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La fisiologia è lo studio della funzione dell’organismo vivente. Si studia su corpi vivi, al contrario di quanto fa l’anatomia. Per funzione si può intendere il modo di funzionare di un qualcosa ( come fa a ... ) oppure il significato di una parte dell’organismo in un contesto più grande ( serve all...

Description

La fisiologia è lo studio della funzione dell’organismo vivente. Si studia su corpi vivi, al contrario di quanto fa l’anatomia. Per funzione si può intendere il modo di funzionare di un qualcosa (come fa a …) oppure il significato di una parte dell’organismo in un contesto più grande (serve all’organismo per …). IL VIVENTE L’essere vivente ha diverse caratteristiche: - è un sistema aperto, ovvero scambia materia ed energia con l’ambiente; - è un sistema a bassa entropia (per entropia si intende il grado di disordine, di imprevedibilità dello stato futuro che può assumere un sistema), il corpo cerca di rinnovarsi evitando lo stato di disordine; - è un sistema lontano dall’equilibrio termodinamico; - deve assumere ed espellere materia ed energia costantemente. Ogni essere vivente aumenta l’entropia dell’ambiente che lo circonda per diminuire la propria (assumere molecole con l’alimentazione ed espelle altre molecole dopo la digestione). Il vivente a bassa entropia ricostruisce continuamente sé stesso per mantenersi a bassa entropia, costruendosi un ordine interno (autopoiesi); il materiale che si riprende tramite l’autopoiesi viene riassemblato mantenendo la stessa struttura geometrica, spaziale e funzionale: per questo motivo, anche se eliminiamo atomi e molecole e ne assumiamo di nuovi manteniamo il nostro aspetto. Il vivo è un oggetto che scambia energia e materia ad una certa velocità, mentre il morto è un oggetto che scambia energia e materia a velocità insufficienti o non ne scambia affatto. È indispensabile che la velocità di scambio di materia ed energia sia rapida, ovvero compatibile con la vita; la morte si ha per la diminuzione di flusso di energia di un corpo.

Ciò che rende un corpo un individuo considerato come “uno” anche se composto da miliardi di cellule è lo scambio di una massa critica di informazioni tra le parti che lo compongono; ogni cellula del corpo informa ed è informata da tutte le altre cellule che compongono il vivo. Senza scambio di informazioni, un corpo è un semplice aggregato di cellule. L’identità della persona come individuo è data da: - omogeneità genetica (stesso DNA in tutte le cellule), - omeostasi (mantenimento dei parametri fisici – chimici delle cellule), - identità immunitaria (riconoscere e distinguere le proprie proteine da quelle degli altri individui), - memoria autobiografica (consapevolezza di esistere). INFORMAZIONE Lo scambio di informazioni è fondamentale per un organismo vivente, che lo differenzia dalla semplice colonia di cellule. Esiste una massa critica di informazioni che vengono scambiate tra le cellule, ognuna di esse riceve ed invia informazioni alle altre: questo permette di definirci “individuo”.

Esistono vari livelli di comunicazione: - intracellulare (scambio di informazioni tramite contatto di cellule vicine, con giunzioni cellulari), - autocrino (una cellula emette un messaggio che essa stessa recepisce e che utilizza per modificarsi), - paracrino (una cellula emette un messaggio che modifica un’altra cellula nelle vicinanze), - sinaptico (scambio di informazioni tramite sinapsi), - organistico, endocrino e nervoso, - interindividuale (scambio di informazioni tra individui). Per poter trasmettere un’informazione occorre: EMITTENTE – SEGNALE → RICEVENTE L’emittente è colui che emette un segnale; il segnale è un fenomeno fisico, percepibile, che esiste in almeno due stati (luce – buio, 1 – 0, acceso – spento, silenzio – rumore …). Il ricevente è colui che capta il segnale; deve possedere due

