Biologia - 1 Anno, 1 Semestre - Appunti PDF

BIOLOGIA CANTERINI → “Basi biologiche dell’attività psichica” di Mangia, Bevilacqua, Amicarelli, Fiorenza, Chieffi, Tiso. Principi fondamentali in biologia 1. Nulla è statico, tutto è dinamico 2. Tutto va a risparmio energetico La biologia è lo studio degli esseri viventi. La neurobiologia s...

BIOLOGIA CANTERINI → “Basi biologiche dell’attività psichica” di Mangia, Bevilacqua, Amicarelli, Fiorenza, Chieffi, Tiso. Principi fondamentali in biologia 1. Nulla è statico, tutto è dinamico 2. Tutto va a risparmio energetico La biologia è lo studio degli esseri viventi. La neurobiologia si occupa del funzionamento della biologia del sistema nervoso. Le NEUROSCIENZE = tutta la scienza del sistema nervoso (psicologia, chimica, fisiologia, anatomia, biologia, genetica) nascono nel 19esimo secolo. Studiano come neuroni e reti neurali siano responsabili di certi comportamenti. Il cervello è un sistema complesso articolato su più sistemi: → Cognizione e comportamento → Livello funzionale → Livello delle reti neuronali → Livello cellulare → Livello molecolare I sistemi biologici influenzano le emozioni, i pensieri, i comportamenti ex STORIA DELLA NEUROBIOLOGIA Preziose le scoperte di due studiosi che hanno ricevuto il premio nobel per la medicina nel 1906. Le neuroscienze nascono nel 19esimo secolo grazie a C. Golgi che è riuscito a colorare il cervello per riconoscere la struttura. C. GOLGI → TEORIA RETICOLARE = (SINCIZIO: cellule interconnesse) sistema nervoso come rete continua mediata dalla connessione tra le fibre conduttive, assoni e dendriti; e questo sarebbe alla base della possibilità dell’impulso elettrico distanti dal SN + impulso può viaggiare indifferentemente da e verso il corpo cellulare S. RAMON Y CAJAL → TEORIA CELLULARE o NEURONALE o POLARIZZAZIONE DINAMICA (grazie alla scoperta di Golgi) = (1889) le cellule nervose devono essere considerate come unità indipendenti (xchè tramite degli studi al microscopio condotti nel 1888 sulla retina e il cervelletto si era visto che gli assoni terminano liberamente, senza connessioni con altre fibre nervose) + segnale condotto dai dendriti agli assoni Nel 1950 la microscopia elettronica conferma la teoria neuronale di Cajal COLORAZIONE DI GOLGI: → Fissazione (di una parte di tessuto cerebrale) in BICROMATO di POTASSIO → Impregnato in NITRATO di argento → danno una colorazione scura → Formazione di microcristalli di argento Il metodo di Golgi o impregnazione cromoargentica è una tecnica di microscopia ottica che permette la perfetta visualizzazione delle cellule del tessuto nervoso. IL CERVELLO → Cervello rettiliano (+ antico) (funzioni primordiali: battito cardiaco, respirazione) - rivestito da → Sistema limbico (CERVELLO EMOTIVO) - rivestito da → Neocorteccia (+ evoluta, nuova) (LINGUAGGIO, APPRENDIMENTO, PENSIERO LOGICO) ⇒ definite così nel 1950 Nella fase adolescenziale la neocorteccia non è ancora sviluppata del tutto → è il substrato neuronale che rende umane le persone. Ha delle circonvoluzioni xchè deve rientrare nella scatola cranica Pesa 1400 gr - ha 100 miliardi di neuroni => consumano il 20% delle risorse energetiche, si nutrono di glucosio (zucchero) La neocorteccia è suddivisa in LOBI + CERVELLETTO→ importante sia per comportamento motorio, ma anche per processi cognitivi e relazioni sociali  Il cervelletto matura tardivamente, per questo il bambino sviluppa + tardi le facoltà motorie. La maturazione piena del cervello avviene intorno ai 20 anni. La corteccia cerebrale ha 3 strati che differiscono a livello strutturale: → motoria → somato-sensoriale ⇒ tanti neuroni → limbica Dei 20000 geni esistenti nell’uomo → 14000 sono espressi nell’encefalo durante lo sviluppo e/o la vita adulta → 8000 UBIQUITARI ⇒ espressi ovunque ⇒ ???? non tornano i numeri → 6000 espressi nell’encefalo → 6000 non espressi N.B. Cellule staminali (TOTIPOTENTI)→ non ancora specializzate e x farlo devono attivare un certo tipo di geni ⇒ certa struttura per svolgere una certa funzione STRUTTURA DEL NEURONE (ad albero) Corpo cellulare o soma - dendriti (afferenze) - assone (efferenze) Al neurone arrivano migliaia di stimoli contemporaneamente così lui integra info contrastanti e decide se agire o meno Nel SNC dendriti + corpi cellulari = SOSTANZA GRIGIA (fuori) mentre assoni= SOSTANZA BIANCA (dentro) neurone dal greco antico “nervo” o “fibre nervose” SOMA da greco “forma, corpo” = pirenoforo dal greco “nucleo” e “che porta” (infatti qui è contenuto il nucleo) è formato da: → nucleo → mitocondri: perchè mi serve ATP (sfruttata nella respirazione cellulare) → RER → Apparato del Golgi: digerisce le proteine → neurofibrille: microtubuli, microfilamenti che reggono l’intero apparato e che quindi formano il CITOSCHELETRO DENDRITI dal greco “albero” - RICEVE gli stimoli, lunghi circa tra i 20 e 2000 µm- sono: → + brevi dell’assone → multipli → sono espansioni del corpo cellulare → molto ramificati → contengono tutti gli organuli tranne il Golgi → RECUPERARE FILE SU ORGANULI CELLULA ASSONE dal greco “asse” - diametro di circa tra 2 e 20 µm (10-6) - trasporta lo stimolo unidirezionalmente lontano da sé = FA SINAPSI (per questo ha molteplici estroflessioni) ci troviamo organuli per fare sinapsi tra cui mitocondri e ribosomi Spesso rivestito da GUAINA MIELINICA che isola x far si che il segnale elettrico viaggi + velocemente (assone mielinizzato è + dispendioso di uno non perchè si attiva anche un altro tipo di corpo cellulare, gli oligodendrociti che formano la guaina) Il soma invia l’impulso nervoso attraverso strutture che si trovano sul MONTICOLO ASSONICO (o CONO D’EMERGENZA o CONO D’INTEGRAZIONE) punto in cui inizia l’assone Questo impulso si protrae fino ai BOTTONI SINAPTICI o TERMINALI SINAPSI dal greco “insieme” “o con” → struttura specializzata costituita da due cellule nervose Nei bottoni terminali o sinaptici (o MEMBRANA PRESINAPTICA) il segnale viene convertito da elettrico in chimico ⇒ contengono le vescicole con i neurotrasmettitori che vengono rilasciati nella FESSURA SINAPTICA ( a ridosso sia del neurone pre che post) e captati dai recettori sui dendriti del neurone post I dendriti hanno delle SPINE DENDRITICHE dove riceve il contatto sinaptico (tante spine per potersi creare tante sinapsi) meccanismo CHIAVE (neurotrasmettitori, si muovono) - SERRATURA (recettori, fissi) ⇒ vengono rilasciati + neurotrasmettitori di quanti ne servirebbero x essere sicuri che vengano recepiti Le spine hanno forma allungata quando non sono ancora mature,se non evolvono nel corso degli anni questo può comportare una patologia del neurosviluppo (non si riesce bene a fare sinapsi) Il neurotrasmettitore ha doppia natura: → ECCITATORIO → INIBITORIO I bottoni possono fare sinapsi: → sul soma → sulle spine dendritiche → sul dendrite stesso → assone liscio x guaina (nei dendriti importa componente chimica) → ribosomi x sintesi proteica Il termine NEURONE è stato introdotto nel 1891, ed ha le seguenti proprietà: → codificazione del segnale → conduzione a distanza (intracellulare): fenomeno elettrico → trasmissione ad altra cellula (extracellulare): fenomeno chimico ⇒ ACCOPPIAMENTO ELETTROCHIMICO FLUSSO SEGNALE ELETTRICO: dendriti→ soma→ assone→ terminazioni presinaptiche (bottoni) Gli assoni e i dendriti possono cambiare configurazione a causa dell’esperienza, età e per influenze chimiche ⇒ PLASTICITÁ NEURONALE → sapersi adattare alle modificazioni dell’ambiente esterno/interno Quindi se c’è un danno neuronale e si perde la funzionalità di una parte di cervello, viene rafforzata la parte rimanente→ il neurone crea + spine e + bottoni L’ippocampo contiene una riserva di CELLULE STAMINALI per creare nuove cellule neuronali -> si creano nuove connessioni sinaptiche=SINAPTOGENESI La neuroplasticità è divisa in due tipi: → NEUROPLASTICITÁ STRUTTURALE: la capacità del cervello di cambiare la sua struttura grazie all’esercizio e all’apprendimento (creazione di + neuroni e + sinapsi) → NEUROPLASTICITÁ FUNZIONALE: rimodellamento sinaptico dovuto a disfunzioni o danni cerebrali (neuroni che iniziano a morire→ nuovi neuroni che creano sinapsi + potenti) Quando il circuito sinaptico è inutilizzato viene perso=PRUNING (contrario di SINAPTOGENESI) → sinapsi vengono tagliate via x rafforzare altri canali comunicativi (sinapsi grande dispendio energetico) ⇒ USE IT OR LESS IT o REPETITA IUVANT XX SECOLO → Studio dei NEURONI XXI SECOLO → Concetto di PLASTICITÁ ⇒ già capito da Cajal CLASSIFICAZIONE NEURONI 1. DIMENSIONE 2. FORMA 3. TIPO DI NEUROTRASMETTITORE 4. FUNZIONE In base alla LUNGHEZZA DELL’ASSONE si dividono in: I° TIPO DEL GOLGI ⇒ assone lungo, neuroni di proiezione II° TIPO DEL GOLGI ⇒ assone corto, neuroni a circuito locale (cellula stellata) 3-TIPO DI NEUROTRASMETTITORI Neuroni COLINERGICI ⇒ ACETILCOLINA Neuroni DOPAMINERGICI ⇒ DOPAMINA 4-FUNZIONE → NEURONI SENSORIALI = neuroni afferenti (da centro a periferia) → INTERNEURONI = neuroni afferenti → MOTONEURONI = neuroni efferenti (da periferia a centro) CELLULE DI PURKINJE ⇒??? TESSUTO NERVOSO costituito da: → CELLULE NERVOSE o NEURONI (100-1000 miliardi): 1. ricevono info 2. le elaborano ed integrano = ECCITABILITÁ 3. conducono e trasmettono i segnali nervosi = CONDUCIBILITÁ 4. cellule secernenti (messaggeri chimici) 5. cellule perenni (non si riproducono) 6. danni cerebrali irreversibili → CELLULE GLIALI o NEVROGLIA (10 volte di + dei neuroni) 1. si riproducono per mitosi (quelle che causano tumori al cervello) 2. funzione di sostegno x i neuroni 3. si dividono in MACROGLIA e MICROGLIA MACROGLIA= (prima considerate la “colla” del cervello) → astrociti (forma a stella) → oligodendrociti (formano la guaina mielinica) → cellule di Schwann Gli astrociti formano ISOLE SINAPTICHE = hanno tante estroflessioni che agganciano i vari neuroni e i vasi sanguigni grazie ai quali riescono a dare nutrimento alla cellula nervosa. Insieme alle cellule endoteliali dei vasi formano la BARRIERA EMATO-ENCEFALICA → le cellule che rivestono il capillare aderiscono tra loro in maniera molto stretta → x evitare il passaggio di agenti patogeni e macromolecole → x mantenere costante la concentrazione di ioni nel liquido extracellulare dei tessuti del SNC = elettroliti (concentrazione di ioni + e -), importanti per interazione sinaptica → evitare il contatto dei neuroni con sostanze del sistema circolatorio Farmaci che devono agire sul cervello vengono mischiati con materiale lipidico (di cui in parte è formata la barriera emato-encefalica) in modo da poterla oltrepassare