Fisiologia umana, parte 1

Corso di fisiologia umana

Prof. Alberto Battezzati

Parte 1: introduzione, acqua e trasporto di membrana, sistema nervoso

© Laila Pansera – 1

Sommario

• Introduzione ........................................................................................................................................................................... 4
• Organizzazione ed omeostasi dell’organismo umano ...................................................................................... 4
• Acqua e trasporto di membrana................................................................................................................................... 13
• Forza chimica ........................................................................................................................................................ 14
• Forza elettrica ..................................................................................................................................................... 15
• Forza elettrochimica ..................................................................................................................................... 17
• Permeabilità di membrana ............................................................................................................................ 18
• Trasportatori ....................................................................................................................................................... 19
• Osmosi ......................................................................................................................................................................... 21
• Il sistema nervoso ............................................................................................................................................................... 22
• Il neurone .......................................................................................................................................................................... 23
• Canali ionici ...................................................................................................................................................................... 24
• Il potenziale di membrana .......................................................................................................................................... 26
• Il potenziale d’azione.................................................................................................................................................... 28
• Come si producono i potenziali sinaptici ............................................................................................................. 31
• Canali ionici delle sinapsi ............................................................................................................................. 33
• Potenziali post-sinaptici ............................................................................................................................... 35
• Trasmissione sinaptica ................................................................................................................................................. 36
• Azione sulla cellula post-sinaptica ......................................................................................................................... 38
• Sistema nervoso .................................................................................................................................................................. 41
• SNC .......................................................................................................................................................................................... 41
• Organizzazione del SNC: materia grigia e materia bianca ........................................................................... 45
• Midollo spinale ............................................................................................................................................................... 46
• Vie ascendenti e vie discendenti .............................................................................................................................. 50
• Encefalo ............................................................................................................................................................................. 52
• Funzioni integrate del sistema nervoso................................................................................................................. 55
• Riflessi ......................................................................................................................................................................... 55
• Programmazione del movimento volontario ............................................................................. 58

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• Altre funzioni integrative: controllo corticale dei movimenti .................................... 59
• Cervelletto .............................................................................................................................................................. 59
• Sistema reticolare attivante ascendente ........................................................................................ 60
• Sonno.......................................................................................................................................................................... 60
• Emozioni .................................................................................................................................................................... 61
• Risonanza funzionale .................................................................................................................................... 62
• Fame e sazietà ........................................................................................................................................................ 62
• Percezione sensoriale ................................................................................................................................................... 64
• Sensibilità termodolorifica ........................................................................................................................ 71
• Vista .............................................................................................................................................................................. 74
• Udito ............................................................................................................................................................................ 80
• Gusto ........................................................................................................................................................................... 80
• Olfatto ....................................................................................................................................................................... 81
• Sistema nervoso periferico efferente ..................................................................................................................... 82
• Sistema nervoso autonomo ...................................................................................................................... 82
• Sistema nervoso somatico .......................................................................................................................... 88

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Introduzione

La fisiologia spiega il funzionamento dell’organismo. Anche la biochimica, l’anatomia, la biologia cellulare, la fisica, l’ingegneria lo studiano. Tutto ciò serve a comprendere la fisiopatologia nel contesto della nutrizione. Ci siamo resi conto nella seconda metà del secolo scorso che molte patologie sono legate e promosse da un alterato stato di nutrizione e da un’alterata alimentazione.

Non ufficialmente, possiamo distinguere:

• Alimentazione: processo di introdurre alimenti; si riferisce al nutriente
• Nutrizione: mio stato di nutrizione; si riferisce al nutrito.

Alcuni gruppi umani (es. indiani, cinesi), cambiando ambiente sviluppano obesità, perché incontrano la sicurezza alimentare. Per alcune patologie ci sono dei farmaci, per altre (legate alla nutrizione) non ce ne sono molti. Alcune patologie come obesità e diabete non hanno una causa chiara, di certo sappiamo che l’ambiente ha un ruolo fondamentale per l’insorgere di alcune patologie. L’argomento quindi non è completamente medicalizzabile, e bisogna tenere in considerazione il rapporto tra l’assetto genico e l’ambiente in cui il soggetto si trova: una persona può avere un assetto genico più adatto a vivere in certi contesti. Es. talassemia: la malaria si diffonde meno se gli individui sono talassemici, quindi l’ambiente offre un vantaggio collaterale. Ci sono poi situazioni in cui l’ambiente favorisce l’insorgere di una malattia. Occorre cercare un ambiente ottimale per l’assetto genico della persona. Quindi per fare questo non è importante solo essere medici, ma è importante essere anche esperti dell’ambiente alimentare, e occorre suggerire scelte consone per l’individuo. Bisogna cercare di lavorare in team: serve un approccio medicalizzato insieme ad un approccio maggiormente focalizzato sull’ambiente alimentare.

