Biofisica Quiz PDF 2023/2024

BIOFISICA 2023/2024 La fisiologia è una scienza integrata che utilizza principi chimico-fisici per spiegare il funzionamento degli esseri viventi, siano essi vegetali o animali, mono o pluricellulari. L'etimologia della parola deriva dalle parole greche "φύσις" e "λόγος" tradotte come "discorso su...

BIOFISICA 2023/2024 La fisiologia è una scienza integrata che utilizza principi chimico-fisici per spiegare il funzionamento degli esseri viventi, siano essi vegetali o animali, mono o pluricellulari. L'etimologia della parola deriva dalle parole greche "φύσις" e "λόγος" tradotte come "discorso sui fenomeni naturali". La fisiologia opera su diversi livelli, occupandosi sia dei meccanismi di base a livello molecolare, sia di funzioni di cellule e organi, come pure dell'integrazione delle funzioni d'organo negli organismi complessi. A seconda della branca specialistica la fisiologia si avvale delle conoscenze di numerose discipline, quali chimica, fisica, biochimica, biologia molecolare, anatomia, citologia e istologia e costituisce la base fondamentale per numerose altre, quali la patologia, la farmacologia e la tossicologia Biofisica: è la scienza che studia il formarsi e l’evolversi dei processi biologici negli esseri viventi sulla base delle leggi e con i metodi della fisica. Esempi: i processi fisico-chimici ed elettrochimici che permettono nell'organismo la trasmissione degli impulsi nervosi, la contrazione dei muscoli, la visione, la ricezione da parte dell’organismo dei messaggi provenienti dal mondo esterno, l’attività elettrica delle cellule, il trasporto di liquidi o di gas all’interno degli organismi viventi, il comportamento di cellule eccitabili come i neuroni, le proprietà fisiche delle membrane cellulari. La biofisica oggi è anche alla base degli studi per ricreare negli elaboratori elettronici certi processi biologici. LA CELLULA È l’unità fondamentale della materia vivente 1 Le cellule… …sono le unità costitutive delle piante e degli animali …sono prodotte dalla suddivisione di preesistenti cellule …sono le più piccole unità che svolgono tutte le funzioni fisiologiche vitali …mantengono la propria omeostasi (La tendenza dei sistemi fisiologici a stabilizzare le condizioni interne) Livelli di organizzazione Cellula– è l’unità fondamentale in biologia – è costituita da organelli, i quali a loro volta sono un insieme di molecole. Tessuto –gruppi di cellule che svolgono una specifica funzione (es. tessuto muscolare cardiaco). Organo – gruppi di cellule o tessuti che svolgono una funzione globale (cuore). Apparati–gruppi di cellule, tessuti e organi che svolgono una specifica funzione principale (es. sistema cardio- vascolare). Organismo– una o più cellule caratterizzate da un unico corredo di cromosomi (DNA). Le funzioni tessutali, di organo, di apparato e di organismo riflettono le azioni coordinate di molte cellule Caratteristiche degli organismi viventi - catturare e utilizzare l'energia - avere attività metabolica - crescere e svilupparsi - rispondere agli stimoli ambientali - riprodursi - Mostra le variazioni in base all'ereditarietà - evolversi in risposta al proprio ambiente OMEOSTASI Uno dei principi a cui sottendono le cellule è il mantenimento dell’omeostasi. Tutti gli organismi viventi, compreso l’uomo, nel corso della loro storia evolutiva, hanno adottato una serie di meccanismi fisiologici, strutturali e comportamentali allo scopo principale di mantenere costante il loro ambiente interno. Mantenere un ambiente interno per permettere a tutte le cellule di sopravvivere è necessario per la sopravvivenza sia di ciascuna cellula che per l’intero organismo. I vari processi attraverso i quali il copro regola il proprio ambiente interno vanno collettivamente sotto il nome di omeostasi. Tale stato di equilibrio deve mantenersi nel tempo, anche al variare delle (condizioni esterne, attraverso dei precisi meccanismi autoregolatori. 10 mg/100ml 80 mg/100ml OMEOSTASI: consiste in una serie di processi che servono a mantenere l’ambiente interno relativamente costante, nonostante le ampie variazioni dell’ambiente esterno. Il controllo dell’omeostasi risiede nel sistema nervoso e nel sistema endocrino, con la loro combinazione di segnali chimici ed elettrici. CAPACITA’ OMEOSTATICA: esprime la valenza di tutti quei meccanismi di cui un sistema biologico può disporre per reagire a sollecitazioni in grado di produrre perturbazioni. 2 Alcune variabili mantenute dall’omeostasi sono: temperatura corporea, pressione arteriosa, pH, fluidi corporei, pressione osmotica, ossigenazione dei tessuti, glucosio ematico, eliminazione dei prodotti di scarto. Omeostasi dei compartimenti liquidi corporei Il volume dei liquidi di ciascun compartimento è mantenuto costante. Poichè volume di acqua è determinato dagli elettroliti (water follows salt), anche questi devono essere in equilibrio. Solo due sono i siti di interscambio tra i compartimenti: le membrane cellulari semipermeabili (ICF/ECF) e le sottili pareti capillari (interstizio/plasma). La membrana cellulare è responsabile del controllo delle sostanze che entrano e che escono dalle cellule: - le sostanze essenziali al metabolismo devono poter entrare - i materiali di scarto devono poter uscire prima di raggiungere concentrazioni tossiche FEEDBACK I sistemi di integrazione e controllo del corpo agiscono attraverso sistemi a feedback che regolano l'omeostasi (capacità di mantenere l'organismo in equilibrio). Il feedback può essere: negativo se il risultato di un'azione produce una inversione dell'effetto iniziale (per esempio la regolazione della pressione sanguigna, della glicemia, della temperatura corporea); positivo se il risultato di un'azione rafforza l'effetto iniziale (per esempio eventi che generano il parto o la coagulazione) I meccanismi dell’omeostasi Ogni variabile del nostro organismo dipende da un sistema di controllo composto da: recettore: recepisce ed invia; centro di regolazione: confronta con riferimento; effettore: modifica l'ambiente interno. 3 L'effettore non realizza solo la risposta ma invia un segnale di ritorno al centro di controllo: il feedback. 4 FEEDFORWARD o CONTROLLO ANTICIPATORIO I meccanismi di feedforward (anticipatori) come l’innalzamento della frequenza cardiaca prima di una gara, danno luogo a catene di attività, che possono eventualmente influenzarsi a vicenda (cross talk). Il controllo anticipatorio è la capacità, ottenuta con l’evoluzione, di prevedere un incombente cambiamento e innescare con anticipo il circuito di risposta al cambiamento. Es. Vista, odore, pensiero del cibo sono sufficienti per innescare la salivazione nell’aspettativa di ricevere da mangiare. Per mantenere uno stato di omeostasi, l’organismo utilizza il principio dell’equilibrio di massa, per cui la concentrazione di una data sostanza è mantenuta costante se le entrate sono uguali alle uscite dall’organismo. A tal scopo è necessario garantire osmosi, meccanismi di trasporto e metabolismo cellulare. Esistono tre principali sistemi termodinamici: -Aperto, se consente un flusso con l’esterno sia di materia che di energia, capace cioè di scambiare energia attraverso l’ambiente esterno mediante scambi di calore e/o di lavoro (meccanico – movimento – o chimico – sintesi e demolizione di molecole, sistemi di trasporto contro gradiente), attraverso il suo confine (es. pentola in cui l’acqua può entrare o uscire e può essere riscaldata o raffreddata); -Chiuso, scambia energia ma non materia con l’ambiente esterno, attraverso il suo confine (es. terra; cilindro con del gas chiuso da un pistone, che può scaldarsi o raffreddarsi ma non perde massa); -Isolato, non permette un flusso né di energia né di materia con l’ambiente esterno. (Es. Universo) Un sistema termodinamico è all’equilibrio se nessuna delle sue proprietà cambia nel tempo. La cellula è un sistema termodinamico aperto (in equilibrio), cioè scambia con l’ambiente sia energia che materia. Equilibrio termodinamico: un sistema termodinamico è all’equilibrio quando nessuna delle sue proprietà cambia nel tempo; in un sistema biologico all’equilibrio non cambia la concentrazione di alcun composto e si ha bilancio termico fra sistema e intorno. (scambi di materia e energia tra l’organismo e l’ambiente: introduzione alimenti, assorbimento ossigeno, svolgimento di lavoro per formare molecole complesse, sviluppo di h2o e c02, produzione di calore e scorie) Per la 1°legge della termodinamica che stabilisce che l’energia dell’universo è costante, tutta l’energia che entra in un sistema biologico (corpo umano) deve anche uscire. 5 L’energia in entrata, nel caso del corpo umano, corrisponde ai nutrienti che mangiamo, digeriamo e assorbiamo. L’energia viene persa perché usata per compiere lavoro (compreso l’accumulo di energia), o ritorna nell’ambiente come calore. Energia in entrata = calore (60-70%) + lavoro (20-30%) L’energia si accumula sottoforma di ATP: l’idrolisi di una molecola di glucosio porta alla formazione di CO2, 38 molecole di ATP e 38 molecole di H2O; Delta G = 410 Kcal/mol L’uomo consuma l’energia chimica assorbita per svolgere 3 compiti principali: - Biosintesi: formazione di nuove molecole che utilizza per la crescita o che vengono esportati dal corpo nella vita (gameti, latte, secrezioni mucose, pelle e peli perduti, ecc.); - Mantenimento: mantiene l’integrità del corpo e viene degradata interamente a calore del corpo (circolazione, respirazione, coordinazione nervosa, motilità intestinale, riparazione tissutale). - Generazione di lavoro esterno: quando si applicano forze meccaniche a oggetti esterni al corpo. Nessun animale è capace di riconvertire il calore in energia di legame chimico o in un’altra forma di energia di grado superiore. Per questo l’energia non si ricicla nell’ambito dei singoli animali, ma della biosfera nel suo complesso. Funzione e Processo La funzione di un sistema o evento fisiologico è il «perché» il sistema esiste. Il processo indica la modalità attraverso la quale accadono gli eventi, cioè il «come» di un sistema. Ruolo della fisiologia è «integrare» funzione e processo in un quadro coerente. La cellula rappresenta la base di partenza nello studio della fisiologia umana poiché è considerata l’unità funzionale per il corretto mantenimento dell’omeostasi. La cellula è altamente organizzata con molte unità funzionali o organelli al suo interno. La maggior parte di queste unità è delimitata da una o più membrane. La membrana è specializzata nella funzione dell’organello a cui appartiene, in quanto contiene proteine specifiche e componenti lipidici che le permettono di svolgere il suo ruolo specializzato. 