Le cellule eterotrofe assumono il nutrimento in due modi diversi:
Il modo più arcaico e più diretto consiste nell'assorbire molecole semplici per diffusione attraverso gli involucri della cellula; in tal caso si parla di osmotrofia. L'altro modo consiste nell'avviluppare le particelle nutritive solide o semisolide con prolungamenti del citoplasma e di imprigionarle quindi entro
vacuoli alimentari ove vengono riversati anche gli enzimi che le digeriranno. In tal caso si parla di
fagocitosi o di fagotrofia.
Si nutrono per
osmotrofia Batteri, Funghi, e parte dei Protisti.
Si nutrono per
fagocitosi la maggior parte dei Protisti eterotrofi, privi di
parete cellulare, non i vegetali superiori che introducono i gas attraverso gli stomi e i sali nutritivi
attraverso le radici. Negli Animali esiste, salvo rare eccezioni, un apparato digerente in cui il cibo viene immagazzinato e sminuzzato. In parecchi Invertebrati le fini particelle vengono poi fagocitate e digerite, o dalle cellule dell'intestino, o da cellule di apposite ghiandole digestive. In altri Invertebrati e nei Vertebrati, invece, vengono riversati nel tubo digerente adatti enzimi che disfano mediante
idrolisi il materiale ingerito: prima i tessuti e le cellule e quindi le grosse molecole che li compongono; le micromolecole così prodotte vengono quindi assorbite per osmotrofia.
Digestione
Da un punto di vista chimico la digestione segue uno schema uniforme: il materiale organico, grazie all'intervento di enzimi, viene degradato a molecole più semplici, con liberazione di acqua Ad esempio: l'amido
viene scisso prima in maltosio (un disaccaride) e quindi questo viene scisso in glucosio; le catene polipeptidiche vengono dapprima tagliate in segmenti piuttosto lunghi e quindi smontate nei singoli amminoacidi; i lipidi stessi vengono scissi nei loro componenti, glicerina e acidi grassi, eventualmente anche acido ortofosforico .
Provvedono alla digestione enzimi idrolitici altamente specifici, nel senso che ciascuno di essi opera su un solo tipo di molecole e un solo tipo di legame.
Tanto i legami eterei dei
polisaccaridi, quanto i
legami peptidici delle proteine, quanto i
legami fosfoesterei dei polinucleotidi vengono scissi mediante introduzione dei componenti dell'acqua (-H e -OH) in corrispondenza del legame covalente. Allo stesso
modo vengono scissi dalle lipasi i legami che tengono unite le molecole che compongono i lipidi.
Pochi organismi, forse nessuno, sono forniti di tutti gli enzimi idonei a digerire qualunque sostanza organica. In particolare la massima parte degli animali è priva degli enzimi che digeriscono la cellulosa, materiale organico
abbondantissimo ovunque. Molti funghi e batteri dispongono invece di questi enzimi, ma non possono digerire altri substrati che vengono facilmente digeriti da microorganismi di specie diversa o da organismi superiori.
Assorbimento negli organismi autotrofi
Alghe e batteri si riforniscono dell'anidride carbonica necessaria alla fotosintesi assorbendo quella che è disciolta nell'acqua in cui vivono. L'azoto necessario alla sintesi degli amminoacidi e dei nucleotidi lo ricavano da ioni NO- , NO2 - , NH4 + disciolti nell'acqua, ma alcuni anche dalle molecole biatomiche (N2 ).
Le piante superiori, che vivono in ambiente terrestre assumono attraverso gli stomi l'anidride carbonica gassosa disciolta nell'atmosfera e assorbono attraverso le radici l'acqua e i sali di cui hanno bisogno.
La chimica della digestione è stata chiarita fin dall'Ottocento, ma la comprensione dei processi che hanno luogo nel corso dell'assimilazione è stata possibile solo quando nella seconda metà del '900 la chimica biologica ha compiuto grandi progressi.
Da un punto di vista puramente chimico l'assimilazione è il processo inverso della
digestione: le micromolecole - cioè monosaccaridi, amminoacidi, nucleotidi - vengono montate mediante l'eliminazione dei componenti dell'acqua (-H e -OH) in modo da formare di nuovo molecole composite o
polimeri. Ma la semplice reazione chimica non spiega come si formano le proteine e gli acidi nucleici necessari all'organismo e del tipo che gli sono esclusivi: per
una esauriente comprensione della assimilazione occorre tener conto dei programmi che vengono utilizzati per la sintesi di queste molecole che vengono dette appunto 'informazionali'.
