Appunti di fisiologia

Fisiologia cellulare: comunicazione tra cellule

Anna Lagovini, aa 2020-2021 Prof.ssa Lorenzon.

Fisiologia cellulare.

Comunicazione tra cellule.

Processo fondamentale per organismi pluricellulari.

Organismo pluricellulare: organismo evoluto formato da gruppi di cellule che si sono specializzate in determinati meccanismi fisiologici. Queste devono sapere cosa fanno le altre per mantenere un equilibrio tramite la comunicazione cellulare.

L’equilibrio è lo stato di buona salute, l’organismo cerca di star bene, definito omeostasi. Questa è garantita attraverso un coordinamento dei diversi meccanismi fisiologici di cui è capace l’organismo pluricellulare che si basa sulla comunicazione tra le cellule, anche molto lontane tra loro.

Esistono due tipi di comunicazione:

• Di tipo chimico.
• Di tipo elettrico.

Comunicazione chimica

Una cellula trasmette il messaggio e l’altra lo riceve.

È una comunicazione chimica perché il veicolo tra le due cellule è una molecola, il messaggero chimico o segnale chimico. Questo è un messaggero extracellulare ed è una molecola di basso peso molecolare.

La cellula secretoria che invia il messaggio deve contenere tutti i meccanismi necessari per la sintesi e per la secrezione del messaggero chimico. La cellula ricevente viene definita target o bersaglio.

Comunicazione paracrina

Comunicazione paracrina: il caso più semplice di comunicazione chimica tra le cellule prevede la presenza di due cellule molto vicine tra di loro, es. comunicazione all’interno dello stesso tessuto ma tra cellule diverse.

Il messaggero si muove da una cellula all’altra per diffusione: viene riversato nell’ambiente extracellulare, ambiente acquoso, e si muove per gradiente di concentrazione verso l’altra cellula. Il processo di diffusione è molto rapido e funziona per brevi distanze.

La cellula ricevente si accorge del segnale tramite un recettore.

Comunicazione ormonale

Comunicazione ormonale: la cellula secretoria e quella bersaglio sono molto distanti tra loro, appartengono a tessuti diversi. Il messaggero viene rilasciato nel sangue che lo trasporta verso la cellula target; vengono trasportate diverse molecole segnale contemporaneamente.

Il messaggero viene chiamato ormone.

La cellula secretoria appartiene ad una ghiandola endocrina, che ha il compito di produrre ormoni.

La cellula bersaglio deve riuscire a riconoscere il messaggero giusto, questa risposta specifica si basa sull’esistenza di una proteina recettore. Questa è solitamente una glicoproteina che ha un’affinità strutturale e chimica specifica per una determinata molecola segnale. Queste due interagiscono tra loro attraverso un meccanismo “chiave-serratura”: la molecola segnale si avvicina alla molecola recettore su cui riesce ad incastrarsi e questo consente di stabilizzare la posizione della molecola segnale tramite delle interazioni chimiche.

Le proteine recettore possono essere sia transmembrana, di superficie, sono glicoproteine, che intracellulari, si trovano nel citoplasma o nel nucleo, sono proteine.

Le molecole si possono classificare in due grandi categorie:

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• Messaggeri chimici lipofili: si sciolgono meglio in ambiente non acquoso → può oltrepassare il doppio strato fosfolipidico, per recettori intracellulari.
• Messaggeri chimici idrofili, per recettori di superficie.

A seconda del tipo di recettore si attivano tre diversi meccanismi di attivazione cellulare:

• Per i recettori intracellulari: la fine della comunicazione cellulare consiste nella regolazione dell’espressione genica → la cellula bersaglio risponde modificando il suo profilo di espressione genica, compaiono delle proteine nuove o scompaiono delle proteine, a seconda che l’espressione genica venga attivata o inibita. Il messaggero entra nella cellula dove trova il recettore e si forma il complesso molecola-recettore. Ci sono delle sequenze presenti nel doppio filamento di DNA, HRE, hormone response element, specifiche per un determinato recettore, che sono riconosciute dal recettore nel momento in cui lega il messaggero. Questa interazione tra recettore e sequenza HRE porta alla sintesi di determinate proteine.
• Per i recettori di superficie.

