SITEMI DIGERENTE ED ESCRETORE

La digestione è la scissione delle sostanze nutritive ingerite in molecole che possono essere distribuite e utilizzate dalle singole cellule del corpo. Queste molecole servono a svariate funzioni: possono, per esempio, essere fonti di energia e di materiali base, fornire elementi chimici essenziali come il calcio o il ferro, oppure possono essere composti, come certi amminoacidi, acidi grassi e vitamine, che sono necessari alle cellule animali, ma che non possono essere sintetizzati.

L'escrezione è, invece, la rimozione dal sangue dei rifiuti prodotti dal metabolismo cellulare, processo molto selettivo di regolazione, analisi ed eliminazione.

Nei vertebrati il tubo digerente è costituito da un lungo canale convoluto che si estende dalla bocca all'ano. Il sistema digerente comprende anche le ghiandole salivari, il pancreas, il fegato e la cistifellea, organi accessori che producono enzimi e altre sostanze essenziali per la digestione.

APPARATO DIGERENTE NEI VERTEBRATI

Il canale digerente inizia con la cavità orale e comprende la bocca, la faringe, l'esofago, lo stomaco, l'intestino tenue, l'intestino crasso e l'ano. L'epitelio del tubo digerente contiene molte cellule che secernono muco e, in alcune zone, ghiandole che secernono enzimi digestivi. Per la maggior parte del tubo digerente il tessuti muscolare è costituito da due strati di muscolatura liscia, uno interno con cellule muscolari disposte in modo circolare e uno più esterno con cellule poste in modo longitudinale. Contrazioni coordinate di questi muscoli producono costrizioni ad anello che servono a mescolare il cibo con un insieme di movimenti di tipo ondulatorio noto come peristalsi; questi movimenti fanno avanzare il cibo lungo il canale digerente.

In alcuni punti lo strato di muscolatura circolare diventa più spesso dando luogo a fasce più consistenti dette sfinteri. Questi sfinteri agiscono come delle valvole che controllano il passaggio del cibo da una zona all'altra del tubo digerente.

LA CAVITA' ORALE: INIZIO DEL PROCESSO DIGETSIVO

Il processo di demolizione del cibo inizia nella bocca. Molti vertebrati hanno denti specializzati e particolarmente adatti a lacerare e frantumare il cibo. Gli uccelli attuali hanno ventrigli contenenti particelle di sabbia e sassolini che adempiono alla stessa funzione,

la lingua ha nei mammiferi la funzione di muovere e rimescolare il cibo. Mentre il cibo è masticato, viene anche inumidito dalla saliva, una secrezione acquosa prodotta da tre paia di grosse ghiandole salivari. La saliva, che contiene anche muco, lubrifica il cibo in modo che possa essere facilmente inghiottito. Negli esseri umani, e negli altri mammiferi che masticano il cibo, la saliva contiene anche un enzima digestivo, l'amilasi, che inizia la demolizione degli amidi.

La secrezione della saliva è controllata dal sistema nervoso autonomo: la salivazione ha inizio in seguito alla presenza di cibo nella bocca, la qual cosa stimola riflessi che si originano nei bottoni gustativi e nelle pareti della bocca, e anche per il semplice odore o per l'idea del cibo. La paura inibisce la salivazione; in momenti di pericolo o di stress, la bocca può diventare così secca da risultare difficile parlare. In condizioni normali, noi produciamo da un litro a un litro e mezzo di saliva ogni ventiquattro ore.

Dalla bocca il cibo è spinto verso l'esofago, un tubo muscolare lungo negli adulti circa 25 centimetri. La deglutizione è il passaggio del cibo nell'esofago e attraverso l'esofago nello stomaco; questo processo inizia con un'azione volontaria ma, una volta iniziata, negli esseri umani continua involontariamente.

Lo stomaco è una cavità circondata da tessuto muscolare a forma di sacco estensibile che, tranne quando è completamente dilatato, giace ripiegato; nell'uomo lo stomaco dilatato contiene 2 - 4 litri di cibo.

