La Cellula: Struttura e Funzioni (PDF)

LA CELLULA Le cellule sono le unità elementari degli esseri viventi. Gli organismi viventi possono essere distinti in unicellulari e pluricellulari. Negli organismi unicellulari, costituiti da un’unica cellula, quindi batteri, protozoi e lieviti, la cellula ha la forma dell’individuo. Quindi, l’i...

LA CELLULA Le cellule sono le unità elementari degli esseri viventi. Gli organismi viventi possono essere distinti in unicellulari e pluricellulari. Negli organismi unicellulari, costituiti da un’unica cellula, quindi batteri, protozoi e lieviti, la cellula ha la forma dell’individuo. Quindi, l’individuo ha la forma della cellula. Fondamentalmente, la forma è tipica della specie. La forma è un aspetto dinamico, può cambiare in relazione alla funzione della cellula. Nel corso dell’evoluzione, per aumentare il fitness, quindi la capacità di meglio adattarsi e di sopravvivere, gli organismi unicellulari sono diventati organismi pluricellulari. Negli organismi pluricellulari, la cellula non ha più rapporti con la forma dell’individuo. Siccome l’organismo è fatto da più cellule, non è la singola cellula che dà la forma all’individuo. In un organismo pluricellulare, la forma dei tipi cellulari è diversa perché i vari tipi cellulari esercitano varie funzioni. La forma della cellula è molto importante per la funzione. Le cellule degli organismi pluricellulari sono organizzate a formare gli organi. Un organo è fatto da più tipi cellulari e quindi da più tessuti. L’insieme degli organi costituisce gli apparati. I vari tipi cellulari presentano differenze in forma, dimensione e funzioni, in quanto si specializzano per espletare una determinata funzione. 1 CONFRONTO TRA CELLULA ANIMALE E CELLULA VEGET ALE La cellula animale e la cellula vegetale hanno delle strutture in comune: o Membrana cellulare. Infatti, una cellula senza un involucro che la delimita non esisterebbe. Tutte le cellule, indipendentemente che siano procariotiche o eucariotiche, vegetali o animali, hanno sempre una membrana plasmatica. o DNA, che contiene le informazioni per la sintesi delle proteine. o Citoplasma, una matrice gelatinosa che contiene una serie di organelli e di inclusioni. o I ribosomi, che sono delle inclusioni. DIMENSIONI DELLE CELLULE E LA LORO VISIBILITÀ ALL’OCCHIO UMANO Il limite della visione dell’occhio umano è di 0,1 mm = 100 µm. Uovo di gallina → 65 mm = 6,5 cm Le cellule vegetali sono mediamente più grandi delle cellule animali. Una tipica cellula vegetale, nella sua poliedricità, ha un lato maggiore che varia da 10 a 100 µm. I cloroplasti hanno il lato maggiore che varia da 2 a 10 µm. I mitocondri, sono degli organelli molto plastici, e la lunghezza del lato maggiore varia da 1 a 5 µm. Il neurone più lungo (motoneurone) del nostro organismo, compreso di assone, è lungo più di 50 cm. I neuroni che vanno ad innervare la muscolatura scheletrica volontaria hanno un assone molto lungo (50 cm). 2 Il corpo cellulare di un neurone è di circa 70 µm. I protozoi sono organismi unicellulari ma hanno delle cellule relativamente grandi. Ad esempio il tripanosoma è un protozoo che ha una lunghezza di 25 µm. I globuli rossi sono cellule biconcave di diametro compreso tra 7 e 8 µm. I globuli rossi sono biconcavi per aumentare il rapporto superficie/volume. A parità di volume, una cellula biconcava ha una superficie maggiore. Quindi, rende più efficienti gli scambi respiratori. L’escherichia coli è un batterio bastoncellare lungo da 1 a 5 µm. Il Coronavirus ha un diametro tra 60 a 140 nm. È un virus piuttosto grande. L’HIV ha un diametro di 100 nm. Il batteriofago T4, è il virus di un batterio, è lungo 225 nm. Il virus del mosaico del tabacco è lungo 300 nm. Il poliovirus, che è il virus da cui origina la poliomielite, è di 30 nm. La molecola del DNA ha un diametro di 2 nm. Mediamente, una molecola di DNA, che compone un cromosoma, è lunga 1,1 m. 3 RAPPORTO SUPERFICIE/VOLUME Il rapporto superficie/volume delle cellule è molto grande. Se una cellula ha una funzione tale per cui ha bisogno di scambiare molto con l’ambiente che lo circonda deve essere piccola. A parità di volume, una cellula, se deve scambiare con l’esterno, tende ad assumere una forma tale da poter avere il maggior rapporto superficie/volume. Il rapporto superficie/volume aumenta al diminuire del diametro della cellula. Quindi, la forma di una cellula è anche legata alla necessità che una cellula ha di scambiare con l’ambiente esterno. Considero un cubo di lato di 2 cm. Considero un cubo, sempre di lato di 2 cm, però costituito, a sua volta, da 8 piccoli cubi con lato di 1cm. A parità di volume, la superficie sviluppata dagli 8 cubi è maggiore rispetto a quella di un unico cubo. Perché l’elefante assume quella forma ed è così grande? In generale, gli organismi più grandi e più tondeggianti (di forma sferica) sono diventati così durante l’evoluzione perché sono quelli che, dal punto di vista termico, devono scambiare di meno con l’ambiente esterno. La sfera è quella forma solida che ha la minore superficie possibile a parità di volume. E quindi, essendoci una superficie minore, c’è una superficie minore, in termini di scambi termici. In conclusione, le cellule che devono scambiare di più dal punto di vista chimico (che devono far entrare e uscire molecole) devono essere piccole. Perché più sono piccole e maggiore è il rapporto superficie/ volume e quindi possono scambiare più facilmente. Questo è il motivo per cui i globuli rossi sono piccoli (7-8 µm) e hanno forma biconcava. La forma biconcava è la soluzione migliore per poter aumentare il rapporto superficie/ volume, avendo queste cellule che si devono comunque muovere nel vaso sanguigno ad una velocità importante. Quindi, la forma della cellula è legata alla funzione. I batteri, ad esempio hanno un rapporto superficie /volume molto elevato rispetto a cellule eucariotiche superiori. 4 FORMA DELLA CELLULA Un macrofago, per poter catturare dei batteri, emette tante estroflessioni tali da poterlo inglobare. Il batterio viene portato, tramite le estroflessioni, verso la cellula e viene fagocitato. Quando viene fagocitato, il batterio non solo viene distrutto ma la cellula va a processare la composizione del batterio e dà informazioni ad altre cellule per fare gli anticorpi o per attivare dei linfociti. Il macrofago nella sua funzione ha assunto una forma straordinaria, con tutte le estroflessioni. I macrofagi si formano dalla linea monocito-macrofagica, derivano dai monociti. I cardiomiociti sono delle cellule allungate; sono cellule muscolari del tessuto cardiaco. I bastoncelli e i coni sono delle cellule recettoriali presenti nella parte più interna della retina. Sono cellule che si attivano con la luce, sono fotorecettori. I bastoncelli si attivano di notte e danno la percezione del bianco-nero. Viceversa, di giorno si attivano i coni, che sono responsabili della visione a colori, perché hanno dei pigmenti che ricevono diverse lunghezze d’onda (di colori diversi) nel tratto del visibile. 5 I granulociti neutrofili, se c’è uno stimolo, possono uscire dal vaso sanguigno, attaccandosi dapprima ad alcuni recettori delle cellule endoteliali, e poi cambiando forma riescono a passare tra una cellula endoteliale e l’altra. Escono dal vaso e mediante un processo di chemiotassi vanno in una direzione precisa, dove sono i batteri, attaccandoli. La forma viene fatta variare per la specifica funzione che la cellula deve svolgere. Quindi, la forma è legata alla specifica funzione svolta da ogni tipo di cellula in ogni singolo tessuto. LA CELLULA La cellula è l’unità funzionale contenente al suo interno organelli differenziati nelle funzioni. Gli organelli hanno il compito di assicurare la vita vegetativa e le funzioni cellulari. Tutte le cellule, procariotiche ed eucariotiche, possiedono: la membrana cellulare, che è il rivestimento della cellula (indispensabile per l’esistenza della cellula stessa); il nucleo (se è presente) o materiale genetico disperso, quindi il DNA; il citoplasma, costituito da una matrice, detta citosol, degli organelli, delle inclusioni (ribosomi) e fibre proteiche. 6 Le inclusioni sono prive di membrana. I granuli di glicogeno si accumulano nel tessuto muscolare e a livello del fegato. I ribosomi sono la sede a livello della quale l’RNA messaggero viene tradotto a dare la proteina, con l’intervento del t RNA. 7 IL NUCLEO Il nucleo rappresenta il 10% del volume cellulare. È un organello altamente specializzato ed è il centro di informazione e amministrazione della cellula: contiene le informazioni per l’essenza e le funzioni della cellula. Le sue funzioni principali: o Contiene il materiale genetico, ossia il DNA (acido desossiribonucleico) o Coordina le attività cellulari, ossia interviene nel metabolismo intermedio, crescita, sintesi proteica e riproduzione cellulare (divisione cellulare). Una cellula eucariotica senza nucleo non può esistere, o esiste solo per un tempo determinato. Ci sono delle cellule del nostro organismo, come i globuli rossi, che sono senza nucleo e funzionano dal momento in cui hanno perso il nucleo a quando vengono distrutte. I globuli rossi hanno una longevità molto limitata. Nel periodo di tempo in cui sono senza nucleo (quindi, non fanno sintesi proteica), poiché sono ricche di emoglobina, non fanno altro che scambiare gas respiratori: acquisiscono ossigeno a livello degli alveoli polmonari e lo vanno a portare a livello dei tessuti periferici. I reticolociti sono i globuli rossi privi di nucleo. Il nucleo, come tale, è presente solo nelle cellule eucariotiche. Nei batteri e negli archebatteri non c’è il nucleo, ma il materiale batterico è disperso nel citoplasma. Ci sono cellule come i funghi e le alghe sifonali che hanno più nuclei. Anche alcuni epatociti hanno due nuclei. DNA DELLA CELLULA UMANA Il DNA contiene l’informazione per la sintesi delle proteine. Un filamento di DNA è composto da una serie di nucleotidi. Ciascun nucleotide è costituito da un pentoso (a cinque atomi di carbonio), a cui è legato un gruppo fosfato e una base azotata, quindi adenina, guanina, citosina e timina. La combinazione in successione di questi 4 nucleotidi va a costituire il codice genetico. Nella regione codificante di un gene, tre nucleotidi consecutivi costituiscono un codone, che codifica per un determinato amminoacido. 8 Nelle cellule umane sono presenti 46 cromosomi, che sono uguali a due a due. Nell’uomo una coppia di cromosomi, i cromosomi sessuali, sono diversi: XY. Nella donna sono due cromosomi XX. Nel nucleo il DNA è presente in forma rilassata a formare la cromatina. Solo quando la cellula si deve dividere il materiale genetico si condensa e si organizza a formare i cromosomi. Di fatti, sono presenti 46 cromosomi, ognuno di circa 2,5 µm di lunghezza. Ogni cromosoma è fatto da due cromatidi. Se sfilo il cromosoma ogni filamento è di 1,1 m. Ciascun filamento di DNA si va ad avvolgere attorno a delle proteine istoniche. 