Fisiologia

Fisiologia

L'anatomia e la fisiologia sono fondamentali per comprendere le strutture e il funzionamento dell'organismo umano. In particolare, l'anatomia studia le strutture e le relazioni tra esse, mentre la fisiologia studia come funzionano le varie parti.

Livelli del corpo

Possiamo immaginare il nostro corpo diviso in 5 livelli:

• Chimico: Atomi e molecole
• Cellulare: Riguarda le cellule, le unità strutturali capaci di svolgere i processi vitali
• Tessutale: Individua 4 tessuti: epiteliale, muscolare, connettivo e nervoso
• Organi
• Apparati

Sistemi e funzioni

Inoltre, individuiamo diversi tipi di sistemi con funzioni diverse:

• Funzione di controllo (sistema nervoso e endocrino)
• Funzione di sostegno e movimento (scheletrico e muscolare)
• Funzione di mantenimento (digerente, respiratorio, circolatorio, linfatico)
• Funzione riproduttiva (riproduttore maschile e femminile)

In sintesi, la fisiologia è l'applicazione delle leggi della chimica e della fisica per comprendere il funzionamento dell'organismo vivente.

Omeostasi

Strettamente collegato alla fisiologia è il concetto di omeostasi, ossia la tendenza a mantenere costante l'ambiente, nonostante i fattori provenienti dall'esterno ed all'interno.

Parametri regolati omeostaticamente

• Concentrazione delle molecole nutrienti
• Concentrazione di O₂ e CO₂
• Concentrazione dei prodotti di rifiuto pH
• Concentrazione di acqua, NaCl e elettroliti
• Volume e pressione
• Temperatura

L'omeostasi varia entro un ristretto ambito, perciò esistono dei meccanismi di feedback che consentono il mantenimento.

Feedback

Il feedback è un processo nel quale una parte dell'output ritorna a modificare ed influenzare l'azione del sistema di controllo. Distinguiamo:

• Feedback positivo: Se il cambiamento prodotto in una condizione controllata viene rafforzato
• Feedback negativo: Se il cambiamento prodotto in una condizione controllata viene ridotto o bloccato

Un sistema di feedback è costituito da:

• Recettore: Struttura che rileva i cambiamenti e invia tale input a un centro di controllo
• Centro di controllo: Valuta l'input ricevuto e invia comandi in uscita all'effettore
• Effettore: Riceve l'output e produce una risposta che modifica la condizione controllata

Feedback negativo nel corpo

Il feedback negativo è il principale e consente di produrre un cambiamento opposto allo stimolo iniziale; ciò significa che all’aumentare dello stimolo iniziale, quello finale tende a diminuire. È il più diffuso nel nostro corpo perché permette, a un valore che sta troppo alzandosi o abbassandosi, di tornare a livelli medi e normali.

1. Nel nostro corpo si verifica ipossia (riduzione della tensione di O₂);
2. Le cellule endoteliali dei capillari peritubulari della midollare del rene, la rilevano ed inducono i fibroblasti peritubulari a produrre e rilasciare l'ormone EPO nel circolo sistemico;
3. L'EPO va ad agire a livello del midollo osseo emopoietico stimolando le cellule progenitrici eritroidi CFU-E, riducendone l'apoptosi e aumentandone la frequenza mitotica, ossia un più veloce differenziamento a proeritroblasto;
4. Il risultato finale è un aumento di eritrociti e di emoglobina;
5. Il numero maggiore di eritrociti può veicolare più ossigeno aumentando la tensione di O₂ circolante e risolvendo l’ipossia.

Feedback positivo nel parto

Il feedback positivo è il contrario poiché consente di accelerare o intensificare un processo; ciò significa che all’aumentare dello stimolo iniziale aumenta quello finale (sono direttamente proporzionali). È meno diffuso di quello negativo.

Un esempio di feedback positivo è il controllo ormonale delle contrazioni uterine durante il parto:

1. Il feto è pronto per essere partorito e si dispone in basso nell’utero ed esercita una pressione sulla cervice per l’apertura dell’utero;
2. Ciò provoca il rilascio dell’ormone ossitocina che fa contrarre l’utero e questo spinge la testa del feto ancora più forte contro la cervice, stirandola;
3. Più la cervice viene stirata, più l’ossitocina viene rilasciata.

