Fisiologia umana - Formenti e Brambilla

Fisiologia - Lezione 1

Introduzione alla fisiologia

La fisiologia è la fisica degli organismi viventi e, proprio per questo, l’approccio con cui l’uomo si è avvicinato a questa disciplina è stato quello di risalire alle leggi fisiche, pensando che l’oggetto dello studio del fisiologo, in realtà, fosse il risultato di una composizione di leggi fisiche e chimiche e che fosse quindi riportabile a leggi più elementari. Questo è parzialmente vero, tuttavia, Charles Darwin introdusse, più di un secolo fa, una legge che è specifica della biologia, introducendo dei concetti nuovi ed estremamente basilari.

La legge di Darwin

La legge introdotta da Darwin è una legge assolutamente generale, che aiuta a capire quei fenomeni la cui comprensione non è possibile sulla sola base di concetti di chimica e fisica. L’intuizione di Darwin supportava l’idea che gli esseri viventi sono classificabili in specie, la quale contiene tanti individui, i quali sono in grado di riprodursi, dando vita a una riproduzione abbastanza fedele del genitore, nel cui processo c’è un fenomeno di importanza capitale, rappresentato dal fatto che ogni essere non è l’esatta copia del genitore, bensì si discosta leggermente; si può parlare allora di variabilità, che è il modo con cui una specie si adatta all’ambiente.

Selezione naturale e adattamento

Un altro fattore determinante è la selezione naturale; bisogna considerare che ciascun essere vivente si trova in un ambiente che non è statico, bensì muta continuamente e, in questo suo continuo cambiamento, genera delle problematiche, a volte grosse, altre insuperabili per gli esseri viventi, che devono essere in grado di far fronte ai cambiamenti ambientali. Ogni essere vivente è in grado di far fronte a un certo range di cambiamenti ambientali; per esempio, l’uomo resiste sia alla calura estiva sia ai rigori invernali.

Processo di adattamento

Questa capacità è stata introiettata, cioè integrata dall’individuo ed è andata a contribuire a quel processo detto adattamento, per il cui raggiungimento è necessario che si passi da un percorso detto adattativo, altrimenti l’individuo rischia di soccombere. La vita, tuttavia, affronta il problema a livello di specie, dove sono presenti molteplici individui molto simili tra loro (non uguali) e dove è presente il fenomeno di variabilità, ottenuto sia tramite meccanismi casuali, sia tramite meccanismi voluti; la variabilità comprende, tra le tante cose, anche una diversa capacità di adattamento e ciò porta alla selezione naturale. Riproduzione, variabilità e selezione naturale sono i tre fattori determinanti e pilastri su cui poggia l’esistenza degli esseri viventi ed è un meccanismo presente da milioni di anni.

Organismo unicellulare

Nel suo ambiente primordiale, detto brodo primordiale, l’organismo unicellulare aveva la necessità, per svolgere le sue funzioni, di possedere la capacità di assumere sostanze a contenuto energetico, da cui poteva trarre energia e sfruttare i materiali in modo tale da poter auto costruire l’organismo stesso e per potersi accrescere fino al momento in cui ci sarebbe stata la riproduzione. Assunzione, digestione e secrezione dei materiali poteva avvenire, ad esempio, con l’introduzione di questi materiali attraverso l’invaginazione della membrana con vescicole, dove avveniva il processo digestivo con enzimi adatti a ingerire quelle molecole che l’organismo trovava nell’ambiente; nel momento in cui avveniva il cambio del substrato conseguiva il cambio dell’enzima, il quale era favorito dalle mutazioni, che portavano così al far fronte a certe condizioni ambientali.

Funzioni essenziali negli organismi unicellulari

Con questa variazione, veniva mantenuta l’identità di specie e veniva arricchita con nuove potenzialità. Un’altra funzione utile all’utilizzo dei substrati era quella per la quale doveva essere possibile l’ossidazione dei substrati e di conseguenza l’entrata, attraverso la membrana cellulare, di ossigeno e l’uscita di anidride carbonica; questo perché, essendoci una vita indirizzata verso un metabolismo a base di carbonio, la produzione di anidride carbonica all’interno della cellula per ossidazione dei composti carboniosi è inevitabile e deve essere eliminata. Si ha quindi una primitiva funzione respiratoria. La membrana, inoltre, deve essere in grado di mantenere la pressione osmotica, per evitare lo scoppio o il raggrinzimento; in più deve essere capace di effettuare uno scambio selettivo con gli ioni e di fungere da barriera con l’esterno.

