Alimentazione e nutrizione umana

Corso di alimentazione e nutrizione umana

Prof.ssa Simona Bertoli
© Laila Pansera

Parte prima: concetti fondamentali di fisiologia

Omeostasi: il fondamento della fisiologia

La fisiologia spiega come avvengono i meccanismi nel nostro organismo, che vengono interpretati secondo la loro utilità, quindi con una visione strettamente meccanicistica. Quando si studia la fisiologia è utile prevedere quali processi meccanicistici saranno proficui per l’organismo in una particolare situazione.

La fisiologia è strettamente correlata all’anatomia, ovvero un organo o un sistema può svolgere una determinata funzione grazie alla sua struttura.

La figura spiega che il nostro corpo è un sistema complesso in cui accadono moltissimi eventi simultaneamente, e ci fa intuire che questi eventi accadono grazie a una sincronizzazione della comunicazione. Un sistema così complesso può funzionare solo grazie a una fitta rete di interconnessioni tra organi e tessuti, affinché ci sia un unico direttore che calibri le funzioni di tutte le strutture coinvolte.

Organizzazione del corpo umano

Essa viene proposta sulla base di 6 livelli, che partono dal livello chimico per arrivare al corpo intero.

1. Livello chimico

Noi siamo fatti di atomi, gli stessi che compongono il nostro ambiente, in particolare siamo fatti da ossigeno, carbonio, idrogeno e azoto. Essi costituiscono il 96% del nostro corpo. Questi atomi si uniscono a formare delle molecole, che danno luogo a proteine, lipidi, glucidi e acidi nucleici.

2. Livello cellulare

La cellula è l’unità fondamentale sia della struttura che della funzione di un organismo vivente. Della struttura perché senza cellula non c’è l’organismo, della funzione perché ogni cellula si occupa di svolgere alcune funzioni particolari ed altre generali.

Le funzioni cellulari fondamentali, che sono tipiche di tutte le cellule che compongono gli organismi (compreso il nostro) sono:

• Ricavare nutrimento e ossigeno dall’ambiente che la circonda;
• Svolgere reazioni chimiche che utilizzano il nutrimento e l’ossigeno per ricavare energia;
• Eliminare nell’ambiente che le circonda anidride carbonica e prodotti di scarto generati durante le reazioni chimiche;
• Sintetizzare proteine ed altri componenti necessari per la struttura e la crescita cellulare;
• Regolare lo scambio di materiali tra la cellula e l’ambiente circostante tramite l’utilizzo di trasportatori;
• Trasportare materiali da una parte all’altra della cellula nello svolgimento delle attività cellulari;
• Essere sensibili e rispondere alle variazioni dell’ambiente circostante;
• Riprodursi (le cellule nervose e muscolari cardiache nel tempo tendono a perdere questa caratteristica tutte le patologie che determinano in età adulta un danno alle cellule neuronali o alle cellule cardiache, determinano un danno permanente, perché il tessuto non si può rigenerare. Ecco perché la tipica malattia da danno delle cellule muscolari è l’infarto e tutti coloro che sviluppano una malattia infartuale possono avere un danno modesto se il numero di cellule compromesse è minimo, senza comunque grandi possibilità di recupero, oppure possono avere la morte improvvisa se il numero di cellule compromesse è grande. La stessa cosa vale per le cellule del sistema nervoso centrale).

Negli organismi pluricellulari ogni cellula svolge anche una funzione specializzata che consente all’apparato o al sistema di svolgere funzioni diverse. Essa è tipicamente una modificazione e un’elaborazione di una funzione cellulare fondamentale. Le funzioni cellulari specializzate sono:

• Sfruttando la capacità di sintetizzare proteine, alcune cellule producono proteine ed enzimi per svariate funzioni, per esempio le cellule ghiandolari del sistema digerente secernono enzimi digestivi che degradano il cibo ingerito;
• Le cellule renali sono capaci di trattenere selettivamente le sostanze necessarie al nostro organismo o di eliminare simultaneamente nelle urine le sostanze indesiderate, grazie alla capacità altamente specializzata di regolare lo scambio di materiali tra la cellula ed il suo ambiente esterno (funzione secernente e assorbente nello stesso tempo per la regolazione del flusso);
• Le cellule nervose generano e trasmettono ad altre regioni del corpo impulsi elettrici che trasferiscono informazioni;
• Le cellule muscolari sono in grado di sviluppare forza sulla base della loro contrazione e del loro rilassamento;

Queste cellule sono tutte diverse fra di loro, sia dal punto di vista anatomico, sia da quello fisiologico. Esiste una scienza, l’istologia, che studia le cellule nelle loro caratteristiche anatomiche e che è in grado di capire quando una cellula si trasforma e funziona male.

