Fisiologia cellulare

Fisiologia cellulare

Introduzione

Le cellule sono circondate dalla membrana plasmatica che separa l'ambiente intracellulare, in cui troviamo il citosol, mitocondri, perossisomi, lisosomi, nucleo, RE, apparato del Golgi, dall'ambiente extracellulare; ma anche gli stessi organelli possono essere circondati da una membrana.

Membrana plasmatica

Bilayer lipidico: Costituita da una struttura a due strati di cui uno esterno e uno interno, di spessore totale di circa 5nm. La membrana è una barriera selettiva, ovvero non permette la fuoriuscita degli organelli intracellulari e al contrario permette a determinate molecole di poter entrare e uscire: ha la capacità di generare flussi unidirezionali di molecole (nutritizie, O₂) comportandosi come un diodo dal punto di vista elettrico. Per le molecole non desiderabili (inutili o microrganismi) non permette l'entrata, o ancora permette l'uscita di prodotti metabolici inutili di scarto (CO₂) e messaggeri (neurotrasmettitori, molecole che sono riversate all'esterno per inviare un messaggio ad altre cellule).

Funzioni:

• Import-export molecole
• Ricevere informazioni
• Capacità di movimento e espansione

Composizione della membrana

Lipidi: Creano un doppio strato che costituisce una barriera idrofobica. Ad esempio, l'acqua e molecole idrofile (ioni) non possono attraversare fosfolipidi, glicolipidi e colesterolo.

Proteine: Conferiscono la specificità alle funzioni svolte dalla membrana come il passaggio delle molecole e ioni idrofile.

• Proteine periferiche: Legate alla superficie della membrana
• Proteine integrali: Contengono domini idrofobici e idrofilici → anfipatiche
• Glicoproteine (integrali): Contengono molecole glucidiche → recettori di superficie

Lipidi

Fosfolipidi: Due componenti distinte:

• Testa polare idrofilica: Gruppo contenente il fosfato che attrae molecole d'acqua
• Catena idrocarburica idrofobica: Due code di acidi grassi, di cui una con atomi di carbonio legati da legami idrogeno singoli, mentre l'altra presenta un doppio legame cis. Maggiore è il numero di doppi legami, maggiore sarà la rigidità della catena, riducendo così il grado di libertà della molecola

Le molecole di fosfolipidi sono dette anfipatiche, ovvero hanno un'ambivalenza data dalla presenza di una testa idrofila e una coda idrofobica.

Glicolipidi: Due componenti:

• Testa idrofilica costituita, al posto del gruppo fosfato, da glucidi, molecole di glicocalice
• Catene idrocarburiche apolari e idrofobiche. Alcuni atomi della componente glucidica della testa sono elettricamente carichi, perciò possono attrarre molecole d'acqua (idrofile). Sono disposti solamente sul monostrato esterno, del quale rappresentano il 5% circa

Colesterolo: La testa è costituita da un gruppo -OH idrofilico attaccato a una componente rigida, anello steroideo planare. La catena idrocarburica è breve (più corta rispetto ai fosfolipidi e glicolipidi).

Organizzazione e fluidità della membrana

Se iniettiamo nell'acqua i fosfolipidi, possiamo osservare la formazione di certe strutture: una micella o un liposoma, di cui in entrambi i casi le teste idrofiliche sono rivolte verso l'ambiente acquoso (extracellulare). La micella però costituisce un monostrato in cui le code apolari si dispongono a raggiera verso il centro, mentre nel liposoma compare il bilayer tipico della membrana della cellula, in cui sono ben evidenti due strati di lipidi con le teste rivolte verso la parte acquosa idrofila e un buco all'interno.

Dal punto di vista termodinamico sono notevolmente stabili, perché sono le teste a contatto con le molecole idrofile (acqua). Il bilayer si forma spontaneamente anche in una barretta di teflon in cui facciamo un foro e immergiamo il tutto in acqua. Con una micropipetta contenente fosfolipidi poi li iniettiamo nel foro, notando che formano il doppio strato con le code che si incontrano all'interno e le teste apolari all'esterno a contatto con l'acqua.