6 Le membrane sono vitali per la cellula in quanto la separano dall’esterno e sono essenziali per l’integrità e la funzionalità della cellula stessa. STRUTTURA MEMBRANE BIOLOGICHE Ci sono diversi modelli della struttura della membrana. Secondo il modello di Dawson-Danielli, la membrana può essere assimilata ad un sandwich di fosfolipidi tra due strati proteici. Si è poi visto che questo modello, accettato per più di 20 anni, non è corretto. Secondo il modello a mosaico fluido (Singer e Nicolson), la membrana è costituita da un doppio strato lipidico fluido e da un mosaico di proteine associate in continuo cambiamento. Le membrane plasmatiche e intracellulari sono molto simili, sia per struttura che per composizione. Presenta un’asimmetria, una differente costituzione fosfolipidica/glicolipidica tra il versante interno ed esterno. Esse sono composte da 3 componenti principali: ▪ Lipidi, che creano una barriera idrofobica. Si dispongono in un doppio strato. ✓ Fosfolipidi ✓ Colesterolo ▪ Proteine, che conferiscono specificità alle azioni svolte dalla membrana. ✓ Estrinseche ✓ Intrinseche ▪ Glucidi, consentono il riconoscimento e la comunicazione (in minore quantità, in membrane plasmatiche di alcune cellule). ✓ Glicolipidi ✓ Glicoproteine 7 Funzioni della membrana: - Ricevere informazioni, risponde alla presenza di molecole segnale presenti all’esterno, innescando reazioni interne di risposta. - Capacità di movimento ed espansione - Fungere da barriera selettiva (importare ed esportare molecole): controlla l’accesso dei soluti e dei solventi permettendo che le caratteristiche del citoplasma differiscano da quello dei liquidi esterni, ma anche di macromolecole e strutture di dimensioni maggiori; - Fungere da barriera meccanica che delimita il citoplasma - Presenta molecole specifiche che permettono alla cellula di essere riconosciuta, di aderire ad altre cellule e comunicare tra loro. Le proprietà del doppio strato dipendono dalla composizione. Tutte le membrane contengono proteine e lipidi, ma in proporzioni variabili in base all’organello considerato. Es. La mielina, che isola le fibre nervose, è formata dal 18% di proteine e dal 76% di lipidi; Es. La membrana mitocondriale interna è formata per il 76% da proteine e dal 24% da lipidi. Es. Le membrane plasmatiche dei globuli rossi umani e murini sono formati dal 44% da proteine e dal 43% da lipidi. Le membrane biologiche sono composte di… 1. Lipidi – il doppio strato lipidico crea una barriera idrofobica (Per la maggior parte fosfolipidi ma anche glicolipidi e colesterolo) 2. Proteine – conferiscono specificità alle funzioni svolte dalla membrana a. Proteine di membrana periferiche legate alla superficie della membrana b. Proteine di membrana integrali – contengono domini idrofobici e idrofilici -> anfipatiche c. Glicoproteine integrali – contengono molecole glucidiche -> recettori di superficie Quali funzioni sono associate ai vari componenti? Lipidi: - Barriera idrofobica Proteine: - Trasporto specifico - Riconoscimento e comunicazione - Conversione di energia Carboidrati: - Riconoscimento e comunicazione LIPIDI DI MEMBRANA Fosfolipidi e colesterolo sono molecole anfipatiche costituite da una testa polare e da una catena idrofobica. Fosfolipidi Hanno una testa polare e code idrofobe (acidi grassi). In soluzione acquosa possono formare spontaneamente 3 strutture: - Micella (non contengono all'interno una soluzione acquosa) - Liposoma (normalmente, ma non per definizione, contengono un nucleo di soluzione acquosa) - Doppio strato Possono inoltre formare un film monomolecolare di lipidi 8 Le molecole di fosfatidilcolina organizzate in doppio strato possono modificare la conformazione delle loro catene idrofobiche (statoliquido) mentre le teste polari sono organizzate in un reticolo cristallino bidimensionale (stato solido). Il doppio strato ha quindi lo stato fisico di una mesofase liquido-cristallina. i fosfolipidi di membrana sono tra i principali lipidi di membrana. Hanno una testa polare e due code idrofobiche La presenza del doppio legame cis impedisce un impacchettamento troppo stretto dei fosfolipidi e rende il bilayer difficile da congelare. Le proprietà del doppio strato dipendono dalla temperatura: A bassa temperatura i monomeri sono organizzati in uno stato cristallino Innalzando la temperatura si ha rottura dei legami intermolecolari di van der Waals fra le catene idrofobiche FLUIDITÀ DELLA MEMBRANA La fluidità della membrana da cui dipende la sua funzione, quindi dipende da vari fattori: -TEMPERATURA Bassa T: il bilateral è in stato di gel e strettamente impacchettato. I monomeri sono organizzati in uno stato cristallino Alta T: il bilayer è fuso e l’interno è fluido, permettendo il movimento delle molecole lipidiche. Innalzando la temperatura si ha rottura dei legami intermolecolari di van der Waals fra le catene idrofobiche -COMPOSIZIONE LIPIDICA Stretto impacchettamento delle code idrofobiche -> Minor fluidità La lunghezza e il numero di doppi legami determinano il grado di impacchettamento. La lunghezza varia da 14-24 atomi di C, una catena più corta -> minore interazione -> aumento della fluidità. Presenza di doppi legami -> maggiore fluidità. -QUANTITÀ DI COLESTEROLO PRESENTE Nelle cellule animali, il colesterolo è usato per modulare la fluidità della membrana in quanto va a riempire i buchi tra i nodi delle catene insature Più colesterolo -> meno fluidità della membrana. Meno colesterolo-> più fluidità della membrana. Colesterolo È una molecola numericamente variabile, solitamente corrisponde al numero di fosfolipidi. In alcune cellule, ad esempio quelle batteriche, è assente. Si inserisce nelle membrane seguendo l’orientamento dei fosfolipidi allineando le teste polari. Funzioni: Bloccare i gruppi idrocarburici dei fosfolipidi, rendendo meno deformabile il bilayer e per diminuire la permeabilità alle molecole idrofobiche. 9  Previene la cristallizzazione degli idrocarburi. In generale la membrana plasmatica contiene quasi una molecola di colesterolo per molecola di fosfolipide, ma questa quantità può variare in base alla cellula che si prende in considerazione, per esempio esistono membrane come quelle batteriche che non contengono colesterolo Perché è importante la fluidità di membrana? Permette una rapida diffusione laterale delle proteine di membrana nel bilayer e favorisce le interazioni, importanti per la comunicazione cellulare. Facilita la distribuzione dei lipidi e delle proteine di membrana dal sito di inserzione ad altre regioni della cellula. Permette alle membrane di fondere e mixare molecole. MOVIMENTO DEI LIPIDI IN UN BILAYER GLICOLIPIDI DI MEMBRANA Sono simili ai fosfolipidi, solo che, nel glicerolo in posizione 3 è legato un glucide piuttosto che un fosfato. La molecola principale è la ceramide (costituita da sfingosina + acido grasso). La testa polare è data da un singolo monosaccaride nei cerebrosidi o da una catena ramificata di zuccheri nei gangliosidi. 10 Si inseriscono nella membrana con la porzione glucidica verso lo spazio extracellulare Funzioni: Protezione della membrana da condizioni estreme (basso pH ed enzimi degradativi). Isolamento fungono da siti di binding recettoriali. (Es. Le tossine (colera, tetano) vengono legate da glicosfingolipidi) Cooperano con il colesterolo per raccogliere le proteine in una regione della membrana chiamata “microdomain”, grazie a questi abbiamo i processi di trasduzione del segnale. Agiscono come ancore per l’attacco di proteine quando le membrane si muovono intorno alla cellula e durante la trasduzione del segnale. La porzione saccaridica di alcuni glicolipidi sono i determinanti dei gruppi sanguigni umani, in quanto rappresentano i due antigeni A e B, che determinano il gruppo sanguigno. Contribuiscono ai processi di riconoscimento cellulare. Contribuiscono al legame della cellula con la matrice extracellulare. Contribuiscono all’isolamento elettrico nella membrana mielinica. RAFT LIPIDICI La membrana plasmatica contiene molti RAFTS LIPIDICI (zattere lipidiche) piccole zone specializzate, dove si concentrano maggiormente lipidi, prevalentemente sfingolipidi e colesterolo, si vengono a formare così delle zone del bilayer più spesse (~70 nm di diametro), capaci di accumulare più proteine, permettendo così il trasporto in piccole vescicole e il funzionamento di esse in modo integrato (convertire segnali extracellulari in segnali intracellulari). La maggior parte delle molecole lipidiche nelle membrane cellulari sono disposte in modo casuale nel monostrato lipidico in cui risiedono. Le forze di van der Waals di attrazione fra le code di acidi grassi vicini non sono sufficientemente selettive da tenere insieme gruppi di molecole di questo tipo. Tuttavia, per alcune molecole lipidiche, come gli sfingolipidi, che tendono ad avere catene di acidi grassi lunghe e sature, le forze di attrazione possono essere sufficientemente forti da trattenere transitoriamente molecole adiacenti vicine formando piccoli microdomini. Tali microdomini - "rafts" lipidici - possono essere considerati come fasi di separazione transitorie nel doppio strato lipidico in cui si concentrano gli sfingolipidi. Modello di "rafts" lipidici nella rete trans del Golgi. Proteine di membrana con segmenti trans-membrana sufficientemente lunghi si distribuiscono preferenzialmente nei "rafts" lipidici e quindi vengono smistate in vescicole di trasporto. Questi "rafts" vengono in seguito inglobati in vescicole di trasporto che li trasportano al dominio apicale della membrana plasmatica. Proteine che legano i carboidrati (lectine) nel lume della rete trans- del Golgi possono aiutare a stabilizzare i "rafts", come illustrato. Gli sfingolipidi (figure in rosso con due gambe e il colesterolo intercalato (figure più piccole arancione) formano un microdominio altamente impacchettato in un ambiente ricco di fosfatidilcolina (PC; figure blu, due gambe). Le regioni riche di PC sono impacchettate meno strettamente e più fluide dei domini richi in singolipidi e colesterolo. 