Sbobine Complete Fondamenti di Biologia, Anatomia e Fisiologia - POLITO PDF

SBOBINE COMPLETE del corso di "FONDAMENTI DI BIOLOGIA, ANATOMIA E FISIOLOGIA" del POLITO Fisiologia...

SBOBINE COMPLETE del corso di "FONDAMENTI DI BIOLOGIA, ANATOMIA E FISIOLOGIA" del POLITO Fisiologia Politecnico di Torino (POLITO) 291 pag. Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  FONDAMENTI DI BIOLOGIA, ANATOMIA E FISIOLOGIA Laurea in Ingegneria Biomedica Politecnico di Torino 2° Semestre 2022/2023 Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  2 Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  Indice v 1 Introduzione alla fisiologia 11 1.1 Cosa si studierà?........................... 11 1.2 Livelli di organizzazione strutturale................. 11 1.3 Terminologia............................. 12 1.3.1 Piani del corpo........................ 12 1.3.2 Termini di direzione..................... 13 1.4 Tessuti................................. 13 1.5 Omeostasi............................... 15 1.6 Regolazione a feedback negativo.................. 15 v2 Biologia della cellula 2.1 L’evoluzione.............................. 17 17 2.2 La cellula............................... 18 2.2.1 Membrana plasmatica.................... 19 2.2.2 Nucleo cellulare........................ 20 2.2.3 Organuli citoplasmatici................... 20 2.3 Componenti chimici delle cellule.................. 27 2.3.1 Composizione chimica.................... 27 2.3.2 Importanza del pH...................... 28 2.4 Macromolecole............................ 28 2.4.1 Carboidrati.......................... 29 2.4.2 Lipidi............................. 31 2.4.3 Proteine............................ 32 2.4.4 Acidi nucleici......................... 36 2.4.5 Membrane: struttura e funzione.............. 39 2.5 Dal DNA alle proteine........................ 40 2.5.1 Replicazione......................... 41 2.5.2 Trascrizione.......................... 42 2.5.3 Maturazione dell’RNA.................... 43 2.5.4 Traduzione.......................... 44 2.6 Divisione cellulare.......................... 45 2.6.1 Mitosi............................. 46 2.6.2 Meiosi............................. 47 3 Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  4 INDICE v 3 Segnali elettrici nel sistema nervoso 3.1 Neurone................................ 49 49 3.2 Trasporti di membrana........................ 50 3.2.1 Membrana citoplasmatica.................. 50 3.2.2 Proteine di membrana.................... 51 3.2.3 Canali ionici......................... 51 3.2.4 Diffusione facilitata...................... 52 3.2.5 Pompa sodio-potassio.................... 52 3.2.6 Simporti e antiporti..................... 53 3.2.7 Diffusione semplice e osmosi................. 54 3.3 Differenze di potenziale....................... 55 3.3.1 Gradiente di concentrazione e gradiente elettrico..... 55 3.3.2 Legge di Nernst........................ 56 3.3.3 Equazione di Goldman-Hodgkin-Katz........... 56 3.4 Proprietà passive e attive di membrana.............. 58 3.4.1 Membrana/condensatore................... 58 3.4.2 Potenziale d’azione...................... 61 3.5 Propagazione elettronica....................... 66 3.5.1 Genesi PA........................... 66 3.5.2 Propagazione risposta passiva................ 68 3.5.3 Propagazione del potenziale d’azione............ 70 3.5.4 Velocità di conduzione.................... 74 3.6 Sinapsi................................. 74 3.6.1 Sinapsi chimiche e neurotrasmettitori........... 75 3.6.2 Rilascio neurotrasmettitori................. 77 3.6.3 Plasticità sinaptica...................... 79 3.7 Recettori di membrana post-sinaptici................ 84 3.8 Sinapsi elettriche........................... 86 3.9 Tipi di comunicazione tra cellule.................. 88 v 4 Recettori sensoriali 4.1 Anatomia dell’encefalo........................ 89 89 4.2 Classificazione sistema nervoso................... 89 4.3 Classificazioni recettori sensoriali.................. 91 4.4 Introduzione aree sensoriali..................... 92 4.5 Processi recettoriali.......................... 93 4.5.1 Recettori tattili........................ 95 4.5.2 Nocicettori.......................... 96 4.6 Percezione dello stimolo....................... 100 4.6.1 Potenziale di recettore e potenziale d’azione........ 100 4.6.2 Adattamento......................... 100 4.6.3 Dallo stimolo alla sensazione................ 101 4.6.4 Stimolazione e percezione.................. 103 Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  INDICE 5 v5 Sistema nervoso centrale 5.1 Organizzazione sistema nervoso 5.2 Encefalo................................................... 105 105 106 5.2.1 Aree associative....................... 107 5.2.2 Lateralizzazione....................... 108 5.2.3 Imaging funzionale...................... 109 5.2.4 Elettroencefalogramma................... 110 5.3 Midollo spinale............................ 111 5.3.1 Nervi spinali e cranici.................... 111 5.3.2 Dermatomeri......................... 112 5.3.3 Vie somatosensoriali..................... 112 5.3.4 Cellule gliali......................... 115 5.3.5 Liquido cerebrospinale.................... 117 ~ 5.4 Sistema nervoso autonomo...................... 117 6 Sistema nervoso motorio 119 6.1 Organizzazione gerarchica...................... 119 6.2 Fuso neuromuscolare......................... 120 6.2.1 Innervazione gamma..................... 121 6.3 Movimenti riflessi........................... 121 6.3.1 Riflesso patellare....................... 121 6.3.2 Riflesso flessorio di retrazione................ 123 6.4 Movimenti ritmici.......................... 123 6.5 Movimenti posturali......................... 123 6.6 Movimenti volontari......................... 123 6.6.1 Feedback e feedforward................... 124 6.7 Vie cortico-spinali.......................... 124 6.8 Cervelletto.............................. 125 7 Fisiologia del muscolo 127 7.1 Tessuto muscolare.......................... 127 7.2 Muscolo scheletrico.......................... 128 7.2.1 Fibra muscolare....................... 128 7.2.2 Sarcomero........................... 129 7.2.3 Contrazione fibra muscolare................. 131 7.2.4 Eccitazione.......................... 133 7.2.5 Contrazione muscolare.................... 135 7.2.6 Classificazione fibre muscolari................ 139 7.2.7 Unità motoria......................... 140 7.2.8 Controllo della forza..................... 140 7.2.9 Fatica muscolare....................... 143 7.2.10 Farmacologia......................... 143 7.3 Muscolo cardiaco........................... 144 7.4 Muscolo liscio............................. 144 Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  6 INDICE 8 Apparato cardiocircolatorio: il cuore 147 8.1 Quadro generale del sistema circolatorio.............. 147 8.2 Anatomia del cuore.......................... 149 8.2.1 Valvole cardiache....................... 151 8.3 Attività elettrica cardiaca...................... 151 8.3.1 Sistema di conduzione.................... 151 8.3.2 Potenziali d’azione cardiaci................. 152 8.3.3 Propagazione PA....................... 154 8.3.4 Elettrocardiogramma..................... 156 8.3.5 Aritmie cardiache...................... 159 8.4 Meccanica cardiaca.......................... 161 8.4.1 Accoppiamento EC nel muscolo cardiaco.......... 161 8.4.2 Ciclo cardiaco......................... 161 8.5 Regolazione dell’attività cardiaca.................. 164 9 Circolazione sistemica 167 9.1 Introduzione anatomica....................... 167 9.1.1 Grosse arterie......................... 169 9.1.2 Piccole arterie........................ 169 9.1.3 Vene.............................. 169 9.1.4 Struttura vasi sanguigni................... 170 9.2 Pressione, flusso, resistenza..................... 171 9.2.1 Legge di Poiseuille...................... 173 9.2.2 Velocità e pressione..................... 173 9.2.3 Effetti vasodilatazione e vasocostrizione.......... 174 9.2.4 Onda pulsatoria....................... 175 9.2.5 Variazione pressione con la postura............. 