Ordine Biologico ed Energetico con Bilanciamento dei Flussi Dinamici
Premessa
Le cellule non possono sottrarsi alle leggi della fisica e della chimica; le regole della meccanica, così come quelle che governano la conversione di una energia in un’altra, valgono per esse non meno che per la macchina a vapore.
È esperienza comune che qualunque cosa, lasciata a sé, finisce con il disordinarsi: gli edifici crollano, gli organismi morti vanno in putrefazione, e così via; questa tendenza universale si esprime nel secondo principio della termodinamica, il quale afferma che nell’ambito di un sistema isolato il grado di disordine può solamente aumentare.
L’enigma sta nell’ordine elevatissimo che presentano gli organismi viventi a tutti i livelli; un ordine che si impone all’evidenza nelle grandi strutture, come l’ala di una farfalla o l’occhio di un polipo, nelle strutture subcellulari come i mitocondri e le ciglia, nella forma e nella disposizione delle molecole donde tali strutture traggono corpo.
Ai fini termodinamici possiamo considerare la cellula e l’ambiente immediatamente circostante come un contenitore ermeticamente chiuso immerso in un mare uniforme di materia che rappresenta il resto dell’universo; per crescere e sostentarsi la cellula deve costantemente creare ordine dentro questo contenitore.
Anche se fra il contenitore e il mare che lo avvolge non è possibile scambiare molecole è però possibile scambiare calore e fra calore e ordine sussiste una relazione quantitativa; il calore è energia sotto forma di moto caotico delle molecole, e perciò rappresenta l’espressione più disordinata dell’energia medesima.
Nel corso delle reazioni chimiche l’energia non si può creare ne distruggere, e ciò vuol dire che alla perdita continua di calore che nella cellula pilota la produzione dell’ordine biologico, deve corrispondere l’assunzione, altrettanto continua, di energia dal di fuori.
Tale energia deve avere forma diversa da quella termica; per le piante l’energia deriva originariamente dalla radiazione elettromagnetica del sole, per gli animali da quella chimica accumulata nei legami covalenti delle molecole organiche che costituiscono il loro nutrimento; siccome queste stesse sostanze nutritive sono state prodotte da organismi
fotosintetici, è il sole la sorgente primaria di energia per entrambi i sistemi.
Si può ammettere che le cellule animali ricavino l’energia dagli elementi in tre tempi; nel primo proteine, polisaccaridi e grassi vengono demoliti da radiazioni extracellulari in molecole di piccola dimensione, nel secondo queste ultime subiscono all’interno delle cellule la degradazione ad Acetil-CoA e una limitata quantità di ATP e di NADH.
In assenza di ossigeno sono queste le sole reazioni capaci di liberare energia; nel corso del 3° tempo le molecole di Acetil-CoA subiscono all’interno dei mitocondri la degradazione a CO2 e ad atomi di idrogeno, i quali ultimi si legano a molecole vetrici come il NADH.
Gli elettroni provenienti dagli atomi di idrogeno passano attraverso una complessa catena di vettori che si conclude con la riduzione dell’ossigeno molecolare e la formazione di acqua; sotto l’impulso di energia liberatasi in queste fasi successive di trasferimento degli elettroni gli ioni idrogeno (H+) fuoriescono per trasporto dai mitocondri.
Il gradiente elettrochimico protonico che ne risulta entro la membrana mitocondriale interna viene imbrigliato a sua volta per pilotare la sintesi della maggior parte dell’ATP cellulare.
L’idrolisi di ATP si accoppia alle reazioni energeticamente sfavorite, quali la biosintesi delle macromolecole generalmente tramite la formazione di intermedi fosforati; altre molecole reattive, che fungono da vetrici e si dicono coenzimi, trasferiscono nel corso della biosintesi certi gruppi chimici: ad es. il NADPH trasferisce idrogeno sotto forma di protone più due elettroni (ione idruro), mentre l’Aceti-CoA trasferisce gruppi acetile.
Molecole polimere come le proteine e gli acidi nucleici vengono edificate, a partire da piccoli precursori attivati, mediante reiterate disidratazioni.
Il coordinamento del catabolismo e della biosintesi.
