Appunti di Fisiologia e Fisiopatologia

Principi di fisiopatologia

Per malattia si intendono delle anomale condizioni dell’organismo causate da alterazioni organiche o funzionali; quindi, si arriva al concetto di salute: uno stato di completo benessere fisico, mentale e sociale, non semplicemente assenza di malattia o infermità.

La malattia è una qualsiasi condizione del corpo o della mente che diminuisce la probabilità di sopravvivenza dell’individuo o della specie.

La malattia è un’alterazione dello stato stazionario globale dell’organismo, pericolosa per la sua sopravvivenza; essa riflette la perturbazione dello stato stazionario di uno dei vari microsistemi di cui è costituito l’organismo.

La malattia è quindi un’alterazione dell’omeostasi fisiologica che si ha a livello di cellule, tessuti e organi, che determina l’omeostasi dell’organismo; questa è quindi un’alterazione strutturale e funzionale di una cellula, di un tessuto o di un organo, capace di ripercuotersi nell’economia dell’intero organismo.

Tutti gli stati di malattia hanno origine da alterazioni della cellula; il danno cellulare deriva dall’incapacità della cellula di far fronte a un insulto subito e di mantenere il proprio equilibrio omeostatico.

Il danno cellulare si ripercuote sulle interazioni cellula-cellula e cellula-ambiente extracellulare, risultando in un danno tissutale e a carico di organi specifici.

La cellula

La cellula è l’unità funzionale di base di ogni essere vivente in grado di vivere autonomamente e di riprodursi.

Un tessuto è un gruppo di cellule con funzioni simili.

Un organo è un insieme di tessuti organizzati per svolgere funzioni specifiche.

Più organi diversi collaborano alla stessa funzione, costituiscono un sistema o un apparato.

Un organismo è un individuo vivente completo, autonomo e riconoscibile.

Con lo studio delle cellule si è arrivati a determinare quella che si riconosce come la teoria cellulare:

• Tutti gli organismi viventi sono costituiti da una o più cellule.
• Ogni cellula è un’unità organizzativa e autonoma.
• Tutte le cellule derivano da altre cellule preesistenti.

Negli organismi pluricellulari ogni cellula si è adattata alle condizioni ambientali in cui si trova e si è specializzata, a svolgere determinate funzioni necessarie all’organismo intero, perdendo la capacità di sopravvivenza autonoma. La loro morfologia dipende dalla funzione che svolgono. La loro funzione viene definita nella fase di differenziamento.

Tutte le cellule non specializzate sono chiamate cellule staminali, dotate della capacità di trasformarsi in diversi altri tipi di cellule del corpo attraverso il processo di differenziamento cellulare. Presentano due principali proprietà: autorinnovamento e pluripotenza.

Membrana plasmatica

Gli organismi viventi sono costituiti da cellule eucariotiche, cioè dotate di un nucleo ben definito, delimitato dalla membrana cellulare.

Nello specifico la membrana plasmatica separa la cellula dall’ambiente esterno, regola il flusso dei materiali, cercando di mantenere l’ambiente interno inalterato, e trasmette e riceve segnali.

Questa è costituita da due strati fosfolipidici, fra i quali sono inserite diverse proteine. Altri componenti della membrana sono il colesterolo e piccole molecole di glicidi legate a proteine (glicoproteine) o alla testa di fosfolipidi (glicolipidi).

Questo modello è detto a mosaico fluido (mosaico perché sono presenti diversi tipi di proteine; fluido perché fosfolipidi e proteine si adattano alle esigenze della cellula, muovendosi).

I lipidi costituiscono la parte idrofobica della membrana e le conferiscono stabilità e fluidità. Le proteine di membrana possono essere:

• Integrali, se sono immerse nel doppio strato fosfolipidico.
• Periferiche, se si trovano solo su uno dei due lati della membrana.

Sulla membrana sono presenti anche carboidrati, associati a lipidi o a proteine, che permettono il riconoscimento e l’adesione tra cellule.

La membrana è caratterizzata da asimmetria, in quanto i due strati hanno composizione differente, con differenti fosfolipidi/glicolipidi tra interno ed esterno.

Nucleo

All’interno della cellula troviamo il nucleo, che generalmente rappresenta l’organulo più voluminoso della cellula eucariote.

È circondato da un involucro nucleare costituito da una doppia membrana fosfolipoproteica che si unisce in corrispondenza dei pori nucleari (circa 3500): aperture attraverso cui avvengono gli scambi con il citoplasma.

Gli ioni e le molecole più piccole possono transitare liberamente attraverso i pori nucleari.