FUNZIONI DEGLI ASTROCITI: → NUTRONO i neuroni + costituiscono BARRIERA EMATO-ENCEFALICA → TAMPONANO la concentrazione extra-cellulare del K+ → CATTURANO i neurotrasmettitori che fuoriescono dalla fessura sinaptica e li metabolizzano → altrimenti si avrebbe la continua ricezione di segnale, anche quando il neurone pre è a riposo → PRODUCONO i growth factors (ex NGF: fattore di crescita neuronale) ⇒ ??? GUAINA MIELINICA formata per il 20% da proteine e 80% da lipidi = BARRIERA IDROFOBICA - impedisce la fuoriuscita di ioni, importanti per condurre il segnale elettrico. Questa guaina è una estroflessione della MEMBRANA PLASMATICA che si allarga e si avvolge intorno all’assone dall’interno verso l’esterno = MIELINIZZAZIONE Questa mielinizzazione parte dal cervello rettiliano fino alla neocorteccia → xchè si predilige facilitare prima di tutto le funzioni vitali, di modo che anche il neonato possa sopravvivere La mielinizzazione dura + di 30 anni. SNP→ 1 cellula gliale (CELLULE DI SCHWANN) = 1 guaina mielinica (lo strato + esterno della guaina= NEURILEMMA) - avvolge un tratto dell’assone SNC→ 1 cellula gliale (OLIGODENDROCITI) = + guaine mieliniche - forma diversi tratti di mielina sia nello stesso assone che su assoni di altre cellule nervose NODI DI RANVIER sono discontinuità della guaina mielinica MICROGLIA: cellule di difesa = è in grado di riparare i tessuti danneggiati recandosi nel sito dove è avvenuta l’infezione e fagocitando ciò che per sbaglio ha superato la barriera emato-encefalica. In tal senso sono cellule di controllo dinamiche (si muovono) → hanno delle estroflessioni. Fagocitano elementi NECROTICI = cellule morte che si sono frammentate FUNZIONI DELLA MICROGLIA: → movimento tramite il riarrangiamento dei processi citoplasmatici → stato di resting (forma ramificata) e stato attivato (forma ameboide) → produzione e rilascio di citochine, chemochine, mediatori del processo infiammatorio Per poter svolgere la loro funzione le microglie cambiano conformazione Quando sono a riposo (RESTING) hanno estroflessioni, una volta che viene rilevato un problema cambiano forma e ne assumono una SFERICA (FORMA AMEBOIDE con ganci = in grado di agganciare e fagocitare) ritraendo i loro prolungamenti (ATTIVI), ma poi possono tornare a riposo Le cellule della microglia sono importanti per i PROCESSI INFIAMMATORI: → molecole pro-infiammatorie (prima di fagocitare) → molecole contro infiammatorie + la microglia è coinvolta nel PRUNING = fagocita la sinapsi base (bottone-dendrite/membrana pre-membrana post) (SOLO la sinapsi, il neurone è ancora vivo) Le cellule si autodenunciano alle microglie quando ci sono dei problemi mettendo una “bandierina” (fatta di proteine) per identificare la zona in cui la microglia deve agire. ⇒ APPROFONDIRE CON APPUNTI MIEI TOLC Se la microglia rimane attiva in maniera cronica, per anni e anni, fagocita + del necessario e secerne molecole pro infiammatorie ⇒ ALZHEIMER + dopo la microglia si infiammano gli astrociti che nutrono - il neurone Dunque LA MORTE CEREBRALE riguarda le cellule gliali Anche la CARENZA CRONICA DI SONNO è dannosa per il nostro cervello→ durante la notte la microglia fa fagocitosi + si verifica che all’interno della cellula vengano digerite le proteine mal ripiegate (pulizia del neurone) GLIA RADIALE: importantissima per il neurosviluppo → aiuta il neurone a migrare (aiuta le cellule progenitrici che prima di diventare neuroni devono migrare) e maturare (costituisce la via in cui migra il neurone=autostrada x i neuroni) DIFFERENZE TRA GLIA E NEURONI: - i neuroni hanno 2 tipi di processi (dendriti e assoni); la glia ne ha solo 1 (tante estroflessioni, no differenza tra dendriti e assoni) - i neuroni possono generare potenziale d’azione, le cellule gliali no - i neuroni maturi non si dividono: le cellule gliali sì  - ci sono molte + cellule gliali che neuroni (almeno 10-50 volte di più) FUNZIONI DELLE CELLULE GLIALI: - SEPARANO i neuroni tra di loro, isolando elettricamente gli assoni (oligodendrociti) - NUTRONO i neuroni (astrociti) - REGOLANO la composizione ionica dell’ambiente extracellulare - GUIDANO la crescita e la ricrescita delle cellule neuronali - RIPARANO i tessuti e proteggono dai patogeni (microglia) - DIFENDONO (microglia) Un'alterazione delle funzioni gliali può essere associata a diverse malattie neurodegenerative o disturbi del sistema nervoso , come: → SCLEROSI MULTIPLA (tipo di malattia demielinizzante): una malattia autoimmune in cui il sistema immunitario attacca la mielina prodotta dagli oligodendrociti. → MALATTIA DI ALZHEIMER: la disfunzione delle cellule microgliali può contribuire alla neuroinfiammazione osservata nella malattia. → GLIOMA: è un tumore che si origina dalle cellule gliali , spesso dagli astrociti Quando un assone viene lesionato esso degenera (mentre il soma rimane integro). Al contrario le cellule di Schwann che circondavano l’assone rimangono nella loro posizione, dopo un po’ il soma produce un nuovo abbozzo di assone e dopo la ricrescita le cellule di Schwann fanno da guida indicando la via precedentemente occupata. Dopo la ricrescita dell’assone, esse danno vita a nuova guaina mielinica. Dato che tutti i nervi appartengono al SNP, quando un nervo viene lesionato è in grado di rigenerare. Il tempo necessario per acquisire le loro funzionalità è quello necessario per la ricrescita dell’assone che costituisce quel nervo. Gli oligodendrociti nel SNC non sono in grado di fare la stessa cosa→ quando viene lesionato il midollo spinale i vuoti lasciati dagli assoni degenerati vengono riempiti dalle cellule gliali rendendo impossibile la ricrescita degli assoni. Per questo lesioni alla colonna vertebrale comportano deficit difficilmente reversibili ⇒ ex sclerosi multipla  LIVELLO SUBATOMICO DEL NEURONE Quali elementi chimici sono fondamentali per la costruzione e per le funzioni del neurone? → tante PROTEINE → nel nucleo DNA quindi ACIDI NUCLEICI → il nucleo è protetto da membrane formate da LIPIDI e CARBOIDRATI → la morfina si lega agli stessi recettori di una endorfina ⇒ sono CHIAVI SIMILI  H, C, O → elementi base per comporre tutte le MACROMOLECOLE → O: necessario per la respirazione cellulare, componente della > parte dei composti organici + componente dell’acqua → C: costituisce lo scheletro di tutti i composti organici → H: presente in tutti i composti organici + componente dell’acqua → N: (insieme ai tre precedenti) è presente nelle proteine e negli acidi nucleici → Ca: in forma ionica ( ) è importante per la contrazione muscolare (permette il rilascio del neurotrasmettitore) + è un componente strutturale di denti e ossa → P: acidi nucleici, ATP e strutturale per le ossa → Na, Cl, K: in forma ionica ( , , Cl− ) sono importanti per l’attività elettrica nel neurone (e in generale nelle cellule) Un ELEMENTO CHIMICO è una sostanza pura della quale non è possibile ottenere , mediante gli ordinari mezzi chimici, sostanze più semplici. Un ATOMO è l'unità fondamentale della materia che conserva le proprietà chimiche di un elemento. Un COMPOSTO è una sostanza costituita da due o più elementi in proporzione definita. Ogni elemento è costituito da un solo tipo di atomo. Gli atomi sono composti da PARTICELLE SUBATOMICHE: PROTONI (con carica positiva e massa 1), NEUTRONI (senza carica e massa 1) ed ELETTRONI (con carica negativa e massa trascurabile) Anche se gli elettroni sono molto più piccoli dei protoni essi posseggono entrambi carica elettrica unitaria (ma di segno opposto) STRUTTURA DELL’ ATOMO può essere immaginato come una sorta di modello a sistema solare → è costituito principalmente da SPAZIO VUOTO → ogni atomo nel suo stato fondamentale risulta neutro perchè contiene un ugual numero di protoni e di elettroni → legge di Coulomb Un nucleo è quindi caratterizzato da due numeri: → NUMERO ATOMICO (Z) ⇒ numero di PROTONI → NUMERO DI MASSA (A) ⇒ numero di PROTONI + NEUTRONI Un atomo caratterizzato dall'avere nel suo nucleo un numero specificato di protoni, un numero specificato di neutroni viene chiamato NUCLIDE. Gli ISOTOPI: Gli isotopi di un elemento chimico sono atomi dell'elemento che hanno differente numero di massa e perciò differente massa atomica. → deuterio e trizio sono definiti isotopi dell’idrogeno La presenza del neutrone in più nel nucleo non influenza le proprietà chimiche dell’atomo ma la sua massa. → gli elementi sono disposti in ordine crescente di Z da sx verso dx (da 1 a 118)  MODELLO A GUSCI ELETTRONICI gli elettroni si muovono negli orbitali→ l’insieme di uno o + orbitali atomici formano un GUSCIO N.B. Ogni orbitale può contenere solo 2 elettroni ma i gusci no Il primo guscio è quello + vicino al nucleo. La regione con contorno indefinito in cui è molto probabile che si trovi l’elettrone è chiamata NUBE ELETTRONICA. L’ORBITALE è la regione dello spazio intorno al nucleo in cui c’è un’alta probabilità di trovare un elettrone (del 95%). → 1° GUSCIO: orbitale 1s → 2° GUSCIO: orbitale 2s + 2p → 3° GUSCIO: orbitale 3s + 3p → 4° GUSCIO: orbitale 4s + 3d + 4p orbitale s→ forma sferica - orbitale p→ forma a manubrio  -) I gusci hanno dimensioni ed energia diverse Il volume e l’energia del guscio aumentano all’aumentare della distanza dal nucleo -) Ogni guscio può contenere un numero limitato di elettroni, che dipende dalle dimensioni del guscio. Il numero di elettroni che può essere contenuto in un dato guscio è uguale per tutti gli atomi. -) Il 1° guscio può contenere al massimo 2 elettroni, il 2° e 3° guscio al massimo 8, il 4° e 5° guscio al massimo 18, il 6° e 7° guscio al massimo 32 (anche se viene completato con 26). -) gli elettroni occupano i gusci a partire da quello a energia inferiore, cioè quello + vicino al nucleo. Ogni livello energetico contiene dei sottolivelli chiamati ORBITALI ATOMICI Le configurazioni elettroniche degli elementi si possono rappresentare in 3 modi diversi:  IL RIEMPIMENTO DEGLI ORBITALI Gli elettroni si dispongono attorno al nucleo seguendo delle regole: -) IL PRINCIPIO DI AUFBAU: gli elettroni si configurano dapprima in orbitali con minore energia a cominciare dalla posizione più vicina al nucleo; -) IL PRINCIPIO DI ESCLUSIONE DI PAULI: due elettroni che occupano lo stesso orbitale hanno SPIN opposto; -) REGOLA DELLA MASSIMA MOLTEPLICITÀ o REGOLA DI HUND: se ci sono più orbitali della stessa energia, prima si colloca un elettrone su ciascun orbitale vuoto e poi si completano gli orbitali semipieni. (ex px,py,pz orbitali con stessa energia) → Metodo della diagonale La REGOLA DELL'OTTETTO: un atomo raggiunge il massimo