Fisiologia

Fisiologia

Introduzione

La fisiologia è lo studio della logica della vita. La forma delle varie strutture del corpo è fortemente condizionata dalla loro funzione. I sistemi del nostro corpo interagiscono tra di loro per il corretto funzionamento dell’organismo. Le strutture del corpo umano sono strutture viventi perché utilizzano energia, sia per svolgere le varie funzioni, sia per mantenere l’omeostasi. La fisiologia ha vari livelli di studio:

• Livello molecolare
• Livello cellulare
• Livello d’organo
• Livello di organismo

Percorso dell’ossigeno dall’aria ambiente al mitocondrio

All’interno del nostro corpo è presente un flusso di ossigeno dall’apparato respiratorio, all’apparato cardiocircolatorio, fino alle cellule, dove viene trasformato in ATP all’interno dei mitocondri. Tra questi passaggi sono presenti delle barriere: aria-sangue tra polmoni e sangue e, sangue-cellula tra il sangue e l’interno della cellula.

NB. Un flusso è una certa quantità di sostanza considerata nell’unità di tempo e si indica con la lettera V con sopra un puntino.

Il flusso dell’ossigeno si può dividere in tre parti:

• Quantità di ossigeno assorbita dal sistema respiratorio
• Quantità di ossigeno veicolata al sistema cardiocircolatorio
• Quantità di ossigeno consumata dai sistemi metabolici

In condizioni di equilibrio il flusso di ossigeno deve essere uguale in tutti e tre i distretti, per poter fronteggiare adeguatamente le richieste metaboliche dell’intero organismo.

Funzione respiratoria

Per far entrare l’aria all’interno del polmone bisogna generare una differenza di pressione, espandendo i polmoni, grazie all’azione dei muscoli respiratori che vincono l’elasticità dei polmoni. Un aiuto viene dato anche dai muscoli intercostali posizionati tra una costa e l’altra.

NB. È possibile verificare la quantità di aria che i nostri polmoni sono in grado di “respirare” effettuando una spirometria.

I polmoni sono sigillati all’interno della gabbia toracica grazie alla pleura, che consente al polmone di rimanere unito alla parete osteo-muscolare. Se la pleura si rompe, l’aria entra nello spazio pleurico e il polmone collassa. Un polmone collassato non è più in grado di distendersi e quindi di permettere la respirazione. I muscoli respiratori, oltre a permettere l’espansione dei polmoni, servono anche a consentire di vincere la resistenza delle vie aeree al passaggio dell’aria. Questa resistenza è tanto più alta quanto è forte il flusso.

Quando un muscolo lavora compie una certa quantità di lavoro e assorbe una certa quantità di energia: maggiore è la ventilazione polmonare, maggiore sarà la potenza richiesta e maggiore sarà la richiesta di ossigeno dei muscoli respiratori. Alterazioni meccaniche della struttura polmonare possono portare a un grave deficit della pompa respiratoria e si ha quindi un’insufficienza respiratoria, interferendo con il processo di trasferimento dell’ossigeno all’interno dell’organismo. Ad esempio, nel caso di enfisema, il sistema respiratorio va in crisi, perché la ventilazione polmonare si riduce drasticamente e i muscoli lavorano maggiormente, richiedendo maggiori quantità di ossigeno che però non sono presenti nell’organismo.

Scambio gassoso e trasferimento nel sangue

L’aria all’interno degli alveoli deve passare nel sangue. Per fare questo passaggio è necessaria una forza di spinta che consenta di oltrepassare la barriera aria-sangue. Una volta che l’ossigeno è nel sangue deve poi legarsi ad esso. L’aria che noi respiriamo è una miscela di gas in cui è presente azoto, ossigeno, anidride carbonica e altri gas in traccia. Ogni gas in una miscela esercita una pressione proporzionale alla propria concentrazione, indipendentemente alla presenza di altri gas. La pressione di ogni gas è chiamata pressione o tensione parziale. La pressione totale della miscela è la somma delle pressioni parziali dei gas presenti. Più ci si alza dal livello del mare e più la pressione cala.

