Fisiologia umana

Fisiologia umana

Introduzione

La fisiologia è una disciplina che studia le funzioni vitali degli organismi viventi e racchiude un ampio ambito di competenze. Può riguardare le cellule, i tessuti, gli organi, i sistemi, gli apparati, le interazioni tra organismi della stessa specie (produzione di feromoni per comunicare) o le interazioni che si realizzano tra popolazioni negli ecosistemi (ecofisiologia).

Esistono diverse fisiologie. La fisiologia umana è incentrata sull’uomo, ma per comprenderla è fondamentale capire come il biosistema umano si contestualizza nell’ambiente. Ad esempio, possiamo dire che il sistema respiratorio ci permette di respirare nell’ambiente subaereo in cui viviamo, diverso dall’ambiente in cui vivono i pesci; perdiamo acqua sotto forma di vapore acqueo tramite i polmoni, un sistema controllato che grazie anche alla pelle spessa che possediamo, evita la perdita eccessiva di acqua; abbiamo un sistema renale ad alta pressione diverso da quello di alcuni animali che vivono in diverse condizioni ambientali.

La fisiologia studia gli organismi a diversi livelli organizzativi, cioè studia le strutture di base a livello molecolare e studia come queste strutture si aggregano per formare cellule, tessuti, organi, sistemi e apparati. Attualmente conosciamo molto bene le basi molecolari e cellulari di fisiologia, ma abbiamo una scarsa conoscenza su tessuti, organi, apparati e sistemi. Questo vuol dire che siamo in grado di sequenziare il nostro genoma in una settimana ma non abbiamo conoscenze sufficienti sul fenotipo.

Quindi non siamo in grado di integrare le conoscenze in ambito molecolare e cellulare per capire a cosa sono finalizzate, cioè come sono organizzati gli organismi. Risulta quindi difficile parlare di fisiologia delle grandi strutture, riferita allo studio della complessità del nostro sistema. Per fare un esempio di integrazione consideriamo i muscoli. A determinare la potenza di un muscolo non è solo la sua struttura molecolare, ma anche la capacità che il muscolo ha di accrescersi ed il modo in cui sono strutturate le fibre muscolari, che varia per muscoli lenti e veloci, che quindi sono in grado di svolgere al meglio funzioni diverse.

Tema centrale della fisiologia: struttura e funzione; regolazione del nostro organismo (omeostasi).

• La funzione dipende sempre dalla struttura a tutti i livelli (molecole, organuli, organi e sistemi). Ad esempio, l’uomo ed il ghepardo hanno degli elementi strutturali comuni (colonna vertebrale, arti anteriori e posteriori) che presentano però una diversa organizzazione a livello di biosistema. Per questo motivo il ghepardo possiede una struttura più idonea alla corsa rispetto all’uomo (coda bilanciere e colonna vertebrale ad arco), nonostante entrambi siano mammiferi. Per lo stesso motivo gli orsi bianchi, per sopravvivere negli ambienti freddi, sono ricoperti da un fitto pelo e da uno strato di grasso.
• La regolazione dell’ambiente interno rispetto all’ambiente esterno prende il nome di omeostasi, la quale fornisce quella costanza di condizioni che è necessaria perché i processi chimici e fisici siano affidabili e coordinati.

Il concetto di omeostasi

Il concetto di omeostasi differisce da quello di allostasi. L’omeostasi ci indica come l’organismo sta in un determinato momento, ma non come evolve nel tempo. L’allostasi invece è una nuova tendenza della fisiologia che ha l’obiettivo di comprendere come l’organismo interagisce con quello che lo circonda e come si evolve nel tempo in conseguenza a queste interazioni. Ad esempio, il sistema immunitario funziona in maniera allostatica perché sviluppa memoria entrando in contatto con un virus ed al momento del secondo contatto con lo stesso virus è in grado di contrastare l’infezione virale. Anche il cervello a volte funziona in maniera allostatica.

Per comprendere il concetto di omeostasi è importante specificare che nell’ambiente esterno con il quale l’organismo si interfaccia ci sono condizioni chimico-fisiche fluttuanti, mentre nell’organismo queste condizioni sono costanti. Ad esempio, consideriamo come organismo il pesce e come variabile fisica l’ossigeno. All’interno dell’organismo non si possono verificare ampie variazioni di ossigeno o si morirebbe ed è per questo che esistono dei meccanismi fisiologici che garantiscono una ridotta fluttuazione interna, in modo che la concentrazione di ossigeno nei tessuti sia costante e che ogni cellula si trovi nella migliore condizione per sopravvivere.