della stabilità acquistando, cedendo o condividendo elettroni con un altro atomo in modo da raggiungere l’ottetto nello strato di valenza (livello più esterno occupato, che viene anche chiamato GUSCIO DI VALENZA). → questa regola è stata annunciata da Gilbert N. Lewis nel 1916 Elementi stabili che hanno già l’ottetto completo sono i GAS NOBILI (He ne ha 2) → per questo sono poco reattivi, hanno scarsa tendenza a legarsi con altri atomi VALENZA ≠ ELETTRONI DI VALENZA VALENZA: Capacità degli atomi di un elemento di formare legami chimici. Quantitativamente si esprime come il numero di atomi di idrogeno (o di altro elemento monovalente) che si possono combinare o che possono essere sostituiti dagli atomi dell'elemento considerato. ELETTRONI DI VALENZA: Gli elettroni dei livelli più esterni di un atomo. Atomi instabili hanno un livello di energia. Per aumentare la stabilità e diminuire l’energia formano legami chimici con altri atomi. La regola dell’ottetto si applica particolarmente agli elementi del secondo periodo della tavola periodica come C, N, O, F ma ha delle ECCEZIONI: → gli elementi del primo periodo seguono la REGOLA DEL DUETTO: possono ospitare solo 2 elettroni nel guscio + esterno → Alcuni elementi possono espandere l’ottetto, poichè dispongono degli orbitali d che possono accogliere + di 8 elettroni. LEGAMI CHIMICI unioni tra atomi in cui intervengono forze attrattive di natura elettrica tra gli elettroni di legame di un atomo e il nucleo dell’altro. La reattività degli elementi è determinata dal numero di elettroni presenti negli orbitali più esterni. I METALLI (buoni conduttori), reagendo, perdono facilmente elettroni generando IONI POSITIVI (CATIONE). Sono ELETTRONEGATIVI: guadagnano elettroni di valenza da altri atomi più facilmente di quanto li cedano. Gli atomi interagiscono tra loro per formare molecole. TEORIA DI LEWIS: → Gli elettroni di valenza sono implicati nel legame chimico → Se gli elettroni vengono trasferiti si ha legame ionico → Se gli elettroni sono in compartecipazione si ha legame covalente → Gli atomi tendono ad assumere la configurazione elettronica dei gas nobili, regola dell’ottetto.  LEGAMI INTRAMOLECOLARI (+ FORTI) - LEGAMI PRIMARI → tra atomi IL LEGAME COVALENTE: (E di legame:50-150 Kcal/mol) Si forma quando due atomi mettono in comune una coppia di elettroni. Se i due atomi sono identici il legame è COVALENTE PURO. può essere -) singolo: è condivisa una sola coppia di elettroni; -) doppio: sono condivise due coppie di elettroni; -) triplo: se sono condivise tre coppie di elettroni. si fondono le nubi elettroniche dei due atomi → gli elettroni di un atomo vengono attratti dal nucleo positivo dell’altro atomo (FORZA DI COULOMB) LEGAME COVALENTE POLARE: Atomi di diversa natura possono mettere in compartecipazione i loro elettroni di valenza, ma esercitano sugli elettroni di legame una diversa forza attrattiva. Quanto maggiore è la differenza di elettronegatività tanto maggiore è la polarità del legame che unisce i due atomi. Gli elettroni sono maggiormente attratti dall’atomo + grande e quindi + elettronegativo (nucleo + grande) → si forma quindi un dipolo negativo (δ−) e un dipolo positivo (δ+) Le molecole polari sono caratterizzate da una distribuzione asimmetrica della loro nube elettronica. → a causa dell’elettronegatività dell’O, l’acqua si comporta come un dipolo  IL LEGAME IONICO: (- forte del covalente) Si forma tra atomi di metalli e atomi di non metalli. Forza di attrazione elettrostatica che si stabilisce tra i due ioni di carica opposta → se la differenza di elettronegatività diventa molto grande (>60%), legame più elettronegativo strappa un elettrone all’altro atomo, assumendo su di sé l'intera carica negativa mentre l’altro assume una carica positiva. ex Na+ (metallo) + Cl- (non metallo) → NaCl (cloruro di sodio) Quando questi composti si sciolgono in acqua si rompono le interazioni elettrostatiche tra ioni (gli ambienti intra ed extra cellulare sono acquosi quindi non potremmo trovare NaCl sotto forma di cristallo, ma necessariamente come due ioni separati) IONE: atomo (o molecola) che acquisisce o cede un elettrone → CATIONE: atomo (o molecola) che perde un elettrone ed è quindi carico positivamente → ANIONE: atomo (o molecola) che acquista un elettrone ed è quindi carico negativamente ELETTRONEGATIVITÀ - L. Pauling, 1932 Energia con cui un nucleo attrae gli elettroni di legame I COMPOSTI IONICI: sono solidi cristallini sono costituiti da un reticolo tridimensionale e ordinato di cationi e anioni che si dispongono in modo da annullare le cariche opposte (il composto è neutro) Gli ioni di carica elettrica opposta si attraggono per effetto dell’ INTERAZIONE COULOMBIANA Il legame ionico è ADIREZIONALE (uguale in tutte le direzioni); ciò implica che nella condizione di stabilità ogni ione positivo sia circondato da ioni negativi e viceversa. Questo è il legame maggiormente presente nei materiali ceramici, caratterizzato da un’energia di legame molto alta (3-8 eV/atomo) ( → temperature di fusione molto alte) I composti ionici sono solubili in acqua, proprio perché l’H2O è POLARE (forma un dipolo) MOLECOLE POLARI: sono attratte dall’acqua (fanno legami a H) MOLECOLE APOLARI: non sono attratte dall’acqua La DIFFERENZA di ELETTRONEGATIVITÀ (ΔEn) tra i due atomi che formano il legame determina il tipo di legame LEGAMI INTERMOLECOLARI (+DEBOLI) - LEGAMI SECONDARI → tra molecole LEGAME A IDROGENO: (E di legame: 2,5-10 Kcal/mol) Si trova nelle molecole in cui l’H forma un legame covalente con il fluoro, con l’ossigeno o con l’azoto. H+ fa da ponte tra due ioni di due molecole polari (due atomi molto elettronegativi) Si può formare perché a monte c’era il legame covalente polare. → GHIACCIO (struttura esagonale) → ACQUA LIQUIDA FORZE DI VAN DER WAALS: (molto debole - E di legame: 0,5-1 Kcal/mol) Le energie di legame sono dell’ordine di 0.1 eV/atomo. È trascurabile se è contemporaneamente presente un legame primario. Le forze di legame secondarie sono dovute alla formazione di dipoli elettrici in atomi/molecole e l'attrazione coulombiana fra le estremità di carica opposta dei dipoli. (nelle membrane cellulari-idrofobe-tengono i lipidi uniti) DIPOLO ISTANTANEO: una molecola non polare che in alcuni istanti acquisisce una polarità , a causa del moto caotico degli elettroni, diventando un dipolo. FORZE IONE-DIPOLO: si ha tra uno ione e la carica parziale localizzata all'estremità di una molecola polare (cationi attirati dal dipolo negativo e anioni attirati dal dipolo positivo). Importanti per le soluzioni di sostanze ioniche in liquidi polari. e FORZE DIPOLO-DIPOLO: sono forze attrattive che si hanno quando dipoli permanenti (molecole polari) si allineano tra loro con il polo positivo di una molecola diretto verso quello negativo di un'altra molecola vicina. PROPRIETA DELL’ACQUA → è un dipolo (molecola polare) → è tenuta insieme sia da legami primari che secondari → è un ottimo solvente → può agire sia da acido che da base (ANFOTERA) SOLVATAZIONE o IDRATAZIONE: le molecole d’acqua penetrano nel reticolo ionico (che costituisce i composti ionici) e separa gli ioni schermandoli per evitare che si il solido si ricompatti. Le sostanze molecolari si sciolgono in acqua per: → formazione di legami a idrogeno (tutte le sostanze che possiedono gruppi OH si sciolgono in acqua formando legami a idrogeno) → interazione dipolo-dipolo IONIZZAZIONE o DISSOCIAZIONE DELL’ACQUA: In presenza di altre molecole d’acqua, l’acqua si ionizza dando origine a uno IONE IDRONIO (H3O+) e uno IONE OSSIDRILE (OH-) Essendo un liquido polare, quando l’acqua pura si dissocia rilascia un identico numero di ioni idrogeno (H+ idrogenioni) e di ioni ossidrile (OH- ossidrilioni) pari a una concentrazione di 10-7 moli/litro → DETERMINA L'ACIDITÀ o la BASICITÀ di una soluzione H2O = H+ + OH- ACIDITÀ→ eccesso di H+ rispetto agli OH- → ph7 (soluzione basica o alcalina) / dall’arabo kali=la cenere delle piante - sostanze in grado di neutralizzare acidi una BASE è una sostanza che aumenta la concentrazione di OH- in una soluzione SOLUZIONE NEUTRA→ quando H+=OH- il ph=7 → se si aumenta di un valore il ph, la concentrazione [H+] diminuisce 10 volte. DEFINIZIONE DI ARRHENIUS (1887) acidi e basi sono composti che in acqua danno luogo a dissociazione elettrolitica TEORIA DI BRONSTED-LOWRY: ACIDO: una sostanza che è capace di cedere uno o + ioni idrogeno (H+) ad un’altra sostanza in una reazione chimica BASE: una sostanza che accetta uno o più ioni idrogeno dell'acido Pertanto una reazione acido-base prevede lo spostamento di ioni H+ Alcune molecole o ioni possono agire come acidi o come basi, a seconda della sostanza con cui vengono miscelati, ad esempio l’acqua → COMPORTAMENTO ANFOTERO SOSTANZE MACROMOLECOLARI: sono formate da aggregazioni di atomi legati da LEGAMI COVALENTI esempi tipici sono: proteine, DNA, amidi, materie plastiche PROPRIETÀ DEL CARBONIO: Ciascun atomo di carbonio può formare un legame con altri quattro atomi. Il legame carbonio-carbonio è di tipo COVALENTE ed è stabile, consente quindi la formazione di catene di carbonio molto lunghe e resistenti. Gli atomi di C possono legarsi tra loro, dando origine a molecole policarboniose di grandi dimensioni e di forma varia, sia LINEARI che CICLICHE I carboidrati, i lipidi, le proteine e gli acidi nucleici sono delle molecole di grosse dimensioni (polimeri) formate da subunità molecolari unite tra loro (monomeri). I gruppi funzionali sono combinazioni specifiche di atomi e conferiscono alle molecole proprietà caratteristiche. LE PROTEINE: Le proteine rappresentano gli elementi strutturali e funzionali più importanti nei sistemi viventi. Qualsiasi processo vitale dipende da questa classe di molecole: ex reazioni metaboliche (enzimi), le difese immunitarie (immunoglobuline), il trasporto di ossigeno (emoglobina), il trasporto di nutrienti (albumina), il movimento (actina, miosina) Gli amminoacidi sono l’unità strutturale primaria delle proteine. Gli amminoacidi sono 20: 11 riusciamo a produrli nel nostro organismo, 9 dobbiamo assumerli dagli alimenti. Questi ultimi vengono definiti ESSENZIALI. H2N (gruppo amminico) → basico COOH (gruppo carbossilico) → acido La catena laterale (o radicale) è l’unica che può variare La differenza tra PROTEINE IDROFOBICHE (intermembrana) e IDROFILICHE (extra membrana) è determinata dal gruppo R. Il carbonio alfa (centrale) è asimmetrico = CHIRALITÀ ⇒ molecola chirale: non sovrapponibile alla sua immagine speculare I monomeri (gli amminoacidi) sono tenuti