Fisiologia: Un Approccio Deterministico allo Studio della Vita (PDF)

COS'È LA FISIOLOGIA: UN APPROCCIO DETERMINISTICO ALLO STUDIO DELLA VITA La fisiologia è la disciplina che studia il funzionamento normale dei sistemi viventi. Si distingue dall'approccio basato sull'intervento divino nei fenomeni naturali, abbracciando un'ottica deterministica dove ogni evento è cau...

COS'È LA FISIOLOGIA: UN APPROCCIO DETERMINISTICO ALLO STUDIO DELLA VITA La fisiologia è la disciplina che studia il funzionamento normale dei sistemi viventi. Si distingue dall'approccio basato sull'intervento divino nei fenomeni naturali, abbracciando un'ottica deterministica dove ogni evento è causato da un evento precedente, con processi innescati a loro volta da altri eventi. Fisiologia e Metodo Sperimentale La fisiologia si basa sul metodo scientifico sperimentale: tutte le conoscenze e le nozioni che si acquisiscono derivano da esperimenti scientifici. Questo approccio mira a spiegare i fenomeni attraverso i principi della fisica, della chimica e della matematica. Il fisiologo è guidato da una domanda: "perché succede una certa cosa?". Integrazione e Applicazioni della Fisiologia La fisiologia integra diversi livelli di studio, dal molecolare al sistemico. Studia come le molecole formano le cellule, le cellule gli organi e gli organi i sistemi, e come questi interagiscono per formare un organismo. Questo studio permette di capire la causa delle malattie e di sviluppare nuove cure. La fisiologia è quindi fondamentale per la comprensione della parte clinica. L'Approccio Meccanicistico del Fisiologo L'approccio del fisiologo è meccanicistico, ovvero si concentra sulle cause e sui meccanismi che determinano un evento. Ad esempio, anziché dire che i globuli rossi trasportano ossigeno "perché le cellule ne hanno bisogno", il fisiologo spiegherebbe che ciò avviene "perché i globuli rossi contengono emoglobina, una molecola in grado di legare e rilasciare ossigeno". LIVELLI DI ORGANIZZAZIONE DELLA MATERIA VIVENTE La materia vivente è organizzata in livelli gerarchici, ognuno con la sua complessità: 1. Molecole Biologiche: Sostanze complesse a base di carbonio, ricche di energia chimica e informazione. 2. Organelli Cellulari: Compartimenti specializzati all'interno delle cellule eucariotiche. 3. Cellule: Unità fondamentale della struttura dei viventi (unicellulari o pluricellulari). 4. Tessuti: Insieme di cellule con caratteristiche e funzioni simili che compongono gli organi. 5. Organi: Componenti degli apparati che concorrono a una funzione generale. 6. Apparati: Componenti degli organismi pluricellulari che svolgono una specifica funzione vitale. 7. Organismo: Sistema organizzato per svolgere le funzioni vitali: scambio di materia ed energia, riproduzione, risposta a stimoli, evoluzione e adattamento. Livelli della Composizione Corporea La composizione corporea può essere analizzata a diversi livelli: Atomico: Peso corporeo in termini di atomi (ossigeno, carbonio, idrogeno, azoto, calcio, fosforo, ecc.). Molecolare: Peso corporeo in termini di massa grassa, acqua totale corporea, massa proteica e massa minerale, (e glicogeno). Cellulare: Peso corporeo in termini di cellule adipose, massa cellulare non adiposa, fluido extracellulare e solidi extracellulari. Tessutale: Peso corporeo in termini di tessuto muscolare, connettivo, epiteliale e nervoso. Corporeo: Peso corporeo in termini di peso della testa, del collo, del tronco-addome e degli arti. LIVELLO ATOMICO: ELEMENTI NEL CORPO UMANO Il corpo umano è composto da diversi atomi, con una prevalenza di: Principali: Ossigeno, carbonio, idrogeno, azoto, fosforo e calcio (98,8% del peso corporeo). Tracce: Altri 50 elementi, necessari anche in quantità minime (litio, piombo, arsenico, ferro, rame, iodio). È importante sottolineare che la composizione atomica dell'organismo è diversa da quella dell'universo (dominato da idrogeno ed elio) e della crosta