Nel caso dei pesci, l’ossigeno viene introdotto attraverso le branche, che sono specializzate nel consentire lo spostamento di ossigeno e CO₂, a differenza delle altre parti del corpo che non sono così permeabili a ossigeno e CO₂. Una volta superate le branche, l’ossigeno entra in circolo e si mantiene a concentrazioni adeguate nel sangue grazie all’emoglobina e alla mioglobina: l’emoglobina lega l’ossigeno non stabilmente a livello dei polmoni per poi rilasciarlo a livello dei muscoli che captano l’ossigeno grazie alla mioglobina in essi presente, a maggiore affinità per l’ossigeno.

Ma in generale tutti i tessuti hanno la capacità di trattenere ossigeno e mantenerlo a livelli costanti, come nel caso del sistema nervoso che capta l’ossigeno, essenziale per il suo funzionamento, grazie alle neuroglobine. Ovviamente mantenere un ambiente interno costante (in questo caso livelli di ossigeno costanti) è fondamentale per lo svolgimento delle varie funzioni organiche complesse.

Il concetto di omeostasi è importante anche parlando di analisi del sangue. Il prelievo del sangue infatti si effettua alle 8 di mattina a digiuno in modo che le condizioni fisiologiche di riferimento per i diversi pazienti siano costanti, per assicurare una riproducibilità del dato (ad esempio di mattina a digiuno il valore di glucosio nel sangue si aggira nella norma intorno a 95-100 mg/dl, mentre il pomeriggio dopo un pasto potrebbe essere più elevato).

Omeostasi e sistemi fisiologici di regolazione e controllo

Il concetto di omeostasi

Nel 1865 Claude Bernard introdusse il concetto di fissità dell’ambiente interno, cioè la tendenza da parte degli organismi a mantenere costanti alcune condizioni proprie dell’ambiente interno per garantire lo svolgimento delle funzioni organiche complesse e quindi la sopravvivenza. Nel 1929 questo concetto fu espresso con maggiore completezza da Walter Cannon che coniò il termine ‘’omeostasi’’, definendola come la tendenza da parte dell’organismo a mantenere lo stato stazionario (steady state).

Quindi l’organismo sa adattarsi alla variazione delle condizioni ambientali, cioè è di cambiare le proprie azioni in funzione dei fattori esterni per ovviare alle difficoltà dell’ambiente, pur mantenendo costanti le condizioni interne. Tra le condizioni di stato stazionario essenziali per garantire la vita dell’organismo abbiamo: temperatura corporea, pH, pressione, concentrazione di acqua, concentrazione salina, pressione del sangue, livelli di nutrienti circolanti.

Lo stato stazionario è un aspetto chimico-fisico/biofisico del nostro organismo ma il concetto di vita è più complesso ed è per questo che nello stato di coma l’organismo, pur trovandosi in una situazione omeostatica, non è in vita. Per questo motivo il concetto di omeostasi può essere applicato a sistemi ed organi di vita vegetativa (sistema circolatorio, respiratorio, renale) ma non può esser applicato al sistema neuromotorio.

È per questo che Moluzzi ha diviso il suo libro in 2 volumi: fisiologia di vita di relazione, riferito agli organi di senso, cioè cervello e muscoli (organi esecutori); fisiologia di vita vegetativa, riferito agli organi di vita vegetativa, come sistema respiratorio e circolatorio. Infatti, ciò che distingue l’animale dagli altri organismi viventi è la capacità di movimento indipendente dall’ambiente circostante, sotto lo stimolo degli organi di senso che permettono di captare tutte le informazioni necessarie e che sono ubicati nel cervello (ad eccezione del tatto che è comunque fondamentale).

Quindi la caratteristica fondamentale dell’organismo animale è la presenza di un sistema di integrazione neuromotorio che funziona grazie alle numerose cellule muscolari che possediamo e che ci permettono di muoverci. Ovviamente il movimento è fondamentale poiché attiva risposte fisiologiche che ci permettono di mantenere una situazione di benessere e di prevenire malattie come il diabete e l’obesità che insorgono frequentemente in caso di sedentarietà.

