Fisiologia cellulare

FISIOLOGIA 3 ottobre 2019

La fisiologia è la branca della biologia che studia il funzionamento del corpo umano in base ai

principi chimico-fisici.

Noi tramite la fisiologia, possiamo capire e dimostrare lo stato di salute o patologico e curarlo.

È una disciplina antica: è nata con Aristotele ed è stata concepita come lo studio dei fenomeni della

natura. Con Ippocrate ha preso il connotato del potere curativo della natura.

! La fisiologia serve per capire come funziona il corpo e come guarire patologie. Ogni stato

patologico è la distorsione di una condizione fisiologica iniziale.

Ci sono diversi livelli a cui si applica lo studio della fisiologia: parte da un livello molecolare e

cellulare per poi arrivare a livello macroscopico. Il livello molecolare è fondamentale a livello

farmaceutico: le molecole sono alla base dei farmaci e quindi serve capire il funzionamento

molecolare del corpo per capire come sviluppare i farmaci stessi.

La fisiologia è utile nell’ambito della farmacia, per la professione del farmacista. E anche nella

ricerca.

Lo studio della fisiologia è quindi uno studio integrato: essa infatti studia come funziona il corpo

umano a ogni livello di complessità (molecole, cellule, tessuti, organi, sistema, apparato, corpo

umano).

Ci sono quindi fenomeni che avvengono su scala diversa: con le cellule si parta di pochi micron o

nanometri e quindi si usano i microscopi; per gli organi e l’organismo, si parlerà di mondo

macroscopico e quindi gli strumenti saranno diversi.

Esempio: movimento.

Si affronta sotto più punti di vista.

Movimento volontario: comandi che il cervello impartisce al muscolo.

Anatomia del muscolo.

Com’è fatta la fibrocellula e quali sono i filamenti contrattili che agiscono.

Si parte dal livello molecolare per poi arrivare al macroscopico.

Lo studio della fisiologia si affronta seguendo principi chimico-fisici. Quelle leggi vengono

applicate al fenomeno e mi permettono di capire se funziona nel modo corretto, e quindi se

l’organismo è in salute o no. Per applicare queste leggi devo però semplificare il sistema. Esempio,

funzionamento del rene e del nefrone: presuppongo che quello che succede nel nefrone è lo stesso

che si ha nel rene ma nel rene ho una somma di nefroni. Questa è una semplificazione ma

comunque che esplica nel modo giusto i concetti.

Devo inoltre dimostrare che le leggi che uso governano quel meccanismo e lo faccio

sperimentalmente con modelli semplificati.

! La fisiologia per ogni problema fisiologico ha un animale modello.

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Esempio: per la memoria, è stata usata da Kandel la clisia (lumaca di mare): ha una forma di

memoria molto semplice, con 12 neuroni. Ci ha permesso di testare le leggi che poi sono state

applicate all’uomo.

Altro esempio è il calamaro gigante per l’eccitabilità delle cellule neuronali: l’assone gigante di

calamaro è il preparato ideale per capire il potenziale d’azione.

FISIOLOGIA CELLULARE

La cellula è l’unità fondamentale dell’organismo: se capisco come funziona la cellula ipotizzo

anche il funzionamento dell’organismo.

Il compartimento intracellulare è separato dall’extracellulare per via di una membrana biologica:

tale membrana ha favorito il successo della cellula poiché rappresenta una barriera per lei. Energia e

materia devono essere scambiati con l’ambiente esterno dalla cellula: devo quindi capire quali sono

le leggi che regolano questi scambi.

La cellula per vivere in un sistema deve ricevere informazioni dal sistema: queste sono infatti

fondamentali per la sua sopravvivenza. Altrettanto importante sono la comunicazione della cellula

con l’ambiente e il movimento della cellula stessa. Su questi 3 capisaldi si basa la fisiologia.

Se la cellula scambia materia con l’ambiente esterno, ogni volta che fa ciò, la cellula potrebbe

modificarsi: ma la cellula così come è, è perfetta! Quindi essa ha meccanismi per mantenere i

propri parametri constanti al variare delle condizioni ambientali. La cellula riceve uno stimolo, crea

una risposta ma mantiene costanti le caratteristiche nelle diverse condizioni. Questo è il concetto del

principio dell’OMEOSTASI: la cellula mantiene costante le sue condizioni anche al variare delle

condizioni esterne. È un processo omeostatico quando sia la cellula che l’organismo non sono fissi

ma sentono gli stimoli che determinano la variazione del loro stato: la cellula e l’organismo quindi

reagiscono a tali stimoli riportandosi al loro livello iniziale. Questo avviene ogni volta che si

presenti uno stimolo ed è responsabile dello stato di salute: quando non si riesce a compensare la

variazione determinata da uno stimolo, si va incontro a stato patologico.

