Introduzione alla fisiologia e appunti sulla cellula

Fisiologia

Scienza integrata che studia i modelli di organizzazione e complessità degli organismi viventi (cellule e popolazioni): studia le proprietà emergenti di un sistema, in questo caso dell’organismo.

Proprietà emergenti

Proprietà di un sistema inspiegabili sulla base delle leggi che governano le sue componenti prese singolarmente, scaturendo da interazioni non-lineari tra le componenti stesse (es. sentimento, pensiero… non possono essere compresi studiando semplicemente il sistema nervoso).

Principi chiave della fisiologia

Uno dei principi chiave della fisiologia è l’omeostasi. L’omeostasi (omoios, simile + stasis, condizione) è un sistema di autoregolazione intrinseca degli esseri viventi: è l’insieme dei processi fisiologici che correggono rapidamente le perturbazioni, mantenendo la stabilità dell’ambiente interno nonostante forze interne/esterne che tendono ad alterarla. Infatti, quando vi sono delle variazioni interne/esterne, l’organismo esce dal suo stato di omeostasi e cercherà di compensare/correggere queste variazioni al fine di ripristinare l’equilibrio: se questo processo di compensazione ha successo, viene ripristinata l’originale fisiologia del corpo/l’omeostasi è ristabilita; se non riesce, entra in una condizione fisiopatologica, di malattia. Molte patologie sono infatti frutto di questo mancato ripristino delle condizioni originarie.

Un’altra capacità fondamentale degli organismi viventi è l’allostasi, un termine che indica “stabilità dinamica” (proprietà di un sistema in costante evoluzione che riesce comunque a mantenere l’equilibrio interno). Infatti, se l’omeostasi è un sistema di autoregolazione che assicura il normale funzionamento dell’organismo, mantenendo costanti determinati parametri, l’allostasi è la capacità di alterare questi parametri per far fronte a eventi esterni in maniera funzionale.

Esempio: Estate, sono in una stanza col condizionatore: sto bene. Il condizionatore si rompe: intervengono dei meccanismi allostatici che abbassano il metabolismo, per far sì che la temperatura del corpo non aumenti ulteriormente.

Stato stazionario vs. equilibrio

L’organismo in omeostasi si trova in uno stato stazionario, termine che indica un ininterrotto operare di reazioni chimiche e fisiche che, attraverso lo scambio di energia, permette la persistenza di una situazione stabile. Stato stazionario non è tuttavia sinonimo di equilibrio: lo stato di equilibrio indica infatti la massima entropia in accordo con il 2° principio della dinamica, ossia una situazione stabile verso la quale il sistema si muove passivamente in assenza di forze esterne.

L’organismo è dunque un sistema in uno stato stazionario non in equilibrio, esso deve perdurare/conservarsi e a tal fine ha due strade davanti:

• Minimizzare le interazioni con l’esterno
• Mettere in atto il massimo numero di interazioni con l’esterno

La scelta dipende dal tipo e dalla complessità dell’organismo in questione: più l’organismo è semplice, più sarà favorita la prima strada; più l’organismo è complesso, maggiore è il numero di interazioni con l’esterno che deve mettere in atto.

La cellula

È la più piccola struttura definibile come organismo vivente, nonché l’unità funzionale di base negli organismi viventi e una singola cellula può attuare tutti i processi vitali. A seconda dell’organizzazione del DNA all’interno della cellula stessa, le cellule vengono classificate in due famiglie: procariotiche ed eucariotiche.

Nelle cellule procariotiche (che sono cellule più ancestrali, ad esempio batteri) il DNA è sparso nell’ambiente intracellulare. Inoltre, la riproduzione avviene per scissione o gemmazione; sono più piccole, 1-10nm.

Nelle cellule eucariotiche il DNA si trova relegato in un nucleo, separato dall’esterno da una membrana. La riproduzione avviene per mitosi/meiosi; sono in grado di formare organismi multicellulari; sono più grandi, 10-100nm.

Entità delimitata da una struttura detta membrana plasmatica o membrana cellulare, che funge da barriera che separa la cellula dall’ambiente circostante. Delimita lo spazio intracellulare, dove si trova una sostanza salina detta citosol o citoplasma, una sostanza avente una composizione chimica ben determinata e che contiene una serie di organelli intracellulari. Uno di questi organelli è il nucleo (che la contraddistingue dalle cellule procariotiche) il quale contiene materiale genetico.

Il nucleo è delimitato da una doppia membrana detta nucleare, che è molto simile alla membrana plasmatica. All’interno del nucleo vi è un nucleolo anch’esso delimitato da una membrana, che contiene tratti di RNA che codificano per RNA ribosomiale: viene utilizzato dai ribosomi (strutture nel citosol/associate al reticolo endoplasmatico rugoso, responsabili della sintesi delle proteine) per produrre le proteine necessarie in uno specifico momento metabolico della vita della cellula.

