Fisiologia Umana

Cellula eucariote

Le cellule eucariote sono più complesse e più grandi rispetto a quelle procariote (10 volte più grandi). Caratteristica principale che contraddistingue le eucariote da procariote è la presenza del nucleo racchiuso all'interno (aspetto non è rispettato dagli eritrociti).

Membrana plasmatica

La membrana plasmatica separa l’ambiente intracellulare da quello extracellulare.

• Funzioni: trasporto selettivo molecole dentro-fuori cellula, attraverso proteine di membrana;
• Comunicazione intercellulare attraverso recettori proteici o neurotrasmettitori-ormoni;
• Presenza di complessi proteici con attività enzimatica.

Struttura

All'interno della membrana troviamo lipidi e proteine. I lipidi di membrana sono composti da fosfolipidi (diversi tipi), molecole anfipatiche, cioè caratterizzate da una testa “polare” e quindi idrofila e due code “apolari” cioè idrofobe che formano un doppio strato fosfolipidico, in cui sono immerse proteine e altri componenti presenti in quantità minore. Nel doppio strato fosfolipidico, le code dei fosfolipidi sono rivolte all'interno, mentre le teste idrofile rivolte verso l'ambiente acquoso del versante interno ed esterno.

I fosfolipidi possono differire in termini di lunghezza delle catene di acidi grassi, numero di doppi legami e presenza di gruppi polari (contenenti gruppi fosfato). Le diverse tipologie di fosfolipidi si dispongono in maniera diversa nella costituzione della membrana.

Altri lipidi presenti nella membrana

• Colesterolo (steroide): La sua struttura ciclica e rigida permette di svolgere un ruolo di regolatore della fluidità della membrana cellulare, conferendole un'adeguata compattezza con la sua struttura ciclica, evitando così che la membrana cristallizzi a basse temperature, perdendo la sua funzionalità biologica (aumenta la stabilità meccanica e la flessibilità delle cellule, così facendo però diminuisce la permeabilità a piccole cellule idrosolubili). Si trova in prossimità di un acido grasso insaturo e la sua regione polare sporge nello strato acquoso extracellulare.
• Glicolipidi: Tra i quali il glicosilfosfatidilinositolo (GPI), svolge un ruolo importante nell'ancorare le proteine al foglietto esterno. Anche in questo caso la regione polare sporge nella faccia esterna, mentre la parte idrofobica si trova all'interno.

Funzione e fluidità della membrana

Il doppio strato fosfolipidico rende stabile l'intera struttura della membrana e le catene di acidi grassi ne determinano la fluidità, inoltre sono un'efficace barriera a sostanze idrofile. La variabilità della fluidità della membrana (stato di liquido-cristallino a temperatura fisiologica) è determinata da diversi fattori.

• Quelli che l’aumentano sono: aumento temperatura, presenza di acidi grassi a catena corta, aumento dell'insaturazione degli acidi grassi, scarse molecole di colesterolo.
• Quelli che la diminuiscono sono: interazione dei gruppi negativi dei fosfolipidi (gruppo fosfato) con ioni Ca²⁺.

Un'adeguata fluidità è essenziale per lo svolgimento di molte funzioni della membrana stessa. Questa fluidità permette ai fosfolipidi e alle proteine a essi associate di spostarsi lateralmente nello strato della membrana in cui si trovano, per tale motivo viene definita a mosaico fluido. Poiché le molecole, a temperature più basse, si muovono lentamente e la fluidità diminuisce, le varie funzioni della membrana possono rallentare. Per risolvere questo problema, alcuni organismi cambiano la composizione lipidica delle loro membrane quando si trovano a basse temperature, sostituendo grassi saturi con grassi insaturi per aumentare la fluidità.

Alcune membrane contengono lipidi (sfingolipidi, colesterolo) che si aggregano a formare raft lipidici (zattere), al quale sono associati specifiche proteine che si muovono su di essa. Tra le funzioni dei raft lipidici c’è quella di segregare meccanismi e molecole di segnale.

Proteine di membrana

Le proteine di membrana costituiscono quasi il 50% della composizione della cellula. Si classificano in:

• Proteine integrali: sono immerse nel bilayer fosfolipidico, dove amminoacidi idrofobici si associano a catene di acidi grassi (idrofobiche anche loro). Ci sono poi proteine integrali, denominate proteine transmembrana, le quali attraversano completamente il bilayer affacciandosi sulla faccia esterna e interna. Per questo loro orientamento, tali proteine hanno sia una regione idrofobica a forma di alfa-elica, che si estende attraverso lo spazio idrofobico dell’intera membrana; sia una idrofilia gli amminoacidi costituenti questa regione, sono esposti all’ambiente acquoso su entrambi i lati.
• Proteine ancorate: sono ancorate alla membrana per mezzo di ancore lipidiche localizzate in uno dei due foglietti del bilayer (esterno-interno). In particolare proteina e molecola lipidica, sono connesse mediante legame covalente (es. glicolipide localizzata sul foglietto esterno, ancora le proteine a tale foglietto).
• Proteine periferiche: si associano con i gruppi polari di testa dei lipidi di membrana, ma più comunemente si legano a proteine integrali o proteine ancorate. Le proteine periferiche vengono facilmente rimosse dalla membrana, mentre quelle integrali e ancorate richiedono detergenti.

