Digestione

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Per il processo industriale, vedi la digestione anaerobica. Per il trattamento di precipitati in chimica analitica, vedere Precipitazione (chimica) § Digestione.
Per il giornale, vedi Digestione (diario).

Apparato digerente
Dettagli
Identifiers
latino systema digestorium
Terminologia anatomica

La digestione è la rottura di grandi molecole di alimenti insolubili in piccole molecole di alimenti solubili in acqua in modo che possano essere assorbite nel plasma sanguigno acquoso. In alcuni organismi, queste sostanze più piccole vengono assorbite attraverso l'intestino tenue nel flusso sanguigno. La digestione è una forma di catabolismo che è spesso divisa in due processi basati su come il cibo è suddiviso: digestione meccanica e chimica. Il termine digestione meccanica si riferisce alla scomposizione fisica di grandi pezzi di cibo in pezzi più piccoli che possono essere successivamente accessibili dagli enzimi digestivi. Nella digestione chimica, gli enzimi scindono il cibo nelle piccole molecole che il corpo può utilizzare.

Nel sistema digestivo umano, il cibo entra nella bocca e la digestione meccanica del cibo inizia con l'azione della masticazione (masticazione), una forma di digestione meccanica e il contatto bagnante della saliva. La saliva, un liquido secreto dalle ghiandole salivari, contiene l'amilasi salivare, un enzima che avvia la digestione dell'amido nel cibo; la saliva contiene anche muco, che lubrifica il cibo, e l'idrogeno carbonato, che fornisce le condizioni ideali di pH (alcalino) perché l'amilasi funzioni. Dopo aver subito la masticazione e la digestione dell'amido, il cibo si presenterà sotto forma di una piccola massa liquida rotonda chiamata bolo. Viaggerà quindi lungo l'esofago e nello stomaco mediante l'azione della peristalsi. Il succo gastrico nello stomaco inizia la digestione delle proteine. Il succo gastrico contiene principalmente acido cloridrico e pepsina. Poiché queste due sostanze chimiche possono danneggiare la parete dello stomaco, il muco viene secreto dallo stomaco, fornendo uno strato viscido che funge da scudo contro gli effetti dannosi delle sostanze chimiche. Allo stesso tempo si sta verificando la digestione delle proteine, la miscelazione meccanica avviene tramite la peristalsi, che è un'ondata di contrazioni muscolari che si muovono lungo la parete dello stomaco. Questo permette alla massa di cibo di mescolarsi ulteriormente con gli enzimi digestivi.

Dopo un po 'di tempo (in genere 1-2 ore nell'uomo, 4-6 ore nei cani, 3-4 ore in gatti domestici), il liquido denso risultante viene chiamato chimo. Quando la valvola sfinteriale del piloro si apre, il chimo entra nel duodeno dove si mescola con gli enzimi digestivi del pancreas e il succo di bile dal fegato e poi passa attraverso l'intestino tenue, in cui la digestione continua. Quando il chimo è completamente digerito, viene assorbito nel sangue. Il 95% dell'assorbimento di sostanze nutritive si verifica nell'intestino tenue. Acqua e minerali sono riassorbiti nel sangue nel colon (intestino crasso) dove il pH è leggermente acido circa 5,6 ~ 6,9. Alcune vitamine, come biotina e vitamina K (K2MK7) prodotto da batteri nel colon sono anche assorbiti nel sangue nel colon. Il materiale di scarto viene eliminato dal retto durante la defecazione.[1]

Apparato digerente

I sistemi digestivi assumono molte forme. C'è una fondamentale distinzione tra digestione interna ed esterna. La digestione esterna si è sviluppata precedentemente nella storia evolutiva e la maggior parte dei funghi si basa ancora su di essa.[2] In questo processo, gli enzimi sono secreti nell'ambiente che circonda l'organismo, dove si rompono un materiale organico, e alcuni dei prodotti si diffondono all'organismo. Gli animali hanno un tubo (tratto gastrointestinale) in cui avviene la digestione interna, che è più efficiente perché è possibile catturare più prodotti analizzati e l'ambiente chimico interno può essere controllato in modo più efficiente.[3]

Alcuni organismi, tra cui quasi tutti i ragni, semplicemente secernono biotossine e sostanze chimiche digestive (ad es. Enzimi) nell'ambiente extracellulare prima dell'ingestione della conseguente "zuppa". In altri, una volta che potenziali nutrienti o cibo sono all'interno dell'organismo, la digestione può essere condotta su una vescicola o una struttura a forma di sacco, attraverso un tubo o attraverso diversi organi specializzati volti a rendere più efficiente l'assorbimento dei nutrienti.