Movimento e sensorialità negli organismi unicellulari

Per quanto riguarda il movimento, alcune cellule trovano vantaggioso spostarsi, sviluppando meccanismi di motilità, come sono ad esempio i muscoli o quelli presenti negli organelli, alla cui base ci sono processi proteici, che producono il movimento; altre volte invece, lo spostamento è fondato su emissione di pseudopodi che permettono la circolazione della cellula. Gli organismi unicellulari, sono poi in grado di sviluppare calore e quindi di effettuare uno scambio termico attraverso la membrana. È presente una primitiva funzione sensoriale, in quanto sono presenti dei recettori molecolari nelle cellule, che riescono a percepire l’ambiente circostante. Questa funzione la conosciamo molto sviluppata negli esseri superiori, ma esiste già a un livello basso. Il sistema sensoriale può variare da una primitiva sensibilità a una più complessa, evolvendosi senza limiti e raggiungendo sempre più raffinati tipi di sensibilità.

Organismo pluricellulare

Differentemente dagli organismi unicellulari abbiamo una maggior raffinatezza. Il sistema digestivo è dotato di una bocca, di un tubo digerente, da dove via via il materiale procede verso il basso, tramite il processo della digestione, durante il quale le varie cellule collaborano producendo quegli enzimi che negli organismi unicellulari dovevano essere prodotti all’interno delle vescicole.

Sistema di scambio dei gas

Sistema di scambio dei gas specializzato attraverso i polmoni, necessario per due motivi:

• Problema di diffusione, un concetto legato all’agitazione termica. L’agitazione termica permette la diffusione in spazi piccolissimi, ad esempio in un tessuto l’ossigeno può diffondere abbastanza bene per circa massimo 1/2 mm.
• Problema di rapporto superficie/volume, questo perché più l’organismo cresce di volume, più il rapporto superficie volume è minore. Non è possibile per individui di dimensioni maggiori a poche cellule mantenere il meccanismo presente negli unicellulari. È necessario sviluppare un insieme di organi, costituito dal sistema respiratorio, che hanno al proprio interno un’altissima quantità di alveoli, che vanno a costituire una superficie enorme; se si potessero espandere i polmoni, la loro superficie sarebbe circa come un campo da calcio.

Inoltre è necessaria una continua affluenza di gas ed è quindi necessario un sistema di ventilazione, ovvero inspirazione ed espirazione (circa 12 volte al minuto in condizioni di riposo). L’uomo può svolgere anche altre funzioni, infatti sfrutta la colonna di aria che passa nella laringe per emettere dei suoni attraverso le corde vocali e deve essere quindi in grado di coordinare respirazione con fonazione.

Sistema cardiocircolatorio

Sistema cardiocircolatorio: fa scorrere liquido appropriato che trasporti la quantità esatta di gas e una pompa che metta in funzione la quantità di liquido. Le cellule periferiche saranno così rifornite di ossigeno e ripulite dall’anidride carbonica che continuamente producono. Una volta che le sostanze di scarto sono arrivate al sangue, il tutto viene filtrato attraverso i reni, che arrivano a concentrare queste sostanze per poi espellerle dall’organismo.

Sistema termico

Sistema termico: il calore deve essere regolato e questa modulazione avviene per mezzo della superficie corporea, attraverso il meccanismo di traspirazione; in altre parole le cellule secernono il sudore, raccogliendolo nelle ghiandole per poi emetterlo attraverso la superficie cutanea. Il sudore trasmuta da liquido a vapore e, tramite questo passaggio di stato, si porta via una quantità di calore. Il sudore viene emesso continuamente, anche se non ce ne si accorge, è la cosiddetta transpiratio invisibilis, che non è avvertita, ma garantisce la continua traspirazione del calore.