9 Il doppio filamento di DNA che si avvolge alle proteine va a costituire i nucleosomi. Questi sono formati da un “core” centrale, costituito da 8 istoni (proteine), attorno ai quali si avvolgono i due filamenti di DNA ad elica. Nella fattispecie il tipo di proteine istoniche contenute nei nucleosomi sono: istoni H2A, H2B, H3 e H4. Poi c’è un’ulteriore proteina istonica (indicata in verde) fibrosa, esterna al nucleosoma, necessaria a stabilizzare quest’ultimo, detta istone H1. Nel nucleo, il DNA appare in forma diffusa (non condensato), che prende il nome di cromatina. C’è un momento ben definito della vita cellulare, in particolare nella METAFASE MITOTICA, dove la cromatina è molto condensata al punto da formare delle strutture discrete, i cromosomi. I genetisti per poter studiare i cromosomi trattano le cellule con delle sostanze, che portano le cellule nella metafase mitotica e quindi possono osservare i cromosomi. Quindi, il DNA appare sottoforma di cromosomi solo nella metafase mitotica (durante la mitosi). Il cromosoma è costituito da un centromero, dove si incontrano i due cromatidi, ognuno costituito da un braccio lungo (Q) e da un braccio corto (P). 10 IL NUCLEOLO All’interno del nucleo è presente una struttura sferica, che è detta nucleolo. Ce ne sono da 1 a 4 per ogni nucleo cellulare e il numero è fisso e caratteristico per ogni specie cellulare. La funzione del nucleolo è quella di sintetizzare e assemblare i ribosomi. LA MEMBRANA NUCLEARE Il nucleo è racchiuso da una membrana, detta membrana nucleare. La membrana nucleare è costituita da due strati e attraverso la membrana sono presenti dei pori, piuttosto grandi, che consentono tranquillamente il passaggio in entrata e in uscita di determinate molecole di piccole dimensioni e selezionano il passaggio di molecole grandi. IL CITOPLASMA Il citoplasma è composto dal citosol, dagli organelli (rivestiti da una membrana), dalle inclusioni e dalle fibre proteiche. Il citoplasma costituisce quasi la metà del volume cellulare, in generale. Gli adipociti, ad esempio, hanno una quantità di grassi talmente elevata da ridurre la percentuale del citoplasma a qualche punto percentuale (2-3 %). Il citosol è la matrice acquosa di natura colloidale che contiene gli organelli e alcuni sistemi di membrane. Il citosol è composto per l’80% da acqua. All’interno del citosol sono presenti Sali, ioni, zuccheri, enzimi, diversi tipi di proteine ed è contenuta la 11 maggior parte dell’RNA. L’RNA è l’altro acido nucleico, è importante per la sintesi delle proteine. I MITOCONDRI I mitocondri sono degli organelli profondamente importanti: o Producono ATP mediante la fosforilazione ossidativa: glucosio e acidi grassi vengono ossidati e questo porta alla liberazione di energia, che viene accumulata sottoforma di ATP. o Sono sensori della disponibilità dell’ossigeno, che viene utilizzato nella respirazione cellulare. Poiché i mitocondri utilizzano la maggior parte dell’ossigeno che la cellula assume per poter produrre energia, sono da considerarsi dei sensori della disponibilità dell’ossigeno. o Hanno un’importanza centrale nell’apoptosi cellulare (morte programmata della cellula) e nella necrosi (morte accidentale della cellula, a seguito di un insulto tossico, nocivo, infettivo). o Intervengono nella termoregolazione. Infatti, il tessuto adiposo bruno è caratterizzato dall’avere dei mitocondri molto particolari, detti mitocondri disaccoppiati. In questo caso l’energia che viene estratta dalla catena respiratoria viene utilizzata poco per fare ATP e viene soprattutto utilizzata per liberare energia termica, per produrre calore in modo da aumentare la temperatura corporea. Se una persona vive in un ambiente freddo, il tessuto adiposo bianco si può trans differenziare per diventare tessuto adiposo bruno. I mitocondri sono rivestiti da due membrane: una membrana mitocondriale esterna, che filtra poco, e una membrana mitocondriale interna, che è un filtro importante. La membrana mitocondriale interna si invagina in diversi punti e va a costituire le creste mitocondriali. Poiché nella membrana mitocondriale interna è presente la catena respiratoria, ossia quella serie di enzimi che permettono di ossidare la materia organica liberando energia, un mitocondrio attivo, quindi, per aumentare la quantità di proteine della catena respiratoria espande la membrana mitocondriale interna, per mezzo delle creste. (mitocondri con poche creste, vuol dire che sono in quel momento poco sollecitati a sintetizzare ATP). Il numero di creste è plastico: un mitocondrio che deve produrre molto ATP aumenta il numero di creste mitocondriali. La matrice mitocondriale è di consistenza citosolica. 12 ----Una cellula può contenere un numero variabile di mitocondri. Le cellule che hanno bisogno di maggiori quantità di ATP, ad esempio cellule che devono trasportare contro gradiente delle molecole, quindi cellule con tante pompe ioniche, presentano un numero di mitocondri molto elevato. In genere, il numero di mitocondri varia da qualche unità a qualche migliaio a seconda del tipo di cellula. La catena respiratoria è fatta da una serie di proteine di natura enzimatica che catalizzano delle reazioni per cui, il glucosio in primis viene ossidato e vengono ossidati alcuni coenzimi… I RIBOSOMI I ribosomi immersi nel citoplasma sono detti ribosomi liberi, mentre quelli ancorati al reticolo endoplasmatico e alla membrana nucleare sono detti ribosomi legati. La funzione dei ribosomi è quella di permettere la sintesi proteica, perché sui ribosomi si poggia la catena di RNA messaggero, che viene poi tradotto in proteine. In quest’azione c’è l’intervento del t RNA (transfert RNA), che porta l’amminoacido in funzione del codone, e l’r RNA (RNA ribosomiale), che contribuisce a comporre il ribosoma. 13  rappresentazione grafica del processo di sintesi proteica a livello dei ribosomi. Il ribosoma è costituito da molecole di r RNA e proteine. Ogni ribosoma è composto da due subunità una grande e una piccola. I ribosomi sono diversi in peso tra cellula eucariotiche, batteri e archebatteri, in quanto cambia la struttura e la sequenza dell’RNA ribosomiale. L’RNA ribosomiale, in tutte le specie, ha una parte in comune e una parte specifica per quella specie. Quindi, se ho un miscuglio di batteri e ne isolo uno, per capire qual è quella specie batterica, isolo l’RNA ribosomiale e vado a sequenziare una determinata parte di quell’RNA ribosomiale. Siccome quel tratto di sequenza è univoco per quella specie, posso capire di che batterio si tratta. 14  IL RETICOLO ENDOPLASMATICO Il reticolo endoplasmatico è un organello di fondamentale importanza. È molto esteso e può superare il 50% di tutte le membrane della cellula. Rappresenta più del 10% del volume cellulare. È distinto in “liscio” (REL), dove sono presenti attività enzimatiche biosintetiche* e “rugoso o ruvido” (RER), che ha il compito di sintetizzare le proteine e ne consente il ripiegamento. *a livello del REL sono presenti enzimi biosintetici che sintetizzano determinate molecole, tra cui gli estrogeni, ormoni di natura lipidica che derivano dal colesterolo. Il reticolo endoplasmatico interviene nel signaling intracellulare, perché all’interno del RE è presente una grande quantità di ioni calcio. Gli ioni calcio sono delle molecole segnale, che innescano una serie di processi biologici. Gli ioni calcio sono depositati nel RE e nel momento in cui si aprono determinati canali ionici del calcio presenti nel RE, il calcio esce dalle cisterne e va nel sito dove deve attivare delle proteine. Il reticolo endoplasmatico interviene nella morte programmata delle cellule, ha una funzione nell’apoptosi. L’APPARATO DEL GOLGI L’apparato del Golgi è costituito da membrane appiattite discoidali. Si tratta di cisterne appiattite a formare delle strutture discoidali. L’apparato del Golgi, detto anche complesso del Golgi, è costituito sia dalle cisterne che da vescicole presenti nelle vicinanze. 3 L’apparato del Golgi rappresenta il cuore della via secretoria intracellulare. Esso va a modificare chimicamente i carichi secretori attraverso degli enzimi e li indirizza, li immette in una porzione di membrana delle cisterne, dalla quale si formano delle Ziunoee sen estroflessioni, che si staccano dal complesso del Golgi e vanno a rappresentare delle vescicole, che contengono il materiale che deve essere secreto. Queste vescicole sono dette vescicole secretorie. Tali vescicole si staccano dall’apparato di Golgi e grazie al citoscheletro arrivano a livello della membrana cellulare, si fondono nella membrana cellulare e ciò che sta nel lume di queste vescicole viene riversato all’esterno. Questo è ciò che avviene per l’insulina: viene sintetizzata a livello del RE, viene modificata (idrolisi) a livello del Golgi e poi viene immessa nelle vescicole, che emtimi Nel golgi ci sono che roegomo · Glicosicazione delle proteine el civellodel golgi 15  vengono secrete e poi l’ormone viene riversato, prima nell’ambiente extracellulare, e poi va nei vasi sanguigni. mo da dove perto - el proteine -reazioni quicie se en le - modi fucamo proteine zicere memb. (vesciol) > del caticolo - endopecsm. L’apparato del Golgi svolge delle funzioni non del tutto chiarite. Dal punto di vista organizzativo, l’apparato del Golgi è distinto in una regione cis, in una regione mediana e una regione trans. Le vescicole secretorie gemmano nella regione trans. I LISOSOMI I lisosomi sono la sede di degradazione di prodotti endocitosati (vuol dire macromolecole o intere cellule batteriche portate in cellula attraverso il processo di endocitosi) dall’esterno e prodotti della senescenza/autodigestione intracellulare. Alcune cellule, come i protozoi, si nutrono attraverso l’endocitosi. Alcune particelle di cibo vengono portate in cellula attraverso il processo di endocitosi. Tali particelle, grazie al citoscheletro, si muovono all’interno del citoplasma. Ad un certo punto vanno in contatto con i lisosomi, si fondono insieme lisosoma e vescicola contenente la particella, andando a formare il cosiddetto lisosoma secondario. Gli enzimi idrolitici presenti nel lume dei lisosomi si Lisosami Smontaggio o Montaggio citosol ossidazione compono il lego emzimi => carclente com la aberc 16 idzoenci di 1 mol di acqua. riversano sulla particella, che viene di conseguenza digerita. Una parte di ciò che è stato digerito viene usato dalla cellula, una parte di scarto viene eliminata. I lisosomi sono organelli, che hanno un’unica membrana. In genere, i lisosomi sono collocati vicino al nucleo cellulare. --- All’interno dei lisosomi, nel lume, l’ambiente è acido (pH tra 3,5-5) e sono presenti delle idrolasi acide, cioè enzimi in grado di scindere il legame covalente con la formazione di una molecola di acqua. Si dice idrolasi acide perché il pH ottimale di funzionamento è acido (la maggior