Biofisica + Basi di Fisiologia

Biofisica: Il fisiologo di fronte ai sistemi viventi e alla cellula

Generalità

Ogni sistema biologico ha tre caratteristiche fondamentali:

• Appare come un sistema stabile sotto il profilo strutturale e funzionale.
• Ha bisogno di un’interazione costante con l’ambiente esterno per scambiare materia e approvvigionarsi dell’energia necessaria per rinnovare continuamente questo apparente equilibrio.
• Ha un ciclo vitale formato da sviluppo, fase matura, possibile replicazione e/o proliferazione, senescenza e morte.

L’apparente stabilità del sistema biologico consiste nel mantenimento di un ambiente interno che presenta caratteristiche di composizione e attività (omeostasi) grazie a un continuo rinnovamento biochimico relativamente costante dei suoi componenti attraverso processi di sintesi, metabolismo e scambio con l’esterno.

Omeostasi

L'omeostasi del sistema biologico permette di mantenere relativamente costanti la composizione dei fluidi interni e la velocità dei vari processi sintetici, metabolici e di trasporto. Si basa in parte sulla protezione dell’ambiente interno da quello esterno tramite la membrana plasmatica nella cellula e il tessuto epiteliale negli organismi. Tuttavia, non si tratta di un equilibrio statico, ma di una situazione stazionaria mantenuta dinamicamente.

Anche più rilevante della protezione è l’attività di turnover – sintesi e metabolismo o assorbimento ed eliminazione – che permette di mantenere relativamente costante la concentrazione di ogni componente.

In generale, i processi metabolici, di trasporto ed eliminazione funzionano secondo la legge d’azione di massa: ogni molecola di soluto ha una certa probabilità di essere eliminata in un minuto; di conseguenza la quantità eliminata in ogni minuto è proporzionale alla concentrazione.

Tutti questi processi sono guidati da proteine che possono:

• Traslocare elettroliti e altri substrati attraverso le membrane cellulari;
• Abbassare l’energia di attivazione per le reazioni biochimiche, svolgendo attività enzimatica;
• Esercitare un lavoro meccanico, trasportando soluti e organuli cellulari nelle diverse parti della cellula o facendo scorrere filamenti proteici gli uni sugli altri per produrre forza contrattili e svolgere un lavoro sull’esterno.

Questi processi biochimici e di trasporto nella maggior parte dei casi avvengono in direzione contraria a quella spontanea prevista dal 2^o principio della termodinamica, il quale prevede che ogni cambiamento debba nel suo complesso risultare in un aumento dell’entropia totale dei sistemi coinvolti e in una corrispondente diminuzione dell’energia complessiva.

I processi cellulari possono avvenire in direzione contraria a quella spontanea grazie al fatto che le proteine che guidano una certa reazione o trasporto “in salita” tipicamente la combinano con la catalisi di una seconda reazione che libera più energia di quella richiesta dalla prima.

Per molte proteine questa seconda reazione consiste nell’idrolisi dell’adenosin trifosfato (ATP) a difosfato (ADP), con liberazione dell’energia contenuta nel legame del terzo fosfato dell’ATP: ATP → ADP + Pi + energia.

Dunque, un continuo lavoro biochimico, quindi un’omeostasi, richiede costante apporto di energia.

L’energia necessaria viene dall’esterno. Mentre gli organismi fotosintetici sono in grado di accumulare l’energia luminosa che proviene dal sole combinando anidride carbonica e acqua in composti organici ad alto contenuto calorico – come il glucosio –, tutti gli altri sistemi biologici devono approvvigionarsi di questo secondo tipo di molecole per poter disporre dell’energia necessaria.

Si tratta di molecole ricche di legami tra carbonio e idrogeno; entrambi gli elementi tendono a cedere i loro elettroni e di conseguenza il legame covalente tra i due è un legame a energia chimica relativamente elevata; l’ossidazione di queste molecole a formare acqua e anidride carbonica libera energia; quest’ultima può essere accumulata in composti fosforilati ad alta energia, quali appunto ATP.

