Sintesi fisiologia generale

Apparati - fisiologia generale

Apparato sistema cardio-circolatorio

Struttura del cuore nei mammiferi

Il cuore nei mammiferi è costituito da 2 atrii e 2 ventricoli e comprende il circolo sistemico e il circolo polmonare. Il circolo sistemico ha origine dall’arteria aorta che raggiunge i tessuti dove avvengono gli scambi. L'atrio comunica con il rispettivo ventricolo mediante valvole atrio-ventricolari: tricuspide a destra e bicuspide a sinistra. Dai 2 ventricoli prendono origine, con l’interposizione delle valvole semilunari, l’arteria aortica (sangue ossigenato) e l’arteria polmonare (sangue venoso). Agli atrii giungono vene polmonari e vene cave.

L'atrio destro (riceve il sangue venoso dal corpo) è più grande del sinistro (riceve il sangue ossigenato dai polmoni). La parete del ventricolo destro è sottile vista la bassa pressione (invio sangue venoso ai polmoni), mentre la parete del ventricolo sinistro è spessa vista la maggiore pressione (invio sangue arterioso al corpo).

Funzionamento del muscolo cardiaco

Il muscolo cardiaco presenta caratteristiche intermedie tra muscolo liscio (involontario) e striato (le fibrocellule cardiache hanno striatura trasversa). Presenta un potenziale di riposo di -90mV e se stimolato adeguatamente risponde con un potenziale d’azione che determina contrazione simultanea visto il suo percorso a bassa resistenza. A differenza delle fibrocellule muscolari striate, in quelle cardiache il potenziale d’azione dura per gran parte della contrazione.

L’evoluzione del potenziale d’azione prevede una rapida depolarizzazione in cui il potenziale si inverte di segno (20-30mV) seguita da una fase di plateau in cui la membrana rimane depolarizzata a un valore uguale a 0; dopo questa fase, la membrana si ripolarizza tornando al suo potenziale di riposo.

In queste cellule, una stimolazione sovrasogliare determina l'apertura dei canali Na⁺ con ingresso di ioni Na⁺ che depolarizzano la membrana fino all’inversione del segno; i canali del Na⁺ si inattivano mentre si aprono i canali lenti Ca²⁺ che mantengono la depolarizzazione (plateau). Inattivandosi i canali Ca²⁺ e attivandosi quelli del K⁺ con flusso positivo verso l'esterno, si ripolarizza la membrana.

Quando i canali Na⁺ sono inattivati si parla di periodo refrattario distinto in fase di refrattarietà assoluta e fase di refrattarietà relativa. A differenza del muscolo striato, la durata della refrattarietà rende impossibile nel cuore la fusione delle contrazioni rendendo il cuore intetanizzabile. Se uno stimolo intenso cade nel periodo refrattario relativo può produrre una contrazione anticipata (extrasistole); questa risposta è seguita da un periodo di rilasciamento ventricolare (pausa compensatoria) che impedisce la sommazione delle contrazioni.

Sistema di conduzione del cuore

Il sistema di conduzione del cuore comprende il nodo seno-atriale, il nodo atrio-ventricolare e il fascio di His. Il nodo seno-atriale, vista l'elevata frequenza con cui entra in eccitazione, è il generatore primario (pace-maker) del ritmo cardiaco. Nelle cellule del tessuto di conduzione, il potenziale d’azione è dovuto ai canali del Ca²⁺; raggiunta l'eccedenza di +10mV si inattivano i canali Ca²⁺ e si aprono i canali tardivi del K⁺. La depolarizzazione spontanea delle cellule pace-maker è dovuta a una corrente cationica mista detta fanny.

Il ciclo cardiaco comprende contrazione (sistole) e rilasciamento (diastole). Durante la diastole (distensione), le pareti delle cavità cardiache hanno pressione prossima allo zero. La sistole (contrazione) atriale comporta il riempimento dei ventricoli e l’aumento della pressione. La sistole ventricolare isometrica avviene quando le fibrocellule non si accorciano e la pressione aumenta. La sistole ventricolare isotonica si verifica quando la pressione dei ventricoli supera quella nell’arteria polmonare e nell’aorta, le valvole semilunari si aprono e il sangue è spinto fuori dalle arterie. Il volume di sangue espulso da ogni ventricolo a ogni sistole è di 70 ml, mentre la gettata cardiaca è la quantità di sangue espulsa da ogni ventricolo in 1 minuto. Nell’uomo, la gettata cardiaca di riposo è 5 L.

