Fisiologia medica

INTRODUZIONE

La fisiologia è la scienza che studia il funzionamento degli organismi viventi. È una scienza sperimentale che cerca di

spiegare i vari avvenimenti che si verificano nel corpo umano tramite leggi fisiche, chimiche, biologiche…

L’organismo vivente nella forma più elementare è costituito da diversi livelli di struttura, dalla più semplice alla più

complessa. Partendo dall’elemento più semplice riconosciamo quindi cellule, tessuti, organi e sistemi di organi o

apparati.

Le cellule possono essere raggruppate in quattro gruppi principali:

I neuroni: sono cellule specializzate nel trasmettere le informazioni sotto forma di impulsi elettrici, sono

 capaci di ricevere stimoli dall'ambiente esterno, sono capaci di portare segnali e comandi agli organi

effettori. Per organo effettore si intende qualsiasi struttura capace di compiere un'azione (esempio

ghiandole, muscoli…)

Le cellule muscolari: sono cellule capaci di contrarsi e pertanto di produrre forze e, in caso siano collegate

 meccanicamente a strutture capaci di muoversi, di produrre movimenti.

La cellula muscolare è solo capace di contrarsi, non di allungarsi; perché ritorni alla sua lunghezza iniziale

occorre che succeda qualcos’altro. La maggior parte dei muscoli è disposta a coppie agonista-antagonista

(esempio bicipite-tricipite del braccio): se contraggo il muscolo bicipite provoco la flessione del braccio

sull’avambraccio, se però voglio riportare braccio nella sua posizione iniziale devo contrarre i muscoli

antagonisti, ovvero il tricipite che, contraendosi, estende l’avambraccio sul braccio riportandolo quindi alla

posizione iniziale. Il bicipite non è capace di spingere il braccio nella condizione di partenza.

Le cellule muscolari possono avere o meno un controllo volontario: io posso volontariamente muovere un

braccio ma non posso volontariamente far contrarre il muscolo cardiaco,

Le cellule epiteliali hanno forma e dimensioni molto varia e formano gli epiteli, cioè i tessuti di rivestimento.

 Hanno la caratteristica di poggiare sopra la membrana basale e di essere strettamente interconnesse le une

con le altre. Possono presentarsi in un solo strato o essere pluristratificate.

Esse hanno la funzione di isolare un versante dell’epitelio rispetto all'altro e in molti casi si specializzano in

particolari funzioni, per esempio nella secrezione.

Le cellule connettivali rappresentano la categoria più differenziata. Connettono diverse strutture

 dell’organismo: sia in senso di comunicazione (come le cellule del sangue), che in senso strutturale fornendo

supporto alle altre cellule(come le cellule delle ossa e della cartilagine). La maggior parte di queste cellule

sono contenute in una matrice liquida che contiene proteine strutturali come il collagene e l’elastina.

Le cellule tendono a raggrupparsi formando un tessuto formato da un gruppo di cellule che svolgono funzioni simili.

(esempio: tessuto muscolare, tessuto epiteliale…)

I vari tessuti si combinano formando gli organi: strutture composte da più tessuti che svolgono una data funzione.

(esempio: l’organo cervello è composto prevalentemente da tessuto nervoso, l'organo cuore è composto da tessuto

muscolare…)

I vari organi si raggruppano in apparati o sistemi di organi: strutture formate da diversi organi che collaborano tra di

loro allo scopo di svolgere la funzione propria dell’apparato a cui appartengono.

(esempio il sistema cardiovascolare comprende il cuore, i vasi sanguigni, il sangue e tutti questi organi collaborano

per svolgere le funzioni proprie di questo apparato…)

La maggior parte degli apparati sono formati da organi fisicamente connessi gli uni agli altri (esempio il sistema

respiratorio, il sistema cardiocircolatorio, contenuti in zone particolari del corpo e gli organi sono in contatto gli uni

con gli altri), oppure gli organi che li compongono sono molto lontani l’uno dall’altro e non sono interconnessi

(esempio un esempio è il sistema endocrino).

L’organismo è nettamente separato dall'ambiente esterno da un rivestimento epiteliale detto cute, poi riconosciamo

i principali apparati necessari alla vita di questo organismo (esempio un sistema circolatorio che permette il

trasporto e gli scambi di sostanze dalle diverse parti dell’organismo stesso...); Abbiamo poi le varie strutture che

permettono all’organismo di svolgere le proprie funzioni (muoversi, riprodursi…)

Quindi:

1. Sono poche le cellule a diretto contatto con l'ambiente esterno

2. Le cellule direttamente a contatto col sistema digestivo sono altrettanto poche e sono poche anche le cellule

a diretto contatto col sangue.

