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Fondamenti di fisiologia umana – Lauralee Sherwood

FONDAMENTI DI FISIOLOGIA UMANA Lauralee Sherwood

Riassunto Il testo contiene degli errori di battitura.

Nel testo sono contenute le dispense della Prof. Bellomo. Si consiglia di studiare confrontando le immagini dal libro.

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Fondamenti di fisiologia umana – Lauralee Sherwood

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-1Introduzione alla Fisiologia e all’Omeostasi Introduzione alla Fisiologia La fisiologia è lo studio delle funzioni degli esseri viventi. Qui ci si sofferma di come funziona il corpo umano. La fisiologia si focalizza sui meccanismi d’azione. Due approcci vengono utilizzati per spiegare gli eventi che accadono nel corpo: uno sottolinea le finalità di un processo corporeo e l’altro sottolinea il meccanismo attraverso cui questo processo avviene. I fisiologi, invece, spiegano come avvengono i processi nel corpo. Essi vedono l’organismo come una macchina i cui meccanismi d’azione possono essere spiegati come sequenze causa-effetto di processi fisici e chimici. Struttura e funzione sono inseparabili. La fisiologia è strettamente correlata all’anatomia, lo studio della struttura del corpo. I meccanismi fisiologici sono resi possibili dal disegno strutturale e dalla relazione tra le diverse parti del corpo che attuano ognuna le proprie funzioni. Livelli di Organizzazione del Corpo Il corpo umano è strutturalmente organizzato in un’unica unità funzionale, dal livello chimico a quello del corpo nel suo insieme. Questi livelli di organizzazione permettono la vita. Il livello chimico: diversi atomi e molecole costituiscono l’organismo. Il corpo umano è il risultato di una combinazione di atomi, che sono le più piccole unità costitutive della materia. Gli atomi più comuni nell’organismo sono ossigeno, carbonio, idrogeno e azoto. Questi atomi comuni e pochi altri si combinano a formare le molecole delle vita, come le proteine, i carboidrati, i lipidi e gli acidi nucleici. Il livello cellulare: le cellule sono le unità alla base della vita. Per formare entità viventi i componenti chimici vitali devono essere organizzati e assemblati in modi particolare. La cellula, l’unità fondamentale di un essere vivente, è la più piccola unità capace di attuare i processi associati alla vita. Gli organismi sono entità viventi indipendenti. Le forme più semplici di vita indipendente sono gli organismi unicellulari come i batteri e le amebe. Gli organismi complessi pluricellulari, come gli alberi e gli esseri umani, sono aggregati strutturali e funzionali di migliaia di miliardi di cellule. Ogni essere umano si origina quando un uovo e uno spermatozoo si uniscono a formare una nuova cellula che si divide e forma una massa che si accresce in seguito a miriadi di divisioni cellulari. Tutte le cellule svolgono, per la propria sopravvivenza, le seguenti funzioni fondamentali: x ricavare nutrienti e ossigeno dall’ambiente circostante; x effettuare reazioni chimiche che utilizzano i nutrienti e l’ossigeno per ricavare l’energia; x eliminare dall’ambiente circostante l’anidride carbonica e gli altri sottoprodotti, o sostanze di rifiuto; x sintetizzare proteine e altre sostanze necessarie per la struttura cellulare, per la crescita e per lo svolgimento di particolari funzioni; x regolare lo scambio di materiali tra la cellula e il suo ambiente circostante; x trasportare i materiali da una parte all’altra all’interno della cellula; x essere sensibili e rispondere ai cambiamenti dell’ambiente circostante; x riprodursi. Alcune cellule del corpo, soprattutto quelle nervose e muscolare, perdono la loro capacità di riprodursi subito dopo la formazione.