Il mantenimento dell’omeostasi porta a considerare il sistema biologico come un pseudo equilibrio dinamico. Ognuno dei processi coinvolti nel continuo rinnovamento dello pseudo equilibrio può essere regolato in modo da:

• Compensare eventuali alterazioni delle condizioni esterne;
• Guidare cambiamenti dell’organizzazione per attuare programmi di crescita, sviluppo, specializzazione, senescenza, morte.

Sistemi di regolazione

Il mantenimento dell’omeostasi e la capacità di adattarsi al mutare delle condizioni sono basati sulla regolazione di ogni processo tramite il monitoraggio del suo stesso risultato. Principalmente ci sono tre modalità di regolazione:

Retroazione negativa, o negative feedback

Se un processo di sintesi è inibito dalla presenza del prodotto, come risultato la concentrazione del prodotto risulterà stabile: in caso si riduca l’efficienza di eliminazione, tenderà ad accumularsi e inibirà la sua sintesi fino a stabilizzarsi nuovamente sul livello corretto, mentre il contrario avverrà in caso di aumentata degradazione.

Ogni meccanismo regolato in feedback negativo presenta un livello ottimale di funzionamento, al quale il risultato del processo si mantiene stabile. Una modificazione regolativa di qualunque passaggio nel processo o nella retroazione determinerà una variazione del set point e una tendenza del processo a stabilizzarsi su un livello diverso di funzionamento.

Retroazione positiva, o positive feedback

È possibile che un meccanismo sia regolato positivamente dal suo prodotto. Come conseguenza, il processo tende a essere sempre attivo al massimo grado. Perché una situazione del genere abbia un ruolo funzionale:

• Deve esistere un livello massimale di attivazione che non può essere superato, ovvero il processo deve essere saturabile;
• Deve funzionare un meccanismo di autospegnimento;
• Deve esserci un livello di soglia sotto il quale il meccanismo non si innesca.

Il risultato della retroazione positiva è che non vi sono conseguenze funzionali finché ci si trova al di sotto del livello soglia, mentre il processo viene attivato in modo massimale e transiente se la soglia viene superata (tutto o niente)

Regolazioni in avanti, o feedforward

I meccanismi di regolazione possono guidare cambiamento e avviare programmi di riorganizzazione dei sistemi biologici. La regolazione dei processi fisici e biochimici cellulari permette il mantenimento dell’omeostasi principalmente con il meccanismo di retroazione negativa.

Regolazione tramite modificazioni delle proteine

Poiché i processi sono guidati da proteine, qualunque alterazione del ciclo conformazionale delle proteine interessate determinerà una modificazione dell’efficienza del processo:

• Protoni (pH), elettroliti o piccole molecole in grado di legarsi a specifici gruppi funzionali di una proteina attraverso legami deboli (ionici, idrogeno, idrofobici) ne influenzeranno in modo reversibile i profili di potenziale nelle varie conformazioni e quindi l’efficienza;
• Modificazioni post-traduzionali reversibili, attraverso il legame covalente di gruppi funzionali, ne modificheranno semistabilmente la funzione;
• La regolazione delle funzioni delle proteine può determinare alterazioni nella localizzazione subcellulare di altre proteine, ma anche interferenza con la stabilità degli acidi ribonucleici (RNA) e della loro traduzione, o con processi di trascrizione, o con la struttura della cromatina (modificazioni epigenetiche = modificazioni ereditabili che portano ad alterazioni nell’espressione dei geni, ma non modificano la sequenza dei nucleotidi del DNA).

La regolazione attraverso la modifica del trascrittoma e del proteoma permette al sistema vivente di modificare ogni aspetto del proprio funzionamento per far fronte a cambiamenti dell’ambiente esterno, e allo stesso tempo per avviare complessi programmi di crescita, sviluppo, trasformazione, grazie alla modificazione transitoria o permanente di funzioni cellulari, della specializzazione funzionale delle diverse cellule e della struttura stessa di cellule, tessuti e organi.

