Capitolo 16 L alimentazione e la digestione
Alimentazione ed elaborazione del cibo 16.1 Gli animali possono alimentarsi in vari modi Tutti gli animali si nutrono di altri organismi: gli animali che mangiano sia piante sia animali sono detti onnivori; gli animali che mangiano solo vegetali sono detti erbivori; gli animali che mangiano altri animali sono detti carnivori.
Gli animali che si nutrono per ingestione utilizzano numerose strategie per procurarsi il cibo. In base a queste, si distinguono organismi: filtratori, consumatori del substrato, succhiatori. Figura 16.1C Bruco Figura 16.1A Feci Figura 16.1B Figura 16.1D
16.2 La trasformazione del cibo avviene in quattro fasi Pezzi di cibo Molecole piccole Demolizione meccanica Digestione chimica (idrolisi enzimatica) Le molecole nutritive entrano nelle cellule Cibo Sostanze non digerite 1 Ingestione 2 Digestione 3 Assorbimento 4 Eliminazione Figura 16.2A
Nella digestione chimica i polimeri vengono scissi in monomeri. Polimero Monomeri Enzimi per la digestione di proteine Proteina Amminoacidi Polisaccaride Enzimi per la digestione di polisaccaridi Disaccaride Monosaccaridi Enzimi per la digestione di acidi nucleici Acido nucleico Nucleotidi Enzimi per la digestione di grassi Figura 16.2B Grasso Glicerolo Acidi grassi
16.3 La digestione avviene in compartimenti specializzati Il cibo è digerito all interno di compartimenti chiamati vacuoli alimentari che si fondono con i lisosomi che contengono gli enzimi idrolitici. Le spugne, tra gli animali più semplici, compiono tutti i loro processi digestivi nei vacuoli alimentari.
Gli cnidari e i vermi piatti (animali relativamente semplici) possiedono una cavità gastrovascolare, cioè un sistema digerente fornito di una sola apertura: la bocca. Bocca Tentacolo 2 1 I tessuti molli vengono digeriti Enzimi digestivi secreti da una ghiandola Figura 16.3A Cibo (una dafnia) 3 Cavità gastrovascolare 4 Le particelle di cibo vengono inglobate Le particelle di cibo vengono digerite in un vacuolo alimentare
Molti animali sono invece dotati di un tubo digerente, costituto da un canale che si estende tra due aperture, la bocca e l ano, dotato di regioni specializzate. Bocca Faringe Esofago Gozzo Ventriglio Lombrico Bocca Intestino Ano Porzione interna dell intestino Parete dell intestino Esofago Gozzo Stomaco Ano Cavalletta Ciechi gastrici Intestino Bocca Stomaco Ventriglio Intestino Figura 16.3B Esofago Uccello Gozzo Ano
Il sistema digerente umano 16.4 Il sistema digerente umano è costituito da un canale alimentare e da organi a esso associati Le parti principali del canale alimentare sono: la bocca, la faringe, l esofago, lo stomaco, l intestino tenue, l intestino crasso e l ano. Dopo essere stato inghiottito, il cibo viene spinto lungo il canale alimentare grazie alla peristalsi, una sequenza di onde ritmiche di contrazione della muscolatura liscia presente nella parete del tubo digerente.
Un anello muscolare, chiamato sfintere pilorico, regola il passaggio degli alimenti dallo stomaco all intestino tenue. Cavità orale Lingua Bocca Ghiandole salivari Faringe Esofago Figura 16.4 Cistifellea Pancreas Intestino tenue Intestino crasso Retto Ano Fegato Esofago Cardias Stomaco Sfintere pilorico Intestino tenue
16.5 La digestione ha inizio all interno della cavità orale Le ghiandole salivari sono sei: due parotidi; due sottomascellari; due sottolinguali. Ghiandole parotidi Ghiandole sottolinguali Lingua Ghiandole sottomascellari Figura 16.5A
La saliva dà inizio alla digestione chimica la saliva contiene molte sostanze importanti per la trasformazione del cibo: una glicoproteina che protegge la bocca e lubrifica il cibo; alcune sostanze tampone che neutralizzano l acidità del cibo; il lisozima (un antibatterico); l amilasi salivare (un enzima digestivo).