parte delle idrolasi agiscono a pH 7,4). Nei lisosomi vengono degradate sostanzialmente glicoproteine e glicolipidi. ---- I lisosomi sono particolarmente numerosi nei macrofagi, e la loro presenza è legata all’attività di fagocitosi. Delle alterazioni a livello dei lisosomi possono causare gotta, silicosi, artrite e altre malattie. IL CITOSCHELETRO Il citoscheletro è l’insieme delle strutture interne che danno sostegno e forma alla cellula. La forma della cellula è in primis dovuta al citoscheletro. Il citoscheletro è coinvolto in molti processi della vita cellulare:  Trasduzione dei segnali extracellulari  Replicazione cellulare  Meiosi  Motilità cellulare > Migrazione di - cell deform.. im prec. della posizione ca e acula 17   Trasporto di vescicole e di organelli cellulari, alla base del cosiddetto trafficking intracellulare: in una cellula, le vescicole, gli organelli non sono fissi, ma si muovono nel citosol in una direzione ben definita. Il citoscheletro ha tre componenti principali: o Filamenti di actina (in celeste), sono filamenti sottili e sono composti da una molecola globulare, che è l’actina. o Microtubuli (in giallo), sono strutture tubulari cave e la parete di questi tubuli è costituita da una proteina, detta tubulina. o Filamenti intermedi (in rosa), brevi e collegati tra loro, che sono composti da camimime desmim più proteine. => rimemtima , chezatima , , parteciadessang e pass. 18 ↑  # Sicco Se sanguecogua pe plasma divente 2bama-> dIV 2 ossigeno. I insolubile e camiza da parte Stesso Mome la Libera corpusalata ↳ silzo è il persma delbrimde I COMPARTIMENTI LIQUIDI DELL’ORGANISMO I liquidi corporei sono contenuti in due compartimenti: il liquido extracellulare e il - liquido intracellulare. Il liquido intracellulare è quello all’interno della cellula e il ↑ - liquido extracellulare è quello all’esterno della cellula. I due liquidi sono in equilibrio osmotico ma sono in disequilibrio chimico: la pressione osmotica del liquido extracellulare è uguale alla pressione osmotica del liquido intracellulare, ma la composizione, ossia le molecole disciolte, ha concentrazione diverse nei due liquidi. diversa è la loro composizione par > create Rosporto diversi per il - gradienti PERCHÉ I LIQUIDI INTRA - ED EXTRACELLULARE DEVONO ESSERE IN EQUILIBRIO OSMOTICO , NELLA CELLULA ANIMALE ? Se non sono in equilibrio osmotico, la cellula può o esplodere (perché entra troppa acqua all’interno) o può raggrinzirsi (perché perde acqua e quindi volume cellulare), quindi la cellula perde la sua forma e la sua funzione e i soluti si concentrano, diventando deleterio. Devono essere in equilibrio osmotico per garantire il mantenimento del volume delle cellule. Il liquido extracellulare è costituito da tutto il liquido che bagna le cellule, quindi dalla componente interstiziale, il liquido interstiziale (è il liquido che sta fuori dai vasi sanguigni e che bagna le cellule), e dal plasma (è la parte liquida del plasma). Quindi, il liquido extracellulare è composto dal plasma e dal liquido interstiziale. Il liquido extracellulare costituisce 1/3 di tutto il liquido dell’organismo. Il liquido intracellulare costituisce i 2/3 del liquido dell’organismo. osmotante => dalpuntoalvista · Linfa si muore con i resi linfatici (da intestino a circolocio ne sanguignal 19 IMPORTAN Un uomo di 70 Kg possiede 28 l di liquidi intracellulare (LEC) e 14 l di liquido extracellulare (LIC). Dei 14 l di liquido extracellulare, 3,5 l sono rappresentati dal plasma (parte liquida del plasma) e 10,5 l sono rappresentati dal liquido interstiziale. Sodio, potassio, cloruro, bicarbonato e proteine sono i principali elettroliti dei liquidi corporei. Si tratta di ioni inorganici. Le proteine, invece, sono ioni organici. Le proteine sono degli ioni, perché sono formate dagli amminoacidi, che hanno come gruppi funzionali, il gruppo carbossilico e il gruppo amminico. Il gruppo carbossilico, essendo un acido, può cedere l’ 𝐻. Le proteine sono molecole anfotere. Se le metto 20 in ambiente acido, la proteina si comporta da base. Se la metto in ambiente basico, si comporta da acido. Siccome il pH dei fluidi organici è 7,4 (leggermente basico), le proteine in quei liquidi si comportano da base, perdono l’𝐻 e quindi sono presenti sottoforma di anioni. Quindi, le proteine sono a tutti gli effetti degli ioni, e quindi sono molecole cariche elettricamente. Lo ione sodio 𝑁 è uno ione tipicamente extracellulare. Lo ione potassio 𝐾 è uno ione abbondante all’interno della cellula, tipicamente intracellulare. Lo ione cloruro 𝐶𝑙 è uno ione tipicamente extracellulare. Lo ione bicarbonato 𝐻𝐶𝑂 è più concentrato nell’ambiente extracellulare, ma il gradiente è piccolo rispetto agli altri ioni. Le proteine sono abbondanti all’interno della cellula e del plasma, ma quasi inesistenti nel liquido interstiziale. (Le proteine del plasma sono le albumine e le globuline) Il liquido intracellulare da quello extracellulare è separato dalla membrana cellulare, detta anche membrana plasmatica o plasmalemma. 21 LA MEMBRANA CELLULARE La membrana cellulare riveste la cellula (doppio strato fosfolipidico) e non va confusa con le membrane tissutali, che sono costituite dai tessuti che rivestono le cavità dell’organismo (ad esempio, membrane mucose, membrana peritoneale, pleurica, pericardica). Le principali funzioni della membrana cellulare:  Isolamento fisico della cellula dall’ambiente esterna. La cellula senza un rivestimento esterno non ha senso d’esistere o anche se è perforato. 22   Regola gli scambi tra l’interno e l’esterno della cellula, ossia regola l’entrata di acqua, ioni e nutrienti; regola l’eliminazione dei prodotti di scarto ed è responsabile del rilascio dei prodotti di secrezione (ormoni, fattori di crescita, etc.).  Funge da comunicazione tra la cellula e l’ambiente, perché funge da sensore dell’ambiente extracellulare, grazie alla presenza di recettori di natura proteica che legano molecole dell’ambiente extracellulare. Siccome i recettori legano specifiche molecole, sono detti ligandi.  Supporto strutturale. Il citoscheletro funge da impalcatura, che però si deve poggiare alla membrana. Quindi, la membrana rappresenta quella struttura sulla quale si attracca il citoscheletro. Tra l’altro la membrana serve anche per delle connessioni specializzate con altre cellule: alcuni tessuti sono tali perché le cellule si legano tra loro. Il legame tra una cellula e l’altra è dovuta ad una giunzione.  Funzione enzimatica, perché a livello della membrana sono presenti delle proteine ad azione enzimatica (ad esempio, la sodio potassio ATPasi, che è un carrier che trasporta attivamente ioni sodio e ioni potassio, utilizzando ATP).  Funzione antigenica, ossia è provvista di glicoproteine che legano dei residui di glucosio. Formano delle grandi arborescenze, che stanno sulla superficie della cellula e che sono responsabili della antigenicità. Ogni individuo ha delle glicoproteine che sono leggermente diverse e poiché tali glicoproteine hanno funzione antigenica, se porto delle cellule da un individuo all’altro ci può essere il rischio del rigetto. DA COSA SONO COMPOSTE LE MEMBRANE BIOLOGICHE? Le membrane cellulari sono costituite essenzialmente da lipidi e proteine, ma in minima parte anche da carboidrati. I carboidrati sono presenti solo dal lato extracellulare della membrana plasmatica, sul foglietto esterno della membrana. Le membrane intracellulari sono costituite esclusivamente da proteine e lipidi (no carboidrati). A seconda della membrana plasmatica considerata, il rapporto quantitativo tra le proteine e i lipidi cambia. Nella maggior parte dei casi, le proteine e i lipidi, dal punto 23 di vista quantitativo, come percentuale del peso, è circa del 50% (50% proteine e 50% lipidi, con una leggera prevalenza dei lipidi). Tuttavia, ci sono delle cellule con funzioni particolari, per cui la membrana è molto ricca in lipidi. Ad esempio, la membrana plasmatica dei globuli rossi è molto caratterizzata, perché con un prelievo si ha a disposizione una quantità di cellule elevata; i globuli rossi sono facilmente isolabili. Nei globuli rossi, le proteine rappresentano il 49% del peso, i lipidi il 43% e i carboidrati l’8%. Una situazione molto particolare è quella della membrana cellulare delle cellule della glia, che avvolgono alcuni assoni, formando la guaina mielinica. La membrana cellulare di queste cellule contiene il 18% di proteine, il 79% di lipidi e il 3% di carboidrati. La membrana cellulare è ricca di lipidi, in modo da isolare l’assone dal punto di vista elettrico: evita che dall’assone possano fuoriuscire delle cariche elettriche sottoforma di ioni, disperdendo quindi il segnale elettrico, che rischia di non arrivare alla fine dell’assone. Una delle conseguenze di questa situazione è ciò che si verifica nella sclerosi multipla o SLA. La guaina forma dei manicotti alternati da zone scoperte. Ogni zona scoperta si chiama nodo di Ranvier. L’impulso elettrico salta da un nodo all’altro (conduzione saltatoria). Se manca la guaina il segnale si affievolisce e si ferma. Quindi, la guaina mielinica, grazie al fatto di avere una membrana molto idrofobica, per la presenza di lipidi, funge da isolante, impedendo alle cariche elettriche di fuoriuscire dall’assone. Per cui, il segnale si mantiene intatto. (in un motoneurone l’impulso si muove con una velocità di più di 400 Km/h). ---- (ricordare i valori della tabella) --- 24 Mentre, nella membrana mitocondriale interna vi è una grande prevalenza di proteine. Essa non è una membrana plasmatica, ma è una membrana intracellulare. La membrana mitocondriale interna è caratterizzata dalla presenza della catena respiratoria, quindi una serie di enzimi fra di loro correlati, che di fatto portano la percentuale delle proteine al 76%. La struttura della membrana ha impegnato per tanti anni i ricercatori per poter essere caratterizzata. È stato difficile perché, innanzitutto, è molto sottile e poi perché non c’erano strumenti per poter studiare le membrane. Furono fatti dei modelli: il primo negli anni ’20 del secolo scorso, poi ’30 e ’60 (modello sandwich). Negli anni ’70 fu proposto da SJ Singer e GL Nicolson il modello a mosaico fluido, la cui validità è stata confermata sperimentalmente. Quindi, si vide che la membrana non è una struttura rigida, ma una struttura fluida. La tecnica del freeze fracture è una tecnica che giocando sulle temperature e sull’uso di determinati solventi permette di separare i due foglietti di membrana. Se la membrana viene congelata a una certa temperatura in presenza di determinati solventi, è possibile far attaccare i due foglietti su due dischi metallici (d’oro). Allontanando i due dischi, ciascun foglietto resta attaccato ad un disco. Quindi, riesco ad aprire i due foglietti e posso studiarli al microscopio elettronico. Studiando così la membrana sia dall’interno che dall’esterno. Grazie a queste tecniche, è stato possibile caratterizzarla fino in fondo. 