Fisologia - appunti

Fisiologia

La fisiologia è lo studio delle funzioni degli organismi. La fisiologia umana si occupa dell'organismo dell'uomo e del suo funzionamento. L'organismo è formato in ordine crescente da:

• Cellule
• Tessuti
• Organi
• Sistemi

Le cellule

Le cellule si dividono in 4 grandi categorie:

• Le cellule nervose (o neuroni): sono specializzate nella trasmissione di informazioni sotto forma di segnali elettrici; i neuroni hanno la funzione sia di ricevere che di trasmettere segnali da e verso altre cellule.
• Le cellule muscolari (o fibre muscolari): sono specializzate per contrarsi e generare forza meccanica e movimento.
• Le cellule epiteliali: si trovano in quei tessuti chiamati epitelio, costituiti da uno strato di cellule posizionato su un sottile strato di materiale non cellulare (membrana basale). Gli epiteli si trovano ovunque occorra tenere separati i liquidi corporei dall'ambiente esterno (es. superficie cutanea o superficie polmonare). Alcune cellule epiteliali formano le ghiandole, organi specializzati nella produzione e secrezione di un prodotto; esistono le ghiandole esocrine, che secernono il loro prodotto all'esterno dell'organismo (es. ghiandole sudoripare), e ghiandole endocrine che secernono ormoni, cioè sostanze chimiche che trasmettono messaggi alle cellule dell'organismo attraverso il loro rilascio nel sangue.
• Le cellule del tessuto connettivo: fra queste sono presenti le cellule del sangue, cellule ossee, ecc. Con il termine tessuto connettivo si indica qualsiasi struttura che ha lo scopo di fornire supporto fisico ad altre strutture. Nella maggior parte dei casi il tessuto connettivo è formato da cellule sparse immerse in una massa di materiale non cellulare chiamata matrice extracellulare. Le lunghe proteine fibrose di elastina (che danno elasticità ai tessuti) e collagene (che danno resistenza alla trazione) sono tra i costituenti più importanti della matrice extracellulare.

Tessuti, organi e sistemi

Qualsiasi tipo di cellula che svolge una stessa funzione è definito tessuto. Come le cellule, anche i tessuti sono differenziati in: tessuto nervoso, muscolare, epiteliale e connettivo. Quando due o più tessuti si combinano tra di loro formano un organo, una struttura che svolge particolari funzioni collegandosi a più tessuti. I vari organi sono strutturati in sistemi, insieme di organi che lavorano insieme per svolgere alcune funzioni (es. sistema cardiovascolare, gastrointestinale, ecc.).

Scambi e compartimenti corporei

Per poter vivere, le cellule devono ricevere ossigeno e nutrienti dall'ambiente circostante e devono rilasciare prodotti di scarto (es. anidride carbonica CO₂). Lo scambio di sostanze tra il sangue e l'ambiente esterno avviene in vari siti, tra cui i polmoni, il tratto gastrointestinale e i reni. L'uomo è composto d'acqua, che agisce come solvente nei confronti della maggior parte dei soluti che si trovano nei liquidi corporei. L'interno dell'organismo è formato da compartimenti separati grazie alla presenza di barriere di diverso tipo, come la membrana cellulare che separa il contenuto delle cellule dall'ambiente esterno. La membrana cellulare è detta semipermeabile perché lascia attraversare alcune molecole dall'interno verso l'esterno e viceversa, favorendo lo scambio.

Acqua corporea totale (ACT)

Il volume dell'acqua contenuta in tutto il corpo è definita acqua corporea totale (ACT) e, in una persona di 70 kg, rappresenta il 60% del peso corporeo. L'ACT si differenzia in:

• Liquido intracellulare (LIC): liquido contenuto all'interno della cellula
• Liquido extracellulare (LEC): liquido che si trova all'esterno della cellula. Il LEC è formato dal liquido interstiziale, soluzione acquosa presente fra le cellule di un tessuto, e il plasma del sangue.

LIC: 2/3 del totale ACT
Liquido interstiziale (80%)
LEC: 1/3 del totale Plasma (20%)

Il liquido intracellulare contiene molte proteine (proteine anioniche, ovvero con carica negativa) ed è ricco di potassio (K⁺), mentre il liquido extracellulare è ricco di sodio (Na⁺) e di cloro (Cl^-).

Omeostasi

L'organismo contiene una serie di meccanismi che regolano e mantengono costanti le condizioni dell'ambiente interno dell'organismo, nonostante le variazioni dell'ambiente esterno. Questa funzione di regolazione costante è definita omeostasi. L'alterazione dell'omeostasi porta a uno stato patologico; i fattori da regolare continuamente sono la temperatura (che si attesta intorno ai 37°), la composizione e il volume del liquido extracellulare (LEC).