Dal punto di vista pratico si osserva che il liposoma è una struttura artificiale mentre in natura esistono le vescicole, come neurotrasmettitori, che sono molto simili. La funzione è in ogni caso quella di far entrare molecole che non riuscirebbero a superare il bilayer (es. farmaco nei globuli rossi). Il liposoma successivamente si fonderà con il bilayer della cellula e le molecole all'interno si libereranno nel citosol.

Fluidità della membrana:

• 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

La fluidità è utile per il passaggio di molecole attraverso le proteine di membrana, che modificano la loro conformazione nel bilayer favorendone le interazioni, utili per la comunicazione cellulare. Questo è possibile solo se il bilayer lipidico è sufficientemente fluido: più la membrana è rigida più i movimenti di membrana saranno rigidi e conseguentemente sarà difficoltoso il passaggio import-export.

È lo stretto impacchettamento delle code idrofobiche che aumenta la rigidità del bilayer, rendendo meno fluida la membrana.

Fattori che influenzano la fluidità:

• Lunghezza della catena idrofobica: varia in generale da 14 a 24 atomi di carbonio e tanto più è corta, tanto minore è l'interazione e tanto maggiore sarà la fluidità
• Numero dei doppi legami (insaturi): tanto maggiore tanto è ridotta la fluidità
• Colesterolo: modula la fluidità della membrana, ovvero riempie i buchi tra le catene insature (doppi legami), insinuandosi tra le code idrofobiche dei lipidi, rendendo più rigido il bilayer. Quindi tanto maggiore è il numero delle molecole di colesterolo, tanto più la membrana sarà rigida

Asimmetria della membrana

Se isoliamo un tratto di membrana plasmatica e analizziamo la composizione del bilayer, notiamo che è asimmetrico: la fosfatidilcolina è presente solo sul layer esterno, la fosfatidilserina solo sul layer interno. I glicolipidi sono presenti soltanto sul versante extracellulare non su quello intracellulare.

Proteine

Costituiscono il 50% della massa del plasmalemma, hanno struttura secondaria che può essere:

• α-elica: Gli aminoacidi idrofobici vengono a contatto con le code apolari dei lipidi, formando legami idrofobici che stabilizzano. I legami peptidici polari si trovano all'interno e i gruppi R delle catene laterali protrudono all'esterno. Le porzioni sono collegate tra loro da anse
• β-foglietto/pieghettato: La proteina ha dei legami idrogeno tra gli aminoacidi, che le permette di chiudersi su sé stessa creando un poro: le proteine porine sono dette e attraverso quel poro passano le molecole che non potrebbero altrimenti attraversare il bilayer

Composizione secondo la dislocazione:

• Integrali/Transmembranali: Attraversano completamente il bilayer, formando delle anse, le estremità N- e C-terminali sporgenti negli ambienti extracellulare e intracellulare
• Periferiche: Si trovano solo su un layer, attraversano solo in parte, non penetrano completamente, sono attaccate a proteine tramite legami non covalenti (sorta di struttura quaternaria), interposte tra un dominio recettoriale extracellulare e dominio catalitico, dotato di funzione enzimatica intracellulare
• Ancorate: Si ancorano al bilayer lipidico formando delle interazioni, tramite legami polari alle molecole lipidiche, completamente intracellulari o extracellulari (tutte intracellulari o extracellulari)

Come può un legame peptidico polare essere inserito nel core idrofobico di un bilayer fosfolipidico? Le proteine sono amminoacidi legati covalentemente tra loro con legame peptidico: l'idrofobicità è nella scelta degli aminoacidi che costituiscono quella data porzione. Ci sono quattro principali aminoacidi idrofobici: Triptofano, Fenilalanina, Prolina, Isoleucina.