11 ASIMMETRIE DELLA MEMBRANA CELLULARE La composizione dei due foglietti, esterno e interno, della membrana cellulare presenta notevoli differenze, non solo nella componente proteica, ma anche nella stessa componente lipidica, per cui la membrana plasmatica è caratterizzata da una marcata asimmetria, che riflette le differenti funzioni dei due monostrati. I GLUCIDI (oligosaccaridi) sono presenti come glicolipidi e glicoproteine solo nel versante esterno a contatto con l’ambiente extracellulare dove possono svolgere funzione recettoriale, partecipando nei processi di adesione cellulare, oppure funzione protettiva, costituendo il glicocalice, che riveste esternamente la membrana plasmatica, proteggendola dagli insulti chimici e fisici. Per quanto riguarda i LIPIDI sul versante esterno sono presenti per lo più molecole che, nella testa polare, contengono colina, precisamente fosfatidilcolina e sfingomielina; nel versante interno, invece, sono presenti per lo più teste senza carica, o con carica negative, precisamente fosfatidiletanolamina (senza carica), fosfatidilserina e fosfatidilinositolo (carica negativa). Ciò comporta una prevalenza di cariche negative sul versante citoplasmatico. L’asimmetria è generata durante la sintesi della membrana nel reticolo endoplasmatico, nel quale carriers (proteine trasportatrici) di fosfolipidi trasportano specifici fosfolipidi da un monostrato all'altro. Una volta che le neo-membrane hanno raggiunto la superficie cellulare, l'asimmetria dei fosfolipidi è mantenuta dalla attività coordinata di specifici meccanismi di trasporto: La traslocasi ATP-dipendente (flippasi), specifica per gli aminofosfolipidi, trasporta fosfatidiletanolamina e fosfatidilserina dal monostrato esterno a quello interno. La floppasi ATP-dipendente, trasporta senza specificità fosfolipidi dal monostrato interno a quello esterno. La scramblasi, (dall'inglese to scramble, mescolare), una proteina Ca2+ dipendente non specifica, che consente ai fosfolipidi di muoversi casualmente tra i due monostrati. Importanza biologica dell'asimmetria dei lipidi di membrana 12 Le composizioni dei due monostrati del bilayer lipidico sono marcatamente diverse. Es. nella membrana degli eritrociti umani, quasi tutte le molecole lipidiche che hanno la colina nel loro gruppo di testa (fosfatidilcolina e sfingomielina) si trovano nel foglietto esterno, mentre quasi tutte le molecole di fosfolipidi che contengono un aminogruppo terminale primario (fosfatidiletanolamina e fosfatidilserina) si trovano nel monostrato interno. Poichè la fosfatidilserina carica negativamente è localizzata nel monostrato interno, vi è una significativa differenza di cariche fra le due metà del doppio strato. La membrana plasmatica contiene diversi enzimi, detti fosfolipasi, che sono attivate da segnali extracellulari per scindere molecole di fosfolipidi specifiche, generando frammenti di queste molecole che fungono da mediatori intracellulari a corta vita. Es. la fosfolipasi C, scinde un inositolo fosfolipide del monostrato citosolico della membrana plasmatica per generare due frammenti, uno dei quali rimane nella membrana ed aiuta ad attivare la proteina chinasi C, mentre l'altro è rilasciato nel citosol dove stimola il rilascio di Ca2+ dal reticolo endoplasmatico. Molte proteine del citosol si legano a specifici gruppi di testa di lipidi presenti sul monostrato citosolico del bilayer lipidico. Es. l'enzima proteina chinasi C (PKC) viene attivata in risposta a diversi segnali extracellulari. La PKC si lega alla faccia citosolica della membrana plasmatica, dove è concentrata la fosfatidilserina, e richiede questo fosfolipide carico negativamente per la sua attività. In altri casi, il gruppo di testa dei lipidi deve essere prima modificato in modo da creare siti di aggancio per le proteine in una posizione e momento determinati. Es. il fosfatidilinositolo, che è un fosfolipide poco rappresentato, concentrato nel monostrato citosolico delle membrane cellulari. Diversi enzimi detti chinasi dei lipidi possono legare gruppi fosfato in posizioni distinte dell'anello di inositolo. Gli inositolo-fosfolipidi fosforilati fungono da siti di legame che reclutano proteine specifiche dal citosol fino alla membrana. Funzioni dell’asimmetria: L'asimmetria di membrana ha un ruolo importante nella funzionalità cellulare. La prevalenza dei fosfolipidi contenenti etanolammina (fosfatidiletanolammina e plasmeniletanolammina) nel foglietto interno della membrana e dei colino-fosfolipidi nel foglietto esterno potrebbe influenzare i processi di endo- ed esocitosi. Alcune proteine periferiche (PKC, annessina, spectrina) si fissano alla superficie citosolica della membrana grazie alla interazione con la fosfatidilserina. La perdita della asimmetria provoca un aumento degli aminofosfolipidi, in particolare della fosfatidilserina, sulla superficie cellulare, con notevoli conseguenze per la fisiologia cellulare. La trasformazione della membrana plasmatica delle piastrine in una superficie procoagulante è causata dalla alterazione della asimmetria dei fosfolipidi, che comporta un'eccessiva presenza di fosfatidilserina sul foglietto esterno; ciò promuove la coagulazione e la trombosi, aumentando la formazione di trombina di oltre un milione di volte. L'esposizione della fosfatidilserina fornisce una superficie catalitica per l'assemblaggio dei complessi enzimatici: protrombinasi (complesso che catalizza la conversione di protrombina in trombina) e tenasi (complesso attivante il Fattore X, composto dai Fattori IXa e VIIIa). Serve per la distinzione delle cellule vive da quelle morte, poiché quando la cellula va in apoptosi, la fosfatidilserina viene traslocata dal versante citosolico a quello extracellulare, ed utilizzata come molecola segnale di riconoscimento dai macrofagi che la digeriscono. PROTEINE DI MEMBRANA Le proteine sono macromolecole incorporate nel bilayer, capaci di conferire proprietà uniche a ciascun tipo di membrana. Possono passare attraverso il bilayer (proteine transmembrana), possono essere ancorate nella zona citoplasmatica o in quella esterna. 13 Asimmetria delle Proteine Proteine con funzione recettoriale espongono il sito di legame sulla faccia della membrana da cui proviene il ligando, ne sono un esempio i recettori ormonali Le proteine che devono ricavare l'energia necessaria alla loro funzione dall'idrolisi di ATP espongono il sito di legame per l'ATP sul versante intracitoplasmatico della membrana stessa Funzioni: Trasporto attivo e passivo: alcune proteine integrali possono formare o canali (formando pori per il passaggio di determinate sostanze) o possono comportarsi da trasportatori (carriers), ovvero proteine che, mediante cambiamenti conformazionali, consentono passaggi selettivi. Adesione e ancoraggio: alcune proteine periferiche che si affacciano sul lato citoplasmatico, e servono per ancorare i filamenti citoscheletrici. Recettoriale: le proteine espongono il sito di legame sulla faccia della membrana da cui proviene il ligiando e riconoscono quindi specifiche molecole, ad esempio ormoni. Enzimatica: alcune proteine catalizzano reazioni sulla superficie di membrana. Marcatori di identità cellulare: per lo più di natura glucidica, caratteristici di ciascun individuo, permettono di discriminare le cellule provenienti da altri organismi (antigeni). In base ai rapporti instaurati con le membrane, distinguiamo: -Proteine ancorate alla zona citoplasmatica o alla zona esterna. -Proteine periferiche -Proteine integrali (o proteine transmembrana) Inoltre, le proteine si distinguono in: -Monotopiche, associate ad un solo lato della membrana. -Monopasso, che attraversano il doppio strato solo una volta. (Es. Glicoforina, tipica degli eritrociti) -Multipasso, che lo attraversano più volte. (Batteriorodopsina, attraversa la membrana 7 volte) In base alla funzione possiamo distinguere: -CANALI: proteine integrali (generalmente glicoproteine), che funzionano come pori per consentire l’entrata e l’uscita di determinate sostanze nella cellula. -TRASPORTATORI (o carriers): proteine che, mediante cambiamenti conformazionali, consentono il passaggio selettivo di determinate molecole o ioni. -RECETTORI: proteine integrali che riconoscono specificatamente determinate molecole (ormoni, neurotrasmettitori, nutrienti, ecc.). -ENZIMI: proteine integrali o periferiche che catalizzano reazioni enzimatiche sulla superficie della membrana. 14 -ANCORAGGI DEL CITOSCHELETRO: proteine periferiche, affacciate dal lato citoplasmatico della membrana, che servono per ancorare i filamenti del citoscheletro. -MARCATORI DI IDENTITA’ CELLULARE: glicoproteine caratteristici di ciascun individuo, che permettono l’identificazione delle cellule provenienti da altri organismi. Proteine integrali Le proteine transmembrana, dette anche proteine integrali, sono anfipatiche e fortemente associate alla membrana. Possono essere staccate dalla membrana solo attraverso enzimi, solventi o detergenti Le proteine intrinseche sono bloccate all’interno della membrana perché la porzione che attraversa la membrana ha residui aminoacidici apolari che non possono uscire a contatto con il mezzo acquoso. Nella maggior parte delle cellule le proteine intrinseche possono muoversi in orizzontale liberamente scorrendo dentro la membrana [NB. Nei neuroni la maggior parte delle proteine di membrana sono fissate in posizione dato che porzioni differenti del neurone hanno composizione proteica e proprietà differenti] Funzioni: -Trasportare molecole attraverso la membrana -Fungono da recettori (ad es. nella glicoforina i residui oligosaccaridici agiscono come recettori del virus dell’influenza) -Attraversano la membrana varie volte, i tratti con cui attraversano la membrana sono detti domini trans-membrana. -A volte si raggruppano insieme a formare un “poro” attraverso la membrana. I pori sono punti importanti di passaggio di farmaci e di ioni (canali ionici). Sono stati individuati molti canali ionici; essi sono selettivi (Na+,K+, Cl-). Le proteine che formano questi canali sottostanno a cambiamenti conformazionali che aprono e chiudono il canale. Come può un legame peptidico polare essere inserito nel core idrofobico di un bilayer fosfolipidico? Poiché i legami peptidici stessi sono polari e dato che l’acqua è assente, tutti i legami peptidici nell’ambito del doppio strato sono portati a formare legami H gli uni con gli altri. Il legame H fra i legami peptidici viene massimizzato se la catena polipeptidica forma una alfa-elica regolare nell’attraversamento (In una a-elica i legami peptidici polari si trovano all’interno e i gruppi R delle catene laterali che protrudono all’esterno); Si ritiene che sia in questo modo che la grande maggioranza dei segmenti che attraversano la membrana delle catene polipeptidiche attraversino il doppio strato. Le proteine che attraversano il doppio strato sono stabilizzate se formano, tra i vari amminoacidi che le compongono, quindi tra i vari legami peptidici, anche dei legami ad H, anche se ciò produce la formazione di alfaeliche, le quali sono costituite tipicamente da 20-25 amminoacidi la maggior parte dei quali idrofobici (triptofano, fenilalanina, parolina, isoleucina). Es. Glicoforina: tipica proteina degli eritrociti che attraversa la membrana plasmatica una volta Batteriorodopsina: tipica proteina che attraversa la membrana plasmatica sette volte. E’ una pompa protonica degli Archea che sfrutta l'energia luminosa per funzionare. Il gradiente protonico risultante viene successivamente convertito in energia chimica, tramite la sintesi di ATP. Proteine periferiche Si ancorano sul versante interno o esterno della membrana, mediante legami elettrostatici con le teste polari dei fosfolipidi, o nelle porzioni idrofobiche di proteine integrali. Rafforzamento membrana plasmatica 15 Essendo molto sottile e fragile, la membrana cellulare è rafforzata, sul versante citoplasmatico, da una cortex cellulare, cioè una trama di natura proteica che ne determina la forma e la meccanica. Il Citoscheletro Il citoscheletro è una rete di fibre di sostegno molto fine ed è costituito da tre tipi di fibre: o I microfilamenti, rigidi bastoncini elicoidali composti da actina, sono coinvolti nella contrazione e nel movimento cellulare o I filamenti intermedi sono costituiti da proteine fibrose e servono da rinforzo e per tenere bloccati gli organuli o I microtubuli sono costituiti da tubulina e svolgono la funzione di ancoraggio e di guida degli organuli e dirigono i complessi movimenti dei cromosomi quando la cellula si divide. GLICOCALICE I lipidi presenti nella membrana plasmatica possono legare catene di zuccheri generando così i glicopilidi; Le proteine della membrana plasmatica possono legare brevi catene di zuccheri, ovvero oligosaccaridi, generando così glicoproteine; Le proteine di membrana possono legare anche una o più catene lunghe di zuccheri generando i cosiddetti proteoglicani. Tutti i carboidrati appartenenti ai glicolipidi, alle glicoproteine ed ai proteoglicani contribuiscono a formare il GLICOCALICE. Questo è presente esclusivamente sul versante extracellulare, protegge la superficie cellulare dal danneggiamento meccanico e chimico lubrificando la superficie e assorbendo acqua. Inoltre, grazie agli oligosaccaridi che lo costituiscono, rappresenta uno strumento di riconoscimento cellula-cellula, fondamentale nelle risposte immunitarie. Funzioni del Glicocalice o Esso aiuta a proteggere la superficie cellulare dal danneggiamento per cause chimiche e meccaniche; o Le catene di zuccheri assorbono acqua rendendo così scivolosa la membrana cellulare: questa caratteristica aiuta per esempio le cellule mobili come i leucociti nella migrazione trans-endoteliale ed evita agli eritrociti di aderire tra di loro o alle pareti dei vasi; o Svolge un ruolo fondamentale nel riconoscimento e nell'adesione cellulare. o Distingue cellule specializzate in una particolare funzione e le rende riconoscibili ad altre cellule con cui devono interagire. 