Cenni di biologia e di anatomia e fisiologia umana

ADP, P NAD

i ATP

+

NADP NADH, NADPH

FAD FADH

2

Macromolecole della cellula Precursori molecolari

Polisaccaridi Monosaccaridi

Lipidi Acidi grassi

Proteine Amminoacidi

Anabolismo

Acidi nucleici Basi azotate

La membrana cellulare

La membrana cellulare consente alla cellula di creare barriere che le

consentono di confinare particolari molecole in comparti specifici.

Esse consistono di un doppio strato continuo di molecole lipidiche

in cui sono immerse le proteine. Il doppio strato lipidico costituisce

la struttura di base di tutte le membrane cellulari e svolge la funzione

di barriera.

Le molecole lipidiche della membrana presentano sia regioni

idrofiliche che regioni idrofobiche (molecole anfipatiche). Poste in

soluzioni acquose esse si associano spontaneamente in doppi strati e

formano comparti chiusi capaci di autosigillarsi se lacerati.

Il doppio strato lipidico è fluido e le singole molecole lipidiche sono

capaci di diffondere nel monostrato in cui si trovano mentre non si

capovolgono spontaneamente per passare da un monostrato all’altro.

La fluidità aumenta al crescere del contenuto in acidi grassi insaturi e

colesterolo.

Il doppio strato lipidico è impermeabile a tutti gli ioni (ioni sodio,

potassio, cloruro, magnesio, calcio...) ed alle grandi molecole polari

(glucosio, amminoacidi...) ma permeabile alle molecole apolari

piccole come l’ossigeno e l’anidride carbonica e anche a quelle

polari piccolissime come l’acqua.

Le proteine di membrana sono responsabili di quasi tutte le

funzioni della membrana stessa come per esempio il trasporto di

molecole idrosolubili non troppo grandi e ioni attraverso il doppio

strato lipidico.

Molte delle proteine e alcuni dei lipidi esposti alla superficie esterna

della cellula sono legati a catene di zuccheri che contribuiscono a

proteggere e lubrificare la superficie cellulare e sono attivi nel

riconoscimento tra cellule.

Quasi tutte le membrane cellulari sono legate a proteine che fanno da

impalcatura di sostegno. Ne è un esempio la rete intessuta da proteine

fibrose che forma lo strato corticale proprio sotto la membrana

cellulare.

Spazio extracellulare catena oligosaccaridica

Fosfolipidi e sfingolipidi Colesterolo

Acido grasso saturo acido grasso insaturo

Regione polare

Regione

apolare Proteina

Glicoproteina

Spazio intracellulare COOH

Siccome, come già ricordato, lo strato lipidico delle membrane

cellulari è impermeabile a quasi tutte le molecole idrosolubili ed a

tutti gli ioni, il trasferimento di sostanze nutritive, metaboliti ed ioni,

attraverso la membrana plasmatica e le membrane intracellulari è

demandato alle proteine di trasporto presenti nella membrana

stessa.

Le membrane cellulari contengono tutta una serie di proteine di

trasporto ciascuna adibita al trasferimento di un particolare tipo di

soluto attraverso la membrana.

Le proteine di trasporto si possono distinguere in due categorie: le

proteine vettrici (carriers) e le proteine canale.

Le molecole tendono a diffondere spontaneamente dalle zone dove

sono presenti a maggiore concentrazione a quelle dove la loro

concentrazione è minore, tra le quali cioè esista un gradiente di

concentrazione. Se le molecole hanno una carica elettrica poi

tendono anche a spostarsi tra due zone a diverso potenziale elettrico

(gradiente elettrico). Per gradiente elettrochimico si intende la forza

motrice netta che si esercita su uno ione a causa del suo gradiente di

concentrazione e del campo elettrico cui è esposto.

Nel trasporto passivo un soluto privo di carica si muove

spontaneamente secondo il suo gradiente di concentrazione,

diffusione, ed un soluto carico (ione) si muove spontaneamente

secondo il suo gradiente elettrochimico.

Nel trasporto attivo un soluto privo di carica o uno ione vengono

trasportati contro il loro gradiente di concentrazione o elettrochimico

con un processo che, direttamente o meno, consuma energia.

Nei mammiferi gli ioni sono distribuiti nello spazio intracellulare ed

extracellulare così come rappresentato nello schema seguente:

componente Concentrazione Concentrazione

intracellulare extracellulare

(mM) (mM)

ione sodio 5 – 15 145

+

Na

ione 140 5

+

potassio K

ione 0,5 1 – 2

magnesio

++

Mg

ione calcio 0,0001 1 – 2

++

Ca ⋅10 ⋅

– 5 – 5

ione idronio 7 pH = 4 10 pH =

+

H 7,2 7,4

ione 5 – 15 110

-

cloruro Cl

ioni elevata nulla

organici

Nota: la concentrazione degli ioni è espressa in molarità. cioè in

23

numero di moli per litro: una mole corrisponde a circa 6 10

(600000 miliardi di miliardi) ioni. Diffusione Trasporto passivo

Diffusione facilitata

Trasporto attivo

Le proteine vettrici legano soluti specifici (ioni inorganici, piccole

molecole organiche o entrambe le cose) e li trasferiscono attraverso il

doppio strato lipidico modificando la propria conformazione in

modo da esporre il sito di legame per il soluto prima da un lato della

e poi dall’altro.

membrana

Le proteine vettrici possono agire come pompe per trasportare un

soluto contro il suo gradiente elettrochimico utilizzando energia

prodotta dall’idrolisi di ATP, dal flusso secondo gradiente di ioni

+ +

o H o dalla luce.