La masticazione dà inizio alla digestione meccanica Grazie all azione meccanica dei denti, il cibo viene frantumato ed esposto all azione degli enzimi. La lingua è un organo muscolare, ricoperto da papille gustative, che contengono i recettori del gusto. La lingua mescola il cibo con la saliva, formando il bolo alimentare. Lingua Denti Incisivi Canini Premolari Molari Apertura del dotto di una ghiandola salivare Figura 16.5B
16.6 Sia il cibo sia l aria che respiriamo passano attraverso la faringe Un riflesso legato alla deglutizione fa passare il bolo alimentare dalla faringe all esofago, impedendogli di entrare nella trachea. Lingua Bolo di cibo Faringe L epiglottide si alza L epiglottide si abbassa Laringe Trachea Sfintere esofageo Esofago La laringe si alza Esofago L epiglottide si alza La laringe si abbassa Sfintere contratto Sfintere rilasciato Sfintere contratto Figura 16.6
16.7 L esofago convoglia il bolo alimentare verso lo stomaco Le onde peristaltiche nell esofago fanno passare il bolo alimentare nello stomaco. Bolo alimentare I muscoli circolari si rilassano e il canale si apre. Stomaco I muscoli circolari si contraggono, restringendo il canale, e il bolo viene spinto giù. Muscoli circolari rilassati Muscoli circolari contratti Muscoli circolari rilassati Muscoli circolari contratti Figura 16.7
La parete dell esofago è costituita da quattro strati (o tonache): la mucosa; la sottomucosa; la tonaca muscolare; la tonaca sierosa.
16.8 Lo stomaco immagazzina temporaneamente il cibo e lo demolisce per mezzo di acidi ed enzimi Lo stomaco e la produzione di succhi gastrici: Cavità dello stomaco Particelle di cibo Sfintere pilorico Stomaco Superficie interna dello stomaco Rilascio di succhi gastrici Ghiandola gastrica Fossette gastriche Rilascio dei succhi gastrici (muco, HCl e pepsinogeno) 3 Epitelio Pepsinogeno 2 Cellule mucose HCl Cellule principali Colonizzata SEM 2500 1 Pepsina (enzima attivo) 3 2 1 La pepsina comincia la digestione chimica delle proteine L HCl acidifica il contenuto dellostomaco e converte il pepsinogeno in pepsina Il pepsinogeno e l HCl sono secreti nel lume della ghiandola gastrica Figura 16.8 Cellule parietali
La regolazione dell attività gastrica L attività delle ghiandole gastriche è regolata da un insieme di segnali nervosi e ormonali. L odore del cibo genera un segnale nervoso che stimola le ghiandole a produrre i succhi gastrici. Quando le sostanze alimentari raggiungono lo stomaco inducono le cellule G a rilasciare l ormone gastrina, che stimola ulteriormente la produzione di succhi gastrici. Quando il contenuto dello stomaco diventa troppo acido, un meccanismo a feedback negativo inibisce la secrezione dei succhi gastrici.
Dal bolo alimentare al chimo La contrazione dei muscoli della parete dello stomaco rimescola il cibo con i succhi gastrici, formando il chimo. Normalmente, il chimo non può risalire dallo stomaco all esofago (a cui è collegato attraverso il cardias). Quando ciò accade, si parla di riflusso gastrico, che provoca «acidità di stomaco». Un po per volta, il chimo passa dallo stomaco all intestino attraverso uno sfintere: il piloro. Lo stomaco impiega da due a sei ore a svuotarsi.
16.9 Nella prima parte dell intestino si riversano ormoni ed enzimi prodotti dal fegato e dal pancreas Il pancreas produce una soluzione basica ricca di enzimi digestivi e di bicarbonato (che neutralizza l acidità del chimo). Fegato Bile Cistifellea Bile Enzimi dell intestino Duodeno (parte dell intestino tenue) Chimo acido Succhi pancreatici Stomaco Pancreas Figura 16.9
Due ormoni (la secretina e il CCK, colecistochinina) aumentano nel fegato la produzione di bile, che si accumula nella cistifellea (un sacchetto a forma di pera situato alla base del fegato). La bile contiene sali biliari che emulsionano i grassi rendendoli più facilmente attaccabili da parte degli enzimi.
