Fisiologia

Fisiologia

Prof. Megighian
Anna Pasinelli

Sommario

• Capitolo 1: Introduzione alla fisiologia e all’omeostasi .................................................................. 2
• Capitolo 2: Fisiologia cellulare ................................................................................................................ 5
• Capitolo 3: La membrana plasmatica e il potenziale di membrana ................................................ 10
• Capitolo 4: Principi di comunicazione nervosa e ormonale ............................................................ 17
• Capitolo 5: Il sistema nervoso centrale ............................................................................................... 28
• Capitolo 6: Il sistema nervoso periferico, la divisione afferente e i sensi speciali..................... 37
• Capitolo 7: Il sistema nervoso periferico, la divisione efferente ................................................... 46
• Capitolo 8: Fisiologia del muscolo......................................................................................................... 49
• Capitolo 9: Fisiologia cardiaca ................................................................................................................ 56
• Capitolo 10: I vasi sanguigni e la pressione sanguigna ..................................................................... 66
• Capitolo 11: Il sangue e le difese dell’organismo .............................................................................. 74
• Capitolo 12: Il sistema respiratorio ....................................................................................................... 86
• Capitolo 13: Il sistema urinario ............................................................................................................... 97
• Capitolo 14: Equilibrio di liquidi ed equilibrio acido-base ............................................................. 112
• Capitolo 15: Il sistema digerente .......................................................................................................... 120
• Capitolo 16: Bilancio energetico e termoregolazione ................................................................... 137
• Capitolo 17: Il sistema endocrino ......................................................................................................... 143
• Capitolo 18: Sistema riproduttivo ........................................................................................................ 165

Capitolo 1: Introduzione alla fisiologia e all’omeostasi

La fisiologia è lo studio delle funzioni degli esseri viventi. La fisiologia consiste nello spiegare come avvengono i processi all’interno del nostro organismo. I meccanismi d’azione del nostro organismo possono essere spiegati in termini di sequenze causa-effetto di processi fisici e chimici.

