Fisiologia

Fisiologia

Spiega il funzionamento dell'organismo. Le conoscenze della fisiologia rappresentano l'integrazione di conoscenze che provengono da diversi ambiti:

Studi integrati

• Anatomia e istologia: Studio di come è strutturato l'organismo.
• Biochimica: Studio delle reazioni chimiche e metaboliche fondamentali che avvengono nell'organismo.
• Biologia: Studio delle cellule.
• Fisica e ingegneria: Studio di modelli interpretativi di come funziona un sistema di regolazione.

Ciò ci permette di comprendere la fisiopatologia, ossia cosa accade quando questo equilibrio non riesce ad essere mantenuto correttamente. La perdita dell'equilibrio, la perdita del funzionamento dell'omeostasi dà luogo a malattia. Interpretiamo questo nel contesto della nutrizione, inteso sia come stato di nutrizione che come alimentazione. Lo studio delle parti è necessario, ma non sufficiente a spiegare il funzionamento del corpo umano. La stabilità fisiologica è una stabilità dinamica, solo tenendo conto del fattore tempo è possibile spiegarla e spiegare anche la perdita della stabilità.

Omeostasi

Per omeostasi si intende il processo dinamico di mantenimento della stabilità dell'ambiente interno dell'organismo. Questo implica l'esistenza di variabili regolate (es. temperatura, concentrazione plasmatica di soluti, volume e pressione plasmatica) per le quali esistono sistemi di controllo facenti sì che tali variabili restino all'interno di un intervallo.

I sistemi di controllo comprendono diversi elementi: sensori, inputs, centri integrativi, outputs ed elementi effettori. I sensori, dislocati in tutto l'organismo, rilevano le variabili e generano degli input, ossia segnali, che vengono inviati a centri integrativi. Questi ultimi confrontano i valori con un set-point (non necessariamente fisso), sulla base della differenza generano output inviati a elementi effettori che producono una risposta volta a modificare la variabile.

• Sensori: Recettori o cellule.
• Input e output: Segnali nervosi, metabolici, ormonali.
• Effettori: Muscoli, ghiandole, neuroni, cellule.

Modalità di funzionamento del sistema

• Feedback negativo: Quando la variabile regolata supera il set-point, gli elementi effettori tendono a riportarla entro i limiti (es. aumento della temperatura si alza → riduzione della temperatura); tende a smorzare le variazioni e portare la variabile entro certi limiti.

Esempio: i termocettori (sensori), localizzati in tutto l'organismo, rilevano un aumento della temperatura e generano un segnale nervoso (input) diretto ai centri termoregolatori dell'ipotalamo (centro integrativo). Qui la temperatura reale rilevata dai sensori è confrontata con il set-point della temperatura corporea. Poiché la temperatura reale è superiore al set-point, l'ipotalamo invia un segnale nervoso (output) alle ghiandole sudoripare e alle cellule dell'endotelio vascolare (effettori). Gli effettori mettono in atto delle azioni (es. vasodilatazione, sudorazione, ecc.) che portano a una riduzione della temperatura corporea. Tale diminuzione viene rilevata dai sensori che lo comunicano all'ipotalamo (feedback negativo). In caso di febbre si ha una modificazione del set-point causata dalla presenza di mediatori chimici (citochine). Se la temperatura invece diminuisce rispetto al set-point si ha sia una riduzione della produzione di sudore, sia vasocostrizione, sia i brividi. I sistemi di correzione, infatti, sono molteplici e ridondanti, e questo aiuta ad avere una maggiore efficacia e accuratezza. La risposta, inoltre, non è matematica; la variabile non raggiunge istantaneamente e precisamente il set-point.

• Feedback positivo: Tende ad amplificare il cambiamento registrato dai sensori. Esempi sono la cascata della coagulazione, il ciclo mestruale, le contrazioni uterine durante il parto.

Reazioni biochimiche e specializzazioni organiche

Alcuni organi sono specializzati nella realizzazione di specifiche reazioni biochimiche; alcune reazioni possono avvenire in un senso nelle cellule di un organo e nel senso opposto nelle cellule di un altro organo (es. glicolisi nel muscolo e gluconeogenesi nel fegato). Per questa ragione c'è un continuo dialogo tra i diversi distretti corporei.

Composizione corporea

La composizione corporea può essere valutata a diversi livelli:

• Atomico: Ossigeno, carbonio, idrogeno, azoto, ecc.
• Molecolare: Acqua, lipidi, proteine, ecc.
• Cellulare: Massa cellulare, fluidi extracellulari, solidi extracellulari, ecc.
• Tessuti-sistemi: Muscolo scheletrico, tessuto adiposo, ossa, sangue, ecc.