176 10 Regolazione pressione arteriosa 177 10.1 Misurazione PA............................ 177 10.2 PA media............................... 178 10.3 Ritorno venoso............................ 179 10.4 Sistema nervoso autonomo...................... 180 10.4.1 Sistema parasimpatico.................... 180 10.4.2 Sistema simpatico...................... 180 10.5 Meccanismi di controllo della PA.................. 182 10.5.1 Meccanismi a breve termine................. 182 10.5.2 Meccanismi a medio termine................ 183 10.5.3 Meccanismi a lungo termine................. 184 11 Microcircolo capillare 187 11.1 Scambi e diffusioni a livello capillare................ 187 11.1.1 Composizione del microcircolo............... 188 11.2 Controllo locale della circolazione.................. 190 11.3 Compartimenti liquidi dell’organismo................ 190 11.3.1 Osmosi............................ 192 Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  INDICE 7 11.3.2 Filtrazione capillare..................... 193 11.4 Edema................................. 194 12 Sistema respiratorio 197 12.1 Anatomia............................... 197 12.2 Meccanica respiratoria........................ 199 12.2.1 Valori standard di volumi.................. 201 12.2.2 Pneumotorace........................ 202 12.2.3 Modellizzazione meccanica respiratoria........... 202 12.3 Complianza.............................. 203 12.3.1 Surfactante.......................... 205 12.3.2 Alterazioni patologiche.................... 206 12.3.3 Compliance del sistema toraco-polmonare......... 206 12.4 Controlli clinici............................ 208 12.5 Circolazione polmonare....................... 208 12.5.1 Zone di West......................... 209 13 Scambi di gas nella respirazione 211 13.1 Legge dei gas............................. 211 13.1.1 Legge di Dalton....................... 211 13.1.2 Legge di Henry........................ 212 13.2 Scambio di gas a livello alveolare.................. 213 13.2.1 Diffusione ossigeno...................... 213 13.2.2 Diffusione anidride carbonica................ 215 13.3 Scambio di gas a livello tessutale.................. 215 13.3.1 Diffusione ossigeno...................... 215 13.3.2 Diffusione anidride carbonica................ 216 13.4 Trasporto dell’ossigeno........................ 216 13.4.1 Dissociazione dell’Hb..................... 216 13.5 Trasporto dell’anidride carbonica.................. 218 14 Controllo nervoso della respirazione 221 14.1 Pattern generator........................... 221 14.2 Riflesso chemocettoriale....................... 223 14.3 Adattamento della respirazione................... 224 14.3.1 Respirazione ad alta quota................. 224 14.3.2 Condizioni iperbariche.................... 225 14.3.3 Acclimatazione........................ 227 15 Apparato gastro-intestinale 229 15.1 Introduzione.............................. 229 15.1.1 Come funziona?....................... 230 15.2 Riflessi................................. 231 15.2.1 Riflesso del vomito...................... 232 15.3 Motilità................................ 232 15.3.1 Forze in gioco......................... 233 Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  8 INDICE 15.3.2 Innervazione del sistema digerente............. 234 15.3.3 Masticazione e deglutizione................. 235 15.3.4 Motilità dello stomaco.................... 236 15.3.5 Motilità dell’intestino tenue................. 238 15.4 Secrezione salivare.......................... 238 15.5 Secrezione gastrica.......................... 239 15.5.1 Cellule della mucosa gastrica................ 239 15.5.2 Controllo dell’acidità e secrezione acido cloridrico..... 240 15.6 Secrezione pancreatica........................ 242 15.6.1 Regolazione della secrezione del succo pancreatico.... 243 15.7 Secrezione biliare........................... 243 15.7.1 Bile.............................. 243 16 Sistema endocrino 245 16.1 Ormoni................................ 245 16.2 Ipofisi................................. 246 16.2.1 Ipotalamo........................... 247 16.3 Pancreas endocrino.......................... 248 16.3.1 Insulina............................ 249 16.3.2 Glucagone........................... 251 16.4 Ghiandole surrenali.......................... 252 16.4.1 Adrenalina.......................... 252 16.4.2 Cortisolo........................... 253 16.4.3 Aldosterone.......................... 253 17 Sistema immunitario 255 17.1 Introduzione.............................. 255 17.2 Infiammazione............................ 255 17.3 Emopoiesi............................... 256 17.3.1 Linea mieloide........................ 256 17.3.2 Linea linfoide......................... 258 17.4 Meccanismi di difesa......................... 258 17.4.1 Difesa aspecifica....................... 258 17.4.2 Difesa specifica........................ 259 17.5 Anticorpi............................... 262 17.6 Complesso maggiore di istocompatibilità.............. 263 17.7 Sistema linfatico........................... 263 17.8 Malattie autoimmuni......................... 264 17.9 Vaccini................................. 264 v 18 Tessuti 18.1 Introduzione.......... 18.1.1 Giunzioni cellulari.......................................... 267 267 267 18.1.2 Matrice extracellulare.................... 268 18.2 Tessuto epiteliale........................... 269 18.2.1 Costituzione cellulare.................... 269 Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  INDICE 9 18.2.2 Tipologie di epitelio..................... 269 18.2.3 Ingegneria tissutale...................... 270 18.3 Tessuto connettivo.......................... 270 18.3.1 Costituzione cellulare.................... 270 18.3.2 Tessuto connettivo fibroso.................. 271 18.3.3 Tessuto connettivo specializzato.............. 271 18.4 Tessuto muscolare.......................... 273 18.5 Tessuto nervoso............................ 273 19 Il rene 275 19.1 Introduzione.............................. 275 19.2 Anatomia............................... 275 19.2.1 Nefrone............................ 276 19.3 Filtrazione............................... 277 19.3.1 Corpuscolo renale...................... 278 19.3.2 Velocità di filtrazione glomerulare............. 278 19.3.3 Autoregolazione della VFG................. 279 19.4 Clearance plasmatica renale..................... 280 19.5 Riassorbimento............................ 281 19.5.1 Ormone antidiuretico.................... 281 19.5.2 Meccanismo d’azione dell’ADH............... 283 19.5.3 Aldosterone.......................... 284 20 Equilibrio acido-base 287 20.1 Introduzione.............................. 287 20.2 Sistemi tampone........................... 287 20.2.1 Sistema tampone al bicarbonato.............. 288 20.3 Regolazione respiratoria....................... 289 20.4 Regolazione renale.......................... 289 Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  10 INDICE Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  Capitolo 1 Introduzione alla fisiologia 1.1 Cosa si studierà? In questo corso si studieranno principalmente tre macro-argomenti: Biologia (scienza della vita): include tutti gli aspetti di struttura e funzionamento degli organismi viventi a diversi livelli di scala: biolo- gia molecolare, genetica molecolare, microbiologia, citologia, anatomia, biochimica, fisiologia, genetica, etologia,... ; Anatomia (tagliare in pezzi ): scienza che indaga la struttura degli or- ganismi viventi e si suddivide ulteriormente in: – Microscopica: citologia (cellule), istologia (tessuti); – Macroscopica: sistematica (per apparati) o topografica (per aree). Nozioni di anatomia sono un presupposto fondamentale per la compren- sione della fisiologia; Fisiologia (studio della natura): scienza che studia le funzioni degli or- ganismi viventi (sani). Si contrappone alla patologia, che è invece lo studio dell’alterazione delle funzioni nell’organismo malato. Concetti chiave: feedback negativo, rapporto causa-effetto. 