Riassunto Fisiologia

Fisiologia

Fisiologia: studio del funzionamento dell’organismo e delle parti che lo compongono.

Livelli di organizzazione dell’organismo

I livelli di organizzazione dell’organismo umano che sono di interesse per la fisiologia sono:

• Cellula: sistema biologico relativamente autonomo, in grado di mantenere una struttura e una composizione piuttosto stabili, di acquisire substrati energetici, di ossidarli accumulando l’energia che ne deriva e di utilizzare tale energia per il mantenimento dell’omeostasi, l’esecuzione di programmi cellulari e lo svolgimento di tutte le funzioni richieste per la sopravvivenza.
• Tessuto: insieme di cellule quasi tutte simili, associate per funzione.
• Organo: associazione di più tessuti diversi che formano una struttura complessa ed organizzata.
• Sistema: insieme di organi che collaborano per il raggiungimento di uno o più scopi comuni.
• Apparato: definisce una continuità anatomica (es. apparato digerente: dalla bocca all’ano).

Sistemi del corpo umano e la loro integrazione

I sistemi sono costituiti da diversi organi organizzati in modo da collaborare nello svolgimento di funzioni più ampie nell’organismo. Quattro sistemi permettono all’organismo di sostenere le esigenze di base della vita e sono definiti sistemi della vita vegetativa: si tratta di sistemi responsabili di assunzione, trasformazione, assorbimento e distribuzione delle sostanze essenziali per le funzioni dell’organismo e dell’eliminazione dei rifiuti del metabolismo, in modo da poter mantenere costante la composizione dell’ambiente interno:

• Sistema digerente
• Sistema respiratorio
• Sistema urinario
• Sistema circolatorio

Tre sistemi sono responsabili della vita di relazione dell’individuo, cioè della sua capacità di interagire con l’ambiente:

• Sistema nervoso
• Sistema endocrino
• Sistema muscolo-scheletrico

Due sistemi hanno invece funzioni protettive:

• Sistema tegumentario
• Sistema immunitario

Un sistema ha invece la funzione di assicurare la sopravvivenza dei geni nell’individuo, in nuovi individui e la continuazione della specie mediante la produzione di cellule uovo e spermatozoi:

• Sistema riproduttivo

Ambiente interno

La stabilità del sistema biologico consiste nel mantenimento di un ambiente interno che presenta caratteristiche di composizione e attività biochimica relativamente costanti (omeostasi) grazie a un continuo rinnovamento dei suoi componenti attraverso processi di sintesi, metabolismo, rapporto e scambio con l’esterno.

Fluidi extracellulari

Per ambiente interno si intende l’insieme di tutti i fluidi presenti nell’organismo che entrano in contatto con le cellule. Tutte le cellule dell’organismo sono a contatto con fluidi extracellulari: alcune sono totalmente a contatto con i fluidi extracellulari, altre solo parzialmente (come le cellule degli alveoli polmonari o le cellule intestinali).

I fluidi extracellulari sono costituiti dal fluido interstiziale e dal plasma:

• Il fluido interstiziale è una soluzione acquosa presente tra le cellule di un tessuto e il suo principale ruolo è quello di mediare gli scambi tra le componenti cellulari dei vasi sanguigni e le cellule di un tessuto. È costituito da acqua, fibre collagene, fibre elastiche e da macromolecole della sostanza amorfa.
• Il plasma è la componente liquida del sangue.

Nei fluidi extracellulari ci sono elevate concentrazioni di Na e Cl e basse concentrazioni di K. Nei fluidi intracellulari ci sono elevate concentrazioni di K e basse concentrazioni di Na e Cl. Nel plasma, elevate concentrazioni di Na e Cl e basse concentrazioni di K.

Compartimenti idrici

Una percentuale del peso corporeo compresa tra il 50 ed il 70% è rappresentata da acqua. Il volume di acqua contenuto all’interno dell’organismo di un maschio adulto dal peso di 70 kg è circa 42 L. L’acqua corporea totale o ACT è distribuita nei due principali compartimenti idrici dell’organismo:

• Il fluido intracellulare: al quale appartengono circa i 2/3 dell’ACT.
• Il fluido extracellulare: al quale appartiene circa 1/3 dell’ACT.