3. Livello tissutale

Un tessuto è costituito da tante cellule simili che si aggregano. Ogni tessuto è costituito da cellule simili, ed è specializzato per determinate funzioni. Esistono 4 tessuti primari:

• Tessuto muscolare: costituito da cellule specializzate nella contrazione e nella generazione della forza. Questo vale per tutti i tessuti muscolari del nostro organismo, ma ne distinguiamo 3 tipi differenti:
  • Tessuto muscolare scheletrico: deputato al movimento, che costituisce tutti i muscoli che ricoprono il nostro scheletro. Le cellule che lo costituiscono sono tutte identiche strutturalmente e funzionalmente, eventualmente si differenziano per dimensione. Questo tessuto ha una caratteristica fondamentale: viene mosso volontariamente (a volte anche involontariamente). È un tessuto molto ricco di striature.
  • Tessuto muscolare cardiaco: che costituisce un unico organo nel nostro organismo, il cuore. Il cuore è costituito prevalentemente da tessuto muscolare cardiaco e lo si distingue per delle striature viste al microscopio, che sono indicatori dell’abbondanza di mitocondri nella cellula muscolare cardiaca, e non si contrae su base volontaria.
  • Tessuto muscolare liscio: si chiama così perché al microscopio non si vede nessuna striatura. Esso racchiude il contenuto dei tubi e degli organi cavi. Per esempio, la parete di strutture cave come i vasi sanguigni, la trachea, la faringe, l’esofago, l’intestino, è costituita da tessuto muscolare liscio. La caratteristica della contrazione del tessuto liscio è quella di essere del tutto involontaria. Anche queste cellule strutturalmente e fisiologicamente sono identiche in tutte le zone in cui si trovano.
• Tessuto nervoso: è costituito da cellule specializzate per la generazione di impulsi elettrici, talvolta anche a distanze relativamente grandi, per esempio impulsi che dal capo arrivano al piede. Questi segnali elettrici trasmettono informazioni da una parte all’altra dell’organismo. Queste cellule nervose sono presenti nell’encefalo, nel midollo spinale e nei nervi. In realtà le terminazioni nervose sono distribuite in ogni punto del nostro corpo.
• Tessuto epiteliale: è costituito da cellule specializzate per lo scambio di materiali tra la cellula e il suo ambiente. Ne riconosciamo 2 tipi:
  • Lamine epiteliali: che rivestono e tappezzano le varie parti del corpo;
  • Ghiandole secernenti: che sono singole cellule o agglomerati di cellule specializzate nella secrezione (rilascio) di sostanze specifiche prodotte dalla cellula stessa oppure di sostanze che transitano attraverso la cellula e poi riversate nell’ambiente.
• Tessuto connettivo: è costituito dalla presenza di poche cellule disperse in una quantità abbondante di liquido extracellulare. Il tessuto connettivo connette, sostiene, ancora diverse parti del corpo. Esempi sono il tessuto connettivo lasso (tendini), il tessuto osseo e il sangue.

4. Livello degli organi

Un organo è un insieme di tessuti, generalmente la somma dei 4 tessuti primari. Per esempio, lo stomaco è un organo cavo costituito da uno strato di tessuto muscolare liscio, al suo interno ha uno strato di tessuto epiteliale che contiene sia cellule laminari sia cellule secernenti, è ancorato alla parete addominale tramite tessuto connettivo (c’è del tessuto connettivo anche all’interno degli strati), e ci sono anche terminazioni nervose. Un altro esempio è il cuore: esso è un organo cavo, ha una parete muscolare molto spessa, dentro ha delle camere (atri e ventricoli), nella parete interna c’è tessuto epiteliale laminare, e al suo interno scorre il sangue, che è tessuto connettivo. Dentro al muscolo ci sono dei plessi nervosi che regolano la contrazione. Quindi ogni organo ha una quantità variabile e differente di componente dei 4 tessuti primari, che dipende dalla sua funzione, per esempio il rene ha pochissimo tessuto muscolare e molto tessuto epiteliale, perché ha la funzione di assorbire e rilasciare sostanze.