caratteristiche, ovvero deve accorgersi che gli è stato inviato un segnale (ad es. il timpano si modifica a causa delle vibrazioni che gli arrivano da segnali acustici) e deve comprendere qual è il messaggio portato dal segnale. Senza un codice non esiste comunicazione; il codice è il vocabolario, ciò che associa un certo stato del segnale con un significato preciso. Uno stesso segnale può assumere significati diversi a seconda del codice utilizzato (una parola in una lingua può essere fraintesa in un’altra lingua); anche le molecole nel nostro corpo (neurotrasmettitori, ormoni …) sono dei segnali e diverse cellule le possono interpretare in maniera diversa, poiché ognuna conosce codici diversi. SISTEMI DI CONTROLLO Sistema = insieme di oggetti che interagiscono tra loro in modo tale ed in quantità tale che il comportamento del sistema di oggetti ha più valore della somma dei singoli comportamenti; una macchina ha più utilità di quanta non ne abbiano i suoi componenti smontati ed ammucchiati. Deve esserci una trasmissione di informazioni tra i componenti del sistema. Le proprietà emergenti dei sistemi sono quelle proprietà nate dall’unione delle singole parti, che prese da sole non ne hanno. Controllo = è quella condizione in cui, alla variabile di un sistema, non è permesso di variare casualmente o imprevedibilmente ma la variabile assume determinati valori all’interno di un “range” determinato dal controllore. Il sistema di controllo è quindi un insieme di oggetti capace di mantenere entro certi valori delle variabili fisiche (temperatura, pressione, % di glucosio nel sangue …). • SISTEMA DI CONTROLLO A CATENA APERTA

Il sistema controllante decide se occorre aumentare o diminuire la grandezza della variabile fisica (interruttore); il sistema di regolazione aumenta o diminuisce la grandezza (termosifone), mentre il sistema controllato possiede la grandezza che deve essere tenuta nel range (temperatura nella stanza).

Il sistema di controllo a catena aperta può compensare variazioni prevedibili ma non variazioni impreviste (ad es. nell’intestino per la digestione dei lipidi il controllante sono i lipidi, che attivano il regolatore costituito dalla colecistochinina che apre lo sfintere del dotto coledoco, permettendo al controllato ovvero la bile di aumentare la propria quantità nell’ambiente). • SISTEMA DI CONTROLLO A CATENA CHIUSA

Nel sistema di controllo a catena chiusa, il controllore compara il valore di riferimento con il valore segnalato dal sensore: la somma algebrica tra i due valori deve essere diversa da zero per attivare il sistema di regolazione. Questo tipo di sistema può compensare le variabili impreviste, proprio grazie ad un sensore. Esistono due tipi di sistemi di controllo a catena chiusa: - retroazione negativa, il sistema di regolazione tende ad annullare la differenza di valore della variabile con il valore di riferimento; - retroazione positiva, il sistema di regolazione incrementa il valore della variabile fino ai suoi valori massimi possibili. Nei sistemi a retroazione negativa il valore di riferimento non è mai presente poiché tende ad oscillare vicino ad esso (ad es. se la temperatura in una stanza è di 19° ed il termostato stabilisce che deve essere a 20°, la caldaia scalda l’acqua ma prima che questa raggiunga i termosifoni la T sarà scesa a 18°; quando finalmente la T raggiunge i 20°, i termosifoni si spengono ma rimangono caldi e la alzano a 21°). Si genera un’oscillazione intorno al valore di riferimento; tutti i sistemi hanno bisogno di tempo per inviare segnali alle parti che li compongono. Più la trasmissione di informazioni è lenta, più le oscillazioni

sono alte. Anche le amplificazioni generano oscillazioni: se un elemento del sistema amplifica, ingigantisce l’informazione, l’oscillazione è più marcata. Esistono diversi metodi per amplificare il segnale.