Il movimento infatti garantisce che i liquidi presenti nella parte bassa del corpo vengano pompati verso la parte alta del corpo dal sistema venoso, grazie anche alla respirazione che aiuta il ritorno venoso. Senza movimento questa funzione fisiologica si interrompe ed i liquidi tendono a ristagnare nella parte bassa del corpo (caviglie gonfie).

Quando si parla di stato stazionario è importante fare riferimento al contesto in cui l’organismo opera e da questa prospettiva lo stato stazionario può essere definito come un disequilibrio stazionario. Cioè la stazionarietà nel tempo simula l’equilibrio, ma essa è semplicemente dovuta all’uguaglianza del flusso netto di energia o materia in entrata e del flusso netto di energia o materia in uscita.

Ad esempio, se la glicemia ha un valore costante di 100mg/dl è perché la quantità di zuccheri che introduciamo è pari alla quantità di zuccheri che successivamente consumiamo. Ed è sempre con questo meccanismo che la concentrazione di ioni si mantiene costante nei diversi compartimenti dell’organismo (uguale per plasma ed ambiente extracellulare e diversa nell’ambiente intracellulare).

Quindi l’ottimale funzione delle cellule e degli organismi dipende dal fatto che determinate condizioni (come temperatura, pH, volume idrico, pressione parziale di ossigeno = pO₂ e concentrazione parziale di calcio = [Ca²⁺]) sono mantenute entro limiti ristretti per azione di complessi meccanismi regolatori omeostatici. Quindi considerando ad esempio le variazioni a diversa intensità e frequenza di 3 componenti dell’ambiente interno (indicate come a, b, c), possiamo definire l’omeostasi come il livello medio tra le 3 variazioni, ottenuto mediante specifici meccanismi.

Ad esempio: se nell’organismo sale la concentrazione di un ormone intervengono meccanismi di feedback negativo che riducono la sua concentrazione fino ad arrivare ad un valore normale, cioè si attivano sistemi di controllo in grado di mantenere costante la concentrazione dell’ormone.

Nel 1929 Norbert Wiener formalizza la nascita di una nuova disciplina conosciuta come cibernetica, ovvero la “scienza dei controlli”. Cioè il nostro organismo è un sistema controllato poiché possiede sistemi di controllo che garantiscono il mantenimento di un equilibrio, cioè la costanza dei valori di riferimento dei parametri interni, nonostante i continui cambiamenti dell’ambiente esterno. Ad esempio, il cervello è un sistema controllato, poiché possiede le reti neurali, cioè sistemi di controllo regolati per svolgere determinate funzioni (reti neurali simili tra sistemi biologici e informatici).

Ma anche il respiro è regolato da un sistema di controllo, che ci permette di respirare anche senza la nostra volontà. Un altro sistema di controllo è il pacemaker, che controlla il ritmo del cuore. Per cui complessivamente i sistemi di controllo sono molti e sono fondamentali per la realizzazione delle funzioni dell’organismo. Quindi l’omeostasi è uno stato nel quale le condizioni sono mantenute dinamicamente entro un ambito predefinito da processi autoregolati; l’insieme dei meccanismi che contribuiscono all’omeostasi svolge un ruolo fondamentale nell’adattamento dell’organismo alle variazioni ambientali.

Sistemi di controllo

Un sistema è una struttura reale e circoscritta, costituita da elementi uniti da interazioni misurabili. Se un sistema scambia materia o energia con l’ambiente si dice che è aperto: tutti i sistemi biologici sono altamente organizzati ed essendo in grado di convertire la materia in energia sono termodinamicamente aperti e ciò conferisce loro la peculiarità di interagire con altri sistemi.

Un sistema aperto (e quindi un sistema biologico) è quindi una struttura diversa dall’ambiente, reale e circoscritta da una barriera (per es. da una membrana, da una capsula connettivale, dalla cute), che possiede un ingresso (input), uno stato e un’uscita (output). Per cui l’input è quello stimolo che fa reagire il sistema e che determina una risposta detta output e tutti i processi che trasformano l’input in output sono chiamati ‘’operatore’’ o ‘’funzione di trasferimento’’.