Regolazione a livello di cellula e organismo

Considerando le cellule nell’ambito di un organismo, esse possono costituire:

• Barriere cellulari, che mostrano permeabilità selettiva e regolata all’acqua e ai soluti;
• Organizzazione e strutture extracellulari dinamiche, quali la matrice extracellulare, in grado di fornire sostegno strutturale all’organismo;
• Strutture parenchimali, in grado di svolgere funzioni di sintesi, accumulo, liberazione, metabolismo, filtrazione, assorbimento ed eliminazione di composti esogeni ed endogeni;
• Sistemi di distribuzione dei gas, dei nutrienti e dei metaboliti;
• Sistemi che possono svolgere lavoro meccanico;
• Sistemi in grado di avviare appropriate reazioni di difesa, protezione e riparazione cellulare;
• Sistemi specializzati nella percezione di stimoli fisici o chimici e una circuiteria neuronale in grado di elaborare in modo complesso e integrato l’informazione derivante dagli input sensoriale e dall’attività endogena.

Le regolazioni a livello di organismo si ottengono attraverso due meccanismi fondamentali:

Regolazione ormonale

Avviene grazie alla liberazione di molecole – mediatori e ormoni – in grado di legarsi a specifiche proteine – recettori di membrana o intracellulari – e quindi di modulare specifici processi in tutte le cellule che esprimono i recettori appropriati e vengono raggiunte dal mediatore. Queste regolazioni sono definite:

• Endocrine, quando l’ormone raggiunge tutti i distretti dell’organismo attraverso il sistema cardiovascolare;
• Paracrine, quando il mediatore riesce a raggiungere solo cellule a una certa distanza dalla sede di liberazione;
• Autocrine, quando il mediatore colpisce autorecettori presenti sulla cellula stessa che lo ha liberato.

Regolazione nervosa

Avviene grazie alla liberazione di molecole – neuromediatori o neurotrasmettitori – in modo precisamente localizzato, tale da determinare risposte solo nella cellula bersaglio e nel momento della liberazione. Tutte le funzioni cellulari sono regolate sia da segnali interni, sia da segnali esterni. In particolare, molte di queste funzioni vengono svolte da specifiche organizzazioni strutturali e funzionali della cellula, gli organuli.

Nucleo – duplicazione e trascrizione del DNA

Il DNA offre la possibilità di duplicazione per riprodurre la cellula e, d’altro lato, dà luogo all’organismo stesso caratteristiche strutturali e proprietà funzionali specifiche in ogni cellula. Il ruolo predominante del nucleo è quello di determinare il fenotipo della cellula come dell’organismo nel suo complesso.

Lo stato funzionale della cellula è definito dal programma di attivazione nucleare in atto, ma al tempo stesso offre ampie possibilità di modulazione e di indirizzamento verso:

• Variazioni di breve e lungo termine del grado di attivazione dei processi bioelettrici e dei percorsi biosintetici e metabolici;
• Avvio di complessi programmi di replicazione cellulare o di morte programmata;
• Regolazione delle funzioni cellulari o avvio di programmi di differenziamento.

Il nucleo è separato dal citoplasma da un rivestimento nucleare che permette una regolazione raffinata e dinamica nel tempo della localizzazione di RNA e proteine, che una volta nel nucleo, possono influenzare la trascrizione.

Ribosomi – traduzione e sintesi delle proteine

I ribosomi guidano il processo di traduzione dalle sequenze geniche presenti negli RNA messaggeri (mRNA) alla sequenza aminoacidica della proteina. Il processo si basa sulla capacità del ribosoma di legare l’mRNA, favorire l’associazione dell’RNA transfer (tRNA) appropriato a ogni codone sull’mRNA e di legare ogni successivo aminoacido a formare la proteina.

In generale, la sintesi di proteine solubili citosoliche è guidata da ribosomi liberi, mentre le proteine intrinseche di membrana, o che devono essere secrete o inviate a compartimenti cellulari specifici, sono sintetizzate sotto il controllo di ribosomi associati alla membrane del Reticolo Endoplasmatico.