insieme dal LEGAME PEPTIDICO (legame covalente), che permette la formazione di una catena polipeptidica che costituisce la proteina. Il legame peptidico è un legame covalente che si instaura tra due molecole, quando il gruppo carbossilico di una reagisce con il gruppo aminico dell'altra attraverso una reazione di condensazione. IONIZZAZIONE DEGLI AMMINOACIDI: Poiché gli amminoacidi dispongono sia di un centro acido sia di un centro basico si va in contro ad una reazione acido-base che porta alla formazione di un sale interno definito ZWITTERIONE (o IONE DOPPIO) l’acido cede H+ quindi assume una forma cationica (+1) la base acquista ioni H+ quindi assume una forma anionica (-1) quando si è in una situazione intermedia (in cui ph=7) → zwitterone CLASSIFICAZIONE DEGLI AMMINOACIDI: La classificazione degli amminoacidi avviene in base al gruppo variabile R Alcuni amminoacidi (e i loro derivati) sono potenti agenti neuroattivi, che agiscono sia come neurotrasmettitori che come ormoni. ex glutammato, aspartato, acido y-amminobutirrico (GABA), istamina, seratonina, epinefrina POLIMERIZZAZIONE o CONDENSAZIONE: I monomeri (gli amminoacidi) sono tenuti insieme dal LEGAME PEPTIDICO (legame covalente), che permette la formazione di una catena polipeptidica che costituisce la proteina. Il legame peptidico è un legame covalente che si instaura tra due molecole, quando il gruppo carbossilico di una reagisce con il gruppo aminico dell'altra attraverso una reazione di condensazione. IDROLISI - “spezzare con l’acqua”: La reazione opposta è la demolizione di un polimero. Durante questo processo viene aggiunga una molecola d’acqua per rompere i legami tra due monomeri La struttura primaria di una proteina è la sequenza degli amminoacidi che la compongono, a partire dal gruppo -NH2 iniziale (N-terminale) sino al gruppo -COOH terminale (C-terminale) → Catena lineare LA FUNZIONE DI UNA PROTEINA DIPENDE DALLA SUA STRUTTURA PRIMARIA I monomeri sono tenuti assieme da legami covalenti → irreversibilità In una catena polipeptidica si identifica sempre l’inizio e la fine ⇒ N-ter (inizio) e C-ter (fine) DIPEPTIDI - 2 amminoacidi OLIGOPEPTIDI - fino a 40 amminoacidi POLIPEPTIDI > 40 amminoacidi Le proteine in base alla loro composizione possono diversi in: → PROTEINE SEMPLICI: formate da soli amminoacidi → PROTEINE CONIUGATE: contengono gruppi chimici diversi come parte integrante della loro struttura. Se la parte non proteica è essenziale alla funzione della proteina, prende il nome di gruppo prostetico. Le proteine coniugate possono essere catalogate sulla base dei loro gruppi prosteici. La struttura secondaria: le proteine possono formare due tipi di strutture secondarie (intermedie tra la primaria e la terziaria) → strutture formate da LEGAMI A H → legami deboli, quindi la denaturazione è reversibile → ritorno alla struttura primaria che è tenuta insieme da legami forti (covalenti) Determinata da legami a H fra l’ossigeno del legame peptidico e l’idrogeno del gruppo amminico di un altro legame peptidico. → Foglietto beta → struttura a ventaglio (legami a H anche tra atomi lontani) → alfa-elica sono strutture dovute ad interazioni “locali” i tipo legame a H La struttura terziaria: definita come FORMA NATIVA (x molte proteine è la struttura finale). Formata da + strutture secondarie (anche di diverso tipo): → proteine con predominanza di alfa eliche → proteine miste PONTE S-S: è un tipo di legame covalente (quindi forte). Si forma quando, dopo che la proteina ha assunto la struttura terziaria, due gruppi -SH vengono a trovarsi spazialmente vicini e si ossidano. La quantità di ponti S-S che si possono formare in una proteina dipende dal numero di residui di cisteina presenti e dalla loro disposizione spaziale. LEGAME IDROFOBICO: tendenza delle catene laterali non polari ad unirsi tra loro in modo da offrire la minore superficie al solvente acquoso Esistono due tipi di proteine principali: PROTEINE FIBROSE: PROTEINE GLOBULARI: Insolubili in acqua Solubili in acqua Utilizzate per tessuti connettivi Usate per proteine cellulari Seta, collagene, cheratina Hanno una struttura tridimensionale complessa Le PROTEINE GLOBULARI: Le catene polipeptidiche sono ripiegate ed assumono forma compatta, sferica o globulare Contengono + tipi di struttura secondaria Le proteine globulari comprendono: enzimi, proteine di trasporto (ex albumina, emoglobina), proteine regolatrici, immunoglobuline etc… Contengono amminoacidi con catene polari e cariche Le interazioni sono dovute a ponti disolfuro, alla polarità o meno dei gruppi R, e alla capacità di formare legami a H Le PROTEINE FIBROSE: Hanno catene polipeptidiche disposte in lunghi fasci o in foglietti In genere presentano un unico tipo di struttura secondaria (o α- eliche o β-foglietti) Sono insolubili in acqua per la presenza di elevate concentrazioni di aminoacidi idrofobici Sono adatte a ruoli strutturali (ex cheratina, seta, collagene) PROTEINE SOLUBILI e PROTEINE DI MEMBRANA Le catene polipeptidiche in genere attraversano la membrana plasmatica mediante eliche α o come piano β avvolto a cilindro cavo→ MANICOTTO β La struttura quaternaria: caratteristica di alcune proteine molto grandi (ex emoglobina - 4 catene polipeptidiche) → insieme di + strutture terziarie. Formata dagli stessi legami che costituiscono la struttura terziaria. Definita come: disposizione spaziale dell’ insieme delle catene polipeptidiche che costituiscono una proteina. → Molte proteine sono costituite da una sola catena polipeptidica (PROTEINE MONOMERICHE). → Alcune proteine sono costituite da 2 o + catene polipeptidiche (subunità) strutturalmente identiche o diverse (CATENE MULTIMERICHE) → grandi x far passare neurotrasmettitore N.B. le subunità sono tenute insieme da interazioni non covalenti Molte proteine inglobano un gruppo non proteico utilizzato per compiere una funzione specifica (ex gruppo eme nell’ emoglobina) DENATURAZIONE e RINATURAZIONE Diversi fattori possono alterare le forze deboli che mantengono la conformazione nativa (ripiegamento corretto) delle proteine: Alte temperature → rottura dei legami a H e forze di Van der Waal Variazioni di pH → cambiamento dello stato di ionizzazione delle catene laterali e disturbo legami a H Detergenti → si associano a residui apolari interferendo con le interazioni idrofobiche responsabili della struttura terziaria La denaturazione causa la perdita dell’attività biologica della proteina. A volte la denaturazione è un processo reversibile: allontanando l’agente denaturante la proteina riprende spontaneamente la sua conformazione tridimensionale (che è dettata dalla struttura primaria, infatti la sequenza amminoacidica contiene tutta l’informazione necessaria a specificare la forma tridimensionale di una proteina). Le proteine (ma anche tutte le varie macromolecole) capiscono quando la struttura che hanno assunto è corretta per la funzione che dovranno poi andare a svolgere, quando si formano i legami a H → se le proteine sono mal ripiegate, le cellule se ne accorgono e disgregano le proteine. (ex Alzheimer/Parkinson/Encefalopatia spongiforme o malattia della mucca pazza→ proteine mal ripiegate che si accumulano nella cellula) Di norma quindi gli avvolgimenti avvengono mediante TENTATIVI CASUALI successivi, ciascuna delle quali rappresenta di volta in volta una condizione di stabilità energetica maggiore rispetto alla precedente. I tentativi terminano quando si avrà raggiunto il grado massimo di stabilità energetica. DEEPMIND → programma di Google (80% affidabile) per comprendere la struttura terziaria delle proteine. → non conosciamo la struttura terziaria di tutte le proteine del nostro corpo, quindi viene ricreata attraverso l’intelligenza artificiale partendo dalla loro struttura primaria (Alpha Fold: database delle proteine). Obiettivo del programma: per lo sviluppo di farmaci e cure mirate su tali proteine. N.B. Vinto il premio nobel per la chimica 2024 TECNICHE PER LO STUDIO DELLA STRUTTURA DELLE MACROMOLECOLE BIOLOGICHE: → Cristallografia a raggi X: il problema è ottenere il cristallo → Spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR): il problema è la dimensione ( ≤ 30-50 kD). → Microscopia elettronica: è limitata ai casi in si possano ottenere cristalli bidimensionali molto grandi. → Homology Modelling: per proteine con > 30-50% identità Chi aiuta le proteine a ripiegarsi? Le proteine chaperon (o CHAPERONINE) sono una famiglia di molecole che promuovono l’esatto ripiegamento proteico. MODIFICAZIONI POST-TRADUZIONALI: Le modificazioni covalenti delle proteine dopo la traduzione includono: PROTEOLISI, GLICOSILAZIONE e FOSFORILAZIONE. La sequenza aminoacidica di un polipeptide oltre a fornire l’informazione di tipo strutturale, può contenere delle “sequenze segnale” che stabiliscono la destinazione che il polipeptide avrà all’interno della cellula. EVENTI POST-TRADUZIONALI Specifici segnali, contenuti nella sequenza amminoacidica delle proteine, le dirigono alle loro destinazioni cellulari finali. Perché è estremamente importante conoscere la struttura primaria di una proteina? → La sequenza aminoacidica è l’anello che congiunge il messaggio genetico sul DNA e la struttura tridimensionale direttamente correlata alla funzione biologica di una proteina → Per comprendere il meccanismo di azione → Possibilità di costruire in laboratorio peptidi e proteine difficilmente estraibili da materiali biologici → Alterazioni della sequenza primaria possono produrre anomalie di funzione e malattie → Per studiare le correlazioni evolutive tra le diverse specie LA DEGRADAZIONE DELLE PROTEINE: La proteina normale è chiamata PrPC (Prion Related Protein Cellular). Questa proteina (presente soprattutto nei tessuti nervosi) è probabilmente coinvolta nel trasporto di ioni (quali rame) e nei processi di segnalazione cellulare o nella formazione di sinapsi. In questa proteina sono presenti + sequenze alfa-elica che foglietti beta. Al contrario nella proteina modificata PrPSc (Sc da Scrapie) è maggiormente presente la struttura foglietto beta. Questa struttura è + nociva per l’organismo poiché + resistente alla proteasi e quindi meno degradabile. I prioni mal ripiegati, a causa della loro resistenza alla proteasi, si accumulano nei tessuti nervosi formando placche amiloidi e provocando la morte delle cellule (questo causa l’aspetto spongiforme del cervello→ encefalopatia spongiforme). Quale ruolo svolgono le proteine all’interno della membrana plasmatica? La capacità di movimento nella membrana → proteine transmembrana