Processi e trasporto di membrana

La membrana plasmatica è composta da un doppio strato fosfolipidico in cui si trovano sparse proteine e molecole di colesterolo. Alcune proteine importanti sono le proteine transmembrana che vengono a contatto sia con il liquido extracellulare che con il citosol (all'interno della cellula). La membrana plasmatica ha la funzione di mantenere i confini della cellula e l'integrità della struttura cellulare. La membrana plasmatica è semipermeabile e i due ambienti (interno ed esterno) differiscono di gradiente di concentrazione, cioè la differenza di soluto rispetto a due soluzioni comunicanti (ovvero differenza di soluto tra l'ambiente intra ed extra cellulare).

(+) Riguardo alle cariche positive: Nell'ambiente extracellulare prevalenza di sodio (Na⁺). Nell'ambiente intracellulare prevalenza di potassio (K⁺).

(-) Riguardo alle cariche negative: Nell'ambiente extracellulare prevalenza di cloro (Cl^-). Nell'ambiente intracellulare prevalenza di proteine anioniche (P^-).

Trasporto attivo

Il trasporto attivo richiede energia (prodotta dall'ATP) per trasportare alcune molecole attraverso la membrana.

Trasporto PASSIVO: La direzione del flusso è secondo gradiente di concentrazione (o gradiente elettrochimico).

Trasporto ATTIVO: La direzione del flusso è contro gradiente di concentrazione (o gradiente elettrochimico) e richiede un dispendio di energia (ATP) per far muovere le molecole contro la forza elettrochimica che le spinge nella direzione opposta.

Le proteine coinvolte nel trasporto attivo vengono chiamate pompe, molto importante è la pompa sodio – potassio: consumando ATP la pompa è in grado di trasportare 3 ioni sodio (Na⁺) dall'interno all'esterno e portare due ioni potassio (K⁺) dall'esterno verso l'interno.

Potenziale di membrana

La membrana cellulare è dotata di canali per lo scambio di ioni (ci sono molti più canali per il potassio che per il sodio). Grazie a questi canali parte del potassio esce dalla cellula che perde quindi cariche positive, diventando negativa rispetto all'ambiente extracellulare. Il valore di potenziale di riposo si attesta intorno ai –70 mV (millivolt). Questo valore è mantenuto costante dalla costante attivazione della pompa sodio – potassio che rende costantemente la cellula polarizzata (negativa).

Alcune cellule (es. neuroni) possono modificare il potenziale di riposo aprendo i canali del sodio in risposta a stimoli e rendendo l'ambiente intracellulare meno negativo.

• Se il potenziale raggiunge i –55 mV avviene la depolarizzazione della membrana. Alcuni canali del sodio si aprono facendo entrare massivamente Na⁺ e rendendo la cellula positiva.
• Al raggiungimento di un certo valore (+35 mV) i canali del sodio si inattivano non facendo più passare ioni Na⁺; contemporaneamente per ristabilire il gradiente di concentrazione e quindi ri-polarizzare la cellula si aprono i canali del potassio, che di natura sono più lenti ad aprirsi, facendo uscire moltissimi ioni K⁺. Questa forte fuoriuscita di potassio fa riportare la cellula in uno stato di ri-polarizzazione.
• A causa della fuoriuscita del potassio, la cellula si iperpolarizza, raggiungendo valori di –90 mV. I canali del sodio da inattivi, diventano chiusi.
• Nonostante la cellula sia tornata negativa, all'interno sono ancora presenti enormi quantità di Na⁺, mentre all'esterno sono presenti molti ioni potassio; il potenziale di riposo (-70 mV) si ripristina lentamente grazie alla pompa Na⁺/K⁺ che riequilibra il gradiente chimico.

La legge del tutto o nulla è una proprietà secondo la quale uno stimolo al di sotto di una soglia (-55 mV) non provoca alcun potenziale di azione, al contrario se superasse la soglia di depolarizzazione susciterebbe un potenziale d'azione costante per quel tipo di cellula. Durante e immediatamente dopo un potenziale di azione la membrana è meno eccitabile che a riposo. Il periodo di ridotta eccitabilità è definito periodo refrattario che può essere:

• Assoluto: in questa fase la membrana è refrattaria a qualsiasi altro stimolo perché i canali del sodio sono in funzione e qualsiasi altro stimolo verrebbe ignorato.
• Relativo: in questa fase è possibile generare un secondo potenziale di azione, ma con più difficoltà perché la cellula, essendo iperpolarizzata (-90 mV), avrà più difficoltà a raggiungere la soglia di –55 mV che, come detto in precedenza, farà ripartire il processo di depolarizzazione.

Cellule nervose e sinapsi

Il sistema nervoso può essere diviso in due parti:

• Sistema nervoso centrale (SNC): formato dall'encefalo e dal midollo spinale; il SNC riceve ed elabora informazioni dagli organi sensoriali per determinare lo stato dell'ambiente interno ed esterno. Dopo aver elaborato le informazioni prende decisioni su azioni appropriate e quindi invia gli impulsi al resto del corpo.
• Sistema nervoso periferico (SNP): formato dalle cellule nervose che si occupano della comunicazione tra il SNC e gli organi del corpo; il sistema nervoso periferico può essere suddiviso in:
  • Componente efferente: le cellule nervose trasmettono le informazioni e i comandi dal SNC agli organi periferici, definiti organi effettori (in particolare muscoli e ghiandole).
  • Componente afferente: le cellule nervose trasmettono le informazioni sensoriali dalla periferia al SNC.