Sistema di feedback e omeostasi

In caso di squilibrio dell’omeostasi si possono produrre disturbo o malattia:

• Disturbo: Qualsiasi deviazione dalla norma riscontrabile in una struttura e/o in una funzione
• Malattia: Disturbo contraddistinto da sintomi e segnali riconoscibili

Scambio di sostanze

Tra l’ambiente interno ed esterno vi è uno scambio di sostanze attraverso l’epitelio polmonare (scambi gassosi), epitelio intestinale (assorbimento o secrezione) e epitelio renale (ultrafiltrazione).

Componenti fluidi dell’organismo

L'acqua costituisce circa il 60% del peso corporeo di cui:

• Liquido intracellulare: Ricco di proteine e Potassio
• Liquido extracellulare: Ricco di Sodio e con poche proteine
• Plasma (circa 20% del liquido extracellulare)
• Liquido interstiziale

Principali molecole inorganiche

Carboidrati

Sono formati da carbonio, idrogeno e ossigeno. Sono molecole polari e si dividono in monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi.

Lipidi

Composti da carbonio, idrogeno e ossigeno; sono molecole anfipatiche (una parte idrofoba e una parte idrofila).

Proteine

Polimeri di amminoacidi, formate da un atomo di Carbonio al quale sono legati un gruppo carbossilico, un gruppo amminico, un idrogeno e un gruppo R.

Acidi nucleici

Sono il DNA, che contiene tutta l’informazione genetica, e l’RNA, mezzo di trasmissione dell’informazione contenuta nel DNA. Entrambi sono costituiti da monomeri detti nucleotidi. Il DNA ha un doppio filamento e ogni nucleotide del DNA è formato da:

• Una base azotata (adenina, guanina, citosina, timina)
• Uno zucchero
• Un gruppo fosfato

Le basi azotate sono predisposte a interagire tra loro attraverso legami a idrogeno; i due filamenti si dicono complementari perché il legame a idrogeno costringe a una specifica interazione: adenina con timina e citosina con guanina. Inoltre, le due catene sono antiparallele, cioè i due filamenti sono orientati in direzione opposta: uno in 5’→3’ e l’altro in 3’→5’. L’RNA ha un singolo filamento ed è costituito da una base azotata (uracile al posto della timina) e lo zucchero ribosio.

Elettroliti

Elesio sono quelle sostanze che in soluzione si dissociano in ioni. In particolare, gli acidi sono donatori di protoni, le basi sono accettori di protoni e i sali sono composti ionici che derivano dalla reazione tra una base e un acido. Il pH è il logaritmo negativo della concentrazione degli ioni H⁺.

La cellula

La cellula è l'unità strutturale e funzionale fondamentale del corpo.

Membrana plasmatica

È delimitata dalla membrana plasmatica, che separa l’interno dall’esterno. È una barriera costituita da un doppio strato fosfolipidico in cui sono inserite delle proteine ed è caratterizzata da permeabilità che consente il passaggio solo a determinate sostanze.

Trasporto attraverso la membrana plasmatica

Passivo

Non viene utilizzata energia se non quella cinetica poiché si segue il gradiente di concentrazione. Può essere:

• Diffusione semplice senza l’ausilio di una proteina
• Diffusione facilitata con l’intervento di una proteina di trasporto
• Osmosi: Passaggio passivo di acqua attraverso una membrana a permeabilità selettiva da un’area a bassa concentrazione di soluto a un’area ad alta concentrazione

Attivo

Si utilizza l’energia sotto forma di ATP per forzare la sostanza contro il gradiente di concentrazione.

Trasporto con vescicole

Le vescicole formatesi per gemmazione raccolgono sostanze dal fluido intracellulare e lo liberano all’esterno per esocitosi e endocitosi.

Citoplasma

Il citoplasma è la porzione fluida, detta anche citosol, e al suo interno sono presenti vari organuli.

Nucleo

Il nucleo è l’organulo più grande e agisce da centro di controllo. Contiene i geni costituiti da DNA che immagazzinano le istruzioni per la sintesi proteica. Al suo interno si trovano i nucleoli costituiti da proteine e acidi nucleici.

Citoscheletro

Il citoscheletro è una rete complessa di 3 tipi di filamenti proteici:

• I microtubuli hanno funzione di sostegno
• I microfilamenti (filamenti di actina) determinano la forma della superficie cellulare
• I filamenti intermedi forniscono forza meccanica e resistenza agli stress

Centrosoma

Il centrosoma è una struttura posta vicino al nucleo da cui prende avvio la divisione cellulare.

