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 2 strati di cui

5

uno esterno e uno interno, di spessore totale di circa

nm . barriera selettiva

La membrana è una ovvero non

permette la fuoriuscita degli organelli intracellulari e al

contrario permette a determinate molecole di poter

flussi

entrare e riuscire: ha la capacità di generare

unidirezionali di molecole (nutritizie, O2 comportandosi

come un diodo dal punto di vista elettrico), per le molecole non desiderabili (inutili o

microrganismi) di non farli entrare, 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.

Sono composte di: barriera idrofobica

1. Lipidi: che creano un doppio strato che costituisce una

Es. acqua e molecole idrofile (ioni) non possono attraversare

fosfolipidi, glicolipidi e colesterolo

Per la maggior parte sono

2. Proteine: che conferiscono la specificità alle funzioni svolte dalla membrana

come il passaggio delle molecole e ioni idrofile.

a) Proteine periferiche legate alla superficie della membrana

b) Proteine integrali – contengono domini idrofobici e idrofilici 

anfipatiche

c) Glicoproteine (integrali) – contengono molecole glucidiche recettori di



superficie Lipidi

Composizione:

Fosfolipidi = 2 componenti distinte:

 testa polare idrofilica gruppo

la contenente il

fosfato catena

(attrae molecole d’acqua),

idrocarburica idrofobica 2 code di acidi

con

grassi, di cui la sinistra con atomi di carbonio

legati da legami idrogeno singoli, mentre

covalente

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.

Sono dette perciò anfipatiche, ovvero hanno un’ambivalenza data dalla

presenza di una testa idrofila e una coda idrofobica. testa idrofilica

Glicolipidi = 2 componenti: la

 costituita, al posto del gruppo fosfato, da

glucidi,

molecole di è rivolta verso l’esterno

catene idrocarburiche apolari

(glicocalice) e le

idrofobiche.

Alcuni atomi della componente glucidica della

elettricamente carichi

testa, sono , perciò

possono attrarre molecole d’acqua (idrofile).

Sono disposti solamente sul monostrato esterno,

del quale rappresentano il 5% circa.

testa

Colesterolo = la è costituita da un

 –OH idrofilico

gruppo attaccata a una

anello steroideo planare

componente ad

rigido, catena

notevolmente con breve

idrocarburica (più corta rispetto ai fosfolipidi e

glicolipidi).

Organizzazione

Se iniettiamo nell’acqua i fosfolipidi, possiamo osservare la formazione

micella liposoma,

di certe strutture: una o un di cui in entrambi i casi le

teste idrofiliche sono rivolte verso l’ambiente acquoso (extracellulare).

monostrato

La micella però costituisce un 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, sempre 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 micro-

pipetta 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

vescicole,

natura esistono le 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

• importante per la comunicazione

bilayer e ne favorisce le interazioni:

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

• proteine

La fluidità è utile per il passaggio di molecole attraverso le di membrana, che

modificano la loro conformazione, nel bilayer favorendone le interazioni, utili per la

comunicazione cellulare, permette alle membrane di fondere e mixare le molecole.

Tale modifica è possibile però 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.

E’ lo stretto impacchettamento delle code idrofobiche che aumenta la rigidità del

bilayer, rendendo meno fluida la membrana.

Fattori che influenzano:

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.

legami/nodi

- il numero dei doppi (insaturi): tanto maggiore tanto è ridotta la fluidità.

colesterolo nodi

- modula la fluidità della membrana, ovvero riempie i buchi tra i delle

catene insature (doppi legami), insinuandosi tra la 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

Se isoliamo un tratto di membrana plasmatica e

analizziamo la composizione del bilayer, notiamo

fosfatidicolina

che è asimmetrico: la è presente

fosfatidilserina

solo sul layer esterno, la solo

interno.

sul layer

I glicolipidi sono presenti soltanto sul versante

extracellulare non su quello intracellulare.

