Lezioni, Fisiologia generale

Fisiologia veterinaria

Presentazione del corso

La fisiologia studia come funziona il corpo e perché funziona in quel modo. È, infatti, una scienza che studia la vita e le funzioni organiche dei vegetali, degli animali e dell’uomo (come e perché funziona). L’organismo integra le relazioni intercorrenti tra le diverse funzioni e le diverse strutture. La fisiologia si occupa delle funzioni degli organismi viventi e come queste vengono regolate (S.N e S.E.).

Inoltre, studia le correlazioni e le integrazioni delle diverse funzioni. Per esempio, quando a livello renale avviene l’ultrafiltrazione del plasma ematico, arriva a questo distretto un’alta quantità di sangue, ma se si cominciasse a correre, il rene riceverebbe meno sangue, che sarebbe convogliato in parte al distretto muscolare. Ed infine l’adattamento al variare dell’ambiente.

Per studiare al meglio la fisiologia è necessario comparare le diverse specie. Noi ci occupiamo dei mammiferi, che vivono tutti in ambiente terrestre e respirano con i polmoni. Esistono, però, altri vertebrati che trovano diverse soluzioni agli stessi problemi dei mammiferi. I pesci, per esempio, traggono l’ossigeno necessario alla respirazione dall’acqua, mentre gli uomini lo inalano dall’aria. Questa diversità di ambiente richiede, quindi, diverse soluzioni. La comparazione tra specie permette lo studio delle soluzioni adottate nei diversi ambienti di vita.

Il sistema nervoso e il sistema endocrino sono la centrale direttiva dell’organismo, a cui arrivano tutti gli input e da cui escono tutti gli output per la relazione con l’ambiente. Per quanto riguarda il sistema immunitario, fino a pochi anni fa si riteneva fosse un sistema controllato come gli altri e che diventasse un sistema di controllo solo in situazioni di allerta. Al giorno d’oggi, però, si è scoperto che il sistema immunitario ha funzioni costitutive, cioè di controllo anche quando l’animale non è malato. Si comincia, quindi, a parlare di un circuito psico-neuro-endocrino-immunitario. Ci occuperemo anche dei visceri e dell’apparato locomotore, cioè del controllo nervoso del muscolo.

Il benessere è responsabilità del veterinario e se l’animale sta bene è in grado di produrre in modo efficiente. L’animale è inserito in un contesto ambientale che lo influenza molto. L’ambiente può essere suddiviso in due categorie:

• Biotico, connesso agli organismi viventi, in cui la presenza di un individuo influenza quella di un altro individuo (emissione di calore corporeo, batteri, consumo di ossigeno).
• Abiotico, connesso a condizioni non correlate agli organismi viventi, come per esempio il clima e il microclima, l’umidità relativa, la pressione parziale dell’ossigeno, la temperatura.

Anche il comportamento è una quota fondamentale della capacità dell’animale di sopravvivere e determina l’aggiustamento fisiologico dell’animale.

Possiamo suddividere gli organismi viventi in due categorie:

• Animali che non effettuano regolazione
• Animali che effettuano regolazione

Gli animali del primo caso non consumano energia perché muovono le proprie variabili interne in base a quelle esterne. Il rischio è che le variabili esterne arrivino ad un limite non compatibile con la vita, per cui l’animale non sopravvive. Anche alcuni parametri dei mammiferi non sono regolabili. Esistono alcuni piccoli pesci che vivono a grandi profondità, in cui le condizioni ambientali sono sempre costanti. Questi pesci sono perfettamente adattati al loro ambiente e vivono senza sprecare energie, ma se vengono portati a profondità minori, muoiono.

I mammiferi utilizzano, invece, soluzioni molto diverse. Rientrano, infatti, negli animali che effettuano regolazioni (secondo caso): al variare del parametro esterno studiato, per esempio la temperatura, i mammiferi, definiti omeotermi, effettuano una regolazione. Per un intervallo di stabilità prefissato, al variare della temperatura esterna, l’animale mantiene costante la propria temperatura interna. Questo assioma non vale per tutti i valori di T esterne, infatti se un uomo si trova a -50 gradi, questo congela e muore, ma è valido solo per un range di un determinato parametro.