I ribosomi possono essere liberi nel citosol oppure associati al reticolo endoplasmatico rugoso. Il reticolo endoplasmatico è costituito da una rete di tubi membranosi interconnessi, in continuità con la membrana esterna, che si trovano intorno al nucleo e che lo avvolgono. Il reticolo endoplasmatico può essere di due tipi: liscio (non ha ribosomi) e rugoso, così chiamato perché vi sono associati i ribosomi e ha dunque un aspetto granuloso. Il RER è adibito alla sintesi proteica. Il REL si occupa di neutralizzare sostanze tossiche ma è anche coinvolto nel metabolismo dei carboidrati e la sintesi lipidi.

Proteine, carboidrati, lipidi hanno funzione strutturale e funzionale fondamentale per la cellula. Troviamo poi i microtubuli, un elemento citosolico caratteristico: si tratta di strutture proteiche che fungono da elemento di sostegno per la cellula, ed è anche un elemento a cui molti organelli vengono ancorati; “scheletro della cellula”. Turnover proteico dei microtubuli avviene a livello del centrosoma.

Mitocondri, organelli di forma sferica o ellittica, sono la sede di maggior produzione di ATP nella cellula (qui viene generata energia necessaria alla cellula per svolgere tutte le proprie funzioni).

Vacuoli, cisternette rotondeggianti adibite all’accantonamento/riserva di acqua ed elementi (sali) in essa dissolti, prevalentemente presenti in cellule vegetali ma anche in alcune cellule animali.

Lisosomi, digestione delle sostanze in entrata: riducono a elementi più semplici le sostanze in entrata nella cellula in modo che possano essere utilizzate. All’interno dei lisosomi vi è un ambiente estremamente acido (pH molto acido) che degrada queste sostanze, le “digerisce”, le rende più semplici e i materiali ricavati vengono poi utilizzati per il metabolismo cellulare.

Apparato del Golgi, deriva dal nome di uno scienziato italiano che mediante tecniche di colorazione individuò una serie di elementi intracellulari e cellule, come le cellule gliali. Mediante queste tecniche di colorazione dei tessuti e osservazione al microscopio, egli scoprì questo sistema di cisterne spesso associato al RER e REL; importante perché qui avviene la maturazione delle proteine che vengono immagazzinate e poi rilasciate e usate dalla cellula quando al bisogno.

Compiti della cellula in ambito fisiologico

In ambito fisiologico (condizione fisiologica, contrapposta a condizione fisiopatologica), i compiti della cellula possono essere schematizzati come una sovrapposizione di tre attività fondamentali:

• Produrre energia (necessaria per svolgere qualsiasi altra funzione): funzione che guida tutte le altre
• Svolgimento di programmi complessi: differenziamento, riproduzione… P.C. generali; esistono anche P.C. specifici, come la produzione di sostanze (tipo ormoni) che vengono rilasciate (tipica delle ghiandole)
• Sintesi, regolazione, trasporto di enzimi e proteine, che permettono alla cellula di mantenere la propria organizzazione biochimica e strutturale

Interazioni con l'ambiente esterno

Le interazioni con l’ambiente esterno avvengono mediante la membrana plasmatica. Frontiera chemiofisica e molecolare dell’interazione fisiologica. Si tratta di una struttura molto sottile che è stata visualizzata solo in tempi recenti mediante la telescopia elettronica (spessa circa 8nm), ma la sua struttura si conosceva già da molto, era stata ricavata dalla sua funzione: essa lascia passare alcune sostanze e ne blocca altre, reagisce in maniera particolare a certe sostanze. È composta da una struttura tri-stratificata: due strati scuri esterni e uno chiaro interno (struttura a sandwich).

Scuro/chiaro dovuto a particolari colorazioni: Tetrossido di osmio, sostanza che lega molecole idrofile, legandole impedisce alla luce di passare. Esterni: struttura idrofila (teste polari). Interno: parte lipidica (code amminoacidiche apolari), non legata dal tetrossido di osmio.

Mantiene differenze quali-quantitative tra esterno e interno. Svolge anche una funzione di interfaccia con l’esterno: se la cellula vuole comunicare deve farlo attraverso la membrana plasmatica. Da, inoltre, supporto meccanico a tutta una serie di elementi utilizzati dalla cellula per la sua funzione: supporto per enzimi, proteine, carboidrati… Le funzioni e le differenze di permeabilità (selettivamente può essere attraversata o meno da certe sostanze) dipendono dalla sua struttura ed organizzazione e dalla sua composizione chimica.

La membrana cellulare è organizzata in un doppio strato lipidico. Un elemento strutturale molto importante è la presenza dei microtubuli, che formano il citoscheletro della cellula, su cui si adagia la membrana, e fa da impalcatura su cui vengono attaccati gli organelli intracellulari.

Composizione chimica: formata da lipidi, proteine, carboidrati. Tanti lipidi, tante proteine, pochi carboidrati.