Proteine

50% struttura secondaria

Costituiscono il della massa del plasmalemma, hanno che

può essere: elica: aa idrofobici



- vengono a contatto con le code

apolari dei lipidi, formando dei 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.

foglietto/pieghettato: legami



- la proteina ha dei

idrogeno tra gli aa, che le permette di chiudersi su sé

proteine porine

stessa creando un poro: le 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,

 anse,

formando delle 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), ed

interposte tra un dominio recettoriale extracellulare

e dominio catalitico, dotato di funzione enzimatica

intracellulare.

Ancorate = si ancorano al bilayer lipidico



formando delle interazioni, tramite a 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

legame peptidico:

tra loro con l’idrofobicità è nella

scelta degli aa che costituiscono quella data porzione.

Ci sono 4 principali aa idrofobici:

Triptofano, Fenilalanina, Prolina, Isoleucina.

Funzioni svolte dalle proteine di membrana

1. Trasportatori porine,

Struttura quaternaria, come le aventi un poro attraverso il quale

fluiscono ioni o molecole

2. 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.

3. Recettori

Sono in grado di legare e captare un messaggero e cambiando di conformazione

di inviare il messaggio.

(il messaggero rimane attaccato alla proteina, all’interno della cellula)

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.

4. Enzimi

In grado di accelerare determinate reazioni biochimiche, sono dei catalizzatori

biologici.

AMP-ciclico

Es. prodotto da ATP grazie adenilato-ciclasi, un enzima che accelera

la produzione.

La forma della cellula e le proprietà meccaniche della membrana sono determinate

cortex cellulare

dalla - una trama di proteine fibrose attaccate al lato citosolico della

membrana glicoproteine,

Glicocalice = tutti i carboidrati delle

proteoglicani glicolipidi non

e localizzati sul lato

citosolico della membrane 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

(oligosaccaridi)

molecole di zuccheri legati verso il

versante extracellulare.

I proteoglicani invece sono proteine di membrana che

polisaccaridiche

possono avere una o più lunghe catene

legati, quindi una struttura più ramificata ed estesa.

glicocalice

Il protegge la superficie cellulare dal danneggiamento meccanico (tra

cellule) e chimico (antigeni), lubrificando inoltre la superficie assorbendo acqua.

E’ 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

diffusione

La è una proprietà fisica fondamentale in tutti i processi biologici e

costituisce il motore tramite il quale le cellule possono generare segnali; si verifica

differenza di concentrazione.

quando tra due regioni di una soluzione esiste una

flussi diffusionali,

E’ attraverso i di particelle dalla concentrazione maggiore verso

quelle a concentrazione minore, che sono possibili numerosi processi:

l’O passa dagli alveoli polmonari al sangue, oppure che anche molecole nutritizie

2

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, così come anche 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

molecole di glucosio

abbiamo acqua e poi del soluto s (esempio ) che tende a

disciogliersi 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. 23 -1

N = 6.022 x 10 mol

A

N = numero di

A

particelle/numero di moli

Sistema CGS (cm,moli,secondi), n/N = 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 sperati dalla

membrana, a meno di una certa costante K, dipendente primariamente dalle

caratteristiche delle particelle.

1^ 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 ha come driving

force il gradiente di concentrazione e come K la costante di proporzionalità che

d

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 .

d

Es. se si misura il flusso di O attraverso la membrana (ex-int) esso varia con la

2

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

situazione di equilibrio

raggiunto una 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

Co: concentrazione outside/extracellulare

Co0: concentrazione iniziale di glucosio =

200

Co∞= concentrazione di particelle dopo

un tempo infinitamente grande

(equilibrio) = 110

Aumento

Ci: concentrazione inside/intracellulare

Ci0: concentrazione iniziale = 20

Ci∞: 110 τ

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

quale: 37%

- decadimento è arrivato al del suo valore iniziale: 37% di (co – c ∞) = 37% di

143 63%

- aumento è salito al del suo valore inziale: 63% di (c∞ (110) –co (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

τ,

viene raggiunto rapidamente; se ci mette di più allora più grande.

τè

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

disciogliersi, dissociandosi anche, il tutto fino a una situazione di equilibrio.

Se sottoponiamo il sistema a un campo elettrico?

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 capo 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 = costate di proporzionalità dipendente dalla mobilità (K e Cl possono essere

e

diversi) e dalla concentrazione del soluto (cloruro