Fisiologia Cellulare

Fisiologia della cellula

• Per prima cosa ci occuperemo della fisiologia della cellula. La fisiologia della cellula è propedeutica alla fisiologia degli apparati. Poi faremo gli apparati.
• Per scaricare le lezioni: www.unipv.it/tslmra22
• Fisiologia degli apparati: Casella - Taglietti: Principi di Fisiologia (Vol. I-II) Ed. La Goliardica Pavese.
• Cellula: Taglietti - Casella: Principi di Fisiologia e Biofisica della Cellula (nuova edizione da I a IV). Ma posso anche usare gli appunti e le lezioni per questo.
• Per le modalità d'esame andare all'indirizzo web.
• Primo preappello a dicembre e a dopo le vacanze di Natale; l'altro preappello dopo la fine del corso. I preappelli hanno una parte scritta e delle domande aperte.

Membrana plasmatica

Il contenuto di ogni cellula, genericamente parlando, ossia il citosol e tutti gli organelli, sono rivestiti dalla membrana plasmatica che circoscrive un certo volume all'interno del quale abbiamo tutti i vari organelli e il citosol. Anche il nucleo è rivestito da membrana (nucleare) ma anche i lisosomi, RE e Golgi, mitocondri ecc. sono rivestiti da membrana.

La membrana è composta da un doppio strato lipidico (bilayer lipidico 5 nm) in cui troviamo incorporate all'interno le proteine di membrana. Esse svolgono ruoli fondamentali per la membrana della cellula e per la membrana degli altri organelli. La membrana è una barriera selettiva che permette agli organelli di rimanere dentro alla cellula, permette a molecole nutritive di entrare nella cellula e mantenersi all'interno impedendo una dispersione di esse, permette a molecole e microorganismi indesiderati di penetrare all'interno, e permette ai prodotti metabolici inutili o messaggeri di essere espulsi dalla cellula.

Quindi, riassumendo, grazie alla membrana plasmatica la cellula può ricevere informazione, può essere capace di muoversi ed espandersi (globuli bianchi e linfociti) e importare - esportare molecole.

Composizione delle membrane biologiche

• Lipidi: il doppio strato lipidico crea una barriera IDROFOBICA. Per la maggior parte sono fosfolipidi ma abbiamo anche glicolipidi e colesterolo.
• Proteine: conferiscono SPECIFICITÀ ALLE FUNZIONI SVOLTE DALLA MEMBRANA. Le proteine di membrana possono essere:
  • Periferiche legate alla superficie di membrana,
  • Integrali che contengono domini idrofobici e idrofilici (anfipatiche),
  • Glicoproteine (integrali) contengono molecole glucidiche (recettori di superficie).

Composizione lipidica della membrana plasmatica

Fosfolipidi

I fosfolipidi sono molecole anfipatiche (componente idrofila e lipofoba). Abbiamo la testa polare (idrofila) e la coda apolare (lipofila) la quale è composta da 2 catene di idrocarburi connessi da legami semplici o in qualche caso da un doppio legame CIS. A volte la presenza di cariche elettriche presenti nella testa polare conferisce la proprietà idrofila. Le molecole si chiamano così perché abbiamo un gruppo fosfato a livello della testa polare.

Glicolipidi

I glicolipidi hanno una coda apolare doppia e una testa polare ma è formata da gruppi glucidici che possono essere monosaccaridi (n-metilglucosammina ecc.) o disaccaridi o ecc. legati covalentemente tra loro. La componente glucidica ha cariche elettriche così da conferire una struttura polare (idrofila).

Colesterolo

È una molecola più piccola degli altri due. Le molecole presentano un anello steroideo rigido e planare (componente idrofobica) e la testa polare è rappresentata dal gruppo OH.

I fosfolipidi in acqua possono formare spontaneamente tre strutture:

• Micella: teste polari all'esterno e le code all'interno.
• Liposoma: non esistono normalmente come le micelle. Assisitiamo alla formazione del doppio strato lipidico in maniera tale da mettere fuori le teste polari oppure all'interno. Importante per alcuni farmaci così da consentire l'ingresso all'interno della cellula. Una piccola membrana plasmatica alla fine.
• Doppio strato.