Meccanismi di regolazione del cuore

Le richieste circolatorie vengono soddisfatte da meccanismi intrinseci al cuore e da meccanismi estrinseci. I meccanismi intrinseci permettono al cuore di espellere sempre il volume di sangue che riceve, anche se questo varia improvvisamente, esprimendo capacità intrinseca di autoregolazione.

I meccanismi estrinseci sono attivati attraverso il controllo sia nervoso sia umorale. Il mediatore parasimpatico è l’Ach che attiva i canali del K⁺ iperpolarizzando la cellula pace-maker e riduce la permeabilità della membrana agli ioni Ca²⁺, rallentando la depolarizzazione; l’Ach rallenta così la frequenza cardiaca. Il mediatore ortosimpatico è la noradrenalina che causa l’apertura dei canali fanny Na⁺ e dei canali del Ca²⁺, aumentando la frequenza dei potenziali d’azione e quindi aumentando la frequenza cardiaca.

Per la legge di Poiseuille, il flusso di un liquido in un tubo rigido è direttamente proporzionale al gradiente di pressione esistente tra i due punti considerati e alla quarta potenza del raggio; è inversamente proporzionale alla viscosità del liquido.

Circolazione sistemica

La caduta di pressione del sistema circolatorio dipende dal diametro, dai tratti nonché dalla sezione trasversa dei vari distretti circolatori. Il tratto arterioso comprende grosse e medie arterie la cui tonaca ha notevole spessore ed è composta da fibre connettivali elastiche. L’elasticità trasforma il flusso sanguigno intermittente nei primi tratti in flusso continuo nei tratti periferici. Le arterie si diramano in arteriole capaci di modificare il proprio calibro grazie alla componente muscolare della loro parete. Le arteriole si suddividono in capillari che formano una fitta rete attorno alle cellule dei tessuti ed essendo permeabili propiziano scambi con l’ambiente extracellulare. Il flusso di sangue nei capillari può essere regolato dall’apertura o chiusura degli sfinteri.

La pressione è data dal prodotto tra gettata e resistenza periferica. La resistenza aumenta con la sezione maggiore e le superfici di contatto, mentre la velocità è bassa. Le arterie hanno una velocità di 40 cm/s, le arteriole di 20 cm/s (elastiche, con pressione minore) e i capillari di 0,5 cm/s (diametro di 0,006 mm). Le arteriole hanno una resistenza totale pari alla somma delle singole resistenze, mentre i capillari hanno una resistenza totale pari alla somma delle resistenze inversamente proporzionali.

Apparato digerente

Trasferimento nutrienti

Il trasferimento dei nutrienti è necessario per il combustibile e la costruzione, e comprende motilità, secrezione, digestione e assorbimento. Una prima digestione avviene nella bocca per la trasformazione degli amidi in maltosio.

Strati del tubo digerente

Gli strati del tubo digerente sono:

• Sierosa (peritoneo)
• Strato muscolare (liscio)
• Tela sottomucosa (vascolarizzata)
• Mucosa (parte a contatto con alimenti variabile lungo tutto il percorso, costituito da mucopolisaccaridi, conferisce elevata viscosità, facilita lo scorrimento e limita l’usura delle pareti del tubo digerente)

L'innervazione intrinseca è responsabile del coordinamento dell'attività motoria, mentre l'innervazione estrinseca vegetativa è strettamente collegata al cervello (dipendenza da stati umorali). Il vago stimola la peristalsi, il simpatico la inibisce.

Controllo dell'assunzione del cibo

I centri nervosi ipotalamici controllano l'assunzione del cibo. La funzione digestiva viene regolata per via umorale dagli ormoni gastrointestinali che controllano l’appetito:

• Leptina: Prodotta dal tessuto adiposo che ne regola la sua concentrazione; quando il numero di adipociti aumenta, cresce la sintesi di leptina che attraverso specifici recettori innesca risposte che tendono a ridurre la massa adiposa.
• Grelina: Sintetizzata dalle cellule endocrine del fondo dello stomaco, aumenta la sensazione della fame (presenza di digiuno), stimola l’attività gastrica e la produzione di HCl.
• Peptide YY: Rilasciato dal colon dopo un pasto, raggiunge l’ipotalamo dove riduce l’appetito.