terrestre (ricca di ossigeno e silicio). LIVELLO MOLECOLARE: ACQUA, LIPIDI, PROTEINE E CARBOIDRATI Acqua: Costituisce il 60-70% del peso corporeo (circa 42 kg in un individuo di 70 kg). È distribuita tra i compartimenti intracellulare (il più grande) ed extracellulare. Lipidi: Si dividono in: Lipidi di deposito (trigliceridi, colesterolo) utilizzati per riserva energetica, isolamento termico e protezione meccanica. Lipidi essenziali (fosfolipidi) che formano le membrane cellulari, presenti in molti organi. Proteine: Hanno un ruolo strutturale, enzimatico e di trasporto e costituiscono circa il 16% del peso corporeo sia nel maschio che nella femmina. Carboidrati: Presenti in quantità molto esigua. Il glucosio nel sangue è presente in quantità limitata (3g nel plasma, 10-12g totali tra plasma e liquido extracellulare). Glicogeno presente in quantità limitata nel fegato e nei muscoli (max 0.5 kg). Differenze di Composizione Corporea tra Maschi e Femmine Maschi: Circa 15% di grasso, 16% di proteine e 70% di acqua. Femmine: Circa 27% di grasso, 16% di proteine e 60% di acqua. METABOLISMO ENERGETICO Glucosio, amminoacidi e grassi forniscono energia attraverso reazioni di ossidazione. I grassi hanno una resa energetica maggiore (9 cal/g) rispetto a carboidrati e proteine (4 cal/g). Questo spiega perché l'organismo tende ad accumulare energia sotto forma di grassi. Le proteine vengono demolite solo in parte, e rilasciano prodotti di scarto come l'ammoniaca. Riserve Energetiche Grassi: 75% della riserva energetica totale dell'organismo, Proteine: 24%. Carboidrati: 1%. LIVELLO CELLULARE Le cellule sono la più piccola unità della materia vivente, dotate di membrana che racchiude il protoplasma (soluzione acquosa di soluti con organelli). Le cellule svolgono le stesse funzioni dell'organismo su scala ridotta (scambi di soluti, acqua, gas, calore, assunzione, eliminazione, respirazione, metabolismo, risposta a stimoli, movimento e riproduzione). L'organismo umano è composto da circa 10^15 cellule di 250 tipi diversi per forma, dimensione e funzione. COMPOSIZIONE DELL'ORGANISMO UMANO: DALLA CELLULA AL SISTEMA Nella lezione precedente abbiamo analizzato la composizione dell'organismo a livello atomico e molecolare. Oggi, approfondiremo i livelli superiori di organizzazione, focalizzandoci sulla composizione cellulare, sui sistemi del corpo e sull'omeostasi. La Varietà Cellulare e le Funzioni Specializzate Il corpo umano è composto da circa 10¹⁵ cellule, suddivise in 254 tipi cellulari diversi. Pur presentando caratteristiche comuni, ogni tipo cellulare è specializzato per svolgere funzioni specifiche, che si riflettono nella sua morfologia. La massa corporea è costituita per circa i due terzi da muscolo scheletrico (50%), tessuto adiposo e ossa. È importante ricordare che, nonostante la loro massa ridotta (0,5% del peso corporeo ciascuno), cuore e reni ricevono un elevato apporto di sangue (rispettivamente il 5% e il 20% della gittata cardiaca). Organizzazione dell'Organismo: Cellule, Organi, Apparati e Sistemi L'organismo umano è organizzato gerarchicamente in: Cellule: Unità fondamentali della vita. Organi: Strutture composte da diversi tessuti che svolgono funzioni specifiche. Apparati: Insiemi di organi che concorrono a funzioni vitali. Sistemi: Insiemi di apparati che interagiscono per garantire il funzionamento dell'organismo. Omeostasi: Il Mantenimento della Stabilità dell'Ambiente Interno L'organismo è caratterizzato da un ambiente interno che viene regolato attraverso il principio dell'omeostasi. Questo meccanismo assicura la stabilità del liquido in cui sono immerse le cellule, garantendo le condizioni ottimali per il loro funzionamento. L'omeostasi non implica una costanza assoluta, ma una stabilità che si adatta alle diverse condizioni. Sistemi del Corpo: Interfacce e Sistemi di Controllo I sistemi del corpo possono essere suddivisi in: 1. Sistemi Interfaccia: Che interagiscono