Una certa idea di quanto genialmente sia concepita la cellula come macchina chimica possiamo farcela osservando la figura sotto riportata, una mappa di un gran numero di percorsi enzimatici.
Le molte migliaia di reazioni chimiche che la cellula effettua simultaneamente sono tutte strettamente coordinate; in risposta alle variabili condizioni della cellula una serie di meccanismi di controllo regola l’attività degli enzimi chiave.
Una forma comunissima di regolazione è costituita dall’inibizione a feedback, velocemente reversibile, che il prodotto finale di un certo percorso metabolico esercita sul primo enzima della catena; una forma di regolazione più durevole è basata sulla modificazione chimica di un enzima ad opera di un altro, sovente per mezzo della fosforilazione.
Trasporti nella membrana cellulare.
Affinchè una cellula possa espletare la sua funzione deve necessariamente essere alimentata e ciò avviene tramite una complessa attività di trasporto dei fattori nutritizi; i quadri più adottati nella terminologia del trasporto verso la membrana cellulare sono fondamentalmente due:
Trasporti in forma libera, nei quali le particelle, anche durante la migrazione nello spessore della membrana, mantengono lo stato libero che esse hanno nella soluzione intra ed extra-cellulare.
I trasporti mediati, nei quali le particelle trasportate all’interno della membrana non sono più libere, ma combinate con le molecole del carrier a formare un complesso particella-carrier dal quale devono poi dissociarsi a trasporto avvenuto.
Il secondo criterio usato per distinguere i trasporti nella membrana cellulare tiene conto dell’origine dell’energia che sostiene il moto delle particelle nella membrana; anche in base a questo criterio i trasporti si possono distinguere in due classi:
1. Trasporti passivi, in cui le particelle, siano esse libere o legate a carrier, migrano nella membrana solo secondo gradiente perché mosse passivamente, come avviene nella diffusione, dalla dissipazione dell’energia del gradiente stesso. Questi trasporti sono anche detti equilibranti perché i loro flussi tendono a raggiungere l’equilibrio diffusionale e quindi la cancellazione dei gradienti; in questa classe di trasporti figura, accanto alla diffusione libera, anche la diffusione facilitata.
2. Trasporti attivi, in cui le particelle possono essere trasferite attivamente attraverso la membrana anche contro gradiente; ciò è possibile solo perché al sistema di trasporto viene fornita energia dal metabolismo cellulare, in alcuni casi direttamente (trasporti attivi primari) in altri indirettamente (trasporti attivi secondari).
Diffusione nella matrice fosfolipidica:
la diffusione delle particelle di una sostanza (i) attraverso la tela fosolipidica della membrana cellulare richiede necessariamente due fasi:
Ingresso delle particelle nella struttura lipidica della membrana cellulare, in pratica, la loro soluzione nella tela fosfolipidica membranale; questa fase sarà tanto più facile quanto maggiore è il coefficiente di ripartizione olio/acqua ( βi) della sostanza.
La loro successiva diffusione nello spessore della matrice lipidica fino a superarla; questa sarà tanto più facile, a parità di altri fattori, quanto maggiore è il coefficiente di diffusione (Dmi) della sostanza nei liquidi membranali.
Nel caso di una sostanza lipofila che possa attraversare una membrana plasmatica per diffusione della sua matrice lipidica, una corretta espressione del coefficiente di permeabilità (Pi) dovrà essere comprensivo dei due coefficienti: quello di ripartizione olio/acqua (βi) e quello di diffusione dei lipidi membranali (Dmi); per cui per uno spessore della membrana ∇x si avrà: Pi = Dmi βi/∇x
Le interazioni degli organismi viventi e l’ambiente terrestre sono molto complesse; ciascun organismo infatti scambia con l’ambiente energia e materia in vario modo secondo i momenti della sua esistenza ed inoltre, al suo interno, avvengono continuamente trasformazioni di energia.
Tutte queste trasformazioni interne di energia all’organismo mettono capo sempre alla cessione di energia all’ambiente (in forma di lavoro, di energia chimica contenuta in sostanze cedute); è allora evidente che ogni organismo, per compensare le proprie perdite e mantenere in pareggio il proprio bilancio energetico deve continuamente assumere energia dall’ambiente.