Lo strato mucoso dello stomaco è molto spesso e contiene numerose fossette gastriche. Le cellule epiteliali della mucosa interna dello stomaco secernono muco, acido cloridrico e pepsinogeno. Queste secrezioni, con l'acqua in cui sono disciolte, costituiscono i succhi gastrici. Il PH del succo gastrico è normalmente compreso tra 1,5 e 2,5, un valore di acidità molto più elevato di ogni altro liquido del corpo.

L'HCL, che uccide la maggior parte dei batteri e delle altre cellule viventi presenti nel cibo ingerito, scioglie le componenti coriacee e fibrose dei tessuti animali e vegetali, e corrode la sostanza cementante posta tra le cellule. L'HCL determina anche la trasformazione del pesinogeno nella su forma attiva, la pepsina, che idrolizza le proteine in peptidi ed è attiva in uno stomaco sano solo a bassi valori del PH.

La vista del cibo e la sua presenza nella bocca stimola i movimenti dello stomaco e la produzione di succo gastrico. La presenza di cibo proteico nello stomaco provoca, da parte cellula - STRUTTURA DELLE CELLULE EUCARIOTE" class="text">delle cellule gastriche, la liberazione nella corrente sanguigna di un ormone, la gastrina. Questo ormone stimola le cellule epiteliali della mucosa gastrica ad aumentare la loro secrezione di succo di gastrico e agisce sulle cellule muscolari della parete dello stomaco aumentandone le contrazioni.

Nello stomaco il cibo viene trasformato in una massa semiliquida che passa gradualmente per peristalsi attraverso lo sfintere pilorico, che separa lo stomaco dall'intestino tenue. Lo stomaco è generalmente vuoto quattro ore dopo un pasto.

Nell' intestino tenue si completa la scissione del cibo iniziata nella bocca e nello stomaco. Le molecole nutritive prodotte sono poi assorbite dal canale digerente e passano nella circolazione sanguigna che le distribuiscono alle singole cellule.

Dal punto di vista anatomico, l'intestino tenue è caratterizzato da soluzioni strutturali che aumentano enormemente la sua area superficiale; esse comprendono pieghe circolari della sottomucosa, numerose e microscopiche estensioni digitiformi della mucosa dette villi, e sottilissime proiezioni citoplasmatiche presenti sulla superficie delle singole cellule epiteliali chiamate microvilli.

Il duodeno, la porzione superiore dell'intestino tenue lunga circa 25 centimetri, è la parte più attiva del processo digestivo; la porzione restante è interessata principalmente all'assorbimento dell'acqua e delle sostanze nutritive. Numerose sostanze partecipano ai processi digestivi dell'intestino tenue.

Il muco è secreto dalle cellule della mucosa intestinale, mentre gli enzimi digestivi sono prodotti dalle cellule epiteliali sia della mucosa intestinale che dal pancreas. Oltre agli enzimi, l'intestino tenue riceve dal pancreas un liquido alcalino che neutralizza l'acidità dello stomaco, e la bile, prodotta dal fegato e accumulata nella cistifellea.

La bile contiene un miscuglio di sali che, come i detersivi, emulsionano i grassi riducendoli in piccole goccioline; in questo modo si ha una maggiore superficie per l'attacco degli enzimi.

I liquidi provenienti dal pancreas, dal fegato e dalla cistifellea raggiungono l'intestino tenue attraverso una serie di condotti che confluiscono in un dotto principale; questo condotto sfocia nell'intestino circa 10 centimetri al di sotto dello sfintere pilorico.

Nell'intestino tenue l'amilasi pancreatica continua la scissione dell'amido iniziata dalla bocca, producendo disaccaridi. La lipasi idrolizza i grassi in glicerolo e acidi grassi. Tre tipi di enzimi scindono le proteine: un gruppo scinde le lunghe catene, un secondo tipo attacca soltanto l'estremità di una catena, producendo dipeptidi ( coppie di amminoacidi ), e un terzo gruppo di enzimi entra in azione per scindere i rimanenti dipeptidi in amminoacidi singoli.

Le attività dell'intestino sono regolate da alcuni ormoni. Anche il sistema nervoso autonomo influenza l'intestino: le stimolazioni attuate dalle fibre nervose del parasimpatico aumentano le contrazioni intestinali, mentre l'inibizione effettuata dalle fibre del simpatico diminuisce le contrazioni.

