gli ormoni, negli animali e nei vegetali: una panoramica sui messaggeri chimici intercellulari

CHE COS’E’ UN ORMONE?

Un ormone è una sostanza chimica utilizzata da un organismo complesso pluricellulare per trasmettere un segnale da una cellula ad un’altra dello stesso organismo. Questa semplice definizione crea già dei fondamentali distinguo, ma anche delle inaspettate affinità, fra meccanismi di trasmissione diversi del segnale, sempre in ambito biologico.   Sono escluse per esempio tutte quelle forme di comunicazione cosiddette semiochimiche che, al di là delle loro modalità, finalità e target di destinazione (sesso, specie, ecc) comportano l’utilizzo di una sostanza chimica per la trasmissione di un segnale tra individui diversi.   Allo stesso modo sono escluse tutte quelle forme di comunicazione non unicamente basate sulla mediazione di sostanze chimiche, come ad esempio la trasmissione del’impulso nervoso.
posizione principali ghiandole a secrezione interna nell'essere umanoAl contrario, la definizione di ormone non fa alcun riferimento alla natura chimica specifica delle sostanze coinvolte, all’organizzazione del centro di produzione (che può essere una singola cellula, un gruppo di cellule, un tessuto o un organo), al bersaglio (che può anch’esso essere una singola cellula, un gruppo, un tessuto o un organo), alla tassonomia dell’organismo ed alle implicazioni in chiave biologica del segnale trasmesso.

Ovviamente il fatto stesso di parlare di trasmissione di un segnale “da una cellula ad un’altra dello stesso organismo” implica che si stia parlando di organismi pluricellulari.   In effetti, dal punto di vista evolutivo, la trasmissione di un segnale internamente ad un organismo segue il più primitivo meccanismo di chemiotassi tipico degli organismi unicellulari procarioti quali i batteri ed eucarioti, ma da un certo punto di vista anche delle singole cellule di un organismo pluricellulare quando sono considerate come entità sé stanti.   La chemiotassi può essere vista come la risposta in chiave chimica della singola cellula ad una condizione chimica o fisica esterna: è quindi un meccanismo adattivo, che si esprime tramite reazioni chimiche semplici o in cascata, che può portare la cellula a rispondere in qualche modo a questa condizione, avversa o favorevole che sia.   La risposta adattiva può rientrare nel quadro di una omeostasi cellulare (ovvero della tendenza a mantenere inalterate le condizioni fisiologiche ideali, ad esempio tamponando le variazioni di pH o tendendo ad equilibrare la concentrazione di elettroliti salini dentro al citoplasma), fino ad indurre risposte più complesse, come ad esempio l’espressione o la repressione di alcuni geni che codificano la biosintesi di proteine ed enzimi con specifiche funzionalità.   Già nei batteri abbiamo avuto modo di descrivere (vedasi intervento: “il mondo dei batteri, ovvero quando la chimica inizia a vivere”) risposte a stimoli di natura chimica che, come in ultima analisi, si traducevano in forma di verso e proprio movimento della cellula verso una fonte di nutrimento oppure in direzione opposta rispetto a sostanze chimiche percepite come pericolose.

Per contro nel contesto specifico del regno animale si sono sviluppati nel corso dell’evoluzione modalità di trasmissione ed elaborazione estremamente rapide dei segnali da una parte all’altra dell’organismo, segnali che in ultima analisi stanno anch’essi alla base di una risposta adattiva dell’organismo nei confronti di uno stimolo chimico o fisico, modificandone gli equilibri biochimici interni, fino a determinare in taluni casi come conseguenza indiretta, il movimento stesso dell’organismo in relazione allo stimolo.   Stiamo parlando della risposta nervosa: un meccanismo di trasmissione del segnale fra cellule o gruppi di cellule ben specializzate (i neuroni) che, oltre che sulla base di sostanze chimiche appositamente deputate (i neurotrasmettitori) si basa anche su fenomeni di natura prettamente elettrica.