Tipi di cellule e organizzazione in tessuti

I principali tipi di cellule del corpo umano sono: neuroni, cellule muscolari (cellule muscolari lisce, cardiache, striate), cellule epiteliali e cellule del tessuto connettivo (tante e diverse, tra cui cellule del sangue, delle ossa, del connettivo, adipociti, ecc.). Le cellule si organizzano in tessuti che implicano l'esistenza di gruppi di cellule simili con un'origine embrionale comune, legate fisicamente fra loro da sostanza intercellulare.

I tessuti primari sono il tessuto epiteliale, connettivo, muscolare e nervoso. Tutti i tessuti a livello embrionale derivano da una stessa cellula attraverso un processo molto complesso (embriogenesi). Attorno al 10º giorno di gestazione si formano tre pseudo-tessuti (foglietti embrionali), l'ectoderma, il mesoderma e l'endoderma dai quali originano i 4 tessuti primari. Il tessuto connettivo, nelle sue diverse forme, è composto da cellule immerse in una matrice da loro prodotta.

Sistemi del corpo umano

Acqua nell'organismo

L'acqua è la molecola più abbondante dell'organismo, viene finemente regolata e variazioni del 15% risultano mortali. Acqua e soluti vanno considerati assieme, infatti, è proprio la quantità e la distribuzione dei soluti a determinare la quantità e la distribuzione dell'acqua corporea. Alla nascita il contenuto corporeo di acqua è del 70%, mentre nell'adulto obeso è del 40%. Il canale digerente, così come le vie aeree e gli alveoli, nonché le vie urinarie devono essere considerati ambiente esterno all'organismo separato dall'ambiente interno per mezzo di un epitelio.

A livello molecolare l'acqua non può essere distinta in quanto composta da una singola molecola. A livello cellulare si distingue in intracellulare ed extracellulare e a livello tissutale in cinque compartimenti: intracellulare, plasmatica, interstiziale, connettivale e trans-cellulare (es. bile, succo pancreatico, succo gastrico, mucose, liquido cerebrospinale). L'acqua intracellulare è molto più abbondante di quella extracellulare (nell'adulto). La regolazione dell'equilibrio idrico dell'organismo non è limitata alla quantità di acqua totale, ma anche e soprattutto alla sua distribuzione. La compartimentalizzazione dell'acqua è permessa dalla regolazione dei soluti ed è finemente regolata; se viene alterata insorgono patologie.

L'acqua intercellulare è circa 28 L, mentre quella extracellulare è 14 L di cui 3 L sono plasma e 11 L fluido extra-vascolare diviso tra liquido interstiziale (10,5 L) e liquido trans-cellulare (0,5 L). Del liquido trans-cellulare fa parte ad esempio il liquido cefalorachidiano. Il volume plasmatico può essere alterato da pratiche dietetiche scorrette; ad esempio, un eccessivo apporto di sodio causa un'espansione del comparto plasmatico e conseguentemente ipertensione. Una grave malnutrizione proteica causa un'insufficiente produzione di albumina che è causa di edema, un'espansione del comparto extracellulare per riduzione della pressione oncotica. L'espansione dell'acqua intracellulare spesso si associa ad un'aumentata capacità funzionale. Ad esempio, il muscolo è il tessuto maggiormente idratato, ossia le cellule muscolari sono quelle in percentuale più ricche d'acqua.

Le membrane cellulari, e quindi gli epiteli, sono permeabili all'acqua, ma non alla maggior parte dei soluti (eccetto i gas). L'acqua viene, quindi, trattenuta nelle cellule per osmosi. La rigida compartimentazione di soluti crea gradienti elettrici e di concentrazione a cavallo della membrana e dei compartimenti fluidi dell'organismo. Dato che l'osmolarità si equilibra in tutti i compartimenti, è la quantità di soluti in ogni compartimento a regolare la quantità d'acqua presente.

La Na⁺/K⁺ ATPasi fa sì che la concentrazione di sodio sia molto bassa all'interno della cellula e molto alta all'esterno, mentre il potassio sia maggioritario all'interno della cellula e scarso all'esterno. L'acqua nei vasi sanguigni, il cui endotelio è permeabile agli ioni ma non alle proteine, invece, trattiene le proteine. Il calcio all'interno della cellula è compartimentalizzato, non si trova libero nel citoplasma.

