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Fisiologia molecolare - Definizione


Con fisiologia molecolare si intende quella scienza che cerca di spiegare i fenomeni biologici, ovvero capirne i meccanismi che ne stanno alla base a livello molecolare. In che modo la fisiologia molecolare procede? Essendo i fenomeni biologici spesso molto complessi, è innanzitutto necessario capire quali sono le strutture molecolari (proteine, membrane lipidiche, ac. nucleici etc) che sono coinvolte. Il secondo passo è quello di capire in che modo le leggi fisiche determinano il comportamento di queste strutture. Il terzo ed ultimo passo sarà quello di verificare se il comportamento di queste strutture secondo leggi fisiche predice il fenomeno biologico che si vuole spiegare.
Identificazione delle strutture coinvolte
Identificazione delle leggi fisiche rilevanti nel comportamento delle strutture coinvolte
predizione del fenomeno biologico a partire dalle strutture e dalle leggi fisiche rilevanti
Come si può immaginare questa disciplina si sta espandendo molto rapidamente, poiché per un numero sempre maggiore di fenomeni biologici i dati che si acquisiscono sono sufficientemente dettagliati da poterli interpretare in termini molecolari. Dato il gran numero di campi di applicazione, non è possibile per noi affrontare in questo corso tutto ciò di cui la fisiologia molecolare si occupa. Ci concentreremo quindi su un solo campo di applicazione, che corrisponde a ciò di cui mi occupo direttamente: l’eccitabilità, ovvero i meccanismi che sono alla base della generazione dei potenziali d’azione nelle cellule eccitabili.
Che cos’è un AP? Se misuriamo il potenziale di membrana di una cellula eccitabile e stimoliamo la stessa cellula iniettandovi una corrente positiva, allora se la corrente iniettata è sufficientemente grande verrà generato un AP, che presenterà la seguente forma temporale
Si tratta di un cambiamento repentino (~1 ms) del potenziale di membrana, che consiste di una fase depolarizzante che porta il potenziale della membrana a valori più positivi di zero mV, di una fase ripolarizzante, e di una fase di iperpolarizzazione postuma. Questo segnale assume una notevole importanza nella fisiologia delle cellule eccitabili. Ad esempio, i neuroni trasportano le informazioni lungo i loro assoni tramite la propagazione dei potenziali d’azione. Analogamente il potenziale d’azione che si genera nel muscolo scheletrico è responsabile della sua contrazione.
Da quanto detto, se ne deduce che trattare dal un punto di vista della fisiologia molecolare questo problema significa:
Identificare le strutture coinvolte: poiché i potenziali d’azione sono dei cambiamenti del potenziale ai lati della membrana, una struttura sicuramente coinvolta in questo fenomeno è rappresentata dal doppio strato lipidico di cui le membrane plasmatiche sono fatte. Inoltre oggi è noto che la generazione dei potenziali d’azione necessita che la cellula eccitabile possieda sulla sua membrana plasmatica i canali ionici, ovvero delle proteine integrali di membrana che facilitano il trasporto degli ioni dall’esterno all’interno della cellula o viceversa.
Identificare le leggi fisiche rilevanti per il comportamento dei canali ionici e delle membrane plasmatiche: Studieremo come si comportano i canali ionici, ovvero il loro meccanismo di gating (apertura e chiusura), e le loro proprietà permeative. Studieremo la capacità che i doppi strati lipidici hanno di accumulare delle cariche, e quindi di generare una differenza di potenziale. Studieremo infinein che modo i flussi di ioni attraverso i canali ionici riescono a cambiare il potenziale di membrana.
predire la generazione di un AP a partire dalle strutture e dalle leggi fisiche rilevanti (punti 1 e 2): Una volta note le principali caratteristiche dei canali ionici, delle membrane plasmatiche, ed il modo in cui i canali ionici determinano il cambiamento del potenziale di membrana, metteremo insieme i vari concetti che abbiamo appreso costruendo un modello matematico di eccitabilità cellulare, per verificare se siamo in grado di predire la generazione di un AP a partire da quanto sappiamo a riguardo del comportamento dei canali e delle membrane lipidiche. I principali eventi che si susseguono durante un AP verranno quindi illustrati proprio utilizzando le soluzioni di questo modello matematico.
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