3. La maggior parte delle cellule si trova immersa in un liquido che è in diretto contatto col sangue col quale

scambia continuamente sostanze e gas, questo fluido che avvolge tutte quante le cellule sono immerse

prende il nome di mezzo interno. Noi possiamo vivere soltanto ed esclusivamente se il mezzo interno è

preservato dalle variazioni dell’ambiente esterno e da eccessive variazioni dell’ambiente interno stesso.

4. La maggior parte del lavoro svolto quotidianamente dal nostro corpo è indirizzata proprio a mantenere

costante il mezzo interno.

L’organismo è separato dall'ambiente esterno, ma questa separazione non è assoluta: in ogni momento della nostra

vita scambiamo sostanze tra interno ed esterno del corpo e tra le diverse parti del corpo stesso.

Questi scambi avvengono in maniera strettamente controllata, proprio per garantire la costanza e la composizione

del mezzo interno.

I continui scambi di sostanza avvengono prevalentemente a livello polmonare, gastroenterico, renale e capillare.

Il mezzo interno è un liquido nel quale sono disciolte varie sostanze e che bagna tutte le cellule presenti

dell'organismo, il suo componente principale è l'acqua che agisce come solvente dei vari saluti presenti nella

soluzione.

Quest’acqua si può dividere in diversi compartimenti:

- l'acqua corporea totale, cioè il volume di fluido contenuto all’interno dello strato epiteliale di rivestimento

del corpo, un adulto di 70 kg ammonta a circa 42-45 litri;

- la corporatura totale si può suddividere in diversi compartimenti:

1. Liquido intracellulare, che rappresenta circa i 2/3 del totale

2. Liquido extracellulare, che rappresenta circa 1/3 del totale è il cui 20% si trova nel sangue e ne costituisce il

plasma

La suddivisione di questi compartimenti (intracellulare ed extracellulare) ha fondamentale importanza perché questi

liquidi hanno composizione diversa. Bisogna mantenere la composizione diversa di questi liquidi, in particolare:

1. il liquido intracellulare è ricco di proteine e di potassio

2. il fluido extracellulare è povero di proteine ed è ricco di sodio

3. il plasma ha un contenuto alto di proteine.

Queste differenze di composizione sono indispensabili per la vita: il sistema nervoso e quello muscolare, per

esempio, possono funzionare solo e soltanto se queste differenze vengono mantenute. Variazioni, anche piccole, dei

liquidi intra ed extracellulare sono incompatibili con la vita, è quindi indispensabile l’esistenza di un sistema di

controllo del mezzo interno.

Questa capacità dell’organismo di mantenere costante il mezzo interno ha un nome e si chiama omeostasi: indica la

capacità dell'organismo di adattarsi all'ambiente esterno mantenendo praticamente invariata la situazione interna;

mantenendo la composizione del mezzo, la propria temperatura, e il proprio volume.

(Ci sono animali che non sono omeostatici, per esempio i rettili non sono capaci di mantenere la temperatura interna costante:

al variare della temperatura esterna, la temperatura interna varia allo stesso modo quando fa troppo freddo la temperatura



interna diminuisce e questo determina la riduzione della capacità metaboliche che, a sua volta, comporta con la riduzione di

attività.)

Perché sia possibile parlare di omeostasi occorre che esista un sistema di regolazione composto da:

un sistema di sensori, i recettori, che valutano lo stato del mezzo interno

 un sistema attraverso il quale le informazioni raccolte arrivano al centro di controllo

 un centro di controllo che confronta le informazioni e comanda i provvedimenti necessari

 un gruppo di cellule o di organi che, dopo aver ricevuto le istruzioni dal centro di controllo, agiscono in modo

 tale da riportare le condizioni che sono variate alla loro situazione precedente.

Variabili regolate= variabili che possono modificarsi per effetto del mondo esterno ma che sono tenute sotto stretto

controllo da parte dei meccanismi di controllo omeostatici. (esempio temperatura, pH e glicemia)

La maggior parte di questi sistemi di controllo, agisce secondo un meccanismo che è detto feedback negativo= se la

variabile regolata aumenta il sistema la fa diminuire, se la variabile diminuisce il sistema la fa aumentare.

La maggior parte dei meccanismi di regolazione omeostatici interviene quando esistono differenze tra il valore

attuale di una variabile regolata ed un valore di riferimento che viene chiamato set point.

