad esempio la temperatura corporea, che non è libera di variare, ma è regolata, oppure le concentrazioni plasmatiche di potassio, sodio e calcio. I circuiti di risposta cominciano con uno stimolo.

Feedback

Nella maggior parte dei meccanismi omeostatici se una variabile aumenta, il sistema risponde facendola diminuire e viceversa. I sistemi che si comportano in questo modo vengono definiti sistemi a feedback negativo (retroazione negativa). La maggior parte dei meccanismi di regolazione omeostatica produce degli aggiustamenti solo quando esistono delle differenze tra il valore reale di una variabile regolare e il valore normale "desiderato", chiamato set point (valore di riferimento). Ogni differenza tra il valore reale e il set point costituisce un segnale d’errore. Poiché tali meccanismi agiscono normalmente per mantenere le variabili vicine al loro set point, la loro funzione è quella di ridurre il più possibile i segnali di errore. Il valore di set point, una volta raggiunto, non può essere mantenuto del tutto costante; le variabili regolate fluttuano continuamente, ma le loro variazioni sono ridotte al minimo da meccanismi a feedback negativo.

Un meccanismo regolatore omeostatico deve essere in grado di rilevare le oscillazioni della variabile regolata. Questa capacità viene assicurata dall’azione di cellule (spesso neuroni) sensibili ai cambiamenti della variabile in questione (esempio i chemocettori, sensibili alle concentrazioni di ossigeno e di anidride carbonica del sangue). I sensori inviano segnali, chiamati input, ad un centro d’integrazione che confronta il valore della variabile regolata del set point e organizza la risposta appropriata. In risposta agli input che riceve, il centro d’integrazione genera segnali di uscita, diretti a cellule, tessuti o organi coinvolti nella generazione della risposta finale. Queste cellule, tessuti o organi sono chiamati effettori. Un esempio è il meccanismo di controllo omeostatico del glucosio plasmatico. Quando gli alti livelli di questo sono rilevati dalle cellule beta del pancreas, che agiscono come centro d’integrazione, rilasciano nel sangue l’insulina. Questa promuove il trasporto di glucosio dal sangue all’interno delle cellule, abbassando i livelli di glucosio plasmatico. La diminuzione del glucosio plasmatico è rilevata dalle stesse cellule beta e in questo modo il segnale torna indietro al punto di inizio del sistema, generando il ciclo a feedback. Tale ciclo è chiamato feedback negativo perché la risposta del sistema si verifica in direzione opposta rispetto al cambiamento che l’ha prodotta.

Il feedback negativo è importate perché provoca dei cambiamenti della variabile regolata solo quando è necessario. Esistono anche alcuni sistemi a feedback positivo. Nel feedback positivo (retroazione positiva), la risposta del sistema va nella stessa direzione del cambiamento della variabile che l’ha prodotta. Ad esempio, nelle femmine l’ipofisi secerne un ormone chiamato ormone luteinizzante (LH) che stimola le ovaie a secernere altri ormoni chiamati estrogeni, che regolano la funzione riproduttiva. Gli estrogeni stimolano a loro volta il rilascio di LH, che promuove una maggiore secrezione di estrogeni e così via. Il feedback positivo è utile in alcuni sistemi fisiologici per permettere ad una variabile di cambiare rapidamente in risposta ad uno stimolo. Nonostante ciò, in condizioni fisiologiche non si verifica mai una sua crescita all’infinito o una perdita del suo controllo perché ci sono sempre fattori che agiscono per arrestarlo, sia rimuovendo lo stimolo originale, sia limitando la capacità del sistema di rispondere a quello stimolo. Quindi, il feedback positivo regola alcune variabili fisiologiche in modo che il cambiamento di una variabile evochi una risposta che va nella stessa direzione del cambiamento.

Si parla di feed forward (regolazione anticipativa) quando il sistema di controllo conosce la dinamica temporale di un processo, ne ha una rappresentazione interna sotto forma di memoria e la utilizza per anticipare l’evoluzione del processo stesso, applicando i segnali di correzione prima di conoscere l’output del processo stesso. Questo meccanismo è impiegato dai sistemi di controllo dinamico dotati di memoria, in particolare il sistema nervoso (generazione del movimento volontario). Una condizione simile si verifica nell’ansia, in cui modifiche del sistema cardiovascolare e respiratorio, dell’assetto neurotrasmettitoriale e ormonale e l’innesco di specifici moduli di comportamento anticipano l’avvento di un pericolo reale o figurato. Quindi, la regolazione e il mantenimento dell’omeostasi avviene con la comunicazione tra gli ambienti (interno ed esterno), la regolazione endocrina, la regolazione nervosa.

