Fisiologia completa e schematica

Fisiologia umana

Organismo vivente

Un organismo vivente è un'entità soggetta alle leggi del mondo fisico e al controllo da parte dei sistemi che esprimono l'informazione in esso contenuta, informazione codificata primariamente nel genoma e nel materiale genetico presente negli organuli cellulari. Tale informazione, come descritto dalla genetica, viene ereditata dagli organismi discendenti.

Caratteristiche comuni degli organismi viventi

• Evoluzione: Evolve, risultando imparentato con tutti gli altri organismi viventi.
• Ordine: Risulta strutturato.
• Codifica: Contiene al proprio interno l'informazione e le istruzioni che controllano e definiscono la sua struttura e funzione.
• Regolazione: Risulta in grado di mantenere autonomamente l'omeostasi.
• Crescita e sviluppo: Risulta autonomamente in grado di accrescersi.
• Energia: Rappresenta un sistema termodinamico aperto, in grado di assimilare energia, incamerarla, trasformarla, e cederla all'ambiente.
• Irritabilità, Sensibilità o Motilità: Risulta autonomamente in grado di rispondere agli stimoli esterni.
• Capacità di riprodursi: In grado di dare origine a prole fertile la quale darà origine ad organismi simili all'adulto.
• Capacità evolutiva: Può variare il proprio genotipo e fenotipo, dando origine a strutture anatomiche, vie fisiologiche e combinazioni genomiche nuove, mai comparse in precedenza all'interno della linea filogenetica o già comparse all'interno di linee filogenetiche precedentemente separate (convergenza evolutiva).

Ambiente interno e omeostasi

In un organismo pluricellulare le cellule vivono in un ambiente interno acquoso, essenziale per assorbire sostanze nutrienti e per eliminare prodotti di rifiuto. Per questa ragione la cellula deve contribuire a mantenere costante la composizione fisico-chimica di questo ambiente interno acquoso. Si parla così di omeostasi.

I sistemi organici che contribuiscono all'omeostasi sono 11:

1. Sistema circolatorio: trasporta O₂ e CO₂, prodotti di rifiuto, elettroliti ed ormoni.
2. Sistema digerente: demolisce il cibo assunto in piccole molecole nutrienti che saranno assorbite dal plasma, trasporta acqua ed elettroliti dall'ambiente esterno a quello interno.
3. Sistema respiratorio: assume O₂ ed elimina la CO₂.
4. Sistema urinario: regola il volume, la composizione elettrolitica ed il pH, rimuove dal plasma i prodotti di rifiuto.
5. Sistema scheletrico: fornisce sostegno e protezione ai tessuti ed agli organi molli.
6. Sistema muscolare.
7. Sistema tegumentario: composto dalla pelle, funge da barriera protettiva esterna.
8. Sistema immunitario.
9. Sistema nervoso: regola le reazioni rapide del corpo, la coscienza, la memoria, la creatività.
10. Sistema endocrino: produce ormoni essenziali per l'attività metabolica e l'equilibrio idrico/elettrolitico.
11. Sistema riproduttivo.

Omeostasi e regolazione

L'omeostasi risale a un concetto introdotto nel XIX sec. da C. Bernard, secondo cui la vita richiede la costanza delle condizioni dell'ambiente corporeo interno; con questo termine s'intende, quindi, la capacità degli organismi animali di mantenere costanti, almeno entro un certo livello, molti parametri chimico-fisici dei propri organi (per es. la temperatura corporea, i livelli di ossigeno e di anidride carbonica, il pH del sangue).

Spesso lo scostamento di un parametro da un valore di riferimento può essere il segnale di una situazione anomala. L'omeostasi richiede che eventuali variazioni dei parametri interni vengano prontamente rilevate e che siano eseguite azioni compensatorie.

Meccanismi di regolazione dell'omeostasi

I meccanismi che entrano in azione quando si deve riportare al valore di riposo un parametro alterato obbediscono, anche in molti sistemi artificiali, alla retroazione negativa, molto diffusa negli organismi viventi, o alla retroazione positiva, più rara nei sistemi fisiologici. I sistemi di regolazione dell'omeostasi possono essere intrinseci, cioè meccanismi propri di ogni organo, ma soprattutto estrinseci, cioè meccanismi di regolazione iniziati all'esterno di un organo per variarne la sua attività.