Esistono delle cellule che non hanno nucleo:

• Eritrociti (o globuli rossi): perdono il nucleo durante la fase di differenziamento; in questo modo, oltre alla forma a disco biconcavo, possono contenere meglio l’emoglobina per trasportare i gas coinvolti nella respirazione.
• Piastrine: frammenti cellulari di megacariociti che derivano dalla cellula staminale ematoproteica nel midollo osseo; sono importanti per l’emostasi associata alla coagulazione.

Allo stesso modo esistono cellule con più nuclei come i sincizi, derivano dalla fusione di più cellule e presentano più nuclei (muscolari, scheletriche, osteoclasti, cellule giganti nel granuloma derivate dalla fusione dei macrofagi).

DNA – acido desossiribonucleico

All’interno del nucleo (nella maggior parte delle cellule eucariotiche) si trova il DNA, che controlla tutte le attività cellulari. Quando le cellule si dividono, il DNA si condensa per formare i cromosomi. In ogni cellula eucariote i cromosomi sono in duplice copia e portano le stesse informazioni (cromosomi omologhi).

È composto da quattro basi azotate: adenina, timina, guanina e citosina, disposte in una doppia elica e accoppiate senza ramificazioni.

Nel nucleo il DNA è associato alle proteine isotoniche che ne determinano il superavvolgimento fino a formare la cromatina e i cromosomi.

Per ogni cellula ci sono circa 2 metri di DNA. L’impacchettamento nei nucleosomi lo riduce di circa 10.000 volte, in uno spazio di pochi µm.

Divisione cellulare

Le cellule si riproducono e si dividono per dare origine a nuove cellule, attraverso un processo ben definito e controllato di eventi detto ciclo cellulare e caratterizzato da quattro fasi:

• Fase G1: crescita cellulare e preparazione per la sintesi del DNA.
• Fase S: duplicazione del DNA.
• Fase G2: ulteriore crescita e preparazione per la mitosi.
• Fase M: divisione del nucleo e del materiale genetico e del citoplasma (citodieresi).

La divisione del materiale genetico può avvenire per:

• Mitosi – meccanismo di riproduzione asessuata che prevede la formazione di due cellule figlie identiche tra loro e alla cellula madre, con lo stesso numero di cromosomi della cellula madre.
• Meiosi – meccanismo di riproduzione sessuata che prevede la formazione di cellule aploidi a partire da cellule con corredo cromosomico diploide (cellule germinali).

Per entrambe si possono definire 4 fasi: profase, metafase, telofase, anafase.

Nella mitosi

• Il DNA all’interno del nucleo si duplica e si organizza formando coppie di cromosomi uguali.
• Le coppie si dividono e ogni cromosoma di ciascuna coppia si porta alle due estremità opposte della cellula.
• Intorno a ciascuno dei due gruppi di cromosomi si forma una nuova membrana nucleare.
• Il citoplasma si divide in due parti uguali e si originano due nuove cellule, identiche tra loro e alla cellula di partenza.

Nella meiosi

• Avvengono due divisioni cellulari successive (meiosi I e meiosi II) con lo scopo di ottenere gameti (cellule sessuali) per la riproduzione sessuata.
• I cromosomi omologhi si appaiano e successivamente si separano per formare quattro cellule aploidi, geneticamente diverse dalla cellula madre e tra loro.
• Avviene il processo del crossing-over (scambio di materiale genetico tra cromosomi omologhi) per determinare un’elevata variabilità genetica.

Esiste una famiglia di proteine coinvolte nella progressione del ciclo cellulare e sono le cicline, che svolgono un ruolo fondamentale nel suo controllo. Una ciclina forma complessi con la kinasi ciclica-dipendente (CDK) attivando la sua funzione enzimatica.

Le cicline sono sintetizzate e degradate all’interno della cellula con una sequenza temporale precisa.

Il complesso funzionale ciclina-kinasi grazie alla fosforilazione permette la transizione alla fase successiva del ciclo cellulare.

Ogni volta che una cellula si divide deve avvenire anche la duplicazione (o replicazione) del DNA.

All’inizio i due filamenti si separano e ciascuno presenta lo stampo per creare un nuovo filamento complementare. Il processo di duplicazione del DNA è detto semiconservativo: ognuna delle due nuove molecole ha un filamento “vecchio” e un filamento “nuovo”.

Questo processo è finemente controllato da molti enzimi diversi, ciascuno con un compito specifico (elicasi, topoisomerasi, DNA polimerasi) e da proteine ed è caratterizzato da più fasi:

• Inizio (apertura della doppia elica).
• Allungamento (aggiunta progressiva di nucleotidi complementari).
• Correzione degli errori.