16.10 Nel duodeno termina la digestione chimica degli alimenti Nell intestino tenue avviene un processo di digestione enzimatica che termina la digestione delle macromolecole presenti nei cibi. Tabella 16.10
16.11 Il pancreas e il fegato svolgono numerose funzioni legate più o meno strettamente alla digestione Il pancreas è una ghiandola situata appena al di sotto dello stomaco, nella parte sinistra della cavità addominale, e costituita da una parte endocrina e da una parte endocrina, secernente enzimi che intervengono nella digestione. Il fegato è spesso definito il «laboratorio chimico» dell organismo, in quanto svolge numerose funzioni.
Funzioni metaboliche e di deposito del fegato Tutte le sostanze assorbite dall intestino passano per il fegato, prima di essere trasferite ad altre cellule. I monosaccardi possono essere trasformati in glucosio, che puòà essere trattenuto nel tessuto epatico sotto forma di glicogeno. Gli amminoacidi vengono trasformati in zuccheri, grassi o precursori dell ATP. Gli acidi grassi possono essere demoliti nel fegato per formare ATP. Le vitamine liposolubili e alcuni minerali possono essere immagazzinate nel fegato.
Funzione protettiva del fegato Il fegato trasforma numerose sostanze, rendendole innocue e facilmente eliminabili. Le sostanze vengono demolite attraverso processi catabolici oppure coniugati con composti che ne inibiscono l attività. Le sostanze demolite possono essere: endogene (ormoni come l insulina, gli estrogeni e il progesterone) esogene (farmaci come antibiotici e sulfammidici)
La struttura del fegato: Figura 16.11
16.12 L assorbimento delle sostanze nutritive avviene principalmente nella seconda parte dell intestino tenue La parete interna dell intestino tenue presenta molte piccole estroflessioni digitiformi, chiamate villi, che aumentano la superficie di assorbimento. Strati muscolari Pliche circolari Villi Vasi sanguigni con sangue diretto verso il fegato Lume Assorbimento delle sostanze nutritive Figura 16.12 Parete intestinale
Le sostanze nutritive passano attraverso l epitelio intestinale (per diffusione o trasporto attivo) e poi attraverso le sottili pareti dei capillari o dei vasi linfatici e giungono così al fegato dove vengono trasformate e accumulate. Lume dell intestino Assorbimento delle sostanze nutritive Microvilli Assorbimento delle sostanze nutritive nelle cellule epiteliali Cellule epiteliale Amminoacidi e zuccheri Acidi grassi e glicerolo Capillari sanguigni Vaso linfatico Figura 16.12 Villi Grassi Sangue Linfa Cellule epiteliali
Nell intestino tenue vengono dunque assorbiti: i monoscaccaridi; gli amminoacidi; i lipidi; le vitamine; l acqua e gli ioni.
16.13 La funzione principale dell intestino crasso consiste nel terminare il riassorbimento dell acqua e dei sali minerali La funzione principale dell intestino crasso (chiamato anche colon) è quella di terminare l assorbimento dell acqua e dei sali minerali. Le feci rappresentano i prodotti di scarto della digestione e vengono immagazzinate nella porzione terminale del colon, il retto. Figura 16.13 Intestino crasso (colon) Cieco Sfintere Ultimo tratto dell intestino tenue Appendice Intestino tenue Retto Ano Flusso delle sostanze nutritive
COLLEGAMENTI 16.14 Le principali patologie del sistema digerente e le loro cause Patologie gastriche Una delle patologie più diffuse dello stomaco e della prima parte del duodeno è l ulcera. L ulcera è causata da batteri (Helicobacter pylori) che si trovano sugli strati mucosi dello stomaco. Batteri Figura 16.14 Colonizzato SEM 10 000 Strati mucosi dello stomaco
Patologie del fegato Le epatiti sono processi infiammatori acuti o cronici del fegatoche possono portare alla necrosi o favorire l insorgenza del cancro. Patologie pancreatiche La pancreatite acuta ha varie cause, tra le quali la presenza di un calcolo nelle vie biliari; la pancreatite cronica è un processo infiammatorio che si protrae nel tempo e che porta alla progressiva atrofia dell organo. Patologie dell intestino L appendicite è un infiammazione acuta dell appendice cecale; il tumore al colon-retto è la forma di cancro che colpisce più spesso il sistema digerente.