16 o Particolarmente importante nel mediare le risposte infiammatorie 17 Transportoattraverso la membrana: Il bilayer lipidico è praticamente impermeabile alle molecole idrofile, nonostante ciò, le cellule richiedono di importare nutrimenti solubili in acqua (zuccheri, aminoacidi, ecc.), eliminare prodotti di degradazione e controllare la concentrazione ionica (H+, Na+, K+, Ca2+, ecc.). Ciò richiede proteine di trasporto per facilitare l’ingresso/uscita attraverso la membrana di molecole specifiche. Ciascun tipo di membrana ha un set caratteristico di proteine di trasporto che determinano il tipo di soluti che possono entrare/uscire dalla cellula/organello Lezione 2 TRASPORTO ATTRAVERSO LA MEMBRANA Il bilayer lipidico è impermeabile alle molecole idrofile. Le cellule richiedono di importare nutrienti solubili in acqua (zuccheri, aminoacidi, ecc.), eliminare prodotti di degradazione e controllare la concentrazione ionica. Per facilitare l’ingresso e l’uscita attraverso la membrana sono richieste proteine di trasporto. Ciascun tipo di membrana ha un set caratteristico di proteine di trasporto che determinano il tipo di soluti che possono entrare/uscire dalla cellula/organello. Ci sono due classi di proteine di trasporto: -Proteine carrier: legano il soluto da un lato della membrana e lo trasportano dall’altro lato con un cambiamento di conformazione della proteina. -Proteine canale: formano pori idrofobici nella membrana attraverso cui passano determinati ioni. Le proteine trans-membrana a singole alfa-eliche sono tipicamente recettori: la parte extracellulare lega molecole segnale, la parte citoplasmatica segnala all’interno della cellula; mentre le proteine trans- membrana ad alfa-eliche multiple formano i canali: le proteine formano pori idrofili che permettono a molecole idrofiliche di attraversare le membrane. 18 Proteine carrier proteine canale Le membrane biologiche, barriere fisiche, permettono il passaggio a piccole molecole non cariche e molecole idrofobe, ma non a quelle di grandi dimensioni o cariche. Queste molecole possono attraversare la membrana tramite due metodi: Trasporto attivo: richiede consumo di energia ricavata dalla cellula mediante idrolisi di ATP.( energia che noi ricaviamo dal cibo) Trasporto passivo: non richiede consumo di energia, ma avviene spontaneamente. TRASPORTO PASSIVO Esso presenta due modalità: -Diffusione semplice: permette il passaggio di molecole piccole, apolari o debolmente polari (O2, CO2, H2O) attraversano spontaneamente il bilayer. È un tipo di trasporto che non necessita di sistemi proteici, ma utilizza esclusivamente il gradiente di concentrazione favorevole. Es. Osmosi o Diffusione passiva: semplice movimento del solvente da zone ad alta concentrazione a zone a bassa concentrazione. La membrana non partecipa attivamente al processo. -Diffusione facilitata: permette il passaggio secondo gradiente di molecole piccole e polari (ioni) o più grandi (glucosio), sfruttando proteine di membrana (carrier) per attraversare il bilayer. 19 Si definisce gradiente di una grandezza (pressione, concentrazione, ecc.), la direzione lungo la quale è massima la variazione di detta grandezza per unità di percorso. Il trasporto di materia, energia e quantità di moto si muovono sempre lungo un gradiente. DIFFUSIONE SEMPLICE La diffusione semplice è un tipo di trasporto che non necessita di sistemi proteici, ma utilizza esclusivamente il gradiente di concentrazione favorevole. Essa obbedisce alla legge di Fick, secondo cui la velocità di diffusione è uguale a: A= area della membrana (m2) D= coefficiente di diffusione (m2/sec) P1, P2= concentrazione del gas sulle due facce della membrana T= spessore della membrana LEGGE DI FICK La velocità di trasferimento di un gas attraverso una lamina di tessuto è direttamente proporzionale all’area del tessuto, ad una costante di diffusione ed alla differenza di pressione parziale del gas tra i due lati, ed inversamente proporzionale allo spessore del tessuto. La velocità di diffusione dunque è la quantità di gas che viene trasferita in un certo intervallo di tempo. Per facilitare lo scambio di un gas ad una data differenza di concentrazione la superficie dell’epitelio respiratorio deve essere la massima possibile e la distanza di diffusione la minore possibile. A livello polmonare la diffusione dei gas respiratori ha flusso pari a: α= coefficiente di solubilità F= flusso diffusionale K= costante inv. proporzionale a PM ΔP= pressione parziale del gas Principio di Fick la quantità di gas che viene trasferita attraverso barriera permeabile è direttamente proporzionale alla differenza di pressione, alla superficie di scambio ed inversamente proporzionale alla sezione; inoltre dipende dalle caratteristiche di solubilità e diffusibilità del gas stesso Un ulteriore applicazione della legge di Fick è data dalla velocità di diffusione di una specie non carica, che a temperatura costante è uguale a: K1= coeff. di ripartizione per l’entrata K2=coeff. di ripartizione per l’uscita (le molecole non polari come NH3 si sciolgono nella fase lipidica e attraversano le membrane per diffusione semplice) APPROFONDIMENTO APNEA E ALTITUDINI Ogni 10 metri di profondità sott’acqua, la pressione atmosferica aumenta da 1 a 2 atm. A livello del mare noi abbiamo 1 atm di pressione, alla profondità di 10 m avremo 2 atm. I polmoni sottoposti a questa pressione seguono la legge di Boyle: p1V1 = p2V2. Quindi quando il volume dei polmoni diminuisce, aumenta la pressione. Per effetto della legge di Boyle possiamo distinguere un volume effettivo dei gas ed un volume a livello del mare. Sott’acqua per effetto della compressione dei polmoni si ha un innalzamento della pressione parziale. L’emersione è considerata una fase critica, durante la quale si corrono i maggiori rischi; infatti, quando il nuotatore riemerge, la pressione si riduce progressivamente e la cassa toracica si espande insieme all’aria contenuta nei polmoni. Di conseguenza si verifica una caduta della pressione parziale dell’ossigeno alveolare che si porta intorno ai 41 mmHg, un valore comparabile a quello presente nel sangue venoso. A livello del mare la pO2 è di 100 mmHg, a livello del sangue è di 40 mmHg, permettendo il passaggio del sangue: quando la pressione scende e si porta quasi al valore di pO2 del sangue che arriva all’alveolo, gli scambi non possono avvenire. Dunque, in queste condizioni è possibile che il flusso di O2 dagli 20 alveoli al sangue si interrompa e che si determini persino un flusso in senso inverso di O dal sangue agli alveoli. La probabilità che si instauri uno stato di ipossia aumenta se durante l’immersione è stata svolta un’attività fisica (consumo maggiore di O2). In questa fase la CO2 riprende la sua normale diffusione verso gli alveoli e l’eventuale azoto disciolto nel sangue segue lo stesso percorso; l’azoto disciolto nei tessuti però nel caso dell’apnea è poco, per cui incide poco, almeno che non si verifichino immersioni ripetute che fanno si che non si ha il tempo di smaltirlo formando delle bolle e compromettendo la neurotrasmissione. Nelle immersioni in apnea, generalmente l'azoto passato nel sangue in fase di discesa è solo una quota di quello presente nei polmoni e quindi non è in quantità tale da indurre problemi di decompressione. Qualche difficoltà può presentarsi quando le immersioni si susseguono con ritmo frequente da determinare accumulo di N2 nei tessuti. Si può andare sott’acqua in apnea o con le bombole: le bombole possono creare dei problemi e contengono percentuali di gas diverse in base alle diverse profondità da raggiungere. Il subacqueo per andare sott’acqua cerca di iperventilare per incamerare più aria possibile; tuttavia l’iperventilazione comporta non solo l’incamerazione di più ossigeno ma anche una maggiore emissione di CO2. La pressione dell’acqua compatta i polmoni e concentra l’ossigeno che lascia il corpo. Certe popolazioni inspirano l’aria ma quando la espirano emettono un fischio che limita la perdita di CO2, riuscendo a rimanere sott’acqua per un tempo maggiore. Immersione prolungata -> espansione polmonare in emersione = abbassamento della pO2 e anossia (perdita di coscienza) INCIDENTI DA APNEA Il più grave incidente a cui può andare incontro l'apneista è la Sincope SINCOPE: Cosa è: è una perdita di coscienza con arresto respiratorio e successivamente cardiaco. Causa: mancanza di ossigenazione cerebrale (ipossia) SINCOPE PRIMARIA E SECONDARIA 1) La sincope primaria: deriva da un'apnea prolungata e si manifesta quando la concentrazione dell'O2 nel sangue, scende al di sotto del 10%. In tali condizioni, vi è un "arresto" del funzionamento delle cellule nervose che restano in uno stato di blocco metabolico, le quali, se non prontamente ripristinate, diventano irrecuperabili. La sincope non da segni premonitori, e la sua gravità dipende dal fatto che l’apnea sia stata o meno proceduta da iperventilazione. 