Fisiologia

L'acquisizione del lessico, delle nozioni, e degli strumenti concettuali

necessari per la rappresentazione del corpo umano vivo come sistema, e

della funzione delle sue parti, del controllo, della regolazione e della

integrazione delle funzioni da parte di meccanismi endocrini e nervosi, dei

principali aggiustamenti durante l'attività fisica e adattamenti in seguito ad

allenamento, per il mantenimento dell'omeostasi.

Concetti fondamentali:

Fisiologia cellulare;

• Muscolo;

• Neurofisiologia;

• Funzione endocrina;

• Sangue;

• Funzione cardiovascolare;

• Respirazione;

• Funzione renale;

• Riproduzione;

• Digestione e assorbimento.

•

La fisiologia è la scienza che studia le funzioni degli organismi viventi.

Funzione ha due significati in fisiologia: il modo di funzionare (come cambia

quell'organo nel tempo e quali sono le cause di questo cambiamento) e il

significato nel contesto dell'organismo. Con funzione del cuore ci si può

riferire alle fasi di funzionamento del cuore o ci si può chiedere il perché

dell'esistenza del cuore all'interno dell'organismo. Con studio della funzione

inteso come modo di funzionare ci si chiede la fenomenologia del processo

(eventi in successione) e i rapporti causali degli eventi. Inoltre, indagando sui

rapporti causali sui processi si possono considerare i meccanismi molecolari

e cellulari alla base (cause del fenomeno scendendo all'interno verso il livello

più piccolo del processo) e considerare la finalità del processo fisiologico

(inteso in senso evolutivo, la selezione alla fine di un lungo processo di

tentativi ed errori casuali).

Altra parola fondamentale è vivente, vivo. Il vivente è un sistema aperto a

bassa entropia, un sistema lontano dall'equilibrio termodinamico. Il

mantenimento nello stato di non equilibrio può essere realizzato solo grazie a

una continua entrata e uscita di energia (il sistema non può, ma deve

scambiare energia). L'energia e la materia che entrano sono utilizzate per

ricostruire continuamente la struttura relazionale (autopoiesi), quindi il

vivente. Il vivente è in continuo sviluppo, non è un oggetto, è un luogo. Se

un sistema è a bassa entropia, nel momento in cui scambia con l'ambiente,

l'entropia aumenta (in qualunque processo spontaneo aumenta): se l'entropia

aumenta spontaneamente e non si verificasse alcun processo di

riorganizzazione, il corpo umano si disordinerebbe comportando la perdita

delle funzioni e la morte. Per ottenere il riordino e far fronte all'aumento

dell'entropia è necessario che il flusso di energia all'interno del corpo sia

talmente alto da mantenere l'equilibrio termodinamico molto lontano

dall'equilibrio termodinamico: devo fornire tanta energia e

contemporaneamente toglierla dall'ambiente. Al momento della morte si

interrompe questo scambio continuo di energia.

Affinché ci possa essere questo flusso intenso di energia occorre creare delle

differenze: una cellula per essere viva (per essere attraversata

continuamente dall'energia) deve creare delle differenze rispetto

all'ambiente extracellulare. Prima ancora occorre quindi creare una

compartimentazione fra interno ed esterno: questo crea la possibilità che

all'interno siano generate e mantenute delle condizioni (ambiente

intracellulare) molto diverse rispetto all'ambiente extracellulare mediante

meccanismi che creano gradienti (trasporti attivi di membrana) e regolano

flussi (trasporti passivi di membrana). Il primo passo per passare dal brodo

primordiale alla vita è stato la creazione della membrana per differenziarsi

dall'ambiente circostante (costituito prevalentemente da NaCl): espellono

dalla cellula tutta la componente di sodio e incorporano il potassio

(meccanismo di trasporto attivo primario della pompa sodio-potassio). Una

volta creato il gradiente si può poi regolare l'entrata e l'uscita delle sostanze

in ingresso e in uscita: vengono generati dei canali di trasporto per regolare il

gradiente. Condizione di partenza per la vita è stata la generazione della

pompa sodio-potassio.

L'uomo è un vivente pluricellulare. Cosa rende un aggregato di cellule un

individuo e non una colonia di cellule? L'unità di un individuo diventa tale

quando il livello di comunicazione da una cellula all'altra diventa tale da

informare ogni cellula sull'attività delle altre e da rendere dipendente una

cellula a tutte le altre.