Fluidità di membrana

La fluidità della membrana è importante per la sua funzione; è determinata dalla sua composizione lipidica. Per essere così fluida vuol dire che le proteine di membrana cambiano conformazione. Se abbiamo uno stretto impacchettamento delle code idrofobiche avremo una minore fluidità. Questo avviene quando le code apolari sono lunghe e a livello delle code apolari abbiamo atomi di C collegati tra loro da un certo numero di doppi legami. La lunghezza varia da 14-24 atomi di C; catena più corta vuol dire minore interazione e avremo un aumento della fluidità. La presenza di doppi legami riduce la libertà delle code apolari e aumenta la rigidità.

Ma perché la membrana deve essere fluida?

• Permette una rapida diffusione laterale delle proteine di membrana nel bilayer e ne favorisce le interazioni (importante per la comunicazione cellulare).
• Facilita la distribuzione dei lipidi e delle proteine di membrana dal sito di inserzione ad altre regioni della cellula.
• Permette alle membrane di fondere e mixare molecole (per esempio il liposoma che può diffondere il farmaco attraverso endocitosi oppure esocitosi). È il caso dei messaggeri extracellulari oppure dei neurotrasmettitori.
• Permette alla proteina che deriva dal golgi nel quale viene assemblata di essere incorporata nel bilayer lipidico.

Il colesterolo a cosa serve? Esso è più piccolo delle code apolari dei fosfo e glicolipidi. È usato per modulare la fluidità della membrana e riempie i buchi tra i nodi delle catene insature. Molto usato nella membrana plasmatica. Se c'è uno stretto impacchettamento avremo una minore fluidità e permeabilità. Troppo colesterolo irrigidisce la membrana.

Asimmetria del doppio strato lipidico

La composizione dello strato intra ed extracellulare non è speculare. Ad esempio, la composizione lipidica tra i due ambienti è molto diversa. Inoltre, i glicolipidi li troviamo soltanto sullo strato extracellulare (insieme ai glicoproteine e proteoglicani: glicocalice).

Classi di proteine di membrana

Esistono proteine:

• Integrali perché attraversano integralmente il doppio strato lipidico sporgendo dai due strati.
• Periferiche le quali sono nel doppio strato fosfolipidico ma non totalmente.
• Ancorate in cui tutta la massa della proteina è intra o extracellulare e ha solo legami covalenti con i quali si ancorano al bilayer.

Funzioni svolte dalle proteine di membrana

Nelle cellule animali il 50% della massa di plasmalemma è formata da proteine. Le proteine di membrana hanno molte funzioni:

• Trasportatori: proteina che permette il passaggio di molecole che non passerebbero senza queste. Ma anche amminoacidi, monosaccaridi ecc.
• Collegamento: si ancorano ad altre proteine che possono essere tutte intra o extracellulari. Sono fondamentali per esempio per un aspetto morfologico perché formano il citoscheletro.
• Recettori: presentano una nicchia e captano una molecola che proviene dall'ambiente extracellulare. Una volta che legano la molecola cambiano di conformazione per farla entrare nella cellula.
• Enzimi: catalizzatori biologici. Sono proteine che accelerano una reazione biochimica.

Proteine di collegamento

Esse rafforzano la membrana plasmatica perché la membrana, se fosse solo formata dal bilayer lipidico e dalle proteine, è molto sottile e fragile. Per questo queste proteine di collegamento formano un supporto che permette alla membrana di diventare più resistente. La forma della cellula e le proprietà meccaniche della membrana sono determinate dalla cortex cellulare (trama di proteine collegate allo strato citosolico della cellula). Nella foto si nota bene questa rete intracellulare la quale conferisce alla cellula una forma particolare.

Glicocalice

• I glicolipidi sono presenti nello strato esterno della membrana plasmatica.
• La maggior parte delle proteine della membrana plasmatica sono glicoproteine (sempre extracellulari). Hanno piccole catene di molecole di zuccheri (oligosaccaridi) legate ad esse.
• Proteoglicani le quali sono proteine di membrane che hanno una o più catene lunghe polisaccaridiche legate.
• Tutti i carboidrati delle glicoproteine, proteoglicani e glicolipidi localizzati sul lato non citosolico della membrana formano un rivestimento di zuccheri chiamato glicocalice.
• Il glicocalice protegge la superficie cellulare dal danneggiamento meccanico e chimico lubrificando inoltre la superficie assorbendo acqua.