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Negli organismi pluricellulari, ogni cellula svolge anche una funzione specializzata, che è generalmente una modificazione o un’elaborazione di una funzione fondamentale della cellula. Per esempio, le cellule dell’apparato digerente secernono enzimi digestivi che degradano il cibo. Il livello tissutale: i tessuti sono gruppi di cellule con specializzazione simile. Le cellule con struttura e funzione specializzata simili si combinano a formare i tessuti, di cui esistono quattro tipi: muscolare, nervoso, epiteliale e connettivo. x Il tessuto muscolare è costituito da cellule specializzate per la contrazione, che genera tensione e produce movimento. Ci sono tre tipi di tessuto muscolare: scheletrico (che muove lo scheletro), cardiaco (che pompa il sangue dal cuore) e liscio (che controlla il movimento). x Il tessuto nervoso è formato da cellule specializzate per la generazione e la trasmissione degli impulsi elettrici. Questi impulsi agiscono da singoli segnali che trasmettono informazioni da una parte all’altra del corpo. x Il tessuto epiteliale è costituito da cellule specializzate nello scambio di materiali tra la cellula e il suo ambiente. Qualsiasi sostanza che entra o lascia il corpo deve attraversare una barriera epiteliale. x Il tessuto connettivo si distingue per avere relativamente poche cellule disperse in un’abbondante materiale extracellulare. Il tessuto connettivo connette, sostiene e tiene insieme le varie parti del corpo. Esso include diversi tipi di strutture. Il livello dell’organo: un organo è un’unità costituita da diversi tipi di tessuto. Gli organi sono formati da due o più tipi di tessuto organizzati per svolgere una o più funzioni particolari. I tessuti dello stomaco funzionano insieme per immagazzinare il cibo ingerito, muoverlo lungo il resto del canale digerente e iniziare la digestione delle proteine. Il livello del sistema organico: un sistema organico è un insieme di organi correlati. I gruppi di organi sono ulteriormente organizzati in sistemi. Ogni sistema è un insieme di organi che svolgono funzioni correlate e interagiscono per realizzare un’attività comune. Per esempio l’apparato digerente comprende la bocca, la faringe, l’esofago, lo stomaco, l’intestino, le ghiandole salivari, il pancreas, il fegato e la cistifellea. Il corpo umano ha 11 sistemi: circolatorio, digestivo, respiratorio, urinario, scheletrico, muscolare, tegumentale, immunitario, nervoso, endocrino e riproduttivo. Il livello dell’organismo: i sistemi organici sono riuniti in un intero organismo funzionale. Ogni sistema corporeo dipende dal corretto funzionamento degli altri sistemi. L’intero corpo è costituito da vari sistemi organici strutturalmente e funzionalmente collegati. Concetto di Omeostasi L’ambiente esterno è l’ambiente circostante in cui l’organismo vive. Un organismo unicellulare come l’ameba ottiene i nutrienti e l’ossigeno direttamente dal proprio ambiente esterno e riversa in esso i prodotti di rifiuto. Una cellula del corpo umano ha la stessa necessità di introdurre ossigeno e di eliminare gli scarti, ma questa cellula è isolata dall’esterno che circonda il corpo. Come può quindi effettuare gli scambi vitali con l’ambiente esterno? La chiave è la presenza di un ambiente interno acquoso. Le cellule del corpo sono a contatto con un ambiente interno mantenuto “privato”. Il liquido contenuto all’interno di tutte le cellule del corpo è detto liquido intracellulare. Quello al loro esterno è detto liquido extracellulare, che è esterno alla cellula ma interno al corpo. Il liquido extracellulare è costituito da due componenti: il plasma e il liquido interstiziale. Una cellula dell’organismo assorbe i nutrienti essenziali dal suo ambiente acquoso circostante ed elimina i prodotti di rifiuto in questo stesso ambiente. La differenza principale è che ogni cellula del corpo deve coadiuvare e mantenere la composizione dell’ambiente interno in modo che tale liquido rimanga continuamente adatto a sostenere l’esistenza di tutte le cellule del corpo.

