Anatomia umana con elementi di biologia animale - prima parte

Tipi di cellule

Le cellule del corpo hanno caratteristiche morfologiche (forme) molto differenti e di conseguenza svolgono diverse funzioni.

Cellula nervosa

Le cellule nervose sono le cellule del sistema nervoso, hanno una superficie sensibile agli stimoli e prolungamenti lunghi. Trasmette impulsi nervosi da una parte all’altra del corpo.

Cellula muscolare

La cellula muscolare ha una struttura allungata e filiforme. Si contraggono permettendo il movimento. Importanti quindi per la contrazione muscolare.

Globuli rossi

I globuli rossi contengono emoglobina, un pigmento che lega e rilascia ossigeno. Trasporta ossigeno.

Cellule ghiandolari

Le cellule ghiandolari rilasciano un secreto all’esterno della cellula (enzimi, ormoni, muco).

Cellule immunitarie

Alcune cellule immunitarie hanno sistemi che producono anticorpi e altre sono capaci di distruggere altre cellule.

La membrana cellulare

La membrana cellulare separa l’ambiente intracellulare da quello extracellulare. Regola il passaggio di sostanze mantenendo un equilibrio nella cellula e se la membrana si danneggia questo equilibrio viene alterato. È formata da un doppio strato di fosfolipidi nel quale è presente anche il colesterolo. I fosfolipidi sono formati da una testa idrofila (rivolta verso l’esterno della membrana) e una coda idrofoba (rivolta verso l'interno della membrana).

Nella membrana plasmatica sono inserite anche delle proteine che svolgono la maggior parte delle funzioni specifiche della membrana plasmatica, ne esistono di due tipi:

Integrali (transmembrana)

Si estendono attraverso l’intera membrana e possono attraversarla più volte. Sono classificate in famiglie a seconda del numero di segmenti transmembrana.

Periferiche

Non attraversano l’intera membrana ma si legano debolmente a proteine integrali o alle regioni polari dei fosfolipidi.

Le proteine di membrana vengono classificate in relazione alla loro funzione

Trasporti attraverso le membrane

Le funzioni dei trasporti di membrana sono:

• Assunzione di sostanze nutrienti essenziali
• Regolazione delle concentrazioni ioniche
• Eliminazione dei prodotti metabolici di rifiuto

Ci sono due tipi di trasporto: quello attivo richiede un consumo di energia mentre quello passivo avviene senza dispendio di energia.

Diffusione semplice

È un meccanismo semplice che non comporta un dispendio energetico ed è indipendente da un vettore. Le membrane biologiche hanno una permeabilità selettiva (possono passare solo determinate sostanze).

La velocità di attraversamento di una membrana biologica dipende:

• Dalla grandezza di un soluto
• Dalla sua permeabilità nei lipidi
• Dalla sua carica elettrica (non passano le grandi molecole polari e gli ioni)

Diffusione facilitata

Le molecole che non attraversano la membrana per diffusione semplice possono attraversarla mediante quella facilitata. È un trasporto che non comporta un dispendio energetico ma è mediato da proteine trasportatrici:

Proteine carrier

(Grandi molecole polari) si legano al soluto e subiscono cambiamenti di conformazione per trasferire il soluto legato attraverso la membrana. Parliamo di uniporto quando vi è il trasporto di un solo elemento in una direzione, di simporto quando vi è il trasporto di due elementi in una direzione, e di antiporto quando vi è il trasporto di due elementi in direzione opposta. Quando si trasportano due elementi si parla di trasporto accoppiato. Questi sistemi di trasporto hanno generalmente due stati conformazionali, uno con i siti leganti rivolti verso l’esterno e uno con i siti leganti rivolti verso l’interno.

Proteine canali

(Ioni) non devono legare il soluto, ma devono formare un poro idrofilo per il passaggio del soluto nella membrana. Sono proteine integrali, costituite da catene di amminoacidi che attraversano più volte la membrana a formare un poro idrofilo. Il diametro di questi canali è limitato e il passaggio è riservato all’acqua, agli ioni e a molecole molto piccole come l’urea.