Conoscenza e adattamento

Questo tipo di coordinamento è sempre più complesso, fino ad arrivare all’uomo, che è l’organismo più sviluppato: è il cosiddetto fenomeno adattativo, ovvero la capacità di apprendere da situazioni pregresse e applicare strategie adattative e nuove. Gli esseri viventi non sono solo il bersaglio della legge di Darwin, ma col tempo hanno capito come sfruttare attivamente la legge di Darwin, nel senso che l’uomo l’ha introiettata e la usa di continuo.

Ad esempio, è chiaro da alcuni decenni che il sistema immunitario è in grado di sviluppare risposte verso antigeni oramai conosciuti. Non ha, tuttavia, una memoria antecedente nei confronti di quelle molecole contro le quali sviluppa gli anticorpi, sono state sintetizzate, infatti delle molecole esistenti sulla terra e si è visto che l’organismo sintetizza, indipendentemente dalla memoria, anticorpi anche contro queste molecole. Si è quindi indagato e si è visto come, attraverso il meccanismo evolutivo e adattativo e indistintamente dalla memoria, l’organismo sintetizza gli antigeni; tra questi ci sono geni che si possono spostare e sono in grado di produrre molecole anticorpali, provandole di volta in volta contro gli antigeni, fino al momento in cui trovano quella giusta, la quale è poi amplificata e viene utilizzata per la distruzione dell’antigene.

Anche il cervello si pensa funzioni in questo modo, producendo idee completamente nuove e originali; per arrivare a generare idee di questo tipo, l’uomo utilizza concetti che ha già introiettato, e attraverso di essi ne simula poi il funzionamento. Per esempio, ci si può sedere e chiudere gli occhi pensando a com’è il mondo fuori e questa è una rappresentazione, che si discosta dalla realtà, in quanto ha dei limiti notevoli; molto spesso si immaginano cose insufficienti rispetto a quella che è la realtà vera. Un altro esempio di immaginazione è quella che porta un soggetto a pensare che andando contro la porta sbatterà la testa, senza che ci sia bisogno di testare la cosa. La conoscenza porta ad assemblare idee percepite dall’esterno e a produrre pensieri, che non sempre, come abbiamo già detto, corrispondono alla realtà e non sempre possono essere messe in atto.

L'ambiente interno dell'organismo

All’interno dell’organismo sono presenti degli spazi. L’acqua totale presente nel nostro corpo è all’incirca, in un individuo di corporatura media (70Kg) è di 42L. Quest’acqua è compartimentata, in quanto una quantità di liquido è contenuta all’interno delle cellule ed è circa 28L, mentre l’altra quantità è il liquido extracellulare, sito all’esterno della membrana cellulare ed è costituita da circa 14L. Parte di questo liquido extracellulare è costituito dal plasma, con precisione da 3L, che sono ricchi di globuli rossi; il restante è costituito invece dal liquido interstiziale, escluso il plasma, nel parenchima degli organi ci sono 11L.

Concetto di retroazione

È un concetto base della fisiologia. Per capirlo meglio immaginiamo una situazione nella quale si ha un’automobile, che viaggia a una velocità costante dal momento che viene mantenuta una pressione costante sull’acceleratore; a un certo punto del tragitto si incontra una salita e l’auto comincia a rallentare, passando da 60Km/h, andando a 58km/h e via via diminuendo. La velocità che diminuisce è un segnale chiamato segnale di errore, che informa che se volessi mantenere 60km/h è necessario un aumento la pressione sull’acceleratore. È un meccanismo regolatorio ed è presente ovunque nei sistemi viventi con il nome di feedback negativo.

Esempio di regolazione: la temperatura corporea

Nel momento in cui la temperatura sale, i centri termoregolatori del cervello cominciano a mandare segnali agli effettori per contrastare questo avvenimento. Perché questo si realizzi è necessario che ci sia una valutazione della temperatura; deve essere cioè identificato quel segnale di errore che esprime la riduzione di calore; la rilevazione di questo fattore è possibile attraverso un set point, ovvero un luogo dell’organismo dove è situata l’informazione ‘temperatura corporea corretta’, che in questo caso è nel cervello, in particolare nell’ipotalamo.

Vengono quindi confrontate le due informazioni (quella del set point e quella dell’ipotalamo) e, se la temperatura dei recettori e quella stabilita dall’ipotalamo sono identiche, la differenza è uguale a zero e non sarà necessario un intervento. Se, invece, è rilevata una differenza, si attiverà un sistema tale da ridurla ed, eventualmente, annullarla. La differenza porterà allora un effetto sui sistemi di controllo della temperatura, che è, nei sistemi più semplici la sudorazione ed evaporazione, mentre nei sistemi più complessi ci sono meccanismi sofisticati, che dipendono anche dalla conduzione.

