Riassunto esame Fisiologia animale, prof. Marino, libro consigliato Fisiologia: un approccio integrato, Silverthorn

Interazioni molecolari (Capitolo 2)

Un atomo è formato da 3 tipi di particelle: protoni, elettroni e neutroni. Un atomo contiene lo stesso numero di protoni e di elettroni e la sua carica netta equivale quindi a 0. Gli atomi sono molto piccoli con diametri tra 1 e 5 Angstrom (1 Angstrom = 10^-10 m).

Proprietà degli atomi

Il numero atomico è il numero di protoni nel nucleo ed è questo che determina il tipo di elemento a cui un atomo appartiene (esempio: ogni atomo che ha come numero atomico 1 è un atomo dell’elemento H). Tre elementi sono responsabili del più del 90% della massa corporea (carbonio, ossigeno e idrogeno) mentre altri 8 completano la lista degli elementi essenziali dell’organismo (azoto, zolfo, fosforo, sodio, potassio, calcio, magnesio e cloro).

La massa atomica di un atomo è la massa totale di protoni e neutroni nell’atomo, espressa in unità di massa atomica, dove 1 u.m.a. = 1,66 x 10^-27 kg. Il numero di protoni in un elemento è costante ma il numero di neutroni può variare. Atomi che presentano un numero di protoni uguale ma un numero di neutroni differente sono noti come isotopi. Questi sono molto importanti in medicina perché alcuni di essi noti come radioisotopi emettono delle radiazioni.

• Raggi α: composti da particelle ad alta velocità, protoni e neutroni
• Raggi β: composti da particelle ad alta velocità, elettroni
• Raggi γ: composti da onde ad alta energia più che da particelle. Questo tipo di radiazione può penetrare all’interno della materia molto più in profondità delle particelle α e β.

Struttura elettronica

Gli elettroni sono organizzati secondo una serie di livelli energetici o gusci. Il livello energetico più basso lo ritroviamo vicino al nucleo. Più aumenta la distanza dal nucleo più aumenta l’energia dei livelli. La disposizione degli elettroni nel livello più esterno determina la capacità dell’atomo di legarsi con altri atomi.

• Legame covalente: in cui elettroni condivisi formano forti legami covalenti per creare molecole
• Ioni: in cui un atomo può acquisire o perdere uno o più elettroni diventando così uno ione. Se acquisisce una carica negativa viene detto anione mentre se positiva catione
• Elettroni ad alta energia: in cui alcuni atomi gli elettroni possono assorbire energia e passarla ad altri atomi per compiere sintesi, movimento o altri processi (trasferimento elettronico)
• Radicali liberi: che rubano elettroni ad altre molecole andando così a creare nuovi radicali liberi. Gli antiossidanti sono sostanze che prevengono i danni alle nostre cellule poiché essi cedono elettroni senza diventare a loro volta radicali liberi.

Tipi di legami chimici

Legami covalenti: sono legami in cui uno o più atomi mettono in condivisione una coppia di elettroni. Quando gli elettroni sono condivisi in modo disuguale l’atomo che attrae maggiormente gli elettroni sviluppa una maggiore carica negativa (δ-), mentre l’atomo che attrae gli elettroni con minore forza sviluppa una leggera carica positiva (δ+). Le molecole che sviluppano queste regioni di parziale carica positiva e negativa sono dette molecole polari. Una molecola non polare è una molecola in cui gli elettroni condivisi sono distribuiti in modo uniforme da non formare regioni di parziale carica positiva e negativa.

Legame ionico: si forma quando un atomo ha così forte attrazione sugli elettroni che riesce a portare via completamente uno o più elettroni agli altri atomi.

Legame idrogeno: è una forza attrattiva debole tra un atomo di idrogeno e un vicino atomo di ossigeno, azoto o fluoro. Le molecole si allineano con quelle vicine in modo abbastanza ordinato. Questa modalità di legame idrogeno tra molecole è responsabile della tensione superficiale dell’acqua.

Biomolecole nell'organismo

• Carboidrati: si presentano come zuccheri semplici (monosaccaridi e disaccaridi) e come complessi polimeri di glucosio detti polisaccaridi.
• Lipidi: sono biomolecole costituite da C, H e O ma contengono meno O rispetto ai carboidrati. Essi non sono facilmente solubili in acqua perché non polari. Gli acidi grassi sono definiti saturi se tra gli atomi di C non ci sono doppi legami e insaturi se invece nella molecola sono presenti doppi legami tra i C (monoinsaturo se ne presentano uno o poliinsaturo se ne presentano più di uno).
• Amminoacidi: sono 20 e il corpo umano può sintetizzarli tutti tranne 9 che devono perciò essere ricavati da proteine assunte con la dieta noti come amminoacidi essenziali.
• Nucleotidi: svolgono ruoli importanti in molti processi cellulari tra cui l’immagazzinamento e la trasmissione di informazioni genetiche e di energia. Molarità: numero di moli di soluto in un litro di soluzione (mol/L).