CINETICHE DI AMPLIFICAZIONE • Cinetica lineare A+B→C È un modo per amplificare il segnale; lineare significa “direttamente proporzionale”: se raddoppia l’input raddoppia anche l’output. Nel grafico è rappresentata da una retta. La velocità di reazione è direttamente proporzionale alla concentrazione dei reagenti, se raddoppia A, raddoppia anche la velocità con cui si forma C. • Cinetica non lineare 2A + B → C Con questa equazione si ha una curva nel grafico. La velocità di reazione dipende dalla concentrazione del reagente elevato al quadrato. Se si raddoppia A, la velocità di formazione di C diventa 4 volte di più, se si triplica diventa 9 volte di più ecc. 4A + B → C In questo caso, la velocità di formazione di C è 16 volte più alta; si ottiene sul grafico una curva che, sotto il valore soglia, rasenta lo zero (per valori 0 < x < 1 il valore elevato ad una potenza diminuisce per poi aumentare dopo il valore soglia). Superata la soglia, il valore diventa molto più elevato di quella che sarebbe la cinetica lineare. Si ha il fenomeno del “tutto o nulla”, se un qualcosa che innesca un processo sale sopra una soglia critica, il fenomeno esplode.

• Meccanismo a cascata Un input determina un primo risultato, che ne determina un altro ecc.; ogni molecola attivata ne attiva una reazione a catena che ne attiva altre, ognuna delle quali ne attiva altre e così via. I vantaggi sono: - aumentare la velocità di reazione esponenzialmente; - è possibile regolamentare e modulare ogni passaggio della cascata.

AMBIENTE INTERNO Il concetto di ambiente interno è caratteristico di tutti gli esseri pluricellulari. Per creare dei flussi di materia ed energia nel corpo, in modo tale da mantenerlo vivo tramite l’autopoiesi, occorrono dei gradienti (ovvero differenza di concentrazione di sostanze) fra ambiente interno ed ambiente esterno in modo tale che materia ed energia possano entrare ed uscire dal corpo. Le membrane permettono di distinguere il “dentro” dal “fuori” e di creare differenti concentrazioni di sostanze. La pompa Na – K è stato il primo meccanismo che gli esseri unicellulari hanno sviluppato per differenziarsi dall’ambiente esterno; tutt’oggi ogni essere vivente usa questo sistema, poiché durante l’evoluzione non si sono trovate alternative altrettanto efficaci. Gli organismi unicellulari dovevano differenziarsi dall’ambiente esterno, costituito dal mare (ricco di cloruro di sodio); la cellula ha cercato di mantenere il potassio all’interno e spingere il sodio all’esterno della propria membrana, creando dei gradienti che generano dei flussi. L’ambiente interno è l’ambiente acquoso in cui vivono le cellule. Le cellule del corpo si differenziano rispetto all’acqua di mare abbassando il sodio ed aumentando il potassio intracellulare; questo, però, funziona solo se all’esterno si trova acqua di mare. Per poter passare dall’ambiente acquoso dove si sono sviluppate le cellule alla terra ferma, le cellule dovevano trasportarsi dietro l’acqua marina; gli organismi pluricellulari hanno creato un ambiente interno, ovvero una scorta di acqua marina che essi

si trasportano dietro. L’ambiente interno deve essere rigidamente controllato, perché se cambiano le sue caratteristiche la cellula non ha più i requisiti per poter vivere. L’organismo pluricellulare si porta dietro un mare piccolo, pari alla somma dei liquidi intracellulari di ogni cellula; la cellula scarica nel liquido extracellulare i suoi cataboliti e ne assorbe delle sostanze. Nel mare questo problema non si presentava, poiché esso era infinito rispetto alle cellule; nel momento in cui il mare (il liquido extracellulare) diventa uguale alla somma dei liquidi intracellulari delle cellule, questo si modifica e tende a diventare uguale per composizione al liquido intracellulare. È quindi necessario controllare ed eventualmente modificare i parametri del liquido extracellulare. OMEOSTASI L’omeostasi è l’insieme dei sistemi di controllo che permettono di limitare entro determinati range le varie grandezze che caratterizzano il liquido extracellulare. I valori di omeostasi non sono sempre costanti, ma si modificano a seconda della situazione in cui si trova l’organismo (a riposo, durante lo sforzo fisico ecc.). L’ambiente interno deve rimanere costante, altrimenti lo scambio di informazioni tra le cellule non avviene efficacemente. Il segnale inviato come informazione molto spesso è una molecola; per trasmettere informazioni è necessario che la concentrazione di base di una certa molecola segnale sia molto bassa. Se la sua concentrazione di base è alta, si crea una specie di “rumore di fondo” che disturba il messaggio inviato nell’ambiente interno. Quando la molecola segnale non è più necessaria, essa deve essere smaltita molto rapidamente altrimenti non è possibile inviare altri segnali. Essendoci vari parametri da controllare nell’ambiente interno, è necessario differenziare i diversi sistemi di controllo: gli organi. Ogni organo si prende carico di controllare una parte dell’omeostasi dell’ambiente interno.