I LIPIDI (o acidi grassi): → “lipos”, grasso In genere dividiamo i lipidi in 3 gruppi principali: PROPRIETÀ: Sono insolubili nei solventi polari=IDROFOBICI Solubili nei solventi organici=LIPOFILICITÀ Dal punto di vista fisiologico sono distinguibili in: → LIPIDI DI DEPOSITO: con funzione energetica e protettiva rappresentati principalmente dai trigliceridi → LIPIDI STRUTTURALI: costituenti fondamentali delle membrane cellulari ed intracellulari (fosfolipidi, glicolipidi e colesterolo). Gli acidi grassi sono acidi monocarbossilici la cui molecola contiene una lunga catena alifatica che conferisce loro una marcata idrofobicità. Essi hanno formula generale: CH3(CH2)nCOOH Sono i costituenti principali delle membrane cellulari e del tessuto adiposo (adipociti che contengono trigliceridi) I TRIGLICERIDI Il glicerolo è una molecola a tre atomi di carbonio. Gli acidi grassi sono costituiti da lunghe molecole (fino a 20 e più atomi di carbonio). Il legame si forma tra l’OH dell’acido grasso e il gruppo COOH del glicerolo= LEGAME DI ESTERE N.B. Sia il glicerolo che gli acidi grassi sono solubili in acqua ma dopo la reazione di condensazione la molecola diventa apolare. I FOSFOLIPIDI MOLECOLE ANFIPATICHE: una parte polare e una apolare. I fosfolipidi sono i principali componenti della membrana plasmatica: si dispongono con le teste idrofile all’infuori, mentre i corpi idrofobi all’interno (une contro le altre), disposti in un doppio strato. Ci sono due tipi di acidi grassi: SATURI e INSATURI SATURI: le molecole di trigliceridi si dispongono in modo ordinato e i lipidi sono solidi a temperatura ambiente → burro (tendono ad accumularsi nelle arterie provocando malattie vascolari) INSATURI: le molecole di trigliceridi si dispongono in modo disordinato e i lipidi sono liquidi → olio d’oliva Alcuni acidi grassi posseggono più di un doppio legame nella loro catena. In questo caso si definiscono polinsaturi. I fosfolipidi in acqua possono formare spontaneamente tre strutture Micella: code dentro-teste fuori ⇒ a contatto con un tessuto sporco le code apolari dei fosfolipidi disperdono le molecole di grasso in acqua → il grasso insolubile viene rinchiuso nella micella. I saponi formati da una lunga catena idrocarburica (coda-idrofobo)) alla cui estremità si trova il gruppo COO- (testa-idrofilo) Liposoma: molto utilizzata in farmacia→ ha una cavità idrofilica dove inserire i farmaci che interagiscono con la membrana della cellula, avviene la fusione e viene rilasciato il farmaco. MOVIMENTO DEI FOSFOLIPIDI La membrana (composta da un doppio strato fosfolipidico) è mobile, dinamica (le teste interagiscono con l’acqua circostante) I fosfolipidi compiono tre tipi di movimento: → DIFFUSIONE LATERALE: cambiano di posto → ROTAZIONE → FLIP-FLOP: si scambiano, uno in alto fa cambio con il suo corrispettivo in basso (richiede che la testa migri all’interno dello strato apolare e quindi avviene raramente e per mezzo dell’enzima flippasi) GRADO DI SATURAZIONE DELLA MEMBRANA: VISCOSA: ricchi di fosfolipidi saturi FLUIDA: ricca sia di fosfolipidi saturi che insaturi Il COLESTEROLO influisce sulla saturazione della membrana: riempie gli spazi vuoti e non permette il movimento dei fosfolipidi, rendendo la membrana + viscosa e - fluida ma ha anche una funzione di regolare la giusta fluidità della membrana: → se abbasso tanto la temperatura i fosfolipidi sono + fermi e il colesterolo impedisce che le catene idrocarburiche dei fosfolipidi si assestino adeguatamente quando la temperatura si abbassa riducendo la tendenza alla gelificazione (permette comunque ai fosfolipidi di interagire con lui) → se alzo tanto la temperatura i fosfolipidi si muovono troppo e il colesterolo in quel caso rende la membrana - fluida. → diminuisce la permeabilità della membrana ai piccoli ioni poiché riempie gli spazi tra i fosfolipidi. La membrana segue un moto ondoso che gli conferisce resistenza → FLUIDA MA COESA FLUIDITÀ DELLA MEMBRANA: La fluidità della membrana è determinata dalla sua composizione lipidica; Stretto impacchettamento delle code idrofobiche⇒ minore fluidità; La lunghezza e il numero di doppi legami (insaturi) determinano il grado di impacchettamento;  La lunghezza varia dai 14-24 atomi di C; catena + corta ⇒ minore interazione ⇒ aumento della fluidità; Una coda ha un doppio legame → insatura; l’altra coda non ha doppi legami→ satura Doppi legami ⇒ maggiore fluidità Il doppio strato fosfolipidico è ASIMMETRICO → I due monostrati comprendono serie di fosfolipidi e glicolipidi diverse; le proteine sono immerse nel doppio strato con orientazione specifica. Lezione 9 15/10/24 Quali sono le funzioni principali delle membrane plasmatiche? Le nostre membrane sono fluide grazie alla presenza degli acidi grassi + grazie ai doppi legami ⇒ per permettere il passaggio; no interazione tra le code idrofobe → + libere di muoversi + la membrana è satura + è viscosa; + la membrana è insatura + è fluida. Flippasi enzima che permette il flip-flop. Servono le proteine per regolare la fluidità di membrana. Glicoproteine: glucidi legati con legami covalenti a proteine Glicolipidi: glucidi legati con legami covalenti a lipidi sono talmente abbondanti sulla superficie esterna della membrana che la cellula che la cellula risulta ricoperta da un rivestimento glucidico detto GLICOCALICE RUOLO: →Riconoscimento (ABO, antigene-anticorpo, recettore-ligando, tissutale) →Stabilizzazione strutturale (mantenimento coesione cellulare) → Comunicazione intercellulare →Adesione cellulare →Interazione con organismi patogeni (virus e batteri) →Tumori e metastasi ⇒ le cellule tumorali cambiano il glicocalice e in base a questa muta tutta la cellula divenendo una cellula tumorale PROTEINE INTEGRALI o INTRINSECHE Presentano una o più regioni immerse e strettamente associate con il doppio strato fosfolipidico Amminoacidi idrofobici: interagiscono con gli acidi grassi dei fosfolipidi ancorando la proteina alla membrana stessa La maggior parte sono TRANSMEMBRANA: attraversano completamente il doppio strato ed hanno domini idrofilici che si estendono sia su un versante che sull’altro PROTEINE PERIFERICHE o ESTRINSECHE: non interagiscono con la porzione centrale idrofobica del doppio strato, ma sono legate alla membrana attraverso interazioni deboli con le proteine integrali o con le teste polari dei lipidi. Superficie esterna: ex. proteine della matrice extracellulare Superficie interna: ex. enzimi coinvolti nella trasduzione del segnale Proteine di membrana ancorate ai lipidi → interagiscono con legami covalenti con i lipidi di membrana I legami deboli sono necessari per “liberare” facilmente la proteina in caso di bisogno e reindirizzarla ove necessario. Il doppio strato è un mosaico⇒ caratterizzato da tante macromolecole IL TRASPORTO DI MEMBRANA MEDIA: → Assunzione di sostanze nutrienti essenziali (ex glucosio) → Regolazione delle concentrazioni interne ed esterne di ioni → Eliminazione di prodotti metabolici di rifiuto (ex CO2) PERMEABILITÀ SELETTIVA : → Diffusione semplice se qualcosa passa naturalmente. → Diffusione facilitata: se devo far passare molecole polari grazie a facilitatori. La membrana è impermeabile agli ioni ma passano comunque perchè utilizzano specifici canali proteici (così come l’acqua). Solo alcune sostanze liposolubili come l’alcol posso attraversare la barriera idrofoba formata dalle cose dei fosfolipidi (diffusione dal latino diffusio : diffondere, propagare) MODALITÀ DI TRASPORTO → TRASPORTO PASSIVO: movimento di ioni o molecole attraverso la membrana favorito dal gradiente di concentrazione (o elettrochimico). Non richiede spesa di ATP. → TRASPORTO ATTIVO: traslocazione di molecole attraverso la membrana contro gradiente. Richiede ATP. → TRASPORTO VESCICOLARE: traslocazione di molecole attraverso vescicole o vacuoli e coinvolge complessi di membrana, recettori e fusione di membrana. I TRASPORTI PASSIVI: diffusione semplice diffusione facilitata osmosi DIFFUSIONE: Processo di spostamento casuale verso uno stato di equilibrio (le particelle si muovono fino al raggiungimento dell’equilibrio) GRADIENTE di CONCENTRAZIONE: differenza di concentrazione di una sostanza ai due lati della membrana (gradiente dal latino gradiens: camminare, avanzare). Quando è presente questo gradiente di concentrazione, la sostanza si è spostata da una zona di maggior concentrazione a una di minor concentrazione ⇒ GRADIENTE CHIMICO La diffusione è facilitata quando c’è un trasportatore. In ogni caso la forza trainante è quella di dover raggiungere l’equilibrio, la diffusione facilitata ci mette di più perché la sostanza ci mette di più ad attraversare la membrana. Le proteine trasportatrici modificano la loro struttura creando uno spazio idrofilico interno per trasportare sostanze seguendo sempre il gradiente di concentrazione CONCENTRAZIONE= SOLUTO/SOLVENTE OSMOSI: il solo passaggio di acqua e non di soluto (o comunque dove il soluto è immerso=solvente) → per mantenere l’equilibrio chimico seguendo una diversa regola di concentrazione = contro gradiente o per meglio dire l’H20 si muove secondo il suo gradiente di concentrazione (da dove è - a dove è + ⇒ da IPOTONICA a IPERTONICA x raggiungere l’equilibrio e diventare ISOTONICA) Non serve ATP →TRASPORTO PASSIVO Un globulo rosso in una soluzione ipotonica, ipertonica e isotonica. → Soluzione ipotonica la molecola può scoppiare; → Soluzione ipertonica la molecola raggrinzisce; → Soluzione isotonica la molecola è in stato di quiete. La diffusione semplice è + veloce perchè non è saturabile, la sostanza si sposta tra la membrana continuamente. Diversamente quella facilitata è saturabile (=si satura in caso di passaggio di troppe sostanze) Ex diffusione semplice→ non ho la porta; diffusione facilitata→ ho la porta e non posso passare più persone contemporaneamente (porte tutte occupate→sature ⇒ devo aggiungere nuovi trasportatori per permettere il passaggio) CINETICA DI SATURAZIONE: Se la concentrazione di glucosio a un lato della membrana sale rapidamente , tutte le proteine vettrici (i facilitatori) possono risultare occupate: la velocità di passaggio del soluto diventa costante = persone in un numero limitato di porte girevoli Nella diffusione facilitata possono agire: Proteine canale Proteine trasportatore: cambiano la loro conformazione per il permettere il passaggio Solo le proteine carrier fanno trasporto attivo (diverse dalle proteine canale) 16/10/24 Quali sono le forze che regolano il trasporto di membrana? Nella membrana abbiamo dei trasportatori specifici per