Digestione nello stomaco

La digestione nello stomaco ha tre funzioni principali: accumulo del cibo, secrezione HCl ed enzimi digestivi, e mescolamento del cibo con succhi per la formazione del chimo (primo assorbimento delle proteine).

Le pareti interne dello stomaco sono tappezzate dalla mucosa gastrica dotata di ghiandole gastriche. Le cellule secernenti che costituiscono le pareti delle ghiandole sono:

• Cellule del colletto (di tipo mucoso)
• Cellule principali (producono pepsinogeno e lipasi gastrica)
• Cellule parietali (secernono HCl e il fattore intrinseco o antipernicioso o glicoproteina)

Il succo gastrico ha come costituenti fondamentali:

• Acido cloridrico (HCl): Secreto da grandi cellule a forma piramidale, conferisce un pH acido al succo gastrico.
• Pepsinogeno (pepsina): Enzima proteolitico secreto come pepsinogeno (precursore inattivo); il pepsinogeno si trasforma in pepsina, che scinde i legami peptidici ed ha la capacità di coagulare il latte (nei bovini).
• Lipasi gastrica: Scinde i lipidi neutri in acidi grassi e glicerolo.

Cellule che producono fattori regolatori endocrini e paracrini

Le cellule che producono fattori regolatori endocrini e paracrini sono:

• Cellule enterocromaffin o-simili (istamina)
• Cellule G (gastrina che agisce direttamente stimolando le cellule parietali - HCl, indirettamente stimolando l'istamina dalle cellule enterocromaffine)
• Cellule D (somatostatina)

La glicoproteina (fattore intrinseco) si lega alla vitamina B e la protegge dalla degradazione fino all’ileo, dove viene assorbita. Oltre a favorire lo scivolamento del cibo, il muco protegge la mucosa gastrica dall’HCl e dalla pepsina. La stimolazione dei vaghi determina abbondante produzione di succo gastrico ricco di HCl. Le fibre efferenti vagali stimolano i neuroni colinergici e agiscono liberando Ach (stimola secrezione HCl e della gastrina).

Fasi della secrezione gastrica

• Cefalica: Introduzione di cibo genera impulsi riflessi che giungono nel bulbo, dove eccitano i neuroni efferenti vagali stimolanti la secrezione gastrica. È inibita dalla vagotomia (che interrompe l'arco riflesso).
• Gastrica: Inizia quando gli alimenti raggiungono lo stomaco; col procedimento della digestione, il meccanismo umorale (rilascio gastrina) prevale su quello nervoso.
• Intestinale: La secrezione inizia quando il chimo entra nel duodeno.

Digestione nell’intestino tenue

La digestione nell'intestino tenue avviene ad opera di:

• Succo pancreatico: Prodotto dal pancreas esocrino e versato nel duodeno attraverso un dotto principale; è costituito da molti enzimi quali amilasi, chitinasi, tripsina, lipasi, esterasi (il glucagone e l'insulina direttamente nel sangue).
• Bile: Prodotta dal fegato, accumulata nella cistifellea e liberata solo dopo i pasti. Composta da sali biliari, colesterolo, lectina e bicarbonato, la bile facilita l’emulsione e la dispersione delle sostanze lipidiche. Il fegato ha tre funzioni metaboliche: metabolismo glucidico (assunzione glucosio, glicogenosintesi, glicogenolisi), metabolismo proteico (deaminazione amminoacidi e formazione di urea), metabolismo lipidico (degradazione trigliceridi).
• Succo enterico: Prodotto dalla mucosa intestinale, è un liquido incolore contenente acqua, muco, elettroliti e vari enzimi (peptidasi, amilasi, lattasi, polinucleotidasi, enterochinasi).

La mucosa intestinale è ricoperta da villi intestinali, questi sono ricoperti da un monostrato di enterociti che hanno verso il lume intestinale delle digitazioni (microvilli) che aumentano la superficie di assorbimento della mucosa.

Assorbimento dei nutrienti

L'assorbimento dei prodotti della digestione avviene nell’intestino tenue per la grande superficie di contatto del chimo con l’epitelio e la sua elevata permeabilità.