Funzioni delle proteine di membrana

• Trasportatori: Struttura quaternaria, come le porine aventi un poro attraverso il quale fluiscono ioni o molecole
• Collegamento: Proteine sono ancorate ad altre proteine in funzione al collegamento e costituisce il citoscheletro delle varie cellule. Rafforzano la membrana, che di per sé è molto sottile e fragile, supportandola da una trama proteina attaccata alla membrana attraverso le proteine di membrana
• Recettori: Sono in grado di legare e captare un messaggero e cambiando di conformazione di inviare il messaggio. Es. neurotrasmettitore: non entra nella cellula, ma si lega a un particolare recettore, e la cellula reagisce in risposta effettuando la modifica del potenziale di membrana
• Enzimi: In grado di accelerare determinate reazioni biochimiche, sono dei catalizzatori biologici. Es. AMP-ciclico prodotto da ATP grazie adenilato-ciclasi, un enzima che accelera la produzione

La forma della cellula e le proprietà meccaniche della membrana sono determinate dal cortex cellulare - una trama di proteine fibrose attaccate al lato citosolico della membrana.

Glicocalice = Tutti i carboidrati delle glicoproteine, proteoglicani e glicolipidi non localizzati sul lato citosolico della membrana formano un rivestimento di zuccheri chiamato il glicocalice. Le glicoproteine sono proteine glicosilate che costituiscono la maggior parte delle proteine della membrana plasmatica e hanno piccole catene di molecole di zuccheri legati verso il versante extracellulare. I proteoglicani invece sono proteine di membrana che possono avere una o più lunghe catene polisaccaridiche legati, quindi una struttura più ramificata ed estesa.

Il glicocalice protegge la superficie cellulare dal danneggiamento meccanico (tra cellule) e chimico (antigeni), lubrificando inoltre la superficie assorbendo acqua. È usato anche nel riconoscimento cellula-cellula, grazie agli oligosaccaridi che forniscono a ciascun tipo cellulare un distinto marker di identificazione. Particolarmente importante nel mediare le risposte infiammatorie.

Diffusione di particelle

La diffusione è una proprietà fisica fondamentale in tutti i processi biologici e costituisce il motore tramite il quale le cellule possono generare segnali; si verifica quando tra due regioni di una soluzione esiste una differenza di concentrazione. È attraverso i flussi diffusionali, di particelle dalla concentrazione maggiore verso quelle a concentrazione minore, che sono possibili numerosi processi:

• L'O₂ passa dagli alveoli polmonari al sangue, oppure che anche molecole nutritizie passano dal sangue ai tessuti
• La genesi del potenziale d'azione (alla base del funzionamento dei neuroni) è prodotta dalla diffusione di ioni di Na⁺ dentro la cellula nervosa
• La trasmissione sinaptica, per la comunicazione neuronale cellulare (diffusione del neurotrasmettitore dal terminale pre-sinaptico di un neurone al terminale post-sinaptico di un altro neurone (sinapsi chimiche))

Cosa spinge le particelle a diffondere?

Considero una goccia di colorante in acqua (solvente), osserviamo che si disperde cioè diffonde, quindi se potessimo monitorare il fenomeno fotografando in determinati istanti, potremmo osservare: la concentrazione delle molecole di un recipiente risulta essere la stessa, si è generato un flusso di particelle che tendono a migrare nelle zone limitrofi. La diffusione è il movimento molecolare generato dall'energia termica (cinetica) e i processi diffusionali sono tanto più rapidi quanto più la temperatura è elevata, che a sua volta è direttamente proporzionale all'aumento dell'energia/agitazione termica.

[ moti browniani (A. Einstein) ]

Flusso molare unidirezionale = è la quantità di soluto (moli) che attraversa un'area unitaria in un'unità di tempo.

Considero: due compartimenti separati da una membrana di lato 1cm, in entrambi abbiamo acqua e poi del soluto s (esempio molecole di glucosio) che tende a dissolversi nell'acqua: la concentrazione delle particelle nel compartimento 1 è maggiore che nel compartimento 2. Se la membrana è permeabile al soluto (glucosio) allora le particelle migreranno dalla zona dove sono maggiormente concentrate a quella dove lo sono meno.

N_A = 6.022 x 10²³ mol^-1 N_A = numero di particelle/numero di moli

Sistema CGS (cm, moli, secondi), n/N_A = quantità in moli del soluto

Ma al netto quante molecole al secondo passano da un compartimento all'altro e che tipo di flusso hanno? Il flusso netto o globale è la differenza tra i due flussi unidirezionali: il flusso unidirezionale dal compartimento 1 -> 2 e il flusso unidirezionale dal compartimento 2 -> 1. Avrà direzione uguale alle direzioni e verso uguale al verso del compartimento di più alta concentrazione.