Recettori con attività enzimatica

Recettori con attività enzimatica: questi recettori hanno un’attività enzimatica protein-chinasi → enzimi che catalizzano la fosforilazione, trasferimento di gruppi fosfato, dall’ATP a proteine in specifici residui amminoacidici, tirosina, serina e treonina → i recettori possono essere tirosina-chinasi, i più utilizzati, serina-chinasi o treonina-chinasi. Questi recettori sono transmembrana, nella regione extracellulare si ha il sito recettoriale, punto di incastro per il messaggero. Quando il messaggero si lega, la proteina cambia conformazione e si attivano le sue proprietà enzimatiche, finché non è presente il messaggero la proteina è inattiva, non catalizza niente → nella cellula bersaglio aumentano i livelli di proteine fosforilate, queste sono dei fattori di trascrizione → hanno a che fare con la regolazione dell’espressione genica nel nucleo.

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Il recettore resta a livello di superficie e, attraverso una cascata di fosforilazione, si collega al nucleo dove si ha la regolazione dell’espressione genica.

Recettori accoppiati a proteine G

Recettori accoppiati a proteine G: il recettore interagisce con proteine G trimeriche, costituite da tre subunità: alfa, beta, gamma; la alfa è quella che lega GTP o GDP. Il complesso recettore-messaggero attiva la proteina G che va ad interagire:

• Con un enzima di membrana, nella maggior parte, separato dal recettore. Esistono tre tipi di enzimi:
  • Adenilil-ciclasi, enzima che trasforma l’ATP in cAMP → aumento di cAMP nella cellula. L’AMP, ATP defosforilato tramite adenilil-ciclasi, ciclico è un secondo messaggero.
  • Fosfolipasi C: enzima che determina la sintesi di IP3, secondo messaggero, e DAG → liberazione di calcio dai depositi intracellulari.
  • Fosfolipasi A: determina la variazione di concentrazione di acido arachidonico, secondo messaggero, importante nei processi infiammatori.
• Si arriva alla fosforilazione di proteine, fosforilate in serina, treonina o tirosina, tramite protein-chinasi A, attivate da cAMP, o proteina chinasi C, attivate da Ca²⁺. Con la fosforilazione cambia la funzione delle proteine.
• Con un canale ionico, trasporto di membrana.

10/03/2021

[Messaggio extracellulare che si lega al suo recettore, acetilcolina, che attiva la proteina G che attiva la fosfolipasi C, membrana; questa catalizza la sintesi di IP3, secondo messaggero, che diffonde nel citoplasma verso i depositi intracellulari di Ca e lo fa liberare].

Comunicazione elettrica

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È la comunicazione più veloce. È lo scambio di segnali elettrici, i potenziali d’azione, tra cellule. Le uniche cellule che comunicano in questo modo sono le cellule eccitabili, queste sono i neuroni e le cellule muscolari, lisce, striate cardiache e striate scheletriche.

Diversi neuroni, in sequenza, collegano due zone lontane trasmettendo il potenziale d’azione. I neuroni, uno dopo l’altro, vengono definiti via nervosa. [SNC: cervello e midollo spinale, costituiti da fasci di neuroni]. Il primo neurone genera un potenziale d’azione e lo trasmette al neurone successivo e così via fino ad arrivare al destinatario.

La via nervosa efferente è costituita da 4 neuroni e il primo parte dalla corteccia cerebrale mentre l’ultimo arriva alla periferia dell’organismo. Sono le vie nervose motorie, ossia consentono di reagire agli stimoli e di muoversi in maniera volontaria, arriva ai muscoli scheletrici.

Le vie nervose afferenti portano i segnali dalla periferia dell’organismo al SNC, di queste alcune si fermano al midollo mentre altre arrivano al cervello. Queste sono le vie nervose sensoriali, ossia sono quelle che consentono all’organismo di captare quello che succede nell’ambiente esterno e comunicarlo al SNC.

La comunicazione elettrica può fermarsi al midollo spinale e da qua il segnale può andare direttamente ai muscoli. Questo tipo di comunicazione dà luogo ad azioni, movimenti, stereotipati. La comunicazione che invece coinvolge il cervello determina un comportamento di tipo complesso.

Azione stereotipata

Azione stereotipata: sono comportamenti fissi, cioè che sono identici, a fronte di uno stimolo specifico, in tutti gli individui. Questi vengono definiti riflessi. [Es. se qualcuno ci soffia sugli occhi, noi li chiudiamo; se si punta una luce sulla pupilla questa si restringe]. I riflessi servono per valutare la comunicazione elettrica. Es. martelletto sul ginocchio, “riflesso rotuleo” o “riflesso da stiramento”: il colpo fa partire un potenziale d’azione che arriva al midollo spinale. Qui la via afferente contatta la via efferente che fa partire una risposta fino al muscolo, la gamba si estende. Se si calcola l’intervallo di tempo tra il colpo e l’estensione della gamba si misura un tempo di latenza di circa 3,5 millisecondi.