25 --- La membrana plasmatica è spessa 7-8 nm (70-80 𝐴̇). La membrana deve essere organizzata in due foglietti fosfolipidici, che hanno una parte idrofobica, che permette la fluidità della membrana (consentendo alla cellula di non danneggiarsi a seguito di uno stimolo meccanico e osmotico), e una idrofilica. Il colesterolo, che è presente sulla membrana, serve a rendere la membrana più idrofobica e più rigida, garantendo un minimo di fluidità. I LIPIDI DI MEMBRANA I lipidi di membrana sono tre: fosfolipidi (prevalenti), sfingolipidi e colesterolo. I fosfolipidi sono rappresentati da esteri del glicerolo, dove il glicerolo è esterificato da due acidi grassi e dall’acido fosforico. Gli esteri si ottengono dalla reazione degli alcol con gli acidi. All’acido fosforico è legato un residuo. Se il residuo è la colina, il fosfolipide corrispondente è la fosfatidilcolina (lecitina): questo è il fosfolipide più abbondante; seguito dalla fosfatidiletanolammina (cefalina), il cui residuo è rappresentato dall’etanolammina; è anche presente in misura minore la fosfatidilserina, il cui residuo è la serina. 26 Dal punto di vista ingegneristico, proprio perché la membrana è stata caratterizzata, si fanno delle preparazioni artificiali di membrane, che trovano una grande applicazione in molti ambiti: ad esempio, posso fare delle membrane artificiali sottoforma di micelle e di liposomi e avere delle applicazioni in fisiologia sperimentale, nella cosmesi (le creme sono costituite da micelle e liposomi, delle membrane artificiali che si incorporano a livello della membrana cellulare dei cheratinociti), in ambito farmacologico (alcuni farmaci sono veicolati sulla cellula bersaglio attraverso dei liposomi: queste strutture si legano sulla superficie delle proteine, che sono in grado di agganciarsi solo a determinate cellule. Si fondono con la membrana e il farmaco che sta all’interno entra in cellula. Questo metodo, drug delivery, consente di far arrivare il farmaco solo a determinate cellule). LE MICELLE La micella è una piccola goccia costituita da un unico strato di fosfolipidi. Tutte le code dei fosfolipidi sono rivolte all’interno. Per cui, il lume delle micelle è idrofobico. Le micelle possono veicolare solo molecole idrofobiche. Le micelle si possono produrre artificialmente ma sono anche presenti in natura (ad esempio, in natura le micelle sono quelle formate dai Sali biliari della bile. La bile contiene molecole, che hanno sia una parte idrofobica che una idrofilica, che in ambiente acquoso si organizzano a formare delle micelle. Le micelle formate dai Sali biliari consentono, a livello del duodeno, la digestione dei lipidi). 27 I LIPOSOMI I liposomi sono strutture sferiche, la cui parete è costituita da un doppio strato di fosfolipidi. Le teste polari sono rivolte sia verso l’esterno che verso l’interno. Siccome le teste polari verso l’interno sono idrofiliche, all’interno posso avere una soluzione acquosa con delle molecole idrofiliche. Nei liposomi posso mettere solo molecole idrofiliche. Un liposoma ha un diametro di 3-400 nm. Un liposoma può rilasciare nella cellula il suo contenuto in questo modo: Il liposoma arrivato sulla cellula si fonde con la membrana plasmatica. La membrana del liposoma diventa un tutt’uno con la membrana plasmatica, quindi il contenuto del lume viene riversato nel citoplasma. Se all’interno del lume ho un farmaco che deve agire dentro la cellula, posso far arrivare quel farmaco nella cellula, mettendo sulla superficie della cellula un anticorpo che riconosce una proteina, che agisce solo per determinate cellule, facendo arrivare il farmaco in maniera mirata. 28 POSSIBILI APPLICAZIONI DEI LIPOSOMI I transferosomi sono dei liposomi che trasferiscono qualcosa che metto nel liposoma da una cellula all’altra. 29 Gli immunoliposomi sono dei liposomi che veicolano anticorpi, in maniera mirata a determinate cellule. I liposomi costituiti da lipidi estratti dalla membrana citoplasmatica di Escherichia coli sono detti escheriosomi. Gli etosomi sono liposomi che permettono di trasferire molecole di etanolo. I farmacosomi sono liposomi che trasportano farmaci, usati nel drug delivery. IL COLESTEROLO Il colesterolo, a differenza dei fosfolipidi, non ha una parte polare. È una molecola idrofobica. Poiché è più piccola di dimensioni ed è idrofobica, non può che collocarsi nella parte interna della membrana, tra una coda e l’altra dei fosfolipidi. Il colesterolo rende meno permeabile la membrana alle piccole molecole idrofiliche ed irrigidisce la membrana. Quindi, le membrane, per cui la funzione cellulare presuppone una certa rigidità, sono più ricche in colesterolo. Così come, le cellule che devono impedire il più possibile all’acqua di passare da una parte all’altra della membrana, sono più ricche di colesterolo. Molti animali, i cosiddetti animali pecilotermi (in grado di vivere in un range di temperatura ambientale molto ampio) si adattano a vivere a temperature molto diverse, andando a cambiare la propria temperatura interna. Variando la composizione dei lipidi di membrana (colesterolo e composizione dei fosfolipidi), posso rendere la membrana più o meno isolante, da un punto di vista termico, in modo da potersi adattare alla temperatura esterna. Lo stesso animale, a seconda della stagione, varia la quantità di colesterolo nella membrana: nella stagione più fredda aumenta la quantità di colesterolo, in quella più calda diminuisce. 30 L’uomo è omeotermo (endotermo) perché ha la capacità di produrre una quantità di calore talmente elevata da poter compensare il calore perso per gradiente termico, poiché l’ambiente esterno ha una temperatura più bassa rispetto a quella corporea. Nell’uomo, a livello interno del nucleo, la temperatura resta costante. GLI SFINGOLIPIDI Gli sfingolipidi sono abbondanti solo in alcune membrane cellulari. Gli sfingolipidi sono sempre degli esteri, solo che al posto del glicerolo c’è un amminoalcol, detto sfingosina. Gli sfingolipidi hanno delle code di acidi grassi e delle teste di fosfolipidi o glicolipidi, se al residuo è legato un carboidrato. Ceramide →acidi grassi + sfingosina Testa polare (fosfocolina)→ residuo + gruppo fosfato LA SFINGOMIELINA --- la sfingomielina è uno sfingolipide estremamente abbondante nelle cellule della glia che formano la guaina mielinica. La membrana plasmatica si avvolge anche cento volte su sé stessa, e rende la guaina idrofobica. La membrana è costituita per l’85% da sfingolipidi. 31 Gli sfingolipidi sono molecole più lunghe dei fosfolipidi. Gli sfingolipidi non sono diffusi in maniera omogenea, ma tendono a formare delle aree circoscritte, che sembrano delle isole e sono chiamate lipid raft, ossia zattere lipidiche. Quindi, le zattere lipidiche sono delle aree circoscritte della membrana plasmatica dove si accumulano gli sfingolipidi, che essendo molecole più alte rispetto ai fosfolipidi, sporgono dal resto della membrana. Queste aree solo la sede dove si accumulano proteine enzimatiche, recettori o sistemi di trasporto o vie di segnalazione della membrana. In grigio, le teste polari sono quelle dei fosfolipidi. Poi ci sono le aree con le teste polari in rosso, dove il lipide è più alto. Nelle zattere ci sono più molecole di colesterolo (in blu) rispetto alla parte dei fosfolipidi. A livello delle zattere, ci sono molti carboidrati. Per cui, i lipid raft hanno un ruolo anche nel glicocalice, che è responsabile della antigenicità della cellula. I lipid raft sono coinvolti in molti processi: lo stress dell’ambiente extracellulare agisce sulla membrana (e quindi sulla cellula) attraverso i lipid raft, molti anticorpi si legano a proteine che stanno nei lipid raft, molte molecole di adesione della cellula alla matrice cellulare si legano grazie a molecole presenti nei lipid raft, alcuni batteri che si legano a cellule eucariotiche si legano perché ci sono dei recettori situati a livello dei lipid raft, alcune tossine si legano a proteine che stanno a livello dei lipid raft. 32 Quando queste molecole si legano a proteine che stanno nei lipid raft scatenano un segnale intracellulare (ad esempio, endocitosi). In ambito biomedicale, molte indagini sono basate sulla valutazione della composizione delle membrane e a seconda di come si comporta a seguito di determinati stimoli si possono avere informazioni importanti dal punto di vista medico. La membrana è una struttura fluida, che si può deformare senza rompersi. 33 LE MOLECOLE DEI LIPIDI NEL CONTESTO DELLA MEMBRANA SI POSSONO MUOVERE? Le molecole dei lipidi si possono muovere in vario modo nella membrana. Ci sono cinque differenti tipi di movimenti: 1. Flessione delle catene. Le catene di acidi grassi si possono flettere. 2. Rotazione. Se immagino un asse perpendicolare rispetto al fosfolipide così come è collocato nella membrana, intorno a questo asse la molecola può ruotare. 3. Diffusione laterale. La molecola dei lipidi si sposta lateralmente o da un lato o dall’altro. 4. Corrugamenti. Le molecole si possono spostare insieme creando una sorta di ruga, a livello della membrana. 5. Flip-flop. È un movimento per cui un fosfolipide va da uno strato all’altro. Dal punto di vista termodinamico questi movimenti avvengono con una frequenza che dipende da due aspetti: temperatura e termodinamica. Quei movimenti che richiedono meno energia sono più frequenti (più frequente è la flessione delle catene). Il movimento flip-flop è un evento molto raro, a meno che non aumento la temperatura e un fosfolipide di un foglietto vada nell’altro foglietto. 34 I due foglietti di membrana non si mescolano mai. Al limite, quando la temperatura è alta un fosfolipide può passare da un foglietto all’altro. I due foglietti non si devono mescolare perché non c’è una rappresentazione speculare dei fosfolipidi in entrambi i foglietti. A livello dei lipidi, sono immerse completamente le proteine. Se andassi a mischiare tutto, le proteine non si ripiegherebbero più in maniera perfetta e quindi non funzionerebbero più. Quindi, viene meno l’interazione funzionale dei lipidi con le proteine, che non si potrebbero ripiegare nel modo corretto. I movimenti laterali vengono studiati mediante photobleaching. Ci sono delle membrane che nel corso di malattie cambiano in parte la propria composizione e il movimento laterale in generale. Con il photobleaching posso vedere se c’è un’alterazione a livello di membrana studiando i movimenti laterali dei lipidi. La risonanza dello spin elettronico (ESR) serve per studiare le rotazioni e le oscillazioni dei fosfolipidi. 