Disegno schematico della coniugazione batterica. 1- La cellula donatrice produce pilus. 2- Pilus si attacca alla cellula del destinatario, riunendo le due cellule. 3- Il plasmide mobile viene intaccato e un singolo filamento di DNA viene trasferito alla cellula ricevente. 4- Entrambe le cellule ricircolarizzano i loro plasmidi, sintetizzano i secondi filamenti e riproducono i pili; entrambe le cellule sono ora donatori vitali.

Sistemi di secrezione

Articolo principale: Secrezione § Secrezione nei batteri Gram-negativi

I batteri utilizzano diversi sistemi per ottenere nutrienti da altri organismi negli ambienti.

Sistema di trasporto del canale

In un sistema di supporto del canale, diverse proteine ​​formano un canale contiguo che attraversa le membrane interne ed esterne dei batteri. È un sistema semplice, che consiste di sole tre subunità proteiche: la proteina ABC, la proteina di fusione a membrana (MFP) e la proteina di membrana esterna (OMP). Questo sistema di secrezione trasporta varie molecole, da ioni, farmaci, a proteine ​​di varie dimensioni (20 - 900 kDa). Le molecole secrete variano di dimensioni dal piccolo Escherichia coli colicina p del peptide, (10 kDa) al Pseudomonas fluorescens proteina di adesione cellulare LapA di 900 kDa.[4]

Siringa molecolare

Un sistema di secrezione di tipo III significa che viene utilizzata una siringa molecolare attraverso la quale un batterio (ad esempio alcuni tipi di Salmonella, Shigella, Yersinia) può iniettare nutrienti nelle cellule protiste. Uno di questi meccanismi è stato scoperto per la prima volta in Italia Y. pestis e ha dimostrato che le tossine possono essere iniettate direttamente dal citoplasma batterico nel citoplasma delle cellule dell'ospite piuttosto che essere semplicemente secrete nel mezzo extracellulare.[5]

Macchinari di coniugazione

Il meccanismo di coniugazione di alcuni batteri (e flagelli arcaici) è in grado di trasportare sia il DNA che le proteine. È stato scoperto in Agrobacterium tumefaciens, che usa questo sistema per introdurre il plasmide Ti e le proteine ​​nell'ospite, che sviluppa il gallo corneo (tumore).[6] Il complesso VirB di Agrobacterium tumefaciens è il sistema prototipo.[7]

Il fissaggio dell'azoto rizobi sono un caso interessante, in cui gli elementi coniugativi si impegnano naturalmente nella coniugazione inter-regno. Elementi come il Agrobacterium I plasmidi Ti o Ri contengono elementi che possono trasferire alle cellule vegetali. I geni trasferiti entrano nel nucleo della cellula vegetale e trasformano efficacemente le cellule vegetali in fabbriche per la produzione di opine, che i batteri usano come fonti di carbonio e di energia. Le cellule vegetali infette formano i tumori della galle coronarie o delle radici. I plasmidi Ti e Ri sono quindi endosimbionti dei batteri, che sono a loro volta endosimbionti (o parassiti) della pianta infetta.

I plasmidi Ti e Ri sono essi stessi coniugativi. Il trasferimento di Ti e Ri tra batteri utilizza un sistema indipendente (il Tra, o trasferimento, operon) da quello per il trasferimento inter-regno (il viro virulenza, operone). Tale trasferimento crea ceppi virulenti da precedenti avirulenti agrobatteri.

Rilascio di vescicole della membrana esterna

Oltre all'utilizzo dei complessi multiproteici sopra elencati, i batteri Gram-negativi possiedono un altro metodo per il rilascio di materiale: la formazione di vescicole di membrana esterna.[8][9] Porzioni della membrana esterna si staccano, formando strutture sferiche costituite da un doppio strato lipidico che racchiude materiali periplasmatici. È stato scoperto che i vesicidi di numerose specie batteriche contengono fattori di virulenza, alcuni hanno effetti immunomodulatori e alcuni possono aderire direttamente alle cellule ospiti e intossificarle. Mentre il rilascio di vescicole è stato dimostrato come una risposta generale alle condizioni di stress, il processo di caricamento delle proteine ​​del carico sembra essere selettivo.[10]

Venere acchiappamosche (Dionea muscipula) foglia

Cavità gastrovascolare

La cavità gastrovascolare funziona come uno stomaco sia nella digestione che nella distribuzione di sostanze nutritive in tutte le parti del corpo. La digestione extracellulare si svolge all'interno di questa cavità centrale, che è rivestita con il gastroderma, lo strato interno dell'epitelio. Questa cavità ha solo un'apertura verso l'esterno che funziona sia come bocca che come ano: i rifiuti e la materia non digerita vengono espulsi attraverso la bocca / l'ano, che può essere descritto come un intestino incompleto.

