Fisiologia generale

Fisiologia

La fisiologia è lo studio delle funzioni degli organismi viventi ai vari livelli di organizzazione (molecolare, cellulare, tissutale, di organo e di sistema). Il termine fisiologia indica un discorso sulla natura. Ma dallo studio della natura si sono distaccate varie discipline e con fisiologia ora si intende lo studio delle funzioni degli organismi viventi. Quindi la funzione è l’insieme dei processi che permettono di mantenere in vita un organismo. Della fisiologia abbiamo avuto diverse specializzazioni.

• Fisiologia generale: Studio delle funzioni in termini di meccanismi generali comuni a tutte le specie animali o a molte di esse.
• Fisiologia comparata: Studio di come lo stesso problema adattativo è stato risolto in maniera diversa dalle diverse specie.
• Fisiologia umana: Studio delle diverse funzioni nell’uomo.
• Fisiologia molecolare: Studio delle funzioni a livello molecolare.

Relazione struttura-funzione

La funzione è l’insieme dei processi che consentono il raggiungimento di uno scopo definito e utile per l’organismo. Essa dipende dalla struttura. Con relazione fra struttura e funzione si intende che la funzione svolta da un determinato organo, molecola, cellula ecc. dipende dalla sua struttura ed essi sono strettamente connessi l’uno all’altro. Semplicemente studiando la struttura si può fare ipotesi su come la funzione di quell’ipotetica cellula, organo ecc. venga svolta.

I processi fisiologici sono il frutto dell’azione di meccanismi basati su strutture fisiche adatte allo scopo.

Esempio a livello molecolare

Le membrane sono costituite da una matrice fosfolipidica impermeabile alle particelle cariche. Un ione non può attraversare liberamente la membrana in quanto essa presenta un ambiente idrofobico. Se si volesse però misurare i flussi di sostanze attraverso la membrana si vede che gli ioni sono in grado di oltrepassarla grazie a canali che mettono in comunicazione l’ambiente intracellulare con l’ambiente extracellulare. I canali molto spesso hanno un'alta specificità e di conseguenza non tutti gli ioni li oltrepassano. Per questo abbiamo diversi canali tra cui il canale del potassio. Esso rappresenta una proteina ed è selettivo per il potassio (passa esclusivamente il K⁺) che lo può attraversare teoricamente in tutte le direzioni. Il canale del K⁺ presenta in corrispondenza del poro una sequenza di amminoacidi che ricostruisce intorno allo ione una rete di interazioni simile a quella che lo ione K⁺ forma con le molecole di H₂O. Questo è un esempio di come la struttura di una specifica porzione di una proteina si collega ad una funzione fondamentale: la permeabilità ionica delle membrane cellulari.

Il sodio (Na⁺) al contrario non riesce ad oltrepassare il canale del potassio seppur essendo più piccolo dovrebbe passarvi più facilmente, perciò bisogna tenere conto degli ioni in soluzione. Se gli ioni sono solvatati significa che sono ricoperti da molecole d’acqua perciò la carica dello ione (positiva) attrae i dipoli delle molecole d’acqua che si dispongono secondo una geometria particolare. Lo ione sodio (Na⁺) è uno ione anch’esso carico positivamente ed ha una dimensione più piccola dello ione potassio (K⁺), di conseguenza la densità di carica sullo ione sodio è più grande rispetto a quella dello ione potassio perché la stessa carica si dispone su una superficie più piccola, di conseguenza il rapporto presenta un valore più grande. Nel caso di una distribuzione uniforme, la densità superficiale di carica indica il rapporto tra la carica (Q) distribuita su una superficie qualsiasi e l'area (S) della superficie stessa. Ciò fa sì che il reticolo formato dai dipoli acquosi disposti intorno al sodio sia diverso geometricamente rispetto a quello disposto attorno agli ioni potassio. Gli ioni di conseguenza per attraversare i canali devono essere desolvatati.

