Uno dei temi fondamentali della biologia è che la struttura determina la funzione; il modo in cui qualcosa è organizzato gli permette di svolgere un lavoro specifico. Lo vediamo a tutti i livelli della gerarchia dell’organizzazione biologica, dagli atomi alla biosfera. Diamo un’occhiata ad alcuni esempi in cui la struttura determina la funzione.

• Livello molecolare – proteine. La forma (struttura) di una proteina determina la sua funzione. Per esempio, ci sono due forme di base per le proteine: fibrosa e globulare (rotonda). Le proteine fibrose, come il collagene (Figura 18.1), hanno la forma di una corda e danno forza alla nostra pelle per evitare che si strappi. Le proteine fibrose sono proteine strutturali perché aiutano a dare forma e a sostenere la pelle. Le proteine globulari, come l’emoglobina (Figura 18.2), sono usate per trasportare l’ossigeno nel sangue. Altri esempi di proteine globulari che hanno diverse funzioni sono gli enzimi (catalizzano o accelerano le reazioni chimiche nel corpo) e le proteine della membrana plasmatica (possono trasportare sostanze attraverso la membrana cellulare, giocare un ruolo nella comunicazione cellulare, agire come enzimi, o aiutare a identificare la cellula con il resto del corpo).

• Livello cellulare – cellule muscolari scheletriche. La struttura delle cellule muscolari scheletriche permette loro di avere la funzione di contrazione, che ci permette di muoverci. Per esempio, le cellule muscolari scheletriche che compongono il muscolo bicipite brachiale sono attaccate alle due estremità dell’osso omero da tendini e sono piene di proteine contrattili (actina e miosina) (Figura 18.3). Quando le proteine contrattili si contraggono, accorciano la cellula muscolare, che quindi tira le estremità dell’omero e permette di flettere l’avambraccio (Figura 18.4).

• Livello individuale (anatomia e fisiologia). Nello studio degli esseri umani, l’anatomia è lo studio della struttura del corpo (es. dove si trova il muscolo quadricipite) e la fisiologia è lo studio di come funziona il corpo (es. come si contrae il muscolo quadricipite). Diamo un’occhiata all’anatomia del cuore, che determina la funzione del cuore. Il cuore è composto da quattro camere cave (atri e ventricoli) ed è fatto di cellule muscolari cardiache (Figura 18.5). Questa struttura permette al cuore di avere la funzione di pompare il sangue nel corpo. Se la struttura del cuore cambia (ad esempio, alcune delle camere cardiache si allungano o si dilatano), allora la funzione del cuore diminuisce perché il cuore non può più pompare tanto sangue, cosa che alla fine causerà un’insufficienza cardiaca congestizia.

• Livello di ecosistema. Un ecosistema consiste in una comunità di tutte le diverse specie che vivono in una particolare area geografica, così come tutti i componenti non viventi (es. acqua, sabbia, luce, ossigeno). Se guardiamo la struttura di un ecosistema di barriera corallina, vediamo che i coralli, che sono la specie di base, forniscono protezione e habitat per altre specie (Figura 18.6). La barriera corallina protegge altre specie, come i pesci, dalle onde e dalle correnti oceaniche e dà loro un posto per nascondersi dai predatori.

10.2 Tipi di tessuto umano

Il termine tessuto è usato per descrivere un gruppo di cellule simili che si trovano insieme nel corpo e che agiscono insieme per svolgere funzioni specifiche. Dal punto di vista evolutivo, i tessuti appaiono negli organismi più complessi.

Anche se ci sono molti tipi di cellule nel corpo umano, esse sono organizzate in quattro categorie di tessuti: epiteliale, connettivo, muscolare e nervoso. Ognuna di queste categorie è caratterizzata da funzioni specifiche che contribuiscono alla salute generale e al mantenimento del corpo. Un’alterazione della struttura di un tessuto è un segno di lesione o di malattia. Tali cambiamenti possono essere rilevati attraverso l’istologia, lo studio al microscopio dell’aspetto, dell’organizzazione e della funzione dei tessuti.