2) La sincope secondaria: non è tipica dei subacquei, si presenta di solito dopo un tuffo in acqua, a causa di una differenza di temperatura tra il corpo e l'acqua (il centro termoregolatore è nell’ipotalamo, che avverte tramite i termocettori l’improvviso raffreddamento e risponde con una eccessiva vasocostrizione che a livello celebrale provoca la sincope secondaria). Cosa accade ad alte quote? La quota determinante per cambiamenti drastici nella nostra fisiologia è 3000 m. In fisiologia distinguiamo due concetti: acclimatizzazione e adattamento. Acclimatizzazione: quella che il nostro organismo può fare per neutralizzare una variabile; nel caso delle alte quote, man mano che si sale diminuisce la pO2 per le minori % di O2 e noi siamo in grado di rispondere entro determinati limiti (specie- specifici) neutralizzando tale variazione di pressione parziale. Man mano che si sale bisogna anche termoregolare, in quanto si va incontro al freddo, e bisogna anche compiere un lavoro in più (fatica). Noi possediamo un patrimonio di geni: possediamo circa 275 tipi di cellule diverse, per cui alcuni geni sono attivi, altri no. Le cellule nervose sono quelle che hanno più geni attivi. Con la tecnica di microarray si può stabilire quali e quanti geni sono attivi in una cellula. Quindi l’acclimatizzazione fa parte delle possibilità che l’uomo ha di rispondere a delle variazioni “accendendo” o “spegnendo” determinati geni. Adattamento: richiede più tempo perché legato alle mutazioni di geni. Ci sono casi in cui gli adattamenti sono avvenuti molto velocemente (es. farfalle che vivevano in Inghilterra sulle betulle ed erano di colore chiaro come i tronchi per difendersi dagli uccelli; con l’industrializzazione sono diventate scure aumentando la loro capacità di sopravvivenza). Le mutazioni sono legate al grado di sopravvivenza di una specie. Quando si è in alta quota, l’organismo attraverso dei recettori percepisce la variazione di pO2 e risponde incrementando la respirazione, sia come frequenza che come profondità respiratoria (centro respiratorio nel bulbo e centro nel ponte). 21 L'iperventilazione e la tachicardia sono in grado di compensare l'ipossia a breve termine. A medio e lungo termine, l'aumento del valore di ematocrito (parte corpuscolare del sangue, 45%) e quindi della concentrazione di emoglobina (Hb) rappresentano un efficace meccanismo di compensazione. Il 98% dell’ossigeno viene trasportato dai globuli rossi, solo il 2% disciolto nel sangue. Aumentando il numero di globuli rossi, aumenta la possibilità di trasportare O2. Nei tempi brevi, prima che questo effetto si verifichi, si osserva uno spostamento a destra della curva di dissociazione Hb- O2 (ossiemoglobina), un fenomeno dovuto all'aumento di concentrazione dell'enzima 2,3-difosfoglicerato (DPG) nel sangue. La concentrazione di DPG, enzima strettamente correlato alla glicolisi, è incrementata dall'iperventilazione (aumento della glicolisi), che induce uno stato di alcalosi responsabile dell'aumento di velocità delle reazioni metaboliche anaerobiche. Di conseguenza, a parità di valore di pO2, si riduce l'affinità tra O2 e Hb e quindi è più facile il distacco di O2 dall'Hb e lo spostamento del gas verso i tessuti. Questo spostamento a destra delle curve di dissociazione Hb-O2 controbilancia l’effetto di segno opposto, cioè lo spostamento a sinistra determinato direttamente dall'alcalosi (cambia il pH del sangue anche a causa della CO2). [Globulo rosso – diametro 8 micron, spessore 2 micron]. La curva di saturazione dell’emoglobina arriva al 98% (vedi immagine); se la curva si sposta a destra significa che l’O2 è ceduto a destra più facilmente. [Alcalosi: pH 7,6] L’esposizione prolungata di ipossia determina nella maggior parte dei vertebrati un aumento della concentrazione ematica di globuli rossi(?). Uno stato di permanente ipossia comporta a livello cellulare l'attivazione del fattore 1 indotto dall'ipossia (Hif-1), un fattore di trascrizione che si lega a varie sequenze di geni ed è il principale regolatore dell'omeostasi dell'O, nei Mammiferi. L'attivazione dello Hif-1, che si riscontra durante la permanenza ad alta quota come pure nei casi di grave anemia o emorragia, induce la produzione dell'ormone eritropoietina, una glicoproteina sintetizzata nel rene e, secondariamente, in alcune fasi dello sviluppo, anche nel fegato. L'ormone agisce sul midollo rosso (no spinale) stimolando la differenziazione delle cellule progenitrici degli eritrociti e abbreviando il tempo di maturazione nelle varie fasi intermedie. In tal modo l'eritropoiesi, in condizioni di ipossia, può aumentare anche di 5 volte rispetto ai valori normali. L'attivazione di Hif-1 stimola anche quella del fattore di crescita dell’endotelio vascolare (capillarizzazione), che controlla la proliferazione della rete capillare e contribuisce quindi a ridurre il percorso di diffusione dell’O2. Modificazioni ematiche a lungo termine Ematocrito Livello del mare: 45% Ipossia: fino al 70% Maturazione di eritrociti Livello del mare: 2 milioni/sec Ipossia: fino a 10 milioni/sec Tempi dell’aumento dell’ematocrito 24-48 ore – riduzione volume 3-4 settimane – per effetto dell’EPO Anni – acclimatizzazione completa Ci sono animali, come il lama e la vigogna che vivono ad altissime quote in Perù, che hanno già geneticamente la curva spostata a sinistra, apportando una quantità di O2 sufficiente ai tessuti. Anche alcune popolazioni presentano modificazioni genetiche. Il fattore 1 indotto dall’ipossia (Hif-1) è un fattore di trascrizione attivato in tutte le condizioni di ipossia (alta quota, anemia, emorragia, ecc.). Il rallentamento del metabolismo aerobico determina un effetto all'apparenza paradossale, cioè aumenta la produzione di specie radicaliche dell'O2 (ROS) per autossidazione di complessi mitocondriali. D'altra parte, in ipossia i sistemi antiossidanti sia enzimatici che non enzimatici riducono attività ed efficacia (possono insorgere tumori). 22 Patologie associate all’aumento di ematocrito Ad alta quota: a) Ematocrito elevato (fino a 5 volte) b) Viscosità del sangue elevata (>45%) c) Maggiore probabilità di trombosi Complicanze 1. Ipertensione polmonare 2. Insufficienza cardiaca (cuore destro: subisce maggior danno perché deve pompare con maggiore forza comportando la muscolarizzazione del ventricolo destro) Malessere da montagna cronico o Chronic Monge Sickness (CMS) o Sindrome di Monge: questa patologia descritta per la prima volta da Carlos Monge nel 1925 è associata ad uno spettro di sintomi correlati all’ipossia. Le complicanze più gravi sono ipertensione polmonare ed insufficienza cardiaca a carico soprattutto del cuore destro che stenta a fare fronte all’eccessivo lavoro, dovuto alla elevata viscosità del sangue. La diffusione facilitata utilizza proteine trasportatrici. Le proteine trasportatrici possono essere sia carrier, per molecole come il glucosio, oppure canali ionici, per il passaggio selettivo di un tipo di ione. Le molecole trasportate non sono tutte liposolubili, ma neanche abbastanza piccole da attraversare spontaneamente il bilayer. Non è richiesto l’utilizzo di ATP poiché il trasporto avviene secondo gradiente di concentrazione e persiste fino al raggiungimento dell’equilibrio. OSMOSI Un altro meccanismo di trasporto passivo è l’osmosi, un processo che consiste nel passaggio delle molecole del solvente da una soluzione più diluita ad una più concentrata, attraverso una membrana semi-permeabile, fino a quando non si livellano i gradienti di acqua e soluti. Può essere anche definita come il processo mediante il quale l’acqua diffonde attraverso la cellula da una zona ad alta concentrazione a una zona a bassa concentrazione. L’osmosi avviene in risposta ad una variazione di concentrazioni di soluti in acqua. A passare attraverso la membrana semipermeabile è soltanto il solvente, ma non i soluti. La concentrazione dei soluti rappresenta quindi il fattore principale di ciò che viene definito potenziale osmotico di una soluzione. L’osmosi può influenzare le dimensioni e la forma delle cellule. Soluzione ipertonica: la concentrazione del soluto fuori dalla cellula è più alta di quella intracellulare, perciò l’acqua diffonde fuori dalla cellula, fino al raggiungimento dell’equilibrio; se la cellula perde troppa acqua si raggrinzisce. Soluzione ipotonica: la concentrazione di soluto è più alta dentro la cellula rispetto all’ambiente extracellulare, quindi l’acqua diffonde all’interno della cellula, fino a ristabilire l’equilibrio. Le cellule animali messe in acqua distillata (soluzione ipotonica) si rigonfiano fino a scoppiare (citolisi), mentre quelle vegetali grazie alla rigidità della parete cellulare prevengono la lisi. Soluzione isotonica: la concentrazione di soluto è uguale tra interno ed esterno della cellula, quindi l’acqua diffonde alla stessa velocità: il movimento “netto” è nullo. 23 L’acqua è una molecola polare, e per le sue proprietà chimico- fisiche diffonde facilmente attraverso le membrane biologiche. Tuttavia, affinché l’acqua possa attraversare una membrana biologica, è necessaria la presenza di canali proteici specifici per il trasporto dell’acqua. Tali canali prendono il nome di acquaporine, le quali aumentano enormemente la permeabilità osmotica della cellula, permettendo un veloce riequilibrio. Il trasporto avviene, quindi, per diffusione facilitata. Il processo di filtrazione avviene quando particelle di soluto vengono forzate dentro i pori dalla pressione esterna. A livello del glomerulo renale avviene l’ultrafiltrazione, in cui vi è un sistema di vasi afferenti che all’interno della capsula di Bowman filtra il sangue riversando l’ultrafiltrato nella capsula ed uscendo come vasi efferenti. Esistono diverse classi di acquaporine: TRASPORTO ATTIVO È il trasporto di soluto attraverso una membrana per mezzo di proteine carrier, che legano il soluto fuori, cambiano conformazione e permettono il rilascio all’interno. Questo processo avviene contro gradiente di concentrazione, per cui la cellula necessita l’energia ricavata dall’idrolisi dell’ATP. Le proteine di trasporto che vengono utilizzate funzionano solo in una direzione e possono essere selettive, trasportano sostanze naturali e farmaci strutturalmente correlati a sostanze naturali. Si distinguono: -Trasporto attivo primario -Trasporto attivo secondario 24 ATPasi Esistono 4 classi di ATPasi che agiscono nel trasporto attivo: CLASSE ABC ▪ ABC-ATPasi (ATP binding cassette) Questo tipo di ATPasi è formato da 4 domini proteici: 2 transmembrana (T e B), capaci di interagire con le molecole cargo, e 2 citosolici (A e a), capaci di legare ed idrolizzare ATP in modo da ricavarne energia utile a modificare la conformazione del complesso, sebbene in alcuni casi questi domini siano fusi in un unico polipeptide. È possibile trovare un elevato numero di questo tipo di trasportatori nelle membrane delle cellule costituenti l'apparato gastroenterico e l'epitelio polmonare. Essi sono coinvolti nell'escrezione di farmaci e sostanze idrofobiche (MDR) e in quella di ioni cloruro (CFTR) CLASSE H: trasporto di protoni le pompe ioniche della classe H (distinte in F-, V- ed A-ATPasi) sono enormi edifici molecolari con strutture molto particolari, simili tra loro. ▪ H-ATPasi (tipo V): pompano protoni (H+) attraverso le membrane dei lisosomi. Sono formate da 4 domini proteici: 2 transmembrana (che interagiscono con le molecole in cargo), 2 citosolici (legano e idrolizzano ATP in modo da ricavare energia per modificare la conformazione del complesso). LOC. Membrane delle cellule dell’epitelio gastro-enterico e dell’epitelio polmonare. ▪ V-ATPasi Un canale di membrana che conduce gli H+ dal citoplasma all'interno di un organulo o di un vacuolo. È costituito dall'assemblaggio di sei copie di un polipeptide. Altri due polipeptidi (non mostrati) sono associati al canale di membrana. L'ampio segmento citoplasmatico è costituito da almeno 5 diverse subunità, due delle quali, A e B, presenti in tre copie ciascuna. Si ritiene che le attività catalitiche, correlate al legame e all'idrolisi dell'ATP, siano associate alla subunità B ▪ A-ATPasi: possiedono un sito per l’ATP CLASSE P ▪ P-ATPasi: possiedono un sito di fosforilazione denominato ‘P’. le pompe ioniche della classe P (ad es. l'ubiquitaria pompa Na*/K*) sono costituite da due subunità alfa e beta; la beta non interagisce con il citoplasma ed ha un ruolo solo 25  strutturale, la alfa si estende nel citoplasma ha un sito che può essere fosforilato nel momento in cui si attiva il trasporto. TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO Usa l’energia fornita direttamente dall’idrolisi dell’ATP Es. Pompa Na+/K+ Ha funzione di pompare, contro gradiente, 3 Na+ fuori e 2 K+ dentro, utilizzando un ATP per ogni ciclo (avvengono circa 100 cicli al secondo). Occorre mantenere costante il livello di questi ioni dentro e fuori la cellula, poiché da essi dipendono processi importanti, come la contrazione muscolare, la trasmissione nervosa e l’assorbimento dei nutrienti. 