“Come mai il sodio essendo più piccolo però non passa dal canale del K⁺?” Perché gli ioni Na⁺ per entrare nel canale devono essere privati dell’anello di solvatazione, questo succede perché l’apertura interna del canale è formata da amminoacidi acidi (carichi negativamente) che hanno una disposizione tridimensionale nel canale che riproduce il reticolo formato dai dipoli acquosi, cioè riproducono la struttura tridimensionale dell’anello di solvatazione, di conseguenza sostituiscono il dipolo dell’acqua intorno allo ione spiazzando e sostituendosi all’acqua. Quindi, quando lo ione K⁺ si avvicina al polo acquoso gli amminoacidi spiazzano i dipoli acquosi che lo circondano. Mentre quando si avvicina il Na⁺ alcuni amminoacidi spiazzano solo alcuni dipoli acquosi perché la disposizione di quest’ultimi è diversa rispetto a quella del potassio. Essendo una situazione critica, solo se si raggiunge una distanza critica fra ione e amminoacidi i dipoli possono essere spiazzati per riformare un anello di solvatazione. Detto questo, il sodio rimane di una dimensione tale (per via delle molecole d’acqua non spiazzate) da non poter passare attraverso la membrana. Quindi la struttura della proteina canale è una caratteristica che determina la proprietà delle membrane cellulari.

Esempio a livello sopramolecolare

Nel sarcomero, l’unità strutturale del muscolo striato, le proteine contrattili sono organizzate in filamenti spessi e sottili parzialmente sovrapposti che durante la contrazione possono scorrere gli uni sugli altri determinando l’accorciamento del sarcomero e conseguentemente del muscolo. I sarcomeri formano la fibrilla del tessuto muscolare e sono disposti in serie. Il sarcomero si presenta come un'alternanza di bande chiare e bande scure; è delimitato da due strie di natura proteica, le strie, o linee Z, ai lati delle quali vi è una banda chiara detta banda I, costituita da filamenti di actina. Andando verso l'interno è possibile notare una banda scura detta banda A costituita da filamenti di actina e filamenti di miosina interposti tra di loro. Al centro della banda A vi è una banda più piccola detta banda H. Al centro di quest'ultima è presente una linea scura, la linea M, costituita da proteine che interconnettono i filamenti di miosina.

Ci sono filamenti spessi e filamenti sottili che sono parzialmente sovrapposti, di conseguenza la contrazione si verifica quando fra filamenti spessi e sottili si formano legami che promuovono lo scorrimento dell’uno sull’altro. Di conseguenza il sarcomero si accorcia. Questo accorciamento dell’intera struttura del sarcomero è dovuto allo scorrimento fra i due tipi di filamenti (spessi e sottili).

C’è una banda I formata solo da filamenti sottili; la banda A corrisponde alla lunghezza dei filamenti spessi; e all’interno della banda A c’è la zona H al cui interno sono presenti solo filamenti spessi. Tutta la banda A è data dalla lunghezza del filamento spesso. Quando si ha un accorciamento del sarcomero la larghezza della banda A rimane costante mentre cambia sia la larghezza della banda I che la larghezza della zona H che cambiano della stessa entità. Prima del 1954 si riteneva che l’allungamento del muscolo fosse ottenuto dall’accorciamento dei filamenti. Attenzione: l’accorciamento del sarcomero non è dovuto all’accorciamento dei due tipi di filamenti, ma al loro scorrimento. Essi infatti rimangono della stessa lunghezza!

Omeostasi

L'omeostasi rappresenta la capacità degli organismi di mantenere una relativa stabilità interna. “La costanza dell’ambiente interno è la condizione della vita libera” (Claude Bernard, 1872). Questa capacità di mantenere costante il proprio ambiente interno deve essere espressa nonostante la presenza di cambiamenti subiti nell’ambiente esterno. Solo grazie ad essa gli organismi sono in grado di colonizzare nuovi habitat.

Negli organismi unicellulari l’ambiente interno è costituito da citosol, ed inoltre si ha una membrana selettivamente permeabile che controlla ciò che passa e ciò che non passa (es. sostanze dannose ecc.) all’interno della cellula permettendo il mantenimento dell’omeostasi negli organismi unicellulari.