I quattro tipi di tessuto

Il tessuto epiteliale, chiamato anche epitelio, si riferisce ai fogli di cellule che coprono le superfici esterne del corpo, rivestono cavità interne e passaggi, e formano alcune ghiandole. Esempi di tessuto epiteliale sono la pelle, le membrane mucose, le ghiandole endocrine e le ghiandole sudoripare. Il tessuto connettivo, come implica il suo nome, lega insieme le cellule e gli organi del corpo e funziona nella protezione, supporto e integrazione di tutte le parti del corpo. Il tessuto connettivo è vario e comprende ossa, tendini, legamenti, cartilagine, grasso e sangue. Il tessuto muscolare è eccitabile, risponde alla stimolazione e si contrae per fornire il movimento, e si presenta in tre tipi principali: muscolo scheletrico (volontario), muscolo liscio e muscolo cardiaco nel cuore. Anche il tessuto nervoso è eccitabile, permettendo la propagazione di segnali elettrochimici sotto forma di impulsi nervosi che comunicano tra diverse regioni del corpo (Figura 18.7).

Il livello successivo di organizzazione è l’organo, dove due o più tipi di tessuti si uniscono per svolgere funzioni specifiche. Proprio come conoscere la struttura e la funzione delle cellule vi aiuta nello studio dei tessuti, la conoscenza dei tessuti vi aiuterà a capire come funzionano gli organi.

Figura 10.7 Quattro tipi di tessuto: Corpo I quattro tipi di tessuto sono esemplificati nel tessuto nervoso, nel tessuto epiteliale squamoso stratificato, nel tessuto muscolare cardiaco e nel tessuto connettivo dell’intestino tenue. In senso orario dal tessuto nervoso, LM × 872, LM × 282, LM × 460, LM × 800. (Micrografie fornite dai Reggenti della University of Michigan Medical School © 2012)

10.3 Sistemi di organi umani

Un sistema di organi è un gruppo di organi che lavorano insieme per svolgere le funzioni principali o soddisfare le esigenze fisiologiche del corpo. La figura 18.8 mostra gli undici sistemi di organi distinti nel corpo umano. Assegnare gli organi ai sistemi di organi può essere impreciso poiché gli organi che “appartengono” a un sistema possono anche avere funzioni integranti di un altro sistema. Infatti, la maggior parte degli organi contribuisce a più di un sistema. In questo corso, discuteremo alcuni, ma non tutti questi sistemi di organi.

La tabella 10.1 sotto elenca gli 11 sistemi di organi, i loro componenti e le loro funzioni.

10.4 Omeostasi

Prima di passare a discutere i singoli sistemi di organi, è importante rivedere il concetto di omeostasi. L’omeostasi si riferisce al mantenimento di uno stato relativamente stabile all’interno del corpo. Gli organi umani e i sistemi di organi si adattano costantemente ai cambiamenti interni ed esterni per mantenere questo stato stabile. Esempi di condizioni interne mantenute in omeostasi sono il livello di glucosio nel sangue, la temperatura corporea e il livello di calcio nel sangue. Queste condizioni rimangono stabili grazie al controllo del feedback negativo. Se il glucosio o il calcio nel sangue aumenta, questo invia un segnale agli organi responsabili dell’abbassamento del glucosio o del calcio nel sangue. I segnali che riportano la variabile al range normale (chiamato anche set point) sono esempi di feedback negativo. Quando i meccanismi omeostatici falliscono, la persona si ammala e potrebbe morire.

Controllo dell’omeostasi

Quando si verifica un cambiamento nell’ambiente di una persona, deve essere fatto un adattamento. Un recettore (spesso un neurone) percepisce il cambiamento nell’ambiente, poi invia un segnale al centro di controllo (nella maggior parte dei casi, il cervello) che a sua volta genera una risposta che viene segnalata a un effettore, che riporta la variabile regolata al range normale. L’effettore è un muscolo (che si contrae o si rilassa) o una ghiandola che secerne. L’omeostasi è mantenuta da cicli di feedback negativo. I cicli di feedback positivi in realtà spingono l’organismo più lontano dall’omeostasi, ma possono essere necessari per la vita. L’omeostasi è controllata dai sistemi nervoso ed endocrino.

