Anatomia e fisiologia dei sistemi del corpo umano

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L'idea di ambiente interno costante risale a Claude Bernard («milieu intérieur») e fu formalizzata come omeostasi da Walter Cannon. Il caso quantitativamente più chiaro è la regolazione della glicemia, mantenuta intorno a «≈ 90 mg/dL» da due ormoni antagonisti prodotti dalle isole di Langerhans del pancreas: dopo un pasto la glicemia sale, le cellule «β» secernono insulina, che promuove l'ingresso del glucosio nelle cellule e la sua conversione in glicogeno, e la glicemia scende; a digiuno la glicemia cala, le cellule «α» secernono glucagone, che stimola il fegato a demolire il glicogeno e a rilasciare glucosio. È un doppio anello a feedback negativo che stringe la variabile attorno al valore di riferimento. La termoregolazione funziona con la stessa logica ma effettori diversi: se la temperatura sale, vasodilatazione cutanea e sudorazione disperdono calore; se scende, vasocostrizione, brividi (contrazioni involontarie che producono calore) e piloerezione lo trattengono, con l'ipotalamo come centro di controllo. Il feedback negativo introduce sempre un lieve ritardo, per cui la grandezza oscilla di poco attorno al set point; alcuni sistemi affiancano un controllo anticipatorio (feedforward), che corregge lo scostamento prima che si manifesti — per esempio la secrezione di insulina stimolata dalla sola vista del cibo.

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Lo scambio e il trasporto dei gas hanno una raffinata base chimica. L'ossigeno viaggia legato all'emoglobina, la cui curva di dissociazione è sigmoide per la cooperatività fra le quattro subunità: satura quasi completamente nei polmoni (alta pressione parziale di «O₂») e cede facilmente ossigeno nei tessuti (bassa pressione). La cessione è favorita dall'effetto Bohr: dove il metabolismo è intenso, l'aumento di «CO₂» e la diminuzione del pH spostano la curva verso destra, così l'emoglobina rilascia più ossigeno proprio dove serve. L'anidride carbonica, a sua volta, è trasportata per circa il «70 %» come ione bicarbonato «HCO₃⁻», formato nei globuli rossi grazie all'enzima anidrasi carbonica; questo tampone collega respirazione ed equilibrio acido-base del sangue. Il rene, infine, lavora con numeri impressionanti: i glomeruli filtrano circa «180 L» di plasma al giorno, ma i tubuli ne riassorbono oltre il «99 %», restituendo acqua, glucosio e ioni utili, così che si formano solo «≈ 1.5 L» di urina. Filtrazione glomerulare, riassorbimento e secrezione tubulari permettono di eliminare l'urea regolando con precisione volume, pressione e composizione ionica dei liquidi corporei. In ogni scambio vale la legge di Fick: il flusso è tanto maggiore quanto più ampia è la superficie e più sottile la barriera — ecco perché alveoli, villi e capillari massimizzano l'area.

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Il potenziale di riposo di «≈ −70 mV» nasce dai gradienti ionici mantenuti dalla pompa sodio-potassio (che espelle «3 Na⁺» e importa «2 K⁺» consumando ATP) e dalla permeabilità della membrana, molto maggiore al potassio: il valore è perciò vicino al potenziale di equilibrio del «K⁺» calcolabile con l'equazione di Nernst (a «37 °C», con «[K⁺]» interno «≈ 140 mM» ed esterno «≈ 5 mM», si ottiene «≈ −90 mV»). Il potenziale d'azione è una sequenza precisa: uno stimolo che raggiunge la soglia apre i canali del «Na⁺» voltaggio-dipendenti (depolarizzazione rapida, fino a «≈ +30 mV»), che poi si inattivano mentre si aprono i canali del «K⁺» (ripolarizzazione). Segue un periodo refrattario in cui i canali del sodio inattivati non possono riaprirsi: è questo a garantire che l'impulso si propaghi in una sola direzione e a fissare la frequenza massima di scarica. Nelle fibre mielinizzate la conduzione saltatoria fra i nodi di Ranvier moltiplica la velocità (fino a «≈ 120 m/s»). Gli ormoni idrosolubili, che non attraversano la membrana, agiscono invece tramite secondi messaggeri: il legame al recettore attiva una cascata (per esempio la via dell'AMP ciclico) che amplifica enormemente il segnale — poche molecole di ormone modificano l'attività di migliaia di enzimi — spiegando la potenza del controllo endocrino nonostante concentrazioni ormonali bassissime.

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La specificità dell'immunità adattativa si spiega con la teoria della selezione clonale di Burnet: esistono a priori milioni di linfociti, ciascuno con un recettore diverso; l'antigene non «istruisce» il linfocita, ma seleziona quei pochi cloni già capaci di riconoscerlo, che si moltiplicano (espansione clonale) generando cellule effettrici e cellule della memoria. Ma come si genera tanta diversità partendo da un genoma limitato? Attraverso la ricombinazione «V(D)J»: durante la maturazione dei linfociti, segmenti genici variabili vengono riassortiti a caso, producendo miliardi di specificità anticorpali diverse — un raro caso di riarrangiamento programmato del DNA nelle cellule somatiche. I linfociti T, però, non riconoscono l'antigene libero: lo «vedono» solo se esposto sulla superficie cellulare dal complesso maggiore di istocompatibilità (MHC), il sistema che marca il self e presenta frammenti di non-self. Nella risposta primaria le plasmacellule producono dapprima anticorpi «IgM», poi «IgG», con giorni di ritardo; nella risposta secondaria le cellule della memoria fanno partire una produzione di «IgG» molto più rapida, abbondante e affine. Anche il sistema riproduttivo usa un raro feedback positivo: a metà ciclo l'aumento degli estrogeni, anziché frenare, stimola un picco improvviso di «LH» che scatena l'ovulazione, prima che il corpo luteo e il progesterone ripristinino il controllo negativo.

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Lo scorrimento dei filamenti si realizza nel dettaglio attraverso il ciclo dei ponti trasversali. A riposo il sito di legame sull'actina è coperto dal complesso troponina-tropomiosina. Lo stimolo nervoso — l'acetilcolina liberata alla giunzione neuromuscolare — genera un potenziale d'azione che, propagandosi lungo i tubuli T, fa liberare «Ca²⁺» dal reticolo sarcoplasmatico; il calcio si lega alla troponina, che sposta la tropomiosina e scopre i siti di legame (accoppiamento eccitazione-contrazione). A questo punto la testa della miosina, carica di «ADP + Pᵢ», si lega all'actina e compie il «colpo di forza», facendo scorrere il filamento; il legame di una nuova molecola di ATP stacca la testa, e la sua idrolisi la «ricarica» per un nuovo ciclo. L'ATP serve dunque sia alla contrazione sia al distacco: la sua assenza dopo la morte spiega il rigor mortis, in cui le teste restano bloccate sull'actina. I muscoli, potendo solo tirare, lavorano in coppie antagoniste; sul piano meccanico l'avambraccio è una leva di terzo genere in cui il bicipite applica la forza vicino al fulcro (il gomito): guadagna in velocità e ampiezza di movimento ciò che perde in vantaggio meccanico, dovendo esercitare una forza maggiore del carico sollevato. Le fibre lente (ossidative, resistenti alla fatica) e rapide (glicolitiche, potenti ma affaticabili) adattano infine il muscolo a compiti diversi.