La differenza tra valore reale misurato e il set point costituisce un messaggio di errore che il sistema cerca di

correggere. Il set point è presente fin dalla nascita, ed è contenuta nel codice genetico (esempio: un eschimese che

vive al Polo Nord e un africano che vive ai tropici hanno esattamente lo stesso set point per la temperatura,

entrambi infatti hanno la temperatura di 37°; lo stesso discorso vale per la pressione arteriosa, per il pH, la glicemia).

RICHIAMI DI CHIMICA E BIOCHIMICA

Le biomolecole sono molecole utilizzate e/o prodotte dagli organismi viventi ed hanno la caratteristica di contenere

uno o più atomi di carbonio.

Ogni atomo di carbonio, per la sua struttura chimica, è capace di legarsi ad altri quattro atomi; gli atomi che

troviamo con maggior frequenza sono: l'ossigeno O, l'idrogeno H, l'azoto N, oppure altri atomi di carbonio.

La presenza di quattro possibili legami fa sì che il carbonio partecipi alla formazione di molecole che possono essere

particolarmente complesse. Queste molecole possono avere una struttura a catena lineare, ma molto spesso si

tratta di strutture ad anello.

Delle tante molecole che il carbonio può formare, le 4 che ci interessano e che vengono indicate come biomolecole

sono: i carboidrati (cioè zuccheri), i lipidi (cioè grassi), le proteine e i nucleotidi. Alcune molecole sono polimeri, cioè

sono molecole formate dalla ripetizione di un gran numero di subunità che si chiamano monomeri (esempio le

proteine sono formate dall'unione di tanti aminoacidi o il glicogeno è formato dall’unione di tante molecole di

glucosio).

Le varie molecole si differenziano per la presenza di

gruppi funzionali: quella parte della molecola che

determina le proprietà della molecola stessa. In

particolare, alcuni gruppi sono definiti come polari, e la

presenza di questi gruppi polari determina la solubilità di

una molecola in acqua (se la molecola contiene solo

gruppi non polari non sarà solubile in acqua).

Altri gruppi determinano altre caratteristiche della

molecola, per esempio determinano se le molecole sono

acide o basiche.

Alcuni atomi, essendo relativamente grossi tengono molto vicini al nucleo gli elettroni condivisi. In questo modo le

cariche elettriche della molecola che resta neutra nel suo insieme si trovano più facilmente dal lato dell'ossigeno e

meno facilmente dal lato dell'idrogeno: in questo modo è come se la molecola fosse lievemente negativa dove c'è

l'ossigeno e lievemente positiva dove c'è l'idrogeno (delta + o delta -).

Due cariche opposte si attraggono e due cariche uguali si respingono, quindi le varie molecole d'acqua restano legate

l’una all’altra per la presenza di questa distribuzione di carica elettrica. Questo legame tra le molecole si chiama

legame idrogeno: è un legame debole, infatti l'acqua non ha forma propria. La sostanza si può sciogliere in acqua

solo se contiene a sua volta una carica elettrica, ha cioè un gruppo polare; se non c'è una carica elettrica, la molecola

non è polare, e quindi non si scioglie. Le sostanze solubili in acqua si chiamano idrofile, quelle non solubili si

chiamano idrofobe.

CARBOIDRATI: sono formati da carbonio, idrogeno e ossigeno sempre nel rapporto 1-2-1 cioè carbonio, due idrogeni

e ossigeno. La presenza di molti gruppi ossidrili, OH-, che sono carichi negativamente, rende gli zuccheri facilmente

solubili in acqua.

La molecola di base per tutti gli zuccheri ha una struttura ad anello e quelli che ci interessano sono gli anelli a 5 o 6

atomi di carbonio: lattosio e galattosio hanno sei atomi di carbonio e il fruttosio ne ha 5. A seconda di come si

presentano questi zuccheri avremo: monosaccaridi, che sono glucosio, galattosio e fruttosio e disaccaridi che sono

due monosaccaridi legati insieme (esempio: il saccarosio è formato da glucosio e fruttosio o il lattosio è formato da

galattosio più glucosio).

Potremmo avere anche dei polimeri= una molecola composta da tante subunità che si ripetono e di questi polimeri i

più importanti sono amido e glicogeno.

Un concetto importante che ritroviamo sia a livello molecolare sia a livello di organo e apparato è come sono fatte le

molecole di glucosio e galattosio: entrambe hanno 6 atomi di carbonio, entrambe rispettano la formula generale

degli zuccheri 1-2-1, quindi entrambe hanno la formula C6H12O6, si tratta però di zuccheri diversi.