I due compartimenti sono separati dalle membrane cellulari delle cellule dell’organismo, attraverso le quali l’acqua può passare liberamente, a differenza dei soluti, il cui passaggio è fortemente limitato e selettivo. I soluti hanno una concentrazione diversa all’interno ed all’esterno della cellula:

• Nei fluidi extracellulari sono presenti elevate concentrazioni di sodio, cloro e bicarbonato.
• Nei fluidi intracellulari sono presenti elevate concentrazioni di potassio, proteine e fosfati inorganici.

Nonostante le differenze di concentrazione per i singoli cationi ed anioni, i due compartimenti cellulari obbediscono al principio della neutralità elettrica e, considerando la situazione di equilibrio, posseggono la stessa osmolarità totale, ove per osmolarità si intende il numero di particelle libere per litro di soluzione. Il pH extracellulare si mantiene pressoché costante, intorno ad un valore di 7.38 - 7.42. Il pH intracellulare è leggermente più basico.

Fluido extracellulare

Il fluido extracellulare è a sua volta diviso in:

• Liquido interstiziale: effettivamente a contatto con le cellule.
• Plasma: frazione circolante nei vasi sanguigni.

Il liquido interstiziale e il plasma sono separati dalla parete dei capillari sanguigni, formata da un singolo strato di sottili cellule endoteliali tra le quali esistono pori giunzionali relativamente ampi da permettere il libero passaggio della maggior parte dei soluti, oltre che dell’acqua. Per questi motivi, la composizione dei due compartimenti dei fluidi extracellulari è praticamente identica, differendo solo per la concentrazione proteica:

• Pari a 70 g/L nel plasma.
• Prossima allo 0 nell’interstizio.

Quindi tra fluidi extra ed intra cellulari si ha: diverse concentrazioni di ioni, diverso pH (leggermente più basico nell’intra) e stessa osmolarità.

Omeostasi

L’omeostasi consiste in un’organizzazione del sistema biologico che permette di mantenere relativamente costanti la composizione dei fluidi interni e la velocità dei vari processi sintetici, metabolici (che avvengono all’interno delle cellule) e di trasporto. Si basa sulla protezione dell’ambiente interno da quello esterno:

• Grazie alla membrana plasmatica -> per la cellula.
• Grazie ai tegumenti ed epiteli -> per gli organismi.

Che evitano il libero passaggio di acqua e soluti. Non si tratta però di un equilibrio statico, ma di una situazione stazionaria mantenuta dinamicamente (Steady state). L’omeostasi nella gran parte dei casi si basa sul principio dell’equilibrio di massa, in cui si prevede un’entrata, un’uscita e una quantità di sostanza nell’organismo. La quantità di sostanza presente in un organismo dipende dall’ingresso (sintesi o assunzione) della sostanza e dalla sua eliminazione.

La legge d’azione di massa ci dice che la quantità di una sostanza presente nell’organismo è pari al:

Carico preesistente dell’organismo + assunzione/produzione metabolica - escrezione/rimozione metabolica.

Per mantenere l’omeostasi l’organismo ha bisogno di meccanismi intelligenti di controllo, che però non fanno riferimento a tutte le variabili dell’organismo. Le variabili considerate con interesse in termini omeostatici, devono restare all’interno di un intervallo di valori che viene definito ottimale.

In questo senso, assume notevole importanza il concetto di Set Point: non è un unico punto, ma un intervallo ottimale che prevede un valore minimo ed un valore massimo… solamente quando la variabile controllata va al di sotto o al di sopra di tale intervallo ottimale, si innescano i meccanismi di regolazione.

È possibile pertanto considerare:

• Un segnale in ingresso
• Un centro di integrazione
• Un segnale in uscita
• Una risposta sulla variabile considerata

Il centro di integrazione riceve il segnale, lo confronta con il valore di riferimento ed emette un segnale in uscita (che può essere più forte o più debole) che va ad agire sullo stimolo ed evoca una risposta. Esistono 2 tipi di controlli:

Controllo locale

• È un sistema che funziona a livello locale ed interessa cellule vicine che generano localmente una risposta.

Controllo riflesso

• È un sistema che funziona in maniera più complessa. La risposta è controllata da cellule in distretti distanti rispetto a dove avviene il cambiamento.