Nel corso delle trasformazioni che accompagnano i processi vitali, l’entropia nell’organismo (Sorg) può diminuire se aumenta il suo ordine interno o aumentare se l’ordine interno diminuisce; a queste variazioni dell’entropia, corrisponderanno variazioni in senso opposto all’energia libera interna dell’organismo, si avrà allora che:
- quando l’organismo si sviluppa e cresce, aumenta la sua energia interna, perché assume sostanze e quindi energia chimica (∆Uorg >0).
D’altro canto, con la biosintesi di molecole complesse che determina l’accrescimento, diminuisce l’entropia dell’organismo (∆Ssorg <0); cresce perciò la sua energia libera (∆Gorg >0). Ovviamente questa diminuzione dell’entropia e questo aumento dell’energia libera all’interno dell’organismo comporteranno un maggiore incremento dell’entropia e una maggiore diminuzione dell’energia libera nell’ambiente in cui l’organismo vive. - Quando, dopo essersi sviluppato, l’organismo mantiene costante la sua organizzazione e l’equilibrio dei suoi scambi con l’ambiente, resta invariata anche la sua energia interna (∆Uorg = 0). La sua entropia e la sua energia libera si mantengono perciò mediamente costanti (∆Sorg=0 e ∆Gorg=0), il che comporta un aumento della entropia e una diminuzione dell’energia libera dell’ambiente.
- Quando con la vecchiaia decade la sua organizzazione ed infine con la morte l’organismo si spegne, diminuisce la sua energia interna (∆Uorg<0), aumenta la sua entropia e diminuisce la sua energia libera (∆Sorg> 0 e ∆Gorg< 0), finche con la finale decomposizione del suo corpo l’essere vivente restituisce all’ambiente tutta l’energia che contiene.
Gli alimenti e l’origine dell’energia cellulare.
Prima che le cellule possano utilizzarli, le proteine, i lipidi e i polisaccaridi che costituiscono la maggior parte dei nostri alimenti devono essere demoliti in molecole più piccole; si può ammettere che la demolizione enzimatica o catabolismo di queste molecole proceda in tre tempi:
- Nel primo tempo le grandi molecole polimere vengono degradate fino alle proprie sub unità monomere: le proteine in amminoacidi, i polisaccardi in zuccheri e i grassi in acidi grassi e glicerolo; questi processi preliminari, che si conoscono nel loro insieme come digestione, avvengono principalmente fuori dalla cellula ad opera di enzimi secreti.
- Nel secondo tempo le piccole molecole così ottenute penetrano nelle cellule e vengono ulteriormente degradate nel citoplasma. La maggior parte degli atomi di carbonio e di idrogeno degli zuccheri vanno a formare piruvato, che entra nei mitocondri, dove si trasforma nei gruppi acetile dell’acetil coenzima A; al pari dell’ATP l’acetil-CoA è un composto reattivo che all’atto dell’idrolisi libera energia in gran copia, considerevoli quantità di acetil-CoA si producono pure nell’ossidazione degli acidi grassi.
Estrazione di energia dalle sostanze nutrienti.
La maggior parte delle cellule eucariote e molti tipi di batteri sono in grado di ossidare completamente le loro sostanze nutrienti a CO2 e H2O; in queste condizioni il piruvato che si forma nella demolizione glicolitica del glucosio non viene ridotto a lattato, etanolo o in qualche altro prodotto della fermentazione , come avviene nelle fermentazioni anaerobiche, ma viene invece ossidato a CO2 e H2O nella fase aerobica del catabolismo.
Questo processo viene chiamato respirazione cellulare.
LA DISTRIBUZIONE DEI FLUSSI DINAMICI
Tessuto ematico e linfatico.
Introduzione.
Nei mammiferi, la maggior parte dei tessuti è servita da una estesa fornitura di sangue circolante, tramite il cuore, nelle arterie, arteriole, capillari, venule e vene. I capillari rappresentano il principale sito di scambio per diffusione, fra sangue e tessuti; la maggior parte delle cellule si trova a una distanza di poche decine di micron dai capillari, questi vasi formano una rete vascolare più sviluppata e a più intimo contatto tissutale, servono meglio i tessuti più attivi che quelli meno attivi.