Citoplasma

La maggior parte del volume di una cellula è costituito dal citoplasma, a sua volta costituito da:

• Citosol – sostanza gelatinosa e base acquosa che contiene enzimi che catalizzano varie reazioni biochimiche e dove si svolge gran parte del metabolismo cellulare e si accumulano le principali sostanze di deposito (glicogeno per i carboidrati, trigliceridi per i lipidi).
• Organelli – strutture specializzate delimitate da membrane che svolgono specifiche funzioni per il metabolismo e il mantenimento della cellula.
• Citoscheletro – si estende dal nucleo fino alla superficie interna della membrana citoplasmatica e controlla la struttura e la mobilità della cellula. Le strutture del citoscheletro sono costituite da polimeri di proteine. Ha differenti ruoli:

• Funzione strutturale – sostegno e forma alla cellula.
• Adesione con cellule adiacenti.
• Mantenimento del nucleo e degli organelli cellulari nella loro sede.
• Divisione cellulare – fuso mitotico, citochinesi.
• Trasporto di vescicole – chinesine e dineine.
• Movimento delle cellule – movimento ameboide, flagelli.
• Movimento nelle fibre muscolari – actina e miosina.

Mitocondri

I mitocondri sono organuli in cui si svolge la fase aerobica del metabolismo energetico.

Hanno il ruolo di generare la maggior parte dell’ATP di cui la cellula ha bisogno per le sue funzioni: movimento, sintesi delle molecole, trasporto attivo verso le membrane, …

Oltre al ruolo energetico, partecipano anche ad altre funzioni: produzione di alcune molecole (lipidi, alcuni amminoacidi, cofattori), gestione del calcio intracellulare, produzione di specie reattive dell’ossigeno (ROS), che possono avere ruoli di segnalazione ma anche causare danni se non controllate.

Sono formati da una membrana mitocondriale esterna e da una interna che presenta delle invaginazioni dette creste; si definisce uno spazio intermembrana.

La membrana esterna è molto permeabile e ci troviamo una proteina canale detta porina; contiene enzimi per la sintesi dei lipidi e per il metabolismo degli acidi grassi.

La membrana interna composta dall’80% da proteine e dal restante 20% da lipidi. È altamente impermeabile a piccoli ioni per l’elevata concentrazione del fosfolipide cardiolipina. È permeabile solo a H2O, CO2, O2; il passaggio di metaboliti ed altre sostanze è regolato dalle proteine di trasporto. Contiene gli enzimi della catena respiratoria (ciclo di Krebs), del trasporto degli elettroni di ATP sintetasi.

Lo spazio di intermembrana contiene l’ATP generato nella membrana interna e ioni, presenta enzimi che utilizzano ATP per fosforilare altri nucleotidi; è chimicamente uguale al citoplasma.

La respirazione cellulare è il processo con cui la cellula prende molecole nutritive (glucosio), le ossida, usa l’ossigeno e produce energia sotto forma di ATP. Le fasi principali sono:

1. Glicolisi – avviene nel citoplasma, il glucosio (C H O ) viene scomposto in due molecole di 6 12 6 piruvato (C H O ) e viene prodotta 2ATP e NADH 3 4 3.
2. Conversione del piruvato in Acetil-CoA – il piruvato entra nei mitocondri e viene trasformato in Acetil-CoA, liberando CO 2.
3. Ciclo di Krebs (o ciclo dell’acido citrico) – avviene nella matrice mitocondriale, viene ossidato l’Acetil-CoA e si liberano ioni CO si producono NADH e FADH (cioè trasportatori di elettroni ad 2, 2 alta energia) e 2 ATP.
4. Catena di trasporto degli elettroni + fosforilazione ossidativa – avviene nella membrana interna, i NADH e FADH cedono elettroni alla catena dei complessi proteici; man mano che gli elettroni 2 passano di complesso in complesso, i protoni H⁺ vengono pompati dalla matrice allo spazio di intermembrana, creando un gradiente protonico. A questo punto i protoni ritornano nella matrice attraverso l’ATP sintasi, che sfrutta questa forza protonica per sintetizzare ATP da ADP+Pi (fosfato inorganico). L’ossigeno è il recettore finale degli elettroni: si combina con elettroni + protoni per formare acqua. Se non c’è ossigeno, la catena si ferma.

RNA e trascrizione

Nella trascrizione, i segmenti della sequenza del DNA sono usati come stampo per guidare la sintesi di molecole più corte di acido ribonucleico o RNA: è una molecola a singolo filamento costituita da una catena di nucleotidi.