26 TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO Sfrutta un gradiente precostituito, molo frequente usano il gradiente elettrochimico del Na+ come fonte energetica. Le proteine che permettono questo passaggio combinato sono dette cotrasportatori, distinti in: ▪ Cotrasportatori uniporto, nel caso in cui trasporta una sola molecola. ▪ Cotrasportatori simporto, se i due substrati vengono trasportati nella stessa direzione (ad esempio le sGLT‐sodium glucose trasporter negli enterociti) ▪ Es. Pompa sodio-glucosio La pompa sodio-potassio, grazie all’idrolisi di ATP, ha portato fuori il sodio e dentro il potassio. In tal modo ha creato un gradiente maggiore all’esterno di sodio, che adesso, seguendo il gradiente creato dalla pompa, tende ad entrare. Facendo ciò trasporta con sé il glucosio. ▪ Es. SERCA (Ca2+ ATPasi) Pompa del calcio del reticolo sarcoplasmatico. Ha lo scopo di rimuovere il calcio dal citoplasma facendolo entrare nel reticolo sarcoplasmatico e nel reticolo endoplasmatico. Pompa 2 ioni Ca2+ per ogni ATP idrolizzata. Ne distinguiamo diverse isoforme: SERCA 1: muscolo veloce SERCA 2: muscolo cardiaco e altri tipi cellulari, è regolata dalla calmodulina e dal fosfolambano. SERCA 3: piastrine, eritroblasti, endotelio, epitelio SERCA 4: inibita da tapsidargina e dall’acido cicloplazenico ▪ Cotrasportatori antiporto, in cui i due substrati vengono trasportati in direzioni opposte. ▪ Es. Antiporto sodio-calcio Nella cellula entrano 3Na+ e esce un Ca2+ Ha un ruolo chiave nel controllo del calcio in tutte le cellule, dove è costantemente attivato. È di particolare importanza nelle cellule quando le concentrazioni di calcio, che aumenta durante la contrazione sistolica, deve essere riportata velocemente al suo livello normale per permettere il rilasciamento ventricolare ▪ Es. Antiporto sodio-idrogeno Nella cellula entra un Na e esce un H Svolge un uoldeterminantenel controllo dl pH intracellulare di tutte le cellule. 27  È particolarmente importante a livello renale. La sua localizzazione sull’orletto a spazzola delle cellule epiteliali del tubulo contorto prssimale permette, infatti, di arricchire il liquido del lume tubulare di ioni H+ e di acidificare le urine. Esiste anche un trasporto attivo tramite canali ionici. Canali ionici: sono proteine di membrana, macromolecole proteiche che formano pori idrofilici nella membrana. Appartengono a non più di 3-4 diverse famiglie e i diversi tipi di canali si assomigliano nella struttura. Sono ben conservati a livello filogenetico: lo stesso canale si può trovare nella drosophila (moscerino della frutta) o nell’uomo. Sono importantissimi per lo svolgimento di tutte le funzioni corporee. Non a caso, gran parte dei veleni di cui alcuni serpenti, ragni, scorpioni, pesci ecc. si servono per difendersi dai predatori o per immobilizzare le prede impediscono la funzione di qualche canale ionico. 28 Le mutazioni genetiche che portano ad un disordine nel funzionamento di qualche canale ionico hanno conseguenze dannose e spesso disastrose per l’organismo (canalopatie). Molti scommettono che i canali ionici siano il bersaglio molecolare più promettente per o sviluppo di nuovi farmaci. Esistono diverse classi di canali ionici: Voltaggio-dipendenti: rispondono a variazioni di potenziale. Chemio-dipendenti Ligando-dipendenti -(intracellulari): rispondono ad un messaggero intracellulare. (Es. Proteine G, cAMP, cGMP, Ca2+) Ligando-dipendenti -(extracellulari): rispondono ad un messaggio extracellulare. (Es. Neurotrasmetittori) Meccano-dipendenti Temperatura-dipendenti L’apertura dei canali ionici può venire controllata da vari parametri. Organizzazione funzionale dei canali ionici I canali ionici regolati possono assumere una conformazione ‘aperta’ e una conformazione ‘chiusa’, in risposta agli stimoli modulatori. Gli ioni possono passare attraverso il canale solo quando questo è nello stato aperto. Alcuni canali possono anche assumere uno stato inattivato. I canali sono relativamente selettivi ad uno ione. Ogni canale ionico è costituito da un certo numero di subunità proteiche ( o domini della stessa proteina) disposte in cerchio in modo da delimitare un poro transmembranario contenente acqua. Possono essere etero-oligomeri, omo-oligomeri o essere formati da un’unica catena polipeptidica articolata in diverse repliche. La struttura dei canali ionici e le proprietà funzionali che ne derivano sono molto diversificate. Due aspetti (riconducibili a parti distinte della loro molecola) sono particolarmente importanti: - SELETTIVITÀ: indica lo ione (o gli ioni) che possono attraversare la membrana quando il canale si trova nello stato aperto. Alcuni canali sono selettivi per un’unica specie ionica (es. Na+, K+, Ca2+, Cl-). Alcuni canali ionici sono selettivi per un gruppo di specie ioniche, tipicamente per i cationi (o per gli anioni). Alcuni canali ionici sono estremamente selettivi nei confronti dei vari ioni. La selettività può essere conferita da una combinazione dei seguenti fattori: ▪ Presenza di cariche elettriche fisse sulla parete interna del canale di intensità e densità specifiche. ▪ Raggio anidro dell’ione ▪ Grado di idratazione dello ione Si ritiene che i cationi formino dei legami di coordinazione con residui carbossilici con parziali cariche negative delle regioni P che formano il filtro di selettività. Questo spiegherebbe: - La selettività di un canale ionico per i cationi: gli anioni verrebbero respinti elettrostaticamente; - Il fatto che il flusso di ioni attraverso i canali ionici è saturante. 29 La selettività ionica dei canali del K+ I canali del K+ hanno pori più ampi dei canali per gli ioni Na+. Come sono disegnati questi canali per essere selettivamente permeabili al K+ ma non al Na+? Gli ioni K+, idratati in soluzione, perdono le molecole di H2O quando passano attraverso il filtro di selettività e formano dei legami di coordinazione con quattro O- di gruppi carbonilici. Gli ioni Na+, essendo più piccoli, non possono coordinarci perfettamente con questi O- e quindi attraversano il canale solo raramente. - GATING: il poro all’interno del canale, per effetto delle vibrazioni (variazioni conformazionali spontanee) della proteina, può passare ciclicamente da uno stato chiuso (impermeabile agli ioni) ad uno stato aperto in cui gli ioni passano ad una velocità elevata. La corrente di un singolo canale può essere misurata con tecniche opportune (Patch clamp). Il termine gating (porta, cancello) indica il processo per cui un fattore (o più fattori) privilegia la permanenza di una certa classe di canali nello stato aperto (o nello stato chiuso). Alcuni canali (canali di leakage) restano sempre aperti. Alcuni canali vengono aperti dalla distensione della membrana (stretch-channels o mechanosensitive-channels). Metodo di funzionamento: alcuni (A) vengono aperti (o chiusi) da una variazione del potenziale transmembranario. Si tratta dei voltage-operated channels o VOC) Fisiologia → es. potenziale d'azione (nervoso, muscolare, cardiaco) alcuni (B e C) vengono aperti (o chiusi) dal legame di "mediatori" extracellulari coi rispettivi recettori membranali. Si tratta dei [receptor-operated (o ligand-operated) channels o ROC]. In questo caso il "gating" del canale può essere: diretto (B), quando il "sito" recettoriale fa parte del canale ("receptor-channels" o "ionotropic-receptors") Fisiologia → es. il recettore "nicotinico" per l'acetilcolina della placca neuromuscolare. indiretto (C), quando il "sito" recettoriale per il messaggero extracellulare è situato altrove nella membrana. In questo caso il canale viene aperto (o chiuso) dall'azione di un secondo messaggero (o da altri eventi biochimici da esaminare caso per caso) che agisce sul versante intracellulare del canale. Fisiologia → es. i fotorecettori retinici o i recettori olfattori. 30 Struttura di un canale ionico regolato. La strozzatura al centro del canale può funzionare come filtro selettivo che permette soltanto il trasporto di ioni di un certo tipo. Transizioni conformazionali indotte da modificazioni di potenziale, dall'interazione con ligandi o da stimoli di tipo meccanico aprono il canale al passaggio degli ioni. Nella maggior parte dei canali, la "valvola" è sul lato citoplasmati-co della membrana, come mostrato nella figura. Canali ionici selettivi controllati dal ligando Es: recettore nicotinico dell'acetilcolina Ha la funzione di trasmettere l'impulso elettrico da un neurone motorio al miocita provocando la contrazione. L'acetilcolina rilasciata dal neurone si lega al recettore del miocita provocando una variazione conformazionale nel recettore che produce l'apertura del canale ionico. L'afflusso di cariche all'interno del miocita depolarizza la membrana plasmatica innescando la contrazione. Il processo termina dopo qualche secondo per azione dell'acetilcolinesterasi che idrolizza l'acetilcolina Canali ionici come bersaglio di farmaci Canali ionici, malattie, farmaci o Diverse malattie congenite sono dovute a mutazioni geniche il cui prodotto sono canali ionici la cui funzionalità è alterata (canalopatie; es. alcune forme di epilessia, ipertermia maligna). o Condizioni patologiche acquisite determinano alterazioni dell'eccitabilità cellulare (ischemia, epilessia ecc.) o Molti farmaci agiscono a livello dei canali, facilitando o diminuendo la loro apertura. Problemi clinici correlati ai sistemi di trasporto: ▪ Fibrosi cistica: canali del cloro epiteliali. 