L'acqua e le molecole alimentari prodotte dai processi digestivi sono assorbite attraverso le cellule epiteliali della mucosa intestinale. Enzimi specializzati, che si trovano nelle membrane delle cellule epiteliali, scindono i disaccaridi in monosaccaridi che vengono poi assorbiti rapidamente per trasporto attivo e diffusione facilitata; gli amminoacidi e i dipeptidi sono assorbiti per trasporto attivo. Anche gli acidi grassi di piccole dimensioni entrano direttamente nei vasi sanguigni dell'intestino, ma le molecole degli acidi grassi più grosse, il glicerolo e il colesterolo seguono una strada indiretta; queste molecole entrano nelle cellule epiteliali dell'intestino per diffusione passiva.

L'assorbimento di acqua, di sodio e di altri minerali, un processo che si verifica principalmente nell'intestino tenue, continua nell'intestino crasso.

Quando l'assorbimento d'acqua e di minerali contenuti in essa viene alterato ( nella diarrea, per esempio ) può verificarsi una grave forma di disidratazione; la mortalità infantile dovuta a diarrea, ancora alquanto elevata in molti paesi, è una conseguenza della perdita d'acqua.

L'intestino crasso ospita anche una numerosa popolazione di batteri simbiotici, tra cui il familiare Escheria coli, che scindono le sostanze alimentari sfuggite alla digestione e all'assorbimento nell'intestino tenue.

L'appendice è una estroflessione a fondo cieco dell'intestino crasso; è un ricordo evolutivo degli antenati erbivori e non si conosce quale possa essere la sua funzione nella digestione umana. Tuttavia, essa può irritarsi, infiammarsi e, quindi,infettarsi. Se,come conseguenza dell'infiammazione e del gonfiore, l'appendice si rompe, il suo contenuto di batteri si riversa nella cavità addominale; questa infezione ( appendicite ) può avere esiti molto seri e anche letali.

LA REGOLAZIONE DEL GLUCOSIO EMATICO

La principale funzione della digestione è quella di fornire le molecole organiche che possono servire come fonte energetica e come materiale grezzo per tutte le cellule del corpo.

Il fegato svolge un ruolo fondamentale in questo importante processo omeostatico. Il glucosio e gli altri monosaccaridi trasferiti nel sangue dall'intestino sono convogliati direttamente al fegato per mezzo della vena porta epatica. Il fegato trasforma alcuni di questi monosaccaridi in glicogeno e grasso, immagazzinando abbastanza glicogeno per soddisfare le esigenze del corpo per circa 4 ore.

Il grasso viene accumulato nelle cellule adipose che possono anche sintetizzarlo a partire dal glucosio. Il fegato scinde gli amminoacidi in eccesso e li trasforma in glucosio. L'azoto che proviene dalla demolizione degli amminoacidi è escreto sotto forma di urea e il glucosio viene immagazzinato come glicogeno.

La concentrazione di glucosio è regolata da vari ormoni a dal sistema nervoso autonomo.

ALCUNE RICHIESTE NUTRITIVE

Il fegato è in grado di trasformare vari tipi di molecole alimentari in glucosio e poiché molti tessuti possono utilizzare acidi grassi come sostanze combustibili alternative, le richieste energetiche del corpo possono essere soddisfatte indistintamente dai carboidrati, dalle proteine o dai grassi, i tre tipi principali di molecole presenti negli alimenti. Il fabbisogno energetico è solitamente soddisfatto da una combinazione variabile dei tre tipi di sostanze. I carboidrati e le proteine forniscono circa lo stesso numero di calorie per grammo di peso secco, mentre i grassi ne producono il doppio.

Oltre alle calorie, le cellule del corpo hanno bisogno dei 20 amminoacidi necessari per l'assemblaggio delle proteine.

I vertebrati non sono capaci di sintetizzare tutti e 20 gli amminoacidi; gli esseri umani possono sintetizzarne 12, o partendo da un semplice scheletro carbonioso o da un altro amminoacido. Gli altri 8, che possono essere ottenuti solamente con la dieta, sono detti amminoacidi essenziali. Le piante sono la fonte primaria di questi amminoacidi essenziali, ma è difficile ottenere sufficienti quantità di essi basandosi sull'alimentazione completamente vegetariana, soprattutto perché le proteine vegetali sono relativamente povere di lisina e triptofano.