In alcuni tessuti i capillari non penetrano direttamente e i gradienti di diffusione possono avere una lunghezza di centinaia di micron, come nelle cartilagini, in alcuni epiteli, nel tessuto connettivo della cornea e della dentina.
Prima di entrare nella descrizione riguardante l’organizzazione dei canali vascolari, è opportuno richiamare l’attenzione sulla biologia dei componenti cellulari circolanti nel sistema sanguifero e linfatico nonché il loro sviluppo nel midollo osseo e nel tessuto linfatico.
La componente ematica che origina nel midollo osseo, fornisce cellule della serie rossa (eritrociti) che veicolano l’ossigeno e, in misura minore, l’anidride carbonica; cellule della serie bianca (leucociti), rappresentate da una grande varietà di elementi cellulari con funzioni difensive; cellule della serie piastrinica che intervengono nell’emostasi.
La componente linfoide comprende cellule che vengono formate sia nel midollo osseo che in molti altri siti al di fuori di esso, quali il timo, i linfonodi, la milza e il tessuto linfoide associato a tratti del tubo gastroenterico e dei bronchi (follicoli linfatici).
Le pareti del sistema vascolare sono tappezzate da cellule endoteliali (che saranno più avanti descritte), per la loro normale attività queste cellule necessitano di un continuo equilibrio fra l’introduzione di sostanze nutritizie e l’emissione dei prodotti cellulari e dei cataboliti.
Nei vertebrati, uomo compreso, il liquido dell’organismo è suddiviso mediante confini semipermeabili in quattro compartimenti: plasma sanguigno, linfa, liquido interstiziale e liquido intracellulare; le grosse molecole sono per lo più trattenute nel sangue, l’acqua e le sostanze in essa disciolte, circolano negli spazi extravascolari che si trovano fra le cellule dei tessuti e vengono a costituire il liquido tissutale.
I vasi che portano il sangue verso i polmoni o ritornano da questi costituiscono la circolazione polmonare, mentre quelli che portano il sangue o lo raccolgono dal resto dell’organismo formano la circolazione generale o sistemica.
In entrambe le circolazioni il sangue viene pompato e fatto progredire nelle arterie, che mediante ramificazioni successive aumentano di numero e diminuiscono di calibro fino a diventare arteriole, che si risolvono in una rete di capillari; a livello di questi sottili vasi avvengono i principali scambi fra plasma sanguigno e liquido interstiziale, il sangue ritorna al cuore attraverso vene e venule confluenti.
Il sistema circolatorio linfatico trasporta la linfa dagli interstizi tissutali fino alle vene situate alla base del collo; questa circolazione drena il liquido interstiziale e gli elementi cellulari mobili in esso contenuto, nei capillari linfatici che terminano a fondo cieco, essi convergono in vasi linfatici di vario calibro i quali portano la linfa al sistema sanguigno venoso.
Si assicura così la distribuzione dei metaboliti a tutti i tessuti e a tutte le cellule, il sistema circolatorio contribuisce, assieme al sistema nervoso, al collegamento ed all’integrazione di tutti i costituenti dell’organismo.
Caratteristiche del sangue.
È un fluido eterogeneocomposto da un liquido chiaro plasma e da elementi corpuscolati, corpuscoli, e a causa di questa mescolanza si comporta, da un punto di vista idrodinamico, in modo complesso e appartiene a quella classe di fluidi che vengono definiti non Newtoniani.
Plasma, è un liquido chiaro, debolmente giallastro che contiene molte sostanze in soluzione o in sospensione; è ricco di ioni sodio e cloro e contiene inoltre potassio, calcio, magnesio, fosfati, bicarbonati e altri ioni, glucosio, amminoacidi, ecc.
I colloidi comprendono proteine plasmatiche ad alto peso molecolare, protrombina, immunoglobuline, proteine coinvolte nella difesa immunitaria, ecc.
Gli elementi del sangue sono riuniti in tre gruppi: gli elementi della serie rossa, della serie bianca e le piastrine.
Il sangue pertanto svolge la funzione di apportare tutte le sostanze, ossigeno compreso e di rimuovere l’ anidride carbonica, metaboliti, farmaci ecc.