In una pianta come la Venere acchiappamosche che può fare il proprio cibo attraverso la fotosintesi, non mangia e digerisce la sua preda per gli obiettivi tradizionali di raccolta di energia e carbonio, ma le mine preda principalmente di nutrienti essenziali (azoto e fosforo in particolare) che scarseggiano nel suo habitat paludoso e acido.[11]

Trofozoiti di Entamoeba histolytica con eritrociti ingeriti

phagosome

Un fagosoma è un vacuolo formato attorno a una particella assorbita dalla fagocitosi. Il vacuolo è formato dalla fusione della membrana cellulare attorno alla particella. Un fagosoma è un compartimento cellulare in cui i microrganismi patogeni possono essere uccisi e digeriti. I fagosomi si fondono con i lisosomi nel loro processo di maturazione, formando i fagolisosomi. Negli umani, Entamoeba histolytica possono i globuli rossi fagocitosi.[12]

Organismi e comportamenti specializzati

Per aiutare nella digestione del loro cibo, gli animali hanno evoluto organi come becchi, lingue, denti, un raccolto, ventriglio e altri.

Un becco da seme di Catalina Macaw
Becco di calamari con righello per il confronto delle dimensioni

becchi

Gli uccelli hanno i becchi ossei che sono specializzati in base alla nicchia ecologica dell'uccello. Ad esempio, gli Ara mangiano principalmente semi, noci e frutta, usando i loro impressionanti becchi per aprire anche i semi più duri. Prima grattano una linea sottile con la punta acuminata del becco, poi tagliano il seme aperto con i lati del becco.

La bocca del calamaro è dotata di un forte becco cornea composto principalmente da proteine ​​reticolate. È usato per uccidere e strappare la preda in pezzi gestibili. Il becco è molto robusto, ma non contiene minerali, a differenza dei denti e delle mascelle di molti altri organismi, comprese le specie marine.[13] Il becco è l'unica parte indigesta del calamaro.

Lingua

Articolo principale: Tongue

La lingua è muscolo scheletrico sul pavimento della bocca che manipola il cibo per masticare e deglutire (deglutizione). È sensibile e mantenuto umido dalla saliva. La parte inferiore della lingua è coperta da una membrana mucosa liscia. La lingua ha anche un senso tattile per localizzare e posizionare le particelle di cibo che richiedono ulteriore masticazione. La lingua viene utilizzata per rotolare le particelle di cibo in un bolo prima di essere trasportata lungo l'esofago attraverso la peristalsi.

La regione sublinguale sotto la parte anteriore della lingua è un luogo in cui la mucosa orale è molto sottile, e sottostimata da un plesso di vene. Questo è un luogo ideale per l'introduzione di alcuni farmaci per il corpo. La via sublinguale sfrutta la qualità altamente vascolare della cavità orale e consente la rapida applicazione del farmaco nel sistema cardiovascolare, bypassando il tratto gastrointestinale.

Denti

Articolo principale: Denti

I denti (dente singolare) sono piccole strutture biancastre che si trovano nelle mascelle (o nelle bocche) di molti vertebrati che vengono utilizzati per strappare, raschiare, mungere e masticare il cibo.I denti non sono fatti di ossa, ma piuttosto di tessuti di diversa densità e durezza, come smalto, dentina e cemento. I denti umani hanno un apporto di sangue e nervi che consente la propriocezione. Questa è l'abilità della sensazione durante la masticazione, ad esempio se dovessimo mordere qualcosa troppo duro per i nostri denti, come una piastra scheggiata mescolata al cibo, i nostri denti mandano un messaggio al nostro cervello e ci rendiamo conto che non può essere masticato, quindi smettiamo di provare.