35 PROTEINE DI MEMBRANA Le proteine di membrana sono distinte in integrali e in associate alla membrana. LE PROTEINE INTEGRALI DI MEMBRANA O TRANSMEMRANA Le proteine integrali di membrana sono chiamate anche proteine transmembrana, perché attraversano completamente la membrana. La stessa proteina si può ripiegare più volte. Le proteine hanno due estremità che sono distinte in amminica e carbossilica, perché il gruppo funzionale dell’estremità amminica è il gruppo amminico e il gruppo funzionale dell’estremità carbossilica è il gruppo carbossilico. La parte iniziale della proteina (testa) è la sempre la parte amminica perché nella maggior parte delle proteine il primo amminoacido è la metionina. L’estremità amminica è la parte iniziale della proteina. Il gruppo carbossilico, a seconda del pH, può perdere o meno l’𝐻. Se la proteina viene messo in un ambiente basico, come leggermente basico è il pH dei liquidi biologici, la proteina perde l’𝐻 , comportandosi come anione proteinato (acido). Le proteine integrali di membrana per rimuoverle devo usare dei detergenti, dei saponi. Ci sono delle molecole che estraggono le proteine di membrana, andando a distruggere la membrana stessa. Le proteine integrali di membrana, nella maggior parte dei casi, sono o proteine di trasporto molecolare oppure dei recettori (proteine di segnalazione). Le proteine di trasporto sono o canali di membrana o carrier; mentre le proteine di segnalazione sono dei recettori. Le proteine integrali possono attraversare più volte la membrana, anche 12 volte. 36 Le proteine possono essere fosforilate, cioè con fosforilazione si intende il legame di un gruppo fosfato ad un amminoacido. Generalmente, l’amminoacido che viene fosforilato è o una serina o una tirosina. La fosforilazione di una proteina serve ad attivare la proteina (o in alcuni casi a disattivare la proteina), tramite il cambiamento del ripiegamento. La fosforilazione ha un effetto allo sterico. Le glicosilazioni sono catene di polimeri del glucosio, che si legano alle proteine dal lato extracellulare. Nella maggior parte dei casi la glicosilazione avviene a livello di un amminoacido che è la asparagina. Quindi, le catene di glucosio si legano all’asparagina. Le proteine si possono muovere, a livello della membrana; infatti, si possono spostare lateralmente nell’ambito dello stesso foglietto. La proteina non può andare incontro a flip-flop, perché richiederebbe una quantità di energia immane e poi se la proteina si capovolgesse nella membrana non è più funzionale, perché cambia interazione con i lipidi e quindi non si ripiegherebbe in modo corretto. Quindi, di fatti, gli unici movimenti delle proteine nella membrana sono quelli laterali (che sono comunque molto meno frequenti dei movimenti laterali dei lipidi). Le proteine integrali di membrana possono anche fungere da supporto per il citoscheletro. Il citoscheletro per agganciarsi deve ancorarsi a delle proteine saldamente inserite nella membrana, che sono appunto le proteine integrali di membrana. A volte, c’è l’intermediazione di una proteina estrinseca. Le proteine possono anche essere sintetizzate artificialmente. Il modo migliore per produrre proteine è in vitro. Anziché far avvenire una reazione in provetta, si istruiscono dei batteri o dei lieviti a produrre una proteina di interesse. 37 --- INDICE DI IDROFOBIA Una caratteristica delle proteine di membrana è il cosiddetto indice di idrofobia. L’indice di idrofobia è una misura del carattere idrofobico/idrofilico dei singoli residui amminoacidici che sono presenti nella proteina. Una proteina di membrana ha un indice idrofobico alto, perché deve avere degli amminoacidi idrofobici, che devono interagire con i fosfolipidi. Quindi, più una proteina si ripiega nella membrana, maggiore sarà il suo indice idrofobico. Viceversa, le proteine citoplasmatiche, che stanno nel citosol, hanno un indice idrofobico basso (e quindi un indice idrofilico elevato). Gli amminoacidi con il più alto indice di idrofobia sono: isoleucina, leucina e valina. Gli amminoacidi con il più basso indice di idrofobia (e il più alto indice di idrofilia) sono: arginina, lisina e acido glutammico. GLI AMMINOACIDI PIÙ IDROFILICHE IN UNA PROTEINA TRANSMEMBRANA LI TROVIAMO A LIVELLO DELLA TERMINAZIONE (AMMINA O CARBOSSILICA) DELLA PROTEINA, A LIVELLO DEL SEGMENTO TRANSMEMBRANA O A LIVELLO DELLE ANSE DI CONNESSIONE? Sono presenti in abbondanza a livello delle anse o delle estremità, o citoplasmatica o extracellulare. Non ci sono mai a livello dei tratti transmembrana, perché essendo amminoacidi con cariche elettriche nette non c’è affinità con i lipidi, che sono idrofobici all’interno. Per studiare una proteina si costruisce il cosiddetto grafico della idrofobicità, che aiuta ad identificare i segmenti transmembrana. Si usano dei programmi che vanno a misurare l’indice di idrofobicità di ogni amminoacido e lo mette in una scala. Per una proteina, che ha un unico segmento transmembrana, si nota che in corrispondenza del trattino rosso il tracciato va tutto nella parte gialla (che è la parte idrofobica). Vuol dire che in quella parte della proteina ci sono uno dopo l’altro molti amminoacidi idrofobici. Nel verde, il tracciato è tipico della idrofilicità. 38 Se scopro una proteina e non so se la proteina è citoplasmatica o di membrana posso fare l’indice idrofobico e posso dire se è una proteina di membrana e quante volte si ripiega nella membrana. Se trovo delle sequenze amminoacidiche lunghe circa 20 amminoacidi consecutivi e questi amminoacidi sono tutti idrofobici vuol dire che quella parte della proteina sta attraversando la membrana. Se non trovo una sequenza di questo tipo vuol dire che la proteina è idrofilica, quindi sta nel citoplasma. Fra un segmento e l’altro la proteina deve poter uscire dalla membrana e poi curvarsi per rientrare poi nella membrana. Quindi posso sapere anche la sequenza di alcune anse di connessione. I trattini rossi (S1, S2, S3, S4) rappresentano i segmenti transmembrana. Vuol dire che la proteina si ripiega quattro volte attraverso la membrana. È una proteina integrale di membrana. In genere, un segmento transmembrana è lungo circa 30 𝐴̇. Questo tratto si ripiega a formare unα-elica, che attraversa la membrana. Il numero dei segmenti transmembrana molto spesso rispecchia la funzione delle proteine: o A singolo dominio transmembrana, se le proteine attraversano una sola volta la membrana, sono spesso dei recettori (ad esempio, il recettore dell’insulina è una proteina a singolo dominio transmembrana). 39  o A sette domini transmembrana può essere un recettore adrenergico (recettori per gli ormoni adrenalina e noradrenalina) o un recettore per molecole odorose o recettori accoppiati a proteine G. o A 4 o 5 subunità transmembrana che si uniscono a formare un canale di membrana, tipica dei canali voltaggio-dipendenti del sodio, potassio o calcio o dei recettori canale delle sinapsi. LE PROTEINE ASSOCIATE ALLA MEMBRANA O ESTRINSECHE Le proteine associa te alla membrana sono anche dette estrinseche e sono parzialmente immerse nella membrana. Si tratta di proteine legate a proteine integrali o alle regioni polari dei fosfolipidi. La rimozione di una proteina estrinseca dalla membrana non porta al disfacimento della membrana. Funzionalmente, le proteine estrinseche sono o enzimi o proteine strutturali che legano il citoscheletro. Si trovano tra la proteina integrale e i filamenti sottili di actina. 40 Nella seguente foto si vedono delle proteine estrinseche che sono ancorate alla membrana attraverso dei composti, immersi nella membrana. Per esempio, una possibilità è che la proteina si leghi all’acido miristico, attraverso un legame carbamminico. Oppure, la proteina è legata alla membrana attraverso una sua cisteina che reagisce con il farnesile. Oppure, ci sono proteine legate tramite legami covalenti alla membrana tramite una molecola di glicosil-fosfatidilinositolo (GPI), legata a degli zuccheri. Oppure, un’altra modalità per le proteine estrinseche di legarsi alla membrana è che una proteina estrinseca è legata a una proteina intrinseca tramite interazioni idrofiliche. 41 I CARBOIDRATI DI MEMBRANA I carboidrati di membrana si possono legare o alle proteine di membrana, quindi si parla di glicoproteine, o ai lipidi e si parla di glicolipidi. I carboidrati di membrana sono rappresentati dai polimeri di glucosio (si tratta di oligosaccaridi). I carboidrati legati ai glicolipidi molto spesso a livello terminale contengono l’acido sialico. L’insieme dei carboidrati situati sul foglietto esterno della membrana plasmatica costituiscono il glicocalice. Il glicocalice è responsabile dell’antigenicità, perché da individuo a individuo la composizione dei carboidrati cambia leggermente. Ha un ruolo chiave nella risposta immunitaria. Ha anche una funzione adesiva, ci sono delle glicoproteine, come caderine e integrine, che fanno sì che possano legarsi alle cellule altre cellule oppure la matrice extracellulare. I carboidrati di membrana servono anche nella diapedesi, che è un processo attraverso cui, alcuni globuli bianchi, che devono intervenire nella risposta infiammatoria, escono dai vasi, attraversano la barriera endoteliale e vanno nel sito dove è arrivato l’agente nocivo, con la funzione di fagocitarlo e distruggerlo. Interviene anche il glicocalice perché permette alla cellula di legarsi sulla superficie delle cellule endoteliali e di poter passare tra una cellula e l’altra, attraverso l’endotelio. Il glicocalice interviene, poi, nella fecondazione andando poi a riconoscere i gameti della stessa specie. 42 MOVIMENTI DELLE PROTEINE DI MEMBRANA Le proteine di membrana posso compiere movimenti laterali, termodinamicamente più semplici, e i movimenti rotatori della proteina attorno all’asse verticale (movimenti rari e complessi). Alcune proteine di membrana sono fisse perché sono presenti nei lipid raft, dove ci sono sfingolipidi e proteine bloccate dagli sfingolipidi. Altre volte sono fisse perché devono creare vincoli intracellulari in maniera molto salda; oppure sono fisse perché servono a saldare il citoscheletro. Le cellule epiteliali hanno due domini di membrana (apicale o luminale e la parte basolaterale o serosale) che non si devono mescolare perché hanno due composizioni differenti. Per evitare che la membrana si rimescoli intervengono delle strutture, che sono le giunzioni serrate, che hanno il compito di legare le cellule epiteliali tra loro e di impedire che i due foglietti del dominio apicale si rimescolino con il dominio basolaterale. La sodio-potassio ATPasi è presente solo nella parte basolaterale delle cellule epiteliali, non passa mai in quella apicale. Tranne il sangue che è un tessuto fluido, gli altri tessuti formano dei foglietti tissutali. Cellule simili legate tra loro formano un tessuto. Quindi, le adesioni cellulari sono importanti anche per formare i tessuti. Intervengono le caderine e integrine, presenti sulla superficie della membrana plasmatica, che permettono l’adesione con proteine situate nell’ambiente extracellulare (collagene, elastina, fibronectina). Questo fa sì che un tessuto sia legato alla matrice extracellulare in maniera labile. 