Compartimentazione cellule e tessuti

Il corpo umano è suddiviso in tre cavità: la cavità toracica, cranica e addomino-pelvica. Queste sono separate tra loro grazie a ossa e tessuti e sono rivestite da membrane tissutali. Gli organi cavi come cuore, polmoni, vasi sanguigni e intestini determinano un altro insieme di compartimenti all’interno del corpo. L’interno di qualsiasi organo cavo è detto lume. La maggior parte delle cellule non sono in contatto diretto con il mondo esterno ma sono circondate da liquido extracellulare.

La membrana cellulare è costituita da un doppio strato fosfolipidico. Le funzioni generali della membrana cellulare includono:

• Isolamento fisico: la membrana cellulare è una barriera fisica che separa il liquido intracellulare all’interno della cellula dal liquido extracellulare circostante.
• Regolazione degli scambi con l’ambiente: la membrana cellulare controlla l’ingresso di ioni e nutrienti nella cellula, l’eliminazione dei cataboliti e il rilascio di prodotti dalla cellula.
• Comunicazione tra la cellula e il suo ambiente: la membrana cellulare contiene proteine che permettono alla cellula di riconoscere segnali costituiti da molecole o da variazioni nell’ambiente esterno e di rispondervi.
• Supporto strutturale: alcune proteine sono ancorate al citoscheletro, la struttura interna di supporto strutturale che ha lo scopo di mantenere la forma della cellula.

Tanto più la membrana cellulare è metabolicamente attiva tanto maggiore è il suo contenuto di proteine. La membrana cellulare è composta da 3 tipi di lipidi: fosfolipidi, sfingolipidi e colesterolo.

Le micelle sono piccole gocce con un solo strato di fosfolipidi arrangiati in modo tale che l’interno è riempito dalle code idrofobiche degli acidi grassi. Le micelle sono importanti per la digestione e l’assorbimento dei grassi nel tratto digerente. I liposomi sono strutture sferiche più grandi con una parete costituita da un doppio strato fosfolipidico. Alcune membrane però contengono molti sfingolipidi che possiedono anch’essi code di acidi grassi ma le loro teste possono essere fosfolipidi o glicolipidi. Essi sono leggermente più lunghi dei fosfolipidi. Il colesterolo contribuisce a rendere la membrana impermeabile a piccole molecole polari e mantiene la membrana flessibile in un ampio intervallo di temperature.

Proteine di membrana

Le proteine di membrana vengono classificate in:

• Proteine integrali o transmembrana: attraversano l’intero spessore della membrana. Sono strettamente legate alla membrana poiché i suoi amminoacidi non sono polari.
• Proteine periferiche: si legano debolmente a proteine transmembrana o alle teste polari dei fosfolipidi.
• Proteine ancorate a lipidi: legate covalentemente a code lipidiche inserite nel doppio strato. Alcune proteine integrali sono ancorate a proteine del citoscheletro e non possono quindi muoversi.

I carboidrati di membrana sono per lo più degli zuccheri legati a proteine di membrana. Essi si trovano solo sulla superficie esterna della cellula dove formano uno strato protettivo noto come glicocalice. Le glicoproteine sulla superficie della cellula svolgono un ruolo chiave nella risposta immunitaria dell’organismo.

Il citoplasma

Il citoplasma presenta 3 componenti:

• Citosol: liquido intracellulare che contiene disciolti nutrienti, proteine, ioni e prodotti di scarto.
• Inclusioni: particelle di materiale insolubile.
• Organelli: compartimenti delimitati da membrana che svolgono ruoli specifici nella funzione complessiva della cellula.

Le inclusioni delle cellule non sono delimitate da membrana e sono a diretto contatto con il citosol. Il movimento di materiale tra le inclusioni e il citosol non richiede trasporto attraverso una membrana. I nutrienti sono immagazzinati sotto forma di granuli di glicogeno o di gocce lipidiche. I ribosomi sono organuli densi formati da RNA e proteine che fabbricano proteine sotto il controllo del DNA della cellula. I ribosomi si trovano in quantità maggiori in cellule che sintetizzano proteine da secernere.