Organizzazione ed omeostasi dell’organismo umano

L’organismo è qualcosa di dinamico. OMEOSTASI: mantenimento della stabilità dell’ambiente interno dell’organismo. Questa definizione non ci dice tutto. La stabilità è in realtà continuamente trasgredita, dinamica, implica la presenza di variabili regolate (es. temperatura, concentrazione plasmatica di soluti, volume e pressione plasmatica) per cui esistono sistemi di controllo, che sono:

• Feedback negativo: utilizza dei set point (valori di riferimento) e sensori, che producono degli input diretti a centri integrativi, che confrontano il valore della variabile con il set point e a loro volta emettono output diretti a elementi effettori: quando la variabile regolata supera il set point, gli elementi effettori tendono a riportarla entro i limiti, ossia il feedback negativo produce una variazione del valore della variabile regolata opposta alla reazione che ha generato il feedback. Es. termoregolazione, regolazione della pressione sanguigna, controllo della ventilazione, regolazione del pH e dell’osmolarità.
• Feedback positivo: tende ad amplificare il cambiamento registrato dai sensori. Quindi può generare delle instabilità, che poi corregge con dei sistemi a feedback negativo. Es. potenziale d’azione, ciclo mestruale, meccanismo di infiammazione.

Se non ci fossero queste oscillazioni che il feedback negativo tende a smorzare, l’organismo le creerebbe da solo, con dei sistemi a feedback positivo. Il processo nutrizionale influenza questi sistemi a feedback, crea delle variazioni, es. regolazione della pressione sanguigna e sale: il sale per forza osmotica richiama acqua, quindi tende ad aumentare il volume di sangue, ecco perché un’alimentazione ricca di sodio peggiora l’ipertensione, anche se esistono dei sistemi di controllo dell’ipertensione. Quindi nonostante questo possiamo avere un carico allostatico (ambientale, esterno) che eccede la capacità di regolazione omeostatica.

Noi studiamo i meccanismi di controllo sempre di tipo feedback.

Esempio di feedback negativo: sale la temperatura corporea, ci sono dei termocettori che mandano un input a centri termoregolatori del cervello che comparano la temperatura reale al set point e inviano i segnali appropriati agli effettori (sudorazione, vasodilatazione, diminuzione del lavoro muscolare). Dopodiché mandano un output alle ghiandole sudoripare e al sangue. Quando ho la febbre improvvisa, è perché ho cambiato il set point (da 36 a 39°C), quindi l’organismo ha la sensazione che faccia freddo (quello che viene inviato dai termocettori è considerato inadeguato dal set point); quindi molto della percezione cosciente non ha a che fare con la sensazione primaria, ma ha a che fare con la risposta che diamo. Il cervello interpreta la temperatura in base alla reazione che ha l’organismo (decodifica la sensazione ambientale dopo la nostra risposta fisiologica) prima→l’organismo decide che va alzata la temperatura, dopo io interpreto scorrettamente che fuori fa freddo. La nostra percezione cosciente quindi non è scientifica. Tutto ciò si può comprendere se abbiamo chiaro lo schema del feedback. C’è un set point sulla base del quale decidiamo se l’input è coerente e attiviamo una risposta mediante effettori per modificare il nostro stato.

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La seguente immagine mostra sempre il meccanismo a feedback della termoregolazione. La temperatura ambientale si abbassa in questo caso. Qui viene messo in chiaro che le risposte sono ridondanti: non c’è un solo modo per alzare o abbassare la temperatura (effettori):

• Ghiandole sudoripare (non sudo)
• Vasi sanguigni (chiudo, sono pallido)
• Muscolatura scheletrica (contraggo la muscolatura, brividi, pelle d’oca).

