Biologia Cellulare: Struttura della Cellula

Processi Cellulari

Struttura della Cellula

• La cellula è composta da: nucleo, citoplasma e membrana cellulare
• Il liquido extracellulare è caricato positivamente, mentre il liquido intracellulare (o citoplasma) è ricco di cariche negative
• Nel lato esterno della cellula c'è una concentrazione maggiore di sodio (Na+), cloro (Cl-) e calcio (Ca2+), mentre il potassio (K+) è più concentrato nel citoplasma che nel liquido extracellulare

Omeostasi

• L'omeostasi indica la capacità dell'organismo di mantenere una stabilità interna
• Essa viene mantenuta attraverso dei sistemi di regolazione, quali:
  • Feedback negativo: l'organismo risponde contrastando l'effetto dello stimolo destabilizzante
  • Feedback positivo: l'organismo risponde rinforzando l'azione dello stimolo iniziale
  • Feedforward (controllo anticipatorio): l'organismo innesca il circuito di risposta in anticipo rispetto al cambiamento

Trasporto Attraverso le Membrane

• Le membrane cellulari sono selettivamente permeabili
• Esistono due tipi di trasporto:
  • Trasporto passivo: processo che sposta le molecole lungo il loro gradiente di concentrazione e non richiede apporto di energia
  • Trasporto attivo: processo che sposta le molecole contro il loro gradiente di concentrazione e richiede l'utilizzo di energia
• Il trasporto passivo comprende:
  • Diffusione semplice: diffusione diretta attraverso il doppio strato lipidico della membrana
  • Diffusione facilitata: diffusione mediante l'aiuto di proteine di membrana
  • Diffusione regolata: diffusione tramite canali ionici, che regolano il movimento degli ioni
• Il trasporto attivo comprende:
  • Trasporto attivo primario: l'energia necessaria deriva direttamente dall'idrolisi dell'ATP
  • Trasporto attivo secondario: sfrutta l'energia ricavata nel gradiente di concentrazione di una molecola

Tipologie di Potenziale

• Il potenziale di membrana è il disequilibrio elettrico e chimico fra il liquido extracellulare e quello intracellulare
• Il potenziale di riposo è il potenziale di membrana in condizioni di non stimolazione (-70mV)
• Il potenziale d'azione è una rapida variazione del potenziale di membrana verso un valore positivo, con conseguente ritorno al potenziale di riposo
• Il periodo refrattario corrisponde al periodo di tempo che segue un potenziale d'azione, durante il quale uno stimolo normale non può generare un secondo potenziale d'azione

Equazioni del Potenziale

• L'equazione di Nerst descrive il potenziale di equilibrio di un singolo ione
• L'equazione di Goldman-Hodgkin-Katz calcola il potenziale di membrana a riposo risultante dal contributo di tutti gli ioni che possono attraversare la membrana

Sistema Nervoso

Struttura del Sistema Nervoso

• Il sistema nervoso comprende il sistema nervoso centrale (encefalo e midollo spinale) e il sistema nervoso periferico
• L'encefalo, a sua volta, è formato da: prosencefalo, tronco encefalico e cervelletto

Neuroni

• Il neurone è l'unità funzionale del sistema nervoso e ha la funzione di ricevere, elaborare e trasmettere informazioni ad altri neuroni mediante impulsi nervosi
• Il neurone è formato da un corpo cellulare o soma, da un assone, specializzato nella conduzione rapida di un segnale nervoso, e da molti dendriti, che rappresentano il sito principale per la ricezione dei segnali da altri neuroni
• Esistono diversi tipi di neuroni:
  • Sensitivi (afferenti): raccolgono stimoli sensoriali e trasmettono l'informazione dal SNP al SNC
  • Motori (efferenti): inviano impulsi motori dal SNC al SNP

Sinapsi

• La sinapsi è il punto di connessione tra due o più neuroni che consente l'elaborazione dell'informazione nervosa e la trasmissione del segnale
• Esistono due tipi di sinapsi:
  • Sinapsi elettrica: permette la trasmissione quasi istantanea di un segnale elettrico tra due neuroni adiacenti per mezzo di proteine integrali
  • Sinapsi chimica: la più diffusa; a differenza della sinapsi elettrica, tra i neuroni è presente uno spazio sinaptico chiamato fessura sinaptica, dove vengono rilasciati i neurotrasmettitori