È necessario che il lavoro omeostatico di ogni organo sia trasportato in tutto il corpo: occorre una “rimescolazione” dell’ambiente interno, in modo da portare il prodotto degli organi al resto dell’organismo. Il sangue funge da trasferimento per il prodotto degli organi, garantendo l’omeostasi in tutto l’ambiente interno. Se più organi controllano lo stesso parametro, questi devono comunicare efficacemente tra di loro; il conflitto omeostatico si ha quando, intervenendo su un parametro, se ne altera un altro. L’apparato endocrino ed il sistema nervoso autonomo agiscono coordinando gli interventi omeostatici. L’intervento del SN autonomo è molto rapido e localizzato (arriva in una zona precisa), mentre l’intervento dell’apparato endocrino è lento ma generalizzato (interviene su diverse aree del corpo).

L’ACQUA In una molecola d’acqua, la coppia di elettroni che forma il legame covalente tra H ed O è più probabile che si trovi vicino all’atomo di ossigeno, poiché questi ha un valore di elettronegatività (tendenza ad attrarre elettroni) maggiore di quello dell’idrogeno. Se prendiamo in esame la molecola dell’acqua H O, possiamo notare che l’angolo che hanno i due atomi di idrogeno è di circa 105° dovuti al fatto che essi hanno carica parziale + e tendono quindi a repellersi. 2

H O è quindi un dipolo, ovvero ha due cariche elettriche separate nello spazio (la distanza è di circa 95 picometri, dove 1 picometro = 10 m). 2

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Il legame a idrogeno farà si che tra un idrogeno di una molecola d’acqua e l’ossigeno di un’altra molecola si formi un legame debole, il cosiddetto ponte a idrogeno; questo legame permette all’acqua di mantenere uno stato liquido, costituendo “grappoli” di molecole. A 37° (temperatura interna del corpo umano), la durata di questi grappoli è molto breve; i legami a idrogeno si rompono e si

ricostituiscono costantemente in maniera diversa tra loro. PROPRIETA’ DELL’ACQUA • Densità È la massa diviso il volume [kg/m ] di un materiale; più è alta e più il materiale in esame è “pesante”. La densità dell’acqua è molto alta, poiché le numerose molecole sono legate tra loro attraverso i ponti a idrogeno. Il ghiaccio ha una densità minore perché quando l’acqua si solidifica crea un reticolato con numerosi spazi vuoti nei quali i legami a idrogeno si allargano per occupare più spazio, infatti esso galleggia sull’acqua liquida. 3

• Viscosità È l’attrito che crea un liquido scivolando su se stesso; la viscosità dell’acqua è alta, poiché le molecole dello strato che scorre tendono a legarsi a quelle dello strato fermo tramite i ponti a idrogeno. • Proprietà di solvente L’acqua è un ottimo solvente nei confronti di sostanze polari. Tra due ioni si ha energia potenziale poiché tra loro è presente una forza attrattiva (come la gravità per un oggetto sollevato da terra); è necessaria molta energia per vincere l’attrazione elettrica. Le molecole di H O si avvicinano agli ioni ed impediscono ad essi di attrarsi nuovamente tra loro. 2

In una molecola lipidica, i legami che si formano sono tra C e H, che hanno elettronegatività simile e quindi non costituiscono un dipolo; la struttura è quindi apolare. Dal punto di vista energetico, se si separasse una parte di grasso dalla struttura del lipide, aumenterebbe l’energia potenziale dell’acqua perché i legami tra le molecole di H O si devono rompere per fare spazio alla molecola. 2