! STATO PATOLOGICO è quando i parametri vitali non sono mantenuti costanti.

Nell’evoluzione l’aggregazione migliora le capacità di sopravvivenza: una singola cellula non

può fare tutto. Quindi le cellule si sono aggregate e ognuna di queste ha cominciato a specializzarsi

generando i tessuti. Se le cellule si specializzano, acquisiscono una capacità specifica più

importante. L’aumento delle dimensioni però porta al fatto che lo scambio di informazioni necessiti

di sistemi specializzati come:

1. Distretto sanguigno: meccanismo di comunicazione lento ma che raggiunge ogni cellula

dell’organismo. Viene usato da cellule endocrine, gli ormoni, che raggiungono ogni distretto

corporeo ma in modo lento.

2. Sistema nervoso: è più rapido. È composto da cellule a contatto che si passano un

messaggio elettrico. È necessario il contatto fisico tra questa catena di cellule e il distretto

corporeo.

In un organismo pluricellulare considero cellule insieme con caratteristiche simili. Liquido

intracellulare è simile in tutte le cellule quindi CHIEDI

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Non c’è differenza tra plasma e liquido intra ???

L’organismo (così come la cellula) si interfaccia con l’ambiente esterno: ha come barriera fisica, la

cute e i sensori sono le cellule sensoriali, che consentono all’organismo di percepire gli stimoli.

! Le esigenze dell’organismo sono le stesse della cellula. La capacità adattiva e di mantener

costanti le condizioni è fondamentale sia per l’organismo che per la cellula. 4 ottobre 2019

LE MEMBRANE BIOLOGICHE E IL TRASPORTO

DI MEMBRANA

La cellula deve trasferire energia e sostanza con l’ambiente per sopravvivere.

Parlando di fisica, si distinguono:

a. Sistemi isolati: non scambia niente con l’ambiente, né materia né energia. Come l’Universo.

b. Sistemi chiusi: scambia solo energia con l’ambiente, ma non materia. Come la Terra.

c. Sistemi aperti: è il sistema più complesso perché per poter sopravvivere deve scambiare sia

energia che sostanza. Come la cellula e l’organismo.

Per semplificare l’essere vivente con qualcosa di fisica, la cellula è una macchina termica:

quest’ultima ha bisogno di energia per svolgere un lavoro verso l’ambiente esterno. Il processo non

ha rendimento massimo: per questo l’energia viene dispersa sotto forma di calore.

La cellula è quindi paragonabile a una macchina termica che lavora sempre: ha infatti bisogno di

energia che deriva dagli alimenti ed è intrappolata nei legami chimici degli alimenti stessi. Questa

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energia viene in parte utilizzata istantaneamente e in parte immagazzinata, storata sotto forma di

molecola di ATP. Questa energia viene utilizzata per compiere:

lavoro interno, per mantenere l’ordine della cellula. Questo ordine viene mantenuto solo con

− lavoro.

lavoro esterno, attraverso il lavoro di trasporto che consente alla cellula di comunicare con

− l’ambiente esterno.

Entrambi questi utilizzi di energia non sono efficienti al 100% quindi parte del lavoro viene speso

come calore. Il calore è fondamentale per mantenere vitali le reazioni nel nostro organismo, ad

esempio generare la temperatura e mantenerla costante.

Esempio: i brividi. Li emettiamo inconsciamente per generare calore.

Il flusso di energia nel sistema vivente è fornita dal glucosio (sorgente energetica che noi usiamo): è

l’energia usata per generare energia ed è il nostro sistema di stoccaggio di energia.

L’idrolisi dell’ATP a ADP genera un’altissima quantità di energia: è infatti una reazione

esoergonica che serve a sostenere tutta l’attività della cellula.

Il sistema vivente è un sistema termodinamicamente aperto che scambia energia e materia con

l’ambiente esterno.

Problema delle barriere

Sia cellula che organismo hanno una barriera: la cellula ha la membrana mentre l’organismo ha

l’apparato tegumentario. Queste rendono possibile lo sviluppo della cellula e dell’organismo ma

serve un modo per superarle per permettere passaggi di materia tra interno e esterno di cellula e

organismo.

La MEMBRANA PLASMATICA separa la cellula dall’ambiente extracellulare. Ci sono strutture

che permettono il passaggio di sostanze e energia, sistemi recettoriali, che permettono alla cellula di

percepire variazioni dell’ambiente e che le permettono in seguito di rispondere.