Membrana plasmatica

È una barriera che limita il passaggio di molecole tra il liquido intracellulare e il liquido extracellulare per mantenere le differenze di composizione tra i due compartimenti. Le funzioni della membrana plasmatica sono:

• Isolamento fisico: perché è una barriera semipermeabile
• Regolazione degli scambi con l’ambiente: controlla l’entrata di ioni e nutrienti e l’eliminazione di cataboliti
• Comunicazione tra la cellula e il suo ambiente: presenza di proteine capaci di riconoscere segnali e di rispondervi
• Supporto strutturale: proteine ancorate al citoscheletro che ha lo scopo di mantenere la forma

Struttura della membrana: definita come mosaico fluido, è costituita da fosfolipidi, colesterolo, proteine e carboidrati. I fosfolipidi sono disposti in un doppio strato fosfolipidico (teste idrofiliche rivolte verso il mezzo acquoso cioè il citosol e il liquido extracellulare, code idrofobiche rivolte le une verso le altre) e hanno appunto una struttura anfipatica (esempio fosfatidilcolina). È definita fluida perché i fosfolipidi e le molecole presenti non sono legate tramite legami chimici. Le molecole di colesterolo interferiscono con le interazioni idrofobiche tra le code dei fosfolipidi e possono causare la cristallizzazione della struttura e la riduzione della fluidità. Altri lipidi presenti in membrana, oltre al colesterolo, sono i fosfogliceridi e gli sfingolipidi.

Esistono due classi principali di proteine di membrana:

• Proteine integrali di membrana: sono immerse nel doppio strato fosfolipidico. Sono molecole anfipatiche, le regioni polari della proteina si affacciano verso l’ambiente acquoso e quelle non polari sono contenute nel doppio strato lipidico. Alcune di queste vengono definite proteine transmembrana = attraversano interamente il doppio strato. Spesso attraversano la membrana in diversi punti. Tra le transmembrana ci sono i canali, che permettono agli ioni di permeare e le proteine di trasporto, che trasportano molecole da un lato della membrana all’altro. Alcune delle proteine rivolte verso il citosol funzionano da enzimi, altre sono chiamate proteine G. Alcune rivolte verso il liquido extracellulare svolgono funzione enzimatica o funzione di recettore. Le proteine integrali comprendono anche proteine ancorate a lipidi.
• Proteine periferiche di membrana: sono debolmente legate alla membrana mediante associazioni con proteine integrali di membrana o con fosfolipidi. Possono essere rimosse, senza che questo alteri l’integrità della membrana. Spesso fanno parte di questo gruppo di proteine alcune che svolgono funzione enzimatica e proteine che ancorano il citoscheletro.

Forze agenti sulle molecole

Ogni differenza di energia a cavallo della membrana agisce come forza che tende a spingere le molecole in una direzione o in un’altra. Le molecole sono generalmente influenzate da tre tipi di forza:

• Forze chimiche: quando una sostanza è presente a diverse concentrazioni ai due lati di una membrana, si stabilisce un gradiente di concentrazione ΔC a cavallo della membrana. Si può pensare al gradiente di concentrazione come a una specie di forza che "spinge" le molecole in quella particolare direzione e pertanto si definisce il gradiente di concentrazione come una forza chimica la cui direzione è sempre in direzione della caduta del gradiente stesso. La grandezza della forza chimica aumenta all’aumentare di ΔC. Per ogni tipo di molecola esistono più gradienti di concentrazione; ogni forza chimica che può agire su una data sostanza dipende solo dal gradiente di concentrazione di quella particolare molecola.
• Forze elettriche: gli ioni sono influenzati dalle forze elettriche, oltre che da quelle chimiche. Le forze elettriche originano dalla presenza di un potenziale di membrana, una differenza di potenziale elettrico (o voltaggio), che esiste ai due lati della membrana nella maggior parte delle cellule. La presenza di un potenziale di membrana dipende da una diversa distribuzione di ioni positivi e negativi ai due lati della membrana plasmatica. Il potenziale elettrico è una forma di energia potenziale, cioè una forza che agisce sulle particelle cariche e che tende a muoverle. Il potenziale di membrana crea una forza elettrica in grado di spingere gli ioni. Per determinare la direzione della forza elettrica dobbiamo sapere: la valenza (o carica) dello ione, il segno del potenziale di membrana e che le cariche uguali si respingono e le cariche opposte si attraggono. Sappiamo quindi che il potenziale di membrana è negativo, così i cationi (+) sono attratti dalla carica negativa all’interno della cellula e dispongono di una forza elettrica diretta verso l’interno. Gli anioni (-), al contrario, sono respinti dal potenziale di membrana interno negativo e dispongono di una forza elettrica diretta verso l’esterno. Molecole sprovviste di carica non sono soggette alla forza elettrica.
• Forze elettrochimiche: forza totale che agisce sugli ioni cioè la combinazione di forze elettriche e chimiche. La direzione della forza elettrochimica che agisce su uno ione dipende dalla direzione netta delle forze chimiche e di quelle elettriche. Se entrambe le forze vanno nella stessa direzione, anche la forza elettrochimica agirà nella stessa direzione. Se le forze chimiche e quelle elettriche vanno in direzioni opposte, allora la forza elettrochimica agirà nella direzione della forza maggiore tra le due.

Trasporti attraverso la membrana

Il doppio strato fosfolipidico permette il libero passaggio di:

• Acqua
• Gas (O₂, CO₂)
• Piccole molecole liposolubili

Invece, specifiche proteine di trasporto assicurano il passaggio di ioni e molecole idrosolubili. Si riconoscono diversi tipi di trasporto mediato da proteine:

Trasporto passivo avviene secondo gradiente senza dispendio di energia. Da una zona in cui la concentrazione è maggiore a un’altra in cui la concentrazione è minore. Meccanismi che permettono alle molecole di spostarsi attraverso una barriera che separa due compartimenti in modo "passivo", ovvero guidato da forze chimiche o elettriche che le spingono verso una situazione di equilibrio.