Lezione 01 Fisiologia Cellulare - Appunti PDF

03/10/2023 Alessandra Ghirardelli Lezione 01 Fisiologia cellulare Cristina Garofalo Emanuela Bogi Professore: Stefano Bastianini Maria Vitto...

03/10/2023 Alessandra Ghirardelli Lezione 01 Fisiologia cellulare Cristina Garofalo Emanuela Bogi Professore: Stefano Bastianini Maria Vittoria Bettini INTRODUZIONE Il professore inizia la presentazione di sé stesso e del corso, spiega che lui spiegherà solo la parte di fisiologia cellulare, ma sarà presente anche all’esame finale e chiederà anche le parti spiegate dagli altri professori. Indirizzo e-mail: [email protected] Telefono: 00390512091759 Testi consigliati: Berne e Levy oppure Fisiologia medica di Conti Ricevimento: per il ricevimento non c’è orario fisso ma si concorda al bisogno sia durante le lezioni che al termine di esse. Le diapositive della lezione saranno pubblicate il giorno prima della lezione stessa, il programma è costituito da otto tesine, 4 saranno spiegate dal professor Bastianini e 4 dalla professoressa Zoccoli. Il professore spiega che cosa è la fisiologia con una metafora: Se la nostra automobile è rotta e non parte quindi o si va dal meccanico e si lascia che sia lui a risolvere il problema oppure si prova a capire autonomamente quale sia il problema scoprendo che la macchina ha numerosi pezzi, si sostituisce la batteria e la macchina riparte ma quando si ritorna dalla giornata di lavoro la macchina non parte di nuovo, questa volta potrebbe essere rotto l’alternatore. Ciò fa comprendere che per essere buoni medici è importante conoscere tutte le parti del corpo umano per capire come intervenire per curarle. La fisiologia è la materia che insegna come funziona il corpo umano, non basta conoscere come funzionano le singole cellule, ma è anche necessario capire come queste interagiscono tra di loro nel nostro organismo. Il professore spiega poi gli argomenti che saranno trattati nelle sue lezioni: 1- Processi di scambio cellulare 2- Muscolo scheletrico liscio e cardiaco 3- Riflessi spinali 4- Dinamica dei fluidi nell’organismo Modalità di verifica: L’esame consiste in due parti, la prima parte è scritta a risposta multipla costituita da 44 domande V o F della durata di 45 minuti, per le risposte corrette viene assegnato 1 punto, per quelle sbagliate -0,6 e quelle non date 0 punti, il professore spiega che vorrebbe portare l’esame da cartaceo a computer based ma che ne deve ancora parlare con i colleghi, una volta sostenuto l’esame si ha soltanto una possibilità di riprovarlo. La seconda parte è orale e prevede un colloquio, a giugno o luglio, con almeno due docenti e sarà su tutta fisiologia eccetto quella cellulare se è già stata sostenuta, afferma inoltre che all’esame si chiederanno anche le parti di laboratorio, il voto finale sarà frutto della media dei voti presi. Il professore chiede di tenere silenziosi i telefoni durante le lezioni, ma afferma che all’inizio delle lezioni proporrà un Kahoot con domande di ripasso sull’argomento trattato la volta precedente, non c’è nessuna penalità per chi sbaglia queste domande. Il professore fa una prova per l’uso di Kahoot.  03/10/2023 Alessandra Ghirardelli Lezione 01 Fisiologia cellulare Cristina Garofalo Emanuela Bogi Professore: Stefano Bastianini Maria Vittoria Bettini SCAMBI TRANSCELLULARI E PARACELLULARI La prima delle quattro tesine trattate dal Processi di scambio transcellulari e paracellulari professore riguarda i processi di scambio transcellulari e paracellulari. Si tratta di Com pa r t im e n t i idr ici de ll'or ga nism o. argomenti già trattati in altre materie, ma adesso Com posizione ionica de i liquidi in t r a ce llu la r e e d verranno approfonditi dal punto di vista e x t r a ce llu la r e. funzionale. Permeabilità selettiva della membrana cellulare. Trasporto di acqua e soluti attraverso la membrana cellulare. Trasporti passivi: diffusione semplice e legge di Fick; osmosi; diffusione facilitata (uniporti). Trasporti attivi primari: pompe ATP-asiche. Trasporti attivi secondari: simporti; antiporti. Trasporto di acqua e soluti attraverso gli epiteli. Filtrazione e scambi idrici a livello dei capillari secondo l'ipotesi di Starling-Landis. Il nostro organismo è composto da spazi compartimentalizzati, con complessità crescente: cellule, tessuti e organi. Questa suddivisione è importante in quanto i vari compartimenti differiscono per la quantità di acqua e di molecole disciolte. Infatti, stragrande maggioranza dei liquidi corporei si trova all’interno delle cellule stesse, rappresentando così i due terzi di tutti