Per il farmacista è importante la membrana plasmatica perché succede che tossine possano bloccare

i meccanismi di trasporto della cellula a livello della membrana.

STRUTTURA DELLA MEMBRANA CELLULARE

Le membrane biologiche hanno una natura lipidica e in ambito farmaceutico servono per il

passaggio di farmaci. Molti farmaci vanno infatti a modulare l’attività di alcuni trasporti di

membrana.

Esempio: l’inibitore della pompa protonica delle cellule a livello gastrico viene inibito

dall’omeoprazolo che agisce a livello dello stomaco contro l’acidità.

Oppure cellule tumorali: i farmaci chemioterapici ad un certo punto non funzionano più a causa

della resistenza chemioterapica la quale è dovuta a pompe protoniche che buttano fuori dalla cellula

il farmaco.

! Le membrane sono alterate in condizione patologica.

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Per favorire il passaggio di sostanze attraverso la membrana plasmatica serve conoscere la stessa.

Essa è costituita da un doppio strato lipidico e la sua struttura segue la teoria del mosaico fluido.

La cellula è in grado di consentire il passaggio di

sostanze perché lo strato che la costituisce è fluido,

mobile, non statico. Oltre ai lipidi si trovano

proteine, le quali modifiche conformazionali

consentono il trasporto delle molecole. Queste

sono possibili solo se la struttura è plastica,

mobile.

La componente lipidica è la maggioranza mentre

quella proteica cambia da cellula a cellula: essa è

la componente selettiva e specifica per ogni

cellula. I sistemi di trasporto selettivi si trovano

quindi nei particolari tipi di cellule.

componenti lipidiche

Le essenziali delle membrane sono:

1. FOSFOLIPIDI: formano la struttura della membrana.

Hanno un ruolo strutturale.

➢ Hanno una natura anfipatica con testa

➢ polare (formata dal glicerolo, dal gruppo

fosfato e/o da residui che contengono uno o

più gruppi polari –OH, come la colina),

disposta a contatto con ambiente liquido

intracellulare e extracellulare, e coda

apolare che rappresenta il core idrofobico

della membrana biologica entro il quale si

integrano le proteine.

La coda è formata da catene idrocarburiche di acidi grassi con atomi di C in numero

regolare, attorno a 12-20 atomi di C, i quali danno lo spessore della membrana La

lunghezza e la presenza di doppi legami nelle catene influisce sulla permeabilità e

fluidità della membrana. Una membrana fluida è con doppi legami favorisce la

mobilità dei lipidi oltre che il cambiamento conformazionale delle proteine.

I fosfolipidi hanno diversa composizione nei a lati della membrana.

➢ Le molecole possono muoversi secondo 3 movimenti:

➢ 1. Rotazione: le molecole ruotano attorno al loro asse

longitudinale

2. Diffusione laterale: i fosfolipidi diffondono nel piano

della membrana

3. Diffusione trasversale: anche chiamato flip-flop,

quando si ha il passaggio di un fosfolipide da una

parte opposta all’altra della membrana.

In questo modo la membrana è permeabile.

2. GLICOLIPIDI: in quantità minoritaria.

33 Sono simili ai fosfolipidi per la struttura ma hanno in più la componente degli

➢ zuccheri, o mono o disaccaridi.

Si affacciano solitamente sul lato extracellulare.

➢ Hanno ruoli aggiuntivi non strutturali. Essendo sul lato extracellulare

➢ svolgono il ruolo di protezione: funge infatti da barriera protegge la

cellula da enzimi digestivi e da cambiamenti di pH.

Hanno un ruolo anche nel modulare la carica di superficie, ovvero la

➢ differenza di carica tra ambiente extra e intracellulare. Ci spiega quindi

come cellule neuronali generano e conducono la carica. Sono implicati

anche nell’isolamento elettrico, perché si trovano nella mielina.

Hanno un ruolo importante nell’adesione cellulare.

➢

! Sono una componente peculiare che fornisce proprietà aggiuntive al

doppio strato.

3. COLESTEROLO: in quantità minoritaria.

È il principale sterolo della membrana con testa polare piccola con gruppo –OH; ha

➢ poi ha 4 anelli sterolici e una corta catena di acidi grassi.

Si interpone nel doppio strato con gli anelli.