Ciglia e flagelli

Le ciglia hanno il compito di spostare liquidi e secrezioni, i flagelli hanno il compito di spostare l’intera cellula.

Ribosomi

I ribosomi sono gli organuli che provvedono alla sintesi proteica. Possono essere liberi nel citoplasma, producendo proteine, o legati al RER producendo proteine destinate ad essere inserite nelle membrane.

Reticolo endoplasmatico

Il reticolo endoplasmatico è una rete di membrane ripiegate. Distinguiamo:

• Il reticolo endoplasmatico liscio, sede della sintesi dei lipidi, ormoni steroidei e metabolismo del glicogeno e con il compito principale di detossificare sostanze dannose per l’organismo (come l’etanolo delle bevande alcoliche)
• Il reticolo endoplasmatico rugoso, sito della sintesi delle proteine (traduzione), metabolismo dei carboidrati e deposito di calcio.

Apparato del Golgi

L’apparato del Golgi è una serie di cisterne appiattite con il compito di modificare e immagazzinare proteine secrete dai ribosomi del RER. Rielabora, seleziona ed esporta i prodotti cellulari. Il cis-Golgi riceve le vescicole che arrivano dal RE, il trans-Golgi forma le vescicole secretorie o di trasporto.

Lisosomi

I lisosomi sono vescicole che contengono proteine enzimatiche e sono responsabili della degradazione e digestione delle molecole ingerite dalla cellula.

Perossisomi

I perossisomi contengono numerosi enzimi in grado di ossidare sostanze organiche, svolgendo azione di detossificazione.

Mitocondri

I mitocondri sono le centrali energetiche poiché in essi avviene la sintesi dell’ATP. Hanno due membrane, quella interna ripiegata in creste che racchiude uno spazio centrale o matrice dove avvengono le reazioni di sintesi.

Tessuti del corpo

I tessuti del corpo sono classificati in 4 tipi fondamentali:

• Epiteliale: È costituito da cellule strettamente addossate le une alle altre, è avascolarizzato e gli scambi avvengono per diffusione. Le cellule sono costituite da una superficie apicale esposta all’esterno, una superficie laterale a contatto con le cellule adiacenti e una superficie basale a contatto con il tessuto connettivo sottostante. Esistono due tipi di epitelio:
  • Di rivestimento, che copre o riveste varie parti del corpo
  • Ghiandolare, che è costituito da cellule altamente specializzate nella secrezione (ghiandole endocrine ed esocrine)
• Connettivo: Svolge funzioni di sostegno, protezione e comunicazione. È formato da cellule e matrice extracellulare, sostanza fondamentale formata da acqua, proteine e fibre. Fanno parte il tessuto osseo, cartilagineo, denso e lasso, e quello liquido (sangue e linfa). Le fibre sono:
  • Collagene
  • Elastiche
  • Reticolari
• Muscolare: Costituito da cellule allungate dette fibre muscolari specializzate per generare forza. Viene classificato in:
  • Muscolare scheletrico
  • Muscolare cardiaco
  • Muscolare liscio
• Nervoso: Costituito da due tipi di cellule ossia i neuroni e le cellule gliali. Il neurone è l'unità fondamentale del tessuto nervoso coinvolto nella ricezione dell’impulso, le cellule gliali hanno funzione di nutrimento e protezione.

Membrane del corpo

Le membrane del corpo sono strati di tessuto che rivestono varie superfici del corpo. Le membrane epiteliali possono essere:

• Mucose: Rivestono le cavità interne degli organi che comunicano con l’esterno. Secernono muco con funzione protettiva e difensiva.
• Serose: Rivestono le cavità degli organi che non comunicano con l’esterno. Secernono liquido sieroso che riduce l’attrito tra gli organi.
• Sinoviali: Rivestono le cavità di alcune articolazioni. Secernono liquido sinoviale che lubrifica le ossa a livello delle articolazioni, nutre la cartilagine e rimuove eventuali batteri.