Livelli di organizzazione del corpo

• Livello chimico: diversi atomi e molecole costituiscono l’organismo. Gli atomi più presenti nel nostro organismo sono ossigeno, carbonio, idrogeno e azoto; questi atomi si combinano a formare le molecole della vita come proteine, carboidrati, lipidi e acidi nucleici.
• Livello cellulare: le cellule sono le unità alla base della vita. La cellula è la più piccola unità capace di attuare i processi associati alla vita. La membrana plasmatica racchiude il contenuto di ciascuna cellula e regola i movimenti delle sostanze dall’interno all’esterno e viceversa. Le forme di vita più semplici sono gli organismi unicellulari come i batteri. Negli organismi pluricellulari più semplici le cellule di tutto l’organismo sono simili; negli organismi più complessi invece, come l’uomo, esistono molti tipi differenti di cellule. Ogni essere umano si origina quando un uovo e uno spermatozoo si uniscono formando una cellula che si divide. Durante lo sviluppo degli organismi pluricellulari ogni cellula si differenzia, cioè ogni cellula si differenzia per svolgere una particolare funzione. Le funzioni fondamentali per una cellula sono: ricavare nutrienti e ossigeno dall’ambiente, effettuare reazioni chimiche per ricavare energia, eliminare i prodotti di scarto, sintetizzare proteine, regolare lo scambio di sostanze, trasportare i materiali da una parte all’altra della cellula, essere sensibile ai cambiamenti dell’ambiente circostante e riprodursi. Alcune cellule come quelle nervose e muscolari perdono la capacità di riprodursi subito dopo la loro formazione. Per questo motivo l’ictus, che porta alla perdita delle cellule nervose, e l’infarto che distrugge le cellule muscolari cardiache possono essere così devastanti. Oltre a queste funzioni fondamentali una cellula, negli organismi pluricellulari, svolge anche una funzione specializzata. Le funzioni fondamentali sono essenziali per la sopravvivenza di ogni singola cellula mentre le funzioni specializzate sono essenziali per la sopravvivenza dell’intero organismo.
• Livello tissutale: i tessuti sono gruppi di cellule con specializzazione simile. Le cellule che hanno una funzione simile si combinano a formare quattro tipi di tessuti.
  • Il tessuto muscolare si divide in tessuto scheletrico che muove lo scheletro, muscolare cardiaco che pompa il sangue e muscolare liscio che controlla il movimento degli organi cavi. Tutti e tre i tessuti sono formati da cellule che hanno proprietà contrattili.
  • Il tessuto nervoso è formato da cellule che servono per la trasmissione di segnali che sono importanti per la comunicazione e il controllo dell’organismo. Si trova nell’encefalo, nel midollo spinale, nei nervi e negli organi di senso.
  • Il tessuto epiteliale è costituito da cellule che scambiano materiale con l’ambiente. È formato da lamine epiteliali che sono strati di cellule unite strettamente tra loro che funzionano da barriera con l’ambiente esterno. Inoltre nel tessuto epiteliale si trovano le ghiandole che sono cellule specializzate nella secrezione. Ci sono due categorie di ghiandole: le ghiandole esocrine secernono verso l’esterno come le ghiandole sudoripare. Le ghiandole endocrine rilasciano invece gli ormoni all’interno del sangue come il pancreas che secerne insulina e glucagone.
  • Il tessuto connettivo si distingue per avere poche cellule. Il tessuto connettivo lasso connette il tessuto epiteliale con le strutture sottostanti come i tendini; il tessuto osseo conferisce struttura al corpo.
• Livello dell’organo: un organo è un’unità costituita da diversi tipi di tessuto. Gli organi sono formati da più tipi di tessuti. Per esempio lo stomaco è tappezzato da tessuto epiteliale che limita il passaggio di sostanze digestive al sangue. Sono presenti ghiandole esocrine che secernono i succhi per digerire e cellule endocrine che secernono un ormone che aiuta la secrezione esocrina e la contrazione muscolare. Sulla parete si trova il tessuto muscolare liscio la cui contrazione spinge il cibo nell’intestino. È presente anche il tessuto nervoso che controlla la contrazione e il tessuto connettivo che connette tutte queste tipologie di tessuto.
• Livello del sistema organico: un sistema organico è un insieme di organi correlati. Gli organi si organizzano ulteriormente nel sistema organico. Ogni sistema è un insieme di organi che collaborano per realizzare un’attività essenziale per la sopravvivenza dell’organismo. Il corpo umano ha 11 sistemi: circolatorio, digestivo, respiratorio, urinario, scheletrico, muscolare, tegumentale, immunitario, nervoso, endocrino e riproduttivo.
• Livello dell’organismo: i sistemi organici sono riuniti in un intero organismo funzionale. L’intero corpo di un organismo è costituito da vari sistemi organici strutturalmente e funzionalmente collegati.

Concetto di omeostasi

Le cellule in un organismo pluricellulare non possono vivere e funzionare senza il contributo delle altre cellule del corpo perché la maggior parte di esse non è in diretto contatto con l’ambiente esterno. Ogni cellula ha il bisogno di ottenere ossigeno dall’ambiente circostante; le cellule epiteliali sono a diretto contatto con l’ambiente esterno mentre le cellule muscolari non sono a contatto. L’ossigeno può arrivare a tutte le cellule grazie alla presenza di un ambiente interno liquido che circonda le cellule e attraverso cui esse effettuano gli scambi necessari per la vita.

All’interno di tutte le cellule del corpo si trova il liquido intracellulare mentre all’esterno si trova il liquido extracellulare che rappresenta l’ambiente interno del corpo. Questo liquido è formato da il plasma che è la porzione liquida del sangue e il liquido interstiziale che bagna le cellule. L’apparato digerente trasferisce i nutrienti a tutte le cellule dall’esterno al plasma; il sistema respiratorio trasferisce ossigeno dall’esterno al plasma. Il sistema circolatorio distribuisce questi due alle varie cellule. I materiali vengono scambiati tramite il liquido interstiziale e il plasma attraverso i capillari. Allo stesso modo le sostanze di rifiuto prodotte dalle cellule passano al sangue e trasportate agli organi che le eliminano: l’anidride carbonica va ai polmoni e i prodotti di scarto ai reni.