Questi canali ionici sono caratterizzati da:

• Un filtro di selettività: la selettività di un canale ionico è basata sulla dimensione e sulla carica elettrica (se il canale è rivestito da amminoacidi con una determinata carica, gli ioni con carica simile saranno respinti mentre quelli con carica opposta saranno attratti)
• Velocità di trasporto elevate
• Controllo di apertura (non lo hanno tutti)
• Flussi esclusivamente passivi: gli ioni carichi si spostano secondo un gradiente elettrochimico

Gradiente chimico

La diffusione sposta i soluti verso l’equilibrio, e si passa da una distribuzione casuale a una situazione di equilibrio, con concentrazioni uguali in ogni punto. Le molecole si muovono secondo il gradiente di concentrazione (o gradiente chimico) fino al raggiungimento dell’equilibrio (vanno verso la parte meno concentrata).

Gradiente elettrochimico

Si ha il gradiente elettrochimico quando c’è una differenza di concentrazione (gradiente chimico) e anche di carica elettrica (gradiente elettrico). Si crea quindi quando c’è una differenza di potenziale tra i due lati della membrana plasmatica.

Tipi di canali ionici

Canali aperti (o canali di diffusione)

Sono sempre aperti permettendo agli ioni di muoversi dentro e fuori attraverso la membrana senza limitazione.

Canali a cancello (o regolamentati)

Sono solitamente chiusi e possiedono un meccanismo che ne regola l’apertura. Questo permette di regolare il movimento degli ioni. Tra i canali a cancello, in relazione al meccanismo di apertura, distinguiamo:

Canali ionici ligando-dipendenti o a controllo chimico

Molti canali ionici sono controllati da un ligando intracellulare o extracellulare diverso dalla molecola da trasportare. (Presentano una porzione che lega una specie chimica la quale fa cambiare la conformazione e la fa aprire.) Sono meno selettivi e consentono il passaggio di due o più tipi di ioni. Appartengono a questa classe i recettori per i neurotrasmettitori: ad esempio, l’acetilcolina apre i canali per Na⁺ e K⁺ a livello della sinapsi neuromuscolare, inducendo un cambiamento conformazionale.

Canali ionici voltaggio-dipendenti o a controllo elettrico

Le cellule dette eccitabili, come i neuroni e le cellule muscolari, possiedono canali che si aprono o si chiudono in risposta al mutamento delle cariche della membrana plasmatica (polarizzazione della membrana). Esistono canali voltaggio-dipendenti per Na⁺, K⁺, Ca²⁺ e Cl^-.

Canali ionici a controllo meccanico

Alcuni canali ionici rispondono a stimoli meccanici come:

• Il calore (responsabili delle sensazioni termiche)
• Alla deformazione meccanica della membrana (stiramento neuromuscolare)
• Al suono (percezione uditiva)

Trasporto attivo

È un movimento contro gradiente mediato da proteine. Si ha quindi quando la diffusione di un soluto avviene contro il gradiente di concentrazione (il soluto va verso la parte più concentrata) o quando ioni carichi si spostano contro il gradiente elettrochimico. Questo trasporto quindi richiede impiego di energia.

Il trasporto attivo è termodinamicamente sfavorevole (endoergonico) e si verifica solo quando è accoppiato a un processo esoergonico (ad esempio l’idrolisi dell’ATP). Le proteine trasportatrici coinvolte (e non canali) devono sia trasferire i soluti che accoppiare il trasferimento ad una reazione che cede energia.

Il trasporto attivo ha tre principali funzioni:

• Rende possibile l’assorbimento di sostanze nutritive dall’ambiente anche quando le loro concentrazioni sono basse rispetto a quelle dentro le cellule.
• Permette la rimozione di sostanze metaboliche di rifiuto quando la loro concentrazione all’esterno è più alta che nella cellula.
• Consente alla cellula di mantenere le concentrazioni intracellulari di ioni specifici, tra cui K⁺, Na⁺, Ca²⁺ e H⁺ in una situazione di non equilibrio: in questo modo si bilancia l’effetto del trasporto passivo, che tende a eguagliare le concentrazioni di soluti.

Pompe o trasportatori ionici

Sono i vettori che mediano il trasporto attivo. L’energia derivante dall’idrolisi dell’ATP è usata per produrre il cambiamento di conformazione.

• ATPasi protoniche, trasportano H⁺ all’esterno della cellula
• ATPasi per il Ca²⁺, mantengono basso il livello di Ca²⁺ intracellulare: Plasma Membrane Ca²⁺ ATPase (PMCA) Sarcoplasmatic-Endoplasmatic Reticulum Ca²⁺ ATPase (SERCA)
• ATPasi Na⁺/K⁺ dipendente (pompa sodio-potassio), mantiene la differenza di concentrazione ionica tra interno ed esterno della cellula, coinvolta nella genesi del potenziale di membrana.

