Appunti di FISIOLOGIA – a cura di Fabio Zonin
2 – OMEOSTASI
OMEOSTASI
Negli organismi unicellulari, come l’ameba che vive in uno stagno, l’ambiente interno della cellula è
direttamente esposto a quello esterno: la sua sopravvivenza dipende totalmente da variazioni della
temperatura, della luce, della concentrazione di svariate sostanze chimiche che si trovano
nell’ambiente esterno. Ad esempio, se l’acqua gela (ambiente esterno), anche l’ameba si congela
(potrebbe anche non morire e rimanere immobilizzata).
Negli organismi multicellulari, come l’uomo, solo una piccola parte di cellule di un organismo
multicellulare è in diretto contatto con l’ambiente esterno. La gran parte delle cellule è a diretto
contatto con l’ambiente interno acquoso rappresentato dal liquido extracellulare (liquido interstiziale,
plasma, linfa, liquido cefalo-rachidiano) che è un liquido corporeo che costituisce un terzo di tutto il
volume corporeo. Pertanto, il liquido extracellulare è l’ambiente
ambiente interno dell’organismo e serve da
interfaccia tra l’ambiente esterno e le cellule.
cellule
Il volume e le caratteristiche chimicochimico-fisiche dell’ambiente interno dell’organismo sono solo
relativamente costanti,
costanti dato che questo va incontro a continui cambiamenti (basti pensare che
l’ambiente interno costituisce il mezzo attraverso il quale avvengono gli scambi di sostanze nutritive e
cataboliti fra cellule e ambiente esterno). Anche le condizioni dell’ambiente esterno possono
cambiare.
cambiare Questi cambiamenti si riflettono sulla composizione del liquido extracellulare, che a sua
volta influenzerà
dell’organismo, che non sono molto tolleranti ai
influenzerà la sopravvivenza delle cellule dell’organismo
cambiamenti che si verificano nelle loro vicinanze. Pertanto, un’alterazione dell’ambiente interno
(volume e composizione chimico-fisica) scatena come risposta l’attivazione di meccanismi omeostatici
che vanno a correggere tali cambiamenti fino al ristabilirsi di tutti i parametri (volume idrico,
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2 – OMEOSTASI
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concentrazione degli ioni, degli ormoni, pressione osmotica, tensione dell’ossigeno, pH, …) entro
valori “normali o fisiologici”. I meccanismi omeostatici sono dunque il risultato del processo evolutivo
degli organismi pluricellulari.
L’ omeostasi (homeo=simile e statis=condizione) è un processo complesso ed è il risultato del
monitoraggio continuo di molti parametri e funzioni organiche fisiologiche (come la pressione
arteriosa, la ventilazione, la temperatura, l’equilibrio acido-base, l’equilibrio idro-salino) che sono
regolate in modo da mantenere il più possibile stabile e costante l’ambiente interno,
interno affinchè le
cellule dell’organismo possano continuare a vivere e a funzionare regolarmente in un ambiente adatto
alle loro esigenze. Più è alto il valore della perturbazione, più è forte il cambiamento di valori effettivi
e, di conseguenza, maggiore è la correzione da effettuare. Quasi tutti gli organi ed apparati sono al
servizio dell’omeostasi (cuore, vasi, polmoni, reni, stomaco, intestino, fegato, muscoli, pelle, organi
genitali, ghiandole endocrine, nervi, encefalo).
La base molecolare del processo omeostatico consiste nella conservazione della conformazione delle
proteine, molecole che rappresentano
le componenti principali delle cellule e
che svolgono svariate funzioni
(enzimatiche, strutturali, di trasporto,
…). Ogni proteina ha una sua propria
conformazione che le permette di
assolvere al meglio la sua funzione.
Un disturbo dell’omeostasi comporta
una variazione significativa di
parametri quali ph, temperatura e
concentrazione ionica dell’ambiente in
cui si trovano queste proteine: ciò
causa una modificazione della loro
conformazione e, quindi, una
diminuzione o perdita della loro
funzione.
funzione Il cattivo funzionamento
delle proteine, a sua volta, impedisce
all’intera cellula di assolvere ai suoi
compiti specifici; i difetti funzionali si
sommano fino a compromettere il
funzionamento dei tessuti, degli
organi e dei sistemi. Ciò porta al
manifestarsi di uno stato patologico
(da pathos=sofferenza). Al contrario,
se l’organismo riesce a compensare
con successo l’omeostasi disturbata,
questa viene ripristinata e si ritorna ad
uno stato di benessere.