➢ Ha il ruolo di:

➢ a. Aumentare mobilità laterale di fosfolipidi

b. Controllare la fluidità della membrana

c. Controllare la permeabilità all’acqua della membrana. Nel globulo rosso

la permeabilità è massima perché ho poco colesterolo; nel rene la

permeabilità è minima perché trovo molto colesterolo.

! Più colesterolo ho, più la membrana è rigida.

Esempio: negli animali che vanno in letargo la quantità di colesterolo nelle

➢ loro cellule diminuisce se no cellule

solidificherebbero. Quindi tali animali giocano sulle

quantità colesterolo.

I lipidi hanno non solo ruolo struttura ma sono anche molecole segnale. Vi sono infatti molecole

segnale (come DAG e IP3) che originano da lipidi e che costituiscono segnali che inducono cascate

intracellulari.

Nella membrana plasmatica, i lipidi non sono uniformemente distribuiti nella cellula ma si

associano tra loro e formano delle zattere lipidiche.

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I picchi che si notano sono proteine, le zattere sono costituite da fosfolipidi che qui si arricchiscono

i recettori o canali ionici; le zattere hanno quindi un ruolo importante perché sono piattaforme per la

trasduzione del segnale o per il trasporto di molecole. Sono anch’esse strutture dinamiche.

! La membrana quindi è plastica e la cellula può modificarla modificando di conseguenza le

sue proprietà.

proteine di membrana

Le formano la componente più variabile della membrana, differente da

cellula a cellula e da membrana a membrana.

Prendendo in considerazione la composizione % della membrana varia a seconda della cellula presa

in esame:

MEMBRANA LIPIDI PROTEINE CARBOIDRATI

Di globuli rossi 43 49 8

Mielinica di neuroni 79 18 3

Mitocondriale interna 24 76 0

Reticolo 33 67 0

sarcoplasmatico

Dove la membrana ha funzione enzimatica, la quantità di proteine aumenta. Dove la membrana ha

funzione di barriera la quantità di proteine diminuisce.

! Le caratteristiche funzionali di ogni cellula dipendono dal tipo di proteine espresso in

quella cellula.

Ci sono proteine:

1. Integrali: attraversano più volte la membrana e generano pori acquosi intracellulari

fondamentali per il passaggio di sostanze.

2. Periferiche

3. Ancorate ai lipidi.

4. Ancorate al citoscheletro: sono fondamentali per reclutare a arricchire i domini specifici

della membrana. Sono molto efficaci in quello specifico punto della cellula e devono essere

trattenute saldamente lì. Per farlo si associano al citoscheletro così che anche se i lipidi si

muovono, esse comunicano tra loro e sono salde, così la risposta della cellula è efficace

grazie all’attivazione della cascata di segnale. FANNO PARTE DI QUELLE

PERIFERICHE????

In base alla funzione si hanno:

1. Proteine strutturali

2. Enzimi

3. Recettori che trasducono segnale: consentono a cellula di comunicare con altre

4. Canali e trasportatori: mediano il trasporto di sostanze.

3 e 4 sono di interesse per la fisiologia.

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Quindi…

TRASPORTI ATTRAVERSO LE MEMBRANE

BIOLOGICHE

Parleremo di soluti che si spostano: è quindi necessario sapere le unità di misura che li identificano.

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• Mole: 6x10 atomi o molecole

Peso di una sostanza: peso molecolare (PM) x numero di moli

• Molarità: numero di moli/ L di solvente (acqua)

• + + -9

• pH: -log[H ] dove [H ] plasmatica = 40x10 moli/L pH= 7.4

®

Osmolarità (Osm/L): numero di particelle osmoticamente attive nelle quali un soluto si

• dissocia in 1L di solvente (acqua, solvente di eccezione delle cellule).

Osm sta per osmoli. Noi parleremo di milliosmoli/L.

1 mol di glucosio = 1 Osm

−

36 1 mol di NaCl = 2 Osm perché quando dissociato NaCl in Na+ e Cl- mi offre ben due

− particelle osmoticamente attive.

Osmolalità: (Osm/Kg): N particelle osmoticamente attive nelle quali un soluto si dissocia/

• Kg di solvente.

Nei sistemi biologici l’acqua si sposta. Per valutare il suo spostamento si usa l’OSMOLE che è il

numero di particelle che contribuiscono alla pressione osmotica di una soluzione. CHIEDI

DEFINIZIONE

Se si osserva la concentrazione dei soluti nell’ambiente intra ed extracellulare, ci si accorge che è

diverso; questo è fondamentale per spiegare le funzioni della cellula. Questa diversa

!

concentrazione viene generata dal LAVORO DI TRASPORTO. Quindi l’ambient