• Proprietà termiche Il calore specifico è la quantità di calore che devo somministrare ad un materiale per alzarne la temperatura di 1°. L’acqua ha un calore specifico molto elevato perché occorre

rompere i legami tra le molecole attraverso il calore ceduto; solo una parte di esso viene utilizzato per aumentare la mobilità delle molecole. • Tensione superficiale Dove l’acqua incontra l’aria si forma uno strato particolare, nel quale le molecole sulla superficie si “accartocciano” su quelle interne, occupando così il minor spazio possibile (sferico). Sopra di esse si trova aria e non acqua, quindi sono attratte solamente dalle altre molecole d’acqua verso l’interno. • Dissociazione In parte, l’acqua è dissociata; gli elettroni di legame possono venire catturati interamente dall’ossigeno, creando ioni H e ioni OH . La percentuale di H O che si dissocia è costante, poiché dai due ioni prodotti si riforma continuamente H O. +

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Il prodotto di dissociazione dell’acqua indica la concentrazione di ioni nell’acqua: [H ] · [OH ] = 10 Nell’acqua pura la concentrazione di [H ] è uguale alla concentrazione di [OH ], quindi essa avrà un valore pari a 10 M. [H ] = [OH ] = 10 +

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Il pH è una grandezza che esprime la concentrazione di ioni idrogeno di una soluzione. pH = -log [H ] +

• Conducibilità elettrica L’acqua ha una bassa conducibilità elettrica, dovuta al ridotto numero di ioni H e ioni OH al suo interno (10 M per ione). Tuttavia, l’acqua non è mai pura al 100% ma contiene al suo interno altri ioni disciolti che ne aumentano la conducibilità; l’ambiente interno delle nostre cellule ha composizione simile all’acqua marina diluita, ma comunque ricca di ioni e per questo un buon conduttore elettrico. +

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• Biochimica dell’acqua L’acqua viene prodotta durante i processi di polimerizzazione e metabolizzazione all’interno del nostro organismo, soprattutto nella catena respiratoria; è il prodotto finale della respirazione cellulare.

Si consuma acqua ogni volta che si effettuano reazioni di idrolisi, come l’idrolisi dell’ATP necessaria a rilasciare energia. Per animali che vivono in ambienti aridi e che non hanno possibilità di bere molta acqua, essa è ricavata dalle reazioni chimiche. • Osmosi È una proprietà che permette all’acqua di trasferirsi da un ambiente più diluito ad un ambiente più concentrato, attraverso membrane semipermeabili. L’acqua trasferita per osmosi sarà tanta quanta ne occorre per bilanciare la pressione idrostatica delle due soluzioni; la pressione che occorre applicare alla soluzione affinché il passaggio attraverso la membrana del solvente non avvenga, è detta pressione osmotica. L’osmolarità è la concentrazione di particelle disciolte all’interno dell’ambiente; in questo caso si considerano le particelle senza distinguerle tra loro (1 mol di NaCl, se disciolta, rilascia 1 mol di Na e 1 mol di Cl, per un totale di 2 mol). L’acqua presente nell’organismo diminuisce con l’età e, nelle donne dopo la pubertà, la % di acqua è inferiore rispetto agli uomini a causa di una maggiore quantità di tessuto adiposo sottocutaneo. L’acqua non è distribuita in tutti i tessuti allo stesso modo: il tessuto adiposo ed il tessuto osseo ne sono poveri. L’acqua extracellulare è di poco inferiore all’acqua intracellulare. CARICA ELETTRICA E POTENZIALE ELETTRICO La carica elettrica è una proprietà fondamentale della materia; una carica elettrica si può trovare solamente su oggetti e non nello spazio. Due corpi dotati di carica Q e Q , posti alla distanza r, si attraggono o si respingono con una forza F che dipende dal prodotto fra le cariche e l’inverso del quadrato della loro distanza: F = k |Q | · |Q | r 1

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L’equazione della legge di Coulomb calcola la forza attrattiva

[C] tra due cariche ma essa può essere anche repulsiva, se le due cariche Q e Q hanno lo stesso segno. Due cariche uguali, per avvicinarsi hanno bisogno di una forza esterna che vinca la forza di repulsione generata dalla legge di Coulomb; se la forza esterna viene improvvisamente meno, la particella si allontanerà molto rapid...