Di fatto gli ormoni svolgono un’azione di regolazione protratta e mediata nel tempo, certamente più lenta ma anche più “concertata” della regolazione basata esclusivamente su di uno stimolo nervoso.   Un’azione geneticamente codificata, quindi innata, che non dev’essere appresa, affinata in milioni di anni di evoluzione per consentire ad animali e vegetali di adattarsi sempre più all’ambiente nel quale vivono.

esempi di effetti ormonali sull'omeostasi, i tropismi e l'espressione fenotipica dell'informazione genetica

Volendo provare a riassumere le funzioni ormonali essenziali, in un discorso assolutamente trasversale ai diversi regni dei viventi dove questo genere di meccanismi fisiologici trovano spazio, potremo suggerire che gli ormoni possono svolgere uno o diverse di queste funzioni:

1)   garantire l’omeostasi di alcuni dei sui equilibri più complessi (es. quello glicemico e la concentrazione di calcio ematico nei mammiferi);

2)   consentire l’espressione fenotipica di alcune “disposizioni” già racchiuse nel genoma dell’organismo (es. produzione di fiori o di germogli solo in certi periodi dell’anno per molti vegetali, sviluppo caratteri sessuali secondari negli animali durante la pubertà, sviluppo del corpo fruttifero nei funghi basidiomiceti a partire dal micelio sotterraneo, ecc);

3)  mediare una risposta adattiva ad uno stimolo esterno (es. il piegarsi delle piante verso la luce, l’eccitazione di un animale spaventato, ecc).

In realtà, quello che frequentemente capita è che un solo ormone possa stare a monte di ben più di un processo biochimico e conseguentemente fisiologico, fra loro paralleli o in cascata, per cui risulterebbe fuorviante cercare di rispondere puntualmente all’eventuale domanda: cosa serve o cosa provoca esattamente questo ormone?
Si osservi a titolo di esempio la seguente tabella, che illustra soltanto una parte del ventaglio di attività fisiologiche finali dell’etilene, uno dei più importanti ormoni vegetali (detti anche fitormoni), dipendente essenzialmente dal tessuto-bersaglio, dal periodo dell’anno e, almeno in alcuni casi, anche dalla specie vegetale interessata:

–  Stimola la maturazione dei frutti;
–  Stimola la senescenza di foglie e fiori;
–  Stimola la senescenza dello xilema maturo (parte interna del tronco) in preparazione di un impiego diverso da parte della pianta;
–  Induce l’abscissione fogliare;
–  Induce la germinazione dei semi;
–  Induce la crescita di radici aeree, incrementando l’efficienza dell’assorbimento di acqua e minerali;
–  Condiziona il gravitropismo (risposta alla forza di gravità);
–  Induce il responso iponastico (piegatura verso l’alto delle foglie e piccioli, dovuta alla maggiore crescita del lato inferiore);
–  Può interferire con il trasporto delle auxine;
–  Induce la chiusura degli stomi in gran parte delle piante;
–  Induce la fioritura in alcune specie (es. ananas);

A complicare ulteriormente la questione, sempre restando nell’ambito dei fitormoni, giunge talvolta l’azione inibente che concentrazioni particolarmente elevate dello stesso ormone possono manifestare sulla stessa attività fisiologica promossa invece da concentrazioni più basse della stessa sostanza.   Ad esempio una concentrazione elevata da acido 3-indolacetico, la più nota auxina vegetale, può inibire piuttosto che favorire la crescita longitudinale dei fusti erbacei in accrescimento, esplicando di conseguenza un’azione opposta rispetto a quella solitamente attribuita alle auxine.

IL PRODUTTORE

 Negli animali, ed in particolare in quelli superiori, gli ormoni sono prodotti solitamente da cellule specializzate, facenti parte di particolari organi noti come ghiandole “a secrezione interna”.   Ne sono un esempio l’insulina, prodotta dalle cellule di Langerhans nel pancreas, la tiroxina prodotta nella tiroide, l’adrenalina prodotta nella ghiandole surrenali…
A differenza di delle ghiandole a secrezione esterna, che riversano il proprio contenuto (fra l’altro non ormonale) all’esterno dell’organismo (non solo sulla pelle come le sudoripare e le apocrine, ma anche nel tubo digerente che può essere visto come una introflessione dell’ambiente esterno all’interno del corpo) quelle a secrezione interna immettono direttamente il loro escreto nel circolo sanguigno. La disciplina medica che studia ed eventualmente cura le problematiche connesse alle ghiandole a secrezione interna è l’endocrinologia.

Nelle piante, complice anche la loro tendenza all’accrescimento ed alla differenziazione continua, l’area di sintesi del fitormone risulta un po’ più sfumata, essendo nel più dei casi caratteristica di un tessuto o di un gruppo di cellule piuttosto che di un vero e proprio organo.

