Fisiologia Comparata

Fisiologia comparata

Date esami flessibili: si può fissare con il professore. Il termine “Fisiologia” significa studio della natura o meglio ancora “discorso” sulla natura. Modernamente ha preso il significato di “studio scientifico della natura”. Ora il termine ha assunto una accezione più olistica in campo biologico: Fisiologia: studio delle funzioni vitali degli organismi viventi ai vari livelli di organizzazione (molecolare, cellulare, tissutale, di organo e di sistema). Ma cosa si intende per “Funzione”? Per funzione si intende quell’insieme di processi che permettono di mantenere in vita un organismo (vivente) e dunque di raggiungere uno scopo definito e utile per l’organismo. La funzione dipende dalla struttura.

Branche della fisiologia

Esistono svariate branche della fisiologia:

• Fisiologia generale: studio delle funzioni in termini di meccanismi generali comuni a tutte le specie animali o a molte di esse, come per esempio il potenziale di membrana, il potenziale di azione; il principio di funzionamento è più o meno il solito, ma cambiano i valori dei parametri.
• Fisiologia comparata: studio di come lo stesso problema adattativo è stato risolto in maniera diversa dalle diverse specie: un pesce respira, si muove, mangia, digerisce, si riproduce, in modo similare ad un mammifero ma lo fa in modo differente e quindi si cerca di capire come viene svolta la funzione e cosa cambia. Quindi è una analisi comparativa delle differenze funzionali tra le diverse specie e in particolare dei vantaggi adattativi che portano, per esempio il consumo quantitativo di energia, l’efficienza di digestione, ecc.
• Fisiologia umana: studio delle diverse funzioni nell’uomo.

Quindi implicitamente ci aspettiamo che per mantenere in vita un organismo siano necessarie svariate funzioni e in particolare, man mano che ci abbassiamo di livello nell’organizzazione di un organismo, il numero di funzioni cresce vertiginosamente (basta pensare al numero di funzioni che devono essere svolte contemporaneamente dalla membrana plasmatica, oppure dal DNA, RNA, da una proteina o da una qualsiasi molecola che appartiene all’insieme degli elementi che costituiscono una cellula).

Possiamo quindi studiare la fisiologia sia a livello cellulare oppure molecolare, fino anche a considerare l’organismo intero o intere popolazioni (per esempio potrei essere interessato a capire l’andamento normale della pressione sanguigna o del volume d’aria respirato o della forza media esercitato da un muscolo, ecc). Quindi abbraccia molti livelli e si sovrappone anche ad altre discipline come biologia molecolare poiché è anch’essa in grado di studiare il funzionamento dei tessuti, in che modo? Cercando di capire quali sono gli elementi cellulari che entrano in gioco, per esempio gli elementi proteici di una via di trasduzione del segnale, oppure individuando una particolare espressione di una proteina o quella di un gene, ecc.

Fisiologia comparata – lezione 1

La fisiologia per affrontare i propri studi sulle funzioni degli organismi viventi utilizza principi e tecniche della fisica, della chimica e anche della biologia. Per ciò essa sfrutta tutte le possibili nozioni affinché possa raggiungere il proprio scopo, quindi il confine tra le altre discipline è soltanto a livello nominativo.

Concetti fondamentali

Relazione struttura-funzione: Questo è un concetto fondamentale della fisiologia. La funzione dipende dalla struttura. I processi fisiologici sono il frutto dell’azione di meccanismi basati su strutture fisiche adatte allo scopo. Cioè, il come è fatto un oggetto, quindi la struttura che esso possiede, gli consente di svolgere a suddetto oggetto una determinata funzione, se questa struttura cambia la funzione cambia.

Es: canale del K⁺: esso è una proteina che permette il transito dello ione K⁺ attraverso la membrana (in entrambe le direzioni, quindi sia in entrata che in uscita dalla membrana) e presenta a livello del poro una sequenza di amminoacidi che “simulano” una rete di interazioni simile a quelle che lo ione forma con le molecole di acqua. Questa proteina è fondamentale in quanto la membrana è di per sé una struttura impermeabile agli ioni. La sua presenza fa acquisire alla membrana una certa conduttanza che è fondamentale per il funzionamento della componente elettronica della membrana. Rememorari: il trasporto degli ioni può essere sia attivo che passivo!

