Bioingegneria chimica

ENZIMI

Li enzimi sono proteine con una determinata forza che catalizzano le reazioni metaboliche diminuendo l'energia libera necessaria, la funzionalità di un enzima è determinata dalla forma della proteina. Presentano un sito attivo che è la zona all'interno della quale si lega il substrato specifico quindi l'enzima riconosce, imprigiona e orienta il substrato in una particolare direzione.

COLLAGENE

Il collagene è una proteina fibrosa sintetizzata dai fibroblasti che si può presentare con diverse composizioni, forma fibre extracellulari o trame di membrane basali in tutti i tipi di tessuti svolgendo quindi funzioni strutturali e meccaniche. La sua unità base è il tropocollagene dove ognuna delle tre molecole proteiche è costituita dalla successione di tre amminoacidi -[Gly-X-Y]- (in cui X e Y sono solitamente Prolina e Idrossiprolina). Una molecola di tropocollagene è costituita da circa 333 di queste triplette. Tra

Queste molecole si formano poi legami a idrogeno traglicina e Idrossiprolina e ponti di reticolazione dove si trova la lisina. In seguito, la presenza di cariche – e + stabilizza la tripla elica. Senza i ponti di reticolazione le fibrille sarebbero molto deboli, densità dei legami che aumenta con l’età. In generale le fibre di collagene si trovano associate ad altre sostanze come proteoglicani e GAG per dare origine al collagene maturo. Se non vi è l’associazione con queste sostanze porta alla formazione di un tessuto cicatriziale. Proteoglicani è una macromolecola GAG sono lunghe catene "non ramificate" composte da un asse proteico (core) a cui sono formate da unità disaccaridiche che continuano unite covalentemente lunghe catene di a ripetersi in ordine determinato alternando un disaccaridi o glicosamminoglicani amminosaccaride.

ELASTINA: l’elastina è una proteina strutturale con elevate proprietà

elastomeriche che può essere definita come bioelastomero ed è il materiale più elastico di origine naturale. Si trova in quantità relativamente alta nei legamenti, nelle pareti dei vasi ematici, nella pelle. La sua composizione chimica è sostanzialmente diversa dal collagene perché non possiede una sequenza regolare di amminoacidi che è necessaria per la conformazione cristallina. I gruppi R del carbonio degli amminoacidi che la costituiscono sono in gran parte molto piccoli e questo aumenta la flessibilità della catena proteica. Comportamento meccanico elastina Comportamento meccanico collagene CELLULA La cellula è la più piccola porzione organizzata di materia vivente capace di condurre vita indipendente in ambiente adatto non vivente. Possono essere classificate nel seguente modo: Permanenti: sono quelle che in vivo non si duplicano come ad esempio le cellule cardiache e quelle nervose Stabili: sono quelle che conservano la

capacità di proliferare in presenza di stimoli tra queste ritroviamo i fibroblasti (generano collagene), gli osteoblasti (produconoosso), i condroblasti (producono collagene II), i macrofagi (cellule tipichedell’infiammazione, la loro presenza fornisce informazioni sullo stato diinfiammazione) e i monociti (cellule bianche del sangue).

Labili: sono le cellule in grado di proliferare per tutta la vita come le cellule epiteliali o quelle endoteliali.

Membrane cellulariVi sono due tipologie di membrane, abbiamo quellacitoplasmatica (struttura altamente specializzatache controlla il trasporto di ioni e metaboliti e ilflusso di informazioni di varia natura che arriva allacellula) e quella intracellulare (parte fondamentaledegli organelli cellulari e sede di importantifenomeni come la conversione dell’energia e ilflusso di ioni e metaboliti).

Si tratta di un doppio strato fosfolipidico contenenteproteine che svolge le funzioni dicompartimentazione, riconoscimento,

trasporto (attivo e passivo), regolazione della divisione cellulare, comunicazione tramite recettori e sostegno.

Lipidi: funzione strutturale, dinamica e recettiva

Proteine: funzione strutturale, enzimatica e di trasporto

Glucidi: legati al lato esterno del plasmalemma

Per quanto riguarda la funzione di trasporto, esistono due tipologie: quello attivo (riguarda metaboliti e ioni, consiste nel trasporto di questi dentro e fuori la cellula attraverso le membrane intracellulari, ad esempio la pompa Na-K) e quello passivo (avviene per permeabilità, ovvero tramite il gradiente elettrico dovuto alla diversa distribuzione ionica tra int ed ext).

Altra funzione è quella di riconoscimento e comunicazione che avviene tramite le glicoproteine e i glicolipidi esposti sulla superficie esterna, i ruoli svolti quindi sono quello di ricezione di segnali e quello di riconoscimento cellula-cellula. La funzione di recettore è invece utile per il controllo metabolico, per la locomozione, per l'adesione ma anche

per processi di differenziamento e proliferazione.

CitoplasmaSi tratta di un liquido gel che contiene organuli, inclusioni, citoscheletro e reticoloendoplasmatico. Va a svolgere le funzioni di riserva, coordinazione del transitometabolico e di sintesi. Inoltre, contiene enzimi per la produzione di energia inassenza di ossigeno e per la sintesi di proteine.