Pompa Na⁺/K⁺ ATPasi

Caratteristiche funzionali:

• Contro gradiente di concentrazione
• Elevata selettività
• ATP dipendente

Caratteristiche strutturali:

• Complesso formato da almeno due subunità

Il citoplasma delle cellule contiene K⁺ ad una concentrazione 20 volte più elevata rispetto all’ambiente extracellulare. Al contrario la concentrazione di Na⁺ è 10 volte più alta nell’ambiente extracellulare. Nonostante il diverso gradiente la pompa Na⁺/K⁺ trasporta tre ioni sodio all’esterno e due ioni potassio all’interno (antiporto). Il compito principale delle pompe ioniche è quello di generare gradienti di concentrazione transmembrana che vengono poi utilizzati dai canali ionici per generare dei segnali elettrici (potenziali d’azione).

Tipi di trasporto attivo

Trasporto attivo secondario (indiretto)

Il trasporto di una sostanza contro gradiente è accoppiato al trasporto di una sostanza che si muove lungo gradiente. In questo caso il trasporto attivo si coniuga con il trasporto passivo.

Trasporto attivo primario (diretto)

L’ATP si lega direttamente al trasportatore fornendo l’energia necessaria per il trasporto.

Endocitosi e esocitosi

Sono processi che richiedono consumo di energia. Permettono il trasporto di grandi molecole. È la membrana stessa ad effettuare il trasporto.

Esocitosi

È un processo di fusione tra una struttura membranosa intracellulare (vescicola) con la membrana plasmatica. La fusione delle membrane comporta che il contenuto delle vescicole venga riversato nello spazio extracellulare. Tra le molecole che vengono riversate all’esterno della cellula con questo meccanismo ricordiamo i neurotrasmettitori che permettono il passaggio dello stimolo nervoso da neurone a neurone e da neurone alla cellula muscolare.

Endocitosi

È un processo con il quale la cellula internalizza molecole solide o liquide che vengono a contatto con la superficie della membrana cellulare mediante formazione di vescicole derivanti da introflessioni della stessa membrana plasmatica.

Il citoscheletro

Il citoscheletro è formato da una serie di fibre proteiche, le quali hanno diverse funzioni:

• Conferiscono una forma alla cellula
• Forniscono resistenza meccanica e supporto strutturale per la cellula e per i suoi organuli
• Permettono il movimento della cellula
• Sono importanti per il trasporto intracellulare di organelli
• Creano delle interazioni tra e con gli organuli
• Importanti per la separazione cromosomica

Il citoscheletro è formato da tre diversi tipi di fibre proteiche:

Microfilamenti

Sono sottili unità di molecole proteiche conformate a elica;

Filamenti intermedi

Sono unità più spesse di molecole proteiche, anch’esse conformate a elica;

Microtubuli

Sono unità cave formate da subunità proteiche disposte a spirale.

Microfilamenti

I microfilamenti sono costituiti da monomeri di G-actina (una proteina globulare). Questi monomeri di G-actina si uniscono per formare dei filamenti polari, F-actina (polimeri elicoidali a due filamenti). Sono presenti in tutte le cellule, maggiormente in quelle contrattili.

Monomeri di G-actina

Hanno un sito per ATP e dei siti per ioni metallici monovalenti e bivalenti.

Polimeri di F-actina

Hanno due estremità con diverso comportamento nell’assemblaggio delle subunità.

Assemblaggio dei microfilamenti

Quando i monomeri si attivano, si legano con l’ATP e con ioni magnesio. In seguito inizia la nucleazione, ossia l’assemblaggio di monomeri in un aggregato iniziale detto nucleo di polimerizzazione. Infine avviene l’allungamento del polimero per aggiunta di altri monomeri.

Microtubuli

Sono dei cilindri cavi formati da 13 protofilamenti. L’unità base del microtubulo è l’eterodimero, formato da due subunità: α-tubulina e β-tubulina. Queste due subunità alternate vanno a formare il protofilamento. I microtubuli sono un reticolo di sostegno per gli organuli, sono importanti per il movimento di vescicole e formano il fuso mitotico. Si trovano nelle ciglia e nei flagelli, contribuendo alla loro mobilità.