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I sistemi organici mantengono l’omeostasi, uno stato stazionario dinamico dell’ambiente interno. Le cellule dell’organismo possono vivere e funzionare solo quando il liquido extracellulare è compatibile con la loro sopravvivenza; quindi la composizione chimica di questo ambiente deve essere mantenuta entro stretti limiti. Il mantenimento di un ambiente interno relativamente stabile è detto omeostasi. Le funzioni svolte da ciascun sistema organico contribuiscono all’omeostasi, mantenendo così all’interno del corpo l’ambiente richiesto per la sopravvivenza e per il mantenimento di tutte le cellule. L’ambiente interno deve essere mantenuto relativamente stabile, ma questo non significa che la sua composizione e altre caratteristiche siano immutabili. Fattori sia esterni che interni minacciano continuamente di perturbare l’omeostasi. Quando qualsiasi fattore inizia ad allontanare l’ambiente interno dalle condizioni ottimali, i sistemi organici avviano appropriate controreazioni per minimizzare il cambiamento. Molti fattori dell’ambiente interno devono essere mantenuti omeostaticamente. Essi comprendono i seguenti: x concentrazione di nutrienti; x concentrazione di ossigeno e anidride carbonica; x concentrazione di prodotti di rifiuto; x pH; x concentrazione di acqua, sale e altri elettroliti; x volume e pressione; x temperatura. Gli 11 sistemi organici contribuiscono all’omeostasi nei seguenti modi: x il sistema circolatorio trasporta materiali come nutrienti, ossigeno a anidride carbonica; x il sistema digestivo demolisce il cibo in piccole molecole di nutrienti che possono essere assorbite dal plasma per la distribuzione nel corpo; x il sistema respiratorio ottiene ossigeno ed elimina anidride carbonica; x il sistema urinario rimuove l’acqua, il sale, acido e altri elettroliti dal plasma e li elimina nell’urina; x il sistema scheletrico fornisce supporto e protezione ai tessuti e agli organi; x il sistema muscolare muove le ossa a cui i muscoli scheletrici sono ancorati; x il sistema tegumentario funge da barriera protettiva esterna che previene la perdita del liquido interno al corpo e l’ingressi di microrganismi estranei; x il sistema immunitario difende il corpo dagli invasori esterni come i batteri e i virus; x il sistema nervoso è uno dei principali sistemi della regolazione dell’organismo, controlla e coordina le attività corporee che richiedono reazioni rapide; x il sistema endocrino è l’altro principale sistema di regolazione, regola le attività che richiedono la durata, come la crescita; x il sistema riproduttivo non è essenziale per l’omeostasi e quindi non è essenziale per la sopravvivenza, ma è comunque essenziale per la riproduzione della specie. Sistemi di Regolazione Omeostatica Un sistema di regolazione omeostatica è una rete di componenti del corpo funzionalmente interconnessa che opera al fine di mantenere relativamente costante un dato parametro dell’ambiente interno. Per mantenere l’omeostasi il sistema di regolazione deve essere in grado di rilevare le deviazioni dalla norma, integrare questa informazione con qualsiasi altra rilevante informazione ed effettuare le appropriate regolazioni nell’attività delle parti del corpo responsabili a riportare questo parametro al valore desiderato.