Retroazione e prereazione

Per stabilizzare il parametro fisiologico ad un livello ottimale, i sistemi di regolazione agiscono in due modi:

1. Retroazione (o Feedback): con una reazione effettuata dopo che una variazione è avvenuta.
2. Prereazione (o feedforward): con una reazione effettuata prima che la variazione avvenga.

Retroazione negativa

La variazione di un parametro regolato omeostaticamente determina una reazione da parte dei sistemi di controllo che tende a ricondurre quel parametro alla norma, facendolo variare nel verso opposto alla variazione iniziale. In pratica, un correttivo che si oppone alla deviazione iniziale. Un esempio di retroazione negativa da parte dei sistemi di controllo avviene quando si riduce la temperatura corporea sotto il livello ottimale. Le cellule nervose deputate al monitoraggio della temperatura corporea inviano segnali al centro termoregolatore situato nell'ipotalamo che risponde con reazioni come contrazioni muscolari e brividi per generare energia e calore e riportare quindi la temperatura al livello ottimale. Viceversa, l'aumento della temperatura corporea genera altre reazioni come la sudorazione che permette la riduzione della temperatura.

Retroazione positiva

Nella retroazione positiva, l'effetto prodotto da un disturbo iniziale agisce retroattivamente in modo da potenziare l'azione del disturbo sistema autorigenerativo autocatalitico (o), come avviene ad es. nelle reazioni chimiche esplosive, nel potenziale d'azione degli impulsi nervosi, o nella rete di segnali endocrini che portano all'ovulazione nelle femmine.

Prereazione (o Feedforward o Regolazione anticipata)

La controparte dell'omeostasi è la plasticità, cioè la capacità delle funzioni biologiche di modificarsi in seguito a particolari stimoli ambientali, e a perdurare dopo la loro cessazione. La plasticità implica apprendimento e rappresenta la base della capacità degli organismi di ricordare e adattarsi alle modifiche ambientali. Casi di plasticità si riscontrano nei fenomeni di modificazione della massa muscolare e delle funzioni cardiovascolari e respiratorie con l'esercizio, di modifiche persistenti dei circuiti neuronali (plasticità sinaptica) con l'acquisizione di informazioni sulla struttura dell'ambiente esterno, nel riconoscimento degli antigeni da parte del sistema immunitario (competenza immunitaria), nella modifica della sintesi enzimatica per metabolizzare l'etanolo da parte delle cellule del fegato. Quando s'instaura plasticità, il sistema set-point coinvolto stabilisce un nuovo al quale l'omeostasi tenterà di ricondurre le nuove condizioni di equilibrio.

La plasticità ha basi molecolari ben definite, fondate sulla regolazione di funzioni delle proteine. Le modifiche plastiche operano su scale temporali differenti, e inoltre, in certi casi, la memoria può essere reinvertita e il meccanismo, a rigore, non dovrebbe essere annoverato tra le forme di plasticità. La plasticità consente agli organismi viventi di modificarsi in funzione delle informazioni ricevute dall'ambiente; l'acquisizione di informazioni consente ad alcuni sistemi di prevedere gli effetti del loro stesso intervento. Si parla di regolazione anticipativa (feedforward) quando il sistema di controllo conosce la dinamica temporale di un processo, ne ha una rappresentazione interna sotto forma di memoria e la utilizza per anticipare l'evoluzione del processo stesso, applicando i segnali di correzione prima di conoscere l'output del processo stesso. Questo meccanismo è ampiamente impiegato dai sistemi di controllo dinamico datati di memoria, in particolare il sistema nervoso (vedi generazione del movimento volontario). Una condizione simile si verifica nell'ansia, in cui modifiche del sistema cardiovascolare e respiratorio, dell'assetto neurotrasmettitoriale e ormonale, e l'innesco di specifici moduli di comportamento anticipano l'avvento di un pericolo reale o figurato.

Fisiologia cellulare

Le cellule sono le unità costitutive viventi di un organismo. Come l'intero organismo, le cellule sono altamente specializzate. I diversi tipi di cellule hanno molte caratteristiche in comune: sono costituite da tre parti principali:

1. La membrana plasmatica, che delimita la cellula.
2. Il nucleo, che contiene il materiale genetico della cellula.
3. Il citoplasma, la parte interna della cellula non occupata dal nucleo.