Sono tanto diversi che se il fegato non converte il galattosio in glucosio noi non possiamo utilizzarlo. L'unica

differenza fra le 2 molecole è l'estremità sinistra dove il gruppo ossidrile OH e l’idrogeno sono invertiti: questa lieve

differenza della struttura chimica comporta una diversa forma della molecola.

I sistemi biologici funzionano rispettando strettamente il principio del rapporto forma-funzione, perché una

sostanza, un organo o un tessuto svolga correttamente la sua funzione è necessario che abbia una determinata

forma.

Esiste un altro polimero dei carboidrati che si chiama cellulosa e differisce dagli altri per il tipo di legame che si forma

tra i diversi zuccheri: il diverso legame conferisce forma diversa al polimero e quindi i nostri enzimi non sono capaci

di scinderlo, cioè digerirlo, e non lo possiamo utilizzare. Oltre al ruolo alimentare i polisaccaridi hanno ruolo

strutturale: nelle piante rappresentano lo scheletro, nei mammiferi sono i costituenti delle membrane cellulari.

LIPIDI: sono formati da legami covalenti non polari tra atomi di carbonio e idrogeno; sono insolubili in acqua.

Molti di essi contengono atomi di ossigeno e gruppi fosfato, cioè gruppi HPO4-, che sono polari e quindi solubili in

acqua. Una molecola che contiene sia gruppi polari che gruppi non polari si chiama anfipatica.

I principali lipidi sono:

- I trigliceridi sono i grassi comuni. Sono formati da un alcol detto glicerolo e da tre molecole di acidi grassi. Il

glicerolo forma lo scheletro su cui si attaccano catene più o meno lunghe di atomi di carbonio e termina con

un gruppo carbossilico (COOH-) che dà le caratteristiche di acidità alla molecola. Gli acidi grassi hanno in

genere un numero pari di atomi di carbonio.

Possono essere saturi o insaturi: per saturo si intende che tutti gli atomi di carbonio sono legati al carbonio

successivo da legami semplici, mentre per insaturo si intende uno o più atomi di carbonio legati al successivo

con un doppio legame. Il grado di saturazione determina molte delle caratteristiche biochimiche e

fisiologiche di tali acidi grassi: gli acidi grassi saturi sono solidi (burro), mentre gli acidi grassi insaturi sono

liquidi (olio). I trigliceridi sono molecole non polari, non si sciolgono in acqua, e sono idrofobiche.

- I fosfolipidi sono formati da due acidi grassi attaccati al glicerolo e il terzo carbonio è legato a un gruppo

fosfato. Gli acidi grassi non sono polari mentre il gruppo fosfato si, le molecole che presentano regioni non

solubili e regioni solubili sono dette amfipatiche: in acqua, le regioni non polari idrofobe, tendono a

raggrupparsi insieme allontanando le molecole di acqua, mentre le molecole polari idrofile si orientano verso

l'acqua.

Possiamo quindi ottenere due strutture fisiologicamente molto importanti e cioè il doppio strato lipidico e le

micelle. Il doppio strato lipidico è la struttura base delle membrane cellulari, mentre la micella è una

struttura sferica a singolo strato che viene utilizzata dagli organismi per trasportare molecole non solubili in

acqua. In entrambe le strutture le teste (i gruppi fosfato) dei fosfolipidi sono rivolte verso l'ambiente

acquoso, mentre le code (gli acidi grassi) sono rivolte verso l'interno.

- Le eicosanoidi sono acidi grassi modificati: contengono una struttura ad anello formato da 5 atomi di

carbonio e derivano da un acido grasso a 20 atomi di carbonio. Sono importanti per le comunicazioni intra ed

extracellulari. Le eicosanoidi più importanti sono prostaglandine, trombossani e leucotrieni.

- Gli steroidi sono formati da una struttura complessa fatta da tre anelli a sei atomi di carbonio collegati ad un

anello a 5 atomi di carbonio. Questa struttura è nota con il nome di ciclo-pentano-peridrofenantrene.

Lo steroide più comune è il colesterolo, che è un importante costituente delle membrane cellulari. Si tratta

di una molecola debolmente anfipatica per la presenza di un gruppo ossidrile OH- all'estremità. Il colesterolo

è il precursore di tutti gli altri steroidi presenti nell’organismo come gli ormoni sessuali (esempio il

testosterone…)

PROTEINE: sono polimeri di amminoacidi. Gli aminoacidi sono costituiti da un atomo di carbonio legato all’idrogeno

e ad un gruppo carbossilico COOH ed un radicale R. Esistono circa 20 amminoacidi.

È il radicale che conferisce ad ogni aminoacido le rispettive proprietà chimiche. Gli aminoacidi sono importanti

perc