I livelli di comunicazione all'interno di un organismo sono diversi:

Intracellulare (interno, di superficie);

• Intercellulare diretto;

• Autocrino (la cellula che parla a sé stessa);

• Sinaptico (da una cellula all'altra, come tra un neurone e la cellula

•

muscolare);

Paracrino;

• Orgasmico (endocrino e nervoso);

• Interindividuale.

•

Come avviene la comunicazione nella sua essenza? Ci sono tre elementi

materiali (emittente, segnale, ricevente) ed uno immateriale. Il ricevente viene

modificato dall'impatto con il segnale a cui attribuisce un significato. Il

segnale è un oggetto fisico che deve esistere in almeno due stati.

Quest'ultimo non porta altra informazione che sé stesso in mancanza di un

codice, ovvero un insieme di regole che associano combinazioni di stati del

segnale con significati che, in generale, non hanno relazione fisica con il

segnale. Uno stesso segnale può assumere diversi significati a seconda del

codice: questo succede all'interno delle nostre cellule.

Il sistema è un insieme di elementi interconnessi tra di loro tramite relazioni

reciproche (scambi di informazioni), ma che si comporta come un tutt'uno,

secondo proprie regole generali (Teoria generale dei sistemi, 1968, Von

Bertalanffy): il tutto è maggiore della somma delle parti. Avendo diversi

oggetti capaci di fare determinate cose, mettendoli insieme interconnessi e

comunicanti tra di loro, l'insieme dei diversi oggetti da un'utilità maggiore della

semplice somma dell'utilità dei diversi oggetti.

Il concetto di controllo si riferisce alla condizione in cui, a una variabile di un

sistema, non è permesso di fluttuare in modo casuale o comunque non

prevedibile, ma, al contrario, essa può assumere valori all'interno di un

ambito ristretto, determinato dal controllore. Un sistema di controllo è in

dispositivo o un insieme di dispositivi capaci di gestire, comandare, dirigere o

regolare il comportamento di altri dispositivi (o sistemi di dispositivi).

Com'è possibile controllare una grandezza fisica? Esempio del glucosio: il

carboidrato viene giornalmente introdotto (alimentazione) e consumato

(metabolismo basale e attività fisica). Questo può essere anche

immagazzinato sotto forma di glicogeno nel fegato e nel muscolo, tenuto in

riserva per futuri utilizzi. Si identificano quindi una fonte di ingresso, una

destinazione di uscita, un livello stazionario o dinamico della variabile ed

un deposito della stessa che la immagazzinerà e la redistribuirà.

I sistemi di controllo possono essere di due tipi fondamentali, entrambi

presenti nel nostro organismi. Il sistema di controllo a catena aperta è

composto di tre elementi: un sistema controllante, un sistema di regolazione

e un sistema controllato. Un sistema di questo tipo permette di far partire un

segnale che andrà a modificare il sistema di regolazione che agirà su uno

degli elementi sopra descritti. Il rilascio della bile è un esempio di sistema a

controllo aperto: la bile viene accumulata nella cistifellea (colecisti) e

rilasciata nel duodeno quando si introduce del cibo nello stomaco tramite

rilascio della colecistochinina. Il sistema controllante è il duodeno, il sistema

di regolazione è la colecisti e il sistema controllato è la presenza della bile

all'interno dell'intestino (la quale deve arrivare all'intestino nel momento

dell'ingresso del cibo nello stomaco).

Il sistema di controllo a catena chiusa presenta un sistema controllante, un

sistema di regolazione, un sistema controllato, un flusso di informazione tra

questi elementi ed un sensore. Quest'ultimo, trasmette l'informazione al

sistema controllante il quale la confronta (tra il valore letto e un valore di

riferimento - setpoint). Nel sistema di controllo a catena chiusa con

retroazione (feedback) negativa possono essere compensate perturbazioni

non previste e può essere cambiato il valore della variabile controllata

agendo sul valore di riferimento. Nel sistema di controllo a catena chiusa con

retroazione positiva la perturbazione spinge il valore della variabile all'infinito

(ai valori massimi fisicamente possibili). Esempio del rilascio del parto.