La composizione chimica e lo stato fisico dell’ambiente interno deve essere compatibile per la sopravvivenza delle cellule. Nell’ambiente interno vanno mantenuti ossigeno e nutrienti ed altri fattori come la temperatura. Il mantenimento di un ambiente interno relativamente stabile è detto omeostasi. L’omeostasi è essenziale per la sopravvivenza di ogni cellula, e ciascuna cellula attraverso le sue attività specializzate, contribuisce, come componente di un sistema organico, al mantenimento dell’ambiente interno condiviso da tutte le cellule. Ci sono molti fattori esterni che possono alterare questo equilibrio e quando ciò avviene i sistemi organici avviano controreazioni per minimizzare il cambiamento. Per esempio l’esposizione a basse temperature fa sì che l’encefalo inizi una risposta come il brivido per riportare la temperatura corporea a normali valori. Al contrario quando si fa sport e aumenta la temperatura corporea il nostro organismo risponde attivando la sudorazione. L’omeostasi è uno stato dinamico perché è caratterizzato da continui cambiamenti mentre lo stato stazionario implica che questi cambiamenti non si allontanano molto da un livello costante.

Contributo dei sistemi organici

• Sistema circolatorio: trasporta nutrienti, ossigeno, anidride carbonica, elettroliti e sostanze di rifiuto
• Sistema digestivo: fornisce alimenti, acqua e elettroliti ed elimina i prodotti di scarto sotto forma di feci
• Sistema respiratorio: fornisce ossigeno ed elimina l’anidride carbonica. Eliminando l’anidride carbonica contribuisce anche a mantenere il pH
• Sistema urinario: i reni rimuovono l’eccesso di acqua, sali e acidi
• Sistema scheletrico: fornisce supporto e funge da deposito di calcio. Permette il movimento. Il midollo osseo è la fonte di tutte le cellule del sangue
• Sistema muscolare: permette il movimento e con la contrazione muscolare contribuisce a mantenere la temperatura corporea.
• Sistema tegumentario: funge da barriera protettiva e regola la temperatura corporea tramite i fenomeni di sudorazione e regolando il flusso di sangue.
• Sistema immunitario: difende il corpo dagli invasori e favorisce la riparazione delle cellule danneggiate.
• Sistema nervoso: controlla e coordina le attività corporee; è importante nel rilevamento dei cambiamenti dell’ambiente esterno ed inoltre ha funzioni superiori come coscienza e memoria.
• Sistema endocrino: controlla la concentrazione di nutrienti nel sangue e controlla il volume di elettroliti attraverso la funzione renale.
• Sistema riproduttivo: non è essenziale per l’omeostasi.

Sistemi di regolazione omeostatica

Un sistema di regolazione omeostatica è una rete di componenti del corpo che opera per mantenere costante un certo parametro. Il sistema di rilevazione deve rilevare le deviazioni del parametro, integrare questa informazione e effettuare le regolazioni nell’attività delle parti del corpo responsabili a riportare questo parametro al valore desiderato. I sistemi di regolazione si dividono in due classi: intrinseche ed estrinseche. Le regolazioni intrinseche sono proprie di un organo: per esempio durante un’attività fisica si consuma ossigeno e questo viene risolto a livello direttamente del sangue e del muscolo. La regolazione estrinseca viene effettuata dal sistema nervoso e dal sistema endocrino. La regolazione estrinseca permette la regolazione coordinata di diversi organi per raggiungere un obiettivo comune; la regolazione intrinseca è utile solo all’organo in cui essa avviene.

Feedback negativo: una variazione in un parametro controllato stimola una risposta che tende a ricondurre il parametro alla normalità. Una regolazione correttiva si oppone alla deviazione iniziale. Un tipico esempio del feedback negativo è il controllo della temperatura. Questa è una variabile regolata, un parametro che può variare ma viene mantenuto entro uno stretto intervallo. Se la temperatura ambiente diminuisce oltre il valore di riferimento, il termostato attiva la caldaia che produce calore. Una volta raggiunto il valore di riferimento la caldaia e il termostato vengono spenti. Il valore di riferimento non viene mai superato perché il calore retroagisce per disattivare il termostato che innesca le reazioni. Quindi un sistema di variazione a feedback negativo rivela una variazione del valore ideale, stimola i meccanismi per correggere la situazione e poi si disattiva. Nel nostro corpo, quando le cellule monitorano una diminuzione della temperatura innescano risposte come il brivido mentre se la temperatura aumenta si ha la sudorazione. Meccanismi opposti possono muovere variabili controllate omeostaticamente in entrambe le direzioni. La risposta di un sistema di regolazione viene regolata per resistere alla variazione in modo tale da mantenere la variabile regolata ad un valore di riferimento relativamente stazionario.