31 ▪ Aritmia cardiaca: canali del sodio e del potassio cardiaci. Diabete mellito non-insulina dipendente: trasportatore del glucosio nel tessuto adiposo. COOPERATIVITA’ TRA CANALI IONICI Spesso due o più tipi di canali ionici cooperano per svolgere una determinata funzione. Un esempio di “funzione integrata” svolta da canali ionici è la regolazione della secrezione di insulina (ormone ipoglicemizzante) da parte delle cellule β del pancreas. Sono implicati due tipi di canali: o un canale al K+ operato dall’ATP intracellulare. Quando la glicemia è normale, questi canali sono aperti e la fuga di K+ che essi consentono mantiene il potenziale di membrana a valori negativi. Quando il livello intracellulare di ATP aumenta per un aumento della glicemia, i canali si chiudono e la membrana si depolarizza. o un canale al Ca2+ voltaggio dipendente. Quando la membrana viene depolarizzata, questi canali si aprono consentendo un ingresso di ioni Ca2+, che promuovono la fusione con la membrana di vescicole contenenti insulina. La glicemia diminuisce. La conoscenza di questo meccanismo ha aiutato a curare il diabete, una malattia in cui il sistema di controllo della secrezione di insulina non lavora nel modo corretto. Un approccio terapeutico è quello di bloccare i canali del K+ ATP-dipendenti nello stato chiuso (usando farmaci del gruppo della sulfonil-urea), in tal modo facilitando o promuovendo (depolarizzando la membrana delle cellule β) il rilascio dell’insulina. ENDOCITOSI Meccanismo attraverso il quale grandi molecole, frammenti di tessuto, batteri e altre particelle visibili al microscopio, possono entrare dentro la cellula. La sostanza entra in contatto con la membrana, viene invaginata, e tramite una vescicola che si viene a formare passa nella zona intracellulare e si disperde nell’ambiente intracellulare rilasciandone il contenuto. Esistono tre meccanismi di endocitosi: Endocitosi mediata da recettori: è un processo specifico, attivato dal legame tra ligando e recettore, con la formazione del complesso recettore-ligando, il quale migra in una fossetta in cui viene rivestito da clatrina. Si crea l’invaginazione, quindi la vescicola diffonde all’interno della cellula, perdendo il rivestimento di clatrina. Recettore e ligando si separano (con il riciclaggio delle proteine di rivestimento), si spostano verso i lisosomi o apparato del Golgi per essere elaborati, mentre i recettori tornano attraverso le vescicole alla membrana cellulare, con cui si fondono. È responsabile del trasporto di proteine a bassa densità, vitamine, insulina, ferro, tossine, virus e fattori di crescita. Fagocitosi: trasporto di cellule visibili al microscopio attraverso la membrana. 32  Pinocitosi: trasporto di particelle in soluzione all’interno della cellula. ESOCITOSI È essenzialmente il meccanismo inverso all’endocitosi. Meccanismo mediante il quale sostanze di scarto, prodotti cellulari, secrezioni, passano nello spazio extracellulare. L’impacchettamento in vescicole avviene nell’apparato di Golgi, con il conseguente trasporto a livello della membrana, dove viene secreto il materiale al di fuori della cellula. TRANSCITOSI Èla combinazione di endocitosi, trasporto vescicolare ed esocitosi, ed è utilizzata per il trasporto di molecole grandi che non possono attraversare l’epitelio con un carrier. È un tipo di trasporto trans-epiteliale. 33 Nel neonato l’assorbimento degli anticorpi del latte materno, a livello intestinale, avviene per transcitosi. Lezione 3 COMUNICAZIONE CELLULARE Tutte le cellule hanno bisogno di comunicare per: sopravvivere, riprodursi, differenziarsi e perfino per andare incontro ad apoptosi, che può accadere proprio per mancanza di comunicazione. Il mantenimento di un’attività coordinata dell’intero organismo richiede un continuo trasferimento di informazioni tra gli organi e le cellule da cui l’organismo è costituito. La comunicazione intercellulare regola lo sviluppo e l’organizzazione dei tessuti, controlla la crescita e la divisione cellulare, la loro sopravvivenza e coordina le diverse attività cellulari. Sistema nervoso- comunicazione sinaptica Sistema endocrino Sistema immunitario Sistema autocrino e paracrino Le cellule sono esposte a una moltitudine di segnali inclusi queli provenienti da altre cellule (es. segnali derivati da lipidi, piccole molecole organiche o peptidi) così come variazioni stimoli ambientali (es. luce, calore dell'osmolarità) La cellula per la comunicazione con le altre cellule deve: 34  1. Selezionare i segnali rilevanti da quelli irrilevanti tramite recettori con un alto grado di specificita 2. Captare segnali a basse concentrazioni tramite recettori ad alta affinità accoppiati ad un sistema di amplificazione 3. Tradurre segnali diversi in un comune linguaggio intracellulare tramite attivazione di vie di signaling disegnate attorno a un limitato numero di processi comuni. Possiamo distinguere due tipologie di segnali: 1. Elettrico per cellule nervose e muscolari 2. Chimico per tutte le cellule e costituisce la base per la maggiori parte della comunicazione interna. Come rispondono le cellule ai segnali? Alterazione del metabolismo: alterazione del metabolismo del glicogeno in risposta all'insulina Eccitamento: propagazione dell'impulso nervoso in risposta a neurotrasmettitori Crescita e Divisione (mitosi) in risposta a fattori di crescita Morte cellulare programmata causata da specifici fattori di morte o dalla rimozione di alcuni fattori essenziali espressione genica alterata: sintesi di Ig in risposta a citochine Una risposta cellulare specifica può essere determinata: dall'interazione con altre cellule (contatto cellula-cellula) o con strutture extra cellulari es: lamina basale o matrice extracellulare. dalla presenza di mediatori chimici (ormoni o altre molecole 35 L’organizzazione delle cellule in tessuti è resa possibile grazie alla presenza delle giunzioni cellulari che regolano il riconoscimento e l’adesione cellulare. Si distinguono: Giunzioni serrate (o occludenti): impediscono il passaggio di materiale, uniscono le cellule tra loro formando un sottile strato a tenuta stagna. Giunzioni di ancoraggio: tengono insieme le cellule ma permettono il passaggio di materiale; Giunzioni aderenti, consentono il movimento coordinato delle cellule. Desmosomi, tengono unite le cellule tra loro o alla matrice extracellulare. Giunzioni comunicanti (o Gap junction): creano ponti citoplasmatici tra cellule adiacenti, agiscono canali che permettono alle sostanze (< 2000 Da) di fluire da cellula a cellula. Tutte le cellule hanno bisogno di comunicare per sopravvivere, riprodursi, differenziarsi. Se non avviene questa comunicazione possono andare incontro ad apoptosi. Il mantenimento di un’attività coordinata dell’intero organismo richiede un continuo trasferimento di informazioni tra gli organi e le cellule dell’organismo. SISTEMI DI COMUNICAZIONE INTERCELLULARI La comunicazione intercellulare regola lo sviluppo e l’organizzazione delle cellule, dei tessuti, la crescita e a divisione cellulare,la loro sopravvivenza e le loro attività. Le cellule possono comunicare tra di loro secondo varie modalità: Via autocrina Via paracrina Via endocrina Via nervosa (sinaptica) 36 La risposta specifica della cellula è determinata attraverso: Mediatori chimici ▪ Via endocrina ▪ Via paracrina ▪ Via sinaptica Interazione cellula-cellula Interazione cellula-matrice extracellulare: in questo caso partecipano in maniera specifica le proteine di membrana. (Es. Integrina, in grado di modificare la propria struttura tridimensionale nel punto in cui è avvenuta l’interazione, producendo un segnale intracellulare che determina la proliferazione cellulare). La comunicazione intercellulare, è mediata da molecole di adesione cellulare. Molecole di adesione cellulare (CAM): Glicoproteine transmembranacee Es. Caderine, Integrine, Selectine, IgCAM, rCD44. F. Mediano la formazione di legami e la trasmissione di segnali. Possono promuovere: ▪ Adesività omotipica: riconoscimento e interazione tra cellule dello stesso tipo. ▪ Adesività eterotipica: riconoscimento e interazione tra cellule di tipo diverso. VIE BASE DI COMUNICAZIONE INTERCELLULARE: Trasferimento citoplasmatico diretto di segnali chimici, elettrici, attraverso le giunzioni comunicanti; Comunicazione chimica locale attraverso neuromodulatori, sostanze paracrine, sostanze autocrine; Comunicazione a distanza mediante segnali chimici ed elettrici; Comunicazione autocrina: la molecola segnale agisce sulla cellula che la secerne. Comunicazione paracrina: la molecola segnale agisce su cellule adiacenti a quella che la secerne. Comunicazione endocrina: presenta molecole secrete,riversate nel circolo sanguigno,e arrivano a notevoli distanze. Comunicazione nervosa: le molecole segnale sono secrete alle giunzioni sinaptiche. La capacità di una cellula di rispondere alle molecole segnale dipende dal fatto se possiede o meno un “recettore”, cioè una proteina che riconosce e si lega alla molecola segnale. Le molecole segnale che funzionano a basse concentrazioni (10-8 M), hanno recettori che li legano ad alta affinità, mentre i neurotrasmettitori (10-4 M) hanno recettori a bassa affinità. Esistono recettori specifici per ogni molecola segnale. Ogni cellula, a seconda del suo stato di differenziamento, possiede uno specifico set di recettori per rispondere ai segnali che sono necessari per le sue funzioni. 37  Le molecole segnale idrofiliche hanno recettori sulla membrana plasmatica, mentre quelli lipofiliche hanno recettori intracellulari. Trasduzione del segnale consiste nel trasferimento di informazioni attraverso la membrana plasmatica tramite l’utilizzo di proteine di membrana. Lo stesso segnale su cellule diverse, presentanti recettori differenti, induce effetti diversi. RECETTORI DI MEMBRANA Si trovano trovano sulla superficie della membrana cellulare oppure all’interno della cellula. Una cellula non potrà rispondere ad un segnale chimico se manca del recettore specifico Vengono attivati dal ligando e trasferiscono l’informazione all’interno della cellula tramite il meccanismo di trasduzione del segnale. Le differenti cellule possono avere recettori diversi per la stessa molecola e dare risposte differenti. 38 La risposta di una cellula al legame con la molecola dipende esclusivamente dal recettore e non dal ligando. —Tutte le molecole segnale che si legano con un recettore e innescano la sua attività sono dette agonisti. —Tutte le molecole segnale che si legano con il recettore in modo da impedire al ligando di legarsi e di attivare il recettore, le molecole sono dette antagonisti (la molecola da sola non produce una risposta). Quindi antagonisti: molecole che interagendo con un recettore non producono risposte da soli, ma modificano l’interazione dell’agonista con il recettore, diminuendone la risposta. I segnali chimici prodotti da alcune cellule per andare a legare i recettori di altre cellule sono detti primi messaggeri. I messaggeri lipofili (ormoni steroidei) entrano nel citoplasma e si combinano con i recettori all’interno della cellula. I messaggeri lipofobici (proteine e peptidi) hanno recettori sulla superficie di membrana. 