NB. Il trasferimento di ossigeno dall’atmosfera al mitocondrio avviene secondo un gradiente di pressione. Il flusso di un certo gas è proporzionale alla superficie della barriera di diffusione. Più è grande la superficie e più il gas passa e per questo motivo la superficie alveolare è molto ampia. Il flusso di gas è inversamente proporzionale allo spessore della membrana e per questo motivo gli alveoli hanno uno spessore molto sottile. Se si ha un accumulo di liquido all’interno dell’alveolo, aumenta la barriera del capillare e si avranno delle difficoltà a far passare l’ossigeno. Questo porta a una bassa saturazione del sangue.

Il flusso di un gas è direttamente proporzionale alla differenza di pressione parziale che c’è ai due lati della membrana e per questo motivo passerà dalla zona con concentrazione maggiore, alla zona con concentrazione minore. L’ossigeno ha una pressione di 100mmHg negli alveoli, non 150mmHg come nell’ambiente esterno perché ad ogni respiro non viene completamente svuotato e riempito il polmone ma rimane sempre un po’ di aria “vecchia” all’interno, che abbassa un po’ la pressione. Nel sangue venoso la pressione di ossigeno è di 40mmHg e questo fa sì che l’ossigeno entri all’interno del sangue secondo gradiente di pressione. Lo stesso ragionamento può essere fatto con l’anidride carbonica, ma in senso opposto, ovvero la pressione di anidride carbonica è più elevata nel sangue venoso e più bassa negli alveoli e per questo motivo esce dal sangue ed entra negli alveoli, dove poi verrà eliminata con la respirazione.

Dopo che l’ossigeno ha passato la barriera si lega all’emoglobina contenuta nei globuli rossi. Essa è una proteina formata da delle subunità, dove all’interno ci sono dei gruppi eme, che sono molecole ferrose che hanno una forte affinità con l’ossigeno. Da qui l’ossigeno viene trasportato nel flusso ematico. L’affinità dei siti dell’emoglobina per l’ossigeno non è costante, ovvero varia a secondo della pressione parziale dell’ossigeno. A 100mmHg, ovvero nel capillare, l’emoglobina è altamente satura, invece quando scende la pressione l’emoglobina si desatura leggermente. Quando la pressione scende di molto l’emoglobina si desatura completamente e rilascia ossigeno. Questa desaturazione avviene a livello dei tessuti. L’ossigeno una volta rilasciato, grazie alla bassa pressione che c’è nei tessuti, entra all’interno di essi. L’affinità tra ossigeno ed emoglobina varia anche a secondo del tipo di emoglobina, come per esempio l’emoglobina di un feto ha un’affinità molto elevata rispetto all’emoglobina della madre.

Alterazioni di questa barriera possono portare a un grave deficit degli scambi gassosi interferendo con il processo di trasferimento di ossigeno all’interno dell’organismo. Un esempio è il monossido di carbonio che si lega in modo irreversibile all’emoglobina impedendo all’ossigeno di legarsi ad essa e portando alla morte per soffocamento l’individuo.

Controllo della ventilazione

In base alle necessità dell’organismo, la pompa respiratoria deve regolare la propria attività. Per far sì che ciò avvenga, all’interno del nostro corpo sono presenti dei recettori che monitorano la pressione parziale dell’ossigeno, dell’anidride carbonica e anche il pH dell’organismo. Questi recettori inviano dei segnali al sistema nervoso centrale, che elabora una risposta e la invia ai muscoli respiratori, che di conseguenza variano la loro attività.

I sensori sono chiamati chemocettori e si suddividono in centrale e periferici. Quest’ultimi sono localizzati a livello del glomo carotideo e del glomo aortico, che sono i punti centrali in cui il sangue arriva al cervello ed esce dall’aorta. I chemorecettori centrali si trovano invece a contatto con il liquido cefalo-rachidiano e con la superficie del ventricolo. Il sangue attiva questi recettori, che sono sensibili alla pressione parziale del sangue, alla pressione della CO₂ e al valore del pH, che a loro volta inviano dei segnali ai centri respiratori presenti in varie parti del cervello. Questi segnali si integrano con altre informazioni, che possono provenire dalla contrazione dei muscoli, dalla distensione del polmone e anche da situazioni emozionali, ed il tutto viene elaborato nel cervello. Per questo motivo si dice che il regolatore del ritmo respiratorio non è immutabile, ma può variare in base ai segnali che riceve e di conseguenza mutare le sue attività.

