Fisiologia cellulare

La fisiologia cellulare

La fisiologia cellulare studia il funzionamento cellulare, ovvero tutti i processi che consentono alle cellule di vivere e svolgere funzioni specifiche.

Tutte le cellule contengono 4 famiglie di macromolecole: zuccheri, acidi nucleici, amminoacidi e acidi grassi. Tali macromolecole possono unirsi per formare dei complessi macromolecolari come ad esempio il ribosoma. Inoltre, le cellule sono costituite principalmente da acqua per il 70% e la restante parte sono prevalentemente macromolecole.

Le cellule hanno una membrana plasmatica formata dal bilayer fosfolipidico, ovvero ha le teste polari dei fosfolipidi al di fuori a contatto con l'acqua mentre le code di acidi grassi sono disposte verso l'interno in quanto idrofobiche; tale membrana ha caratteristiche lipofiliche/idrofobiche. In tal caso, le sostanze idrofobiche riescono a penetrare all'interno della cellula per diffusione semplice. Ha inoltre caratteristiche di fluidità, è asimmetrica e dinamica. Un esempio di asimmetria

sono i glicolipidi situati nella membrana tramite la loro porzione proteica e l'altra porzione è rivolta verso l'esterno; e compongono il glicocalice. Sono presenti, inoltre, delle zone dove si concentrano sfingolipidi, colesterolo che formano delle zone dove la membrana ha un ispessimento, definite zattere lipidiche. Diffusione: la diffusione è semplice quando le sostanze che attraversano la membrana sono idrofobiche; mentre sostanze polari e ioni sono fortemente idrofilici e quindi avranno bisogno di canali per poter passare all'interno della cellula. Il trasporto funziona solo se c'è un gradiente di concentrazione (da una zona a maggior a una a minor concentrazione, fino al raggiungimento di un equilibrio). Mentre gli ioni per poter entrare devono sfruttare delle proteine transmembrana che creano un ambiente idrofilico, quindi si considera sia il gradiente di concentrazione sia il gradiente elettrico. L'ione risente delle cariche di membrana, dato che.

la membrana ha un potenziale (voltaggio) con prevalenza di cariche negative nell'ambiente intracellulare e positive in ambiente extracellulare. Ad esempio, se ho uno ione a carica positiva e l'interno della membrana è negativo, lo ione sarà maggiormente attratto verso l'interno facilitando la diffusione.

Processo osmotico: è il trasporto di un solvente (acqua). In questo caso c'è solo un gradiente di concentrazione, ma non quello elettrico visto che non ha cariche. La sua diffusione va dalla zona dove è maggiormente concentrata a quella a minor concentrazione, e il passaggio è permesso tramite dei canali detti "acquaporine".

Pressione osmotica: è una forza che spinge nella direzione dove si pone l'acqua, l'osmolarità fisiologica è di 280/310 mOsm/L. Una soluzione può essere isotonica dove c'è la stessa concentrazione, quindi non si ha osmosi; ipotonica

(menoconcentrata) quindi l'acqua esce e la cellula raggrinzisce e ipertonica (più concentrata) per cui l'acqua entra e la cellula scoppia. Nelle cellule eucariotiche per mantenere l'equilibrio osmotico c'è la pompa sodio-potassio. Quest'ultima trasporta soluti in maniera attiva (c'è bisogno di ATP) e lo fa in antiporto ovvero pompa 3 ioni sodio all'interno e 2 potassio all'esterno della cellula. In questo caso viene espulsa una carica positiva ad ogni ciclo, aiutando così il voltaggio negativo del versante intracellulare. I canali ionici: La membrana ha una conduttanza, ovvero indica la permeabilità della membrana per gli ioni. I canali ionici sono proteine transmembrana e sono selettivi. La selettività è data dalla conformazione e può essere assoluta o relativa, nel primo caso è specifica per un determinato ione, nel secondo fa passare ioni simili (es. tutti cationi). Poi i canali ionici

sono non regolati ( passivi, ovvero sempre aperti) o regolati (c'è bisogno di un segnale per farli aprire).

Canali voltaggio dipendenti: si aprono solo se c'è un cambiamento del voltaggio, oppure persistono canali regolati dal ligando (ovvero da una molecola segnale che si lega al suo recettore e fa aprire il canale).

La membrana è polarizzata, ovvero ha delle separazioni di cariche. Le variazioni del suo potenziale di membrana favoriscono depolarizzazioni (variazione verso un potenziale meno negativo) e iperpolarizzazioni (variazione verso un potenziale più negativo).

Tali condizioni sono sfruttate da cellule eccitabili come quelle muscolari e i neuroni. In queste cellule coesistono sia il potenziale di riposo sia il potenziale d'azione necessari per il funzionamento della giunzione neuromuscolare. Quest'ultima è una sinapsi che connette una cellula nervosa ad una cellula muscolare. Lungo l'assone della cellula nervosa scorre il