I mammiferi necessitano anche, non potendoli sintetizzare in modo autonomo, di alcuni grassi polinsaturi che forniscono gli acidi grassi necessari per la sintesi dei grassi. Questi acidi grassi possono essere ottenuti mangiando piante o insetti.

Le vitamine sono un altro gruppo di molecole necessarie alle cellule e non sintetizzabili dalle cellule animali. Sono di solito necessarie in piccole quantità e molte di esse funzionano come coenzimi.

Non si è ancora sicuri se l'ingestione di certe particolari vitamine in quantità superiore a quelle presenti in una dieta equilibrata possa avere effetti benefici su un individuo sano.

Alcune vitamine, fra cui quelle liposolubili come la A, la D e la K, che vengono accumulate nei tessuti adiposi del corpo, sono tossiche se assunte in grandi quantità.

L'organismo ha anche bisogno, nella sua dieta, di un certo numero di sostanze inorganiche o minerali. Queste comprendono il calcio e il fosforo per la formazione delle ossa, lo iodio per l'ormone tiroideo, il ferro per l'emoglobina e i citocromi, il sodio, il cloro e altri ioni essenziali per l'equilibrio ionico.

ESCREZIONE

Gli animali sono costituiti per il 70 % da acqua, di cui i due terzi sono contenuti nelle cellule e un terzo, il liquido extracellulare, circonda, bagna e nutre le cellule.

REGOLAZIONE DELL'AMBIENTE CHIMICO

Benché il plasma sanguigno costituisca soltanto il 7% circa dei liquidi complessivi del corpo, la regolazione della sua composizione è un fattore chiave nel controllo dell'ambiente chimico nel corpo degli animali vertebrati.

Il sangue fornisce le sostanze chimiche necessarie a ogni singola cellula e porta via le sostanze di rifiuto da essa eliminate. Il sangue può funzionare come sistema di rifornimento e di igiene interna solo perché i rifiuti cellulari vengono continuamente rimossi da esso.

In molti invertebrati e in tutti i vertebrati la composizione del sangue, e quindi l'ambiente chimico interno, è in gran parte regolata da una speciale sistema escretore. Nei vertebrati terrestri gli organi più importanti di questo sistema sono i reni.

La regolazione dell'ambiente chimico interni da parte dei reni comporta la soluzione di tre problemi fisiologici differenti, ma collegati tra loro: 1) l'escrezione dei rifiuti metabolici, 2) la regolazione della concentrazione di ioni e di altre sostanze chimiche, 3) il mantenimento dell'equilibrio idrico.

i principali materiali di rifiuto che le cellule liberano nella corrente sanguigna sono il biossido di carbonio e i composti azotati, principalmente ammoniaca, prodotti dalla scissione degli amminoacidi. L'anidride carbonica si diffonde verso l'esterno del corpo attraverso le superfici respiratorie quali la pelle, le branchie e i polmoni. Negli invertebrati acquatici più semplici e nella maggior parte dei pesci anche l'ammoniaca esce dal corpo per diffusione e passa nell'acqua circostante; l'ammoniaca, però, è molto tossica anche a basse concentrazioni. Tutti gli uccelli, i rettili terrestri e gli insetti trasformano i loro rifiuti azotati in cristalli di acido urico, col risultato che per l'escrezione occorre pochissima acqua. Negli uccelli i cristalli di acido urico sono mescolati nella cloaca alle sostanze di rifiuto non digerite e la miscela di questi prodotti eliminata sotto forma di una sostanza semisolida ben nota a che osserva statue e monumenti pubblici. Negli squali, negli anfibi e nei mammiferi l'ammoniaca che deriva dai prodotti azotati viene rapidamente trasformata dal fegato in urea, che poi passa per diffusione nella corrente sanguigna; questo composto, relativamente poco tossico, viene quindi trasportato ai reni ma, a differenza dell'acido urico, per venire escreto deve essere disciolto in acqua.