Infine la risposta viene inviata ai muscoli respiratori mediante i neuroni che innervano tali muscoli, i quali agiscono di conseguenza regolando la respirazione. Ad esempio se si verifica un aumento della pressione di CO₂, il nostro organismo reagisce così:

• L’aumento provoca l’abbassamento del pH nel liquido cerebro-spinale
• Vengono stimolati prima i recettori centrali e di conseguenza anche i recettori periferici
• Le informazioni vengono inviate ai centri respiratori nel cervello, che elaborano delle risposte
• Le risposte vengono inviate tramite il sistema nervoso ai muscoli respiratori, che aumentano il ritmo respiratorio
• L’aumento della respirazione fa calare la pressione di CO₂ e di conseguenza i recettori si spengono e le risposte cessano

I meccanismi di controllo respiratorio mantengono un livello di attività della pompa respiratoria adeguato al processo di trasferimento di O₂, corrispondente alle richieste dell’intero organismo.

Funzione cardiocircolatoria

L’ossigeno è all’interno del sangue, legato all’emoglobina, e ora bisogna fare in modo che raggiunga tutto il corpo. Per muovere il sangue bisogna generare un flusso e per creare un flusso serve generare una differenza di pressione. Quest’ultima può essere creata attivando una pompa, che in questo caso è il cuore.

Struttura e attivazione della pompa cardiaca

Dai polmoni, il sangue ossigenato giunge all’atrio sinistro, passa nel ventricolo sinistro e tramite l’aorta viene pompato in tutto il corpo. Il sangue deossigenato viene poi raccolto nel ventricolo destro, spinto nell’atrio destro ed infine grazie all’arteria polmonare giunge nei polmoni dove perde la CO₂ e si carica di O₂. Il cuore è un muscolo composto da quattro cavità, due atri e due ventricoli, divisi tra loro da delle valvole. Il ventricolo sinistro, quello che pompa il sangue ossigenato all’interno dell’aorta, svolge la funzione “più importante” e per questo motivo ha uno spessore muscolare maggiore rispetto al resto del cuore.

Il movimento del cuore si può distinguere in due fasi cardiache:

• Diastole: atri e ventricoli si rilassano e si riempiono di sangue
• Sistole: atri e ventricoli si contraggono e il sangue viene pompato nell’aorta o nelle arterie polmonari

Ma come si genera la contrazione?

Alcune membrane cellulari hanno la caratteristica di essere eccitabili, ovvero hanno un’attività elettrica variabile. Le membrane sono semipermeabili e per questo motivo si ha una diversa concentrazione di molecole sui due lati della membrana e questo va a generare un potenziale di membrana. All’interno della membrana sono inoltre presenti delle proteine che vanno a formare dei canali, generalmente chiusi, all’interno dei quali possono passare degli ioni. I principali ioni sono:

• Sodio: più concentrato all’esterno della cellula, che all’interno
• Cloro: più concentrato all’esterno della cellula, che all’interno
• Potassio: più concentrato all’interno della cellula, che all’esterno

NB. Esistono delle pompe di membrana che mantengono queste concentrazioni costanti espellendo il sodio e pompando all’interno il potassio, grazie all’uso di ATP. Questa particolare pompa prende il nome di pompa sodio-potassio.

NB. La differenza di potenziale di una cellula in situazione normale è di -90/-70 mV e il polo negativo si trova all’interno, mentre il polo positivo è all’esterno. Nelle cellule eccitabili, in risposta ad un certo stimolo, i canali proteici si aprono e fanno entrare il sodio all’interno della cellula. Successivamente si aprono anche i canali per il potassio e il potassio esce dalla cellula. In questo modo si ha uno spostamento di cariche che provoca una variazione del potenziale di membrana che diventa pari a +20 mV. Questa variazione è transitoria, di passaggio, e quindi si sposta lungo la membrana con un’onda. Questa onda si chiama potenziale di azione ed è il fenomeno elettrico che permette di eccitare i tessuti eccitabili come il tessuto nervoso e il tessuto muscolare. La caratteristica principale del potenziale di azione è che sono tutti uguali, indipendente dalla cellula in cui si verificano.