i liquidi del nostro corpo. Il restante terzo è rappresentato dal liquido extracellulare, che a sua volta viene distinto nel liquido interstiziale (costituisce i tre quarti del liquido extracellulare) e nel liquido plasmatico, una delle componenti sanguigne. Questi due liquidi presentano importanti differenze in termini di composizione proteica: il liquido plasmatico ad esempio contiene le proteine della coagulazione. Associate alle proteine vi sono forze di movimento dell’acqua che permettono gli scambi d’acqua da un compartimento all’altro. I compartimenti cellulari sono stagni ma nonostante ciò è fondamentale che avvengano degli scambi tra cellule e ambiente circostante grazie a forze tra cui quelle legate alla concentrazione delle proteine. È una barriera fisica che impedisce il passaggio di molecole di grosse dimensioni e di molecole cariche elettricamente  03/10/2023 Alessandra Ghirardelli Lezione 01 Fisiologia cellulare Cristina Garofalo Emanuela Bogi Professore: Stefano Bastianini Maria Vittoria Bettini La membrana plasmatica è una struttura tenuta insieme da forze di coesione con composizione chimica ben precisa: si tratta di un doppio strato fosfolipidico in cui i fosfolipidi rivolgeranno le loro teste idrofile agli ambienti acquosi (compartimento intra ed extracellulare) e le loro code verso l’interno della membrana. Nella membrana sono presenti anche altre molecole fra cui il colesterolo che le conferisce stabilità e diverse proteine, che hanno invece funzione di trasporto o segnale. Le proteine di membrana possono essere: - integrali: affacciano su entrambi i compartimenti separati dalla membrana; - intrinseche: sono presenti solo su una faccia della membrana. La membrana plasmatica è una struttura cellulare fondamentale per le funzioni della cellula stessa in quanto: 1. permette di suddividere i due ambienti (extracellulare ed intracellulare) con composizione diversa; 2. permette l’isolamento elettrico della cellula quando non deve avvenire nessun passaggio di corrente. 3. regola gli scambi e permette la comunicazione, soprattutto nelle cellule eccitabili come quelle nervose e muscolari, che possono comunicare elettricamente anche se questo non è l’unico tipo di comunicazione. Questa può essere anche di tipo ormonale. La regolazione degli scambi dipende dalla natura chimica dei soluti. Le molecole che possono passare sono: soluti apolari, di piccole dimensioni, gas come anidride carbonica e ossigeno, ormoni steroidei e altre molecole di origine lipidica. Non possono permeare liberamente nè ioni nè proteine. Infatti, le proteine hanno grandi dimensioni e non possiedono caratteristiche adeguate per attraversare la membrana cellulare. Sulla membrana della cellula si trovano delle proteine di vario genere importanti per gli scambi tra i due compartimenti: 1. proteine che utilizzano energia per passaggio ioni; 2. altre che non necessitano ATP per passaggio selettivo di ioni come sodio e potassio oppure della molecola di glucosio; 3. proteine con movimenti bidirezionali di due ioni contemporaneamente senza il consumo di energia.  03/10/2023 Alessandra Ghirardelli Lezione 01 Fisiologia cellulare Cristina Garofalo Emanuela Bogi Professore: Stefano Bastianini Maria Vittoria Bettini Dunque perché i due compartimenti sono diversi? Non solo per le componenti proteiche come affermato in precedenza, ma anche per la differente concentrazione delle componenti ioniche. A cosa serve non avere equilibrio ionico ai due lati? Se ci fosse non avremmo nessun movimento, ma questo è alla base dell’attività delle cellule e della comunicazione, per cui un sistema in equilibrio condurrebbe alla morte. Ad esempio, in una situazione di equilibrio ionico ai due lati non si potrebbe creare corrente elettrica, fondamentale per diversi processi cellulari. Infatti le cellule consumano molta energia per mantenere un disequilibrio. Distribuzione dei principali ioni ai due lati della membrana neuronale Il catione più abbondante nel liquido extracellulare è il sodio, che ha concentrazione dieci volte superiore rispetto all’interno. Il potassio invece è poco presente all’esterno. Il glucosio, nonostante sia utile per energia cellula, è più concentrato fuori anziché all’interno. Il calcio, fondamentale per diversi aspetti come per il rilascio dei neurotrasmettitori e la contrazione muscolare, è più concentrato all’esterno così anche minimi aumenti nella sua concentrazione intracellulare vengono subito rilevati. Per quanto riguarda la distribuzione ionica ai due lati della membrana è utile ricordare che quella dello ione