Membrana plasmatica (o cellulare)

È una struttura membranosa sottilissima che delimita la cellula. Presenta una doppia barriera lipidica che separa il contenuto della cellula dall'ambiente circostante, impedendo che il liquido intracellulare (LIC) si mescoli al liquido extracellulare (LEC). La membrana plasmatica non è solo una barriera meccanica per trattenere il contenuto della cellula, ma ha anche la capacità di regolare selettivamente il movimento di molecole tra il LIC ed il LEC.

Nucleo

Il nucleo si presenta come una struttura distinta di forma sferoidale o ovoidale localizzata nel centro della cellula. È separata dal resto della cellula da un doppio strato membranoso, la membrana nucleare, nella quale sono presenti numerosi pori nucleari che permettono il traffico tra nucleo e citoplasma. Il nucleo contiene il materiale genetico cellulare, il DNA, acido desossiribonucleico, che ha due funzioni:

• Dirige la sintesi proteica.
• Funge da programma durante la replicazione cellulare.

Il DNA fornisce codici o istruzioni per dirigere la sintesi di specifiche proteine strutturali ed enzimatiche entro la cellula. Il nucleo così governa indirettamente la maggior parte delle attività della cellula, fungendo da centro di controllo cellulare.

Nella sintesi proteica intervengono tre tipi di acido ribonucleico (RNA): prima il codice genetico del DNA per una determinata proteina viene trascritto in una molecola di RNA messaggero (mRNA) che esce dal nucleo attraverso i pori nucleari.

1. All'interno del citoplasma l'mRNA trasmette il messaggio codificato ai ribosomi (rRNA) che ne leggono il codice e lo traducono nella sequenza amminoacidica appropriata per la sintesi proteica indicata.
2. Infine l'RNA di trasporto (tRNA) trasferisce, nel citoplasma, gli amminoacidi appropriati al sito a cui sono destinati nella proteina in costruzione.

Oltre a fornire i codici per la sintesi proteica, il DNA funge anche da programma genetico durante la replicazione cellulare per assicurare che la cellula produca altre cellule identiche a se stessa, continuando così l'identico tipo di linea cellulare nell'organismo.

Citoplasma

Il citoplasma è la parte interna della cellula non occupata dal nucleo. Contiene numerose strutture distinte, altamente specializzate, delimitate da una membrana, chiamate organelli (o organuli), disperse nel citosol, un liquido gelatinoso complesso. Questi organelli occupano in media la metà del volume cellulare totale. Ogni organello è un compartimento separato entro la cellula ed è delimitato da una membrana simile a quella plasmatica, separato quindi anche dal citosol e dal contenuto di altri organelli. Quasi tutte le cellule contengono sei tipi principali di organelli: il reticolo endoplasmatico, l'apparato o complesso di Golgi, i lisosomi, i perossisomi, i mitocondri, le vault.

Ogni organello contiene specifiche sostanze chimiche per svolgere una particolare funzione cellulare. Questa suddivisione è importante perché permette che all'interno della cellula si svolgano attività chimiche che sarebbero incompatibili tra loro. Ad esempio, gli enzimi che distruggono le proteine indesiderate lo fanno entro i confini protettivi dei lisosomi senza distruggere proteine cellulari essenziali. La porzione di citoplasma non occupata dagli organelli è costituita dal citosol, una massa semiliquida gelatinosa pervasa da una rete proteica elaborata, chiamata citoscheletro. La rete citoscheletrica conferisce alla cellula la sua forma, provvede alla sua organizzazione interna e ne regola i vari movimenti.

Trasporto di membrana

La sopravvivenza di ogni cellula dipende dal mantenimento del contenuto intracellulare tipico di quel tipo di cellula, nonostante sia molto diversa la composizione con il liquido extracellulare. Questa differenza tra il liquido intra ed extra cellulare viene mantenuta dalla membrana plasmatica, uno strato sottile di lipidi e proteine che forma il confine di ogni cellula e ne delimita il contenuto. Altre funzioni della membrana plasmatica sono:

• Svolge un ruolo attivo nel determinare la composizione del liquido intracellulare, permettendo selettivamente il passaggio di sostanze specifiche tra la cellula e l'ambiente circostante ed eliminando prodotti di secrezione e di rifiuto.
• Mantiene costante la differenza di concentrazione ionica tra l'interno e l'esterno della cellula. Queste differenze sono importanti nell'attività elettrica della membrana plasmatica.
• Svolge un ruolo importante nella capacità della cellula di reagire alle variazioni o ai segnali nell'ambiente della cellula stessa.