Forza chimica ed elettrica

Quando la concentrazione di un soluto è maggiore all'interno della cellula rispetto al liquido extracellulare, su di esso agisce una forza chimica (gradiente di concentrazione) diretta verso l'esterno. Quando la concentrazione di un soluto è maggiore nel liquido extracellulare rispetto alla cellula, su di esso agisce una forza chimica (gradiente di concentrazione) diretta verso l'interno. La membrana cellulare si comporta come un condensatore perché immediatamente vicino alla membrana si ha una separazione di cariche fra l'interno e l'esterno. All'interno della cellula vi è un eccesso di anioni, mentre all'esterno di cationi, il che genera una differenza di potenziale (ddp). Questo ddp genera una forza elettrica che si applica ai soluti carichi: sui cationi agisce una forza elettrica diretta verso l'interno della cellula, mentre sugli anioni agisce una forza elettrica diretta verso l'esterno della cellula. I soluti carichi sono quindi soggetti complessivamente a una forza chimica ed a una forza elettrica che possono essere più o meno intense. La forza elettrica è tanto più intensa quanto è maggiore la differenza di carica fra lo ione e l'interno/esterno della cellula. Ad esempio, la forza che agisce su un catione all'esterno della cellula è tanto più intensa quanto più l'interno della cellula è negativo e quanto più lo ione stesso è positivo. Le forze chimica ed elettrica che si applicano ad ogni ione si compongono nella forza elettrochimica. La forza elettrochimica che si applica ad uno ione determina la direzione in cui lo ione si muove se è libero di passare le membrane. Ogni ione ha una propria forza elettrochimica perché ha una carica diversa ed un gradiente di concentrazione diverso rispetto agli altri ioni.

La concentrazione di potassio all'interno della cellula è sempre maggiore rispetto a quella all'esterno della cellula. Quindi la forza chimica che agisce sul potassio è diretta verso l'esterno della cellula. Essendo negativo, la forza elettrica applicata al potassio è diretta verso l'esterno. Le cellule non eccitabili hanno un potenziale di membrana di -94 mV. A tale valore, la forza elettrica applicata al potassio è uguale in intensità alla forza chimica che ha però direzione opposta. La forza elettrochimica è quindi complessivamente nulla. Per potenziale di equilibrio di uno ione si intende il potenziale di membrana per il quale il valore della forza elettrochimica dello ione è nulla.

Trasporto attraverso la membrana

Le modalità di trasporto attraverso la membrana possono essere classificate in base al fatto che:

• Il soluto passi liberamente la membrana o necessiti di una struttura che ne consenta il passaggio (diffusione semplice/trasporto mediato).
• Il trasporto sia secondo gradiente di concentrazione o contro gradiente di concentrazione e, quindi, necessiti di energia (trasporto passivo/trasporto attivo).

I soluti possono attraversare la membrana cellulare nei seguenti modi:

• Diffusione semplice: La velocità della diffusione semplice dipende dal gradiente elettrochimico, dalla superficie della membrana disponibile alla diffusione e dalla permeabilità a quel soluto.
• Trasporto mediato da canali ionici: Na⁺, Cl^-, K⁺, Ca²⁺ attraversano la membrana, ma non liberamente; necessitano di canali che sono specifici per uno ione o categorie di ioni. Inoltre, questi canali ionici possono essere sempre aperti o aprirsi in seguito ad uno stimolo chimico e/o elettrico. Anche l'acqua impiega canali "ionici" particolari detti acquaporine per attraversare la membrana, sebbene possa passare anche per diffusione semplice.
• Diffusione facilitata: Coinvolge le molecole organiche, generalmente idrofile; utilizza molecole carrier che riconoscono selettivamente il soluto da trasportare. Il trasporto implica un cambio di conformazione del carrier. La relazione tra gradiente di concentrazione e velocità di trasporto non è diretta; il trasporto è saturabile; raggiunta la saturazione dei carrier presenti, la cellula può esporre un'ulteriore frazione di carrier (regolazione della quantità di substrato). Un esempio di carrier di questo tipo sono i GLUT che permettono il passaggio di glucosio secondo gradiente.
• Trasporto attivo: Viene definito primario quanto il trasportatore è associato a un ATPasi (es. pompe Na⁺/K⁺ ATPasi), mentre viene definito secondario se viene sfruttato il gradiente elettrochimico di un secondo soluto per il trasporto di un soluto principale contro gradiente. Si realizzano dei co-trasporti o contro-trasporti. Il gradiente elettrochimico del secondo soluto è ripristinato tramite pompe ATPasi. Il trasporto attivo secondario, quindi, non consuma ATP, ma dissipa il gradiente di concentrazione ottenuto tramite un trasporto attivo primario. Un esempio di trasporto attivo secondario è il co-trasporto Na⁺/Glu degli SGLT.

Osmosi

Quando due soluzioni acquose a differente concentrazione sono separate da una membrana semipermeabile, come lo sono le membrane cellulari, secondo i principi della diffusione il soluto dovrebbe passare alla soluzione meno concentrata, ma non potendolo fare, l'acqua va dalla soluzione meno concentrata a quella più concentrata. Ciò è comprensibile se si considera che le soluzioni iniziali hanno lo stesso volume, ma, essendoci in una più soluto, nell'altra ci sarà più acqua.