La struttura rientra in argomento poiché le proteine possiedono vari livelli di strutture tali che acquisiscono una conformazione tridimensionale (strutture tridimensionali simili potrebbero svolgere funzioni simili o con diversa intensità oppure svolgere funzioni completamente diverse, vedi esempio sulla modifica di un singolo amminoacido nella struttura primaria dell’emoglobina) e in tal modo possono presentare dei legami con altre molecole o ioni. Ciò che accade nel canale del potassio è che la rete di legami-interazioni che si forma attorno allo ione potassio è identica a quella che si forma quando l’acqua circonda lo ione potassio (o che il potassio forma con le molecole di acqua), questo permette allo ione di entrare nel canale e scivolare all’interno fino al citoplasma, grazie appunto alla struttura dello stesso che consente di mimare le interazioni che lo ione instaura con l’acqua e ciò non crea alcun tipo di impedimento chimico-fisico allo ione. Lo ione sodio invece non passa attraverso il canale poiché la rete di legami che forma il canale non è compatibile con quella necessaria al sodio.

Omeostasi: La capacità degli organismi di mantenere una stabilità interna, fisica (temperatura e pressione) e chimica (pH, equilibrio elettrochimico, quantità di sali, ecc). L’omeostasi è quindi la capacità di mantenere costante tutti i parametri fondamentali che consentono la vita all’organismo (e quindi di mantenerlo in vita).

Definizione: Omeostasi: capacità degli organismi di mantenere una relativa stabilità interna. “La costanza dell’ambiente interno è la condizione della vita libera” (Claude Bernard, 1872).

Ma come fanno gli organismi viventi a mantenere costante il loro ambiente interno? L’omeostasi è consentita se (e per ciò esiste) l’organismo è in grado di controllare i parametri dell’ambiente esterno (e anche quello interno) tramite dei meccanismi che prendono il nome di meccanismi a feedback, che possono essere a feedback negativo oppure positivo. Gli organismi sfruttano soprattutto i meccanismi a feedback negativi ma anche talvolta quelli positivi.

Cosa cambia tra i due? Cambia la direzione con cui il meccanismo tende a ristabilire il parametro modificato. Quindi si opera in due direzioni, in un caso se si supera il valore del parametro bisogna tornare indietro (riduzione dell’effetto), se invece è più basso bisogna riportare il valore a quello dell’organismo (amplificazione dell’effetto). Questo sarà possibile se esiste, in primo luogo, un sistema di misura quantitativa o qualitativa della grandezza/parametro di interesse (come un sensore), quindi l’organismo deve essere dotato di un sistema che è in grado di percepire costantemente il parametro, ma non solo, deve essere dotato anche di un sistema di confronto, dunque una sorta di comparatore in grado di determinare un delta (una variazione o differenza quindi) e per ciò stabile se il valore registrato è lontano oppure vicino a quello di riferimento, e di un meccanismo che riporti, di conseguenza, il parametro al valore di riferimento (e questo può avvenire in due direzioni, da valori più alti verso valori più bassi e viceversa).

L’esempio classico è quella della variazione della temperatura interna: è chiaro dunque che se il corpo è surriscaldato entri in gioco un meccanismo di raffreddamento. Però il meccanismo di raffreddamento non lavora sempre alla massima “potenza”, nel senso che esso lavorerà in funzione della variazione della temperatura che concerne in quel momento il corpo dell’organismo, per ciò se la variazione è elevata dobbiamo aspettarci che il meccanismo di raffreddamento lavori alla sua massima capacità per ripristinare il più velocemente possibile il parametro “Temperatura interna” a valori vitali, ma allo stesso tempo la variazione della temperatura si riduce perché è entrato in gioco il meccanismo di raffreddamento, che quindi “diminuirà proporzionalmente la sua potenza” in funzione della variazione che gli è stata comunicata.