con l'ambiente esterno, con funzioni di scambio e di eliminazione: Sistema Digerente: Interfaccia a una via (entrata di nutrienti, soluti ed altre molecole). Sistema Respiratorio: Interfaccia a due vie (entrata di ossigeno, uscita di anidride carbonica). Sistema Urinario: Interfaccia a una via (escrezione di sostanze in eccesso). Sistema Riproduttivo: Interfaccia a una via (produzione di un nuovo organismo). Sistema Cardiocircolatorio: Sistema di distribuzione che scambia sostanze tra plasma e interstizio, e trasporta le sostanze agli organi emuntori. Sistema Muscolo-Scheletrico: Permette il movimento. Sistema Tegumentario: Barriera protettiva con uscita di acqua per evaporazione e sudorazione. 2. Sistemi di Controllo: Regolano gli altri sistemi: Sistema Nervoso: Controlla attraverso impulsi nervosi. Sistema Endocrino: Controlla attraverso ormoni. Studio della Composizione Corporea: Modelli a Compartimenti La composizione corporea può essere analizzata attraverso diversi modelli: Modello Monocompartimentale: Considera la massa corporea totale come un unico compartimento, dato dalla somma di ossigeno, carbonio, idrogeno, azoto e calcio. Modello Bicompartimentale: Divide la massa corporea in massa magra (priva di grassi) e massa grassa. Modello Tricompartimentale: Divide la massa libera da grassi ulteriormente (massa ossea + massa idrica). Modello Quadricompartimentale: Divide la massa magra in acqua e componente metabolica. Modello Pentacompartimentale: Divide la massa grassa in lipidi e componente solida non lipidica, che a sua volta può essere divisa in proteine, carboidrati, osso minerale e minerali non contenuti nell'osso. Metodologie di Studio Le metodologie con cui si può studiare la composizione corporea sono molteplici, tenendo in considerazione le varianti del caso. Le principali sono: Determinazione dell'Acqua Corporea Totale Determinazione del Potassio Corporeo Totale Escrezione Urinaria di Creatinina Determinazione della densità ̀ corporea Metodiche Antropometriche Variazioni della Composizione Corporea La composizione corporea varia in base a fattori come età, sesso e livello di attività fisica. Ad esempio, la massa muscolare è influenzata dallo stato di attività fisica, dall'età e dal sesso. Referto della Composizione Corporea Un referto completo della composizione corporea può fornire informazioni dettagliate su ciascun compartimento, in termini di peso e percentuale. Indice di Massa Corporea (IMC) e Nomogramma IMC: Indice che stima la quantità di grasso in un organismo (Peso (kg) / Altezza² (m)). Nomogramma: Rappresentazione grafica per determinare la superficie corporea conoscendo peso e statura. La superficie corporea si determina con equazioni empiriche (es. formula di DuBois e Mosteller) che correlano peso e statura. Il maschio standard ha una superficie corporea di circa 1.8 metri quadri, la femmina standard di 1.6. Interpretazione dell'IMC L'IMC è uno strumento utile per valutare la normalità del peso corporeo, ma non è preciso in tutti i casi, soprattutto negli atleti con molta massa muscolare. L'IMC è comunque utile in quanto correlato con l'aumento del rischio di determinate patologie. Condizioni Fisiologiche: La Complessità della "Normalità" Quando si valutano i pazienti, è essenziale considerare che i cosiddetti "valori normali" non sono valori assoluti e puntiformi, ma un intervallo di valori che varia in funzione delle condizioni dell'individuo. I valori standard, solitamente derivati da studi su individui di riferimento (es. maschio di 70 kg alto 1.70 m, femmina di 1.57 m), sono utili come punto di partenza, ma la realtà è più complessa e dinamica. Il Diagramma d'Identità Il diagramma d'identità è uno strumento utile per valutare la validità di un test confrontando i risultati ottenuti con due metodologie diverse. Su ciascun asse del grafico viene rappresentato un parametro misurato con metodi differenti. I risultati dovrebbero cadere