Potenziale d'azione che arriva al bottone presinaptico dove ci sono vescicole ripiene di acetilcolina (neurotrasmettitore) stimolandone l'esocitosi. In questo caso ci sono canali voltaggio dipendenti regolati dal calcio, tali si aprono in modo tale che il calcio va nel citosol e avviene una depolarizzazione, contestualmente il calcio attiva delle proteine del citoscheletro che portano alla migrazione di queste vescicole in prossimità della membrana della cellula muscolare dove si fondono e avviene l'esocitosi dell'acetilcolina. Queste molecole di neurotrasmettitore si legano a dei recettori-ligando specifici posti sulla membrana della cellula muscolare per farli aprire e far passare il sodio, visto che sono canali cationici. Successivamente si apre un terzo canale che è quello del sodio regolato dal voltaggio, avviene una depolarizzazione che fa entrare altro sodio fino a raggiungere il potenziale soglia da cui parte un nuovo potenziale d'azione nella

cellula postsinaptica. Tale potenziale viaggia lungo i tubuli T (sul reticolo sarcoplasmatico) per far uscire il calcio che va nel citoplasma. A questo punto il calcio si lega al complesso troponina-tropomiosina e lo sposta per rendere visibili i siti di legame per l'actina. La miosina si lega quindi all'actina dando il cosiddetto "colpo di frusta" che fa avvenire la contrazione muscolare. Il muscolo una volta contratto deve ritornare al punto di partenza, quindi interviene l'ATP che si lega alle teste di miosina rompendo il legame crociato con l'actina e fa sì che comunque la miosina rimanga in una conformazione attiva (in modo tale che se lo stimolo si ripresenta, sarà già pronta a legarsi). Il calcio infine viene pompato contro gradiente all'esterno della cellula e sequestrato nel reticolo sarcoplasmatico.

Giunzioni comunicanti: mettono in comunicazione due cellule vicine tra loro, sono composte da sei subunità dette connessine

(specifichee non intercambiabili) che si uniscono a formare un connessone. Lefunzioni sono di accoppiamento elettrico e metabolico. Nel primocaso il passaggio dello stimolo elettrico tra due cellule è diretto, nelsecondo caso le cellule si mandano il supporto trofico.

IL ciclo cellulare: è composto da 4 fasi: G1, S, G2, M. Le prime 3 fasisono dette interfase. G sta per gap (intervallo), quindi in G1 la cellulaaumenta le sue dimensioni perché il processo che prevale è latrascrizione. S è la fase di sintesi del DNA; G2 la cellula controlla chela replicazione del DNA sia avvenuta correttamente e prevale latraduzione e infine M che è la fase di divisione cellulare (mitosi>cellule somatiche, meiosi > gameti). Inoltre c’è un’ulteriore fasedefinita come G0 dove la cellula va in senescenza.

Mitosi: composta da fasi come profase, metafase, anafase e telofase.Durante la profase la cromatina inizia a condensare all’interno delnucleo,

In metafase s'inizia a formare il fuso mitotico. In questo caso il centromero del cromosoma si lega al fuso e poi durante l'anafase ogni cromatidio viene segregato ai 2 poli del fuso, mentre in telofase si ha la citodieresi, ovvero la divisione del citoplasma per formare due cellule figlie diploidi.

Il ciclo cellulare è controllato grazie a delle chinasi cicline dipendenti. Le cicline regolano le chinasi. Una cellula per entrare in fase M deve far sì che le cicline si uniscano alle chinasi, e poi si devono attivare grazie al legame di due gruppi fosfato alla subunità CDK1 delle chinasi. I due gruppi fosfati hanno uno un effetto inibitorio, l'altro un effetto attivatorio; per cui una fosfatasi rimuove il fosfato ad effetto inibitorio attivando il complesso chinasi-cicline. L'attivazione di tale complesso regola anche altri processi come: la condensazione della cromatina e lo sfaldamento dell'involucro nucleare in interfase.

Un complesso che regola

La fase M è il complesso APC. Si attiva in seguito al legame di una fosfatasi 20 e svolge un'azione proteolitica sulle securine al fine di attivare la separase che taglia a sua volta le molecole di coesine che tengono uniti i cromatidi fratelli per farli migrare ai poli opposti della cellula e regolare così l'ingresso in anafase. L'APC degrada anche le cicline alla fine della fase M.

Meiosi: riguarda i gameti, serve per produrre cellule aploidi (dal corredo cromosomico dimezzato) rispetto la cellula madre. La meiosi consiste in due cicli cellulari senza la fase di sintesi del DNA intermedia. Nella profase I avviene il crossing-over dove i cromosomi omologhi formano delle tetradi e si scambiano pezzi di materiale genetico, conferendo così variabilità genetica. In metafase I le coppie di cromosomi si legano alle fibre del fuso, in anafase I si dividono i cromosomi mentre in anafase II vengono separati ai poli i cromatidi.

SIGNALING: è un processo

Secondo il quale si lega un segnale ad una cellula attivando una risposta. La via per la quale si attua la risposta è detta via di trasduzione del segnale. I segnali possono essere sonori, olfattivi, tattili, o molecole secrete da altre cellule. Una volta che la molecola segnale si lega al recettore posto sulla membrana di una cellula attiva, dal punto di vista intracellulare una serie di eventi a cascata fino ad attivare la proteina bersaglio che evoca la risposta. La segnalazione intracellulare può essere immediata, se il segnale porta ad una risposta in tempi brevi o a lungo termine, se richiede tempo. Oppure può essere autocrina quando la molecola sintetizzata dalla cellula agisce su di lei, paracrina se agisce su cellule vicine, da contatto se agisce sulla membrana di una cellula vicina che ha recettori per quella molecola, sinaptica e endocrina, come nel caso degli ormoni.