Quale relazione esiste tra il flusso generato e la forza che lo genera?

Equazione di Teorell: Il flusso è proporzionale alla forza che lo genera (X), a meno di una costante K. X è la forza che trascina le molecole a muoversi in una determinata direzione, è la driving force o forza spingente. Nel caso dei flussi diffusionali direzionali è la forza che coincide con il gradiente di concentrazione, ovvero la differenza che esiste tra i due compartimenti separati dalla membrana, a meno di una certa costante K, dipendente primariamente dalle caratteristiche delle particelle.

1^a Legge di Fick: (diffusione attraverso una membrana) Se un flusso netto di colorante dalla zona ad alta concentrazione passa verso quella a bassa, allo stato stazionario vale la relazione: flusso diffusivo. Simile a quella di Teorell, ma il particolare è che il flusso diffusivo ha come driving force il gradiente di concentrazione e come K la costante di proporzionalità che dipende dalla mobilità del soluto nel solvente (variabile). Dal punto di vista matematico è l'equazione di una retta passante per l'origine con coefficiente angolare K.

Es. se si misura il flusso di O₂ attraverso la membrana (ex-int) esso varia con la concentrazione secondo l'andamento lineare.

Diffusione attraverso una membrana

Osserviamo che dopo un certo istante avvengono piccole fluttuazioni di molecole (glucosio) ma il valore di fatto rimane costante, ovvero mediamente abbiamo la stessa concentrazione di glucosio nei due compartimenti in un certo istante: il sistema ha raggiunto una situazione di equilibrio che è stabile nel tempo statisticamente. Dal punto di vista matematico il numero di molecole di glucosio raggiunge una convergenza, infatti la concentrazione di soluto varia nel tempo con un andamento esponenziale (entrambe le curve).

Decadimento

C_o: concentrazione outside/extracellulare

C_o0: concentrazione iniziale di glucosio = 200

C_o∞= concentrazione di particelle dopo un tempo infinitamente grande (equilibrio) = 110

Aumento

C_i: concentrazione inside/intracellulare

C_i0: concentrazione iniziale = 20

C_i∞: 110

e^(-t/τ) = : tempo in corrispondenza del quale:

• 37%- decadimento è arrivato al 37% del suo valore iniziale: 37% di (C_o - C_∞) = 37% di 143
• 63%- aumento è salito al 63% del suo valore iniziale: 63% di (C_∞ (110) – C_o (20)) = 63% di 77

τ = (tau) è lo stesso per entrambe le curve, è un indice temporale della rapidità con cui il limite viene raggiunto. La concentrazione di un altro tipo di molecole, più piccolo è tanto più l'equilibrio viene raggiunto rapidamente; se τ ci mette di più allora è più grande.

Finora però le molecole sono state di glucosio (neutre), ma se avessimo una migrazione di particelle elettricamente cariche, come gli ioni?

Cloruro di potassio: Le molecole di KCl in un recipiente di acqua tendono a dissolversi, dissociandosi anche, il tutto fino a una situazione di equilibrio.

Migrazione in un campo elettrico

La migrazione in un campo elettrico è lo spostamento di particelle dotate di carica elettrica (positiva o negativa) che si verifica in seno ad una soluzione nella quale si stabilisca un campo elettrico per mezzo di due elettrodi. A=anodo e C=catodo

Introduco due elettrodi collegati a una batteria: l'anodo collegato al polo positivo attrae anioni Cl^-, mentre il catodo attrae i cationi K⁺. Gli ioni K⁺ e Cl^- non sono più inerti e incominciano a migrare, creando un flusso di particelle elettricamente cariche dato dall'esistenza del campo elettrico. Esiste allora una forza, il campo elettrico che genera questo flusso di particelle: il flusso netto sia di cationi K⁺ che di anioni Cl^- è proporzionale alla differenza di potenziale applicata agli elettrodi.

z= valenza dello ioni, K⁺ e Cl^- possono essere diversi e dipendono dalla mobilità (K e Cl possono essere diversi) e dalla concentrazione del soluto (cloruro di potassio).