Non solo piante ed animali: anche i funghi, sia quelli comunemente conosciuti come tali, ovvero i basidiomiceti, che le semplici muffe, utilizzano gli ormoni con finalità analoghe.   Un caso storico che ha consentito la scoperta piantine di riso colpito da bakanae per infezione di Gobberella fujikuroidi uno dei più importanti ormoni vegetali racconta di una malattia crittogamica della pianta di riso, molto diffusa in Giappone con il nome di bakanae: il principale sintomo di questa patologia era l’eccessiva crescita in lunghezza degli steli delle piantine, con conseguente debolezza dei medesimi, in seguito all’attacco da parte di un certo parassita fungino, la Gibberella fujikuroi. Il giapponese Teijirio Yabuta nel 1926 scoprì che il motivo dell’allungamento degli internodi del riso era dovuto ad una sostanza rilasciata da fungo e chiamata di conseguenza “gibberellina”.   Cercando si studiare l’effetto di questo straordinario stimolante della crescita emerse che la gibberellina, o meglio tutta una classe di sostanze biologicamente attive riconducibili alla sua struttura, era in effetti attivo non soltanto sul riso ma un po’ su tutte le specie vegetali e, cosa inizialmente davvero inaspettata, era normalmente prodotta dalle piante stesse, seppur in concentrazioni più ridotte, con la funzione di ormone fitoregolatore.

IL RICEVENTE

 Come in ogni forma di comunicazione che meriti questo nome, anche parlando di messaggeri ormonali, oltre ad un emettitore dovrà necessariamente essere presente un ricevente, ovvero un destinatario del messaggio.
A livello microscopico si tratterà pur sempre di un recettore, ovvero di una proteina solitamente fissata sulla membrana cellulare oppure in quella del nucleo o di un altro organulo della cellula, in grado di interagire in modo altamente specifico con una molecola, in questo caso l’ormone, avente una “forma” particolare, specifica appunto per ciascun recettore.   Questa interazione viene riassunta piuttosto bene nella metafora della chiave (in questo caso l’ormone e, più in generale il cosiddetto “ligando”) e della serratura (in questo caso la proteina).    interazione fra ligando (ormone) e recettore proteico, con liberazione di un messaggero secondarioI fattori più importanti per determinare il cosiddetto fitting fra la proteina ed il ligando, ormonale o non ormonale che sia, sono le caratteristiche morfologiche di quest’ultimo, ovvero le dimensioni e la forma che la sua struttura tridimensionale assume, ovvero le cosiddette proprietà steriche, naturalmente in soluzione acquosa dal momento che quasi tutte le interazioni biologiche avvengono in ambiente ricco di acqua.   Non meno importante di questo sarà anche la distribuzione sulla superficie della molecola delle zone a diversa polarità, dovute alla presenza di atomi più elettronegativi del carbonio e dell’idrogeno (come ad esempio l’ossigeno, lo zolfo, l’azoto, il fosforo) che portano ad una particolare concentrazione della nuvola elettronica in prossimità di essi.   Allo stesso modo con cui la chiave giusta riesce ad aprire una serratura, l’interazione fra ligando e proteina è in grado di modificare la forma di quest’ultima (essenzialmente la sua conformazione tridimensionale), proprio come un lucchetto che si apre o che si chiude, e questa modifica può portare alla variazione delle caratteristiche anche funzionali della proteina medesima.   Una proteina di membrana, che attraversa da parte a parte la membrana cellulare, può in seguito ad un’interazione di questo tipo assumere modifiche strutturali tali da aprire in essa dei varchi sufficienti al passaggio dell’acqua o di ioni in soluzione, come ad esempio il sodio, il potassio, o addirittura di effettuare una discriminazione fra essi sulla base di parametri più sottili, come ad esempio la differenza fra il diametro di questi due ioni in forma idratata.   Nella maggior parte dei casi questa interazione fra ormone e recettore è solo l’inizio, in quanto la modifica strutturale apportata alla proteina induce una catena di effetti e di interazioni a cascata, che frequentemente coinvolgono appunto il rilascio di messaggeri secondari, questa volta internamente alla cellula bersaglio, messaggeri questi in grado di interagire selettivamente altre proteine, fino ad arrivare all’effetto fisiologico finale sull’organismo che aveva giustificato l’emissione stessa dell’ormone.    Un esempio che ben illustra questa cascata di eventi, e di conseguenza la possibilità di interpretare l’effetto di un ormone (ma non soltanto di essi) a diversi livelli di profondità, è stato presentato nell’intervento “Perché le piante si piegano dalla parte della luce?”.