VIE DI CONTROLLO DELL’OMEOSTASI
CONTROLLO LOCALE E CONTROLLO RIFLESSO
L’omeostasi è un processo continuo che richiede il controllo di molteplici parametri e la
coordinazione delle risposte appropriate per minimizzare qualsiasi disturbo. Le risposte omeostatiche
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2 – OMEOSTASI
possono esercitarsi in piccole e localizzate regioni dell’organismo (controllo
controllo locale)
locale o possono
coinvolgere l’organismo intero, ossia essere sistemiche (controllo
controllo riflesso).
riflesso In entrambi i casi, l’intero
processo è caratterizzato
caratterizzato da 3 componenti :
1. uno stimolo (o variazione di una variabile regolata);
2. una cellula o tessuto che avverte lo stimolo e da il via ad una risposta;
3. cellule oppure tessuti che esercitano una risposta.
risposta
CONTROLLO LOCALE
È il meccanismo di controllo più semplice: una cellula o un tessuto avverte la presenza di un
cambiamento,
cambiamento relativamente isolato, nelle sue immediate vicinanze e risponde di conseguenza
mediante la produzione di sostanze paracrine o autocrine che ripristinano il parametro che ha subito
il cambiamento.
cambiamento Poiché la risposta evocata è limitata alla regione dove si è verificato il cambiamento,
cambiamento
questo tipo di controllo è definito “locale”.
Es.: quando la concentrazione di ossigeno in un tessuto diminuisce, le cellule che rivestono i piccoli
vasi sanguigni che portano il sangue verso questa area avvertono tale diminuzione e rispondono
secernendo sostanze paracrine (anidride
anidride carbonica e prodotti metabolici come l’acido
acido lattico,
lattico
l’istamina
istamina e NO)
NO che fanno rilasciare le fibre muscolari lisce della parete dei vasi, dilatandoli e
portando più sangue e ossigeno in quella regione dove si era manifestata l’ipossia tissutale.
CONTROLLO RIFLESSO
È un meccanismo di controllo a distanza più complesso che utilizza il Sistema Nervoso (controllo
controllo
rapido mediante segnali nervosi) e/o il Sistema Endocrino (controllo
controllo lento mediante gli ormoni) per
ricevere informazioni sul cambiamento di un parametro (cambiamento più esteso o sistemico). In una
via riflessa, la decisione della necessità di una risposta avviene lontano
lontano dalla cellula o dal tessuto che
deve attuare la risposta,
risposta grazie all’invio di un segnale chimico o elettrico. Questo controllo avviene
grazie all’attivazione di un arco riflesso che ha fondamentalmente 3 componenti principali:
1. un segnale di ingresso (input);
2. l’integrazione
integrazione del segnale;
segnale;
3. un segnale di uscita (output).
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STIMOLO
Rappresenta l’inizio
inizio di un arco riflesso e corrisponde alla variazione o al disturbo che innesca la
reazione. Lo stimolo può essere o una variazione esterna o un cambiamento di parametri corporei
quali la temperatura, il contenuto di ossigeno, la pressione arteriosa, ecc…
SENSORE O RECETTORE SENSORIALE
La prima tappa di un arco riflesso è l’attivazione
attivazione di un recettore sensoriale da parte dello stimolo.
stimolo.
Infatti il recettore controlla e monitora continuamente l’ambiente in cui si trova e ne registra i valori
effettivi. I recettori del riflesso sono cellule specializzate,
specializzate parti di cellule o recettori multicellulari
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2 – OMEOSTASI
complessi, come ad esempio l’occhio, che controllano continuamente l’ambiente che li circonda,
registrandone i valori effettivi e rispondendo ad eventuali cambiamenti. Nel corpo umano ci sono
molti recettori sensoriali, ognuno localizzato anatomicamente nella migliore posizione per rilevare il
parametro controllato. I recettori sensoriali si suddividono in :
a. Recettori Centrali (localizzati nel SNC) :
Occhi: percepiscono la luce;
Orecchie: percepiscono il suono e il movimento;
Naso: percepisce gli odori.
b. Recettori Periferici (disseminati sulla cute o all’interno del corpo) :
Barocettori: percepiscono la pressione;
Termocettori: percepiscono la temperatura;
Meccanocettori: percepiscono il tatto, le vibrazioni;
Osmocettori: percepiscono l’osmolarità;
Algocettori: percepiscono il dolore;
Propriocettori: percepiscono la posizione corporea;
Chemocettori : percepiscono i gas, CO2 e O2, e sostanze chimiche.