RE e complesso di Golgi – sintesi e traffico di proteine

Il Reticolo Endoplasmatico (RE) si divide in RE Liscio e RE Rugoso. Il RE svolge tre funzioni principali:

• Sintesi e modellazione sterica delle proteine: dei sistemi di controllo avviano una reazione correttiva quando nel RE compaiono proteine mal conformate;
• Deposito di ioni calcio: sistemi specifici di trasporto permettono di accumulare attivamente gli ioni calcio nel RE e liberarli a richiesta. La quantità di ioni calcio accumulata è molto elevata;
• Separazione e maturazione delle proteine: separa le proteine in regioni omogenee, in modo da poter gemmare vescicole che abbiano una precisa dotazione di proteine di membrane e un altrettanto preciso contenuto di proteine solubili, che corrispondano alla necessità per il rinnovo della membrana e del contenuto di specifici organuli cellulari, o per la formazione di vescicole secretive.

Quest’ultima funzione procede lungo le strutture del RE e poi nel complesso di Golgi, dove si svolgono processi di ulteriore modificazione delle proteine e si definisce la separazione di vescicole a diverso destino e il loro indirizzamento finale alla membrana appropriata. Tutti questi movimenti di membrane sono strettamente regolati da interazioni specifiche tra proteine solubili e proteine di membrana della vescicola o della membrana bersaglio. Questo complesso dinamico in grado di guidare la fusione della vescicola sul suo bersaglio è detto macchina di fusione.

Membrane cellulari

La cellula è separata dall’ambiente esterno da una membrana impermeabile all’acqua e ai soluti idrofili; il nucleo e gli organuli citoplasmatici sono a loro volta rivestiti da membrane. La composizione di ognuna di queste membrane è differente, ma tutte hanno un doppio strato di fosfolipidi nel quale ci sono altri componenti lipidici e proteine.

La membrana plasmatica e le membrane di ogni organulo cellulare sono continuamente rinnovate da un processo di gemmazione e di fusione di vescicole che si muovono tra i vari compartimenti del RE e tra la porzione terminale del complesso di Golgi e le altre membrane cellulari.

Ci sono varie modalità di fusione della vescicola con la membrana plasmatica – esocitosi:

• Secrezione costitutiva: permette l’emissione di prodotti cellulari solubili e il continuo rinnovamento della membrana plasmatica e dei suoi componenti;
• Secrezione regolata: formazione dinamica di complessi di proteine solubili e di membrana. Sono controllati dalle concentrazioni di calcio nel citosol oppure nelle terminazioni nervose.
• Diversi altri processi, regolati da vari sistemi biochimici intracellulari, guidano la fusione di vescicole con la membrana per incrementare la superficie della stessa o per aumentare l’espressione in membrana di proteine con specifica attività funzionale.

Tranne nel caso in cui i processi esocitotici siano volti ad aumentare la superficie della membrana plasmatica, l’esocitosi normalmente deve essere compensata dall’attività di endocitosi. Anche in questo caso il complesso può svolgere varie funzioni:

• Permette alla cellula di inglobare macromolecole che non potrebbero attraversare la membrana plasmatica;
• Ricicla specifiche porzioni di membrana e/o proteine della stessa, come recettori accoppiati al loro ligando;
• Inglobare il ligando stesso, come nel caso del recettore per la transferrina.

Le proteine intrinseche della membrana plasmatica possono svolgere funzioni di:

• Recettore, consentendo il legame di ormoni o trasmettitori;
• Canale, permettendo il passaggio di specifici ioni;
• Trasportatore, permettendo il trasferimento di un substrato attraverso la membrana;
• Interazione, con la matrice extracellulare o con partner proteici espressi sulla superficie di altre cellule.

Lisosomi – idrolisi di molecole organiche

I lisosomi sono organuli necessari perché la cellula possa degradare composti esogeni o endogeni, quali sostanze inglobate attraverso la formazione di una vescicola dalla membrana plasmatica oppure porzioni di citoplasma e organuli cellulari danneggiati, anch’essi inglobati in vescicole; questi vengono degradati completamente, recuperando i componenti molecolari utili a fini biosintetici o come substrati energetici.

Mitocondri – metabolismo energetico della cellula

I mitocondri hanno la funzione di produrre ATP a partire da ADP e fosfato inorganico, utilizzando l’energia liberata dall’ossidazione di substrati organici. Ossidare = sottrarre un elettrone. La rottura di un legame tra carbonio e idrogeno tramite il trasferimento di un elettrone a composti più e...