43 Le più importanti strutture di connessione sono: o Desmosomi o giunzioni aderenti o Giunzioni strette (tight junctions o giunzioni occludenti) o Giunzioni comunicanti (gap junctions) formano dei semi canali proteici tra due membrane plasmatiche adiacenti tra di loro. Le giunzioni comunicanti sono tipiche nelle fibre muscolari cardiache e nelle fibre muscolari. 44 Una giunzione comunicante è un canale costituito dalle connessine lungo circa 1,5 nm. Attraverso questo canale possono passare segnali elettrici e segnali chimici. 45 L’ACQUA (IL MEZZO INTERNO) E L’OMEOSTASI Se non c’è acqua non c’è vita. Dal punto di vista biofisico, l’acqua è indispensabile per la vita: la Terra, che ha quattro miliardi di anni, è costituita principalmente da acqua e gli animali e i vegetali sono apparsi prima in ambiente acquoso e poi per poter sopravvivere si sono evoluti in questo contesto. Se nasciamo dall’acqua è evidente che senza di essa non possiamo vivere. PERCHÉ L’ACQUA È IMPORTANTE? L’acqua è importante perché nell’acqua avvengono tutti i processi vitali. Per il semplice fatto che se gli esseri viventi si sono evoluti in un contesto dove prevaleva l’acqua, negli organismi viventi l’acqua è il principale componente. Tutte le reazioni biologiche hanno come solvente l’acqua. Le reazioni chimiche ed enzimatiche avvengono in presenza di acqua. Se non avvengono le reazioni biologiche l’organismo non può vivere. L’acqua rappresenta il 60% del peso corporeo umano. Nel corso della vita, fisiologicamente, la percentuale di acqua nell’organismo si riduce, pur rimanendo il componente più abbondante. La donna ha qualche punto percentuale di acqua in meno, perché la componente grassa, fisiologicamente parlando, è maggiore rispetto a quella maschile. Il neonato è composto per l’80% di acqua. Nella vita fetale la percentuale è ancora più elevata. Il numero di molecole di acqua nell’organismo rappresenta il 90% di tutte le altre molecole dell’organismo. La struttura dell’acqua, 𝐻 0, presenta l’angolo tra i due atomi di idrogeno legati covalentemente all’ossigeno pari a 104,45°. La struttura dell’acqua incide su quelle che sono una serie di proprietà dell’acqua. 46 Le caratteristiche fondamentali dell’acqua: o Capacità solvente. L’acqua è indispensabile per la dissociazione dei Sali in ioni. Il sale da cucina nell’acqua il sale si scioglie. o Elevata capacità termica ed elevato calore latente di evaporazione: l’acqua può immagazzinare una quantità di calore importante. Se voglio accumulare il calore in una materia, l’acqua si presta molto bene, perché l’acqua riesce a trattenerne tanto. L’acqua è liquida, alle nostre temperature. Per passare allo stato gassoso, devo aumentare la temperatura. Fornire molto calore. o Elevata tensione superficiale, che porta al fenomeno della capillarità (nelle piante consente la risalita dell’acqua dalle radici alle foglie). La tensione superficiale crea i presupposti per il fenomeno della capillarità, per cui l’acqua risale attraverso i dotti linfatici per capillarità. o Promuove la formazione dei legami idrofobici tra le molecole. Se prendo delle molecole idrofobiche, che non si sciolgono in acqua, queste non sono in soluzione e quindi tendono ad aggregarsi, a legarsi tra di loro. Di fatto, l’acqua promuove la formazione di legami idrofobici tra molecole idrofobiche. L’acqua è allo stato liquido nel range di temperatura compreso tra 0° - 100° C. Non è un caso, ma sono gli esseri viventi che si sono adattati alla temperatura dell’acqua, per cui gli organismi viventi si sono evoluti per poter vivere in un range tra 0°- 50°C, dove l’acqua è liquida. Questo perché molte reazioni avvengono quando l’acqua è allo stato liquido (anche nel ghiaccio alcune reazioni avvengono, però avvengono con velocità molto basse). I pesci che vivono nei laghi ghiacciati vivono sul fondale, sotto allo strato di ghiaccio, dove c’è acqua liquida, a 4° C di temperatura. L’acqua presenta una distribuzione delle cariche asimmetriche, l’acqua per cui è un dipolo. L’acqua non ha una carica elettrica netta, ma ha una parte leggermente più positiva e una leggermente più negativa. L’acqua è un dipolo perché l’ossigeno (ha 8 47 elettroni, di cui 4 nella parte più nucleare e 4 impegnati nel legame covalente con l’idrogeno). Poiché il nucleo dell’ossigeno ha più protoni del nucleo dei due idrogeni, gli elettroni impegnati nel legame con l’idrogeno sono più attratti dall’ossigeno rispetto all’idrogeno. Il legame covalente lo si ha tra un elettrone dell’idrogeno e un elettrone dell’ossigeno. Siccome il nucleo dell’ossigeno ha più protoni che attraggono elettroni, gli elettroni di questo legame sono più vicini all’ossigeno. Siccome gli elettroni sono di segno negativo, l’ossigeno è leggermente più negativo, l’idrogeno è leggermente più positivo. La molecola quindi ha una parte più negativa e una più positiva. Per cui, la molecola è un bipolo. L’acqua in un campo elettrico si orienta, la parte più positiva si rivolge verso il polo negativo e la parte più negativa verso il polo positivo del campo elettrico. Quindi, l’acqua si orienta perché è un dipolo. Se ho una molecola completamente neutra in un campo elettrico si dispone a caso, mentre l’acqua si orienta in maniera precisa. Il fatto che l’acqua sia un dipolo è alla base dell’elevatissima capacità solvente. PERCHÉ SE METTO IL SALE IN ACQUA SI SCIOGLIE? Il sale in acqua si scioglie, perché gli ioni si dissociano. Il sale è un cristallo prodotto dall’acqua marina. il sale è costituito da ioni cloruro e sodio di segno opposto, che si attraggono e si legano a formare un reticolo perfetto. Se il sale lo metto in acqua, essendo un dipolo, si va ad inserire tra il sodio e il cloruro. Le molecole di acqua vanno a sostituirsi al contro ione, la parte leggermente positiva dell’acqua si va a legare sulla superficie dello ione cloruro, mentre la parte leggermente negativa dell’acqua si va a legare sulla superficie dello ione di segno positivo (sodio). Quindi, l’acqua va a scavare nel cristallo di NaCl e siccome l’interazione dell’acqua con lo ione è più forte, va a rimuovere il contro ione legato a uno ione. In buona sostanza, 48 l’acqua entra nel cristallo, stacca uno ione dal suo contro ione e si lega sulla superficie dello ione. Per esempio, se prendo lo ione sodio, essendo il sodio di segno positivo, le molecole di acqua si legano al sodio a livello dell’ossigeno. Essendo l’acqua più piccola del sodio va a legarsi formando un anello di solvatazione. In maniera analoga per il cloruro. Quindi, gli ioni vengono estratti dal cristallo e solvatati. PER QUALE MOTIVO SODIO E CLORURO HANNO DIMENSIONI DIVERSE? Il cloruro ha un peso atomico più grande del sodio. Però se osservo le molecole di acqua che compongono l’anello di solvatazione, quelle del sodio sono di più di quelle del cloruro. Il motivo è dovuto alla densità di carica. Se ho una carica elettrica sul sodio e una carica elettrica sul cloruro e le vado a spalmare, la densità di carica elettrica sul sodio sarà maggiore della densità di carica elettrica sul cloruro. Siccome il numero di molecole di acqua che si legano dipende dalla densità di carica: la densità di carica sullo ione piccolo è maggiore della densità di carica sullo ione più grande. A parità di carica, più è piccolo lo ione maggiore sarà la densità di carica sulla sua superficie. Questo crea una situazione apparentemente paradossale: siccome il sodio lega più molecole di acqua sulla sua superficie rispetto al cloruro, il sodio che è più piccolo del cloruro, avrà un anello di solvatazione più grande del cloruro. Quindi, in soluzione il sodio è più grande del cloruro. Se metto queste molecole in acqua in un campo elettrico si muoverà più velocemente il cloruro. Quindi, lo ione allo stato idratato si comporta in funzione del numero di molecole di acqua che si legano sulla sua superficie. Proprio grazie alla caratteristica di dipolo 49 dell’acqua, l’acqua ha un’elevata capacità solvente, di dissociare gli ioni che compongono i Sali. La costante dielettrica dell’acqua è molto elevata. Questo vuol dire che l’energia di attrazione elettrostatica è minore dell’energia associata all’energia termica, ossia vuol dire che gli ioni si liberano dal vincolo elettrostatico e passano in soluzione. Cioè, l’energia del legame dell’acqua allo ione che è legato al contro ione è maggiore dell’energia con la quale due ioni sono legati. Questo vince l’interazione fra gli ioni, separandoli. Quando lo ione viene separato dal contro ione, viene circondato dalla molecola di acqua e quindi lo ione va in soluzione. COSA SUCCEDE, INVECE, SE METTO IONI ORGANICI IN ACQUA? O SE LI METTO ALL’INTERFACCIA ARIA - ACQUA, COSA SUCCEDE? Ci sono tre situazioni possibili: 1. Se prendo una molecola organica, un amminoacido non carico elettricamente e idrofilico lo metto in acqua, osservo che anche l’amminoacido viene solvatato. Le parti leggermente positive dell’amminoacido legheranno il polo leggermente negativo dell’acqua e viceversa. Un amminoacido di questo tipo in acqua si dissolve. Le molecole organiche per poter funzionare devono essere solubili, eccetto il caso dei fosfolipidi, che si organizzano a formare le membrane. 2. Se prendo una molecola anfipatica, ossia che ha una parte con una carica elettrica di un certo segno e l’altra idrofobica, ad esempio i fosfolipidi o i saponi, e la metto in acqua, osservo che le code di queste molecole (non essendo solubile in acqua) si orientano tra di loro, mentre le parti idrofiliche 50  sono rivolte verso l’acqua. Se prendo delle molecole anfotere e le metto in acqua si formano spontaneamente delle micelle. 