Da questo punto di vista il processo può essere chiarito con un esempio: quando in tipografia il compositore disfa una pagina di 'piombo' rimettendo ciascun carattere mobile nella sua casella, e poi compone un'altra pagina usando i medesimi caratteri, egli ripete
le stesse mosse all'incontrario, ma ha per guida un programma diverso da quello che preesisteva: è l'esecuzione di questo nuovo programma che conta molto di più della semplice azione di disporre le lettere in fila. Altrettanto vale per i processi che portano alla formazione di
polimeri simili a quelli che son
propri dell'organismo.
I programmi che guidano la giusta collocazione di ciascun monomero lungo la catena delle macromolecole informazionali sono precostituiti nel patrimonio genetico.
A questo punto possiamo concludere provvisoriamente dicendo che: l'assimilazione è un processo chimico inverso alla digestione, realizzato, per quanto concerne le macromolecole 'non informazionali', soltanto da batterie di enzimi specifici per quella
reazione; realizzato invece, per quanto concerne le macromolecole 'informazionali', da batterie di enzimi che operano conformandosi a programmi genetici peculiari per ciascuna specie.
Sintesi delle micromolecole organiche
La cellula può assorbire per diffusione le piccole molecole che le sono necessarie: zuccheri, amminoacidi, acidi grassi, alcoli, eccetera, ma non sempre l'ambiente fornisce dette molecole o non le fornisce nelle quantità occorrenti. Provvedono allora,
caso per caso, i singoli apparati enzimatici preposti alla produzione di esse.
La biochimica ha insegnato molte cose in proposito: in qual modo un amminoacido viene tramutato in un altro, e quali enzimi ne catalizzano la trasformazione, in qual modo gli zuccheri vengono tramutati in grassi, in qual modo anidride carbonica ed acqua
vengono utilizzate nella sintesi del glucosio.
Non è il caso di addentrarsi qui nella descrizione, sia pure sommaria, dello sterminato ed efficientissimo laboratorio di sintesi organiche della cellula, ma a due cose va dato sin d'ora un particolare rilievo.
La prima è che tutte queste sintesi devono essere regolate in modo preciso, affinché non si verifichi mai l'esaurimento di un prodotto essenziale e non avvengano sprechi ed intasamenti. Ad esempio, i
quattro nucleotidi (A,C,G,T) necessari alla sintesi del DNA debbono essere presenti in quantità pressoché eguali, se uno manca o scarseggia, la replicazione del patrimonio genetico e quindi la riproduzione stessa vengono compromessi.
La seconda è che non tutti gli organismi sono in grado di sintetizzare tutte le specie di molecole organiche che occorrono al loro funzionamento e dipendono dall'ambiente per la loro fornitura.
Vitamine
e i composti affini
Tra gli organismi unicellulari (Batteri,
Funghi,
Protisti) molti sono quelli in grado di sintetizzare tutte le molecole occorrenti a partire da materiale inorganico e da una semplice
'fonte di carbonio ed energia' quale glucosio, glicerolo, acido acetico e via dicendo; gli organismi unicellulari autotrofi non hanno bisogno nemmeno di questa fonte, bastando loro la CO2 e la luce. A mano a mano che si sale nella scala evolutiva gli organismi eterotrofi perdono la capacità di sintetizzare un sempre maggior numero di micromolecole complicate. Il più delle volte - ma non sempre - si tratta di molecole che fungono da coenzimi, che cooperano cioè con proteine enzimatiche alla catalisi di reazioni organiche. Queste sostanze che non potendo essere sintetizzate devono essere assunte
dall'esterno, vengono chiamate vitamine.
La nozione di 'vitamina' è nata in rapporto alle esigenze alimentari dell'uomo, ma va tenuto presente che non tutto ciò che è indispensabile alla dieta umana lo è per altri organismi: molti mammiferi, ad esempio, tra cui il cane, non hanno bisogno di
Acido ascorbico (vitamina C), mentre a molti microorganismi è necessaria la Biotina che non occorre a molti organismi superiori. Va aggiunto che l'uomo e altri mammiferi non sono in grado di sintetizzare altre sostanze, quali gli acidi grassi insaturi e vari amminoacidi, che devono perciò assumere con i cibi. Queste sostanze non vengono ufficialmente annoverate tra le vitamine : è un'incongruenza derivata dal modo in cui certe nozioni si sono andate accumulando.