lungo una retta di pendenza 1 (bisettrice degli assi) se le due metodiche danno lo stesso valore. Valori Normali: Variabilità e Fattori Influenzanti I valori normali di un determinato parametro non sono assoluti, ma dipendono da diversi fattori, tra cui: Dati Antropometrici e Composizione Corporea: Età, sesso, etnia, condizione fisica e sociale, percentuale di acqua nel corpo. La sedentarietà influenza la quantità di grasso e diversi parametri funzionali. Metodo di Misura: L'accuratezza del metodo di misurazione e la variabilità interindividuale. Variabilità Intraindividuale: A loro volta, i valori possono subire importanti modifiche, nel singolo individuo, anche nel corso di poche ore, a seconda di: Età Sesso Peso  Postura Stile di vita Livello di attività fisica Ora del giorno (ritmo circadiano) Stagione Stato emotive Variabilità dei Valori Fisiologici La variabilità dei valori fisiologici è una caratteristica fondamentale da considerare. Si esce dalla normalità se un valore è inferiore o superiore rispetto al 95,5% della distribuzione di tali valori in una popolazione considerata normale. Esempi di Variabilità Età: La frequenza cardiaca a riposo è più elevata nei neonati e diminuisce con l'età. La frequenza cardiaca massima diminuisce di 1 battito per minuto per ogni anno di vita (frequenza massima = 230 bpm - età). Sesso e Gravidanza: Durante la gravidanza la gittata cardiaca aumenta fino al 45%. Dati di Laboratorio: Variabilità e Intervalli di Riferimento Anche i dati ottenuti da analisi di laboratorio sono soggetti a variabilità dovuta a: Variabilità tra individui (±10% di solito)  Bontà del test o del metodo utilizzato Fattori che modificano il valore I valori normali sono intesi come un intervallo di valori, e non un valore singolo. La variabilità si manifesta in un range di valori, di solito ±10% rispetto a un valore di riferimento, ma la variabilità assoluta aumenta al crescere del valore di riferimento (es. sodio extracellulare vs. potassio extracellulare). Il pH plasmatico è caratterizzato da una bassissima variabilità (circa 1-1.2%). La concentrazione di osmoliti nel plasma ha una variabilità limitata, mentre l'osmolarità dell'urina può variare enormemente. I dosaggi ormonali presentano una grande variabilità dovuta al fatto che gli ormoni vengono secreti al bisogno. Implicazioni Pratiche La comprensione della variabilità dei valori fisiologici è cruciale per un'accurata valutazione clinica. È fondamentale considerare le condizioni specifiche di ogni individuo e interpretare i dati nel contesto di più misurazioni, valutando l'andamento nel tempo. COMPARTIMENTI IDRICI DELL'ORGANISMO: DISTRIBUZIONE E REGOLAZIONE In questa lezione, esamineremo la distribuzione dell'acqua corporea e come questa viene regolata attraverso l'omeostasi. Distribuzione dell'Acqua Corporea L'acqua corporea è distribuita principalmente in tre compartimenti: 1. Liquido Intracellulare (LIC): Circa i due terzi dell'acqua totale (67%), contenuta all'interno delle cellule. 2. Liquido Extracellulare (LEC): Circa un terzo dell'acqua totale, suddiviso in: Liquido Interstiziale: Circa i due terzi del LEC (24% dell'acqua totale), che bagna le cellule. Plasma: Circa un terzo del LEC (8% dell'acqua totale), contenuto nei vasi sanguigni. 3. Liquidi Transcellulari: Circa l'1% dell'acqua totale (liquido pleurico, pericardico, sinoviale), spesso trascurati. In un individuo di 70 kg, l'acqua è distribuita come segue: 28 L nel LIC, 11 L nel liquido interstiziale e 3 L nel plasma. Il contenuto di acqua nell'organismo varia con l'età, essendo più alto nei neonati e diminuendo nell'anziano. Regolazione Omeostatica dell'Acqua Corporea Il contenuto di acqua nell'organismo è strettamente regolato attraverso l'omeostasi. L'acqua entra nell'organismo principalmente attraverso l'epitelio gastrointestinale e viene distribuita dal sistema circolatorio. L'acqua viene eliminata principalmente attraverso tre