Gli esseri viventi affrontano ambienti mutevoli e talvolta ostili, in cui alcune condizioni esterne cambiano lentamente, altre drasticamente. Ad esempio, la temperatura cambia rapidamente su un terreno esposto alla luce solare diretta, ma la temperatura dell’acqua esposta alla luce solare cambia molto lentamente. In che modo gli organismi rispondono ai cambiamenti ambientali? Un animale che è in grado di mantenere un ambiente interno costante, permettendogli di continuare normali attività più o meno qualunque siano le condizioni esterne, è noto come regolatore. Ad esempio, i mammiferi e gli uccelli mantengono una temperatura corporea elevata e quasi costante in un intervallo molto ampio di temperature esterne. I loro corpi hanno circa la temperatura ottimale per la maggior parte degli enzimi che guidano il loro metabolismo. I loro muscoli si contraggono in modo efficiente e il sistema nervoso coordina le risposte con precisione, anche quando le condizioni esterne sono sfavorevoli. Sono spesso in grado di evitare il pericolo e forse possono anche trarre vantaggio dalla vulnerabilità degli organismi preda che sono non regolatori. Quindi i regolatori possono avere maggiore libertà nella scelta di dove vivere. Possono sfruttare più habitat con condizioni diverse rispetto ai non regolatori (Fig. 54.01).

L’ omeostasi è il nome di questa capacità di mantenere un ambiente interno costante. L’ambiente interno è costituito dal sangue che circola nel corpo e dal fluido che circola tra le cellule (fluido tissutale che si forma dal plasma sanguigno), fornendo sostanze nutritive e rimuovendo i prodotti di scarto durante il bagno delle cellule. I mammiferi sono ottimi esempi di animali che mantengono condizioni interne notevolmente costanti. Regolano con successo il pH del sangue, le concentrazioni di ossigeno e anidride carbonica, la glicemia, la temperatura corporea e l’equilibrio idrico a livelli costanti o entro limiti ristretti

Il meccanismo dell’omeostasi

Nei mammiferi, la regolazione della temperatura corporea, il livello di zucchero e la quantità di acqua e ioni nel sangue e nei fluidi tissutali (osmoregolazione) sono regolati da un feedback negativo preciso. Il principio del feedback negativo è un meccanismo in cui le condizioni vengono riportate ad un valore prefissato non appena viene rilevato che si sono discostate da esso.  Per avere un’idea questo tipo di meccanismo pensiamo ad uno scaldabagno: un dispositivo rivelatore misura il valore della variabile (temperatura d’acqua nel bagno) e trasmette queste informazioni a un’unità di controllo. L’ unità di controllo confronta i dati del rilevatore con un valore preimpostato (la temperatura dell’acqua desiderata del bagnomaria). Quando il valore del rilevatore è inferiore al valore richiesto, l’unità di controllo attiva un dispositivo effettore (uno scaldabagno nel bagno) in modo che la temperatura inizi a salire. Quando i dati del rilevatore registrano nell’unità di controllo che l’acqua ha raggiunto la temperatura impostata, l’unità di controllo disattiva la risposta (lo scaldabagno). La precisione con cui viene mantenuta la variabile dipende dalla sensibilità del rilevatore. Nel corpo umano i rilevatori sono cellule specializzate nel cervello o in altri organi, come il pancreas. Gli effettori sono organi come la pelle, il fegato e i reni. Le informazioni passano tra di loro tramite i nervi del sistema nervoso o tramite gli ormoni (il sistema endocrino), o entrambi. Il risultato è un ambiente interno Quindi, Sia il sistema nervoso che il sistema endocrino sono coinvolti nell’omeostasi. Il sistema endocrino è costituito da ghiandole endocrine prive di dotti, che rilasciano diversi ormoni (Fig.54.05). Gli ormoni circolano nel flusso sanguigno, ma ciascuno
di essi è un messaggero chimico che agisce solo sul metabolismo di specifiche cellule bersaglio.(Fig.54.06).

La regolazione della glicemia

Negli esseri umani, il livello normale di glucosio nel sangue è di circa 90 mg di glucosio ogni 100 cm3 di sangue, ma può variare. Ad esempio, durante un periodo prolungato senza cibo o dopo un’attività fisica prolungata e intensa, la glicemia può scendere fino a 70 mg. Dopo che un pasto ricco di carboidrati è stato digerito, la glicemia può salire a 150 mg. Il mantenimento di un livello costante di glucosio nel plasma sanguigno è importante per due ragioni.