Le ghiandole sono controllate dall’irrorazione del sangue che, nel momento in cui risulta abbondante, porterà a una maggior sudorazione da parte delle ghiandole, ma, nel momento in cui risulta scarso, si avrà una scarsa sudorazione. Il circolo cutaneo è anch’esso regolato dalla temperatura. Infine i muscoli scheletrici contribuiscono anch’essi, perché hanno un certo grado di contrazione, che non vediamo, ma lo avvertiamo come condizione di calore. Questa tonicità diventa massima nel momento in cui, per effetti termici estremi, siamo costretti a emettere i brividi, ovvero si ha una contrazione intensa dei muscoli che diventa visibile con il tremore e in quel momento si produce più calore rispetto al normale.

L’uomo è in grado allora di espellere calore e di produrre calore. Quando la temperatura corporea è sregolata, dunque. Frequenza potenziale di azione è modo di comunicare le informazioni. Il termocettore genera certa frequenza di potenziale d’azione per codificare una certa temperatura, quindi questi potenziali sono segnali o input che arrivano al centro integratore, che, se è diverso dall’input che arriva dal set point, avrò eventuale intuizione dell’errore, che modulerà la funzionalità del sistema. Se abbiamo un ambiente esterno freddo è necessario vaso-costringere i vasi in modo tale da far arrivare meno sangue caldo alla cute, che sarà meno calda e disperderà meno, così il calore sarà conservato nel tronco/torace/addome.

Quando si ha la febbre succede che un batterio ha alterato il valore del termocettore, che fa modificare la funzionalità di ciò che produce calore. Quando sta venendo la febbre si hanno i brividi, che sono in altre parole, una maggiore conduzione di calore, che è stata comandata e porta a un aumento di temperatura. Quando si prende l’anti-infiammatorio, comincia a scendere la temperatura e si ha caldo, questo perché si suda/si traspira per abbassare la temperatura, disperdendo calore. Al di sopra dei 40° si possono avere gravi danni, in quanto a un’alta temperatura è possibile che ci sia la denaturazione di certe proteine, che possono portare a danni irreparabili.

Regolazione e parametri

La regolazione avviene quindi con:

• Parametro;
• Altro parametro rilevato da un sensore;
• Regolatore che confronta i parametri;
• Eventuale processo di regolazione, laddove necessario.

Tipi di regolazione

• La regolazione può essere stabile;
• La regolazione può essere messa in oscillazione, che fa cambiare repentinamente il valore nel sistema, ciò può anche ipercompensarla, ovvero porta a una scompensazione dall’altro lato, ma una volta che si accorge lo riporta verso l’alto: è un’oscillazione smorzata.
• È comunque possibile che non siano smorzati, quindi possono esserci continue oscillazioni, ma il sistema non trova lo stato di regolazione.
• La regolazione può portare a un valore non ottimale, il parametro è regolato ma non raggiunge il livello esatto.

I due problemi a cui sono legati sistemi di questo tipo sono:

• Ritardo con cui il circuito interviene;
• Rapidità con cui il circuito interviene.

Lezione 2 (Brambilla)

Funzioni della membrana cellulare

La cellula ha tantissime funzioni ma, affinché queste siano possibili, è spesso necessario che ci sia un traffico di messaggi tra l’interno e l’esterno; ciò che rende questa necessità concreta è la membrana cellulare, che marca il confine tra l’ambiente intra ed extracellulare. La membrana ha diverse funzioni, quelle principali sono:

• Isolamento fisico, in quanto rappresenta una barriera tra il liquido intracellulare e il liquido extracellulare;
• Regolazione di scambi, che sono possibili grazie alle proteine site sulla membrana stessa, che possono essere trasportatrici, canali o recettori e sono funzionali alla comunicazione tra l’ambiente intra ed extracellulare;
• Ruolo strutturale e di supporto, che è possibile grazie alle proteine legate al citoscheletro, che permettono alla membrana di svolgere un ruolo nella determinazione della forma cellulare.