Nelle cellule del tessuto cardiaco, tra un potenziale di azione ed un altro, non si verifica una stabilizzazione ma la membrana va verso una depolarizzazione. Quando si arriva ad un valore soglia in automatico si riaprono i canali e quindi si genera un nuovo potenziale di azione. Si può quindi dire che all’interno delle cellule cardiache i potenziali di azione si generano in modo automatico. Il potenziale di azione nel cuore si chiama potenziale di pace maker e determina la frequenza del battito cardiaco.

NB. Questo processo parte dal nodo seno-atriale e dal nodo ventricolo-atriale e poi si espande a tutto il cuore. Queste zone sono controllate dal sistema nervoso autonomo, ovvero dai nervi simpatici e parasimpatici. L’attività elettrica è legata all’attività meccanica di un muscolo, perché un muscolo elettricamente stimolato sviluppa una certa forza. Andando ad analizzare in un grafico i due fenomeni si vede che il fenomeno elettrico precede sempre il fenomeno meccanico.

L’unità funzionale del muscolo cardiaco si chiama sarcomero. Il sarcomero è composto da due tipi di filamenti: actina e miosina. I filamenti di actina sono ancorati a delle impalcature che prendono il nome di linee Z, mentre la zona in cui i due filamenti sono sovrapposti l’uno sull’altro prende il nome di banda A. Inoltre i filamenti di actina sono composti da altre proteine, che sono la troponina e la tropomiosina. Quando arriva un potenziale di azione proveniente dalle cellule di pace maker, si ha una variazione delle concentrazioni di calcio che è contenuto all’interno del reticolo sarcoplasmatico. Gli ioni calcio vengono rilasciati e si diffondono sui filamenti, andando a cambiare la struttura della troponina e della tropomiosina. Questo cambio di struttura scopre un sito chimico di legame tra la testa della miosina e l’actina, le quali si uniscono utilizzando ATP. Questi cambiamenti provocano uno scivolamento dei due filamenti, che ripetuto in serie genera la contrazione muscolare. La contrazione muscolare genera la forza vera e propria del muscolo. Il muscolo cardiaco sviluppa il massimo della sua forza ad una lunghezza ottimale, che è data dal volume del ventricolo, ovvero più è pieno il ventricolo e maggiore sarà la forza di spinta del cuore.

Durante la contrazione del cuore possiamo analizzare diverse fasi:

• Diastole atriale, con ingresso del sangue negli atrii
• Sistole atriale, con il muscolo atriale che si contrae e spinge il sangue nei ventricoli
• Una serie di valvole si chiude e i muscoli ventricolari si contraggono, ma senza accorciamento
• Ad un certo punto le valvole si aprono, il muscolo ventricolare si accorcia ed il sangue viene espulso dal cuore

Come già detto, per permettere al sangue di circolare, il cuore deve generare una pressione. All’uscita dell’aorta la pressione sanguigna è intorno agli 80-120 mmHg, mentre all’arrivo della vena cava si riduce fino a 2-6 mmHg e grazie a ciò il sangue può circolare nel nostro corpo. A questo punto la parte destra del cuore innalza la pressione fino a 15-20 mmHg per permettere al sangue di raggiungere i polmoni, dai quali fuoriesce ad una pressione inferiore, di 12-14 mmHg. Infine la parte sinistra del cuore rialzerà la pressione, per permettere al sangue di riprendere il circolo nell’organismo.

NB. Una pressione elevata nel circolo sanguigno porta ad un elevato lavoro cardiaco, con conseguente affaticamento del cuore. La gittata cardiaca è il volume di sangue emesso dal cuore ad ogni pompata, moltiplicato per la frequenza cardiaca, ovvero il numero di battiti in un minuto. La gittata cardiaca della parte destra del cuore e la gittata cardiaca della parte sinistra del cuore devono essere uguali.