CitoscheletroSi tratta di una struttura proteica dinamica, tridimensionale, costituita damicrofilamenti, microtubuli e filamenti intermedi. Svolge la funzione di regolar eimovimenti cellulari e di dare stabilità alla cellula.

In particolare, l’adesione cellulare e la locomozione vengono controllate dalla retedi microfilamenti del citoscheletro tramite la connessione con le integrine cioèrecettori posti nella membrana plasmatica.

Le integrine possono legare specifiche sequenze peptidiche presenti inproteine adesive, tramite queste il citoscheletro viene collegato consubstrati solidi, componenti della matrice

extracellulare o altre cellule. Reticolo endoplasmatico: può essere liscio o rugoso (contiene i ribosomi), consiste in un sistema di membrane che vanno a formare dei canali compartimentali. Svolge la funzione di sistema cellulare di biosintesi, raccolta e trasferimento di proteine (rugoso) o altre biomolecole (liscio). Ribosomi: si tratta di due subunità formate da RNA e proteine ribosomiali. Svolgono la funzione di sintesi proteica garantendo le interazioni tra RNA e amminoacidi. Mitocondri: hanno una forma ovale e allungata, svolgono le trasformazioni energetiche indispensabili per le funzioni cellulari come la catena respiratoria, il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa. Apparato del Golgi: sistema tubulare di cisterne delimitate da membrane, sono micro e macrovescicole. Svolgono le funzioni di trasporto e accumulo di materiale di secrezione, di aggiunta di carboidrati alle proteine, di formazione di lisosomi e di rinnovamento della membrana plasmatica. Lisosomi: sonovescicole delimitate da una membrana che svolgono la funzione di contenimento degli enzimi idrolitici per la digestione di materiale intra ed extra-cellulare e di secreto in eccesso. Nucleo: Si tratta della regione centrale delimitata da una membrana. Svolge la funzione di deposito del materiale genetico, regola la trascrizione del DNA in RNA e la divisione cellulare. Matrice extracellulare: Detto anche ECM, si tratta della membrana basale dell'epitelio e dell'endotelio e della matrice interstiziale del tessuto connettivo. Le funzioni principali che svolge sono quella di supporto meccanico, di orientamento cellulare, di crescita cellulare, di differenziazione cellulare, di rinnovamento e di stabilizzazione. L'adesione ad un substrato solido può avvenire con: - adesione focale: sono adesioni molto forti che avvengono tramite recettori specifici per le proteine adesive. Il legame è di tipo ligando-recettore che induce un cambiamento conformazionale dei siti.

recettoriali di membrana (proteine transmembrana) ed innesca una precisa risposta biochimica

close contact: sono siti meno forti di adesione che solitamente si generano intorno all'adesione focale

contatto con la ECM: sono legami o ponti formati con la ECM che connettono la parte ventrale della cellula con il sottostante substrato.

Lo spreading cellulare è un processo che unisce l'attività adesiva e la rete contrattile intracellulare, si tratta quindi del fenomeno dove la cellula si appiattisce sul substrato aderendovi attivamente. In particolare, le cellule che arrivano in contatto col substrato iniziano a creare legami con esso mediante l'emissione di uno pseudopodo, appiattendosi per aumentare la superfice disponibile per l'interazione. Il legame si origina mediante le integrine che si legano al citoscheletro e al materiale mediante legami non covalenti che hanno una forza di adesione F determinata dalle proteine pre-adsorbite, dalle proteine

prodotto e dalle proprietà del substrato. Inoltre, il flusso di liquido genera sulla cellula una forza di taglio T che la stimola. Il meccanismo di interazione cellula-matrice extracellulare è quindi il seguente: Ogni tessuto connettivo è formato da una componente cellulare (specifica per ciascun tipo di tessuto) e da una componente fibrosa (costituita da collagene e fibre elastiche che ha il compito di prevenire il danneggiamento meccanico e di mantenere la forma dei tessuti). Cellule fisse: sono sempre presenti con una relativa costanza di numero e distribuzione (presenza e distribuzione varia a seconda del tipo di tessuto). Ad esempio, abbiamo i mastociti (attività farmacologica), i macrofagi (per la difesa aspecifica) e i fibroblasti, condroblasti, osteoblasti, odontoblasti (differenti a seconda del tessuto in cui sono). Mastociti si tratta di cellule comuni dei tessuti connettivi e sono presenti in maggiore quantità vicino ai vasi. Vanno ad

accumulare i mediatori farmacologiciche vengono secreti in seguito a stimolazione per istamina, eparina o fattorichemiotattici. Inoltre, intervengono nelle reazioni di ipersensibilità immediata amediazione immunologica. Il funzionamento è il seguente:

1. contatto in cui l’allergene induce la formazione di anticorpi
2. contatto in cui l’anticorpo si fissa sulla membrana dei mastociti, avviene ilrilascio di istamina e altrimediatori chimici che provoca l’aumento della permeabilità del vaso,infine avviene lacontrazione delle fibre muscolari lisce.

Macrofagi hanno una elevata attività di pinocitosi e di fagocitosi, se sonosottoposti a stimoli adeguati vanno incontro a modificazioni morfologiche come: lasuperficie