Riconoscimento cellula - cellula

• Gli oligosaccaridi della superficie cellulare forniscono ciascun tipo cellulare con un distinto marker di identificazione.
• Il glicocalice è usato nel riconoscimento cellula - cellula
• Particolarmente importante nel mediare le risposte infiammatorie.

Permeabilità del bilayer lipidico (in assenza di proteine)

• I gas diffondono rapidamente e attraversano il bilayer tranquillamente (O₂, CO₂, N₂).
• Piccole molecole polari non cariche diffondono attraverso un bilayer lipidico (glicerolo, etanolo).
• Molecole solubili nei lipidi tendono a diffondere ossia le molecole lipofile (ormoni steroidei).
• Grosse molecole polari non cariche, molecole polari cariche e ioni non permeano.

Proteine di trasporto

Esistono due principali classi di proteine di trasporto: ciascuna proteina carrier è specializzata per trasportare una sola molecola. Questo avviene perché essa ha un sito attivo che lega specificamente una determinata molecola. La proteina ha un sito attivo e una bocca dal quale la proteina entra o esce. Nei canali ionici la selettività è ristretta e fanno passare solo alcuni ioni (sodio, potassio, calcio e cloro). Gli ioni eccitano certe cellule elettricamente eccitabili (neuroni o fibrocellule muscolari) e generano variazione del potenziale di membrana portando alla formazione del potenziale d'azione.

Diffusione di particelle attraverso una membrana

Concetto di diffusione

È una proprietà fisica fondamentale di tutti i processi biologici e forma il motore tramite il quale le cellule possono generare segnali.

Esempio:

• Attraverso flussi diffusionali che l'O₂ passa dagli alveoli polmonari al sangue.
• Attraverso flussi diffusionali che molecole nutritizie e O₂ passano dal sangue ai tessuti.
• È un evento fondamentale che sta alla base del funzionamento dei neuroni, la genesi del potenziale d'azione, è prodotto dalla diffusione di ioni Na⁺ dentro la cellula nervosa.
• La trasmissione sinaptica è un evento fondamentale per la comunicazione neuronale, avviene per diffusione del neurotrasmettitore dal termine pre-sinaptico di un neurone al terminale post-sinaptico di un altro neurone.

Ma cosa è la diffusione? E cosa spinge le particelle a diffondere? Se introduciamo una goccia di colorante in acqua, questo si disperde ossia si diffonde. La diffusione è il movimento molecolare generato dall'energia termica ossia l'energia cinetica che ciascuna di queste molecole possiede. Questi processi sono rallentati quando si abbassa la temperatura ossia quando minore sarà l'energia cinetica delle particelle.

Diffusione di soluti

Flusso molecolare unidirezionale: quantità di soluto che attraversa un'area unitaria nell'unità di tempo (1s). Se non dividiamo per il Numero di Avogadro avremmo solo il numero di particelle che partecipano al flusso. Dividendo per il Numero di Avogadro avremo la quantità di particelle espresse in moli. Ovviamente esiste un altro flusso molecolare che va dal compartimento 2 all'1. Per sapere il flusso netto ossia quante particelle espresse in moli vengono scambiate da un compartimento all'altro e ci dà il verso dello spostamento.

Etanolo e glicerolo sono molecole che passano attraverso la membrana. Le frecce in grigio rappresentano i due flussi unidirezionali e la loro differenza mi dà il flusso netto (freccia nera) e il verso del flusso. Non potrà mai capitare che il flusso netto sia di direzione opposta e sarebbe un evento non naturale, non spontaneo.

Generalizzando questo concetto abbiamo l'equazione di Teorell: F = k • X. L'intensità del flusso è proporzionale alla forza che lo genera (X = driving force ossia la forza trainante che trascina le particelle a muoversi in una determinata direzione); k = costante di proporzionalità che dipende dalle caratteristiche del soluto e da quelle del solvente, oltre che dalla geometria del volume in cui il flusso si determina.