Tessuto Muscolare

Struttura del Tessuto Muscolare

• Nel corpo umano ci sono tre tipi di tessuto muscolare: scheletrico, cardiaco e liscio
• Le cellule che compongono il tessuto scheletrico sono le fibre muscolari, le quali a loro volta sono formate da: sarcoplasma, sarcolemma (membrana plasmatica), tuboli T (invaginazioni del sarcolemma), reticolo sarcoplasmatico, miofibrille → strutture filamentose organizzate in sarcomeri

Contrazione Muscolare

• La contrazione muscolare è il risultato di una serie di eventi che portano all'attivazione delle proteine contrattili
• Gli eventi che portano alla contrazione sono:
  • Il rilascio dell'acetilcolina (neurotrasmettitore) nella giunzione neuromuscolare
  • L'apertura dei canali del sodio e la depolarizzazione della membrana
  • La propagazione del potenziale d'azione lungo il sarcolemma e nei tuboli T
  • L'apertura dei canali del calcio e l'entrata del Ca2+ nel citoplasma
  • La formazione del ponte acto-miosinico e la contrazione muscolare

Sistema Cardiocircolatorio

Struttura del Sistema Cardiocircolatorio

• Il sistema cardiocircolatorio è formato dal cuore e dai vasi sanguigni, quali arterie, vene e capillari
• Il cuore è diviso in quattro camere: due atri e due ventricoli

Contrazione Cardiaca

• La contrazione cardiaca è generata dalle cellule miocardiche specializzate, denominate cellule pacemaker

• Il sistema nervoso può far accelerare o rallentare i battiti del cuore, ma non può generarli

• Le fasi che portano alla contrazione cardiaca sono:

  • L'attivazione spontanea delle cellule pacemaker
  • L'apertura dei canali del sodio e la depolarizzazione della membrana
  • La formazione del potenziale pacemaker
  • La propagazione del potenziale d'azione lungo il miocardio
  • La contrazione muscolare e la pompa del cuore### Scambio e trasporto dei gas polmonari

• L'aria inspirata raggiunge gli alveoli con una pressione parziale di ossigeno di 100mmHg e una pressione parziale di anidride carbonica di 40mmHg

• L'ossigeno si diffonde dagli alveoli verso i capillari

• L'ossigeno è trasportato nel sangue disciolto nel plasma (piccole quantità) o legato all'emoglobina all'interno dei globuli rossi (grande quantità)

• L'ossigeno viene rilasciato dall'emoglobina e si diffonde nelle cellule

• Nelle cellule avviene la respirazione cellulare, che consuma l'ossigeno e produce anidride carbonica come sostanza di scarto

• La PO2 si abbassa a 40mmHg, mentre la pressione PCO2 si alza a 46mmHg

Grafici

• Il grafico mostra il grado di affinità dell'emoglobina all'ossigeno
• La curva dell'affinità può essere modificata da vari fattori, come la temperatura, la PCO2 e il pH

Metabolismo

• La prima legge termodinamica stabilisce la conservazione dell'energia nel corpo umano, sistema aperto
• La seconda legge termodinamica stabilisce che tutto tende verso disordine, aumentando l'entropia
• L'ATP è la moneta di scambio di energia e viene prodotto tramite due reazioni: glicolisi e ciclo di Krebs
• La glicolisi avviene nel citoplasma e produce ATP e piruvato
• La glicolisi non richiede ossigeno e produce solamente 2 molecole di ATP per molecola di glucosio
• Il ciclo di Krebs avviene a livello mitocondriale e richiede la presenza di ossigeno
• Il ciclo di Krebs produce 30/32 molecole di ATP per molecola di glucosio
• L'energia viene estratta dai nutrienti in 3 fasi:
  • Produzione di acetil-CoA a partire da piruvato, amminoacidi e acidi grassi
  • Acetil-CoA viene ossidato durante ciclo di Krebs
  • NADH e FADH2 raccolgono e trasportano elettroni e protoni nella catena respiratoria mitocondriale per la produzione di ATP