Feedback positivo: la risposta amplifica una variazione in modo tale che la variabile regolata continui a muoversi nella direzione della variazione iniziale. Poiché lo scopo principale dell’organismo è quello di mantenere condizioni omeostatiche stabili, il feedback positivo non interviene tanto spesso come quello negativo. Il feedback positivo ha un ruolo fondamentale in alcune circostanze come il parto. L’ormone ossitocina provoca contrazioni uterine più forti. Le contrazioni spingono il bambino contro la cervice e la distensione di questa provoca il rilascio di una quantità maggiore di ossitocina.

Capitolo 2: Fisiologia cellulare

Le migliaia di miliardi di cellule del corpo umano sono classificate in circa 200 tipi e seppur hanno diverse specializzazioni presentano caratteristiche comuni:

• La membrana plasmatica racchiude ogni cellula ed è costituita da lipidi e proteine. Funge da barriera che separa il liquido intracellulare dal liquido extracellulare. La barriera serve anche per regolare l’ingresso dei nutrienti e delle altre sostanze.
• Il nucleo è una struttura sferica localizzata al centro della cellula ed è circondato dalla membrana nucleare. Il nucleo contiene l’acido desossiribonucleico (DNA) che dirige la sintesi proteica e funziona da programma genetico. Nella sintesi nucleica interviene anche l’RNA: prima il codice genetico del DNA viene trascritto in mRNA che fuoriesce dal nucleo; successivamente nei ribosomi tramite l’rRNA e il tRNA la sequenza amminoacidica dà luogo ad una proteina.
• Il citoplasma è la porzione interna della cellula non occupata dal nucleo e contiene numerosi organelli. Ognuno di questi è un compartimento separato e racchiuso da una membrana. Il citoscheletro è un sistema interconnesso di proteine fibrose che si estende attraverso il citosol; questa rete elaborata di proteine conferisce alla cellula la sua forma, favorisce l’organizzazione interna e regola i movimenti. Lo spazio non occupato dagli organelli è il citosol, una massa semiliquida.

Reticolo endoplasmatico e sintesi segregata

Il reticolo endoplasmatico è un sistema membranoso che è una fabbrica di lipidi e proteine. Il reticolo endoplasmatico ruvido è una pila di sacchi interconnessi mentre il reticolo endoplasmatico liscio è una rete di tubuli. La superficie esterna del reticolo endoplasmatico ruvido presenta delle strutture come i ribosomi che sintetizzano le proteine. Le proteine prodotte possono essere prodotti di secrezione come ormoni o enzimi oppure sono utilizzate nella costruzione di una nuova membrana. Il reticolo endoplasmatico liscio non presenta i ribosomi e non è coinvolto nella sintesi proteica ma serve da sito di scarico delle molecole che devono essere trasportate. Porzioni del reticolo endoplasmatico liscio poi gemmano formando le vescicole di trasporto.

L’apparato di Golgi e l’esocitosi

È costituito da una pila di sacchi appiattiti. All’interno dell’apparato di Golgi entrano le molecole neosintetizzate: la vescicola di trasporto si fonde con l’apparato di Golgi. All’interno dell’apparato di Golgi le proteine vengono trasformate nella loro forma finale. I prodotti finali si raccolgono nelle porzioni laterali poi il bordo si distacca per formare una vescicola. Queste vescicole scaricano il loro contenuto solo alla destinazione appropriata. Per esempio nelle cellule secretorie numerose vescicole che contengono le proteine che devono essere secrete si staccano dalle pile dell’apparato di Golgi. Queste vescicole immagazzinano le proteine fino a che la cellula non viene stimolata da uno specifico segnale. Questo processo è detto esocitosi: le vescicole secrete si fondono con la membrana plasmatica per rilasciare il loro contenuto.

• Il reticolo endoplasmatico sintetizza le proteine da secernere all’esterno o da incorporare nella membrana plasmatica o in altri componenti.
• Il reticolo endoplasmatico liscio...