Na + +

La pompa Na - K nella membrana plasmatica delle cellule animali

+ +

fuori dalla cellula e K

consuma ATP trasportando attivamente Na

dentro (ogni 3 ioni sodio portati fuori dalla cellula vengono introdotti

+ attraverso la

2 ioni potassio), mantenendo un ripido gradiente di Na

membrana stessa. Tale gradiente viene utilizzato per alimentare altri

processi di trasporto attivo e per generare o trasmettere i segnali

elettrici.

Le proteine canale formano pori acquosi nel doppio strato lipidico

Proteina canale

attraverso i quali possono diffondere i soluti.

Proteina vettrice

Quasi tutte le proteine canale sono canali ionici selettivi che

permettono agli ioni inorganici, di carica e dimensioni adatte di

attraversare la membrana secondo il loro gradiente elettrochimico.

La maggior parte dei canali ionici è dotata di chiusura e si apre

transitoriamente in risposta ad uno stimolo specifico, come una

variazione del potenziale elettrico della membrana oppure il legame

con una molecola specifica.

Va ricordato che le membrane cellulari hanno carattere di membrana

semipermeabile e quindi, mentre si lasciano attraversare più o meno

liberamente dall’acqua, non si lasciano attraversare dai soluti: di

conseguenza una cellula che si trovi in un liquido extracellulare

ipertonico (in cui cioè la concentrazione dei soluti sia maggiore di

quella endocellulare) tenderà a perdere acqua (osmosi) mentre in un

liquido ipotonico (in cui la concentrazione dei soluti sia minore di

quella endocellulare) si inturgidirà e potrà eventualmente andare

incontro a lisi: è pertanto importante che le soluzioni che entrano in

contatto con i tessuti cellulari (colliri, solventi dei farmaci iniettabili,

soluzioni per endovena) siano isotoniche con essi in modo da non

danneggiarli.

Sintesi, degradazione e trasporto cellulare

Le proteine di quasi tutti gli organelli vengono prodotte nel citosol

per poi essere trasportate nell’organello dove devono funzionare.

Il RE è la fabbrica della membrana della cellula; produce la maggior

parte dei lipidi e molte delle proteine di membrana. I ribosomi legati

alla superficie del RER (reticolo endoplasmatico rugoso)

sintetizzano tali proteine. Nel lume del RER le proteine assumono la

loro struttura definitiva.

Le cellule assumono liquidi, molecole e talvolta anche particelle per

endocitosi, nel corso della quale zone di membrana plasmatica si

invaginano e si distaccano formando vescicole endocitiche.

Gran parte del materiale endocitato passa negli endosomi e quindi

nei lisosomi che lo digeriscono con i loro enzimi idrolitici; invece i

componenti della membrana vescicolare vengono in gran parte

reinseriti in vescicole di trasporto che tornano alla membrana

plasmatica per essere nuovamente utilizzati.

endocitosi

esocitosi

La duplicazione cellulare

Il materiale genetico di una cellula eucariotica è contenuto in uno o

più cromosomi, ciascuno formato da una molecola di DNA

enormemente lunga che contiene molti geni, porzioni di catena del

DNA che contengono le informazioni necessarie alla sintesi di una

proteina o di un RNA. Nelle cellule eucariotiche i cromosomi

constano di DNA legato strettamente ad una massa quasi uguale di

proteine specializzate. Esse dispongono il DNA in forma più

compatta in modo da farlo entrare nel nucleo. Il complesso DNA

proteine che forma i cromosomi prende il nome di cromatina.

Alcune forme di cromatina sono talmente compatte che i geni in essa

compresi non possono essere espressi. In questa situazione si

vengono a trovare tutti i geni cromosomici durante la divisione

nucleare (mitosi) in cui i cromosomi sono altamente condensati.

Una cellula eucariotica tipica esprime solo una parte dei suoi geni:

negli organismi pluricellulari le differenze tra tipi di cellule insorgono

perché nel corso del differenziamento cellulare si esprimono gruppi

diversi di geni.

Nella cellula l’espressione di ogni gene viene attivata o disattivata da

apposite proteine regolatrici di geni.

Tutte le cellule derivano da altre cellule per divisione.

Nella mitosi la cellula madre origina due cellule figlie identiche.

Nelle cellule eucariotiche il processo mitotico è relativamente

complicato ed è caratterizzata da una serie di fasi che costituiscono il

cosiddetto ciclo cellulare.

Il ciclo cellulare consta della fase M, che dura da 30’ ad un’ora e nel

corso della quale non si ha in pratica sintesi di macromolecole e

dell’interfase.

La fase M si divide in mitosi ed in citocinesi, che corrispondono

rispettivamente alla separazione dei cromosomi duplicati nei due

nuclei ed alla divisione della cellula madre nelle due cellule figlie.

Durante l’interfase, che dura da ore a settimane o più a lungo, a

seconda del tipo cellulare, hanno luogo tutta una serie di funzioni

metaboliche.

L’intero ciclo consta, a partire dal momento subito successivo alla

(gap 1), in cui la cellula cresce e raddoppiano gli

mitosi, della fase G 1 (gap 2), in cui si ha

organelli cellulari, della fase S, della fase G 2

ulteriore crescita cellulare, e della fase M.

Cellule altamente specializzate, come i globuli rossi, i fibrociti ed i

.

neuroni, non si dividono: sono bloccate in fase G 0 ) ma possono farlo

Altre cellule normalmente non si dividono (fase G 0

in opportune situazioni (epatociti e linfociti). Altri tipi cellula