I sistemi di controllo a catena negativa sono buoni per mantenere pressoché

costante il valore di una grandezza fisica: se impostiamo 20 gradi nel

termostato che controlla la temperatura di una stanza, difficilmente la

temperatura sarà di 20° in quanto i radiatori saranno ancora caldi e

continueranno ad influenzare la temperatura aumentandola. Con i radiatori

ormai freddi, la temperatura scende, toccati i 19,9°C si riattiverà la caldaia ma

la temperatura quando i radiatori saranno caldi sarà scesa ancora. Tanti più

grandi sono i tempi di ritardo (tempo necessario per trasmettere

l'informazione tra un elemento e l'altro) tanto maggiori saranno le oscillazioni

delle variabili. Le informazioni possono inoltre essere più o meno amplificate:

se ad esempio in due stanze ci sono 3 e 15 termosifoni, allo scattare del

termostato, l'evento dato dal sistema a retroazione negativa sarà molto più

amplificato nella stanza con più radiatori.

La fisiologia è piena di fenomeni oscillatori dipendenti da un sistema di

controllo a retroazione negativa, tra i quali:

Ciclo sonno-veglia;

• Andamenti circadiani in secrezioni ormonali;

• Ciclo mestruale;

• Tremore.

•

L'oscillazione è di per se una imperfezione del sistema, ma questa viene

sfruttata dalla fisiologia proprio per indurre degli eventi oscillatori.

Meccanismi importanti di amplificazione sono meccanismi regolati da una

cinetica non lineare e il meccanismo a cascata che coinvolge l'attivazione di

enzimi in azioni di idrolisi o proteolisi che si attivano sequenzialmente

innescandosi (esempio della coagulazione o il sistema innescato

dall'insulina).

L'ambiente interno

Il concetto di ambiente interno è stato formulato da Claude Bernard, fisiologo

che ha cambiato la storia della fisiologia introducendo una serie di concetti

che valgono per il vivente. E' una esigenza fisiologica creare una

compartimentazione tra l'interno e l'esterno per creare una differenza in grado

di garantire una fluttuazione di energia. Se le fluttuazioni dell'ambiente

extracellulare sono trascurabili rispetto alla differenza fra interno e esterno,

allora l'esterno può essere lasciato fluttuare liberamente e si può limitare il

controllo all'interno (vale per organismi unicellulari). Se le fluttuazioni

dell'esterno diventano comparabili con la differenza interno-esterno,

compromettendo la permanenza degli stessi gradienti, allora sorge l'esigenza

di un controllo anche dell'esterno. L'insieme dei meccanismi che permettono

di tenere controllate entro un certo limite tutte le variabili della vita

(concentrazioni di ioni, molecole, temperatura, pH) prende il nome di

omeostasi. Una cellula non è in grado di tenere sotto controllo tutte queste

grandezze: nasce l'esigenza di specializzare un gruppo di cellule nel controllo

della singola grandezza. Riuniti, questi gruppi di cellule si organizzano nella

creazione di organi. I grandi sistemi di controllo dell'omeostasi sono il sistema

nervoso autonomo e il sistema endocrino: questi si devono integrare per

creare la risposta migliore disponibile. In modi diversi e con orizzonti

temporali diversi questi due intervengono per coordinare le attività

omeostatiche.

I componenti principali del corpo umano sono prevalentemente idrogeno,

ossigeno e carbonio. Questi stessi elementi, ad esclusione del carbonio

(presente in una composizione di quasi 7000 volte superiore), si ritrovano

anche nell'acqua di mare, laddove si trovavano i nostri antenati. Perché è

stato scelto il carbonio come molecola della vita? Il carbonio appartiene al

quarto gruppo, è un elemento intermedio a basso peso molecolare (si

trova nel secondo livello) dal punto di vista del numero di elettroni nel

livello energetico più esterno ad elettronegatività 2,5. Anche gli altri

elementi costitutivi plastici (N, O, H) hanno buoni valori di elettronegatività:

la maggiore differenza di elettronegatività si ha tra idrogeno ed ossigeno.

Quanto più è grande la differenza di elettronegatività, tanto più la nuvola

elettronica si sposta verso l'atomo più elettronegativo.