Anche se svolgono una funzione di escrezione, i reni sono considerati, più correttamente, organi di regolazione. La regolazione chimica comporta non solo la conservazione di molecole nutritive come il glucosio e gli amminoacidi, ma anche il mantenimento di concentrazioni ioniche rigorosamente controllate. Ioni come Na+, K+, H+, Mg++, Ca++ e HCO3--- svolgono ruoli vitali nel mantenimento della struttura delle proteine, della permeabilità della membrana e del PH del sangue, nella proazione dell'impulso nervoso e nella contrazione dei muscoli.

La concentrazione nel corpo di una particolare sostanza dipende non solo dalla quantità assoluta della sostanza, ma anche dalla quantità di acqua in cui è disciolta.

Il problema dell'equilibrio idrico è talmente universale, dal punto di vista biologico, e talmente importante per la sopravvivenza dell'organismo, che verrà preso subito in considerazione più dettagliatamente.

Come molti piccoli organismi marini odierni, i primi organismi viventi avevano probabilmente una composizione di sali e di minerali simile a quella degli oceani in cui vivevano. Questi organismi primitivi erano anche isotonici con il loro ambiente; avevano, cioè la stessa concentrazione totale di sostanze disciolte, per cui l'acqua non tendeva né a entrare né a uscire dagli organismi per osmosi. Gli organismi che in seguito passarono nelle acque dolci, ebbero il problema di contrastare l'acqua che tendeva a entrare nei loro corpi per osmosi; la loro sopravvivenza era legata quindi allo sviluppo di meccanismi atti a eliminare l'acqua in eccesso.

Negli attuali pesci d'acqua dolce il rene funziona principalmente proprio per filtrare e riassorbire i soluti. L'urina di questi pesci è ipotonica, cioè ha una concentrazione di soluti più bassa di quella dei liquidi del corpo; tuttavia, alcuni soluti vengono inevitabilmente persi con le urine sia per la diffusione attraverso le branchie. Questa perdita è compensata dalle cellule delle branchie che assorbono sale e che, per trasporto attivo, riportano il sale nel corpo.

Dal momento che gli animali terrestri non sempre hanno dell'acqua a disposizione, devono regolare il loro contenuto idrico in altri modi bilanciando le entrate e le uscite. Essi ottengono acqua ingerendo liquidi e cibi contenenti acqua, e la ricavano perfino come prodotto finale dei processi ossidativi che hanno luogo nei mitocondri. Dall'ossidazione di 1 grammo di glucosio si formano 0,6 grammi di acqua, dall'ossidazione di 1 grammo di proteine si producono solo 0,3 grammi di acqua, mentre l'ossidazione di 1 grammo di grasso produce 1,1 grammi di acqua a causa dell'elevato contenuto di idrogeno presente nei grassi. Alcuni animali possono ingerire tutta l'acqua di cui necessitano attraverso i cibi e l'ossidazione di molecole nutritive, e non hanno dunque bisogno di bere.

In media, ogni giorno un essere umano assume 2200 millilitri di acqua contenuti nei cibi e nelle bevande, e ne ottiene altri 350 millilitri dall'ossidazione delle molecole nutritive.

L'acqua viene persa dai polmoni sotto forma di aria umida, viene eliminata con le feci, perduta per evaporazione dalla pelle, secreta col sudore, ed è rimossa dal sangue ed escreta sotto forma di urina; quest'ultima rappresenta di solito la principale via attraverso cui avviene la perdita d'acqua.

In un adulto sano la quantità di acqua escreta con l'urina raggiunge in media i 1500 millilitri al giorno. Anche se la quantità complessiva può variare da 400 a 2500 millilitri al giorno, il contenuto dei liquidi corporei subisce variazioni inferiori all'1%.

IL RENE

Nei vertebrati le complesse funzioni interessate alla regolazione dell'ambiente chimico interno sono svolte principalmente dal rene. I due reni umani sono organi di colore rosso scuro, a forma di fagiolo, lunghi circa 10 centimetri e situati posteriormente allo stomaco e al fegato.

L'unità funzionale del rene è il neurone che è costituito da un amasso di capillari, il glomerulo, e da un lungo e stretto tubo, il tubulo renale, che parte da una struttura a forma di coppa, la capsula di Bowman. Il tubulo renale è formato dai tubuli prossimale e distale che, nell'uomo e negli altri mammiferi, sono collegati tra loro dall'ansa di Henle. Il neurone termina in tubo diritto, il dotto collettore. Ciascuno dei due reni umani contiene circa un milione di nefroni, la cui lunghezza totale raggiunge in un individuo adulto gli 80 chilometri.