Movimenti complessi

Movimenti complessi: sono comportamenti che non si possono prevedere. Es. se si mettono due individui in una stanza e si modifica la temperatura, non è detto che le due persone sentano caldo/freddo nello stesso momento e non è detto che si comportino nello stesso modo, uno si toglie la maglia, l’altro apre la finestra o si sventola con un foglio. In questo caso gli stimoli arrivano al cervello che decide cosa fare.

Potenziale d’azione

Si basa sulla presenza di canali ionici e potenziale di membrana, entrambi presenti in tutte le cellule.

Canali ionici: sono meccanismi di trasporto di membrana e sono meccanismi passivi, non hanno bisogno dell’idrolisi di ATP. Servono per trasportare ioni attraverso il doppio strato fosfolipidico in entrambe le direzioni. Gli ioni, passando attraverso la proteina, creano delle micro-correnti.

Sono delle proteine transmembrana e sono organizzate in modo tale da costituire un cilindro cavo, poro.

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Ionico, all’interno del quale passano gli ioni.

Esistono due forze guida che permettono lo spostamento degli ioni:

• Gradiente chimico: gli ioni non hanno la stessa concentrazione all’interno del citoplasma e nell’ambiente extracellulare: si muovono verso la concentrazione minore per equilibrare le due concentrazioni.
• Gradiente elettrico: gli ioni portano carica e si forma quindi, a causa del gradiente chimico, una diversa concentrazione di cariche tra interno ed esterno della cellula → se all’interno della cellula si forma una maggior concentrazione di cariche negative, gli ioni positivi tenderanno ad entrare.

Gli ioni per muoversi dentro o fuori dalla cellula devono tener conto di entrambi i gradienti, gradiente elettrochimico.

Tutti i canali ionici sono caratterizzati da un meccanismo di apertura del canale, da una specifica cinetica e conduttanza e da una specifica permeabilità.

[Patch clamp: tecnica che si basa sull’utilizzo di elettrodi che vengono avvicinati alla superficie cellulare dove ci sono i canali ionici. L’elettrodo registra il flusso di ioni attraverso la proteina: si viene a creare un grafico a onde quadre in cui viene mostrato quanti ioni passano, proporzionale alla deflessione, e per quanto tempo passano.] La proteina canale passa da uno stato chiuso, in cui non trasporta niente, ad uno stato aperto, cambia di conformazione, in cui gli ioni possono passare. Da un punto di vista termodinamico, la configurazione chiusa è quella a minor energia → configurazione più stabile.

L’organizzazione tridimensionale della proteina cambia in seguito a quattro meccanismi:

• Canali ligando-dipendenti: i canali passano dalla configurazione chiusa a quella aperta se è presente una molecola extracellulare, il ligando, che interagisce chimicamente con la proteina canale su determinati siti recettoriali. Es. nella comunicazione nervo-muscolo il nervo rilascia l’acetilcolina che si lega alla proteina canale facendola aprire.
• Canali attivati da fosforilazione: le proteine canale vengono fosforilate e passano alla forma aperta attivandosi, sono controllati dalle protein-chinasi.
• Canali voltaggio-dipendenti: sono i canali coinvolti nella formazione del potenziale d’azione. Questi tengono conto della distribuzione di carica tra interno ed esterno della cellula: sono chiusi in un determinato campo elettrico che se si.

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• Inverte permette l’apertura del canale, es. cariche positive all’esterno e negative all’interno → proteina chiusa; all’inverso proteina aperta.
• Canali attivati da stiramento: i canali sono legati al citoscheletro → si aprono quando il citoscheletro cambia la sua organizzazione, e di conseguenza anche la cellula cambia di forma. Es. sono coinvolti nella percezione nello spazio: se si alza un piede si sente tutto il peso sull’altro: i canali attivati da stiramento sono attivati solo sul piede su cui ci si appoggia e solo questi mandano il potenziale d’azione al cervello.

12/03/2021

Conduttanza, cinetica e permeabilità

Conduttanza: la proteina canale ha un poro più o meno grande a seconda del tipo di canale e più grandi sono le dimensioni del poro maggiore è il numero di cariche che possono passare, conduttanza maggiore. La corrente ionica sarà quindi di maggior ampiezza.