Quindi per semplificare, partendo da un input si può individuare l’output tralasciando l’operatore, che può quindi essere considerato come una scatola nera. Ad esempio, partendo dall’input S1 possiamo valutare esclusivamente l’output S8 che esso indurrà o possiamo anche valutare l’insieme di elementi che si concatenano tra input e output.

A livello di questi elementi possono verificarsi interferenze che bloccano la trasmissione fino ad arrivare all’output, cioè il blocco o l’accelerazione di un qualsiasi elemento nel sistema ha un effetto diretto o indiretto sull’output. Se ad esempio un gene non funziona, il passaggio da S4 a S6 non si verifica e, venendo meno un pezzo di sistema integrato, si avrà un output alterato, cioè si verificheranno malattie genetiche come ad esempio il diabete di tipo I.

Ma alterazioni degli elementi che costituiscono il sistema si possono avere anche in caso di infezioni batteriche o in funzione del microbiota intestinale, che cambia in funzione del tempo, del sesso e dello stato di accrescimento (cioè è diverso tra bambini, adulti e anziani) e queste alterazioni possono essere causa di riduzione o aumento dei livelli plasmatici di glucosio.

Quindi gli organismi animali sono definiti olobionti, cioè viventi che possiedono una componente eucariotica ed una componente procariotica, poiché nelle infezioni batteriche interagiscono con cellule procariotiche. In alcuni casi valutare tutti gli elementi che determinano l’output risulta complesso: ad esempio il diabete è una malattia multifattoriale non solo determinata dai livelli di glucagone ed insulina, ma anche determinata da una serie di ormoni iperglicemizzanti (adrenalina, noradrenalina, cortisolo, ormoni tiroidei) e complessivamente questi fattori agiscono in sinergia o in antagonismo determinando l’output, cioè la concentrazione plasmatica di glucosio.

In alcuni casi un output (S8) può anche essere determinato da più input (S1 e S4) o può accadere che un output diventi l’input per un altro elemento. Alcuni sistemi sono caratterizzati dal fatto che l’output è in ogni momento la somma algebrica delle risposte individuali a ogni singolo input (principio di sovrapposizione) ed in questi sistemi input di maggiori intensità genereranno output che saranno di maggiore intensità esattamente nello stesso rapporto (principio di graduazione proporzionale). Cioè in questi sistemi esiste una correlazione tra entità dell’input e entità dell’output ed è per questo che si parla di sistemi lineari.

I sistemi biologici però non sono dei sistemi lineari, poiché l’aumento dell’intensità dell’input non sempre determina un aumento dell’intensità dell’output. Tuttavia, le relazioni che si instaurano nei sistemi biologici vengono approssimate ad un livello lineare, in modo che possano essere espresse in termini matematici e quindi in maniera semplificata.

Per dimostrare che i sistemi biologici non sono sistemi lineari possiamo ad esempio considerare come input l’aumento dei livelli di un ormone, di un mediatore o di un ligando, che non sempre determina un maggiore effetto della molecola, poiché in alcuni casi, superato un certo livello, può portare all’abolizione della sua funzione.

Un sistema è controllato quando i suoi ingressi sono manipolati in modo tale da causare variazioni predeterminate o da non causare variazioni delle sue uscite. In altre parole, è importante manipolare gli input in modo che da essi derivino output determinati, cioè un sistema controllato deve essere prevedibile: le modifiche in ingresso devono corrispondere a quelle in uscita. Ad esempio, se somministro insulina ad un diabetico (input) mi aspetto come output una riduzione del livello di glicemia.

Non manipolare correttamente gli output può essere causa di patologie. Ad esempio, quando furono introdotte le statine di prima generazione furono valutati solo gli effetti che esse determinavano sul sistema primario, cioè solo gli effetti su alcuni parametri fisiologici, senza considerare che esse potevano agire in contemporanea su altri sistemi dell’organismo. Proprio per questo si verificarono effetti collaterali e anche morti, per cui le statine di prima generazione furono eliminate dal commercio.

Allo stesso modo, quando fu introdotto il Viagra non si valutò che esso poteva causare dei problemi al cuore e solo successivamente modificando questo farmaco è stata messa a punto una nuova formula farmacologica che ha permesso di utilizzare il Viagra per il miglioramento dello stato circolatorio.