1) Per mantenere il loro metabolismo, le cellule hanno bisogno di un apporto regolare di glucosio, che può essere rapidamente assorbito attraverso la membrana cellulare.

2) Il glucosio è il principale substrato respiratorio per molti tessuti.

 La maggior parte delle cellule (comprese le cellule muscolari) conserva riserve sotto forma di glicogeno che viene rapidamente convertito in glucosio durante l’attività fisica prolungata. Tuttavia, le riserve di glicogeno possono essere esaurite rapidamente. Nel cervello, il glucosio è l’unico substrato che le cellule possono utilizzare e, qui, non c’è riserva di glicogeno. Se la nostra glicemia scende al di sotto di 60 mg per 100 cm3, abbiamo una condizione chiamata ipoglicemia. Se questo non venisse rapidamente annullato, potremmo svenire. Se il corpo e il cervello continuano a essere privati di adeguati livelli di glucosio, seguono convulsioni e coma. Anche una concentrazione anormalmente elevata di glucosio nel sangue, nota come iperglicemia, è un problema. Poiché l’elevata concentrazione di qualsiasi metabolita solubile abbassa il potenziale idrico del plasma sanguigno, l’acqua viene prelevata dalle cellule e dal fluido tissutale per osmosi, nuovamente nel sangue. All’aumentare del volume del sangue, l’acqua viene escreta dal rene per mantenere la corretta concentrazione di sangue. Di conseguenza, il corpo tende a disidratarsi e il sistema circolatorio viene privato di liquidi. In definitiva, la pressione sanguigna non può essere mantenuta. Allora interviene il pancreas che oltre a produrre enzimi digestivi, che riversa nell’intestino tenue, produce ormoni idrosolubili che servono al corpo per regolare il metabolismo del glucosio. I due ormoni prodotti dal pancreas sono l’insulina e il metadone, che sono antagonisti, che agiscono in maniera opposta in un circuito a feedback. Insieme questi 2 ormoni contribuiscono al mantenimento dell’omeostasi, facendo sì che la concentrazione di glucosio nel sangue rimanga relativamente costante. Dopo la digestione dei carboidrati nell’intestino, il glucosio viene assorbito attraverso le cellule epiteliali dei villi nella vena porta epatica. Il sangue che trasporta il glucosio raggiunge prima il fegato. Se il livello di glucosio è troppo alto, il glucosio viene prelevato dal sangue e immagazzinato come glicogeno. Nonostante questa azione, il sangue che circola nel corpo subito dopo un pasto ha un livello elevato di glucosio. A livello del pancreas, la presenza di un eccesso di glucosio nel sangue viene rilevata da cellule note come isole di Langerhans (Fig.54.04). Queste isole sono ghiandole che secernono ormoni; hanno una ricca rete capillare, ma nessun dotto che porterebbe via le secrezioni. Invece, i loro ormoni vengono trasportati in tutto il corpo dal sangue. Le isole di Langerhans contengono due tipi di cellule, cellule ÿ e cellule ÿ. Un aumento del livello di glucosio nel sangue stimola le cellule ÿ, che secernono l’ormone insulina nella rete capillare. L’insulina provoca l’assorbimento del glucosio nelle cellule di tutto il corpo, ma soprattutto da parte del fegato e delle fibre muscolari scheletriche (Fig.54.04). Aumenta anche la velocità con cui il glucosio viene utilizzato nella respirazione, preferendo substrati alternativi (come il grasso). Un altro effetto dell’insulina è quello di innescare la conversione del glucosio in glicogeno nelle cellule (glicogenesi), e del glucosio in acidi grassi e grassi, e infine la deposizione di grasso intorno al corpo. Quando il livello di glucosio nel sangue torna alla normalità, questo viene rilevato nelle isole di Langerhans e le cellule ÿ interrompono la secrezione di insulina. Nel frattempo, l’ormone viene escreto dai tubuli renali e il livello di insulina nel sangue diminuisce. Quando il livello di glucosio nel sangue scende al di sotto del normale, le cellule ÿ del pancreas secernono un ormone chiamato glucagone. Questo ormone attiva gli enzimi che convertono il glicogeno e gli amminoacidi in glucosio (gluconeogenesi)( Fig.54.04).