Cinetica: il canale può restare nello stato aperto per un periodo più o meno lungo → il tempo di permanenza nello stato aperto determina la cinetica del canale.

Queste diverse cinetiche e conduttanze si determinano tramite la tecnica del patch clamp: nel grafico le deflessioni verso il basso definiscono la conduttanza, mentre la larghezza delle onde determina la durata delle varie aperture.

Un’altra proprietà dei canali è la permeabilità o selettività che dipende in parte dall’ampiezza del poro ionico → in base all’ampiezza possono passare ioni di diverse dimensioni. I canali con un ampio raggio sono dotati di una maggior permeabilità, permeabili a più ioni, e quindi di una minor selettività.

Le pareti interne del poro sono determinate dal profilo della proteina → all’interno, verso il poro, sono esposti i residui amminoacidici con i loro gruppi funzionali. Lo ione che entra viene chimicamente analizzato dalle pareti della proteina, interagisce con i gruppi funzionali degli amminoacidi: si formano deboli interazioni con i residui amminoacidici. Questa analisi chimica permette di suddividere i canali in due categorie:

• Canali cationici: se la parete della proteina ha gruppi funzionali che interagiscono bene con cationi → non interagisce invece con gli anioni.
• Canali anionici.

Potenziale di membrana

È determinato da una diversa distribuzione delle cariche tra interno ed esterno della cellula. Per misurarlo sperimentalmente si inserisce un elettrodo all’interno della cellula e uno nell’ambiente extracellulare → si determina se esiste una diversa distribuzione di carica tra i due lati. Esiste una prevalenza di carica comune a tutte le cellule → si è visto che si ha una prevalenza di cariche negative all’interno della cellula e di cariche positive all’esterno.

La differenza di potenziale tra esterno ed esterno, potenziale di membrana, viene misurato in mV, millivolt. Questa differenza di carica è differente a seconda del tipo di cellula. Tutti i potenziali di.

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Membrana sono indicati convenzionalmente come negativi, indica l’eccesso di cariche negative presenti all’interno della cellula.

Come nascono i potenziali: la membrana cellulare è una membrana semipermeabile, è permeabile solo ad alcune specie chimiche, questo deriva dal doppio strato fosfolipidico e dalla presenza dei canali ionici, che trasportano alcuni ioni piuttosto che altri.

Es: in un becher, suddiviso in due compartimenti da una membrana semipermeabile, si mette da un lato NaCl e dall’altro KCl con le stesse concentrazioni in soluzione acquosa. La membrana è permeabile, ad esempio, solo agli ioni K che tenderanno ad oltrepassarla per arrivare ad un equilibrio chimico, il gradiente di concentrazione spinge gli ioni K verso il compartimento 1, mentre il gradiente chimico li spinge in direzione opposta. In questo modo si avrà però una maggior concentrazione di cariche positive da un lato, Na e K, e negative dall’altro. Gli ioni K continuano a spostarsi per mantenere l’equilibrio → la distribuzione di carica non cambia.

Questa situazione di equilibrio viene descritta dall’equazione di Nernst: può prevedere il valore della differenza di potenziale, posto che sia nota la distribuzione ionica della specie permeabile nell’ambiente intra ed extracellulare.

Le membrane sono permeabili principalmente a tre ioni: sodio, potassio e cloro, nella membrana sono presenti dei canali sempre aperti che trasportano costantemente questi tre ioni, ognuno calcolabile con l’equazione di Nernst.

Il potenziale di membrana reale è una somma delle equazioni di Nernst dei vari ioni, si mettono a sistema le tre equazioni, e si ottiene l’equazione di Goldman-Hodgkin-Katz, equazione GHK.

Il potenziale di membrana è uno stato di equilibrio, il valore numerico resta fisso nel tempo, ed è un potenziale diffusivo, gli ioni attraversano continuamente la membrana mantenendo l’equilibrio chimico ed elettrico.

15/03/2021

Ogni ione che attraversa la membrana tende a portare il potenziale di membrana ad un valore pari al suo potenziale di equilibrio, calcolabile con l’equazione di Nernst: se il potenziale di membrana è di -80mV e il potenziale di equilibrio del sodio è di +45mV → Na⁺ tende ad entrare nella cellula per portare più cariche positive, corrente cationica entrante; il potenziale di equilibrio