Se guardiamo l’argomento dal punto di vista della tipologia di organismi notiamo che:

• Unicellulari: l’omeostasi è garantita solo grazie alla membrana selettivamente permeabile.
• Pluricellulari: l’omeostasi dipende anche da meccanismi di regolazione a feedback (negativo o positivo) o a retroazione e da meccanismi a feed-forward. Nel feedback l’effetto prodotto sul sistema da un disturbo influenza il processo che lo ha generato. Il feedback è negativo se l’azione a ritroso contrasta gli effetti del disturbo, è positivo se li amplifica. Nel feed-forward il sistema è in grado di prevedere gli effetti di una perturbazione, per cui le correzioni vengono applicate in anticipo. In generale il meccanismo a feedback è un sistema ad anello chiuso, mentre quello forward è ad anello aperto. Cosa vuol dire quest’ultimo? Vuol dire che il sistema in qualche modo sa già come ripristinare il parametro a quello di riferimento per dati valori della variazione e quindi non ha bisogno di un controllo continuo del valore del parametro rispetto a quello di riferimento (che è ciò che accade nel feedback). Quello che accade nel feedforward è che praticamente il meccanismo viene azionato nel momento in cui c’è una variazione del parametro ben precisa (per esempio per un valore uguale a 10) e la risolve azionandosi un'unica volta e senza variare l’intensità dell’effetto.

Per esempio: se la variazione di temperatura è 3°C; quello che accade, se il meccanismo ad azionarsi fosse quello forward, è che prima del raggiungimento dei 3°C non succede nulla, ma quando il sistema raggiunge i 3°C si attiva e raffredda il sistema riportandolo il più velocemente possibile al valore di riferimento. Ecco spiegato il motivo per cui prende il nome di “anello aperto”, cioè non c’è alcun tipo di controllo del parametro da quando è stato azionato il feed-forward; questo perché il sistema sa già come si comporta e che valore raggiunge il parametro se gli viene applicato quell’effetto con quella particolare intensità (ed ecco perché viene chiamato anticipazione).

Riassumendo

• Feed-back negativo: tende a stabilizzare la differenza (più ci si allontana dal valore di riferimento, più l'impulso tende a ripristinare il valore di riferimento. Esempio: controllo della pressione arteriosa.
• Feed-forward (anticipazione): sistema in grado di prevenire gli effetti della perturbazione, le correzioni vengono applicate in anticipo. In qualche modo abbiamo tarato il sistema e sappiamo come si comporta. Per esempio potremmo pensare che il nostro sistema di raffreddamento sia in grado di mettersi in moto solo ad un particolare valore della temperatura corporea per contrastare il futuro effetto del surriscaldamento (è come se nel momento in cui il surriscaldamento sta per dare i suoi effetti sul corpo, questo non lo fa perché è già entrato in azione il sistema di raffreddamento che ha riportato tutto in condizioni normali). Potremmo pensarlo come una sorta di meccanismo compensatore che agisce in anticipo per contrastare gli effetti della variabile di disturbo (Temperatura, surriscaldamento, ecc). Il feedforward può essere applicato solo se il sistema è calibrato per compensare la variazione e riportare i valori in condizioni normali, perché se così non fosse il meccanismo a feedforward continuerebbe a contrastare o a favorire la perturbazione, per ciò il sistema deve essere in grado di spegnersi, altrimenti continuerebbe ad applicare il suo effetto.