Le forme, le dimensioni e il numero dei tipi di denti degli animali sono correlati alla loro dieta. Ad esempio, gli erbivori hanno un numero di molari che vengono usati per macinare la materia vegetale, che è difficile da digerire. I carnivori hanno denti canini usati per uccidere e strappare carne.

raccolto

Una coltura, o groppa, è una porzione espansa a parete sottile del tubo digerente utilizzato per la conservazione del cibo prima della digestione. In alcuni uccelli è una sacca espansa e muscolosa vicino all'esofago o alla gola. Nelle colombe e colombi adulti, la coltura può produrre latte raccolto per nutrire gli uccelli appena nati.[14]

Alcuni insetti possono avere una coltura o esofago ingrandito.

Illustrazione approssimativa di un sistema digestivo dei ruminanti

abomasum

Articolo principale: Abomasum

Gli erbivori hanno sviluppato cecum (o un abomaso nel caso dei ruminanti). I ruminanti hanno uno stomaco anteriore con quattro camere. Questi sono rumine, reticolo, omaso e abomaso. Nelle prime due camere, il rumine e il reticolo, il cibo viene mescolato con la saliva e si separa in strati di materiale solido e liquido. I solidi si raggruppano insieme per formare il cud (o bolo). Il cud viene rigurgitato, masticato lentamente per miscelarlo completamente con la saliva e per abbattere le dimensioni delle particelle.

Le fibre, in particolare la cellulosa e l'emi-cellulosa, sono principalmente suddivise in acidi grassi volatili, acido acetico, acido propionico e acido butirrico in queste camere (il reticolo-rumeno) dai microbi: (batteri, protozoi e funghi). Nell'omaso, l'acqua e molti degli elementi minerali inorganici vengono assorbiti nel flusso sanguigno.

L'abomaso è il quarto e ultimo compartimento dello stomaco nei ruminanti. È un equivalente vicino di uno stomaco monogastrico (ad es. Quelli umani o suini) e digesta viene elaborato qui più o meno allo stesso modo. Serve principalmente come sito per l'idrolisi acida di proteine ​​microbiche e dietetiche, preparando queste fonti proteiche per un'ulteriore digestione e assorbimento nell'intestino tenue. Digesta viene infine trasferito nell'intestino tenue, dove avviene la digestione e l'assorbimento delle sostanze nutritive. I microbi prodotti nel reticolo-rumen sono anche digeriti nell'intestino tenue.

Una mosca carnale "soffia una bolla", forse per concentrare il suo cibo facendo evaporare l'acqua

Comportamenti specializzati

Il rigurgito è stato menzionato sopra sotto l'abomaso e il raccolto, riferendosi al latte raccolto, una secrezione dal rivestimento del raccolto di piccioni e colombe con cui i genitori nutrono i loro piccoli con il rigurgito.[15]

Molti squali hanno la capacità di rovesciare lo stomaco e di estrarlo dalle loro bocche per liberarsi di contenuti indesiderati (forse sviluppato come un modo per ridurre l'esposizione alle tossine).

Altri animali, come conigli e roditori, praticano comportamenti coprophagia - mangiando feci specializzate per ri-digerire il cibo, specialmente nel caso di crusca. Capibara, conigli, criceti e altre specie affini non hanno un sistema digestivo complesso come, per esempio, i ruminanti. Invece estraggono più nutrimento dall'erba dando al loro cibo un secondo passaggio attraverso l'intestino. Le palline fecali molli di cibo parzialmente digerito vengono escreti e generalmente consumate immediatamente. Producono anche escrementi normali, che non vengono mangiati.

Giovani elefanti, panda, koala e ippopotami mangiano le feci della loro madre, probabilmente per ottenere i batteri necessari per digerire correttamente la vegetazione. Quando sono nati, i loro intestini non contengono questi batteri (sono completamente sterili). Senza di loro, non sarebbero in grado di ottenere alcun valore nutrizionale da molti componenti vegetali.

Nei lombrichi

Il sistema digerente di un lombrico è costituito da bocca, faringe, esofago, coltura, ventriglio e intestino. La bocca è circondata da labbra forti, che agiscono come una mano per afferrare pezzi di erba morta, foglie ed erbacce, con pezzi di terra per aiutare a masticare. Le labbra rompono il cibo in pezzi più piccoli. Nella faringe, il cibo viene lubrificato dalle secrezioni di muco per facilitare il passaggio. L'esofago aggiunge carbonato di calcio per neutralizzare gli acidi formati dalla decomposizione della sostanza alimentare. La conservazione temporanea avviene nella coltura dove si mescolano cibo e carbonato di calcio. I potenti muscoli del ventriglio agitano e mescolano la massa di cibo e sporcizia. Quando la zangolatura è completa, le ghiandole nelle pareti del ventriglio aggiungono enzimi alla pasta densa, che aiuta a rompere chimicamente la materia organica. Dalla peristalsi, la miscela viene inviata nell'intestino dove batteri amici continuano la disgregazione chimica. Questo rilascia carboidrati, proteine, grassi e varie vitamine e minerali per l'assorbimento nel corpo.