Le risposte ridondanti permettono una maggiore stabilità del sistema. L’organismo però non è assolutamente simmetrico sui meccanismi che controllano una variabile, per cui non è perfettamente calibrato a garantire la stabilità quando una variabile va in una direzione, oppure in quella opposta. Quindi è importante avere dei sistemi ridondanti per controllare una variabile, come nel caso delle patologie, le quali possono insorgere quando uno di questi sistemi ridondanti è alterato. Es. la glicemia si abbassa, possono intervenire diversi sistemi: glucagone, cortisolo, adrenalina, ormone della crescita. Se uno di questi sistemi fallisce, tamponano gli altri 3. Se la glicemia si alza abbiamo l’insulina, ma in questo caso non abbiamo altri sistemi. In effetti è più frequente il diabete, anche se l’industria alimentare raramente riesce a promuovere alimenti che abbassano la glicemia. Se si tratta di glicemia siamo asimmetrici: siamo più capaci di aumentare il poco, rispetto a ridurre il tanto. Lo stesso concetto vale per la pressione: abbiamo tanti sistemi che alzano la pressione, ma pochi che la abbassano (occorre ridurre i meccanismi che la alzano). Ci sono quindi per glicemia e pressione molti sistemi controregolatori, ma pochi che aumentano i valori → non ho risposte simmetricamente efficaci.

Inoltre posso determinare un’oscillazione ad onda quadra di una certa variabile. Se io esco in costume a -2°C, ci metto del tempo ad avere delle reazioni a feedback, e questo fa sì che le risposte siano prolungate nel tempo. Le variabili regolate continuano ad oscillare per questo motivo. Il grafico dice che dopo un certo tempo la variabile ritorna al punto di partenza, ma non è così

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necessariamente, perché potrebbe anche superare tali valori, grazie ai sistemi di controregolazione. Questo concetto si vede anche nell’alimentazione, ad esempio faccio un pasto ricco di carboidrati immediatamente disponibili: la glicemia sale improvvisamente, e questa salita determina dopo un certo ritardo, un picco di secrezione insulinica. La glicemia raggiunge un picco e comincia a scendere, il pancreas smette di produrre insulina, ma lei resta in circolo per un certo periodo, per cui la glicemia scende e decade. Quando la glicemia è tornata al livello di base ma l’insulina è ancora alta, io vado in ipoglicemia, quindi entrano in gioco glucagone ed adrenalina, che riportano in gioco la glicemia. Questo meccanismo è frequente nei soggetti insulino-resistenti, che mangiano cibi ad alto indice glicemico, che sentono il bisogno di alimentarsi di nuovo dopo il pasto (perché vanno in ipoglicemia). È quindi diversa la somministrazione di alimenti che rendono il glucosio subito disponibile rispetto a quella di un alimento in cui il glucosio non è direttamente disponibile, che produrrà una risposta minore e più prolungata, e quindi un’oscillazione minore. La malattia infine può essere ipo- o iper-glicemia, e può essere definita come fuoriuscita di un parametro dai limiti di controllo e può essere favorita da dei controlli dinamicamente inefficaci. Quindi le oscillazioni devono essere smorzate nel tempo.

Il concetto di feedback può essere anche applicato all’attività sportiva, a produrre la spirale virtuosa dell’allenamento fisico. Abbiamo sforzo, debilitazione, recupero, di nuovo sforzo, che si ripetono ciclicamente. In altre parole piccoli aumenti di affaticamento e debolezza conseguenti ad ogni esercizio fisico vengono seguiti da ipercompensazione durante il recupero, ciò porta ad un adattamento caratterizzato da condizioni fisiche e capacità funzionali migliori prima dell’esercizio.

Il sistema metabolico legato alla nutrizione è molto complesso. Ogni organo però ha le sue funzioni specifiche, ma tutti gli organi cooperano tra di loro per la regolazione omeostatica dell’organismo. Ogni soggetto può essere compreso a diversi livelli, e la stessa cosa succede per la fisiologia. Possiamo studiare il corpo umano a diversi livelli organizzativi:

• Chimico
• Cellulare
• Tissutale
• Degli organi
• Sistemico
• Dell’organismo

È importante avere la coscienza del livello al quale certe affermazioni valgono. La scienza è partita dai livelli di complessità superiori, per arrivare a quelli inferiori, poi però occorre ripercorrere i diversi livelli in senso inverso, per capire se quello che si è scoperto funziona. Es. possiamo trovare una molecola potenzialmente benefica a livello cellulare, ma poi scopriamo che tale composto a livello sistemico non produce gli effetti desiderati, perché forse non basta la quantità assunta (o servirebbero quantità di quel composto che implicano l’assunzione troppo elevata dell’alimento in cui sono presenti, come il resveratrolo), oppure tale composto non viene assorbito. Devo quindi vedere le proprietà degli alimenti in base al livello di evidenza raggiunto, e a quale livello di organizzazione ci si riferisce.

I principali tipi di cellule che ci sono nell’organismo sono 4:

• Neuroni