Potenziale di membrana

Le cellule viventi presentano una diversa concentrazione di ioni all’esterno e all’interno: all’esterno prevale Na⁺ e Cl^-, all’interno prevale K⁺ (bassa concentrazione di Na⁺). Ciò determina che gli ioni positivi sono in lieve eccesso all’esterno (prevalendo sulla membrana) e gli ioni negativi sono in lieve eccesso all’interno.

Questa differenza di carica elettrica è definita potenziale di membrana. Si parla di “potenziale” perché si tratta di energia immagazzinata come energia potenziale e ogni volta che cariche opposte si trovano ai lati di una membrana hanno la potenzialità di muoversi l’una verso l’altra.

Se la membrana mantiene questa differenza tra interno ed esterno si dice che è polarizzata, cioè ha polo negativo (all’interno) e polo positivo (all’esterno). Le cellule eccitabili hanno la capacità di generare e condurre potenziali (principalmente il tessuto nervoso e il tessuto muscolare). Quando una cellula di un tessuto eccitabile non genera/conduce impulsi si dice che è a riposo (PRM – potenziale di membrana a riposo). Il PRM si mantiene intorno a valori medi di circa -70 mV.

Mantenimento del PRM

I meccanismi che mantengono il PRM generano piccoli squilibri ionici ossia eccesso di ioni positivi alla superficie esterna. Nella membrana plasmatica i canali per il passaggio della maggioranza degli anioni sono assenti o chiusi in condizioni di riposo. Inoltre, non ci sono canali che permettono l’uscita delle macromolecole proteiche. Gli ioni che possono passare la membrana sono ioni Na⁺ e K⁺. Quindi, in una cellula a riposo, rimangono aperti canali per il K⁺ e chiusi canali per il Na⁺.

Trovandosi molti ioni K⁺ all’interno, questi possono diffondere all’esterno ma le cariche negative dei grandi anioni li richiamano potentemente all’interno e rientrano facilmente perché i loro canali sono aperti. Per mantenere il PRM opera anche la pompa (ATPasi) Na⁺ K⁺ che utilizza energia, trasportando 3 ioni Na⁺ all’esterno e 2 ioni K⁺ all’interno. È una pompa elettrogenica, cioè crea uno squilibrio elettrico per la membrana mantenendo l’interno negativo rispetto all’esterno. Questa pompa svolge un ruolo importante anche nel controllo e regolazione del volume della cellula. Il PRM può essere mantenuto in una cellula finché le caratteristiche di permeabilità della membrana restano costanti e fin quando opera la pompa.

Valori medi delle concentrazioni dei principali ioni

• Na⁺ → Esterno 120 mMoli/litro, Interno = 10 mMoli/litro
• K⁺ → Esterno 4-5 mMoli/litro, Interno = 140 mMoli/litro
• Cl^- → Esterno 110 mMoli/litro, Interno = 5-10 mMoli/litro

Potenziali locali

Si definiscono potenziali locali le leggere variazioni del potenziale di membrana a riposo in risposta a determinati stimoli. Abbiamo:

• Eccitazione della cellula: lo stimolo provoca apertura di un certo numero di canali Na⁺
• Inibizione: lo stimolo provoca l’apertura dei canali del K⁺

Sono definiti “locali” perché nascono in regioni precise e non diffondono a regioni limitrofe. Sono graduati in quanto possono avere valori maggiori o minori.

Potenziale d’azione

È il potenziale di membrana che ha una cellula eccitabile quando è attivata, cioè se sorge o viene condotto un impulso (infatti il sinonimo è impulso nervoso) fluttuazione elettrica che viaggia lungo la superficie di una cellula eccitabile.

Le fasi del potenziale d’azione

Alla cellula a riposo (-70 mV) si verifica uno stimolo che provoca l’apertura dei canali Na⁺ stimolo-dipendenti generando depolarizzazione locale. Se si raggiunge o supera il valore soglia (-50 mV) si apriranno i canali per il Na⁺, se non si raggiunge restano chiusi e non si genera potenziale d’azione. L’entrata di Na⁺ determina diminuzione del potenziale che arriva a 30.

Segue poi la ripolarizzazione dove si chiudono i canali del Na⁺ e il potenziale di membrana torna al valore di riposo. Il K⁺ (i cui canali si sono aperti alla depolarizzazione) comincia ad uscire dalla cellula per motivi di gradiente. Dopo che si è sviluppato il potenziale si ha un periodo refrattario: assoluto è impedito il rilascio di nuovi potenziali.