α-tubuline e β-tubuline

α-tubuline: sito N, alta affinità per GTP. β-tubuline: sito E, bassa affinità per GTP, idrolizzata durante la polimerizzazione. Sito per ioni bivalenti ad alta affinità. Il microtubulo ha due terminali:

• Terminale (+) = tasso di polimerizzazione maggiore
• Terminale (-) = tasso di polimerizzazione minore

Formazione dei microtubuli

La nucleazione richiede tubulina e GTP. È una fase molto lenta fino all’inizio della formazione. Una piccola lamina di corti protofilamenti, paralleli e sfalsati, si ripiega in un corto cilindro cavo, il quale cresce per unione di nuovi eterodimeri. Ogni eterodimero trasporta 2 molecole di GTP, ma solo quello legato alla β-tubulina sembra essenziale. Le molecole di GTP vengono idrolizzate a GDP rendendo più instabili i legami che tengono insieme il microtubulo (tendono quindi a dissociarsi). La fase di allungamento procede molto più rapidamente.

Filamenti intermedi

Sono strutture filamentose che irradiano nel citoplasma. Hanno una struttura stabile formata da una famiglia eterogenea di proteine. Hanno una funzione strutturale e di resistenza alla pressione. Sono formati da tre classi proteiche citoplasmatiche:

• Cheratine (eteropolimeri): tessuto epiteliale.
• Vimentina, desmina e proteina acida gliale (omopolimeri): tessuto connettivo, muscolare e neuroglia.
• Neurofilamenti: cellule nervose.

E da una classe nucleare:

• Lamine: involucro nucleare, tutte le cellule animali.

Assemblaggio filamenti intermedi

Sono formate da proteine di forma bastoncellare con esteso dominio centrale, alle estremità i tratti terminali, testa e coda globulari. Si uniscono in dimeri grazie a interazioni dei domini centrali (α-eliche intrecciate) poi in tetrameri, poi in protofilamenti e infine in filamenti intermedi maturi.

Ciglia e flagelli

Sono espansioni citoplasmatiche filiformi con una complessa organizzazione strutturale. Sono appendici cellulari con un fascio centrale di microtubuli.

Ciglia

• Più corte dei flagelli ma organizzate in modo simile;
• Sono caratterizzate da un movimento a frusta;
• Cicli di ciglia adiacenti sono sincronizzati ma non esattamente;
• Muovono singole cellule in un fluido o muovono particelle e liquidi a contatto con la cellula.

Flagelli

• Si trovano su spermatozoi e in molti protozoi;
• Il loro movimento ondulatorio permette alle cellule di muoversi in mezzi liquidi.

Struttura delle ciglia

Sono strutture allineate in modo regolare e sono parallele tra loro. Sono caratterizzate da una struttura libera e una struttura infissa nella cellula.

Struttura libera

Caratterizzata da una complessa organizzazione di microtubuli, rivestiti da una membrana plasmatica. La disposizione è di 9+2 microtubuli e prende il nome di assonema. È formata da:

• 2 microtubuli centrali circondati da una guaina elicoidale
• 9 coppie di microtubuli periferici. Ogni coppia è formata da due microtubuli affiancati: il tubulo A (con due bracci uncinati di dineina, un ponte e un sottile filamento di nexina) e il tubulo B (addossato al tubulo A).

Struttura infissa

Caratterizzata da:

• Una piastra basale formata da 9 coppie di microtubuli;
• Il corpo basale, centro di formazione di ciglia e flagelli, formato da 9 triplette di microtubuli;
• Le radici che sono sottili fibre proteiche.

Gli organuli della cellula

Il citosol

Il citosol è una sostanza che si trova all’interno della cellula. È un sistema in cui, in una soluzione acquosa di sali e molecole organiche, sono disperse macromolecole (proteine, polisaccaridi, acidi nucleici) che interagendo tra loro fanno variare la viscosità del sistema, da una condizione liquida a quella viscosa.

I mitocondri

Sono organuli cellulari con grandezza variabile intorno ai 7 µm, presenti nelle cellule animali e vegetali in numero variabile. I mitocondri contengono un gruppo di enzimi e di coenzimi che coordinando la loro azione, operano le trasformazioni energetiche cellulari. Dal punto di vista fisiologico i mitocondri sono degli apparati la cui funzione è quella di recuperare l’energia contenuta negli alimenti, per mezzo di un ciclo biosintetico detto «ciclo di Krebs» e dalla «catena respiratoria».