Struttura della membrana

La membrana plasmatica di ogni cellula è costituita prevalentemente da lipidi e proteine e piccole quantità di carboidrati. I lipidi più abbondanti sono rappresentati dai fosfolipidi, costituiti da una testa polare (dotata di carica negativa) e due code di acido grasso (elettricamente neutre). La testa polare è idrofila perché è capace di interagire con molecole di acqua, anche esse polari. L'estremità apolare è idrofoba e non è solubile in acqua. Queste molecole formate da una testa e due code quando entrano in contatto con l'acqua si assemblano per formare un doppio strato lipidico in cui le code idrofobe sono rivolte verso l'interno e le teste idrofile sono in contatto su entrambe le facce con l'acqua.

Questo movimento dei fosfolipidi spiega la fluidità della membrana, anche se il colesterolo contribuisce esso stesso alla sua fluidità impedendo alle catene di acidi grassi di aggregarsi e cristallizzare, fenomeno che porterebbe proprio ad una riduzione della capacità di movimento della membrana. Le proteine di membrana sono attaccate al doppio strato lipidico. La fluidità del doppio strato permette a molte proteine di membrana di galleggiare liberamente su di esso. Questo modello di struttura viene chiamato modello a mosaico fluido. Infine, una piccola quantità di carboidrati di membrana è localizzata sulla superficie esterna, sporgendo da essa, legati principalmente alle proteine ed in misura minore ai lipidi. Queste combinazioni di proteine o lipidi con i carboidrati costituiscono le glicoproteine ed i glicolipidi. Questa struttura spiega l'aspetto trilaminare della membrana plasmatica.

Funzioni del doppio strato lipidico

• Rappresentano la struttura fondamentale della membrana.
• L'interno idrofobo funge da barriera al passaggio di sostanze idrosolubili tra il LIC ed il LEC, mantenendo così differenti miscele e concentrazioni di soluti tra i due compartimenti.
• Determina la fluidità della membrana.

Funzioni delle proteine di membrana

• Alcune proteine formano vie o canali che attraversano il doppio strato lipidico della membrana da parte a parte. Questi canali sono altamente selettivi, ed il loro piccolo diametro impedisce il passaggio di particelle di diametro superiore a 0,8 nm (nanometri), cosicché soltanto i piccoli ioni sono capaci di attraversarli. Inoltre un determinato canale attrae o respinge selettivamente un determinato ione e solo quello (canali del sodio e canali del potassio).
• Altre proteine trans-membrana fungono da trasportatori che trasferiscono attraverso la membrana sostanze che altrimenti non sarebbero capaci di farlo sole. Anche questi trasportatori sono altamente selettivi verso una molecola rispetto ad un'altra.
• Altre proteine, poste sulla superficie interna della membrana, fungono da accettori per i marcatori di ancoraggio con quelli delle vescicole secretorie.
• Altre proteine, localizzate sulla superficie della membrana, fungono da enzimi legati alla membrana per la regolazione di reazioni chimiche specifiche che avvengono proprio sulla superficie, sia interna che esterna, della membrana. Per esempio lo strato esterno della membrana plasmatica delle cellule muscolari scheletriche contiene un enzima che distrugge il messaggio chimico che induce la contrazione, rilasciando così il muscolo.
• Molte proteine, localizzate sulla superficie esterna della membrana, fungono da recettori specifici per determinate molecole e si legano ad esse e solo ad esse. Ad esempio soltanto le cellule tiroidee sono in grado di legarsi all'ormone tireotropo prodotto dalla adenoipofisi per stimolare la produzione dell'ormone tiroideo.
• Altre proteine fungono da molecole di adesione cellulare (CAM), sporgendo dalla superficie esterna della membrana plasmatica a formare anse o uncini che le cellule usano per afferrare le fibre di tessuto connettivo.

Funzioni dei carboidrati

• Le corte catene di carboidrati sulla superficie esterna della membrana plasmatica fungono da marcatori di autoidentificazione che permettono alle cellule di riconoscersi e interagire. Le cellule sono capaci di riconoscere le altre dello stesso tipo e di unirsi a formare tessuti.
• I marcatori di superficie contenuti nei carboidrati intervengono...