Tutti i recettori hanno una SOGLIA,
SOGLIA cioè uno stimolo minimo che deve essere raggiunto per mettere in
movimento la risposta riflessa. Infatti, se lo stimolo è al di sotto della soglia non si avrà l’attivazione
dell’arco riflesso e la risposta non potrà iniziare. Se, viceversa, lo stimolo raggiunge la soglia il
recettore traduce lo stimolo in segnale elettrico .
VIA AFFERENTE
Quando il recettore registra una variazione di un parametro rispetto al valore di riferimento, invia un
segnale lungo la via afferente che collega il recettore al centro di integrazione.
integrazione La via afferente di un
riflesso varia in relazione al tipo di riflesso. In un riflesso nervoso la via afferente è un segnale
chimico ed elettrico trasportato da una cellula nervosa. In un riflesso endocrino non c’è una via
afferente poiché lo stimolo va direttamente a contatto con la cellula endocrina, che funge sia da
sensore sia da centro di integrazione.
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CENTRO DI INTEGRAZIONE
È il centro di controllo di un riflesso:
riflesso riceve l’informazione relativa ad un cambiamento e decide una
risposta appropriata. Questo compito è semplice se il centro riceve l’informazione da un solo stimolo,
è difficile se riceve due o più segnali contrastanti da recettori differenti. In questo caso il centro di
integrazione deve valutare ogni segnale in base ad intensità ed importanza e deve decidere una
risposta che tenga conto delle informazioni provenienti da tutti i recettori.
recettori Nel riflesso endocrino il
centro di integrazione è la cellula endocrina. Nel riflesso nervoso il centro di integrazione è costituito
da cellule nervose e spesso risiede all’interno del SNC, cioè encefalo e midollo spinale (l’ipotalamo
rappresenta il centro più importante).
VIA EFFERENTE
Lungo la via efferente un segnale uscente si porta dal centro di integrazione verso l’effettore.
l’effettore Nel
riflesso nervoso la via efferente è sempre un segnale chimico ed elettrico trasmesso dal neurone
efferente. Siccome i segnali elettrici che viaggiano attraverso il sistema nervoso sono tutti uguali, la
caratteristica distintiva del segnale è data dalla via anatomica usata dalla cellula nervosa per
trasportare il segnale ad uno specifico bersaglio. Ad esempio, il nervo vago porta un segnale nervoso
al cuore, il nervo frenico al diaframma. Nel caso di un riflesso endocrino la via efferente è
anatomicamente sempre la stessa perché tutti gli ormoni viaggiano nella circolazione sanguigna per
raggiungere il bersaglio.
EFFETTORE
Gli effettori di una via riflessa sono le cellule o i tessuti che attuano la risposta.
risposta I bersagli di un
riflesso nervoso sono i muscoli, le ghiandole e parte del tessuto adiposo. I bersagli di un riflesso
endocrino sono tutte le cellule che possiedono il recettore specifico per l’ormone.
RISPOSTA
Per ogni risposta riflessa ci sono due livelli:
livelli risposta cellulare e risposta sistemica.
sistemica Ad esempio,
quando l’ormone adrenalina si combina con i recettori β2-adrenergici presenti sulle pareti di certi
vasi sanguigni si ha il rilasciamento della muscolatura liscia (risposta cellulare) ed il conseguente
aumento del flusso di sangue (risposta sistemica).
CIRCUITO A RETROAZIONE (FEEDBACK) NEGATIVA
Osserviamo un esempio non biologico di riflesso, in particolare un Sistema di Riscaldamento per
Acquari che è stato tarato ad una temperatura di 30 °C (valore
valore di riferimento o setpoint ): questa
informazione ha sede nel centro integratore,
integratore rappresentato dal termostato.
termostato Se l’acquario si trova in
una stanza con una temperatura di 25 °C, l’acqua tenderà a raffreddarsi e questa variazione di
temperatura rappresenta lo stimolo iniziale (1). Il termometro presente nell’acqua funziona da
recettore (2) e quando questo avverte che la temperatura dell’acqua è minore del riferimento (30 °C)
invia, tramite i fili che rappresentano la via afferente (3), le informazioni sulla temperatura misurata
al termostato che funge da centro integratore (4). Il termostato valuta l’informazione sulla
temperatura ricevuta, la confronta con il valore di riferimento del sistema e decide che è necessaria
una risposta per riportare la temperatura al valore di taratura. Quindi il termostato invia un messaggio
tramite altri fili che rappresentano la via efferente (5) al sistema di riscaldamento, resistenza,
resistenza che
funge da effettore (6). Questo si accende e inizia a scaldare l’acqua come risposta (7).
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2 – OMEOSTASI
Nell’esempio dell’acquario, il recettore invia un segnale al termostato segnalando che l’acqua è
troppo fredda ; la risposta del termostato è quella di accendere una resistenza e di riscaldare l’acqua.