il soluto Quando la diffusione semplice non è sufficiente a soddisfare le necessità cellulari (ex perchè il coefficiente di permeabilità è troppo basso) vengono impiegati TRASPORTATORI (proteine vettore o carrier) o PORI (o proteine canale) 2 classi principali di facilitatori: 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: Formani pori idrofili nella membrana attraverso cui certi ioni possono diffondere Tra le proteine canale troviamo le ACQUAPORINE che regolano il passaggio d’acqua - sono sempre aperte - per mantenerne costante il volume all'interno del nostro corpo. TIPICO CANALE IONICO Alcune proteine canale vengono regolate: possono passare da una conformazione chiusa a una aperta [ex neuroni: hanno proteine canale (nell’assone) che sono naturalmente chiuse ma per mezzo di uno stimolo elettrico si aprono]. In molti canali la conformazione aperta viene stabilizzata da un segnale. La selettività del canale (basata sul tipo di carica e sulle dimensioni dello ione) è determinata principalmente da un filtro di selettività presente dove il poro si restringe (fino alle dimensioni atomiche REGOLAZIONE DA VOLTAGGIO, DA LIGANDO e MECCANICA DEI CANALI IONICI voltaggio dipendenti→ arriva stimolo elettrico (per K+ e Na+) ligando dipendenti → gli si lega qualcosa Hanno un sensore → hanno un valore soglia oltre il quale il canale si apre (ex quando si apre canale sodio, l’Na entrerà) I canali regolati da voltaggio passano attraverso 3 diverse configurazioni in modo obbligatoriamente sequenziale (3 subunità) TIPICO CANALE SODIO -- dentro e ++ fuori ⇒ canale a riposo depolarizza = va verso lo zero Il canale deve passare per la forma inattiva prima di potersi richiudere. La configurazione INATTIVA o REFRATTARIA (non fa passare ioni nonostante sia aperto) di un canale ionico è diversa dalla configurazione CHIUSA (slide 12 ppt giorni 22/10) Da chiuso ad aperto → deve esserci valore soglia oltre il quale il canale si apre => 1 ms dopo forma refrattari, si ripolarizza e si chiude e così via Nei CARRIER il legame con il soluto induce un cambiamento di forma della proteina che favorisce l’entrata della sostanza Gli ioni sono rivestiti di acqua e non viaggiano “scoperti” poiché fanno legami dipolo-dipolo (covalenti). K+ si lega con O Il canale è selettivo poichè essendo una proteina avrà cariche negative/positive in base allo ione che deve passare e attrarre, il quale perderà tutte le molecole di H2O nel passaggio Nelle carrier → ligando dipendenti (glucosio utilizza le proteine carrier) = cambio di conformazione ⇒ conducono un trasporto sia attivo che passivo Proteine canale = trasporto passivo Simporto: trasferiscono due sostanze diverse nella stessa direzione Antiporto (trasporto azoto-potassio): trasferiscono due sostanze diverse in direzioni diverse. Le carrier ci mettono di + per far passare sostanze- saturabile- (diverso dalle canali= porta sempre aperta) VELOCITÀ DI DIFFUSIONE DIPENDE DA: → diametro di molecole o ioni: molecole più piccole diffondono più velocemente → temperatura della soluzione: temperatura più alta, maggiore velocità di diffusione (+ fluida membrana) → solubilità nei grassi: maggiore solubilità, maggiore diffusione (è idrofobo il soluto e quindi si muove per diffusione semplice) → gradiente di concentrazione del sistema: maggiore gradiente, maggiore velocità → carica elettrica del materiale che diffonde Perché il liquido intracellulare è opposto al liquido extracellulare? Per la questione dell’equilibrio. Se avessero avuto la stessa composizione non ci sarebbe stato alcuno scambio (la cellula si è differenziata). Il calcio è + concentrato all’esterno che all’interno? perché innesta reazioni enzimatiche, quando è nel citoplasma viene subito riassorbito Importanti per il rilascio delle vescicole nella sinapsi. Tanto calcio è un segnale di morte per la cellula. Non sempre il gradiente di concentrazione e il gradiente elettrico(attratto da dove c’è una carica opposta) (che agiscono allo stesso momento sulla stessa particella elettrica) vanno nella stessa direzione Lo spostamento degli ioni porta a parlare di potenziale di membrana → movimento di ioni crea correnti elettriche infinitamente piccole. IL POTENZIALE DI MEMBRANA Nel citoplasma della cellula, così come nel liquido extracellulare sono disciolti diversi tipi di ioni. La loro concentrazione non è però uguale dai due lati della membrana citoplasmatica. Il potenziale di membrana (Vm) corrisponde alla differenza di potenziale elettrico tra interno ed esterno della cellula, cioè alla differenza tra interno ed esterno nel numero di cariche positive e negative portate dagli ioni. N.B. Il segnale viene recepito dal neurone come variazione del potenziale di membrana. COME SI MISURA IL POTENZIALE DI MEMBRANA A RIPOSO? L’esistenza della ddp implica una diseguale distribuzione di cariche elettriche (ioni) tra interno ed esterno, e suggerisce che la membrana si comporti come una barriera con permeabilità selettiva, che separa due soluzioni (liquido intra- ed extracellulare) a composizione chimica diversa. La membrana plasmatica è impermeabile al Na+ e permeabile al K+ e al Cl- grazie alla presenza di canali di fuga di questi ioni Molti più canali del potassio → sempre aperti - CANALI DI FUGA che del sodio (vorrebbe uscire ma non trova) IONI E ALONE DI SOLVATAZIONE In ambiente acquoso, ogni ioni è avvolto da un guscio di molecole d’acqua che compongono L’ANELLO DI SOLVATAZIONE. Ogni molecola che lo compone (essendo un dipolo) si orienta lungo il campo elettrico generato dallo ione (a raggiera). A parità di carica il numero di molecole che si addensano attorno allo ione è tanto maggiore quanto minore è il raggio anidro (???) dello ione. Ciò dipende dal fatto che la forza elettrica esercitata dallo ione è tanto maggiore quanto maggiore è la densità di carica (= quantità di carica distribuita uniformemente su una superficie). Gli ioni K+, idrati in soluzione, perdono le molecole di H2O quando passano attraverso il filtro di selettività e formano dei legami con quattro O di gruppi carbonilici. Gli ioni Na+, essendo + piccoli, non possono coordinarsi perfettamente con questi O e quindi attraversano il canale raramente. Potenziale all’equilibrio di un dato ione libero = valore del potenziale di membrana corrispondente ad una situazione di equilibrio elettrochimico di quello ione. Questo è influenzato dal gradiente di concentrazione e dalla differenza di voltaggio attraverso la membrana. ex K+ → i neuroni concentrano K+ all’interno della membrana ma questi tendono a fluire dall’interno all’esterno a causa del loro gradiente di concentrazione. Il potenziale di membrana negativo all’interno della cellula attira gli ioni K+ impedendogli di uscire ⇒ al potenziale di equilibrio questi due fattori (gradiente di concentrazione e potenziale di membrana) si bilanciano reciprocamente. Differenza di potenziale all’interno e all’esterno del neurone (per diseguale distribuzione di cariche) 18/10/24 → dato che ci sono ioni sodio fissi fuori dalla membrana, all’interno della membrana si distribuiscono ioni negativi Quindi: K+ dentro + concentrato → esce (secondo gradiente di concentrazione) una volta uscito è attratto dal - all’interno → rientra (secondo gradiente elettrico) Poiché la membrana plasmatica è permeabile soprattutto al K+, il potenziale di membrana a riposo di un neurone si avvicina al valore del potenziale all’equilibrio del K+ POTENZIALE DI MEMBRANA A RIPOSO Potenziale di membrana a riposo nei neuroni: -70 ⇒ quando la cellula è a riposo c’è comunque un movimento di cariche. Il potenziale di membrana a riposo si misura con il voltometro. Essendo che le cariche di segno opposto non possono attraversare lo spessore della membrana, non possono neutralizzarsi a vicenda. potassio: entra ed esce sodio: entra (per gradiente chimico ed elettrico) ma è fortemente in disequilibrio cloro: (per gradiente chimico-di concentrazione) entra ed esce (per gradiente elettrico) Il valore di Vm=-70 si avvicina a quello di Cl e K → + canali per entrare/uscire continuamente Nel potenziale d’azione a riposo protagonista K (neurone a riposo) Nel potenziale d’azione dove si attiva il neurone il protagonista è il Na Quando il sodio non riesce ad entrare si ammassa all’esterno( a ridosso) della membrana = tanti ioni + fuori, tanti ioni - dentro→ membrana è permeabile al potassio (ha canali di fuga)/sodio entra in co-trasporto, di solito per il glucosio. Se il valore cambia da - a + (così come nel potenziale d’azione)= depolarizzata - diminuzione del valore del potenziale di membrana Se è tanto negativa = iperpolarizzata - aumento del valore del potenziale di membrana Il potenziale di membrana di una cellula è determinato da: → elevata permeabilità della membrana al K+, dovuta alla presenza di canali passivi per la sua uscita, sotto la spinta del gradiente di concentrazione contrastato dal gradiente elettrico. → impermeabilità della membrana agli ioni proteici, che rimanendo all’interno della cellula ne determinano la polarizzazione negativa → scarsa permeabilità della membrana al Na+, che ne riduce l’ingresso (nonostante la forte spinta del gradiente di concentrazione e di quello elettrico) → azione della pompa Na+/K+ che contrasta il flusso entrante di Na+ e la conseguente fuoriuscita di K+, mantenendo inalterati i rapporti di concentrazione degli ioni a cavallo della membrana. TIPI PRINCIPALI DI PROTEINE DI TRASPORTO: → CANALI: trasportano H2O e specifici tipi di ioni secondo gradiente di concentrazione. Le proteine che li compongono formano dei canali che attraversano la membrana. Sono di solito regolati da stimoli specifici. → TRASPORTATORI (CARRIER): legano ioni e molecole specifiche. Il legame con la molecola trasportata provoca un cambiamento e quindi il passaggio → POMPE: usano l’energia da idrolisi dell’ATP per spostare ioni contro il gradiente di concentrazione https://www.youtube.com/watch?v=u8pT1-EcsPg&t=2s Pompa sodio-potassio: Formata da 4 subunità quindi è TETRAMERICA ELETTROGENICA→ porta fuori 3 carica positive → per far funzionare la pompa l’ATP perde un gruppo fosfato e diventa ADP (FOSFORILAZIONE = perdita di un gruppo fosfato) - POMPA SODIO-POTASSIO Dal punto di vista strutturale la pompa è costituita da 2 SUBUNITà: ALPHA E BETA. La subunità alpha lega l’ATP, gli ioni Na+ e K+ e contiene i siti di fosforilazione che regolano il funzionamento della pompa stessa. La subunità beta è responsabile della localizzazione della pompa sulla membrana plasmatica e dell’attivazione dell’unità alpha. CARATTERISTICHE