Panoramica della digestione dei vertebrati

Nella maggior parte dei vertebrati, la digestione è un processo multistadio nel sistema digestivo, a partire dall'ingestione di materie prime, più spesso altri organismi. L'ingestione di solito comporta un qualche tipo di lavorazione meccanica e chimica. La digestione è suddivisa in quattro passaggi:

  1. Ingestione: immissione del cibo in bocca (entrata del cibo nell'apparato digerente),
  2. Rottura meccanica e chimica: masticazione e miscelazione del bolo risultante con acqua, acidi, bile ed enzimi nello stomaco e nell'intestino per abbattere molecole complesse in strutture semplici,
  3. Assorbimento: dei nutrienti dall'apparato digerente ai vasi capillari circolatori e linfatici per osmosi, trasporto attivo e diffusione, e
  4. Egestion (escrezione): rimozione di materiali non digeriti dal tratto digestivo attraverso la defecazione.

Alla base del processo c'è il movimento muscolare attraverso il sistema attraverso la deglutizione e la peristalsi. Ogni fase della digestione richiede energia e quindi impone una "carica ambientale" all'energia resa disponibile dalle sostanze assorbite. Le differenze in quel costo generale sono importanti influenze sullo stile di vita, sul comportamento e persino sulle strutture fisiche. Gli esempi possono essere visti negli esseri umani, che differiscono considerevolmente dagli altri ominidi (mancanza di capelli, mascelle e muscolatura più piccoli, dentatura diversa, lunghezza dell'intestino, cottura, ecc.).

La maggior parte della digestione avviene nell'intestino tenue. L'intestino crasso serve principalmente come sito per la fermentazione di materiale indigeribile dai batteri intestinali e per il riassorbimento di acqua dai digestivi prima dell'escrezione.

Nei mammiferi, la preparazione per la digestione inizia con la fase cefalica in cui la saliva viene prodotta in bocca e gli enzimi digestivi sono prodotti nello stomaco. La digestione meccanica e chimica inizia nella bocca dove il cibo viene masticato e mescolato con la saliva per iniziare la lavorazione enzimatica degli amidi. Lo stomaco continua a rompere il cibo meccanicamente e chimicamente attraverso la zangolatura e la miscelazione con entrambi gli acidi e gli enzimi. L'assorbimento avviene nello stomaco e nel tratto gastrointestinale e il processo termina con la defecazione.[1]

Processo di digestione umana

Articolo principale: Sistema digestivo umano
Tratto gastrointestinale umano superiore e inferiore

Il tratto gastrointestinale umano è lungo circa 9 metri. La fisiologia della digestione alimentare varia tra individui e altri fattori come le caratteristiche del cibo e le dimensioni del pasto, e il processo di digestione richiede normalmente tra 24 e 72 ore.[16]

La digestione inizia in bocca con la secrezione di saliva e i suoi enzimi digestivi. Il cibo è formato in un bolo dalla masticazione meccanica e inghiottito nell'esofago da dove penetra nello stomaco attraverso l'azione della peristalsi. Il succo gastrico contiene acido cloridrico e pepsina che danneggiano le pareti dello stomaco e il muco viene secreto per la protezione. Nello stomaco l'ulteriore rilascio di enzimi abbatte ulteriormente il cibo e questo è combinato con l'azione di zangolatura dello stomaco. Il cibo parzialmente digerito entra nel duodeno come un denso chimo semi-liquido. Nell'intestino tenue avviene la maggior parte della digestione e questo è aiutato dalle secrezioni di bile, succo pancreatico e succo intestinale. Le pareti intestinali sono rivestite con villi e le loro cellule epiteliali sono coperte da numerosi microvilli per migliorare l'assorbimento dei nutrienti aumentando la superficie dell'intestino.

Nell'intestino crasso il passaggio del cibo è più lento per consentire la fermentazione della flora intestinale. Qui l'acqua viene assorbita e il materiale di scarto viene immagazzinato come feci da rimuovere mediante la defecazione attraverso il canale anale e l'ano.

Meccanismi di controllo neurali e biochimici

Le diverse fasi della digestione avvengono tra cui: la fase cefalica,