I^a legge di Fick per la diffusione attraverso una membrana

Immaginiamo che esiste un colorante con caratteristiche simili a una particella che passa attraverso una membrana. Se il compartimento di sinistra ha concentrazione maggiore di colorante che quella di destra. C'è un flusso netto di colorante dalla zona ad alta concentrazione a quelle a bassa concentrazione. Allo stato stazionario vale la relazione: Fd = Kd • ∆C. Kd = costante di proporzionalità che dipende dalla mobilità del soluto. In un grafico otterremmo una retta che passa per l'origine (immaginando Kd = Y e ∆C = x che è l'equazione della retta). La diffusione di questa legge deve avvenire in maniera LIBERA ossia senza trasportatori o canali ionici. La diffusione di particelle ai due lati della membrana la si può rappresentare con una funzione esponenziale. Quella sotto ha l'(1 - e) perché è una funzione crescente.

Migrazione in un campo elettrico

Fino ad ora abbiamo visto la migrazione di particelle neutre. Ma se fossero elettricamente cariche ossia se fossero ioni cosa accadrebbe? Immaginiamo un recipiente contenente cloruro di potassio. Inseriamo due elettrodi collegati a una batteria (una placca al polo positivo = anodo perché attira gli anioni e l'altra al polo negativo = catodo perché attira i cationi). Quando la batteria è collegata tra anodo e catodo si crea una differenza di potenziale. Inoltre si crea una polarizzazione tra gli ioni immersi in soluzione e dopo un certo periodo di tempo gli anioni andranno verso l'anodo e i cationi verso il catodo. Insomma alla fine si separano le cariche elettriche determinando un flusso di cariche elettriche positive e negative chiamato appunto flusso elettrico.

Fe = z • Ke • ∆V. Ke = costante di proporzionalità che dipende dalla mobilità e dalla concentrazione del soluto. Alla fine avremo sempre una retta con z = alla y e ∆V = x. Infatti c'è un'analogia con la legge di Ohm la quale diceva che I (corrente elettrica) = g • ∆V e che I = ∆V/R ed è la stessa cosa della legge del flusso elettrico. Ai due capi del bilayer lipidico abbiamo le teste polari rappresentate dai fosfolipidi, glicolipidi e colesterolo che sono elettricamente cariche. Inoltre abbiamo una diversa distribuzione delle cariche elettriche ossia quella verso il citoplasma ha soprattutto cariche negative mentre quella rivolta verso lo spazio extracellulare ha più cariche positive. Questa differenza di cariche (∆q) ossia di potenziale elettrico (∆V) ai due capi della membrana influenza il movimento degli ioni. Quindi il flusso di particelle cariche dipende non solo dal gradiente di concentrazione ma anche dal gradiente elettrico. Il flusso di uno ione dipende dal gradiente di concentrazione e anche dal gradiente elettrico. La equazione non è preziosa per impararla a memoria ma solo che sappiamo che ci sono 2 variabili.

La diffusione dell'acqua

Considerando cosa succede all'acqua che si trova ai due capi della membrana possiamo constatare che le molecole d'acqua tendono a diffondere da una soluzione più diluita ad una più concentrata. Questo flusso è chiamato flusso osmotico.

Esempio: immaginando di avere in due compartimenti soluti aventi concentrazione di saccarosio, per esempio, diversi: la pressione esercitata dalla differenza in altezza delle colonne di liquido, ovvero dal pistone, è definita pressione osmotica.

Effetto del flusso di acqua attraverso una membrana semipermeabile

In un recipiente con membrana semipermeabile assistiamo al movimento dall'acqua dall'altra parte e quindi a sinistra si abbasserà il livello di liquido e si alzerà a destra. Questo avviene quando le pareti della membrana sono pareti rigide. Ma se sono elastiche come le membrane biologiche? Il livello di liquido rimane lo stesso perché abbiamo una deformazione della parete e il volume di liquido a destra aumenta come accadeva per l'altra membrana.

Quando ciò accade per i globuli rossi? Le cellule innanzitutto devono essere isotoniche con l'ambiente esterno (150 mM NaCl). Modificando la concentrazione di NaCl, per esempio la raddoppiamo (300 mM NaCl) abbiamo una soluzione ipertonica ossia esso si raggrinza perché l'acqua fuoriesce dal globulo rosso controbilanciando l'aumento di concentrazione extracellulare. Se abbiamo una concentrazione più bassa (100 mM NaCl) il globulo rosso si gonfia diventando una sfera perché l'acqua entra nel globulo rosso. Se la abbassiamo ancora la cellula si lisa (50 mM NaCl) perché c'è troppa acqua dentro.

Trasporti attraverso la membrana e proteine di trasporto

Noi sappiamo che...