La divisione efferente può essere ulteriormente suddivisa in due grandi branche: il sistema nervoso somatico (o volontario) e quello autonomo (o involontario). Il sistema nervoso somatico è formato da cellule nervose, i motoneuroni, che regolano la contrazione dei muscoli scheletrici. Il sistema nervoso autonomo è composto da cellule che regolano la funzione di organi interni e di altre strutture (ghiandole sudoripare e vasi sanguigni) che non sono sotto il controllo volontario. Il sistema nervoso autonomo può essere suddiviso in sistema nervoso parasimpatico e simpatico, i quali tendono ad avere effetti opposti sugli organi.

I neuroni

Il sistema nervoso è composto da due tipologie di cellule: i neuroni e le cellule gliali. I neuroni sono cellule eccitabili che comunicano trasmettendo impulsi elettrici e quindi capaci di produrre potenziali d'azione. Il neurone è composto da un corpo cellulare, dai dendriti e dall'assone; il corpo cellulare (soma), dove è contenuto il nucleo, svolge la maggior parte delle funzioni compiute dalle altre cellule, come la sintesi proteica o il metabolismo cellulare. I dendriti si diramano dal corpo cellulare e ricevono afferenze da altri neuroni mediante sinapsi, ovvero punti di contatto tra due cellule nervose che servono per propagare gli impulsi nervosi.

Infine è presente l'assone, che, al contrario dei dendriti, invia le informazioni. L'assone serve per la trasmissione di informazioni sotto forma di segnali elettrici definiti potenziali d'azione. Il monticolo assonico, cioè la parte dell'assone che si collega al corpo cellulare, si occupa della creazione del potenziale d'azione. Il terminale assonico (o bottone sinaptico) è specializzato nel rilascio del neurotrasmettitore all'arrivo del potenziale d'azione. La cellula che invia e che quindi rilascia il neurotrasmettitore è definita cellula presinaptica. La cellula che riceve un segnale di un neurotrasmettitore è definita cellula postsinaptica.

Esistono tre tipologie di neuroni: i neuroni efferenti, che trasmettono le informazioni dal SNC agli organi effettori; successivamente sono presenti i neuroni afferenti, che trasmettono le informazioni dai recettori sensoriali al SNC. La terza e ultima tipologia è quella degli interneuroni, i quali svolgono tutte le funzioni: dall'elaborazione delle informazioni provenienti dai neuroni afferenti all'esecuzione di funzioni cerebrali complesse come il pensiero, la memoria e l'emotività.

Ciascuna regione del neurone presenta canali ionici specifici, molti dei quali possono aprirsi o chiudersi. A differenza della chiusura o dell'apertura di questi canali, la permeabilità della membrana cellulare cambia. Nella membrana cellulare sono presenti diversi tipi di canali ionici:

• Canali ionici passivi: sono sempre aperti e mantengono il potenziale di riposo.
• Canali ligando-dipendenti: si aprono o si chiudono in base al legame tra un messaggero chimico (ligando) e il recettore presente sulla membrana plasmatica.
• Canali voltaggio dipendenti: si aprono o si chiudono in base a modificazioni del potenziale di membrana.

Le cellule gliali

Le cellule gliali, insieme ai neuroni, sono una tipologia di cellule presenti nel sistema nervoso. Le cellule gliali forniscono integrità strutturale al sistema nervoso permettendo ai neuroni di svolgere le loro funzioni. Sono presenti 4 tipologie di cellule gliali:

• Astrociti
• Microglia
• Oligodendrociti
• Cellule di Schwann (le uniche presenti nel SNP)

Sia gli oligodendrociti che le cellule di Schwann hanno la funzione di formare uno strato di mielina attorno agli assoni dei neuroni in modo da trasmettere i potenziali d'azione in modo più veloce ed efficace. Più precisamente, gli oligodendrociti formano la guaina mielinica attorno agli assoni del SNC, mentre le cellule di Schwann la formano intorno agli assoni del SNP. Poiché la membrana cellulare ha bassa permeabilità agli ioni, la guaina mielinica riduce il passaggio di ioni attraverso la membrana cellulare. Tuttavia, esistono interruzioni della guaina mielinica, chiamate nodi di Ranvier, in cui la membrana dell'assone contiene canali voltaggio-dipendenti per il sodio e per il potassio che funzionano nella trasmissione dei potenziali d'azione.

Potenziali di equilibrio

Una cellula a riposo presenta una differenza di potenziale della membrana che fa sì che l'interno della cellula sia carico negativamente rispetto all'esterno. Tale differenza di potenziale è definita potenziale di membrana a riposo (-70 mV). La pompa sodio – potassio crea dei gradienti di concentrazione per il sodio e per il potassio trasportando tre ioni Na⁺ fuori dalla cellula e due ioni K⁺ all’interno.