Tutto questo, beninteso, a livello microscopico.   Spesso capita che però non tutte le cellule dell’organismo siano in grado di interagire in questo modo con un certo ormone e che, anzi, quelle che possiedono le proteine specifiche per legare questo substrato siano cellule davvero specializzate, riunite in particolari tessuti, o addirittura in organi.   Negli animali superiori sono infatti presenti organi-bersaglio specifici per determinati ormoni: è il caso per esempio della tiroide, che in seguito all’interazione con l’ormone TSH prodotto dalla ghiandola ipofisi, risponde a sua volta come ghiandola a secrezione interna, con la produzione dei noti ormoni tioroidei come ad esempio la tiroxina.   La tiroxina invece non ha un organo bersaglio specifico, ma esplica la sua azione in modo più o meno distribuito su un’ampia fascia di cellule dell’organismo.

NATURA CHIMICA DEGLI ORMONI

 Come riportato in premessa, la definizione di ormone si limita ad indicarne la qualità di sostanza chimica, senza nulla aggiungere o limitare alle eventuali classi chimiche di appartenenza.  Eppure qualche fino conduttore è individuabile, seppur labile, almeno limitando l’osservazione all’interno dello stesso regno.

Negli animali, per esempio, gli ormoni si possono classificare su base chimica secondo tre categorie principali:
– Derivati da aminoacidi (es. la tiroxina e l’adrenalina, entrambi dall’aminoacido tirosina);
– Steroidei (es. cortisolo, estrogeni, testosterone, ecc);
– Peptididi (es. insulina, paratormone, calcitonina, ecc).

natura chimica degli ormoni negli animali superiori

Nel regno vegetale sono storicamente riconosciute 5 classi di ormoni, sintetizzati ed attivi su tutte le piante, e precisamente:
– auxine (derivate dall’aminoacido triptofano);
– citochinine (derivate da basi azotate di tipo purinico);
– gibberelline (derivati terpenici);
– acido abscissico (derivato terpenico);
– etilene (un alchene semplice).

ormoni vegetali: auxine, gibberelline, etilene, acido abscissico, citochinine

Non può passare inosservato l’ultimo rappresentante dell’elenco dei fitormoni, l’etilene: una molecola di soli due atomi di carbonio, gassosa in condizioni ambientali, già nota all’uomo da secoli in quanto componente del gas naturale con il quale venivano alimentati i lampioni stradali prima dell’avvento dell’elettricità.   Eppure a questa molecola composta di soli 6 atomi possono essere riconosciute almeno 18 azioni fisiologiche diverse (alcune più generali, altre più specifiche su determinate piante) ed una quantità di applicazioni agronomiche e commerciali, ad esempio nel promuovere ed accelerare la maturazione dei frutti dopo la raccolta.

USO TERAPEUTICO E TECNOLOGICO

 Il fatto stesso che gli ormoni per loro stessa definizione siano dei messaggeri chimici destinati a trasmettere un segnale “da una cellula all’altra” comporta che essi si muovano normalmente nell’ambiente extracellulare, ovvero nel flusso sanguigno degli animali superiori, nella linfa o nel flusso xilematico nelle piante, nell’emolinfa degli insetti e così via.   A differenza di tutti quei numerosissimi metaboliti, forse la maggior parte, che vengono sintetizzati ed utilizzati nell’ambito della stessa cellula e che, introdotti dall’esterno (es. per mezzo di un’iniezione nel flusso sanguigno) potrebbero avere difficoltà a superare quell’inflessibile barriera selettiva rappresentata dalla membrana cellulare, ci troviamo qui di fronte a molecole la cui risposta fisiologica, al di là del fatto che esse entrino di fatto dentro alla cellula o esplichino la loro funzione a livello di proteine di membrana, è funzione della loro concentrazione extracellulare.   In altre parole, se una ghiandola a secrezione interna non riesce per ragioni patologiche a secernere una quantità sufficiente del suo ormone, possiamo supplire a questa carenza, e quindi alle disfunzioni fisiologiche che essa può apportare, tramite l’introduzione dall’esterno dello stesso ormone (a sua volta estratto da fonte naturale o ottenuto per sintesi), tramite iniezione o in taluni casi tramite altra forma di assunzione (orale, transcutanea, ecc).   E’ questo per esempio il caso della compensazione del diabete per mezzo dell’assunzione di insulina o dell’ipotiroidismo tramite derivati della tiroxina.   Sembra in apparenza un fatto banale: se al mio organismo manca una sostanza, o meglio se la quantità prodotta risulta insufficiente al suo funzionamento ideale, allora l’assumo dall’esterno.   Ma purtroppo la situazione non è affatto così semplice, proprio perché per arrivare “lì dove serve” spesso una molecola dovrebbe superare tali e tante barriere, talune potenzialmente insormontabili, che la semplice introduzione dall’esterno risulta nella maggior parte dei casi una mera utopia.   In tutti questi casi si può scegliere se stimolare la naturale produzione di tale sostanza nel suo luogo di biosintesi deputato, ostacolare gli antagonisti o i processi che portano all’abbattimento di questa sostanza, oppure mettere a punto farmaci di sintesi con azione simile ma in grado di superare opportunamente le suddette barriere.   Nel caso degli ormoni, invece, questo compito risulta fortemente favorito.
Il fattore critico è che con la terapia ormonale andiamo con una sola azione ad interferire in così tanti processi fisiologici, e a fronte di dosaggi talmente ridotti di sostanza ormonale, che il rischio di effetti collaterali non dovrebbe mai essere sottovalutato.