• Assorbimento glucidi: Per l'80% sono idrolizzati a glucosio assorbito con meccanismo di trasporto attivo secondario mediato da un carrier sul bordo luminale dei microvilli.
• Assorbimento proteine: Dopo una parziale idrolisi nello stomaco, vengono digerite nell’intestino ad opera degli enzimi pancreatici.
• Assorbimento lipidi: L’attività peristaltica e la presenza della bile favoriscono la dispersione dei lipidi con formazione di un’emulsione di piccole goccioline di grasso.

Movimenti peristaltici (anelli di spinta) e di segmentazione (rimescolamento). In molti animali, la lunghezza dell’intestino varia a seconda della stagione e della disponibilità di cibo; avviene un’autodigestione dell’intestino stesso con accorciamento del volume in assenza di cibo. La lunghezza dell’intestino verrà poi ripristinata quando il cibo sarà disponibile (es. nei lupi).

Enzimi e tratto digestivo

Apparato escrezione ed osmoregolazione

I pesci vertebrati eliminano direttamente l'ammoniaca (ammoniotelici), i rettili ed uccelli eliminano acido urico (uricotelici), i mammiferi rilasciano urea (ureotelici). L'urea è una molecola idrosolubile meno tossica dell’ammoniaca, viene sintetizzata nel fegato attraverso un ciclo dell’ornitina-urea che comprende enzimi quali carbamil fosfato sintetasi e l’arginasi, e richiede ATP. L’urea può essere accumulata a concentrazioni piuttosto elevate, e la sua escrezione richiede quantità di acqua 10 volte inferiore di quella necessaria per l’ammoniaca.

Il problema dell’osmoregolazione varia a seconda dell’ambiente. In ambiente salino, un organismo può rispondere in due modi:

• Variando la sua concentrazione di soluti nei liquidi corporei mantenendosi isosmotico rispetto all’ambiente (osmoconforme).
• Mantenendo e regolando la sua pressione osmotica al variare di quella esterna (osmoregolatore).

Animali stenoalini tollerano piccole variazioni di salinità dell’ambiente esterno, mentre animali eurialini tollerano variazioni sostanziali.

Nei vertebrati terrestri, l’organo responsabile dell’osmoregolazione e dell’escrezione azotata è il rene. I reni sono costituiti da nefroni, ognuno dei quali è composto da un glomerulo associato a un tubulo. A livello del glomerulo, un gradiente di pressione idrostatica determina l’ultrafiltrazione del sangue che dà origine all’ultrafiltrato. Questo fluido percorre il tubo renale fino a convergere in un tubulo collettore dal quale l’urina viene convogliata nella vescica e quindi nella cloaca (o uretra) dove viene escreta.

Nei mammiferi, i reni hanno la funzione di eliminare le scorie metaboliche e regolare l’equilibrio idrico ed elettrolitico. I reni dei mammiferi producono renina (proteina che aumenta la pressione del sangue), eritropoietina (ormone stimolante la produzione di eritrociti); inoltre, convertono la vitamina D nella sua forma attiva. Il rene è costituito da una porzione corticale esterna e una midollare più profonda, costituite da un insieme di nefroni convergenti nelle piramidi di Malpighi. Nei reni di mammifero ci sono due tipi di nefroni: corticali e juxtamidollari. Tutti i nefroni prendono origine nella corticale, ma i glomeruli dei nefroni corticali risiedono nello strato esterno mentre i glomeruli dei nefroni juxtamidollari giacciono nello strato interno al confine con la porzione midollare.

L'arteria renale che entra nel rene si ramifica in arteriole afferenti. L’arteriola afferente rifornisce i capillari glomerulari che si ricongiungono nell’arteriola efferente.

Le funzioni renali sono quattro:

• Ultrafiltrazione glomerulare: Il liquido senza proteine passa dal sangue alla capsula di Bowman.
• Riassorbimento: Recupero di sostanze dall’ultrafiltrato.
• Secrezione: Trasferimento di sostanze dai capillari peritubulari all’interno del lume tubulare.
• Osmoconcentrazione: I reni recuperano e conservano più acqua in relazione alle esigenze dell’organismo.

L’ultrafiltrazione è la prima tappa nella formazione dell’urina. Il liquido che filtra dal glomerulo nella capsula di Bowman passa attraverso tre strati: la parete esterna dei capillari, la membrana basale e lo strato interno della capsula. La parete esterna è perforata da ampi pori (fenestrae). La membrana basale è composta di collagene e glicoproteine.