DELLA POMPA SODIO-POTASSIO: 1. Proteina integrale → attraversa tutta la membrana per permettere il passaggio ionico 2. Carrier 3. Multimerica 4. Tetramero 5. Antiporto 6. Trasporto attivo primario → consumo di ATP 7. Sempre “concentrativa” → mantiene le differenze di concentrazione (per il K+ dentro e per il Na+ fuori) TRASPORTATORE ATTIVO PRIMARIO (principale trasporto attivo delle nostre cellule) : scambiatore sodio-potassio → è un tipo di proteina carrier = per cambiare struttura deve legarsi a qualcosa e deve scindere l’ATP in ADP (alla proteina viene tolto un fosforo → fosforilazione) Potassio → dall’ esterno va al’interno → contro gradiente (in situazione normale sta dentro). Così come viene trasportato contro gradiente anche il sodio Si cerca di mantenere sempre una disuguaglianza con potassio dentro e sodio fuori = lavoro del trasporto facilitato Ci sono delle proteine carrier che fanno trasporto attivi → uso di ATP per spostare ioni contro gradiente Oltre al trasporto attivo e passivo, il passaggio di ioni e di piccole/grandi molecole attraverso la membrana plasmatica può avvenire anche mediante ENDOCITOSI-ESOCITOSI che si verifica con la formazione di vescicole = TRASPORTO VESCICOLARE: traslocazione di molecole attraverso vescicole o vacuoli e coinvolge complessi di membrana, recettori e fusione di membrane. Le vescicole sono formate da fosfolipidi che hanno una membrana idrofobico che li divide dal citoplasma Le vescicole si formano in zone specifiche della membrana→ scegliendo quanto tessuto utilizzare” ⇒ diametro della vescicola deciso da proteine di clatrina AUTOVERIFICA A,B,C →trasporto passivo = secondo gradiente chimico D→ trasporto attivo =contro gradiente chimico TRASPORTO ATTIVO, può essere: TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO: utilizza energia chimica, scissione ATP in ADP (pompa sodio-potassio) TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO: energie alternative come gradiente elettrochimico di uno ione (ex scambiatore Na-Ca: sfrutto il momento che il Na entra per far uscire il Ca → sfrutto il gradiente del sodio e non l’ATP) stessa cosa con il glucosio: dovrebbe entrare contro gradiente e per farlo non usa ATP ma sfrutta il passaggio del sodio ⇒ trasporta attivo secondario (slide 5 ppt giorno 22/10) DA COSA DIPENDE IL POTENZIALE DI MEMBRANA NELLE CELLULE NERVOSE? Il flusso di Na+ e K+ contribuiscono alla genesi del potenziale di membrana La diversa permeabilità della membrana a Na+ e K+ (Pk+) > (PNa+) fa sì che il valore del potenziale di membrana sia spostato verso Ek  La pompa ionica Na+/K+ mantiene i gradienti di concentrazione di questi ioni 22/10/24 TIPICO CANALE DEL POTASSIO: manca la fase di refrattarietà. A differenza del canale del sodio, questo canale si attiva un attimo dopo (fa uscire K+) IL POTENZIALE D’AZIONE: rappresenta lo stimolo nervoso che viene generato a livello del monticolo assonico e poi trasmesso lungo la membrana plasmatica del neurone → segnale elettrochimico (prima elettrico e poi chimico) che viene generato dal neurone -65 mV curva piatta = a riposo Raggiungo il valore soglia si apre dapprima il canale del Na+ Rapidamente la curva sale (= DEPOLARIZZAZIONE) su e poi fa un picco contrario → in cima canale Na+ si inattiva e si aprono canali K+ = fa uscire K+ (cariche positive) quindi ritorno verso valori negativi andando al di sotto del valore iniziale (= IPERPOLARIZZAZIONE) Dopo poco ritorno al valore di partenza grazie alla POMPA SODIO-POTASSIO. Tornato a -65 mV si potrà ripartire con un nuovo segnale Viene detto POTENZIALE D’AZIONE di tipo TUTTO o NULLA (o non inizia il segnale perchè non raggiungo il valore soglia, o è tutto perchè se lo raggiungo si aprono i canali Na+ e si apriranno poco per forza anche i canali K+) → la curva sarà sempre così CARATTERISTICHE GENERALI POTENZIALE D’AZIONE: -) SOGLIA: lo stimolo soglia è lo stimolo depolarizzante di intensità minima in grado di generare un potenziale d’azione in un neurone -) LEGGE DEL TUTTO o NIENTE: In un neurone un potenziale d’azione o è generato e si sviluppa in tutta la sua ampiezza, se lo stimolo raggiunge o supera la soglia, oppure non è generato affatto, se l’ampiezza dello stimolo è inferiore alla soglia -) REFRATTARIETÀ : Un neurone, una volta generato un potenziale d’azione viene a trovarsi in uno stato di REFRATTARIETÀ - periodo di REFRATTARIETÀ ASSOLUTA: nessuno stimolo per quanto intenso è in grado di generare un secondo potenziale d’azione (finché Na+ non si chiude non si può ricominciare) - periodo di REFRATTARIET RELATIVA: un secondo stimolo, a condizione che sia sufficientemente più intenso di quello soglia, è in grado di generare un secondo potenziale d’azione Devo aspettare la chiusura dei canali Na+ per poter ripartire con il segnale→ fondamentale della REFRATTARIETÀ del neurone Di fatto il valore soglia equivale a -55mV Valore di riposo -70 mV I canali K+ si aprono circa a +40mV https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=iBDXOt_uHTQ https://www.youtube.com/watch?v=oa6rvUJlg7o&t=267s Per far partire segnale gli deve arrivare stimolo sotto forma di valore soglia (=potenziale d’azione) L’intensità dello stimolo nervoso è data dalla frequenza dei potenziali d’azione = TRENO DI POTENZIALE tanti in poco tempo = frequenza più alta - tanti in tempo più dilatato = frequenza - elevata Tra le bloccanti del canale sodio troviamo la tetrodotossina (TTX), presente nel pesce Il potenziale d’azione si svolge in una regione specifica della regione di membrana, di estensione molto limitata, e pertanto rappresenta un fenomeno locale Tuttavia il potenziale d’azione influenza fortemente anche la distribuzione delle cariche elettriche nei suoi immediati dintorni generandi un GRADIENTE DI DEPOLARIZZAZIONE che porterà i canali voltaggio-dipendenti, negli immediati dintorni a raggiungere il loro valore soglia, consentendo la propagazione del potenziale Il segnale elettrico è UNIDIREZIONALE perché: → si genera sul monticolo assonico (quindi dall’altro lato non può andare = i canali non ci sono) → ho periodo di refrattarietà del canale sodio che non mi permette di far tornare indietro il segnale ⇒ da quanto si aprono i canali sodio poi ho un effetto domino che mi permette di aprire tutti i canali a valle I canali voltaggio dipendenti sono posizionati sul monticolo assonico e lungo l’assone ⇒ riprendendo il concetto per cui neurone con guaina ha segnale che viaggia + velocemente perchè non c’è dispersione di ioni = metto i canali sodio/potassio voltaggio dipendente solo nei nodi di raccordo (NODI DI RANVIER) tra le guaine ⇒ SALTATORIO - salto da un nodo all’altro aprendo pochi canali (= FIBRE MIELINICHE) = conduzione dello stimolo nervoso (potenziale d’azione) è CONTINUA Sul neurone senza guaina i canali sono dappertutto quindi ne devo aprire di + ⇒ FIBRE AMIELINICHE (senza guaina)= conduzione dello stimolo nervoso (potenziale d’azione) è SALTATORIA Neurotrasmettitore inibitorio → si allontana dal valore soglia eccitatorio → si avvicina al valore soglia Neuroni: - Eccitabili: rispondono a stimoli esterni - Conduttori: trasmettono impulsi Come risponde il neurone alle varie sollecitazioni? I dendriti e il corpo cellulare di un neurone ricevono sinapsi inibitorie ed eccitatorie da migliaia di terminali assonici di altri neuroni→ la risposta dipende dalla sommatoria di tutti i potenziali postsinaptici → dalla somma algebrica non si è arrivati al valore soglia quindi non parte segnale Albero dendritico riceve impulsi ovvero piccoli segnali elettrici che vengono sommati e se si arriva al valore soglia questo viene trasportato lungo l’assone  → singola sinapsi che invia + segnali che si sommano Il segnale elettrico verrà riconvertito in chimico nella membrana pre-sinaptica e poi nuovamente in elettrico nella membrana post sinaptica 23/10/24 Descrizione della curva del potenziale d’azione: FASE DI SALITA → forte DEPOLARIZZAZIONE FASE DI DISCESA → forte IPERPOLARIZZAZIONE FASE DI RECUPERO → lieve DEPOLARIZZAZIONE Ci sono altre cellule che aiutano il funzionamento delle sinapsi → ASTROCITI contattare + canali contemporaneamente e contattare vasi sanguigni per nutrire neurone e proteggerli (barriera emato-encefalica) Tra le altre funzioni degli astrociti c’è quella di tamponare eccesso di ioni K+ nello spazio extracellulare ⇒ trasportandoli nei vasi sanguigni Necessario perchè altrimenti avrei tanto potassio sia fuori che dentro e non va bene I potenziali d’azione che si generano sull’assone si possono definire come potenziali locali (il potenziale d’azione vero è proprio è sul monticolo assonico) ⇒ il neurone fa la somma (integra i segnali locali) e se si arriva al valore soglia parte il segnale altrimenti no IL SEGNALE SI AUTORIGENERA (ecco perchè avviene questo effetto domino) → → regione inattiva: dove non c’è ancora potenziale d’azione TRASPORTO ASSONALE: mitocondri, vescicole e tutto ciò che è necessario per la sinapsi Segnali d’ingresso = segnali locali che vengono sommati e se si arriva al valore soglia si apre il canale voltaggio dipendente sul monticolo assonico e si attiva una reazione a catena Quando c’è il rilascio dei neurotrasmettitori è avvenuto il passaggio da segnale elettrico chimico i canali K+ si chiudono circa a -90 mV i canali K+ si aprono quando ci si avvicina al valore di 56 mV STRUTTURA INTERNA DEL NEURONE microfilamenti o filamenti di actina o micro-filamenti → elasticità ⇒ si trovano solitamente sotto la membrana plasmatica, nella regione terminale delle cellule ⇒ REGIONE CORTICALE Hanno un diametro di 5-9 nm organizzate in una varietà di fasci lineari, reti bidimensionali e gel tridimensionali Aiutano la cellula a cambiare forma microtubuli o filamenti di tubulina → resistenza Questi filamenti possono allungarsi o accorciarsi: estremità negativa: in cui posso accorciarlo estremità positiva: in cui posso allungarlo solitamente quando la allungo da una parte la accorcio anche dall’altra ⇒ rigenero la stessa lunghezza con subunità nuove (sostituzione) ⇒ anche il citoscheletro non è statico, ma dinamico I filamenti intermedi si legano alla membrana nucleare ⇒ per resistere a stress meccanici → hanno proteine fibrose = parto da una e faccio interazione tra + proteine (non è cavo ⇒ foglio molto ripiegato) + tenere fermi organuli nel citoplasma = Hanno un diametro di circa 10 nm Un tipo di filamento intermedio forma un reticolo, chiamato lamina nucleare, proprio sotto la membrana nucleare interna Altri tipi si estendono attraverso il citoplasma attraversando il citoplasma