Pertanto, la riposta torna ad agire sullo stimolo che l’aveva provocata costituendo perciò un circuito a
retroazione o a feedback.
feedback In altre parole, si tratta di un trasferimento all’indietro
all’indietro di un segnale,
segnale, detto
“segnale di retroazione”.
retroazione”. In questo caso, poiché la risposta è di segno contrario ((-) allo stimolo,
stimolo lo
stimolo viene diminuito e ciò porta ad una diminuzione della risposta. In altre parole, questo processo
si può definire stabilizzante
stabilizzante perché tende a riportare al valore normale i parametri che se ne
discostano. Infatti, un abbassamento di temperatura (stimolo) provocherà una reazione tendente ad
innalzare la temperatura stessa (risposta). Pertanto in questo caso la retroazione viene definita
feedback negativo o retroazione negativa o controreazione.
controreazione Nei sistemi fisiologici il setpoint,
setpoint cioè
il valore normale per ogni specifico parametro, può variare da persona a persona; può variare perfino
nello stesso individuo per un periodo di tempo. I fattori che influenzano il setpoint di un individuo
sono genetici ed ambientali.
ambientali Nel caso dell’adattamento dei processi fisiologici a certe condizioni
ambientali si parla di acclimatazione.
acclimatazione Ma i valori di riferimento possono variare nello stesso individuo
anche in risposta a situazioni esterne come il ciclo luce – buio e l’alternarsi
alternarsi delle stagioni.
stagioni Questi
cambiamenti dei setpoint modificano alcuni parametri in modo prevedibile in un certo periodo di
tempo, dando origine ad andamenti noti come bioritmi
bioritmi o ritmi biologici.
biologici
I CIRCUITI A RETROAZIONE NEGATIVA SONO OMEOSTATICI
I circuiti a retroazione negativa sono omeostatici in quanto agiscono in modo da mantenere il sistema
vicino al valore di riferimento del parametro controllato, così che questo rimanga relativamente
stabile. L’efficienza con cui il centro di integrazione riesce a mantenere la stabilità dipende dalla
sensibilità del sistema,
sistema cioè dall’intervallo di valori considerati normali Nel caso dell’acquario, il
termostato è programmato per avere una sensibilità di 1°Celsius in aumento o in diminuzione (30 °C
± 1°C). Quindi, se la temperatura dell’acqua scende da 30 °C a 29,5 °C, c’è ancora un intervallo
accettabile e la risposta non viene innescata, ma se la temperatura scende al di sotto di 29 °C il
termostato invia la risposta ed accende la resistenza. Mentre l’acqua si scalda, il termostato riceve
continuamente informazioni sulla sua temperatura dal sensore e quando raggiunge i 31 °C (30 °C +
1 °C) e si è raggiunto il limite accettabile dell’intervallo, il circuito a retroazione stimola il termostato
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a spegnere la resistenza. L’acqua gradualmente raffredda fino a che il ciclo riparte nuovamente. Il
risultato finale è una variabile fisiologica che oscilla attorno al suo valore di riferimento.
I CIRCUITI A RETROAZIONE POSITIVA NON SONO OMEOSTATICI
In un circuito a retroazione positiva la risposta rinforza lo stimolo invece di diminuirlo o rimuoverlo.
Pertanto il segnale di retroazione ha lo stesso segno (+) dello stimolo e il meccanismo prende il
nome di feedback positivo.
positivo In questo caso il riflesso non ha caratteristiche omeostatiche:
omeostatiche infatti il
circuito a retroazione positiva è un processo destabilizzante perché la risposta destabilizza la
variabile, innescando un circuito vizioso di risposte sempre crescenti (processo
processo autorigenerativo)
autorigenerativo e
portando il sistema temporaneamente fuori controllo. Poiché la risposta viene intensificata dalla
retroazione positiva, questi riflessi richiedono interventi o eventi esterni per essere bloccati. Poiché il
feedback positivo non è omeostatico, esso è meno frequente rispetto al feedback negativo.
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Un esempio di circuito a feedback positivo riguarda il controllo ormonale delle contrazioni uterine
durante il parto.
parto Quando il feto è pronto per essere partorito, esso si dispone in basso nell’utero ed
esercita pressione sulla cervice per l’apertura dell’utero. Segnali sensoriali propagati dalla cervice al
cervello provocano il rilascio dell’ormone ossitocina che fa contrarre l’utero e spinge la testa del feto
ancora più fortemente contro la cervice, stirandola. L’accentuato stiramento della cervice provoca
ulteriore rilascio di ossitocina che a sua volta causa ulteriori contrazioni uterine che spingono ancora
il feto contro la cervice. Il ciclo continua finché
fattore esterno):
finché avviene il parto (fattore
esterno solo così lo
stiramento della cervice viene meno e termina il circuito a retroazione positiva.