Per ogni parametro considerato ci sono meccanismi che regolano il mantenimento delle condizioni ottimali, cioè l’omeostasi, che viene definita come la condizione di equilibrio dinamico interno mantenuta tramite l’attivazione di tutte quei meccanismi di regolazione compensativi, che richiedono un dispendio energetico. Omeo significa “stesso”, Stasi “che è fermo”, perciò lo studio delle funzioni viene svolto per mantenere la condizione omeostatica. Il vantaggio della regolazione è la capacità di adattamento, anche se comporta un costo energetico imponente.

I parametri fondamentali sono:

• Temperatura
• Salinità
• pH
• pO₂
• [ioni]
• [glucosio]

Un altro concetto fondamentale è quello di feed back, cioè l’azione di controllo effettuata dall’organismo per mantenere costante la variabile da controllare. Per esempio, consideriamo come sistema controllato la glicemia. Il sangue, con un dato valore di glucosio, circola nel corpo e per ogni specie animale si ha un valore di glicemia specifico e definito, cioè un set point: la glicemia dell’uomo dev’essere 80mg/100ml, quella di un monogastrico a digiuno è 80mg, quella di un poligastrico è circa di 35mg. La quantità di glucosio viene risentita da cellule dette Glucostati, cioè dei recettori che rilevano la sua concentrazione nel sangue. Se la glicemia è uguale a quella ottimale, tutto viene considerato nella norma e non si ha regolazione, se, invece, è più alta del dovuto, entra in atto un meccanismo a feed back negativo che va a controllare il parametro. Quindi per mantenere l’omeostasi, entrano in gioco:

• Sensori/Recettori – cellule con competenze specifiche per uno o più dati specifici, che ne percepiscono la variazione e inviano le informazioni
• Centro di controllo – SNC solitamente, che elabora una risposta al segnale di variazione
• Effettore – cellula che attua la modifica, di modo che il parametro venga riportato al valore iniziale (ad esempio, muscoli o ghiandole endocrine)
• Stimolo che perturbi la variabile.

I feed back negativi sono quelli più comuni (85%) e fanno parte del concetto omeostatico (si oppongono alla variazione in atto), ma esistono anche feed back positivi, più rari e che generalmente aiutano a spostare il parametro controllato in condizione diversa (non si oppongono, ma amplificano la variazione). L’animale modifica i suoi parametri in base alla sua età, alla sua maturità sessuale e le femmine, durante la loro vita riproduttiva, assumono condizioni fisiologiche molto diverse, per esempio la fisiologia adottata durante la gravidanza è molto diversa da quella durante la lattazione. Nella femmina queste condizioni richiedono un processo omeoretico, cioè la fisiologia si modifica per effettuare degli adattamenti in modo tale che ciò che era corretto nell’animale ciclico risulti corretto nell’animale gravido, in cui le condizioni devono essere necessariamente diverse (in gravidanza l’apporto di sangue all’utero aumenta, la volemia, cioè il volume del sangue circolante, aumenta).

In altre parole, in un sistema dinamicamente auto-regolantesi (come un organismo) si può definire omeoresi, ovvero una seria di azioni regolative tese a raggiungere un obbiettivo designato (ovvero un SET POINT) diverso. Quindi nel concetto di omeoresi è insita un’idea di percorso verso un set point modificato.

Claude Bernard (1813-78) introduce il concetto di stabilità dell’ambiente interno dell’organismo, definendolo “Milieu interieur”. Solo successivamente Walter Cannon (1871-1945) definisce l’omeostasi come la tendenza dell’organismo a mantenere lo “STATO STAZIONARIO” ovvero un AMBIENTE INTERNO STABILE a fronte di modificazioni ambientali. Su un organismo in omeostasi possono agire variazioni interne o variazioni esterne, che alterano lo stato omeostatico, per cui l’organismo tenta di compensare. Se la compensazione ha successo, il benessere viene ripristinato, ma se questo non avviene si ha uno scompenso che porta a malattia e alla perdita della funzione. Questo è un esempio di condizione stressante, cioè la condizione che fa variare qualche parametro interno a cui occorre portare una risposta con il comportamento o con la fisiologia. Il concetto di stress non deve, quindi, essere considerato negativo in assoluto in quanto, se la risposta è efficace, l’animale recupera la sua situazione omeostatica.