da una giunzione cellulare all’altra Sono formati da proteine fibrose tra cui cheratina e vimentina Hanno ruolo strutturale di resistenza trazionale e di stabilità meccanica. Contribuiscono all’adesione cellulare tramite desmosomi e emidesmosomi ed interagiscono con microtubuli e microfilamenti al consolidamento del citoscheletro microtubuli → nascono dal centrosoma (=centro di organizzazione dei microtubuli) (cavi) ⇒ in continua sostituzione - poi proseguono nell assone (rotaia per trasportare ciò che serve per la sinapsi e ciò che torna dalla sinapsi = TRASPORTO ASSONALE è un traffico bidirezionale) Hanno un diametro esterno di 25 nm contribuiscono al posizionamento degli organuli nella cellula, ma soprattutto li guidano nei loro movimenti all’interno del citoplasma + dirigono il movimento dei cromosomi quando la cellula si divide Il processo che allunga o accorcia il mirc tubulo viene detto TREADMILLING Le microtubuli sono formate da due subunità: L’estremità + ⇒ β-tubulina L'estremità - ⇒ α-tubulina La vita media di un microtubulo è di soli 10 min ⇒ sono in continuo stato di assemblaggio e disassemblaggio per poter cambiare di lunghezza e posizione COMPONENTI DEL CITOSCHELETRO 3 modalità per ottenere delle strutture fibrose: A partire da uniytà Globulari: Microtubuli Microfilamenti A partire da unità Fibrose: Filamenti Intermedi Il materiale pericentriolare presenta due proteine: La tubulina gamma (associata con la pericentrina) assume una conformazione ad anello alla base dei microtubuli nascenti + fa da stampo per la formazione dei singoli filamenti Struttura a ventaglio del neurone = CONO DI CRESCITA CON VARIE DIGITAZIONI CHE SI MUOVONO (= mano con dita - stesso movimento), per fare ciò necessita dei microfilamenti / strutturalmente però la mano è rigida grazie ai microtubuli Le digitazioni elastiche servono all’assone per capire cosa c’è intorno e poi prende una direzione (si muovono dove ci sono ioni) ( ⇒ per comunicare con altri assoni e per farlo rilasciano le NEUROTROFINE) Neurotrofine → dicono se il neurone si sta muovendo dalla parte giusta o meno arrivato al bersaglio (=preso contatto con l’altro neurone) cambia conformazione e diventa BOTTONE SINAPTICO → contatto tra cono di accrescimento e bottone ricevente - si specializza  25/10/24 microfilamenti → plasticità neuronale => perché può cambiare la sua forma grazie all’apparato citoscheletrico che può accorciarsi o allungarsi I filamenti + stabili e meno dinamici sono quelli intermedi (microtubuli e microfilamenti si allungano o accorciano) Unità + POLIMERIZZAZIONE Unità - DEPOLIMERIZZAZIONE Energia per la polimerizzazione presa dall’ATP Attraverso microtubuli e filamenti di actina l’assone si guarda attorno e cerca di capire quale strada prendere per fare sinapsi I microtubuli nell’assone sono diretti tutti nella stessa direzione: estremità - verso il soma, estremità + verso la terminazione dell’assone ⇒ così l’assone si allungherà per passare in rassegna l’ambiente circostante I filamenti di actina → nelle digitazioni che ci permettono di capire se ci sono molecole buone per poterci far capire di star andando nella giusta direzione Tra le varie molecole troviamo NGF→ fattore di crescita neuronale nel complesso neurotrofine= nutrimento per neurone ⇒ attraggono cono di accrescimento Semaforine → molecole contrarie Quando il neurone incontra le neurotrofine allunga l’assone(=polimerizzazione dei microtubuli) grazie al potere drenante dei filamenti di actina Da cono di accrescimento a bottone sinaptico⇒ si chiudono le digitazioni di actina per fare sinapsi le membrane a questo punto devono MATURARE per diventare una MEMBRANA SINAPTICA = specializzata nel fare sinapsi TUTTO QUESTO IN CONTEMPORANEA AL TRASPORTO DEL POTENZIALE D’AZIONE Per il trasporto di strutture specializzate per la sinapsi Come autostrada con corsie di sinistra e dx ⇒ chi va verso la sinapsi non può mettersi nell’altra corsia ⇒ portare segnale elettrico alla sinapsi ma anche quello chimico trasportando vescicole con neurotrasmettitori Dall’altra parte riporto indietro le vescicole vuote (dove poi vengono scisse nei singoli lipidi usati per formare nuove vescicole) ⇒ proteine trasportatori di vescicole con forma specifica = proteine associate ai microtubuli (MAP motrici) Due classi di MAP - acronimo per proteine associate ai microtubuli - MAP motrici→ che trasportano vescicole (camion)= CHINESINA e DINEINA ⇒ due perchè una va nella corsia di dx e una nella corsia di sx  - MAP non motrici→ non fanno movimento ma hanno una funzione strutturale (asfalto) assone (strada) Chinesina va verso la sinapsi (da soma a sinapsi) Dineina riporta vescicole vuote indietro (da sinapsi a soma) Entrambe formate da due subunità con forme diverse ma fatte della stessa sostanza Da un lato le teste globulari che contattano e agganciano il microtubulo, dal lato opposto il luogo dove appoggio la vescicola entrambi questi movimenti lungo l’assone vengono detti RAPIDI Grazie alle proteine MAP posso fare trasporto rapido Proteina TAU→ se non sta bene non metto cemento sull'autostrada quindi il microtubulo dopo un pò si disgrega⇒ se non c’è trasporto non c’è sinapsi = MORTE DEL NEURONE Per funzionare questa proteina deve essere fosforilata ⇒ se enzima la fosforila troppo lei non è + in grado di svolgere il suo lavoro (iperfosforilata) ⇒ non è riconosciuta dal sistema che degrada le proteine (lisosoma?) e quindi la proteina iperfosforilata fa degli aggregati negli assoni che diventano tossici Le vescicole si ammassano nel bottone sinaptico Il trasporto può essere RETROGRADO o ANTEROGRADO veloce(ha MAP motrici) o lento (proteine o componenti della cellula che rotolano/ No MAP motrici) Vescicole con il neurotrasmettitore possono aprirsi verso l’esterno CONVERSIONE DA SEGNALE ELETTRICO A CHIMICO Come arriva segnale elettrico ai bottoni devono potersi aprire vescicole→ a ridosso della membrana segnale arriva e viene recepito dal canale del Ca Le VESCICOLE DI TRASPORTO permettono di separare dal resto della cellula il materiale da veicolare + permettono la fusione con la membrana plasmatica riversando il materiale dal lato opposto Hanno diverse caratteristiche: sono gli organelli di deposito dei quanti di neurotrasmettitore si fondono con la superficie interna della membrana del terminale pre-sinaptico a livello di siti specializzati di rilascio (ZONE ATTIVE) la liberazione delle vescicole è un fenomeno TUTTO O NULLA la probabilità di liberazione dipende dalla quantità di CA2+ che entra nel terminale l’esocitosi avviene attraverso la formazione di un PORO DI FUSIONE che attraversa la membrana vescicolare e quella presinaptica L’ingresso del Ca2+ determina l’apertura e la successiva dilatazione dei pori di fusione preesistenti, permettendo la liberazione del neurotrasmettitore Canale del Ca voltaggio dipendente permette il rilascio del neurotrasmettitore (Ca era molto fuori la cellula) Il Ca per gradiente di concentrazione entra nella cellula ma dopo 1ms lo chiudo (altrimenti troppo calcio sarebbe dannoso) e il Ca2+ viene pompato all’esterno del terminale assonale per riportare le concentrazioni di tale ione a livelli basali Entra Ca per avviare la fuoriuscita del neurotrasmettitore= le vescicole stanno ferme per aspettare segnale elettrico che fa entrare ione Ca = ESOCITOSI =la vescicola si fonde con la membrana e si apre rilasciando neurotrasmettitore = CONVERSIONE DA SEGN ELETTRICO A CHIMICO SI FORMA QUANDO RILASCIO NEUROTRASMETTITORE DALLE VESCICOLE Alcuni neurotrasmettitori vengono caricati nel soma e poi trasportati tramite assone alcune (con neurotrasportatori + importanti, i classici) vescicole si riempiono in loco= vescicola portata al bottone come vuota e 1 FASE- TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO (uso di ATP)= entrano ioni H+ (infatti questo tipo di trasporto è concentrativo) 2 FASE- TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO (non sfrutta E ATP ma per gradiente chimico della fase primaria) Cotrasporto = ANTIPORTO ⇒ porto H+ fuori e per ogni H+ faccio entrare un neurotrasmettitore (canali vescicolari per far entrare/uscire) VESCICOLE CON VALORI QUANTICI DI NEUROTRASMETTITORI = sempre lo stesso numero di neurotrasmettitori Rilascio di un eccessivo n di neurotrasmettitori = ogni vescicola ne libera una quantità fissa ⇒ la quantità dipende da quanti ioni Ca entrano quindi dalla FREQUENZA DI POTENZIALI D’AZIONE differenza tra SINAPSI ELETTRICA (POTENZIALE D’AZIONE) E CHIMICA ELETTRICA: tutto o nulla CHIMICA: i neurotrasm possono essere di diverso tipo, se entra + Ca o - rilascio + o - neurotrasm ⇒ COMPONENTE MODULABILE) Il canale del Ca si apre solo se arriva POTENZIALE D’AZIONE Il rilascio del neurotrasmettitore e potenziale d’azione devono arrivare in maniera molto rapida Come faccio ad abbassare i livelli di Ca nel bottone sinaptico? Trasportatore che butta fuori ioni Ca/ Ca che esce con ingresso del Na Tanto neurotrasmettitore che viene rilasciato deve poi essere RIASSORBITO da CELLULE GLIALI (astrociti?) Anche la membrana presinaptica ha dei trasportatori che si riprendono neurotrasmettitori per rimetterlo nelle vescicole (= sfrutta trasporto attivo secondario- simporto Na+/neurotrasmettitore, sfruttando il gradiente chimico del Na+) + nello spazio intersinaptico ci sono altri enzimi in grado di degradare neurotrasmettitore = IL NEUROTRASMETTITORE SI LEGA IL RECETTORE ATTIVANDOLO MA NON ENTRA NELLA MEMBRANA POST SINAPTICA modificandone il potenziale di membrana TIPO DI DOMANDE D’ESAME: → Similitudini/differenze tra assoni e dendriti → Classificazione dei neuroni → Cos’è la guaina mielinica e dove si trova? attorno all’assone, avvolgimento mielinico di membrana plasmatica → Che funzioni hanno le cellule gliali? → Elementi chimici fondamentali per la costruzione del neurone (e per le sue funzioni) → Qual è la definizione di acido e di base dal punto di vista della chimica? → Come si dispongono gli elettroni? configurazione elettronica → Quali sono le caratteristiche fondamentali delle proteine e che ruolo giocano all’interno delle cellule? la funzione dipende dalla struttura → Perché è estremamente importante conoscere la struttura primaria di una proteina? → Quale ruolo svolgono le proteine all’interno della membrana plasmatica? → Quali sono le funzioni principali delle membrane plasmatiche? → Cosa influenza la fluidità di membrana? → Quali sono le forze che regolano il trasporto di membrana? → Disegna un potenziale d’azione e descrivi la curva → Come risponde il neurone alle varie sollecitazioni?