1.2 Livelli di organizzazione strutturale Capiremo inoltre che tutti gli organismi viventi possono essere descritti su più livelli. Facendo l’esempio per un essere umano, esso si può descrivere par- tendo dal livello chimico, ossia come interagiscono fra loro i miliardi di atomi che stanno alla base di tutti i tessuti ed organismi. Allargando l’immagine ci potremmo fermare a studiare la struttura delle nostre cellule e il loro funziona- mento, sapendo cosı̀ caratterizzare i diversi tessuti, come può essere per esempio 11 Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  12 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE ALLA FISIOLOGIA un tessuto muscolare, in base al tipo di cellula che lo compone. Procedendo si arriva al livello degli organi, che come sappiamo sono costituiti da diversi tipi di tessuti, e che uniti tra loro formano i vari apparati: Apparato tegumentario; Apparato scheletrico; Apparato muscolare; Sistema nervoso; Apparato endocrino; Apparato cardiovascolare; Apparato linfatico; Apparato respiratorio; Apparato digerente; Apparato urinario; Apparato riproduttivo. L’insieme di tutti vari apparati va infine a costituire un vero e proprio organismo. 1.3 Terminologia Prima di poter intraprendere nel nostro studio è indispensabile avere chiare le varie terminologie usate in campo medico, per non avere in futuro difficoltà nel relazionarsi con medici o infermieri. 1.3.1 Piani del corpo Come prima cosa bisogna cosa si intende con posizione standard. Essa è la posizione a cui fanno riferimento tutte le terminologia mediche, togliendo ogni ambiguità in relazione all’orientamento del corpo, per esempio, quando si fa una lastra. Per posizione standard si intende un corpo umano in piedi. con le gambe e braccia poco divaricate verso l’esterno e con i palmi delle mani rivolti nella stessa direzione degli occhi. I piani principali del corpo sono tre: Piano mediano (sagittale mediano): taglia il corpo partendo dal naso, passando per il tronco e arrivando agli organi genitali; Piano frontale (coronale): taglia il corpo parallelamente alla posizione standard, ossia dividendo per esempio il palmo dal dorso della mano; Piano orizzontale (trasversale o trasverso): taglia il corpo orizzontal- mente rispetto alla posizione standard, dividendo cosı̀, per esempio, la pancia per poter vedere gli organi come il fegato o il pancreas. Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  1.4. TESSUTI 13 1.3.2 Termini di direzione Essenziali in campo medico, servono per comunicare la posizione di una qualsiasi cosa riferendosi alla posizione standard. Questo porta al non avere ambiguità nella comprensione. I termini principali sono: Superiore (craniale o cefalico): verso la testa o la parte più alta di una formazione corporea; Inferiore (caudale): lontano dalla testa o verso la parte più bassa di una formazione corporea; Anteriore (ventrale): verso o sul piano della fronte; Posteriore (dorsale): verso la parte posteriore del corpo; Mediale: verso il piano mediano del corpo; Laterale: lontano dal piano mediano del corpo; Intermedio: tra la formazione più mediale e una più laterale; Prossimale: Vicino all’origine di una formazione del corpo o al punto di attacco di un arto al tronco; Distale: lontano dall’origine di una formazione del corpo o dal punto di attacco di un arto al tronco; Superficiale: verso o alla superficie del corpo; Profondo: lontano dalla superficie del corpo. 1.4 Tessuti Nonostante vi siano oltre 200 tipi diversi di cellule nell’organismo, esse possono essere raggruppate in quattro principali categorie (Figura 1.1): neuroni, cellule muscolari, cellule epiteliali e cellule connettivali. Il tessuto è un insieme di cellule aventi stessa morfologia e stessa funzione, e, come abbiamo appena visto per le cellule, nonostante l’ampia diversificazione dei tessuti nell’organismo, essi vengono tradizionalmente divisi in 4 categorie: Tessuto epiteliale: è un tessuto di delimitazione che riveste l’esterno del corpo (pelle), le varie cavità e gli organi corporei. Ha la funzione di protezione, assorbimento, filtrazione e secrezione. Presenta una superficie libera (non aderente) e non è vascolarizzato. Presenta inoltre un’elevata adesione tra le cellule, ovvero una scarsità di materiale non cellulare (ma- trice extracellulare); Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  14 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE ALLA FISIOLOGIA Figure 1.1: Principali tipi di cellule Tessuto connettivo: ha la caratteristica di avere un’elevata proporzione di matrice extracellulare rispetto al volume cellulare. Essa prende una di- versa consistenza: liquida, semi-solida (gel) o anche molto dura a seconda dei suoi costituenti principali. Tra le principali funzioni dei tessuti connet- tivi troviamo: protezione, sostegno e tramite di accoppiamento meccanico verso altri tessuti del corpo; Tessuto muscolare: è un tessuto eccitabile che genera movimento attraverso il proprio accorciamento. Si caratterizza per la formazione di due muscoli diversi sia per la struttura che per la funzione: – Muscolo striato: esso si divide ulteriormente in due sotto cate- gorie, differenziate soprattutto dalla posizione e da ciò che svolgono nell’organismo: ∗ scheletrico: fibre molto lunghe, organizzazione regolare (in sar- comeri), contrazione rapida, controllo volontario; ∗ cardiaco: proprietà meccaniche simili al muscolo scheletrico ma diverse proprietà elettriche legata alla diversa interconnessione delle fibre. Controllo autonomo. – Muscolo liscio: organizzazione non parallela delle fibre contrat- tili, contrazione lenta, basso consumo energetico, localizzato su vasi sanguigni e organi interni (es. stomaco, intestino). Controllo au- tonomo; Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  1.5. OMEOSTASI 15 Tessuto nervoso: è un tessuto eccitabile in grado di generare e con- durre impulsi elettrici. È costituito da cellule dette neuroni. I neuroni sono sostenuti e isolati elettricamente dalle cellule gliali. 1.5 Omeostasi L’omeostasi è la capacità dell’organismo di mantenere in condizioni il proprio ambiente interno, ossia il liquido interstiziale, o extracellulare. Quest’ultimo è il liquido che rappresenta l’ambiente vitale degli organismi e delle cellule, ed è perciò fondamentale che ci sia un buon controllo sulle sue concentrazioni (glicemia, pH, glucosio, temperatura corporea, pressione arteriosa,...). La colti- vazione cellulare rappresenta una sfida per i ricercatori anche per tale motivo, vale a dire il cercare di ricreare perfettamente l’ambiente vitale delle cellule per poterle studiare. L’omeostasi si basa principalmente su un fattore principale: il flusso san- guigno. È grazie alla diffusione del sangue nei tessuti e negli organismi che il nostro corpo riesce a mantenere stabili tutti le varie concentrazioni. Un altro aspetto è che tutti gli organismi, fatta eccezione per l’apparato digestivo, il quale resta un po’ al di fuori di questo ciclo, instaurano fra loro dei rapporti funzionali. Dato che abbiamo detto che è il sangue il protagonista di questo processo, possiamo facilmente intuire che l’apparato più importante per queste relazioni è quello circolatorio, il quale, come si vede chiaramente dalla figura 1.2, fa da filo conduttore fra tutti gli altri vari apparati connettendoli in un ciclo per noi di vitale importanza. La diffusione del sangue però come avviene? Il processo di diffusione parte da una mancanza di qualche sostanza in qualche apparato. Prendiamo ad esempio un corridore, che durante una maratona consuma molto ossigeno a livello muscolare. È da questo maggior consumo che si crea una differenza di concentrazione di ossigeno tra il muscolo e il sangue, il quale grazie ad un processo fisico/chimico di diffusione per diversa concentrazione, cerca di ristabilire l’ordine, riportando i valori a quelli standard. Importante notare che quello appena descritto è un processo passivo, ossia non necessita l’impiego di trasportatori, e il suo principio di base per il quale avviene, ossia il ristabilire un valore di una sostanza dettato da una mancanza di quest’ultima, gli fa prendere il nome di ”regolazione a feedback negativo”. 