L'urina si forma nei nefroni e passa dal tubo collettore nell'uretere e poi nella vescica, in cui si raccoglie fino a che non viene eliminata attraverso l'uretra.

Il sangue entra nel rene attraverso l'arteria renale che si divide in arterie sempre più piccole che, a loro volta, conducono nelle arteriose, ognuna delle quali termina in un glomerulo. A differenza degli altri letti capillari, un glomerulo è posto tra due arteriole: l'arteriola afferente e l'arteriola efferente. Quest'ultima poi si divide ancora in capillari, i capillari peritubulari, che circondano il tubulo renale e che poi si riuniscono per formare una venula che si svuota in una piccola vena che, a sua volta, porta alla vena renale.

La vasocostrizione delle arteriole afferenti ed efferenti mantiene il sangue all'interno del glomerulo a una pressione circa doppia rispetto a quella presente negli altri capillari; di conseguenza, quasi un quinto del plasma che entra nel rene è spinto, attraverso le pareti dei capillari glomerulari e della capsula di Bowman, nel lume del tubulo renale.

Questo primo processo fondamentale nella formazione dell'urina è detto filtrazione e il liquido che entra nella capsula è detto filtrato.

Nel secondo processo della formazione dell'urina, il processo di secrezione, alcune molecole rimaste nel plasma dopo la filtrazione sono selettivamente rimosse dai capillari peritubulari e secrete attivamente nel filtrato. La penicillina, per esempio, viene eliminata dalla circolazione sanguigna in questo modo.

Il terzo importante processo nella formazione dell'urina, il riassorbimento, si svolge contemporaneamente agli altri due. La maggior parte dell'acqua e dei soluti che entrano inizialmente nel tubulo durante la filtrazione vengono riportati nei capillari peritubulari.

Infine, il liquido rimanente, che è l'urina, lascia il neurone, passa nella pelvi renale e quindi viene eliminato attraverso l'uretra; questo processo è detto escrezione.

Nei mammiferi diversi ormoni agiscono sul neurone influenzando la composizione dell'urina. Uno di questi è l'ormone antidiuretico ( ADH ), che si forma nell'ipotalamo ed è accumulato e liberato dall'ipofisi. L'ADH agisce sui dotti collettori dei nefroni e aumenta la loro permeabilità all'acqua, cosicché nel sangue torna indietro per diffusione un maggior volume d'acqua.

I fattori che aumentano la concentrazione di soluti nel sangue, o ne riducono la pressione, oppure svolgono contemporaneamente entrambe le funzioni, aumentando la produzione di ADH e, quindi, la conservazione di acqua nel corpo. Dolori fisici e stress emotivi stimolano la secrezione di ADH e quindi riducono il flusso urinario.

I fattori che diminuiscono la concentrazione di soluti nel sangue, come l'ingestione di grandi quantità di acqua, o che aumentano la pressione del sangue, come l'adrenalina, segnalano all'ipotalamo di diminuire la produzione di ADH e così viene eliminata più acqua.

Un secondo ormone, l'aldosterone, che è prodotto dalla corteccia della ghiandola surrenale, stimola il riassorbimento di ioni sodio dal tubulo distale e dal dotto collettore, e la secrezione di ioni potassio in essi. Quando sono asportate le ghiandole surrenali, o quando funzionano poco, eccessive quantità di cloruro di sodio e di acqua sono perdute con l'urina e i tessuti del corpo ne rimangono privi. Ne consegue uno stato di debolezza generale e , se al paziente affetto da morbo di Addison non viene somministrata una terapia ormonale di sostituzione, la perdita di liquido può essere anche fatale.

Anche altri ormoni sono interessati alla regolazione della funzione renale, per lo più in risposta ad aumenti del volume o della pressione del sangue. Il più interessante tra queste sostanze è il peptide cardiaco, che inibisce il riassorbimento del sodio dal tubulo distale e fa così aumentare l'escrezione sia del sodio sia dell'acqua.