Meccanismi di feedback negativo

Qualunque processo omeostatico che cambia la direzione dello stimolo verso la gamma normale è un ciclo di feedback negativo. Può aumentare o diminuire lo stimolo, ma lo stimolo non può continuare come prima che il recettore lo percepisse. In altre parole, se un livello è troppo alto, il corpo fa qualcosa per abbassarlo, e viceversa, se un livello è troppo basso, il corpo fa qualcosa per farlo salire. Da qui il termine feedback negativo. Un esempio è il mantenimento dei livelli di glucosio nel sangue. Dopo che una persona ha mangiato, i livelli di glucosio nel sangue aumentano. Cellule specializzate nel pancreas lo percepiscono, e l’ormone insulina viene rilasciato dal sistema endocrino. L’insulina fa diminuire i livelli di glucosio nel sangue, come ci si aspetterebbe in un sistema di feedback negativo, come illustrato nella Figura 18.9. Tuttavia, se una persona non ha mangiato e i livelli di glucosio nel sangue diminuiscono, questo viene percepito da un altro gruppo di cellule nel pancreas, e l’ormone glucagone viene rilasciato causando un aumento dei livelli di glucosio. Questo è ancora un ciclo di feedback negativo, ma non nella direzione prevista dall’uso del termine “negativo”. I cicli di feedback negativo sono il meccanismo predominante usato per mantenere l’omeostasi.

Figura 10.9 I livelli di glucosio nel sangue sono controllati da un ciclo di feedback negativo. (credito: modifica del lavoro di Jon Sullivan)

Thermoregulation

Un altro esempio dell’uso del feedback negativo per mantenere l’omeostasi è la termoregolazione. Gli animali, come l’uomo, che mantengono una temperatura corporea costante di fronte alle diverse temperature ambientali, sono chiamati endotermi. Siamo in grado di mantenere questa temperatura generando calore interno (un prodotto di scarto delle reazioni chimiche cellulari del metabolismo) che mantiene i processi cellulari in funzione in modo ottimale anche quando l’ambiente è freddo.

I termorecettori (fatti di neuroni) negli organi interni, nella spina dorsale e nel cervello inviano informazioni sulla temperatura del corpo al centro di controllo nell’ipotalamo nel cervello. L’ipotalamo agisce come termostato del corpo e può alzare o abbassare la temperatura corporea per mantenerla nell’intervallo normale (circa 98,6 ºF o 37 ºC). Se la temperatura corporea è al di sopra dell’intervallo normale, l’ipotalamo invia segnali alle ghiandole sudoripare per causare la sudorazione e al muscolo liscio intorno ai vasi sanguigni della pelle per causare la vasodilatazione. La vasodilatazione, l’apertura delle arterie verso la pelle tramite il rilassamento dei loro muscoli lisci, porta più sangue e calore alla superficie del corpo, facilitando la perdita di calore e raffreddando il corpo. Al contrario, se la temperatura corporea è al di sotto dell’intervallo normale, l’ipotalamo dirà ai muscoli scheletrici di contrarsi per provocare un brivido, che genererà calore corporeo. I segnali sono anche inviati alla muscolatura liscia intorno ai vasi sanguigni della pelle per causare la vasocostrizione. La vasocostrizione, il restringimento dei vasi sanguigni verso la pelle tramite la contrazione della loro muscolatura liscia, riduce il flusso di sangue nei vasi sanguigni periferici, forzando il sangue verso il nucleo e gli organi vitali, conservando il calore.

La gamma normale (set point) per la temperatura corporea può essere modificata durante un’infezione. Alcune cellule del sistema immunitario rilasciano sostanze chimiche chiamate pirogeni, che inducono l’ipotalamo a reimpostare la gamma normale della temperatura corporea ad un valore più alto, con conseguente febbre. L’aumento del calore corporeo rende il corpo meno ottimale per la crescita batterica e aumenta le attività delle cellule del sistema immunitario in modo che siano meglio in grado di combattere l’infezione.

Feedback positivo

Un ciclo di feedback positivo spinge la variabile regolata più lontano dal range normale. Il feedback positivo non è usato spesso nel corpo, ma è usato nella coagulazione del sangue, negli starnuti e nella generazione di segnali nervosi. Un altro esempio di feedback positivo sono le contrazioni uterine durante il parto, come illustrato nella Figura 18.11. L’ormone ossitocina, prodotto dal sistema endocrino, stimola la contrazione dell’utero. Questo spinge la testa del bambino verso la cervice, allungandola. La cervice stirata invia un segnale alla ghiandola pituitaria nel cervello per rilasciare più ossitocina. L’aumento dell’ossitocina causa contrazioni uterine più forti, che spingono il bambino più in là nella cervice, allungandola di più. L’aumento del rilascio di ossitocina, le contrazioni uterine più forti e l’ulteriore stiramento della cervice continuano finché il bambino non viene partorito e il ciclo di feedback positivo si spegne perché la cervice non viene più stirata così tanto.

Figura 10.11 La nascita di un neonato umano è il risultato del feedback positivo. (credito: Openstax Biology 2e)

Adattato da Openstax Human Biology e Biology 2e