1.6 Regolazione a feedback negativo Distaccandoci dall’esempio fatto in precedenza, cerchiamo ora di comprendere questo importantissimo meccanismo con il quale il nostro e la maggior parte degli esseri viventi riesce a regolare autonomamente i valori vitali di ciascun organismo al suo interno. La regolazione a feedback negativo presuppone il coinvolgimento di tre bloc- chi principale: Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  16 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE ALLA FISIOLOGIA Figure 1.2: Schema organizzativo semplificato dell’organismo Recettore: legge il valore della variabile controllata e lo trasmette al centro di controllo. Centro di controllo: riceve il valore comunicato dal recettore, lo con- fronta con il valore di riferimento (nominale) e se questo confronto dà esiti negativi, trasmette un comando correttivo all’effettore: Effettore: opera la correzione sulla variabile controllata. Esiste anche un altro tipo di processo, che è l’opposto di quello descritto in precedenza, e viene chiamato a ”feedback positivo”. Esso non realizza una regolazione bensı̀ una situazione instabile, che quindi tende ad evolvere verso una nuova condizione, di solito peggiore di quella iniziale. Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  Capitolo 2 Biologia della cellula In questo capitolo ci soffermeremo inizialmente sull’evoluzione degli organismi, per poi passare allo studio della cellula, della sua struttura, delle sue funzioni e di ciò che la costituisce 2.1 L’evoluzione Ogni organismo presente oggi sulla Terra non è sempre stato cosı̀, anzi, milioni di anni fa probabilmente non esisteva neanche! La prima forma di vita sul nostro pianeta è stato un organismo monocel- lulare, chiamato procariote ancestrale. Per milioni di anni la vita per come ce la immaginiamo noi oggi, quindi, non esisteva, e nessun segnale ci poteva far presagire che ci sarebbero stati cambiamenti. Ad un certo punto però ci fu un evento praticamente insignificante a livello macromolecolare, ma che rivoluzionò l’intero corso dell’evoluzione: la simbiogenesi! La simbiogenesi è il processo con il quale si pensa si sia creata la prima cellula pluricellulare in grado di produrre energia sotto forma di ATP dalla sintesi dell’ossigeno nei mitocondri. Bisogna ricordare che prima che avvenisse ciò le cellule possedevano già un processo con il quale potersi produrre energia, in particolare grazie alla glicolisi, ma non era minimamente paragonabile alla sintesi dell’ossigeno in termini di efficienza. Da questo evento scatenante si iniziarono a creare col tempo moltissime specie di organismi pluricellulari, anche chiamati eucarioti, i quali si differenziano dai procarioti soprattutto per il fatto di avere delle specializzazioni, ossia delle diverse strutture e funzioni in base al tipo di cellula, come noi oggi ben sappiamo ed abbiamo visto nel capitolo precedente. Per chiudere questo primo paragrafo sull’evoluzione è interessante notare come il motivo per il quale le cellule hanno iniziato a moltiplicarsi, al posto ma- gari di accrescersi sempre di più, è di natura fisica. La spiegazione sta alla base delle grandezze fisiche di superficie (m2 ) e volume (m3 ). Possiamo quindi vedere che il volume cresce di più della superficie e per questo nel corso dell’evoluzione 17 Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  18 CAPITOLO 2. BIOLOGIA DELLA CELLULA si è verificata una proliferazione cellulare. 2.2 La cellula La cellula è il più semplice componente della materia vivente in grado di svolgere tutte le attività necessarie per la vita e ogni organismo è formato da una o più cellule. Anche se ne esistono di molti tipi, tutte hanno delle caratteristiche comuni: si riproducono utilizzano energia hanno un metabolismo rispondono a stimoli esterni sono capaci di autoregolarsi si evolvono Nonostante l’enorme varietà di forme e funzioni, tutti gli organismi viventi sono però fondamentalmente simili. Le funzioni di base sono svolte con gli stessi mec- canismi, sono presenti gli stessi ioni, molecole e macromolecole che partecipano a reazioni chimiche simili. Vediamo ora brevemente le principali caratteristiche e differenze tra cellule procariotiche ed eucariotiche: Cellule procariotiche: si dividono in Eubatteri (Bacteria) ed Archeo- batteri (Archaea) e possono essere sia aerobi che anaerobi. Esse sono strutturalmente più semplici delle cellule eucariote (che discuteremo a breve), possiedono il DNA, ma sono sprovviste di nucleo. Il citoscheletro è assente oppure molto semplice e le loro dimensioni, molto piccole, si aggirano nell’ordine dei micrometri. Il citoplasma è privo di organelli cir- condati da membrane, si riproducono velocemente (in 11 ore un procariote genera 8 miliardi di cellule) ed infine hanno una locomozione semplice. Cellule eucariotiche: costituiscono piante, funghi, animali e sono strut- turalmente molto più complesse delle procariotiche. Hanno innanzi- tutto un nucleo delimitato da membrana (involucro nucleare), e il cito- plasma è ricco di organelli e strutture membranose. A differenza delle cellule procariotiche, quelle eucariotiche presentano un citoscheletro, che ha proprietà contrattili, di movimento e di supporto strutturale. Esse hanno un processo di riproduzione più articolato e complesso rispetto alle procariotiche, e tale meccanismo prende il nome di mitosi. Vediamo ora di andare più nello specifico descrivendo, pur sempre breve- mente, i vari componenti da cui la cellula è costituita. Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  2.2. LA CELLULA 19 Figure 2.1: Struttura di una tipica cellula. (a) Rappresentazione tridi- mensionale della cellula. (b) Ingrandimento di una piccola parte di membrana plasmatica che mostra il doppio strato lipidico. 2.2.1 Membrana plasmatica La cellula contiene diversi tipi di membrane che svolgono la funzione di barriera tra i vari compartimenti. In questa parte del capitolo ci focalizzeremo sulla struttura della membrana plasmatica, che separa la cellula dal suo ambiente esterno. La struttura dell’involucro nucleare, che separa il nucleo dal citoplasma, e quella delle membrane che delimitano gli organuli, che separano i comparti- menti interni degli organuli dal citosol, sono simili a quella della membrana plasmatica. Dal punto di vista strutturale la membrana plasmatica, definita come un mo- saico fluido, è costituita da fosfolipidi, colesterolo, proteine e carboidrati (Figura 2.2). Ciascuno di essi verrà descritto successivamente. La membrana plasmatica è composta principalmente da due file di fosfoli- pidi, i quali sono ordinati rispettivamente con le teste idrofile verso l’esterno della membrana e le code idrofobe verso l’interno, rappresentando il ”core” della membrana. Tale struttura, anche chiamata anfipatica (una porzione po- lare e l’altra apolare), non è ovviamente casuale, anzi, è fondamentale per tutto che la cellula ha a che fare. Per esempio la testa idrofoba e anche polare dei fosfolipidi rende la membrana capace di comunicare con le altre molecole polari all’interno e all’esterno di essa. Inoltre, dato che la parte interna della membrana è formata dalle code idrofobe dei fosfolipidi, rende quest’ultima impermeabile e quindi fortemente selettivo il passaggio da e verso l’interno della cellula. La membrana, infatti, viene oltrepassata solamente da specifiche sostanze, grazie Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  20 CAPITOLO 2. BIOLOGIA DELLA CELLULA alle proteine di membrana, le quali sono immerse all’interno della membrana stessa e di cui ci occuperemo più nello specifico prossimamente, ma delle quali possiamo già dire che sono degli indispensabili selettori per la corretta comu- nicazione cellulare. Figure 2.2: La membrana plasmatica 2.2.2 Nucleo cellulare La maggior parte delle cellule è dotata di un singolo nucleo che contiene il ma- teriale genetico della cellula stessa, il DNA. Tranne che durante la divisione cellulare, il DNA è presente nel nucleo sotto forma di filamenti sottili chiamati cromatina. Il nucleo appare in genere come una struttura più o meno sferica all’interno della cellula (Figura 2.3). Intorno al nucleo vi è l’involucro nucleare formato da due membrane. Queste membrane si fondono tra loro a intermit- tenza lasciando aperti degli spazi, definiti pori nucleari, che permettono il movimento selettivo di molecole tra il nucleo e il citoplasma, cosı̀ come fanno le proteine transmembrana nella membrana plasmatica. All’interno del nucleo vi è una struttura chiamata nucleolo, sito in cui viene sintetizzato un tipo di RNA chiamato RNA ribosomale (rRNA). Il nucleo svolge una funzione fonda- mentale per la trasmissione e l’espressione dell’informazione genetica. Il DNA che è contenuto al suo interno codifica infatti l’informazione genetica per la sin- tesi dell’RNA e delle proteine. L’importante ruolo del DNA e dell’RNA nella sintesi proteica verrà descritto successivamente. 