vie: Apparato digerente (in misura minore) Rene (sotto forma di urina) Cute e mucose dell'apparato respiratorio (per evaporazione). Bilancio Idrico Il bilancio idrico è mantenuto attraverso un equilibrio tra l'apporto e l'eliminazione di acqua. Ogni giorno circa 200 mL di acqua sono prodotti attraverso reazioni ossidative. L'evaporazione attraverso la cute e le vie aeree (perspiratio insensibilis) comporta una perdita di circa 1 L di acqua al giorno. L'organo che regola l'eliminazione di acqua è il rene, che, attraverso meccanismi ormonali, elimina più o meno acqua. In media vengono eliminati circa 1.5 L di urina al giorno. Misurazione dei Volumi dei Compart. Idrici: Il Principio della Diluizione Per misurare i volumi dei liquidi corporei si ricorre al principio della diluizione. La concentrazione di un soluto è definita come quantità di soluto (Q) divisa per il volume (V). Conoscendo la quantità di soluto iniettata e la sua concentrazione dopo la diffusione, è possibile calcolare il volume incognito: V = Q / C. Traccianti: Il tracciante iniettato deve essere rilevabile, rimanere nel compartimento da misurare e raggiungere l'equilibrio in un tempo ragionevole. Acqua Corporea Totale: Trizio o deuterio (simili all'acqua). Liquido Extracellulare: Isotopo del sodio (22Na). La membrana cellulare è considerata impermeabile agli ioni Na+. Liquido Intracellulare: Calcolato per differenza tra acqua corporea totale e volume del liquido extracellulare. Volume Plasmatico: Albumina marcata con 125I o coloranti che si legano alle proteine. Liquido Interstiziale: Calcolato per differenza tra liquido extracellulare e plasma. Problema con la Misurazione del Volume Plasmatico Le proteine tendono a fuoriuscire dai capillari, quindi il valore di concentrazione di albumina marcata non è costante nel tempo. Per risolvere questo problema si estrapola l'andamento lineare della caduta dovuta alla perdita di proteine al tempo 0, stabilendo la concentrazione che si avrebbe misurato in assenza di perdite e con un rimescolamento istantaneo. Volume di Sangue ed Ematocrito Il volume di sangue è di circa 5 L. L'ematocrito è la percentuale del volume del sangue occupata dai globuli rossi, pari al 40% in condizioni normali. Il volume del sangue è calcolato con la formula: Ve = Vp / (1 - Ht), dove Ve è il volume di sangue, Vp il volume di plasma e Ht l'ematocrito. Misurazione della Massa Cellulare: Utilizzo del Potassio-40 La massa cellulare può essere stimata misurando il potassio totale dell'organismo, dato che la maggior parte del potassio si trova all'interno delle cellule: L'88% del potassio è intracellulare. Il potassio ha un isotopo radioattivo, il 40K, che può essere dosato. Conoscendo la percentuale di 40K sul potassio totale, si può calcolare il contenuto totale di potassio. Dato che ogni kg di cellule contiene 68 mEq di potassio, si può stimare la massa cellulare. Composizione dei Liquidi Corporei: Intra- ed Extracellulare I compartimenti intra- ed extracellulare hanno composizioni ioniche differenti, grazie alla selettività della membrana cellulare e dei suoi sistemi di trasporto: Liquido Intracellulare:  Alto contenuto di potassio (K+) e basso contenuto di sodio (Na+). Anioni: fosfati, bicarbonato, proteine. Liquido Extracellulare: Alto contenuto di sodio (Na+) e cloro (Cl-), basso contenuto di potassio (K+). Bicarbonato (HCO3-) Plasma: Simile al liquido interstiziale, ma con proteine (anioni) aggiuntive. Osmolarità dei Liquidi Corporei I tre compartimenti hanno un'osmolarità simile di circa 300 mOsm/L, ma la composizione dei soluti che contribuiscono a questa osmolarità è diversa. In particolare, il potassio contribuisce all'osmolarità del LIC, mentre il sodio e il cloro contribuiscono a quella del LEC. La diversa distribuzione di anioni e cationi tra plasma e liquido interstiziale è mantenuta dall'effetto Donnan, in cui le proteine del plasma trattengono cationi all'interno dei capillari.