Il citoscheletro è una impalcatura tridimensionale flessibile, modificabile, composta da filamenti di actina, filamenti intermedi e microtubuli che si estende per tutto il citoplasma. Il citoscheletro ha 5 funzioni importanti:

• Forma cellulare: l’impalcatura proteica del citoscheletro fornisce resistenza meccanica alla cellula e in alcuni casi svolge un ruolo importante nel determinare la forma delle cellule.
• Organizzazione interna: le fibre del citoscheletro stabilizzano la posizione degli organelli.
• Trasporto intracellulare: il citoscheletro contribuisce a trasportare materiali dentro la cellula e all’interno del citoplasma.
• Assemblaggio di cellule a formare tessuti.
• Movimento: il citoscheletro consente il movimento cellulare.

Le proteine motrici sono proteine in grado di convertire l’energia immagazzinata in movimento ordinato. Ci sono tre gruppi di proteine motrici associate al citoscheletro: miosine, chinesine e dineine. Tutti e tre i gruppi utilizzano l’energia immagazzinata nell’ATP per muoversi lungo le fibre del citoscheletro. Le miosine si legano a fibre di actina e sono ben note per il loro ruolo nella contrazione muscolare. Chinesine e dineine sono associate con il movimento lungo i microtubuli e le dineine associate con i fasci di microtubuli nelle ciglia e nei flagelli contribuiscono a generare il caratteristico moto oscillante. La maggior parte delle proteine motrici è composta da catene proteiche multiple organizzate in tre parti: due teste che si legano alla fibra del citoscheletro, un collo e una regione caudale che si lega al “carico”, come un organello che debba essere trasportato attraverso il citoplasma.

Mitocondri e reticolo endoplasmatico

I mitocondri sono degli organuli ellittici costituiti da una doppia membrana. La membrana esterna conferisce la forma mentre quella interna è ripiegata in foglietti noti come creste. Al centro, all’interno della membrana interna ritroviamo la matrice che contiene enzimi, ribosomi, granuli e DNA. Tra la membrana interna ed esterna c’è uno spazio intermembrana che ha un ruolo importante per la produzione di ATP. Il reticolo endoplasmatico (RE) è una rete di tubuli interconnessi che sono in continuità con la membrana esterna del nucleo. Riconosciamo 2 tipi di RE: il RE liscio che non ha ribosomi e il RE rugoso ricco in ribosomi. Entrambi hanno la funzione di sintesi, accumulo e trasporto di biomolecole.

Vescicole citoplasmatiche

Riconosciamo 2 tipi di vescicole citoplasmatiche:

• Vescicole secretorie: contengono proteine che saranno rilasciate dalla cellula.
• Vescicole di accumulo: non lasciano mai il citoplasma.

I lisosomi sono delle piccole vescicole sferiche di accumulo che appaiono come granuli delimitati da membrana nel citoplasma. I lisosomi operano come sistema digerente della cellula, usano potenti enzimi per ridurre batteri o vecchi organelli. Nel citoplasma i lisosomi iniziano ad accumulare ioni H ed è per questo che diventano maggiormente acidi raggiungendo valori di pH di 4,8–5.

Giunzioni cellulari e matrice extracellulare

Nei tessuti le cellule sono tenute insieme da giunzioni cellulari. La matrice extracellulare è costituita da materiale extracellulare sintetizzato e secreto dalle cellule di un tessuto. La matrice presenta due componenti fondamentali: proteoglicani che sono glicoproteine e le fibre proteiche come collagene, laminina, fibronectina che ancorano le cellule alla matrice. Durante la crescita e lo sviluppo le cellule formano tra loro contatti adesivi che possono evolvere in giunzioni cellulari o CAM, proteine integrali di membrana. Le giunzioni cellulari possono essere raggruppati in 3 categorie:

• Giunzioni comunicanti: sono le giunzioni più semplici; esse creano ponti citoplasmatici di comunicazione tra cellule contigue in modo che segnali elettrici e chimici possono passare facilmente da una cellula all’altra.
• Giunzioni serrate: sono giunzioni occludenti che ostacolano il movimento di materiale attraverso lo spazio tra le cellule che collegano. Queste sono implicate anche nella formazione della cosiddetta barriera emato-encefalica.
• Giunzioni di ancoraggio: uniscono le cellule una all’altra.