5. Livello di sistemi organici

I gruppi di organi, anche molto diversi fra di loro, si uniscono per svolgere una macrofunzione (attività comune). Nel corpo umano si riconoscono 11 sistemi:

• Sistema circolatorio: costituito da cuore, vasi sanguigni e sangue. Trasporta nutrienti, ossigeno, anidride carbonica, prodotti di rifiuto, elettroliti e ormoni nel corpo. Il cuore ha la funzione di pompa, ovvero introduce nei vasi circolatori il sangue. I vasi sono di tessuto muscolare liscio e tessuto epiteliale all’interno, che prende il nome di endotelio e consente il passaggio dei nutrienti dal sangue alle cellule. Il sangue è tessuto connettivo. Nel cuore il ventricolo sinistro pompa il sangue nell’aorta (principale arteria del nostro organismo), che poi si divide in arterie sempre più piccole, fino a diventare arteriole, che hanno la stessa struttura istologica, cambia solo la dimensione. Le arteriole portano al sistema capillare, che porta il sangue alle singole cellule. A questo punto avvengono gli scambi: la cellula prende l’ossigeno e cede la CO₂, il sangue da rosso vivo diventa rosso scuro e percorre un sistema di vasi speculare al sistema arterioso (dove c’è un’arteria c’è anche una vena, di solito le arterie viaggiano più in profondità e le vene più in superficie). Il sistema venoso arriva fino al cuore (atrio destro) che lo pompa ai polmoni, dove si realizzano gli scambi e il sangue ritorna ossigenato, e poi va al cuore dove ricomincia il percorso.
• Sistema digerente: demolisce il cibo assunto dalla dieta in piccole molecole che possono essere assorbite nel plasma per essere distribuite alle cellule del corpo. Esso trasporta anche acqua ed elettroliti dall’ambiente esterno all’ambiente interno. Inoltre elimina i residui alimentari indigeriti nell’ambiente esterno sotto forma di feci.
• Sistema respiratorio: è costituito da naso, faringe (che condivide con l’apparato digerente), laringe, trachea, bronchi e polmoni. Quindi è costituito da un insieme di organi cavi che conducono l’aria (tessuto muscolare liscio e epiteliale), e da polmoni (costituito da tessuto epiteliale, connettivo e in minima parte muscolare). Ottiene ossigeno dall’esterno e vi elimina anidride carbonica. Regolando la velocità di rimozione dell’anidride carbonica, che reagendo con acqua forma acido carbonico, il sistema respiratorio è importante anche nel mantenimento del pH appropriato dell’ambiente esterno.
• Sistema urinario: è costituito da reni, ureteri (tubi che collegano il rene alla vescica), vescica e uretra (che collega la vescica con l’esterno). Ha la funzione di rimuovere dal plasma l’acqua, il cloruro di sodio, gli acidi ed altri elettroliti in eccesso e li elimina con le urine, insieme ai prodotti di rifiuto.
• Sistema scheletrico: costituito da ossa, cartilagini e articolazioni. Le articolazioni sono il punto di unione di 2 ossa, le cartilagini sono strutture di connessione fra 2 ossa. Dal punto di vista anatomico le ossa vengono distinte in lunghe, corte e piatte (sterno e ossa della scatola cranica). Fornisce sostegno e protezione ai tessuti e agli organi molli. Serve anche da deposito per lo ione Ca, la cui concentrazione deve essere mantenuta entro limiti molto ristretti. Con il sistema muscolare il sistema scheletrico permette anche il movimento del corpo e delle sue parti. Inoltre, il midollo osseo, la parte interna molle di alcuni tipi di osso è la fonte ultima di tutte le cellule ematiche.
• Sistema muscolare: sono i muscoli scheletrici che rivestono tutto il nostro corpo.
• Sistema tegumentario: è costituito da pelle, capelli, peli e unghie. Peli e capelli sono costituiti da tessuto connettivale, mentre la cute è un tessuto complesso, costituito da uno strato di tessuto epiteliale laminare, da uno strato epiteliale secernente e da uno strato di tessuto connettivo e ci permette la termoregolazione e ci difende dall’ambiente esterno.
• Sistema immunitario: è costituito da tessuti che producono cellule per l’immunità, che sono i linfonodi, il timo, il midollo osseo, le adenoidi, la milza e l’appendice. I linfonodi sono agglomerati organizzati di cellule linfoidi, uniti fra di loro da un cordone, che è l’albero dei linfonodi. Essi diventano percepibili quando sono infiammati. Esiste un tessuto linfoide associato sia all’intestino sia alla pelle, ovvero ci sono agglomerati cellulari che producono cellule o molecole per l’immunità, che stanno sparsi senza una collocazione precisa, al contrario dei tessuti citati sopra. Difende il corpo da invasori estranei e dalle cellule del corpo diventate cancerose. Inoltre favorisce la riparazione o la sostituzione delle cellule lese. Il midollo osseo (contenuto all’interno dell’osso) è legato alla sintesi delle cellule del nostro sistema immunitario perché qui avviene la sintesi dei globuli bianchi (leucociti) e delle piastrine.
• Sistema nervoso: è costituito dall’encefalo, dal midollo spinale e dai nervi. È uno dei due principali sistemi di regolazione dell’organismo. Regola e coordina le attività corporee che richiedono reazioni rapide. È particolarmente importante nella rilevazione delle variazioni dell’ambiente esterno e nell’inizio di reazioni a tali variazioni. Inoltre è responsabile di funzioni superiori che non sono completamente dirette al mantenimento dell’omeostasi, come la coscienza, la memoria e la creatività.
• Sistema endocrino: apparentemente non è un sistema connesso, infatti questa definizione indica delle strutture che svolgono funzioni diverse ma che si comportano tutte nella stessa maniera, e sono gli organi endocrini. Regola (insieme al sistema nervoso) l’omeostasi del nostro organismo e permette la comunicazione tra gli organi. Troviamo diverse ghiandole, collocate in diversi punti del corpo, come la tiroide e le paratiroidi, le ovaie o i testicoli, il pancreas, le ghiandole surrenali, l’ipofisi, etc, che producono determinate sostanze che regolano svariate funzioni.
• Sistema riproduttivo: è l’unico sistema molto differente tra i 2 generi, sebbene l’attività ormonale che si realizza ha delle funzioni molto simili. Il tessuto ovarico fa parte del sistema riproduttivo ma viene letto anche dal punto di vista endocrino (le ovaie producono ormoni).