2.2.3 Organuli citoplasmatici La membrana che delimita i vari organuli intracellulari forma una barriera tra il citosol (fluido intracellulare) e l’interno dell’organulo, creando cosı̀ dei compar- Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  2.2. LA CELLULA 21 Figure 2.3: Il nucleo. (a) Il nucleo è separato dal citoplasma dall’involucro nu- cleare. I pori nell’involucro nucleare permettono il passaggio di sostanze speci- fiche tra il nucleo e il citoplasma. All’interno del nucleo si trova il DNA. (b) Immagine al microscopio elettronico di un involucro nucleare. timenti all’interno del citoplasma (porzione di cellula contenuta all’interno della membrana cellulare). In alcuni casi vi sono due membrane che circon- dano un organulo creando dei compartimenti all’interno dell’organulo stesso. La struttura dei vari organuli membranosi verrà descritta qui di seguito. Reticolo endoplasmatico (RE) Il reticolo endoplasmatico, fondamentale per la sintesi di molte biomolecole, è costituito da una complicata rete di membrane che racchiude un compartimento interno chiamato lume (Figura 2.4). Ci sono due tipi di reticolo endoplas- matico che differiscono sia per la loro morfologia che per la loro funzione: Reticolo endoplasmatico rugoso: viene cosı̀ chiamato a causa del suo as- petto granulare o “rugoso” se osservato ad elevato ingrandimento, dovuto Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  22 CAPITOLO 2. BIOLOGIA DELLA CELLULA Figure 2.4: Il reticolo endoplasmatico alla presenza di ribosomi, complessi di rRNA e proteine che partecipano alla sintesi proteica. Il RE rugoso è inoltre la struttura più vicina al nucleo e prende parte alla sintesi di proteine che saranno poi secrete all’esterno della cellula, che verranno incorporate nella membrana plas- matica o che saranno destinate ad altri organuli. La membrana del reti- colo endoplasmatico rugoso è in continuità da un lato con la membrana esterna del nucleo, dall’altro con il reticolo endoplasmatico liscio (Figura 2.4). Reticolo endoplasmatico liscio: è formato da tubuli senza ribosomi adesi, pertanto presenta un aspetto “liscio”. Esso è la sede della sintesi dei lipidi, compresi i trigliceridi e gli steroidi, del colesterolo ed è inoltre fondamentale per l’immagazzinamento degli ioni calcio. Apparato del Golgi L’apparato del Golgi è composto da pile di sacche membranose appiattite, detti cisterne (Figura 2.5). L’apparato del Golgi è strettamente associato al reti- colo endoplasmatico da un lato, chiamato lato cis, anche se la sua membrana e quella del reticolo endoplasmatico sono separate. L’altro lato dell’apparato del Golgi è rivolto verso la membrana plasmatica e viene definito lato trans. L’apparato del Golgi elabora le molecole sintetizzate nel reticolo endoplas- matico e le prepara per il trasporto alla loro destinazione finale, impacchettandole all’interno di vescicole e indirizzando queste ultime verso la loro destinazione. Il processo completo del trasporto delle proteine all’interno della cellula avviene secondo questi passi: 1. I polipeptidi sintetizzati sui ribosomi sono inseriti nel lume del RE ; 2. Vengono aggiunti degli zuccheri, con la formazione di glicoproteine; Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  2.2. LA CELLULA 23 Figure 2.5: L’apparato del Golgi 3. Vescicole di trasporto veicolano le glicoproteine sulla superficie cis del Golgi; 4. Le glicoproteine sono ulteriormente modificate; 5. Le glicoproteine si portano sulla superficie trans, dove vengono impacchet- tate in vescicole di trasporto; 6. Le glicoproteine vengono trasportate alla membrana plasmatica (o ad altri organuli); 7. Il contenuto della vescicola di trasporto (glicoproteine) viene infine rilas- ciato nella membrana. Lisosomi I lisosomi sono piccoli organuli sferici circondati da una singola membrana (Figura 2.6). Essi contengono diversi enzimi che degradano i prodotti di scarto intracellulari e quelli extracellulari che sono stati trasportati all’interno della cellula. Ad esempio, in seguito alla fusione dei lisosomi con vecchi organuli non più funzionanti, gli enzimi contenuti nei lisosomi dissolvono questi organuli riutilizzando i costituenti utili e eliminando dalla cellula i prodotti di scarto. Nel caso di prodotti di scarto extracellulari, le cellule possono inglobare particelle extracellulari attraverso un processo chiamato endocitosi, nel quale le particelle sono racchiuse in una vescicola e trasportate all’interno della cellula. I lisosomi si fondono con la vescicola permettendo ai loro enzimi di degradare le particelle. Perossisomi I perossisomi sono organuli sferici, leggermente più piccoli dei lisosomi e cir- condati da una singola membrana. Contengono più di 50 enzimi che svol- gono varie funzioni, tra cui molto rilevante è l’ossidazione e la conseguente Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  24 CAPITOLO 2. BIOLOGIA DELLA CELLULA Figure 2.6: Immagine al microscopio elettronico di un lisosoma degradazione di molecole come amminoacidi, acidi grassi e sostanze tossiche estranee. Altro importante funzione degli enzimi nei perossisomi è quella catal- izzare reazioni metaboliche che degradano i derivati tossici dell’O2, formando il perossido di idrogeno H2O2. I perossisomi sono molto abbondanti nelle cellule del fegato e del rene, che rimuovono i prodotti di rifiuto ossidativi dalle cellule. Mitocondri I mitocondri sono delimitati da due membrane (Figura 2.7). La membrana esterna separa il mitocondrio dal citosol, mentre la membrana interna divide ogni mitocondrio in due compartimenti : lo spazio intermembrana, cioè l’area compresa tra le due membrane, e la matrice mitocondriale, il compartimento più interno. I mitocondri sono spesso considerati la “fabbrica di energia” della cellula in quanto la maggior parte dell’energia utilizzabile dalle cellule, sotto forma di ATP, è prodotta in questi organuli. I mitocondri sono importanti anche per il loro ruolo nell’immagazzinamento del calcio. Il numero di mitocondri contenuti all’interno di ogni cellula varia notevol- mente nei diversi tipi cellulari a seconda delle specifiche necessità energetiche. Ad esempio, per far fronte al loro elevato fabbisogno energetico, le cellule mus- colari contengono numerosi mitocondri. Al contrario, i globuli rossi, cellule deputate al trasporto dei gas nel sangue, non contengono mitocondri. Citoscheletro Il citoscheletro è una rete flessibile di proteine fibrose, dette anche filamenti, che fornisce rigidità strutturale e sostegno alle cellule (pensare che esso rende la membrana talmente resistente che può sopportare fino a 3/4 atm) in Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  2.2. LA CELLULA 25 Figure 2.7: Il mitocondrio modo simile a ciò che lo scheletro osseo fa nei confronti del corpo (Figura 2.8). Il citoscheletro non è rigido e non ha una struttura fissa. Le proteine fibrose che lo compongono possono essere assemblate o disassemblate, secondo le necessità. Le funzioni del citoscheletro comprendono il supporto meccanico e strutturale, il trasporto intracellulare di materiali, il sostegno per gli organuli, l’adesione con altre cellule, la contrazione e il movimento di alcune cellule. Il citoscheletro è formato da diversi tipi di filamenti, classificati in base al loro diametro: Microfilamenti: sono composti da proteine fibrose e sono cosı̀ chiamati perché possiedono il diametro più piccolo (7 nm). Un microfilamento, chiamato actina (Figura 2.9a), svolge diverse funzioni cellulari tra cui la contrazione muscolare, i