cloro va di pari passo con lo ione sodio (basti pensare al cloruro di sodio). La soluzione salina infatti non altera gli equilibri delle nostre cellule poiché è costituita dalle due componenti principali del liquido extracellulare. All’interno la cellula è ricca di proteine, che sono molecole cariche negativamente, la cui distribuzione segue invece quella dello ione potassio che è positivo. Aiuto grafico per non dimenticare la distribuzione degli ioni e delle cariche ai due versanti della membrana: La banana, alimento ricco di proteine e potassio (K+), identifica l’interno della nostra cellula: gioca a calcio (ione 𝑐𝑎 concentrato maggiormente all’esterno) in riva al mare il quale è ricco di sale (Na+ e Cl-, ioni maggiormente concentrati all’esterno della cellula), la banana però è triste perché è carica negativamente (ciò dipende dalla diversa distribuzione di cariche negative delle proteine che sono spostate maggiormente all’interno della cellula).  03/10/2023 Alessandra Ghirardelli Lezione 01 Fisiologia cellulare Cristina Garofalo Emanuela Bogi Professore: Stefano Bastianini Maria Vittoria Bettini TRASPORTO ATTRAVERSO LE MEMBRANE CELLULARI Il trasporto attraverso le membrane non è libero, ad eccezione di alcune molecole come: - Gas (CO2 e O2 e anestetici) - Ormoni steroidei: diffondono liberamente fra i due versanti della membrana e si muovono solo in funzione della loro concentrazione - Molecole piccole e apolari La maggior parte dell’acqua non può passare liberamente (ad esclusione di movimenti molto limitati e di minime quantità) per cui necessita di una via facilitata. La stessa cosa è valida anche per la restante parte delle molecole (molecole grandi, molecole cariche, ioni … ) che non possono passare liberamente per cui necessitano di sistemi di passaggio. Poiché la membrana non è stagna e fissa sulla sua superficie sono collocate strutture che regolano, quando è necessario, il movimento delle molecole che da sole non sarebbero in grado di passare da un compartimento all’altro: PORI Sono dei pertugi che si trovano sulla membrana cellulare ed hanno la caratteristica di essere sempre aperti: la membrana non è strappata o rotta in alcuni punti, sono strutture formate comunque da proteine. La cellula, però, non è in grado di regolare il passaggio delle sostanze che passano attraverso i pori: può solo creare la delimitazione ma non può agire aprendo e chiudendo a piacimento il poro, dentro il quale passano liberamente molecole che non dipendono dalla cellula ma da altre forze e fattori. Sono permeabili all’acqua (acquaporine) o a piccole molecole come il glicerolo (acquagliceroporine, non presentano un’elevata selettività). Sono formati da proteine che si concatenano fra loro e lasciano un forellino al centro per far passare la molecola. Le acquaporine sono fondamentali per il passaggio di acqua che, nel nostro corpo, si muove principalmente in questo modo.  03/10/2023 Alessandra Ghirardelli Lezione 01 Fisiologia cellulare Cristina Garofalo Emanuela Bogi Professore: Stefano Bastianini Maria Vittoria Bettini Sono presenti nelle membrane della maggior parte delle nostre cellule ma non ovunque: ad esempio alcuni tratti dei tubuli renali nei vari nefroni sono impermeabili all’acqua dato che non vi sono acquaporine sulla superficie in modo da evitare il passaggio di acqua. Questo è necessario perché queste strutture non sono modulabili, dunque non possono essere chiuse, e quindi l’unico modo per evitare il passaggio di acqua è togliere direttamente le acquaporine dalla membrana. Su altre cellule ve ne sono varie isoforme che sono regolabili su base ormonale: in base allo stimolo la cellula decide se produrle e dove posizionarle sulla superficie della membrana. Ad esempio, sulla porzione corticale del dotto collettore dove avviene il fenomeno di concentrazione delle urine: questo fenomeno viene controllato su base ormonale, gli ormoni circolano e arrivano su questa porzione del nefrone e aumentano la produzione di acquaporine e la loro presenza in membrana facilitando così il riassorbimento di acqua. Infatti, ipotizzando di essere nel deserto con poche oasi vicino il nostro corpo decide che è necessario razionare l’acqua, quindi evita di espellerla in maniera eccessiva con le urine e la trattiene nel corpo: per farlo rilascia l’ormone antidiuretico ADH (prodotto dall’ipotalamo e rilasciato dalla neuroipofisi) che va a lavorare nel dotto collettore del rene e in una specifica porzione dell’uretere aumentando l’espressione delle acquaporine in modo da riassorbire più acqua possibile e permettere