Un altro esempio di feedback positivo coinvolge i processi digestivi dello stomaco. La presenza di
cibo nello stomaco, soprattutto ricco di proteine, stimola le cellule della parete dello stomaco a
secernere HCl e pepsinogeno, enzima inattivo che viene attivato dallo stesso acido, grazie al distacco
di una porzione aminoacidica della molecola di pepsinogeno che, pertanto si trasforma in pepsina che
è l’enzima attivo. A questo punto inizia un ciclo di feeback positivo. La pepsina innesca un maggior
rilascio di pepsinogeno che di nuovo l’HCl trasforma in pepsina e cosi via. Solo quando il cibo passerà
nell’intestino la secrezione acida si fermerà. Infatti, in assenza di HCl il pepsinogeno non viene più
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convertito in pepsina e il circolo vizioso del feedback positivo viene interrotto. Pertanto il fattore
esterno che interrompe il circuito è la rimozione di HCl dallo stomaco.
SISTEMI
SISTEMI DI CONTROLLO:
CONTROLLO: SISTEMA NERVOSO E SISTEMA ENDOCRINO
I sistemi di controllo del nostro organismo avvengono mediante riflessi che sono mediati dal sistema
nervoso,
nervoso dal sistema endocrino o da una combinazione dei due.
due Un riflesso mediato solo dal sistema
nervoso o da quello endocrino è relativamente semplice, mentre i riflessi combinati possono essere
anche molto complessi. Esistono così tante sovrapposizioni tra i riflessi controllati dal sistema
nervoso e quelli controllati dal sistema endocrino che essi potrebbero essere considerati come un
continuo, piuttosto che due sistemi distinti. L’organismo ha bisogno di questi due differenti tipi di
sistemi di controllo anche perché essi presentano almeno 5 differenze fondamentali che riguardano:
riguardano
Specificità
Natura del segnale
Velocità
Durata d’azione
Codificazione dell’intensità dello stimolo.
SISTEMA NERVOSO
È il più importante sistema di controllo omeostatico.
1. Controllo della temperatura corporea interna:
interna: La temperatura corporea interna viene mantenuta
intorno a 37 °C grazie ai termocettori dell’ipotalamo che registrano la temperatura del sangue che
scorre nel cervello. Se la temperatura corporea scende al di sotto di questo valore, i recettori
mettono in moto meccanismi effettori che riducono il flusso di sangue alla cute per minimizzare la
dispersione termica; inoltre viene aumentato il rilascio di ormoni che aumentano il metabolismo
cellulare che libera energia sotto forma di calore e vengono attivati meccanismi nervosi che
provocano il brivido che aumenta ulteriormente la produzione di calore. Nell’insieme l’attivazione
di tutti questi meccanismi genera e conserva il calore corporeo fino a che la temperatura ritorna
ad un valore intorno a 37 °C. Se al contrario la temperatura corporea aumenta al di sopra di 37 °C
entrano in gioco altri meccanismi effettori che aumentano la dispersione termica: si ha un
aumento del flusso di sangue alla cute e si attivano le ghiandole sudoripare così che il corpo
perde calore e la temperatura corporea scende fino ad arrivare a 37 °C.
2. Controllo della pressione arteriosa media:
media: La pressione arteriosa media è circa di 90 mmHg e
viene mantenuta pressoché costante grazie ai barocettori che sono terminazioni nervose, avvolte
intorno ai vasi sanguigni, che misurano la pressione. Se registrano una variazione della pressione
i barocettori inviano informazioni ai centri nervosi che provvedono ad aumentare o diminuire
sistemi effettori quali il cuore (cambiando la frequenza cardiaca e la forza di contrazione) ed i
muscoli lisci delle pareti
pareti vasali, soprattutto delle arteriole (che possono aumentare o costringere
il lume vasale), in modo da riportare la pressione a valori normali.
3. Controllo
Controllo della concentrazione idrogenionica
idrogenionica dei liquidi corporei:
corporei: Ciò è possibile grazie alla
presenza di chemi
hemiocettori del sistema nervoso autonomo e del cervello che misurano la
concentrazione degli idrogenioni e di CO2 del liquido extracellulare. Le informazioni inviate al
cervello da questi recettori vanno ad influenzare il funzionamento dei polmoni e dei reni
reni così che
il pH dei liquidi corporei venga mantenuto intorno ad un valore di 7,4.
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