movimenti ameboidi delle cellule e la ripartizione del citoplasma durante la divisione cellulare. Altri microfilamenti di actina forniscono supporto strutturale a specifiche proiezioni cellulari, chiamate microvilli (Figura 2.9b), che sono spesso presenti nelle cellule epiteliali specializzate nello scambio di molecole. L’actina è una struttura dinamica, sottoposta a un continuo assemblaggio e disassemblaggio. Filamenti intermedi: I filamenti intermedi hanno un diametro (10 nm) compreso tra quello dei microfilamenti e quello dei microtubuli. I filamenti intermedi sono più resistenti e più stabili dei microfilamenti. Fila- menti intermedi, chiamati cheratina, si trovano nelle cellule della cute e dei capelli. Microtubuli: I microtubuli sono i filamenti di maggiore diametro (25 nm) composti da lunghe strutture tubulari cave. Come i microfilamenti, essi Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  26 CAPITOLO 2. BIOLOGIA DELLA CELLULA Figure 2.8: Il citoscheletro sono delle strutture dinamiche sottoposte costantemente all’assemblaggio e al disassemblaggio. I microtubuli forniscono resistenza al citoscheletro. Essi sono i componenti di due strutture mobili: le ciglia e i flagelli (Figura 2.10). Figure 2.9: I microfilamenti. (a) Un filamento di actina, il più comune microfilamento. I filamenti di actina sono formati da due filamenti avvolti ad elica. (b) Immagine al microscopio elettronico di microvilli sulla superficie di una cellula epiteliale. Il disegno ingrandito mostra schematicamente come i microfilamenti sono disposti per fornire il supporto strutturale ai microvilli. Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  2.3. COMPONENTI CHIMICI DELLE CELLULE 27 Figure 2.10: I microtubuli. (a) La disposizione dei microtubuli in un ciglio. Ogni ciglio comprende 10 paia di microtubuli. Le doppiette contengono braccia di dineina per la motilità. I microtubuli si disassemblano e si disassemblano in subunità chiamate dimeri. (b) Immagine a colori al microscopio elettronico di una sezione trasversale delle ciglia. 2.3 Componenti chimici delle cellule 2.3.1 Composizione chimica Il 96,3% della massa degli esseri viventi è composto da C, H, N ed O, mentre il rimanente 3,7% è composto da Ca, P, K, S, Na e Mg. Questa grande differenza di concentrazioni non vuol certo dire che i composti che costituiscono quel 3,7% sia meno importante del 93,6%. L’atomo fondamentale del nostro organismo, per esempio, è il carbonio. Questo deriva principalmente dall’esigenza di avere delle strutture stabili, e in questo il carbonio è l’atomo perfetto, dato che ogni atomo è in grado di interagire in maniera molto stabile ad altri quattro atomi. Proprio per tale motivo, ad eccezione dell’H2O, quasi tutte le molecole cellulari sono dei composti a base di carbonio. Vediamo ora brevemente le principali caratteristiche e funzioni di tali com- ponenti: Ossigeno: respirazione cellulare, componente dei composti organici e dell’H2O; Carbonio: scheletro molecole organiche (4 legami), CO2; Idrogeno: composti organici, componente dell’H2O, trasferimenti di en- ergia (H+); Azoto: componente principale di proteine ed acidi nucleici; Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  28 CAPITOLO 2. BIOLOGIA DELLA CELLULA Calcio: componente strutturale di ossa e denti, importante per la con- trazione muscolare, trasmissione sinaptica e secrezione ormonale; Fosforo: componente degli acidi nucleici e dei fosfolipidi di membrana, importante nel trasferimento di energia (ATP, ADP); Potassio: regola la funzione nervosa e la contrazione muscolare; Zolfo: presente nelle proteine (ponti disolfuro); Sodio: regola la funzione nervosa, trasporto attraverso le membrane. Cosa rende però C, H, N ed O i componenti adatti alla vita cellulare? Come per il carbonio, anche gli altri sono caratteristici per il loro modo di legarsi con legami covalenti forti alle altre molecole. Sono cosı̀ in grado di mettere in comune 1, 2, 3 o 4 elettroni per completare il livello elettronico esterno (regola dell’ottetto). L’H2O è il composto più abbondante nelle cellule, pensare che in alcune può essere il 75/85% del peso). Essa è stata selezionata nel corso dell’evoluzione so- prattutto per la sua polarità, ossia ha una distribuzione disomogenea di cariche. Inoltre ogni molecola d’acqua può formare fino a 4 legami ad idrogeno, che anche se non è un legame covalente, esso è abbastanza forte. La conformazione data da questi legami conferisce all’acqua un alto calore specifico (serve molta energia per poter farla cambiare stato). Inoltre l’acqua è un buon solvente polare, infatti molecole idrofile, o idrofiliche, come zuccheri, acidi organici e proteine polari, si sciolgono facilmente in essa. Al contrario le molecole idro- fobe, o idrofobiche, come lipidi, proteine di membrana e molecole apolari, non si sciolgono ma formano degli aggregati stabili e ben separati dall’H2O. Infine, molecole parzialmente idrofobe e idrofile, chiamate anfipatiche, danno origine a membrane stabili che separano i compartimenti acquosi intracellulari ed extra- cellulari (membrana plasmatica). 2.3.2 Importanza del pH Il pH è un fattore essenziale in biologia. Esso determina la carica netta delle molecole biologiche in soluzione. È fondamentale per il corpo tenere un pH abbastanza neutro, infatti il pH intracellulare è di 7.2, mentre il pH ex- tracellulare è di 7.4, e questi sono dei parametri vitali per le funzioni cellu- lari. Per capire l’importanza del controllo del pH basti pensare alle proteine. Quest’ultime infatti sono altamente influenzabili dal pH, perché esso modifica la struttura degli amminoacidi, che come sappiamo, sono i componenti delle proteine e anche solo una mutazione in un amminoacido può causare malattie gravissime per l’organismo. 2.4 Macromolecole In questa parte del capitolo analizzeremo le principali macromolecole del nos- tro organismo, ossia carboidrati, lipidi, proteine, acidi nucleici, membrane, ecc. Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  2.4. MACROMOLECOLE 29 2.4.1 Carboidrati I carboidrati sono composti del carbonio che contengono C, H ed O in un rapporto 1:2:1, ovvero (CH2O)n. Si possono dividere in 3 categorie (Figura 2.12): Monosaccaridi: sono gli zuccheri più semplici, ossia glucosio, frutto- sio e galattosio. Hanno una struttura ciclica costituita da 5 (glucosio, galattosio) o 6 (fruttosio) atomi di carbonio e un atomo di O all’interno dell’anello. Ciascun carbonio lega un gruppo ossidrilico (OH) e uno forma anche il gruppo carbonilico (CO). Il glucosio è il monosaccaride più abbondante. Nelle piante verdi è sin- tetizzato a partire dall’H2O e dal CO2 tramite il processo di fotosintesi. Anche nella maggior parte degli organi viene utilizzato come fonte di energia entrando nel ciclo di Krebs. In soluzione esistono due isomeri del glucosio (Figura 2.11), differenziati dalla posizione del gruppo ossidrile sul carbonio-1: – α-Glucosio: l’OH è situato sotto il carbonio; – β-Glucosio: l’OH è situato sopra il carbonio. Figure 2.11: Differenza fra α-glucosio e β-glucosio Disaccaridi: sono composti da due monosaccaridi legati attraverso un legame glicosidico: un ossigeno centrale è legato covalentemente con due carboni, ovviamente di due zuccheri diversi. La reazione con cui si forma un legame è la condensazione, liberando anche una molecola di H2O. La reazione inversa, per rompere il legame glicosidico, di conseguenza con- sumerà una molecola di H2O, e prende il nome di idrolisi. Esistono 3 tipi di disaccaridi: – Maltosio: glucosio-glucosio; – Lattosio: glucosio-galattosio; – Saccarosio: glucosio-fruttosio. Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  30 CAPITOLO 2. BIOLOGIA DELLA CELLULA Figure 2.12: I carboidrati Polisaccaridi: sono macromolecole costituite da una lunga serie di un monosaccaride. Non hanno alcuna funzione informazionale, dato che il loro compito è quello di costituire un deposito di energia. I polisaccaridi (ramificati o lineari) formati dall’unione di molte molecole di glucosio sono: – Glicogeno e amido: sono polisaccaridi di riserva energetica carat- terizzati dall’essere costituiti da catene lineari e ramificate di α- glucosio. Diversi alimenti, infatti, vengono trasportati nel fegato, convertiti in glucosio e infine depositati sotto forma di glicogeno, il quale verrà immagazzinato nel muscolo per fornire l’energia chimica (ATP ) necessaria per la contrazione muscolare; – Cellulosa: è un polisaccaride strutturale tipico della parete cellu- lare dei vegetali. È costituito da catene lineari di β-glucosio tenute assieme da legami β1-4. Per colpa di questo legame glicosidico, la maggior parte degli animali non riesce ad idrolizzare le molecole di cellulosa e quindi il suo accumulo può risultare un problema per l’organismo. Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  2.4. MACROMOLECOLE 31 2.4.2 Lipidi I lipidi sono macromolecole che possono essere sia idrofobe (apolari), sia an- fipatiche (con regioni polari e apolari). Essi sono solubili in solventi polari, hanno una struttura eterogenea e le loro funzioni sono quelle di formare parte della nostra riserva energetica, fare parte della struttura delle membrane e contribuire alla trasmissione dei segnali chimici. La famiglia dei lipidi comprende molte classi diverse, tra cui: Acidi grassi: sono costituiti da catene idrocarburiche (idrofobe) con un gruppo carbossilico (idrofilo), per questo sono molecole anfipatiche. Per questo esposti all’acqua si separano e formano delle ”micelle”. Nella cel- lula sono legati covalentemente ad altre molecole e come sappiamo for- mano la coda dei fosfolipidi nella membrana plasmatica. Inoltre dalla loro demolizione si ricava energia, per questo sono anche delle riserve ener- getiche. La lunghezza della loro catena varia dai 12 ai 20 atomi di carbo- nio ed essa può avere o non avere ramificazioni. Proprio questo aspetto varia considerevolmente le caratteristiche e la struttura degli acidi grassi, differenziandoli in due categorie ben disgiunte: – Acidi grassi saturi: hanno solo legami singoli tra gli atomi di carbonio. Essi sono presenti nei grassi animali e le loro catene lunghe e ben impacchettate non facilitano la loro decomposizione, per questo sono sconsigliati gli alimenti con troppi grassi saturi. Le loro interazioni dipendono ovviamente dalla lunghezza lunghezza della catene e gli conferiscono lo stato solido a temperatura ambiente, con un’annessa alta temperatura di fusione. – Acidi grassi insaturi: possiedono doppi legami tra gli atomi di car- bonio e sono abbondanti negli olii vegetali. I siti con i doppi legami producono angolature nella molecola, la quale rende le catene degli acidi grassi insaturi più disordinate e meno impaccate rispetto a quelli saturi. Per tali motivi questo acido grasso è fluido a temperatura am- biente e con una temperatura di fusione bassa. Trigliceridi: sono formati da una molecola di glicerolo e tre acidi grassi. Le loro funzioni principali sono quelle di immagazzinare energia per sostenere il metabolismo energetico e di fare da isolante termico. I trigliceridi formati con acidi grassi saturi sono solidi o semi-solidi (grassi animali), e per la loro particolarità di fare da isolante termico, sono pre- senti in grande quantità soprattutto negli animali che vivono in ambienti freddi. I trigliceridi formati con acidi grassi insaturi sono invece liquidi a temperatura ambiente e sono tipici degli olii vegetali delle piante. Fosfolipidi: sono la tipologia di lipidi più importante soprattutto perché formano la maggior parte della membrana plasmatica cellulare. Sono for- mati da una molecola di glicerolo (o sfingosina), due acidi grassi e un gruppo fosfato legato ad un gruppo organico. Hanno una Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  32 CAPITOLO 2. BIOLOGIA DELLA CELLULA Figure 2.13: Immagine fatta al computer di due acidi grassi. Si può notare la differenza tra le catene lineari dei grassi saturi e quelle ramificate dei grassi insaturi natura anfipatica e si distinguono in due tipi: fosfogliceridi (glicerolo) e sfingolipidi (sfingosina). Glicolipidi: sono derivati dalla sfingosina e contengono uno zucchero al posto del gruppo fosfato. Esistono anche i glicosfingolipidi se al posto del glicerolo hanno la sfingosina. I glicolipidi e i glicosfingolipidi sono importanti per il riconoscimento cellulare. Steroidi: sono formati da atomi di carbonio disposti in 4 anelli uniti tra loro. Ad essere precisi, 3 anelli sono formati da 6 atomi di carbonio, mentre il quarto è formato solo da 5 carboni, a cui ad esso si lega una lunga catena idrocarburica. I più importanti steroidi sono: colesterolo, sali biliari (fegato), ormoni sessuali (testosterone, estradiolo), ecc. Im- portante notare che tutti gli ormoni steroidei derivano dal metabolismo del colesterolo. Terpeni: sono dei precursori importanti delle proteine e sono derivanti dall’isoprene, una molecola a 5 atomi di carbonio. Essi danno origine a sostanze poco solubili, proprio come la vitamina A. 2.4.3 Proteine In questa sezione parleremo di proteine, una delle macromolecole più impor- tanti del nostro corpo. Per iniziare a capirne il ruolo chiave all’interno del nostro organismo, basta pensare che una cellula si differenzia da un’altra so- prattutto per le tipologie di proteine prodotte. Esse sono quindi fondamentali per la diversificazione cellulare. Le proteine sono caratterizzate da diversi livelli strutturali (Figura 2.14), i quali sono: Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  2.4. MACROMOLECOLE 33 Figure 2.14: I livelli della struttura proteica Struttura primaria: è l’unità fondamentale di una proteina e rappre- senta la sequenza lineare ordinata di amminoacidi che formano la catena polipeptidica. Per convenzione l’inizio di una catena polipeptidica viene indicata come N-terminale, mentre la fine con C-terminale (è cosı̀ perché si segue la direzione della sintesi di un peptide). Il numero di amminoacidi esistenti è esattamente 20, quindi il numero di possibili sequenze polipeptidiche è 20n , dove n è il numero di amminoacidi nella catena. Questo ci potrebbe far pensare ad una grande casualità nelle po- sizioni dei diversi amminoacidi, ma cosı̀ non è, anzi, la mutazione di anche solo 1 amminoacido in una catena lunghissima, può avere conseguenze catastrofiche per il nostro corpo. Degli esempi di ciò possono essere: Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  34 CAPITOLO 2. BIOLOGIA DELLA CELLULA – Anemia falciforme, che porta ad una mutazione e malformazione del globulo rosso per colpa della sostituzione di una valina al posto di un acido glutammico; – Sindrome di Tymothy: anche questa a gravissime patologie car- diache per colpa di un solo amminoacido mutato nelle proteine del canale del calcio. Gli affetti da questa sindrome di solito non super- ano i 2/3 anni, e se ci riescono, si portano dietro per tutta la vita un altissimo rischio di contrarre malattie cardiache. Struttura secondaria: si suddivide ulteriormente in due tipologie dif- ferenti, per la loro conformazione e scopi finali, ossia: – α-elica: in questa struttura la catena polipeptidica si avvolge su se stessa in un cilindro rigido, stabilizzata da dei legami idrogeno tra il gruppo carbonile C O di un legame peptidico e l’ NH di 4 a.a (amminoacidi, per semplicità) successivi (passo d’elica = 3,6 a.a. La struttura ad α-elica è tipica di regioni di proteine integrali di membrana, e permette alla proteina stessa di svolgere il ruolo di trasportatore e recettore. Da qui possiamo capire come questa struttura sia molto importante, perché è proprio la conformazione con cui una proteina transmembrana riesce ad inserirsi nella membrana plasmatica delle cellule. – foglietto-β: si differenza dalla α-elica per le diverse funzionalità e dalla struttura, che in questo caso, come suggerisce il nome, as- somiglia ad un foglietto pieghettato. Come per prima, anche questa struttura è legata da legami H (idrogeno), e si forma questi legami uniscono due tratti di catene polipeptidiche adiacenti. Queste due catene possono essere sia parallele, se le due estremità vicine presentano entrambe o un N-terminale o un C-terminale, oppure an- tiparallele, se sono vicine due estremità diverse e quindi le due catene scorrono in senso opposto. I gruppi radicali (R) legati alle catene, cosı̀ come nella struttura ad α-elica, sporgono dai due lati del foglietto (nell’altra struttura sono rivolti verso l’esterno). Struttura terziaria: è la conformazione dell’intero polipeptide e rap- presenta la condizione più stabile per una singola proteina. Esiste una varietà enorme tra le varie forme che può assumere questa struttura, ed essa viene determinata da una diffrazione a raggi X. I ripiegamenti della struttura terziaria sono dovuti alla presenza di regione con α-eliche e foglietti-β che si ripiegano una sull’altra formando interazioni a lunga distanza (ponti disolfuro, interazioni ioniche, ecc.). In una singola proteine, soprattutto in quelle di grosse dimensioni, ci pos- sono essere più domini. Il dominio di una proteina è una regione della catena polipeptidica che può ripiegarsi indipendentemente dal resto della proteina in una struttura stabile. Ogni dominio contiene tra i 100 e i 250 amminoacidi. Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  2.4. MACROMOLECOLE 35 Figure 2.15: Canale V-dipendente Struttura quaternaria (proteine multimeriche): è la struttura comp- lessa di proteine formate da più subunità, ossia da più catene polipep- tidiche già disposte in strutture terziarie. Esse possono essere delle copie della stessa subunità (tetrametro), oppure formate da subunità diverse. Possono infine aggregarsi in dei filamenti, come per esempio l’actina, la quale è un filamento proteico citoscheletrico. Un esempio molto importante di strutture proteiche molecolari sono i canali del Na+ e Ca2+ V-dipendenti. Queste strutture a voltaggio-dipendenti hanno il compito di gestire il passaggio di ioni da e verso delle membrane. Il loro meccanismo di funzionamento si basa su un principio fisico di differenza di potenziale e il loro compito è proprio quello di minimizzare questa differenza avendo come obiettivo avere la stessa concentrazione di cariche all’interno e all’esterno della membrana. Dalla figura 2.15 si nota come questa complesso proteico sia suddiviso in più domini distinti e con ruoli diversi. Nel primo dominio, chiamato ”dominio del sensore di voltaggio”, sono presenti i primi 4 segmenti, da S1 a S4, i quali sono i responsabili del controllo della differenza di potenziale di cui parlavamo poco fa. Il segmento più importante di questa regione è sicuramente l’S4, perché è quello che concretamente si occupa di verificare le cariche, e lo fa grazie a dei residui sulla catena, come si può vedere dal suo ingrandimento nella figura 2.15, dotati di cariche. Questi conferiscono a questo segmento l’abilità nel saper riconoscere un cambiamento di potenziale tra lo spazio intra ed extramembrana. Una volta notato, è proprio lui a modificare il suo orientamento, il quale modifica la struttura dell’intero complesso, comunicando al secondo dominio di agire. Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  36 CAPITOLO 2. BIOLOGIA DELLA CELLULA Il secondo dominio, chiamato anche ”dominio del poro”, comprendente i domini S5 ed S6, riceve i segnali dal segmento S4 e si occupa della selezione degli ioni. È infatti importante ricordare che ogni canale è selettivo per un singolo ione, e questa grande selettività non sarebbe possibile senza questa regione. Tornando al processo con cui lavora un canale a voltaggio dipendente, una volta che il segmento S4 ha rilevato la differenza di potenziale, modificato il suo orientamento e aver mandato dei segnali al dominio del poro, è quest’ultimo che modificando la sua conformazione si può aprire o chiudere, in base a quali sono stati i comandi ricevuti, per far passare solo gli ioni selezionati. Un canale a V-dipendente è costituito quindi per la maggior parte da proteine transmem- brana aventi una struttura ad α-elica, cosı̀ da potersi inserire agevolmente in membrana. Inoltre questi canali sono anche caratterizzato da subunità acces- sorie, le quali costituiscono la struttura quaternaria del complesso proteico e sono situati all’interno o all’esterno della cellula. 2.4.4 Acidi nucleici Gli acidi nucleici sono macromolecole formate da lunghe catene di nucleo- tidi (Figura 2.16) e sono fondamentali per l’immagazzinamento, la trasmis- sione e l’espressione dell’informazione genica. I nucleotidi sono quindi le unità monomeriche del DNA (acido desossiribonucleico) ed RNA (acido ribonucle- ico), che sono i principali acidi nucleici, e sono costituiti da una base azotata, uno zucchero (ci si fermasse qua si parlerebbe di nucleoside) e un gruppo fos- fato. La prima differenza tra DNA ed RNA sta subito nella composizione, infatti mentre nel DNA le basi azotate sono adenina (A) e guanina (G), chiamate an- che pirimidine, e citosina (C) e timina (T), chiamate anche purine, nell’RNA al posto della timina compare l’uracile (U). Un ulteriore differenza sta nel fatto che nello zucchero pentoso del DNA non è presente il gruppo ossidrile sul C2 mentre nello zucchero dell’RNA compare. Gli acidi nucleici sono costituiti da catene lineari di nucleotidi che hanno una testa e una coda. La testa viene indicata come estremità 5’ (”cinque primo”), mentre la coda viene chiamata estremità 3’ (”tre primo”) e questi nomi indicano qual è l’atomo di carbonio che termina la catena, o detto meglio, quale atomo carbonio ha legato un radicale a sua volta non legato; il carbo- nio 5’ ha legato ha se un gruppo fosfato, mentre il carbonio 3’ ha legato a se un gruppo ossidrile. Possiamo aggiungere che questa particolarità nell’avere le due estremità diverse conferisce alla molecola un’orientabilità, la quale è una caratteristica molto importante e comune alla maggioranza delle biomolecole. Nel DNA, il quale sappiamo, in teoria, essere composto da due catene nu- cleotidiche appaiate tra loro (Figura 2.17b), i legami che si instaurano sono dei legami H e sono tra coppie di basi azotate. Le coppie, come prevedibile, non sono a caso, ma anzi esse sono: AT e CG. Cosı̀ come per gli a.a delle proteine, anche l’accoppiamento delle basi azotate è un fattore essenziale per il corretto funzionamento di una molecola di DNA, infatti basta anche solo una base mu- tata per creare gravissime malattie genetiche. È importante notare, inoltre, che queste due catene nucleotidiche appaiate non sono orientate nello stesso Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  2.4. MACROMOLECOLE 37 Figure 2.16: I nucleotidi verso (Figura 2.17a) e per questo la struttura del DNA si chiama struttura antiparallela. Oltre alla differenza tra basi azotate e presenza o no del gruppo ossidrile su C2, DNA ed RNA differiscono anche e soprattutto per la diversa struttura tridimensionale. Se infatti, come abbiamo appena osservato, il DNA ha una struttura a doppia elica, cosı̀ chiamata per l’appaiamento a spirale delle due catene nucleotidiche, l’RNA è formato da un singolo filamento di nucleotidi (Figura 2.17c). Codice genetico Sappiamo che l’informazione genetica del nostro corpo è caratterizzata quasi esclusivamente da come sono ordinate le basi azotate nel nostro DNA. Come si può passare però da una sequenza di 4 nucleotidi ad una sequenza che possa ammettere almeno 20 caratteri, ossia i nostri amminoacidi? Questo problema è puramente matematico e come sempre il nostro organismo e l’evoluzione è Document shared on https://www.docsity.com/it/sbobine-complete-del-corso-di-fondamenti-di-biologia-anatomia-e-fisiologia-del-polito/10321507/ Downloaded by: federico-papurello ([email protected])  38 CAPITOLO 2. BIOLOGIA DELLA CELLULA Figure 2.17: Gli acidi nucleici riuscita a trovare il metodo piè efficiente di poter esprimere tutti e 20 gli ammi- noacidi, ossia usare delle triplette (42 = 16 < 20 mentre 43 = 64 > 20). Dato che, come si può facilmente notare, le possibili combinazioni sono abbastanza più di 20, si dice che il nostro codice genetico è ridondante: ogni amminoacido è codificato da più di una tripletta di nucleotidi. Dopo aver definito come sia possibile riuscire a codificare gli amminoacidi, ossia i tasselli dell proteine, passiamo a spiegare, molto brevemente, come fun- ziona la sintesi di tali proteine (Figura 2.18: 1. Trascrizione: è il processo durante il quale il DNA contenuto nel n