una produzione di urine più concentrate. CANALI IONICI Assomigliano ai pori, in quanto sono sempre pertugi nella membrana, ma la cellula riesce a regolare il passaggio delle molecole a piacimento aprendo e chiudendo il canale quando è necessario: sono, dunque, strutture regolabili in base alle necessità della cellula in uno specifico momento. Permettono di mettere in comunicazione diretta i due ambienti ai lati della membrana e sono selettivi per la tipologia di molecola della quale devono favorire il passaggio; la loro selettività può essere più o meno elevata (ad esempio esistono canali specifici per il trasporto dello ione sodio e canali cationici che permettono il passaggio di diversi ioni con carica positiva) Sono classificati in due categorie: Canali PASSIVI  come i pori non hanno la possibilità di chiudersi e sempre presenti sulla membrana, sono sempre aperti e non regolabili. Però non si parla di pori perché non gestiscono acqua ma ioni. Canali ATTIVI  sono modulabili quindi la cellula può aprire o chiudere il cancello in base alla necessità. Questi canali, a loro volta, si dividono in tre categorie in base alla tipologia di stimolo che ne permette la apertura:  03/10/2023 Alessandra Ghirardelli Lezione 01 Fisiologia cellulare Cristina Garofalo Emanuela Bogi Professore: Stefano Bastianini Maria Vittoria Bettini - Voltaggio dipendenti: un cambiamento di voltaggio ne permette la apertura dato che viene variato il potenziale di membrana - Ligando dipendenti: l’apertura del canale dipende dal legame di una molecola specifica detta “segnale” che si lega al canale e ne permette un cambiamento conformazionale che determina il passaggio allo stato aperto; questa modalità viene chiamata “modello a chiave”. - Meccanici: i cancelli dei canali si aprono per uno stiramento o un cambiamento di pressione della membrana, alcune proteine intrinseche non si aprono né con una scarica elettrica, né con una “chiave” specifica, ma hanno bisogno di una pressione sulla cellula che fa stirare la membrana plasmatica. Questo stiramento porta, grazie alle fibre del citoscheletro, ad una apertura delle componenti proteiche di questa struttura. Es. vogliamo mettere la nostra macchina in garage, ma questo non si apre con il telecomando in quanto è scarico, allora provo con la chiave. Questa però si spezza, allora come faccio? Cerco di aprire il cancello manualmente TRASPORTATORI (CARRIERS) Sono strutture proteiche di membrana, a differenza di pori e canali non sono dei pertugi, ma sono formati da una struttura proteica che prende molecole da un lato, si gira e le rilascia dall’altra parte in modo da non creare mai un ponte continuo fra interno ed esterno: la comunicazione fra i due ambienti esiste ma è temporizzata. Questo è reso possibile dal fatto che sono presenti due cancelli mai aperti contemporaneamente. Esempio della banca: Quando si va in banca sono presenti due porte: solo dopo aver passato la prima porta e averla fatta chiudere si può aprire la seconda e si entra definitivamente dentro la banca. Sono diversi dai canali ionici perché non consentono mai una comunicazione diretta tra interno e esterno della cellula, ma ci sarà un cambio conformazionale (SOLO in seguito alla captazione di una molecola di interesse) che permette la chiusura del cancello d’ingresso e l’apertura del cancello d’uscita. Il movimento utilizzato dalle molecole per muoversi attraverso la membrana può essere catalogato in base all’energia usata o in base al meccanismo con cui avviene: ENERGIA 1) Passivo: non c’è consumo di energia, avviene spontaneamente 2) Attivo: avviene quando la cellula ha bisogno di creare movimento di molecole per creare i presupposti per un’attività biochimica. Il movimento avviene solo se c’è energia (la cellula deve pagare per questo trasporto)  03/10/2023 Alessandra Ghirardelli Lezione 01 Fisiologia cellulare Cristina Garofalo Emanuela Bogi Professore: Stefano Bastianini Maria Vittoria Bettini MECCANISMO 1) Diffusione: movimento delle molecole dal punto in cui sono più concentrate a quello in cui sono meno concentrate, occupando tutto lo spazio che hanno a disposizione per stare più lontani possibile. E’ un evento sempre passivo (quindi senza energia), conseguenza di movimenti casuali di ridistribuzione le molecole nello spazio 2) Mediato da carrier: fa la stessa cosa della diffusione, ma consumando energia 3) Vescicolare: consuma sempre energia con la formazione e rilascio di vescicole Es. trasportare molecole contro il loro gradiente è alla base dei processi fisiologici come quelli che avvengono nel cuore