16.15 Il sistema digerente degli erbivori è più lungo e complesso di quello dei carnivori A seconda del tipo di alimentazione, negli animali esistono molte varianti allo schema generale del sistema digerente umano. I mammiferi erbivori, che non sono in grado di digerire la cellulosa delle piante di cui si cibano, hanno un caratteristico tubo digerente molto lungo, dotato di speciali sacche che ospitano una grande quantità di batteri e protozoi che trasformano la cellulosa in zuccheri semplici e altre sostanze nutritive.
Di solito Il tubo digerente degli erbivori è più lungo di quello dei carnivori. Intestino tenue Intestino tenue Stomaco Cieco Intestino crasso (colon) Figura 16.15A Carnivoro Erbivoro
I mammiferi ruminanti (bovini, ovini, caprini e cervidi) hanno un sistema elaborato per digerire la cellulosa: il loro stomaco è dotato di quattro camere dove sono presenti batteri in grado di demolire la cellulosa. Intestino 3 Omaso 1 Rumine Esofago Rumine 4 Abomaso 2 Reticolo Figura 16.15B
Alimentazione bilanciata e salute 16.16 L alimentazione fornisce energia per la crescita e per lo svolgimento di tutte le attività dell organismo Un alimentazione bilanciata fornisce: l energia necessaria per le attività dell organismo; le sostanze di base per fabbricare le proprie molecole complesse; le molecole essenziali (che gli animali non sono in grado di fabbricare). Tabella 16.16
COLLEGAMENTI 16.17 Il grasso corporeo e la mania delle diete Nella cultura occidentale il grasso corporeo in eccesso è considerato antiestetico, mentre altre culture considerano il grasso in modo diverso. Le diete dimagranti possono aiutare le persone a perdere perso ma possono essere rischiose per la loro salute. Tabella 16.17
16.18 Una corretta alimentazione deve contenere gli amminoacidi essenziali, vitamine e minerali Gli otto amminoacidi essenziali che l uomo adulto non è in grado di fabbricare possono essere ottenuti dalle proteine animali o da una giusta combinazione di alimenti di origine vegetale (cereali-legumi). Amminoacidi essenziali Metionina Valina (Istidina) Treonina Fenilalanina Figura 16.18 Granoturco e altri cereali Leucina Isoleucina Triptofano Lisina Fagioli e altri legumi
Le vitamine sono sostanze nutritive organiche essenziali ma necessarie in quantità molto inferiore rispetto agli amminoacidi. Le vitamine indispensabili all uomo sono 13. La maggior parte delle vitamine sono coenzimi o parti di coenzimi, hanno funzioni catalitiche e vengono usate più volte nelle reazioni metaboliche.
Vitamine necessarie all organismo umano: Tabella 16.18
Il funzionamento dell organismo richiede anche diverse sostanze inorganiche: i minerali. Nel campo della nutrizione vengo detti minerali gli elementi chimici diversi dal carbonio, dall idrogeno, dall ossigeno e dall azoto (i quattro componenti principali dei composti organici. I minerali svolgono molte funzioni diverse.
COLLEGAMENTI 16.19 Ancora oggi milioni di persone sono denutrite e soffrono di fame Circa 200 milioni di bambini al di sotto dei cinque anni soffrono di malnutrizione proteico-energetica. Tra le carenze vitaminiche (ipovitaminosi) più diffuse vi sono quelle delle vitamine A e D. Anche un insufficiente apporto minerale può provocare malattie. Figura 16.19A, B
COLLEGAMENTI 16.20 L alimentazione può influire sul rischio di contrarre malattie cardiovascolari e alcuni tipi di cancro Un alimentazione bilanciata può aiutare a ridurre il rischio di malattie cardiovascolari e cancro. Fattori di rischio comportamentali Tasso di colesterolo elevato e pressione alta Fattori di rischio inevitabili Dieta ricca di grassi Invecchiamento Inattività fisica Storia familiare Figura 16.20 Fumo Malattia cardiovascolare Essere maschi
Linee guida per un alimentazione che riduce il rischio di cancro: Tabella 16.20