3. Se, invece, metto una molecola anfotera (i fosfolipidi) all’interfaccia aria-acqua, succede che la parte ionizzata di queste molecole si legherà sulla superficie dell’acqua e la parte idrofobica è rivolta verso l’aria. Quindi, in determinate condizioni, così facendo posso creare un monostrato (un unico foglietto di membrana) all’interfaccia aria-acqua. PONTI A IDROGENO E PROPRIETÀ COESIVE DELL’ACQUA Le molecole di acqua sono legate labilmente tra di loro (quindi si possono separare) mediante legami a idrogeno (detti anche ponti a idrogeno). L’acqua ha delle proprietà coesive, dovuta alle caratteristiche dell’acqua come dipolo. I legami a idrogeno, che spiegano le proprietà coesive dell’acqua, sono dovuti al fatto che tra i due doppietti elettronici dell’ossigeno non impegnati nel legame covalente e due idrogeni di due molecole di acqua circostanti si crea un legame. L’acqua è un dipolo, quindi due molecole di acqua, costituite da una parte più negativa e una più positiva tenderanno a legarsi tra di loro. Quindi, l’ossigeno di una molecola tramite ponti a idrogeno lega due molecole di acqua. I due idrogeni legano due ossigeni di 51 due molecole. Quindi, alla fine, una molecola di acqua ha legato, con questa interazione, 4 molecole di acqua, andando a formare una struttura geometrica solida a forma di tetraedro. Questa organizzazione viene fatta per tutta la massa d’acqua. Se aumento la temperatura della massa d’acqua, i legami cominciano a rompersi. Questo spiega il motivo per cui l’acqua in un range di temperature è abbastanza fluida e al di sotto di una certa temperatura solidifica. Pertanto, il numero di ponti a idrogeno dipende dalla temperatura: se aumento la temperatura i ponti a idrogeno si riducono. L’acqua, oltre a formare ponti a idrogeno con altre molecole d’acqua, se trova un'altra molecola, che ha una parte leggermente positiva/negativa può formare un legame a idrogeno. Quindi, i legami a idrogeno si formano anche tra l’acqua e le molecole organiche che hanno parti parzialmente cariche. Un esempio straordinario di ponti a idrogeno è nel DNA, cioè i due filamenti di DNA sono tenuti insieme perché le basi azotate di un filamento formano ponti a idrogeno con le basi azotate situate nel nucleotide frontale. Tra la citosina e la guanina ci sono 3 ponti a idrogeno, tra adenina e timina ci sono 2 ponti a idrogeno. Oppure, i legami a idrogeno si possono formare anche solo tra due molecole organiche, sufficientemente vicine. La presenza dei ponti a idrogeno spiega il comportamento termico dell’acqua, l’elevato calore latente di evaporazione, l’elevato calore specifico dell’acqua e quindi la stabilizzazione termica degli organismi, cioè se prendo un organismo vivente e lo 52 metto in un ambiente freddo, proprio perché l’acqua cede lentamente calore, grazie ai legami a idrogeno, l’organismo si raffredda lentamente. I legami a idrogeno spiegano anche l’elevata tensione superficiale, che è alla base delle proprietà coesive e che facilità i fenomeni di capillarità nelle piante. DEFINIZIONI L’acqua ha un elevato calore specifico: vuol dire che la temperatura della massa idrica del corpo varia di poco anche quando venga sottratta o ceduta una rilevante quantità di calore. Cioè questo ci dà la possibilità di resistere molto di più a temperature basse o a temperature troppe elevate. L’acqua ha un elevato calore latente di evaporazione: vuol dire che è necessaria molta energia per rompere i legami a idrogeno e portare le singole molecole allo stato gassoso (calore latente: 2272 J/g dell’acqua; 855 J/g dell’alcol etilico). Spiega il motivo per cui l’alcol evapora molto di più rispetto all’acqua, perché le forze che tengono insieme le molecole dell’alcol sono meno forti rispetto al legame a idrogeno delle molecole dell’acqua. La costante dielettrica di un mezzo, indicata con il simbolo 𝜀 e detta anche costante dielettrica assoluta (del mezzo), è una grandezza fisica che quantifica la propensione del materiale a contrastare l’intensità di un campo elettrico presente al suo interno. Con la costante dielettrica ci siamo riferiti alla capacità dell’acqua è capace di incunearsi nei cristalli di sale, vincendo le forze che tengono insieme gli ioni. Grazie alla tensione superficiale, certi insetti acquatici camminano sulla superficie dell’acqua. L’insetto è sufficientemente leggero e presenta delle sostanze sugli arti, tali da poter non vincere le forze del legame a idrogeno, potendo quindi camminare sull’acqua. Cioè, le forze di coesione dell’acqua sono maggiori della forza esercitata dal peso dell’animale sull’acqua. La zanzara può camminare sull’acqua. 53 DENSITÀ DELL’ACQUA IN FUNZIONE DELLA TEMPERATURA Rispetto alla maggior parte dei fluidi, l’acqua ha un comportamento anomalo in termini di densità in funzione della temperatura. La densità dell’acqua varia in maniera lineare in un certo range di temperature, mentre in un altro range di temperature varia in maniera opposta. A 0°C il ghiaccio galleggia, vuol dire che ha una densità minore dell’acqua liquida. Se c’è uno strato di acqua al quale abbasso la temperatura, abbassando la temperatura aumenta la densità. Succede che quello strato di acqua che è diventato più denso va sul fondo e quello meno denso del fondo va in superficie. La densità dell’acqua diminuisce al diminuire della temperatura, a partire dai 100°C. Tale linearità è valida fino a 4°C. Se abbasso ulteriormente la temperatura, fino ai 4°C, la densità dell’acqua aumenta. Quindi, a 4°C la densità è massima. A 4°C c’è una condizione tale per cui si inverte il comportamento fisico dell’acqua (è una proprietà esclusiva dell’acqua). A 4°C la distanza fra le molecole di acqua è minima, quindi, per la questione dei ponti a idrogeno, si creano delle condizioni per cui le molecole a 4°C sono più coese. Tale anomalia è legata alla geometria con la quale l’acqua si organizza nella massa stessa di acqua. Questo comportamento è fondamentale per la sopravvivenza delle specie acquatiche a basse temperature, cioè spiega il motivo per cui in un lago si congela la superficie e rimane liquida la parte del fondo, dove i pesci riescono a vivere. La crosta di ghiaccio crea una sorta di isolamento che limita fortemente il raffreddamento dell’acqua liquida, per preservare la vita dei pesci. La densità dell’acqua ghiacciata è 0,917 g/𝑐𝑚. Il ghiaccio è meno denso dell’acqua liquida, perché le molecole di acqua sono più distanti tra di loro e quindi meno densa. Perciò, il ghiaccio galleggia sull’acqua. 54 BIOFISICA DEI TRASPORTI DI MEMBRANA Un argomento base della fisiologia è la biofisica dei trasporti di membrana, perché le cellule per comunicare con l’ambiente extracellulare devono scambiare molecole, che comporta anche la generazione di segnali elettrici (ad esempio, il cervello che manda segnali elettrici sulla muscolatura striata permettendo i movimenti volontari). Si tratta di segnali di tipo elettrico generati dal movimento di molecole cariche elettricamente, per cui si parla di trasporti e quando effettivamente una molecola passa dall’esterno all’interno e viceversa, il mezzo interno e il mezzo esterno cambiano. Quindi, la cellula per mettere in atto determinati processi deve fare muovere delle molecole, per cui la cellula, così come l’ambiente esterno cambia la sua composizione chimica. Questo è ciò che avviene nel processo dell’omeostasi. L’omeostasi è quell’insieme di processi che riportano l’ambiente intracellulare ed extracellulare in una configurazione dinamicamente stabile. Se una molecola esce dalla cellula, a meno che non è un catabolita che deve essere eliminato, c’è un processo che riporta quel tipo di molecola indietro. Alla fine c’è una variazione ma viene compensata. Ad esempio, quando uno va a fare le analisi del sangue i valori (eccetto in caso di patologie) si mantengono costanti. Perché i valori sono costanti se si considera che il sangue scambia continuamente materiale con le cellule? La risposta è che ci sono processi che vanno a compensare la variazione. L’insieme di questi processi vanno sotto il nome di omeostasi. Un organismo che non riesce a mantenere stabili la composizione dei liquidi interni alle cellule e di quelli esterni alle cellule non può vivere. Tanto è vero che ci sono patologie dove ci sono delle alterazioni delle omeostasi, che possono portare alla morte. Quindi, l’omeostasi è l’insieme di quei processi che mantengono stabile l’ambiente interno all’organismo rispetto a quello esterno, quindi tra liquido interstiziale e plasma. 55 Ci sono delle molecole che entrano in cellula per essere degradate (o per ricavare energia o perché degradandole si recavano molecole che servono per la costruzione di altre molecole). Queste molecole non vengono rimpiazzate: entrano per essere utilizzate. Ci sono molecole che escono perché sono delle scorie e quindi vanno prima dall’interno della cellula all’ambiente extracellulare e poi ci sono degli organi che eliminano tali sostanze. Ad esempio, nell’umano, il rene è deputato all’escrezione: una serie di sostanze che possono essere tossiche per l’organismo vengono eliminate con le urine, perché solubili in acqua. Anche il fegato è deputato ad eliminare le sostanze tossiche, grazie alla capacità di produrre molecole anfotere, i Sali e acidi biliari, che fanno sì che nella bile le molecole idrofobe possono essere in soluzione. Il fegato elimina molecole idrofobiche, che non essendo solubili in acqua non possono essere eliminate dal rene. Le molecole idrofobiche di scarto (cataboliti degli estrogeni) vengono immesse nella bile, la bile riversata nell’intestino e i cataboliti vengono eliminate con le feci. A parte questo tipo di molecole, tutte le altre molecole che si muovono vengono compensate. Ciò che entra nella cellula viene compensato da qualcos’altro che esce. Quindi, ci sono processi che mantengono dinamicamente stabile la composizione dei liquidi corporei. --- L’omeostasi, per definizione, è l’insieme dei meccanismi autoregolatori che consentono di mantenere relativamente stabile l’ambiente interno della cellula. (un classico esempio di omeostasi è la glicemia: il valore non è sempre costante, ma se usato dal muscolo per un esercizio fisico il fegato libera del glucosio che va nel 56 sangue. La glicemia risulta sempre costante, ma in realtà il glucosio viene utilizzato e poi rimpiazzato). L’omeostasi rispetta la legge dell’equilibrio di massa: l’equilibrio di massa in un sistema aperto richiede che l’ingresso uguagli l’uscita. Ovvero, la quantità di una sostanza nell’organismo deve rimanere costante, ogni aumento deve essere compensato da una perdita di uguale entità. L’omeostasi è attuata anche a livello extracellulare. Oltre alla composizione chimica, ci sono una serie di parametri biologici che sono mantenuti dinamicamente stabili grazie all’omeostasi. Questi sono: volume dei fluidi, composizione chimica, pH (sia quello intracellulare che quello del plasma sono mantenuti costanti. Il pH del plasma varia tra 7.36-7.4; nella cellula oscilla di più quindi ha un pH che viene mantenuto fisiologico), pressione osmotica, temperatura, energia, massa. Noi tratteremo omeostasi chimica e osmotica. 57 SISTEMI DI CONTROLLO DEI PROCESSI VITALI I meccanismi generali dell’omeostasi sono suddivisi in due sistemi di controllo:  Sistemi a controllo aperto (o feedforward o regolazione anticipativa): la grandezza del segnale in ingresso è indipendente da quella in uscita. Un sistema di controllo biologico per funzionare ha bisogno di un segnale. In un sistema di controllo aperto il segnale di ingresso mette in azione il sistema di controllo che risponde agendo sul sistema da controllare e quindi genera un segnale in uscita. In questo sistema il segnale in ingresso non è influenzato dal segnale in uscita. Cioè, i movimenti volontari rapidi sono azioni esercitate in feedforward. Cioè, faccio partire dal sistema nervoso centrale un segnale per fare un movimento rapido, questo segnale viene portato sulla muscolatura striata scheletrica e si contrae, portando a un movimento rapido. Il movimento fatto non si ripercuote a riposo.  