Il comportamento è fondamentale per la sopravvivenza dell’animale, soprattutto il comportamento innato (quota maggiore del programma genetico correlata alla sopravvivenza), e viene messo in pratica grazie all’attività motoria fornita dall’apparato locomotore. Se l’animale non si può muovere, non può mettere in atto comportamenti, né mantenere l’omeostasi.

Il benessere non è quindi l’assenza di stimoli stressori, ma è quando l’organismo riesce a far fronte a queste nuove situazioni. Per questo motivo, gli animali regolatori hanno la possibilità di vivere in ambienti diversi e variabili, mentre i non regolatori sono limitati a ambienti estremamente costanti o microsistemi immutabili, in cui consumano una quantità molto ridotta di energia per il mantenimento della propria vita, ma in cui un minimo cambiamento può portare danni irreparabili.

La cellula

Un organismo è costituito da sistemi organizzati e compartimentalizzati, diversi/isolati dall’ambiente in cui è inserito. Questo organismo ha delle barriere che lo delimitano dall’ambiente. Il sistema può essere:

• Completamente isolato, ma nei nostri organismi non è possibile.
• Chiuso, in cui tra l’interno e l’esterno viene scambiata solo energia.
• Aperto, in cui vi sono scambi di energia e di materia tra interno ed esterno.

Il nostro organismo nel complesso, ma anche la cellula, viene, quindi, considerato un sistema compartimentalizzato e aperto. Anche a livello cellulare la compartimentalizzazione è fondamentale, si crea un dentro e un fuori. Anche nel mondo microscopico, e il dentro e il fuori comunicano tra loro.

È presente nell’animale (e nell’uomo) una superficie esterna data dalla cute, la quale ha delle estroflessioni, cioè le mucose. Queste porzioni interne del corpo hanno un contatto con l’esterno e sono principalmente tre:

• Apparato respiratorio
• Apparato digerente, che ospita organismi simbionti, ritenuti sempre più importanti, tanto che i medici si occupano di quello che viene chiamato microbiota intestinale, ovvero l’insieme dei microrganismi simbionti presenti nel tubo digerente
• Apparato uro-genitale. Nella femmina, per esempio, all’apice delle corna dell’utero, sono presenti le fimbrie, che sono aperte e rivolte verso la cavità addominale, tanto è vero che gli spermatozoi risalgono le vie genitali femminili portandosi in peritoneo. È, quindi, presente un canale completamente aperto che arriva fino all’addome, in cui sono presenti dei sistemi che impediscono ai patogeni di risalire. Sempre nella femmina, poi, vi sono anche i dotti lattiferi che comunicano all’esterno attraverso i dotti papillari. All’esterno sono presenti cellule protettive, mentre all’interno sono presenti cellule che effettuano degli scambi: a livello polmonare abbiamo le cellule alveolari, a livello intestinale avvengono scambi nel piccolo intestino.

Abbiamo, inoltre, una struttura extracellulare, tra le cellule, e una intracellulare, all’interno della cellula, e tra questi due distretti avvengono sempre continui scambi.

La cellula eucariote è un piccolo esempio di un sistema compartimentalizzato, ma aperto, nel senso che avvengono scambi imponenti tra il dentro e il fuori. Essa è piena di organuli, cioè strutture subcellulari, anch’esse compartimentalizzate. La fisiologia esiste e l’organismo vive perché ci sono tutte queste strutture separate che effettuano continuamente scambi tra loro. La cellula classica è caratterizzata da:

• Un nucleo
• Un citoplasma
• Una membrana che la delimita dall’esterno

Esistono molti tipi diversi di cellule, le quali sono caratterizzate da diverse morfologie, diverse strutture interne e diverse funzioni specializzate (l’uomo presenta 100.000 miliardi di cellule suddivise in 200 tipi diversi). Si parla, quindi, di cellule differenziate, che hanno acquisito delle funzioni specializzate, come per esempio i globuli rossi (©), che hanno come funzione principale il trasporto dell’ossigeno e che sono così differenziate da aver perso il nucleo (60/70 giorni di vita perché non possono “aggiustarsi”, perciò hanno una differenziazione terminale). Esistono, poi, le cellule muscolari (b), formate da fibre muscolari con finalità di contrazione, che producono energia per effettuare tale processo, e le cellule nervose (a), che hanno altre caratteristiche differenziate. Ci sono, inoltre, cellule mobili, come i monociti, che circolano nel sangue e sono in grado di uscire dai vasi o gli spermatozoi nel maschio e l’oocita nella femmina.