Il controllo della temperatura

La temperatura corporea è monitorata e controllata dall’ipotalamo nel cervello. Il ‘set point’ per la temperatura corporea è 36,7 °C. L’ipotalamo risponde agli impulsi nervosi dei recettori della pelle e anche ai cambiamenti della temperatura interna del corpo( Fig.54.06.) Se la temperatura corporea oscilla al di
sopra o al di sotto del set point, l’ipotalamo coordina le risposte per riportarla alla normalità. Questo è un altro esempio di feedback negativo. I messaggi nervosi vengono trasportati dall’ipotalamo agli organi che determinano il riscaldamento o il raffreddamento del corpo. La tabella elenca alcune delle risposte del corpo ai cambiamenti di temperatura.

Leptina e controllo dell’appetito La leptina è un ormone proteico importante nella regolazione dell’assunzione e del dispendio energetico, compreso l’appetito e il metabolismo. La leptina umana è una proteina di 167 aminoacidi. È prodotto principalmente dalle cellule del tessuto adiposo bianco (grasso) e il livello di leptina circolante è direttamente proporzionale alla quantità totale di grasso nel corpo. Può anche essere prodotto dal tessuto adiposo bruno, dalle cellule della placenta, dalle ovaie, dal muscolo scheletrico e dalle cellule gastriche dello stomaco. La leptina agisce sui recettori dell’ ipotalamo che stimolano l’alimentazione e inibisce l’appetito: può contrastare gli effetti delle sostanze chimiche secrete dall’intestino e promuovere la sintesi di ÿ-MSH, un soppressore dell’appetito a lungo termine.

Melatonina e controllo dei ritmi circadiani La melatonina è un ormone prodotto dalla ghiandola pineale, una ghiandola delle dimensioni di un pisello situata appena sopra la metà del cervello. Una delle principali influenze della melatonina è quella di mantenere i ritmi circadiani del corpo e in particolare i cicli sonno-veglia. Un fattore vitale nella regolazione del sonno umano è l’esposizione alla luce o al buio. L’esposizione alla luce stimola un percorso nervoso dalla retina nell’occhio all’ipotalamo. Le cellule

dell’ipotalamo (il nucleo soprachiasmatico, SCN) inviano segnali a parti del cervello che controllano gli ormoni, la temperatura corporea e altre funzioni che hanno un ruolo nelle nostre sensazioni di sonno o veglia. L’SCN produce un segnale che può mantenere il corpo su un ciclo di attività di circa 24 ore. Ma l'”orologio interno” non è esattamente impostato su 24 ore e gli indizi ambientali, il più importante dei quali è la luce, sono necessari per reimpostare l’orologio ogni mattina e mantenere una persona al passo con il proprio ambiente esterno. Durante il giorno la ghiandola pineale è inattiva, ma durante le ore di oscurità viene “accesa” dal SCN e inizia a produrre melatonina, che viene rilasciata nel sangue. L’aumento
dei livelli di melatonina causa i nostri sentimenti di sonnolenza. Il livello di melatonina rimane alto per circa 12 ore fino al mattino seguente, quando la luce la fa scendere a un livello minimo nel sangue .Anche se la ghiandola pineale viene stimolata, non produrrà melatonina a meno che una persona non si trovi in un ambiente scarsamente illuminato, anche l’illuminazione interna artificiale può essere abbastanza luminosa da impedire il rilascio di melatonina. Anche la quantità di melatonina rilasciata durante la notte varia da individuo a individuo, ma in media i bambini secernono più melatonina rispetto agli adulti

Jet lag Il jet lag è causato dall’interruzione dei ritmi giorno-notte del corpo causati da viaggi a lunga
distanza e dall’arrivo in un nuovo fuso orario. Dopo un lungo viaggio, gli schemi giorno-notte
potrebbero non corrispondere più al nuovo ambiente e alcune persone hanno bisogno di molti
giorni per adattarsi .Il jet lag sconvolge l’orologio biologico perché i modelli previsti di luce e oscurità non sono allineati. La luce è lo stimolo più forte per il modello sonno-veglia, quindi il jet lag può essere
controllato evitando la luce intensa in modo che l’orologio biologico venga ripristinato. Le
compresse di melatonina vengono talvolta utilizzate per regolare l’orologio biologico di una
persona, ma l’efficacia di questi trattamenti non è dimostrata. L’effetto della melatonina può essere molto breve e non è facile determinare le dosi e i tempi corretti per assumere l’ormone. La melatonina non è approvata per la vendita in alcuni paesi. Negli Stati Uniti si può acquistare in farmacia, ma in altri paesi è disponibile solo con prescrizione medica.

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