Nei pluricellulari l’omeostasi si ottiene mantenendo a temperatura costante anche i liquidi interstiziali del sangue (liquidi extracellulari) oltre al citosol. Essa dipende dalla presenza di meccanismi di regolazione che sono di due tipi:

• Feed-forward (o regolazione anticipativa): Significa che il sistema regolato prevede il disturbo, anticipandolo e creando una situazione in sua opposizione. Nel feed-forward perciò il sistema è in grado di prevedere gli effetti di una perturbazione, per cui le correzioni vengono applicate in anticipo, cioè prima di conoscere l’output del processo. In pratica 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. Questo meccanismo per esempio è applicato dal sistema nervoso nella generazione di movimento volontario.
• Feedback (o retroazione): La risposta del sistema in questo caso avviene dopo che un elemento di disturbo lo ha allontanato dallo stato stazionario. Nel feed-back l’effetto prodotto sul sistema da un disturbo influenza il processo e induce la risposta. Il feedback è negativo se l’azione a ritroso contrasta gli effetti del disturbo, è positivo se li amplifica. La retroazione prevede una risposta regolata ad un disturbo che viene imposta al sistema senza conoscere l’identità del disturbo.

Es. la sudorazione è un meccanismo che permette la diminuzione dell’ambiente interno rispetto alla temperatura esterna, opponendosi all’elemento di disturbo esterno (temperatura). Ci sono feedback positivi in cui un’azione di disturbo anziché essere combattuta viene amplificata. Però per il mantenimento dell’omeostasi il feedback è sempre negativo. Il mantenimento dell’ambiente interno non è una condizione di equilibrio ma è una condizione di stato stazionario. L’equilibrio non ha bisogno di dispendio energetico per il suo mantenimento. Mentre nello stato stazionario è il contrario, in quanto mantiene costante il sistema tramite un dispendio energetico.

Feedback negativo

È lo schema di un sistema controllato con retroazione negativa. In un sistema con retroazione negativa esistono diversi elementi: la variabile regolata, che deve essere mantenuta ad un valore di riferimento detto “set point”. Es. 37°C è la temperatura del nostro corpo e corrisponde ad un valore di riferimento, per questo motivo nel sistema deve esserci qualcosa che misuri questo valore in maniera costante. Per l’adempimento di tale compito se ne occupano i recettori che sono in grado di misurare la variabile regolata in maniera continua. Quindi dai recettori vengono inviati continuamente dei segnali che indicano il valore della variabile regolata al sistema di controllo. Quest’ultimo consiste in un comparatore (uno strumento) che è in grado di confrontare il valore della variabile regolata con quello di riferimento. Quindi se i due valori di discostassero dal confronto si genera un segnale di errore che indica la deviazione della variabile dal valore di riferimento, che di conseguenza viene amplificato (amplificazione) e determina la nascita di una funzione di forza che costringe il sistema controllato ad assumere il valore precedente, quindi riportando la variabile regolata al valore di riferimento.

Comparatore

L’omeostasi viene mantenuta grazie alla regolazione delle variabili mediante un sistema di controllo che annulla gli effetti di eventuali perturbazioni. I recettori sono gli elementi che segnalano gli effetti delle perturbazioni sulle variabili regolate. L’uscita dal recettore viene sottratta dal segnale di riferimento per generare un segnale d’errore, che viene amplificato e inviato come funzione di forza al sistema controllato.

Esempio di feedback negativo: controllo della pressione arteriosa

Il valore di riferimento è 100 ml di Hg. Qui si vedono elementi di un circuito a feedback: la variabile regolata è la pressione arteriosa. Essa dipende dal valore delle resistenze periferiche e della gittata cardiaca. Le resistenze periferiche sono costituite dalle arteriole, e quindi dal grado di costrizione dei vasi sanguigni. Sia le grosse arterie che le arteriole sono vasi sanguigni (in cui circola sangue arterioso) che controllano la quantità di sangue che fluisce e si distribuisce a tutti gli organi. Le resistenze periferiche controllano la pressione arteriosa media. Questo perché se per esempio avessi un’arteriola con un lume (diametro) più piccolo la pressione aumenta, viceversa se così non fosse diminuisce. Le resistenze periferiche quindi dipendono dal grado di dilatazione, ovvero dal grado di apertura e chiusura del lume dei vasi sanguigni. La gittata cardiaca corrisponde alla quantità di sangue che viene messa in circolo nell’unità di tempo ed dipende dalla forza con cui il cuore si contrae e dalla frequenza del battito cardiaco. Essa è il prodotto di questi due fattori.