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I sistemi di regolazione omeostatica possono operare localmente o a livello dell’intero corpo. I sistemi di regolazione omeostatica possono essere raggruppati in due classi: regolazioni intrinseche e regolazioni estrinseche. Le regolazioni intrinseche sono proprie di un organo, per esempio quando un muscolo impegnato in un esercizio brucia rapidamente ossigeno, per generare l’energia necessaria la concentrazione di ossigeno all’interno del muscolo diminuisce. La maggior parte dei parametri nell’ambiente interno è tuttavia mantenuta da regolazioni estrinseche, meccanismi di regolazione iniziati all’esterno dell’organo per alterarne l’attività. La regolazione estrinseca viene effettuata dai due principali sistemi di regolazione, il nervoso e l’endocrino. Il feedback negativo si oppone alla variazione iniziale e viene ampiamente utilizzato per mantenere l’omeostasi. Per stabilizzare i parametri fisiologici i meccanismi di controllo devono agire sul principio del feedback negativo. Nel feedback negativo una variazione in un parametro stimola una risposta che tende a ricondrre il parametro alla normalità facendo variare nel verso opposto a quello della sua variazione iniziale. Per esempio quando le cellule nervose che monitorano la temperatura rilevano una diminuzione della temperatura sotto il livello desiderato, lo segnalano al centro termoregolatore dell’encefalo, che inizia una sequenza di eventi che si concludono in risposte come il brivido, che genera calore e aumenta la temperatura. Il feedback positivo amplifica una variazione iniziale. Con il feedback positivo la risposta amplifica una variazione in modo tale che la variabile regolata continui a muoversi nella direzione seguita. Tale azione è paragonabile al calore generato dalla caldaia che attiva il termostato in modo da richiedere alla caldaia di produrre più calore. Poiché lo scopo principale dell’organismo è quello di mantenere condizioni omeostatiche stabili, il feedback positivo non interviene tanto spesso come quello negativo. Il feedback positivo ha un ruolo fondamentale in alcune circostanze come il parto. Le perturbazioni dell’omeostasi possono portare a patologie e morte. Nonostante i meccanismi di controllo, quando uno o più sistemi organici sono mal funzionanti, l’omeostasi viene perturbata, e tutte le cellule soffrono. Il termine fisiopatologia si riferisce al funzionamento anomalo dell’organismo associato alla malattia.

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-2Fisiologia Cellulare Osservazione delle Cellule Le cellule che costituiscono il corpo umano sono invisibili ad occhio nudo. La più piccola particella visibile è 5-10 volte più grande di una tipica cellula umana, le cui dimensioni variano da 10 a 20 micrometri di diametro. Circa 100 cellule di dimensione medie, allineate consecutivamente, coprirebbero circa 1 mm. Fino all’avvento del microscopio gli scienziati non conoscevano l’esistenza delle cellule. Con il miglioramento scientifico i ricercatori hanno scoperto che tutti i tessuti vegetali e animali sono costituiti da cellule. Oggi gli scienziati dispongono di microscopi ancora più sofisticati, di tecniche biochimiche, della tecnologia delle colture cellulari, e dell’ingegneria genetica. Uno Sguardo d’Insieme alla Struttura Cellulare La membrana: la membrana rappresenta i confini della cellula ed è composta da un doppio strato di cellule lipidiche. Incastrate nella membrana ci sono molte proteine, che svolgono importanti funzioni: alcune di esse rilevano la presenza di certe sostanze al di fuori della cellula e ne passano l’informazione all’interno di questa; altre proteine controllano l’ingresso delle sostanze all’interno della cellula, lasciandone passare alcune, ma tenendone fuori altre. La membrana non può essere considerata solo un semplice contenitore che impedisce la dispersione dei materiali intracellulari. Essa consente degli attraversamenti selettivi tra il citoplasma e il liquido interstiziale, attraversamenti che sono essenziali alla sopravvivenza della cellula e allo svolgimento delle sue funzioni. La membrana è composta da proteine e lipidi disposti in tre strati: uno strato lipidico, rivestito per ciascun lato da uno strato proteico. Le molecole lipidiche sono orientate in modo caratteristico: con le code idrofobe che si fronteggiano tra loro all’interno e le teste idrofile che si legano con lo strato proteico limitrofo. Lo strato lipidico costituisce una barriera impermeabile, necessaria per la perseverazione del patrimonio citoplasmatico. L’attraversamento è consentito solo alle molecole minuscole; le molecole idrofile, anche se di piccole dimensioni, riescono ad attraversare la membrana as una sola condizione: che siano presenti delle specifiche proteine che si incaricano del trasporto, facendo sì che queste molecole possano bypassare la componente idrofoba dello strato lipidico. (vedi il trasporto mediato e il trasporto non mediato, capitolo 3). Il nucleo: il nucleo è una struttura presente nella regione centrale della cellula, è sferico o ovoidale ed è ricoperto dalla membrana nucleare. Il nucleolo e i cromosomi sono contenuti al suo interno: il nucleolo è responsabile della produzione dei ribosomi, piccole strutture implicate nella sintesi delle proteine. I cromosomi, una striscia di DNA, con le proteine ad essa associate, contengono informazioni genetiche dell’organismo. Quando sono attivi, porzioni particolari del cromosoma (dette geni) causano la produzione di un’altra molecola complessa, l’mRNA messaggero, una macromolecola che trasporta l’informazione genetica riguardante la sintesi di una proteina da una porzione di un cromosoma a un ribosoma. Oltre a fornire struttura, le proteine servono da enzimi, molecole che controllano una reazione chimica, combinando insieme due sostanze oppure rompendo una sostanza in due parti. Il citoplasma: il citoplasma è una sostanza complessa e può variare considerevolmente da un tipo di cellula all’altro, ma può essere rappresentato come una sostanza gelatinosa semiliquida che riempie lo spazio delimitato dalla membrana. Esso contiene minuscole strutture specializzate, chiamate “organelli”. I mitocondri: i mitocondri sono organelli responsabili dell’estrazione dell’energia dagli elementi nutritivi. Hanno una forma simile a un fagiolo e sono costituiti da una doppia membrana; la membrana interna è ripiegata più volte su se stessa, e le pieghe formano una serie di creste che riempiono l’interno della struttura. I mitocondri svolgono un ruolo vitale nell’economia della cellula: molti degli stadi biochimici necessari per l’estrazione dell’energia dal catabolismo degli elementi