Tutto ciò può essere formalizzato con uno schema. Vediamo quello del feed-back negativo: Si ha il sistema di controllo, il recettore e il sistema controllato (cioè ciò che deve essere regolato), quindi si imposta un valore di riferimento, si misura tramite un recettore la variabile chimica o fisica (pH, concentrazione di una sostanza, temperatura, ecc), si verifica, e si fa la differenza tra quello impostato come riferito e ciò che si è misurato, la differenza darà un errore oppure niente (vuol dire che la variabile misurata corrisponde a quella di riferimento), se ciò non è così, attraverso la segnalazione dell’errore e successivamente della sua amplificazione (che sarà direttamente proporzionale all’errore, maggior amplificazione se l’errore è elevato) si attiva il meccanismo di ripristino della variabile, che verrà portata al valore impostato di riferimento. Si può apprezzare molto facilmente che il sistema schematizzato è ad anello chiuso e quindi viene sfruttato il loop per monitorare costantemente il parametro e riportarlo di conseguenza al set point. Si può facilmente capire che è un sistema che viene sempre stimolato/attivato in quanto sarà più frequente la segnalazione di un errore piuttosto che la sua assenza e questo diventa ancora più intuitivo se si pensa ad un sistema in grado di misurare anche le più piccole variazioni dal set point; quindi un controllo molto fine e sensibile, praticamente, non smetterà mai di applicare piccole o grandi effetti al sistema controllato (pensa per esempio al pH, è un parametro chimico che viene misurato con una legge logaritmica, per ciò piccole variazioni implicano grandi variazioni di ioni H⁺, il sistema per ciò sarebbe sempre a controllare il contenuto in ioni idrogeno e per la dinamicità che possiede il sistema raramente sarà identico al valore di set point, ma dovranno essere sempre fatte delle modifiche al sistema affinché il valore del pH nel tempo sia con maggiore frequenza uguale a quello del set point oppure la sua media per un dato intervallo di tempo). Altro esempio è il controllo della pressione, quindi sono necessari recettori che misurano la pressione arteriosa, si chiamano bar-recettori, i quali mandano segnali al SNC, [ora tale variabile è molto importante e quindi c’è più di un sensore nel corpo, tutte le informazioni, che contribuiscono a dare una misura, derivano da questi sensori e arrivano al SNC il quale le integra], queste vengono integrate rispetto al set point o riferimento e viene fuori il delta che comunica se siamo fuori range o dentro il range agli effettori e quindi ad applicare o meno più pressione o meno pressione da parte del cuore.

Plasticità: capacità delle funzioni biologiche di modificarsi in maniera permanente (o temporaneamente – modifiche transitorie) in risposta alle mutate condizioni ambientali (esempi: acclimatazione all’altitudine, plasticità sinaptica, competenza immunitaria). Queste modifiche non implicano cambiamenti del genoma e non sono trasmesse alle generazioni successive, ma sono espressione della plasticità del fenotipo dell’organismo. Il concetto di plasticità deve essere distinto dal concetto di adattamento, con il quale si identifica il processo mediante cui la selezione naturale, nell’ambito di una popolazione, in un particolare ambiente, modifica la frequenza di geni codificanti caratteri che massimizzano la sopravvivenza e la riproduzione degli individui. Plasticità = capacità delle funzioni biologiche di adattarsi in funzione delle mutate condizioni ambientali. È un altro concetto fondamentale. Non prevede mutazioni geniche, quindi tali modifiche non vengono ereditate dalla prole. Quindi un organismo ha bisogno di questi 3 elementi in quanto interagisce con l’ambiente e quest’ultimo tende ad allontanare i parametri fisici e chimici dell’ambiente interno dell’organismo.

Risposte degli organismi ai cambiamenti ambientali

La maggior parte degli organismi deve interagire con l’ambiente, alcuni non devono interagire, ma la maggiore parte sì, perché l’ambiente è in continuo mutamento, cambiamento di temperatura, di luce, di salinità, disponibilità di acqua, ecc, quindi l’organismo si deve adattare alla variazione di questi parametri.

Cosa vuol dire adattamento? È una parola ambigua, poiché ne esistono di vario tipo, in certi contesti è meglio parlare di plasticità o acclimatazione, quindi quando l’organismo è capace di vivere in condizioni ambientali diverse dalle sue ottimali oppure si adatta al variare delle condizioni ambientali, grazie appunto al fenomeno della plasticità. Queste però sono variazioni transitorie e quindi non vanno ad influire sul genotipo dell’organismo (ecco perché non sempre si può parlare di adattamento).