emissione ed effetto dell'etilene nella formazione e la maturazione dei fruttiL’impiego dei fitormoni in campo agronomico rappresenta un altro caso di come queste sostanze possano convenientemente essere introdotte dall’esterno per sortire un effetto utile, in questo caso per migliorare la produttività delle colture.   L’accelerazione nella maturazione dei frutti raccolti ancora verdi può essere indotta da sostanze in grado di liberare etilene, ma come è noto anche la semplice vicinanza in ambiente chiuso di un frutto ancora immaturo con altri in piena maturazione può accelerare la maturazione anche del primo (l’etilene è infatti un ormone gassoso e si trasmette anche nell’aria).
Preparati commerciali a base di gibberelline possono essere utilizzati per irrorare quei semi che solitamente restando “dormienti” a meno di condizioni di freddo prolungato o di luce che talvolta costituiscono un ostacolo ad una pratica vivaistica sempre più veloce ed intensiva: l’applicazione di gibberelline dall’esterno è in grado di interrompere la dormienza di questi semi, inducendone la germinazione.
La radicazione di talee, sia legnose che erbacee, ovvero la produzione di radici di una porzione di pianta tagliata, può essere stimolata con l’applicazione locale di un’auxina naturale, o meglio ancora di una sintetica, più stabile nel tempo e meno soggetta a fotodegradazione, come ad esempio l’acido 1-naftilacetico.

Quella della ideazione e della sintesi di analoghi strutturali (simili ma diversi in qualche particolare della molecola) degli ormoni è un’altra delle possibilità offerte in questo ambito: oltre ai suddetti stimolanti radicanti, l’azione delle auxine è stata simulata con la preparazione di molecole molto persistenti e potenti nei loro effetti tanto da indurre la morte della stessa pianta, tanto che vengono abitualmente utilizzati come erbicidi.
dimero ed esamero dell'insulinaUn analogo strutturale dell’insulina prodotta naturalmente dall’uomo ha invece permesso di superare uno degli inconvenienti maggiormente riscontrati nelle preparazioni di questo ormone utilizzate nel trattamento del diabete.   L’insulina è un ormone peptidico costituito da un numero piuttosto ridotto di aminoacidi e, come spesso succedere nelle proteine, risulta in grado di aggregarsi con altri peptidi identici per formare oligomeri, ed in particolare dimeri ed esameri, dove le sei unità insuliniche risultano coordinate al centro da uno ione zinco.   Mentre il monomero risulta in grado di diffondersi rapidamente nel sangue fino a raggiungere le cellule bersaglio, l’esamero costituisce la forma nella quale l’insulina viene solitamente immagazzinata dall’organismo e presenta una mobilità e quindi un’attività decisamente più ridotte.   Dato che nelle preparazioni iniettabili struttura dell'insulina umana, con evidenziati i due aminoacidi scambiati nella forma ricombinantel’insulina tende inevitabilmente ad organizzarsi in forma di esamero, si è pensato di introdurre una variazione strutturale di dettaglio nella sequenza di aminoacidi della proteina (in pratica lo scambio di soli due aminoacidi vicini), tale per cui la sua attività ormonale fosse preservata, ma nel contempo ne fosse ostacolata la tendenza ad esamerizzare.   La cosiddetta “insulina ricombinante” è ora prodotta industrialmente mediante bioreattori utilizzando batteri appositamente modificati con l’inserimento nel loro patrimonio genetico di un gene che codifica la produzione di questa molecola.

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