Tessuti epiteliali

I tessuti epiteliali proteggono l’ambiente interno del corpo e regolano gli scambi di materiale tra ambiente interno ed esterno. Gli epiteli sono comunemente costituiti da una serie di strati di cellule connesse tra loro. Ritroviamo inoltre un sottile strato di matrice extracellulare nota come lamina basale, composta da una rete di fibre collagene. Riconosciamo vari tipi di epitelio:

• Epitelio di scambio: composto da cellule appiattite molto sottili che permettono ai gas (CO₂ e O₂) di passare rapidamente attraverso l’epitelio.
• Epitelio di trasporto: regola attivamente e selettivamente gli scambi di materiali non gassosi. Questi epiteli rivestono le cavità dell’apparato digerente e del rene. Il movimento di materiali dall’ambiente esterno è noto come assorbimento mentre il movimento in direzione opposta e quindi verso l’esterno è noto come secrezione. Le cellule degli epiteli di trasporto hanno uno spessore maggiore rispetto a quelle dell’epitelio di scambio e la forma della cellula è cuboidale. La membrana apicale (cioè la superficie delle cellule che guarda verso il lume) è costituita da microvilli che aumentano la superficie disponibile per il trasporto.
• Epiteli ciliati: rivestono l’apparato respiratorio e parte del tratto riproduttivo femminile.
• Epiteli di protezione: impediscono gli scambi tra ambiente esterno e interno e proteggono le regioni sottoposte a stress chimico o meccanico.
• Epiteli secretori: composti da cellule che sintetizzano una sostanza e poi la rilasciano nello spazio extracellulare. Le cellule di questo epitelio possono raggrupparsi a formare le ghiandole, esocrine che rilasciano la loro secrezione nell’ambiente esterno all’organismo e endocrine che non presentano dotti e rilasciano le loro secrezioni dette ormoni nel compartimento extracellulare.

Composizione chimica della membrana

La membrana risulta essere costituita da:

• Lipidi
• Proteine
• Glucidi

Alcune membrane semplici hanno lipidi come la mielina. Le membrane sono formate per il 50% da proteine e per il restante 50% da lipidi. Riconosciamo però anche membrane costituite principalmente da proteine come quella dei mitocondri o dei batteri. I fosfolipidi di membrana risultano essere di 2 tipi:

• Fosfogliceridi: costituiti da glicerolo esterificato con due acidi grassi e acido fosforico sul terzo carbonio a sua volta legato ad una base azotata. Essi sono: colina, etanolammina, serina o inositolo.
• Sfingolipidi: al posto del glicerolo possiedono la sfingosina.

Processi di membrana

La legge di equilibrio di massa dice che se la quantità di una sostanza nell’organismo deve rimanere costante, ogni aumento deve essere compensato da una perdita di pari entità. La rapidità con la quale una sostanza sparisce dall’organismo per escrezione, metabolismo o entrambi è detta clearance che viene espressa come volume di plasma sanguigno ripulito dalla sostanza per unità di tempo. Il fegato è un altro organo coinvolto nell’eliminazione di materiali specialmente xenobiotici (sostanze estranee all’organismo). Gli epatociti, le cellule del fegato metabolizzano molte molecole tra cui farmaci e ormoni.

In uno stato di omeostasi la composizione di entrambi i compartimenti corporei è relativamente stabile. Il nostro corpo pur essendo neutro da un punto di vista elettrico presenta un lieve eccesso di ioni negativi nel liquido intracellulare mentre i loro corrispondenti ioni positivi si trovano nel liquido extracellulare. Quindi l’interno delle cellule è leggermente negativo rispetto al liquido extracellulare. È presente perciò uno squilibrio elettrico e cambiamenti in questo squilibrio generano segnali elettrici.

La forma più generale di trasporto biologico è il flusso di massa (vengono inclusi sia gas che liquidi) in cui un gradiente pressorio fa fluire il liquido da regioni a pressione più elevata verso regioni a pressione più bassa. Mentre fluisce, il liquido porta con sé tutti i suoi componenti, incluse sostanze in esso disciolte o sospese.

Diffusione: lo scambio tra i compartimenti intracellulare ed extracellulare è limitato dalla membrana cellulare. Le membrane sono selettivamente permeabili e cioè se una membrana consente ad una sostanza di attraversarla si dice che questa è permeabile a tale sostanza mentre se una membrana non permette ad una sostanza di attraversarla è detta impermeabile.

Due proprietà di una molecola influenzano il suo movimento attraverso le membrane cellulari: la grandezza e la polarità.