Un’elicasi (enzima utilizzato nella replicazione) apre la doppia elica del DNA e l’RNA viene sintetizzato da un enzima RNA-polimerasi.

Ha la stessa composizione del DNA, ma al posto della timina c’è l’uracile.

Ci sono tre principali tipi di RNA:

• mRNA – RNA messaggero, che contiene l’informazione per la sintesi delle proteine;
• rRNA – RNA ribosomiale, che entra nella struttura dei ribosomi;
• tRNA – RNA di trasporto, necessario per la traduzione nei ribosomi.

Ribosomi

I ribosomi sono gli organelli cellulari più numerosi e sono costituiti da due subunità, una maggiore e una minore, che si dissociano alla fine di ogni ciclo di sintesi di una proteina.

La loro funzione è di leggere le informazioni contenute nella catena di m-RNA e tradurle in proteine.

Nelle cellule eucariotiche possono trovarsi:

• Liberi nel citoplasma.
• Fissati alla superficie del reticolo endoplasmatico.
• Nei mitocondri e cloroplasti.

I ribosomi sono composti da un tipo speciale di RNA, detto rRNA, al quale sono legate oltre 50 molecole proteiche diverse; essi vengono assemblati nel nucleo e passano nel citoplasma attraverso i pori nucleari.

Sintesi proteica

La sintesi proteica è il processo attraverso cui una cellula produce proteine a partire dall’informazione contenuta nel DNA. È fondamentale perché le proteine svolgono quasi tutte le funzioni vitali: strutturali, enzimatiche, regolatorie, di trasporto, …

Si divide in due grandi fasi: trascrizione e traduzione.

Nella trascrizione, che avviene nel nucleo, un enzima chiamato RNA polimerasi, copia la sequenza di un gene del DNA e costruisce un filamento complementare di mRNA. L’mRNA subisce poi modifiche (cappuccio 5’, coda di poli-A, splicing per eliminare gli introni); l’mRNA maturo esce dal nucleo e va nel citoplasma.

Nella traduzione, che avviene nei ribosomi, viene letta la sequenza di mRNA, ogni tripletta di basi azotate (codone) corrisponde a un amminoacido. Gli RNA di trasporto portano gli amminoacidi giusti al ribosoma grazie al loro anticodone complementare al codone dell’mRNA. Il ribosoma lega in sequenza gli amminoacidi, formando una catena peptidica.

La catena peptidica appena formata si ripiega in una struttura tridimensionale (grazie a legami idrogeno, ponti disolfuro, …)

Può subire ulteriori modifiche post-traduzionali (fosforilazioni, glicosilazioni) e il risultato è una proteina funzionale, pronta a svolgere il suo compito.

Reticolo endoplasmatico

Il reticolo endoplasmatico (RE) può essere liscio o rugoso.

Il RER è rivestito da ribosomi e si trova in continuazione con la membrana nucleare. È prevalentemente organizzato con una struttura di ripiegamento che forma delle cisterne.

Il REL non è rivestito da ribosomi, è in stretta comunicazione con i RER ed è organizzato in tubuli ramificati.

Il RER sintetizza membrane e proteine, tiene separate dal citoplasma le proteine appena sintetizzate e le modifica dal punto di vista chimico (glicoproteine), sintetizza le proteine di secrezione destinate a svolgere la loro funzione fuori dal citosol; man mano che vengono sintetizzate, queste proteine entrano nel lume del RER dove vanno incontro a una serie di modifiche, come il ripiegamento nella struttura terziaria.

Il REL è la sede della sintesi dei lipidi, è responsabile della trasformazione chimica di sostanze tossiche, farmaci e pesticidi; è la sede in cui avviene l’idrolisi del glicogeno per produrre glucosio e ha il compito di immagazzinare ioni calcio.

Apparato di Golgi

L’apparato di Golgi appare come un insieme di sacchetti impilati non comunicanti gli uni sugli altri e di piccole vescicole circondate da una membrana.

L’apparato di Golgi svolge varie funzioni:

• Riceve le proteine dal RER e le elabora ulteriormente.
• Concentra, confeziona e smista le proteine destinate a funzioni dentro o fuori la cellula.

Negli eucarioti, la membrana plasmatica viene continuamente rinnovata:

• I fosfolipidi sono sintetizzati sulla superficie del reticolo endoplasmatico liscio e poi si distribuiscono rapidamente alle membrane di tutta la cellula.
• Le proteine di membrana, invece, sono prodotte da reticolo endoplasmatico ruvido e da qui convogliate all’apparato di Golgi, il quale produce vescicole che vanno a fondersi con la membrana plasmatica.

Esiste una stretta relazione tra tutte le membrane presenti che si formano, passano da un o