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nutritivi si svolgono proprio sulle pieghe della membrana interna, sotto il controllo di enzimi ivi localizzati. Il reticolo endoplasmatico: il reticolo endoplasmatico è composto da strati paralleli di membrana, che si trovano all’interno del citoplasma della cellula. Il reticolo endoplasmatico rugoso contiene i ribosomi ed è implicato nella produzione delle proteine secrete dalla cellula; il reticolo endoplasmatico liscio è il sito di sintesi dei lipidi e produce i canali per la segregazione delle molecole implicate in vari processi cellulari. Entrambi i tipi sono composti da strati paralleli di membrana, disposti a coppie. L’apparato del Golgi: l’apparato del Golgi è un sistema complesso di membrane parallele all’interno del citoplasma, che avvolge i prodotti di una cellula secretoria. Qui sono assemblate alcune molecole complesse. L’apparato del Golgi serve anche come apparato di immagazzinamento e impacchettamento: le cellule secretorie avvolgono i loro prodotti in uno strato di membrana prodotto dall’apparato del Golgi. L’apparato del Golgi produce anche i lisosomi, piccole sacche contenenti enzimi che demoliscono i prodotti di scarto della cellula. Il citoscheletro: un tempo si pensava che gli organuli cellulari galleggiassero liberamente all’interno del fluido citoplasmatico. In seguito si è rilevata l’esistenza del citoscheletro, una rete di fibre estesa in tutto il citoplasma. Le strutture filamentose che compongono il citoscheletro sono di più tipi. I microtubuli sono tubi cavi e dritti che servono a conferire rigidità, forma e organizzazione alla cellula; sono costituiti da proteine e possono allungarsi o accorciarsi per aggiunta o sottrazione di sub-unità proteiche. I microtubuli funzionano anche da “binari” lungo i quali scorrono gli organuli. I microtubuli aiutano a mantenere la struttura asimmetrica e giocano un ruolo importante nei movimenti cellulari complessi. I microfilamenti sono bastoncini proteici non cavi e più sottili, che consentono alla cellula di muoversi e di cambiare forma in seguito allo scorrimento delle sub-unità proteiche l’una sull’altra. I microfilamenti sono importanti per i sistemi contrattili cellulari e come elementi di sostegno meccanico.

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-3La Membrana Plasmatica e il Potenziale di Membrana Struttura e Funzio...