Il controllo anticipatorio si basa su alcuni riflessi che si sono evoluti in modo specifico e che si associano alla previsione che sta per verificarsi un cambiamento che interessa le funzioni dell’organismo. Sono riflessi in grado di innescare il circuito di risposta in anticipo rispetto al cambiamento e che permettono all’organismo di anticipare i cambiamenti.

Feedback negativo e feedback positivo

Qualunque sia il tipo di controllo considerato, esso si esplica secondo due modalità differenti:

• Feedback negativo: lo stimolo iniziale dà luogo a una risposta che riduce lo stimolo stesso.
• Feedback positivo: lo stimolo iniziale dà luogo a una risposta che amplifica lo stimolo stesso.

Il feedback negativo è il meccanismo generalmente utilizzato per attuare l’omeostasi di un sistema negli organismi viventi: la deviazione della variabile controllata (in aumento o diminuzione) rappresenta uno stimolo che provoca la partenza dai recettori, di segnali che, giunti al centro integratore, ne modificano l’attività in modo che questo invii agli effettori comandi diretti ad attivarli. Gli effettori agiscono sulla causa della deviazione nella direzione opposta a quella del meccanismo che l’aveva provocata. Il ruolo del feedback negativo è quello di stabilizzare una funzione, mantenendola all’interno dell’ambito di normalità.

Il feedback positivo non ha un significato omeostatico, anzi è un meccanismo che amplifica la deviazione una volta che questa si è verificata: quando la variabile controllata devia dal suo valore normale o di riferimento, il sistema reagisce con una risposta che va nella stessa direzione della deviazione, rendendola sempre più ampia.

Affinché ci sia una autoamplificazione, il processo deve presentare alcune caratteristiche:

1. Deve esistere un livello massimale di attivazione che non può essere superato (il processo deve essere saturabile).
2. Deve funzionare un meccanismo di autospegnimento.
3. Deve esserci un livello di soglia al di sotto del quale l’autoamplificazione non si innesca.

Il risultato della presenza della retroazione positiva è che non ci sono conseguenze funzionali finché ci si trova al di sotto del livello di soglia, mentre il processo viene attivato in modo massimale se la soglia viene superata… questo tipo di attivazione è descritta come tutto-o-nulla.

Regolazioni a livello di organismo

Le regolazioni a livello di organismo si ottengono attraverso 2 meccanismi fondamentali:

Regolazione ormonale

• Grazie alla liberazione di molecole (mediatori e ormoni) in grado di legarsi a specifiche proteine e quindi di modulare specifici processi in tutte le cellule che esprimono i recettori appropriati e vengono raggiunte dal mediatore.

Queste regolazioni vengono definite:

• Endocrine quando l’ormone raggiunge tutti i distretti dell’organismo attraverso il sistema cardiovascolare.
• Paracrine quando il mediatore riesce a raggiungere solo cellule a una certa distanza dalla sede di liberazione.
• Autocrine quando il mediatore colpisce autorecettori presenti sulla cellula stessa che lo ha liberato.

Regolazione nervosa

• Grazie alla liberazione di molecole (neuromediatori o neurotrasmettitori) in modo precisamente localizzato, tale da determinare risposte solo nella cellula bersaglio e nel momento della liberazione.

La cellula

La cellula è separata dall’ambiente esterno tramite una barriera, la membrana plasmatica, che è in grado di gestire scambi di materia ed informazione con l’esterno. L’ambiente interno, o protoplasma, è diviso in nucleo e citoplasma. Il citoplasma è suddiviso in diversi compartimenti, o organuli, ciascuno dei quali è provvisto di una propria membrana che ne delimita l’ambiente interno dal citosol. Ciascun organulo è in grado di svolgere un proprio ruolo funzionale distinto dagli altri, mentre tutti quanti collaborano al funzionamento della cellula.

Il nucleo

Il nucleo è un compartimento cellulare dotato di membrana, la membrana nucleare, contenente la maggior parte del patrimonio genetico. All’interno del nucleo avvengono processi molto importanti quali: la duplicazione del DNA e la sua trascrizione in mRNA.

Il nucleo non è un compartimento cellulare isolato dal citosol, in quanto la membrana nucleare possiede dei pori nucleari ampi, attraverso i quali possono passare molecole quali: mRNA, proteine, vitamina D, vitamina A, alcuni acidi grassi… molecole quindi di attraversare i pori ed esercitare un controllo sulla espressione genica modulando la replicazione del DNA e la formazione dell’mRNA (di regolare quindi la sintesi proteica).