Questi sistemi sono costituiti da più organi, a loro volta costituiti in diverse proporzioni dai 4 tessuti fondamentali. La suddivisione in questi sistemi è prettamente didattica.

6. Livello di organismo

È l’organismo nel suo complesso.

Concetto di omeostasi: mantenimento di un ambiente interno relativamente costante

Finora ci siamo occupati delle cellule che formano tessuti, organi e sistemi organici. Sul fronte della fisiologia occorre sapere come fanno i sistemi a mantenere l’omeostasi, che è fondamentale per la sopravvivenza delle cellule stesse. L’omeostasi è il sistema che consente di mantenere stabile un parametro. Per fare avvenire una reazione occorrono certe regole omeostatiche, ovvero occorre un certo pH, una certa temperatura, una certa concentrazione di reagenti. Nel nostro organismo le regole omeostatiche vengono mantenute dai sistemi organici. Quindi i sistemi organici hanno 2 ruoli: svolgono la loro funzione e consentono il mantenimento dell’omeostasi di alcuni parametri fondamentali per lo svolgimento delle funzioni stesse all’interno del nostro organismo.

L’omeostasi è richiesta per lo svolgimento di tutte le reazioni chimiche e metaboliche che si realizzano nel nostro organismo. Questo ambiente può essere perturbato da una serie di eventi. In particolare, gli eventi facilmente perturbabili, che devono mantenere un certo equilibrio sono:

• Concentrazione delle molecole nutrienti: le cellule hanno costante bisogno di apporto di nutrienti, per produrre energia che a sua volta viene utilizzata per compiere le funzioni vitali e specializzate della cellula. Quando la cellula svolge le sue funzioni specializzate, può richiedere un surplus di nutrienti. Noi non ci nutriamo continuamente, quindi occorre un sistema omeostatico in cui la cellula riceve nutrienti costantemente, anche se l’organismo non li sta assumendo in quel momento. Questo è un esempio di regolazione indipendentemente dalle perturbazioni del sistema.
• Concentrazione di O₂ e di CO₂: le cellule necessitano di ossigeno per svolgere le funzioni chimiche, e l’anidride carbonica prodotta durante queste reazioni deve essere rimossa. Siccome l’organismo respira continuamente, il meccanismo di rifornimento dell’ossigeno è costante, e lo è anche quello di eliminazione dell’anidride carbonica. Tuttavia, le nostre cellule potrebbero avere un bisogno maggiore o minore a seconda dell’attività che l’organismo sta svolgendo.