L'acqua è la sostanza maggiormente rappresentata nel nostro organismo:

siamo dei bidoni d'acqua con dentro aggregati o disciolti componenti

molecolari e ioniche. Il suo contenuto varia con l'età e con il sesso: nel

neonato rappresenta circa i 3/4 (nel feto è maggiormente rappresentata) e

diminuisce al trascorrere degli anni. Fino alla pubertà è la stessa nei

maschi e nelle femmine, momento in cui si differenzia (nelle donne è

minore). Due tessuti sono particolarmente poveri di acqua: il tessuto

scheletrico (formato da Sali insolubili di calcio che espellono l'acqua dal

materiale extracellulare) e il tessuto adiposo (povero di acqua perché le

cellule costituenti il tessuto in quanto l'adipocita è formato da un grosso

vacuolo pieno di trigliceridi che competono con l'acqua). Nella donna il

contenuto idrico è minore perché, mediamente, nella donna c'è una

maggiore tendenza di accumulo di tessuto adiposo sottocutaneo (glutei,

cosce, fianchi). Questo, evolutivamente, dal punto di vista biologico ha un

senso profondo: la donna ha bisogno di maggiori depositi energetici per

far fronte alla riproduzione (l'uomo primitivo partiva per la caccia e

lasciava la donna nella caverna gravida ad aspettare).

L'acqua si distribuisce per un terzo all'esterno della cellula e per due terzi

all'interno della cellula. L'acqua extracellulare (33% del totale) si divide in

plasma sanguigno (liquido circolante) per un 8% e liquido interstiziale/linfa

per il restante 25%.

L'acqua presenta le seguenti proprietà:

Densità;

• Viscosità;

• Proprietà termiche;

• Proprietà di solvente;

• Dissociazione;

• Conducibilità elettrica;

• Biochimica;

• Osmosi.

•

La molecola di acqua è molto polarizzata (è un dipolo) ed ha una

caratteristica forma geometrica. Data la forma e la polarità, si può

idealmente tagliare in due la molecola e scomporla in una porzione

positiva (delta +, meglio 2x delta/2) ed una negativa (delta -). La

lunghezza di legame tra l'atomo di ossigeno e l'atomo di idrogeno è di

circa picometri (pm). La polarizzazione del legame O - H permette la

formazione di legami intermolecolari (ponti H) che danno origine ad un

reticolo di molecole di acqua: per la maggior parte, le molecole di acqua

contenute in una bottiglia sono legate le une alle altre da legami

elettrostatici a formare una rete tridimensionale. La violenza degli urti tra

le molecole di acqua è condizionata dalla temperatura: a 37 gradi

(temperatura corporea) si può immaginare che le molecole di acqua

formano aggregati contenenti 10 molecole di acqua che si formano e si

disfano completamente per gli urti termici. Un legame intermolecolare

dura molto poco a 37 gradi: si calcola che ciascun legame molecolare

possa durare circa 10 alla meno 10 secondi (100 pico secondi). In un dato

momento si fotografa una istantanea in cui si visualizzano grappoli di 20-

30-50 molecole di acqua distanziati gli uni dagli altri.

La densità è la quantità (in grammi) di materia nell'unità di volume: più un

corpo è denso (un cubetto di massa) più è pesante. La densità dell'acqua,

a parità di altre molecole di dimensioni simili, è alta. L'acqua è pesante, e

la densità dipende dalla temperatura in un modo strano: diminuendo la

temperatura diminuisce il movimento delle molecole che dovrebbero stare

più aggregate le une alle altre, ma questo è vero fino ai 4 gradi, valore al

di sotto del quale la densità diminuisce. Nell'acqua liquida le molecole si

incastrano in vari modi: quando si comincia a formare il solido ghiaccio, le

molecole si organizzano in esagoni tridimensionali, formando all'interno

degli spazi vuoti, dilatando la materia.

La viscosità si definisce come l'attrito di uno strato di liquido su un altro

strato (il miele è più viscoso dell'acqua). La viscosità dell'acqua è piuttosto

alta: facendo scorrere due strati di acqua l'uno sull'altro, uno strato

interagisce sull'altro attraverso ponti idrogeno, si lega l'uno all'altro. L'alta

viscosità ha un impatto molto importante sulla circolazione del sangue: la

stratificazione di livelli di acqua nel sangue sulla parete del vaso permette

la circolazione.

Per proprietà termiche si intende conoscere come risponde l'acqua

rispetto agli scambi di calore (assorbimento o cessione di calore con

l'ambiente). Il punto di ebollizione dell'acqua a livello del mare è di 100

gradi (le molecole fanno fatica a staccarsi l'una dall'altra perché trattenute

dai legami molecolari