La cellula è costituita da varie parti (costituenti base):

• Acqua (70/80%, ma in base all’età e al tipo di cellula la quantità può variare, per esempio negli adipociti c’è meno H₂O nel citoplasma rispetto ad altre cellule).
• Elettroliti
• Proteine (10/20%)
• Lipidi (20%)
• Carboidrati (1%)

La separazione con il resto dell’ambiente è data dalle membrane, le quali sono presenti per la maggior parte degli organuli. Esse impediscono la commistione del contenuto dei singoli organuli con il citoplasma e con il liquido extracellulare.

• La membrana cellulare, plasmalemma o membrana plasmatica (diametro di 7-10nm), è quella che separa la cellula dall’esterno e rappresenta circa il 5% delle membrane della cellula stessa. Viene definita “a mosaico fluido” ed è continuamente rinnovata attraverso continui processi di esocitosi ed endocitosi.
• La membrana nucleare presenta dei pori e differenzia le cellule eucariote dalle procariote, in quanto queste ultime non presentano un nucleo ben definito.
• Il reticolo endoplasmatico è un insieme di cisterne appiattite che rappresentano circa il 50% delle membrane.
• Le membrane dei mitocondri, che sono ritenuti organismi simbionti che si sono adattati a vivere nelle cellule dopo averle colonizzate. Questa è solo una teoria, avvalorata dal fatto che presentano un proprio DNA che viene tramandato di generazione in generazione per via matrilineare. Questo ci permette anche di trarre degli indizi riguardo a patologie relative a disfunzioni di tale codice genetico.
• Le membrane dei lisosomi.
• La membrana dell’apparato di Golgi.

Gli organuli regolamentano le funzioni delle molecole all’interno del citosol. L’esempio più classico è quello dei lisosomi, che contengono enzimi proteolitici che, se fossero liberi nel citoplasma, distruggerebbero tutte le strutture cellulari. La membrana presenta tre strati, uno centrale idrofobico e due esterni idrofilici ed è spessa 7-10nm.

La visione umana può arrivare fino al centesimo di millimetro; ci sono delle cellule nelle femmine, cioè le cellule uovo, che hanno dimensioni di 100-150micrometri, ovvero circa 1/100 di millimetro, perciò sono visibili ad occhio nudo sotto forma di un puntino. L’istologia classica utilizza il microscopio ottico poiché una cellula ha dimensioni di micron; dai 10/20 μm (cellule somatiche), mentre a livello di nanometri si lavora con la microscopia elettronica. Un’altra misura molto utilizzata è l’Amstrong, 10^-10m. I picometri, poi, sono millesimi di millimetro. Milli-micro-nano-pico.

La membrana plasmatica è detta “a mosaico fluido” perché è una soluzione bidimensionale di lipidi orientati (41%, di cui il 25% sono fosfolipidi e 13% colesterolo con funzioni essenziali), di proteine (55%) globulari sotto forma di ammassi e, in minor parte, di carboidrati (3%), i quali formano il glicocalice all’esterno della cellula. I lipidi di membrana sono molecole di natura anfipatica o anfifilica, cioè presentano due porzioni che in soluzione si comportano in maniera diversa: una è idrofobica, non può andare a contatto con il solvente acquoso ed è, quindi, apolare, mentre l’altra è idrofilica, cioè polare. Queste molecole, se immerse in una soluzione acquosa, in modo totalmente naturale si possono disporre in tre modalità:

• A micella, molto importante nelle funzioni del digerente. I lipidi fisiologicamente emulsionati si dispongono in tale struttura, come per esempio all’interno del latte, che presenta circa il 3% di grassi sotto forma di micelle. Queste si formano quando la parte idrofobica è più piccola di quella idrofilica e di solito avviene in presenza di un unico acido grasso.
• Se la parte idrofobica è più grande di quella idrofilica, le molecole si dispongono a doppio strato piano ed esso assomiglia alla membrana cellulare (o degli organuli).
• A liposoma.

I lipidi che costituiscono le membrane sono caratterizzati per il 25% circa da fosfolipidi, che derivano dal glicerolo, ma che, invece di presentare tre acidi grassi come i trigliceridi, ne hanno solo due. Un acido grasso è saturo, cioè non presenta doppi legami.