La forza di contrazione cardiaca e la frequenza cardiaca sono controllate dal Sistema nervoso Autonomo (sia Simpatico che Parasimpatico). Il Sistema nervoso Simpatico controlla il grado di contrazione della muscolatura liscia dei vasi sanguigni (costituente della loro parete), in particolare delle arteriole. Il grado di vasodilatazione minore/maggiore dipende dal grado di contrazione di questa muscolatura, di conseguenza ciò influenza l’aumento/riduzione della pressione arteriosa: se il sistema nervoso simpatico è molto attivo si ha un grosso grado di contrazione delle pareti arteriolari e un aumento della pressione arteriosa; al contrario se la sua attività diminuisce si ha vasodilatazione e diminuzione della pressione arteriosa. L’attività simpatica controlla anche la forza di contrazione cardiaca, più alta è l’attività simpatica più fortemente si contrae il cuore (es. negli stati di ansia), più aumenta la forza di contrazione cardiaca e più aumenta la frequenza del battito cardiaco. Tutti questi fattori insieme determinano un aumento della pressione arteriosa come conseguenza finale. L’attività del Sistema nervoso Parasimpatico agisce principalmente a livello del cuore. Quando vi è un aumento dell’attività del parasimpatico si ha una diminuzione della frequenza cardiaca, diminuisce così la gittata e diminuisce la pressione. Questo due branche del sistema nervoso autonomo (simpatico e parasimpatico) agiscono quindi in maniera opposta.

Il centro di controllo cardiovascolare bulbare è situato nell’encefalo, praticamente a livello di esso giungono informazioni sul valore della pressione arteriosa e avviene il confronto tra pressione arteriosa misurata (quella reale dell’organismo) e pressione arteriosa di riferimento. Il centro di controllo confrontandole genera una funzione di forza che agisce sul sistema controllato. Con funzione di forza si intende il controllo della variazione del sistema nervoso simpatico e parasimpatico. L’attività complementare di simpatico e parasimpatico permette il mantenimento della pressione media a 100 ml di Hg. Quindi i due sistemi contrastano insieme l’aumento di pressione.

“Chi segnala al centro vascolare bulbare il valore della variabile regolata?” Sono i barocettori, organi situati a livello dell’aorta e delle carotidi che risentono della pressione arteriosa. Queste sono strutture nervose che inviano segnali attraverso neuroni sensoriali al centro di controllo vascolare bulbare che sono proporzionali al valore della pressione arteriosa. Se la pressione aumenta vi è un aumento di frequenza di questi segnali viceversa se la pressione diminuisce ce n’è una diminuzione. Questo è un esempio di feedback negativo.

Plasticità

La plasticità è la capacità delle funzioni biologiche di modificarsi in maniera permanente 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.

Il concetto di plasticità deve essere distinto dal concetto di adattamento: infatti con adattamento 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, mentre con plasticità si evidenzia la possibilità dello spostamento del punto di riferimento in un sistema controllato.

La plasticità sinaptica consiste in quella serie di meccanismi che permettono il cambiamento dell’efficacia della trasmissione di informazioni a livello sinaptico (le sinapsi sono i punti di contatto fra un neurone all’altro). Ciò sta alla base dell’apprendimento e della memoria. Un esempio di plasticità è la competenza immunitaria, ovvero la capacità di sviluppare la resistenza ad agenti microbici. Un ulteriore esempio è l’acclimatazione all’altitudine: l’organismo per poter respirare ad alte altitudini deve avere una ventilazione più frequente e un maggior numero di globuli rossi. La plasticità non comporta una modifica del genoma e non è trasmessa alle generazioni successive.