39 Se viene prodotto un segnale permeabile allora il signalling è particolarmente semplice, gli ormoni steroidei e i mediatori chimici liposolubili attraversano la membrana plasmatica e si legano a recettori citoplasmatici. In particolare, l’interazione molecola segnale-recettore determina cambiamenti conformazionali nella proteina e lo scatenamento di segnali intracellulari (es. fosforilazioni). Questi porteranno alla formazione di secondi messaggeri che trasportano il segnale nel citoplasma, dando luogo ad una serie di reazioni che amplificano il segnale. Molti segnali però, non possono attraversare la membrana plasmatica. Questo problema viene risolto dalle cellule utilizzando recettori transmembrana , questi sono proteine posizionate in membrana con il sito attivo per il ligando sul lato extracellulare e un dominio intracellulare che si accoppia allo step. Successivo nella catena di traduzione del segnale. RECETTORI TRANSMEMBRANA Sono proteine posizionate all’interno della membrana, dotate di: —sito attivo per il ligando (versante extracellulare) —dominio intracellulare (interviene nello step successivo della trasduzione del segnale) Dunque in questo caso, quando un primo messaggero lipofobico non può entrare nella cellula, la trasduzione del segnale avviene per mezzo delle proteine di membrana e dei secondi messaggeri che trasportano il segnale nel citoplasma, dando origine ad una serie di risposte a cascata che amplificano il segnale. Le modalità più comuni per la trasduzione del segnale sono: 1) Apertura dei canali ionici di membrana. 2) Intervento di una proteinchinasi che fosforila le proteine. 40 3) Intervento di proteine di membrana note come proteine G. I recettori di membrana sono distinti in vari tipi: - Recettori associati a canali ionici (coinvolti nella segnalazione sinaptica) - Recettori associati a proteine G - Recettori ad attività enzimatica intrinseca: proteine di membrana monopasso che posseggono un’attività enzimatica intrinseca o sono associate ad un enzima. In particolare, sono delle tirosino chinasi, in grado di fosforilare la tirosina. Agiscono su attivazione da parte dei fattori di crescita, mitogeni e ormoni come PDGF o insulina. 41 Recettori ad attività enzimatica intrinseca Sono proteine di membrana monopasso che posseggono un dominio catalitico, in particolare sono delle tirosino chinasi, cioè in grado di fosforilare l’aminoacido tirosina. Sono recettori per fattori di crescita, mitogeni ed ormoni quali: PDGF (platelet-derived growth factor), fattore di crescita Insulina, rimozione del glucosio dal sangue Recettori tirosin-chinasici (RTK) Sono presenti sulla membrana della cellula in forma monomerica inattiva. Il legame del recettore con almeno due ligandi forma il dimero attivo in grado di fosforilare i residui di tirosina presenti in quel determinato segmento citoplasmatico (si parla di autofosforilazione). Questi residui fosforilati verranno riconosciuti da molecole citoplasmatiche specifiche (es. RAS) che vengono a loro volta attivate. L’azione delle chinasi su substrati causa l’amplificazione del segnale. La fosforilazione può avvenire sui gruppi –OH di amminoacidi come serina, treonina o tirosina, presenti in sequenze tandem lunghe 7 amminoacidi, detti motivi fosfo‐tirosinici. 42 43 Può capitare anche che due recettori adiacenti funzionano solo se formano un dimero. Cioè nel momento in cui entrambi i recettori legano il ligando, si uniscono tra di loro e iniziano la fosforilazione, detta trans-fosforilazione, in cui ogni recettore fosforila l’altro, permettendo poi il riconoscimento da parte di altre molecole. Tipico esempio è il recettore per il PDGF (platelet-derived growth factor- fattore di crescita piastrinica) Insulina: ormone pancreatico prodotto dalle cellule β del pancreas. Il recettore per l’insulina è costituito da 4 subunità: —2 α localizzate esternamente alla membrana —2 β che attraversano la membrana e sporgono nel citosol. Le catene α contengono i siti di legame per l’ormone e sono legate alla rispettiva catena β formando un monomero. Le catene α contengono i siti specifici di legame dell'insulina mentre la parte citosolica delle catene β ha un'attività enzimatica che si esplica previa la fosforilazione di alcuni residui di tirosina. Se l'insulina è legata alla subunità α, il monomero αβ provoca l'autofosforilazione nei residui di tirosina (Tyr) presenti nella catena β dell'altro monomero e ciò innesca l'attività tirosina-chinasica della parte più citosolica della catena β. L'enzima ora è in grado di provocare la fosforilazione di alcuni residui di Tyr presenti in proteine bersaglio. Avviene così una cascata di fosforilazioni che coinvolge alcune proteine citosoliche che provocheranno gli effetti intracellulari dell'insulina come, ad esempio, far emergere in superficie e aprire i GLUT-4, canali per il trasporto del glucosio all'interno della cellula ed espletare l'effetto ipoglicemizzante dell'ormone. Esempio di recettori RTK Molti recettori per fattori di crescita sono RTK, questi ultimi sono inattivate tramite defosforilazione(fosfatasi) o mediante endocitosi(vescicole) —Recettori di EGF —Recettori di PDFG In questo caso, la fosforilazione dei residui tirosinici determina l’attivazione della proteina RAS, una proteina importante nel controllo della proliferazione cellulare. La proteina RAS quindi, trasduce il segnale di molti RTK per fattori di crescita. 44 La proteina RAS è una proteina G monomerica, formata da 189 AA, formata da α-eliche e β-sheets unite tra loro tramite loops, dotata di due regioni: Switch-1 Switch-2 Queste porzioni cambiano la loro conformazione a seconda se sono legati a GDP o GTP. Dunque si alterna uno stato acceso, in cui è legato il GTP, ed uno stato spento, in cui è legato al GDP. Essa è una proteina GTP-asica che regola la proliferazione e il differenziamento cellulare, viene attivata a valle dei recettori tirosino-chinasici. 45 Alcuni recettori di membrana non attivano direttamente la risposta cellulare, ma un’altra proteina di membrana, la Proteina G (che lega il GTP) la quale attiva un effettore, direttamente legato alla formazione del secondo messaggero (es. adenilato ciclasi). 46 PROTEINE G Le proteine G sono piccole proteine eterotrimeriche che legano il GTP, costituite da tre subunità: α, β e γ. Vengono chiamate così perché per funzionare richiedono la presenza di GDP e GTP. In forma inattiva legano il GDP In forma attiva legano il GTP, dissociano la subunità α e rilasciano il dimero βγ. La subunità α attiva azionerà la sua attività GTP-asica, dopo aver azionato il suo meccanismo di segnalazione, e riconverte il GTP in GDP+Pi e riassociandosi al βγ, diventando di nuovo inattivo. La durata dell'attivazione delle proteine G è breve grazie all'azione enzimatica della stessa proteina G che riconverte il GTP in GDP+Pi. L'amplificazione si ha poiché ogni complesso ligando-recettore attiva fino a 100 proteine G. Deficit nella proteina G -> risposte attenuate agli ormoni. Crescita e sviluppo anomali Ritardi mentali Anomalie metaboliche I bersagli dei componenti dissociati delle proteine G possono essere enzimi (adenilato ciclasi, fosfolipasi) o canali ionici, che trasmettono il segnale, portando alla formazione di secondi messaggeri. 47 Recettori accoppiati a proteine G I recettori accoppiati a proteine G costituiscono la più grande famiglia di recettori di superficie, sono >2000, e hanno funzioni biologiche diverse anche se possono presentare strutture simili. Sono proteine a 7 tratti transmembrana. Le molecole segnale che legano sono proteine, peptidi, lipidi e altre piccole molecole. Questi recettori non hanno proprietà enzimatiche, ma si modificano in risposta al ligando. Vanno infatti ad attivare un’altra proteina di membrana, le proteine G (eterotrimeriche), le quali a sua volta attivano un effettore che determina la formazione del secondo messaggero. La maggior parte dei segnali sono transitori, e pure le risposte, infatti se si accende un segnale, è necessaria una via per spegnerlo. A farlo ci pensano anche le proteine G e/o proteine di fosforilazione. Se c’è un deficit nella proteina g, si hanno risposte attenuate agli ormoni: Crescita e sviluppi anomali Ritardi mentali Anomalie metaboliche 48 Recettori accoppiati a proteine G (GPCR) I recettori accoppiati a proteine G rappresentano una famiglia di >2000 membri strutturalmente correlati. Queste proteine sono anche chiamate recettori a 7 domini transmembrana. Caratteristiche generali dei GPCRs comprendono: domini transmembrana ad alfa- elica, ancoraggio ai lipidi che ne stabilizza la conformazione, siti di fosforilazione citosolici che ne regolano l’attività e siti di glicosilazione extracellulare che permettono l’interazione con molecole extracellulari ed altre cellule. RODOPSINA La rodopsina è una proteina che si trova nei bastoncelli della retina umana, fu il primo membro della famiglia dei recettori a 7 tratti di membrana di cui è stata determinata la struttura tramite cristallografia ai raggi X. Recettori legati a proteine G Un recettore tipo a 7 domini transmembrana associato alle proteine G: non ha proprietà enzimatiche, si modifica in risposta al ligando, attivando le proteine G eterotrimeriche. 49 L'interazione tra il GPCR e alcune proteine può modulare l'attività del recettore. Solo la subunità α della proteina G è capace di legare ed idrolizzare il GTP (attività GTP-asica intrinseca) e regolando l'azione. L’ effetto dell'attivazione delle proteine G dipende dal tipo di subunità α legata. 50 La stimolazione di recettori diversi ma comunque accoppiati a proteine G provoca risposte cellulari diverse. ESEMPIO: i recettori β-adrenergici e quelli colinergici muscarinici sono entrambi accoppiati a proteine G ma producono effetti opposti. La diversità degli effetti deriva dalla diversità delle subunità α delle varie proteine G. Ne esistono infatti tre tipi: αs, αi, αq, che differenziano le proteine G in Gs, Gi, Gq. Funzioni del complesso βγ Inibire la dissociazione del GDP dalla proteina G inattiva, mantenendo la subunità α legata, in mancanza di stimolazione recettoriale. È necessario per l’interazione della proteina G con il recettore. Controlla le fosforilazioni del recettore ad opera del PI3K e MAPK Inibisce alcuni canali Ca2+ ed attiva i canali per il K+. L’attivazione della proteina G determina: ▪ apertura canali ionici ▪ stimola o inibisce un enzima amplificatore presente sul versante citoplasmatico. Dunque le proteine G possono regolare direttamente canali ionici voltaggio-dipendenti (canali del K +, Na+ e Ca2+). Le proteine G possono agire indirettamente sui canali ionici attraverso diversi enzimi amplificatori (adenilatociclasi, che converte ATP in cAMP; guanilato ciclasi, catalizza la formazione di cGMP; fosfolipasi C, converte un fosfolipide di membrana in due diversi secondi messaggeri) con formazione di secondi messaggeri. I secondi messaggeri, come cAMP e DAG, a loro volta attivano delle protein-chinasi, che a loro volta determinano una risposta cellulare. 51 SISTEMA ADENILATO CICLASI/AMP CICLICO AMP ciclico o cAMP o 3’,5’ adenosinmonofosfato ciclico si forma dall’ATP mediante l’azione dell’enzima adenilato ciclasi, la cui attività è accoppiata a recettori di membrana da proteina G. Il legame degli ormoni al recettore accoppiati all’adenilato ciclasi mediante proteina G stimola l’adenilato ciclasi e fa aumentare la concentrazione intracellulare di cAMP. cAMP attiva le proteine chinasi A (PKA) che catalizzano la fosforilazione di proteine specifiche cellulari (tirosine o serine). La fosforilazione di tali proteine cambia la loro attività e induce cambiamenti specifici nella funzione cellulare. L’AMPc attiva protein chinasi che fosforilano la proteina bersaglio su una Thr o una Ser. 52 Lo stesso segnale può attivare vie multiple di segnalazione a seconda di: Tipo di recettore Tipo di proteina G (Gs, Gi, Gq) a cui è legato il recettore. Bersag