Il citoplasma

Il citoplasma è l’ambiente interno della cellula che consiste in una matrice acquosa, il citosol, piuttosto densa per la ricchezza di proteine, per la presenza degli organuli cellulari e per la presenza di abbondante materiale fibrillare. Il materiale fibrillare è costituito da proteine che danno luogo a una intelaiatura che definisce la forma della cellula, ne permette i cambiamenti di forma e il movimento, guida il trasferimento di complessi proteici e riboproteici e di organuli da una sede all’altra: questa organizzazione è detta citoscheletro.

• Il citoscheletro è una struttura di sostegno dinamica costituita da 3 sistemi di filamenti proteici: microtubuli, microfilamenti e filamenti intermedi. La presenza del citoscheletro permette la compartimentalizzazione cellulare: le molecole possono essere destinate a un compartimento piuttosto che a un altro. È in stretto rapporto con i cosiddetti motori molecolari: sono motori che determinano lo spostamento attraverso la conversione di energia, sono quindi motori la cui funzione dipende dall’idrolisi dell’ATP.
• I ribosomi sono complessi ribonucleici che guidano il processo di traduzione dalle sequenze geniche presenti negli mRNA alla sequenza aminoacidica della proteina.
• Il reticolo endoplasmatico distinto in REL e RER (cui si associano i ribosomi) svolge numerose importanti funzioni per la cellula: ospita la sintesi e la modellazione sterica delle proteine, ospita depositi di ioni calcio, separa le proteine in regioni omogenee in modo da poter gemmare vescicole con destini diversi.

Il processo di separazione e maturazione delle proteine procede lungo tutte le strutture del RE e poi continua nel:

• Complesso di Golgi che è l’organulo ove si svolgono processi di ulteriore modificazione delle proteine e si definisce l’indirizzamento finale delle vescicole o granuli secretori. La secrezione può avvenire in 2 modi: secrezione regolata (la molecola deve essere rilasciata dalla cellula sotto uno stimolo) e secrezione costitutiva (è la secrezione responsabile del continuo ricambio della membrana cellulare).
• I lisosomi sono organuli vescicolari che presentano un pH luminale molto basso e contengono alte concentrazioni di enzimi litici. Questi organuli sono necessari perché la cellula possa degradare composti esogeni o endogeni recuperando i componenti molecolari eventualmente utili ai fini biosintetici o come substrati energetici.
• I mitocondri svolgono la funzione di produrre ATP a partire da ADP e fosfato inorganico. Partecipano al metabolismo energetico della cellula tramite la fosforilazione ossidativa e il ciclo di Krebs.

La membrana plasmatica

La membrana plasmatica è l’elemento che circoscrive lo spazio intracellulare ed è impermeabile all’acqua e ai soluti idrofili. Rappresenta la barriera attraverso la quale avvengono e sono selettivamente regolati gli scambi di materia, energia e informazione con l’ambiente extracellulare e le altre cellule. La membrana cellulare è costituita da un doppio strato di fosfolipidi nel quale sono inseriti altri componenti lipidici e proteine. Le membrane plasmatiche contengono anche carboidrati, la cui presenza è dovuta soprattutto alle glicoproteine e ai glicolipidi: formano il glicocalice. La fluidità e la stabilità della membrana sono determinate anche dalla presenza di molecole di colesterolo che, inserendosi tra le molecole di fosfolipidi, impediscono alle catene di acidi grassi di cristallizzare.

Le proteine presenti all’interno della membrana plasmatica possono arrivare a rappresentarne anche il 40-50% del peso totale, e possono essere di diverso tipo:

• Integrali
• Periferiche
• Transmembrana

Le proteine di membrana svolgono funzioni molto importanti tra le quali abbiamo:

• Funzione strutturale: la membrana cellulare conserva una sua struttura organizzata grazie alla presenza di proteine.
• Funzione enzimatica
• Funzione recettoriale: le proteine di membrana permettono l’interazione di molecole presenti nell’ambiente extracellulare con la membrana cellulare e attraverso questa, la trasmissione all’interno della cellula.