Sistemi ad anello chiuso (o feedback o a retroazione): c’è un’azione che si riverbera sul sistema che ha dato il segnale. Quindi, la reazione finale agisce anche sul segnale di ingresso. Cioè, do un segnale in ingresso sul sistema da controllare, che a sua volta da un segnale in uscita, che svolge il suo ruolo ma nel contempo retroagisce tramite un sistema di controllo, andando ad agire sul segnale in ingresso. Può aumentarlo o ridurlo. Quindi, agisce sulla causa stessa che l’ha prodotto. Il feedback può essere negativo o positivo. Nella maggior parte dei casi è a feedback negativo. Un esempio è il mantenimento del livello plasmatico degli ormoni. 58 Uno stimolo iniziale genera una risposta. La risposta stessa retroagisce, cioè innesca degli eventi tali da bloccare lo stimolo iniziale. Questo tipo di situazione evita gli eccessi. Se la glicemia aumenta nel sangue interviene l’ormone insulina, che fa in modo di riportare i livelli di glicemia a un valore fisiologico. Se non ci fosse un sistema per bloccare l’insulina, l’azione dell’insulina si mantiene nel tempo e si va in ipoglicemia. Paradossalmente, è la stessa insulina che ha indotto ipoglicemia che fa sì, che quando la glicemia scende sotto una certa soglia si innescano dei meccanismi che bloccano l’ulteriore rilascio di insulina. Questo è un sistema a feedback negativo. Il testosterone è un ormone rilasciato dalle cellule del Leydig, a livello dei testicoli. Il rilascio di testosterone è indotto da due ormoni, FSH e LH. LH è l’ormone luteinizzante, che agisce sulle cellule del Leydig; FSH agisce sulle cellule del Sertoli, che sono le cellule che stanno all’interno dei tubuli seminiferi, oltre alle cellule germinali. FSH e LH sono rilasciati dall’ipofisi anteriore, una ghiandola nervosa situata alla base del cervello, che a sua volta è regolata dall’ipotalamo. Quando viene rilasciato il testosterone, il testosterone viene utilizzato. Quando i livelli di testosterone superano una determinata soglia sono gli stessi ormoni che retroagiscono bloccando sia la secrezione di LH e FSH da parte dell’ipofisi anteriore, sia a livello centrale, bloccando l’ipotalamo dal rilasciare gli ormoni che stimolano l’ipofisi anteriore. Quindi, sono gli stessi ormoni in eccesso, che retroagiscono impedendo che siano rilasciati ulteriormente. 59 Un esempio di feedback positivo, a livello ormonale, è la secrezione dell’ossitocina durante il parto. Durante il parto viene prodotta ossitocina, che tra le funzioni stimola la contrazione dell’utero. L’utero contraendosi comincia l’azione di espulsione del feto. Più l’utero si contrae maggiore è l’azione di stimolo di rilascio dell’ossitocina da parte dell’ipofisi posteriore. C’è un feedback positivo. Le contrazioni diventano sempre più frequenti e intense fino ad arrivare al punto da far espellere il feto. Al momento di espulsione del feto si interrompe il feedback positivo. Un altro esempio di sfruttamento del feedback positivo è la pillola anticoncezionale. Alcune ore (10-16) prima dell’ovulazione (attorno al 14 giorno del ciclo mestruale) c’è un ormone, l’LH, i cui livelli nel sangue aumentano tantissimo. L’LH in quel lasso di tempo, più ce n’è nel plasma, più viene stimolato il rilascio di ulteriore LH. Nell’arco di 3-4 ore i livelli di LH aumentano da 6 a 9 volte: questo è il segnale che induce l’ovulazione, cioè il rilascio della cellula uovo da parte del follicolo. Una volta che c’è stata l’ovulazione non è più a feedback positivo, ma ritorna ad essere il controllo dell’LH a feedback negativo. Poiché il rilascio di LH è contrastato dagli ormoni estrogeni (più estrogeni ci sono e più LH viene bloccato nel rilascio), l’assunzione della pillola impedisce all’LH di assumere concentrazioni elevate, inibendo così l’ovulazione. La pillola si compone di estrogeni che impediscono all’LH di andare in feedback positivo (l’LH con la pillola aumenta di tre volte ma non è tale da indurre l’ovulazione). In questo caso sfrutto un meccanismo a feedback negativo per bloccare un meccanismo a feedback positivo. 60 Nel feedback positivo c’è uno stimolo iniziale che induce una risposta, che a sua volta aumenta lo stimolo. Cioè, la risposta retroagisce provocando un ulteriore stimolo ad avere quella risposta, che quindi aumenta. Il feedback positivo non può che essere transitorio, se fosse continuo sarebbe incompatibile con la vita. COMPARTIMENTI LIQUIDI DELL’ORGANISMO I compartimenti liquidi dell’organismo sono essenzialmente due: intracellulare e extracellulare, distinto in interstiziale e plasma sanguigno. I compartimenti sono in equilibrio osmotico (quindi, se misuro l’osmolarità dell’ambiente extracellulare e quella dell’ambiente intracellulare, nelle cellule animali, c’è equilibrio) ma non in equilibrio chimico ed elettrico. Ioni come lo ione cloruro e lo ione sodio sono ioni inorganici e sono molto più concentrati nel liquido extracellulare. Ioni come lo ione fosfato e proteinato e lo ione potassio sono molto più concentrati in cellula. 61 I principali ioni in disequilibrio fra interno ed esterno della cellula sono sodio, potassio e cloruro. Il disequilibrio di questi ioni fra interno ed esterno determina i fenomeni elettrici della membrana cellulare: o Potenziale di membrana a riposo o Potenziale graduato o Potenziale d’azione Essendo in disequilibrio, tali ioni sono trasportati e il loro movimento genera dei segnali elettrici che sono importanti per la comunicazione intercellulare. Se ho uno ione con una carica netta posso parlare o di moli litro o di equivalenti litro. Se ho uno ione bivalente (calcio) 1 mole corrisponde a 2 equivalenti. Molarità e normalità corrispondono se lo ione è monovalente. --- Le unità di misura possono anche essere espresse in m equivalenti (milli equivalenti). QUAL È LA CONCENTRAZIONE DELLO IONE SODIO NELL’AMBIENTE EXTRACELLULARE? Oscilla tra 120 (muscolo di rana) e 145 (muscolo di ratto) mM. Il muscolo di rana e il muscolo di ratto rappresentano i valori limite. Il disequilibrio chimico ed elettrico fra l’interno e l’esterno della cellula rappresenta la forma di energia potenziale sulla base della quale avviene la diffusione delle molecole attraverso la membrana plasmatica. Cioè, solo se c’è disequilibrio posso avere un 62 movimento netto della molecola. Se una molecola è presente alla stessa concentrazione all’interno e all’esterno della membrana, la molecola si muove però ciò che va da A a B, va da B a A. Cioè, c’è un equilibrio dinamico. Quando c’è disequilibrio, la molecola ovviamente si muove e la direzione del flusso va da dove la molecola è più concentrata verso dove è meno concentrata, attraverso la diffusione. Però, possono esserci dei trasportatori attivi che possono portare la molecola contro gradiente consumando energia. Questo viene fatto per creare disequilibrio e quindi l’energia potenziale. Il disequilibrio è creato grazie al trasporto attivo primario (ad esempio, la pompa sodio potassio è un trasportatore attivo primario che trasporta il sodio e il potassio contro gradiente di concentrazione, utilizzando ATP. Consuma energia perché crea l’energia potenziale per far muovere il sodio e il potassio secondo il loro gradiente: il potassio esce dalla cellula e il sodio entra) operato da pompe molecolari e sostenuto dall’ATP. IL PERCORSO DELL’ENERGIA: COME SI RICAVA ENERGIA DAGLI ALIMENTI Le sostanze nutritive, glucidi, lipidi e protidi, per poter essere utilizzate vengono degradate perché essendo troppo grandi non è possibile assorbirle così. Quindi, vengono idrolizzate nei componenti fondamentali e poi intervengono i trasportatori, che stanno negli enterociti, che fanno in modo che queste molecole giungano negli enterociti stessi e poi nel sangue, che le porta al fegato. Il fegato in parte le accumula e in parte le distribuisce. I glucidi sono degradati in monosaccaridi, i lipidi sono scomposti in acidi grassi e glicerolo e i protidi sono scomposti in amminoacidi. Dopo di che, tali molecole sono ossidate, perlopiù nei mitocondri (monosaccaridi e acidi grassi e glicerolo), usando ossigeno, con la formazione di anidride carbonica, dell’acqua e, nel caso delle proteine, con la formazione delle scorie azotate (ione ammonio ad esempio, che entra nel ciclo dell’urea). L’energia ricavata dall’ossidazione di questi composti organici viene immagazzinata sottoforma di ATP, che viene usato per una serie di attività che richiedono energia: lavoro muscolare, termogenesi, trasporti transmembranari, altre reazioni endoergoniche, biosintesi. 63 L’ATP (adenosintrifosfato) deriva dalla fosforilazione dell’ADP (adenosindifosfato). L’ADP lega un gruppo fosfato al fosfato in posizione β dell’ADP per dare l’adenosintrifosfato. In buona sostanza, l’ATP che viene sintetizzato accumula energia. Dopo di che, l’ATP viene idrolizzato, liberando l’energia che sta nel legame covalente tra il fosfato in β e il fosfato in posizione γ (gamma). E questa energia, che è un’energia chimica, viene utilizzato per una serie di attività. 64 L’energia liberata dall’ossidazione di una mole di glucosio (180,16 g) è di 686 Kcal. Il fabbisogno giornaliero di noi ragazzi è di 2500 Kcal (se fa attività fisica sostenuta anche 3000 Kcal). Chi fa vita sedentaria consuma 1700 Kcal. Di queste 686 Kcal, il 40% (cioè, 277 Kcal) viene accumulata sottoforma di ATP, il 60% (cioè, 409 Kcal) viene degradata in calore. L’energia che viene prodotta deve essere accumulata sottoforma di ATP, di GTP (ganosintrifosfato, usato nella sintesi proteica), di CP (creatinfosfato, nel muscolo scheletrico striato come riserva di energia per la contrazione muscolare), UTP e CTP (meno diffusi). 65  I TRASPORTI FLUSSO E PERMEAZIONE: PRINCIPI TEORICI Quando parlo di permeazione vuol dire che c’è una barriera, quindi si tratta di una membrana da attraversare. Quando parlo di flusso ci si riferisce al movimento di molecole in assenza di barriere, però anche in caso di membrana parlo di flusso. Consideriamo un cubo, dove c’è dentro una soluzione e idealmente individuo una superficie S, attraverso cui le molecole si muovono. Se considero una molecola che va dall’ambiente 1 all’ambiente 2 posso parlare di flusso molare unidirezionale. Esiste una legge che descrive il flusso molare unidirezionale: l’intensità di flusso della molecola da 1 a 2 è 𝑓→ = ⋅ ⋅ dove 𝑓 → è l’intensità del flusso direzionale da 1 a 2, che è espresso in [moli/𝑐𝑚 s] n è il numero di particelle di soluto che attraversano l’area A della superficie S N è il numero di Avogadro, cioè il numero di molecole che compongono una mole di quella molecola (6,022 10 particelle/mole) 𝛥𝑡 è l’intervallo di tempo A è l’area della superficie ideale S. Posso anche scegliere di studiare il movimento molare unidirezionale dello stesso soluto da 2 a 1. La legge è la stessa di prima. Può succedere che lo stesso soluto nello stesso tempo può passare da 1 a 2 e da 2 a 1. Molto spesso il problema è capire di questi due flussi unidirezionali quale prevale. Inevitabilmente devo applicare il concetto di flusso molare netto, che è dato dalla differenza tra i due flussi unidirezionali. 𝐹 = (𝑓 → ) − (𝑓 → ) 66