Il punto chiave del sistema vascolare è il circuito capillare, nell’ ambito del quale avvengono questi scambi tra il sangue e le cellule dei tessuti, condizione per la quale i tessuti dei numerosi distretti sono liberi da depositi di tossine, in caso contrario si assisterà all’aumento delle resistenze circolatorie nei tessuti alterati e diminuita resistenza nei tessuti sani causati da malattie. Come nel caso di Clotting, cioè la tendenza a creare trombosi o stato di trombofilia. Sappiamo già che la circolazione del sangue all’interno dei vasi che irrorano il tumore è fortemente rallentata rispetto alla circolazione nei tessuti sani.
Perciò il sangue tende a coagulare all’interno dei vasi, ma la circolazione nei tessuti tumorali è ulteriormente frenata da altri fenomeni: lesioni (perdita di continuità) delle lamine protettrici che rivestono i capillari, cioè dell’ endotelio vascolare; una maggiore adesività dei leucociti e delle piastrine alla parete del vaso; macromolecole che aumentano l’aggregazione delle piastrine; effetto procoagulante prodotto da sostanze libere da tessuto tumorale, da tromboflebite.
Infezioni di ogni genere derivano dalla distruzione delle cellule e si chiamano fattori trombo plastici, condizione che deve essere assolutamente risolta.
Vedi figura sotto riportata
In questa figura vengono simbolicamente evidenziati quattro distretti a resistenza differenziata fra loro, alimentati da un’ unica pompa cardiaca.
E’ evidente che il flusso dinamico è facilitato a penetrare nei distretti a minore resistenza (trasportando ossigeno, sostanze nutritizie, difese ecc.) o fortemente rallentato proprio dove maggiormente dovrebbe essere aumento il trasporto delle sostanze. Affermiamo pertanto che il primo principio di CITOZEATEC è quello di regolare il bilanciamento dei flussi dinamici.
Passando in rassegna le principali sostanze farmacologiche come antiaggreganti piastrinici, anticoagulanti cumarinici che bloccano molteplici tappe della cascata coagulativa, l’eparina e i suoi derivati che stimolano gli inibitori delle proteasi coagulanti, i fibrinolitici che lisano i trombi patologici, viene evidenziato che gli stessi non sono fisiologici.
L’uso dei preparati della Citozeatec e, nello specifico Citozym e Propulzym, aiutano in modo significativo a regolare la distribuzione dei flussi dinamici per l’alta capacità di attivare gli enzimi endogeni che hanno trovato conferme nelle ricerche Universitarie.
L’azione del Citozym è risultata essere fortemente antiossidante con una notevole riduzione delle specie reattive dell’ossigeno (ROS), con un alto incremento degli enzimi antiossidanti endogeni in riferimento agli enzimi catalasi (CAT), superossidodismutasi (SOD), e Glutatione (GSH), come pure l’aumentato rilievo dei monociti nel flusso dinamico che potenzia le cellule macrofagi, cellule Natural Killer, enzimi lisosomali (lisozima) lisozima ecc. con l’ eliminazione dei cataboliti in ambito fisiologico.
Il sangue deve rimanere fluido all’ interno del sistema vascolare, eppure coagulare rapidamente se esposto a superfici non endoteliali in siti di lesione vascolare, quando però si formano trombi intravasali, per ripristinare la fluidità viene attivato un sistema fibrinolitico. Nella situazione normale, un delicato equilibrio previene sia la trombosi che l’emorragia e consente una fibrinolisi fisiologica, senza eccesso di fibrinogenolisi patologica.
I farmaci sopra descritti hanno meccanismi d’azione molto diversi, ma mirano tutti a ottenere lo stesso risultato, e cioè modificare l’equilibrio fra reazioni pro coagulanti e anticoagulanti. L’efficacia e la tossicità di tali farmaci sono necessariamente collegate. Per esempio, l’effetto anticoagulante terapeutico desiderato può essere annullato dall’effetto tossico dell’emorragia da iperdosaggio di anticoagulante. Analogamente, una iperstimolazione della fibrinolisi può condurre alla distruzione sistemica di fibrinogeno e fattore della coagulazione.
I preparati della Citozeatec sono considerati preparati biotecnologici naturali, in quanto elaborati con una tecnologia detta a conversione enzimatica specifica che favorisce l’attivazione dei meccanismi fisiologici.
Pasquale Ferorelli