Nucleo

Il nucleo contiene la maggior parte del materiale genetico della cellula (DNA), e svolge varie funzioni:

• È la sede della replicazione del DNA;
• Controlla le attività cellulari;
• Assemblaggio dei ribosomi a partire da RNA e proteine specifiche che avviene in specifiche regioni detti: nucleoli.

Membrana nucleare

Il nucleo è formato da due membrane, ognuno delle quali è un doppio strato fosfolipidico, che nel loro insieme formano la membrana nucleare. Le due membrane sono separate da uno spazio di circa 10-20 nm e sono perforate da circa 3500 pori nucleari (diametro 9 nm), che collegano l’interno della cellula con il citoplasma. A livello di questi pori, la membrana esterna del rivestimento nucleare è in continuità con quella interna. I pori sono costituiti da oltre 100 diverse proteine che interagiscono tra loro attraverso interazioni idrofobiche.

Funzione dei pori nucleari

I pori nucleari sono i canali che regolano il movimento di materiali tra il nucleo e il citosol (funzionano un po’ come i cancelli a tornello degli stadi). Attraverso i pori passano piccole sostanze come ioni e molecole con peso molecolare inferiore a 10.000 Da. Anche molecole più grandi possono passare attraverso i pori, ma con un tempo maggiore. Il passaggio per molecole di grandi dimensioni, come ad esempio le proteine sintetizzate nel citoplasma, hanno bisogno di una sequenza segnale (sequenza di aminoacidi) che permette di legarsi ad un recettore proteico del poro, che ha una forma tridimensionale, comportando il cambiamento della struttura tridimensionale del recettore così che esso stira il poro per lasciar passare la proteina che viene così fatta entrare nel nucleo.

In certi siti, la membrana esterna dell’involucro si estroflette verso il citoplasma e risulta in continuità con la membrana di un altro organello, il reticolo endoplasmatico.

Organelli citoplasmatici

Inoltre nella eucariote sono presenti molti altri organelli citoplasmatici immersi nel citoplasma:

• Mitocondri: I mitocondri sono la sede della respirazione cellulare. Da un punto di vista strutturale hanno due membrane: una membrana esterna liscia e protettiva, che offre poca resistenza al passaggio di sostanze verso e dal mitocondrio; una membrana interna che esercita un controllo molto più stretto su ciò che entra ed esce dalla matrice mitocondriale, la quale contiene quegli enzimi che permettono di svolgere il ciclo dell’acido citrico, beta ossidazione, ossidazione amminoacidi, ciclo urea. Tale membrana tende poi a ripiegarsi verso l’interno in molti punti dando origine a strutture che vengono chiamate creste mitocondriali, sulle quali sono presenti complessi enzimatici che andranno a costituire la catena trasporto degli elettroni e sui quali avviene il processo di fosforilazione ossidativa. All’interno della matrice è anche presente del DNA ciclico che comprende 16.659 nucleotidi, ed è composto da 37 geni. I geni mitocondriali, nell’uomo, sono ereditati per linea materna, in assenza di mutazioni il DNA della madre è identico a quello del figlio, e così per le generazioni successive, per i discendenti di linea materna. Il mtDNA svolge funzioni di codifica numerosi enzimi necessari alla fosforilazione ossidativa, codifica RNA necessario per trascrizione e traslazione mtDNA, responsabile processi patogeni in seguito a mutazione mtDNA, coopera con genoma nucleare nell’espressione di geni nucleari-mitocondriali.
• Reticolo endoplasmatico ruvido: È un’estesa rete membranaria presente in tutto il citoplasma, ed è particolarmente sviluppato nelle cellule che producono e secernono proteine. La sua caratteristica rugosa è dovuta alla presenza sulla superficie della membrana dei ribosomi. In questo organello vengono espletate le funzioni di traslazione mRNA e la modificazione post-traslazionale delle proteine destinate ad essere secrete dalla cellula.
• Reticolo endoplasmatico liscio: Mancano i ribosomi, determinando una superficie liscia. All’interno del lume del REL, possono entrare le proteine sintetizzate del RER che subiscono delle modifiche conformazionali; oltretutto il REL svolge altre importanti funzioni come quella di sintesi di lipidi e ormoni steroidei ed è responsabile della detossificazione da farmaci e veleni. Nel muscolo scheletrico e cardiaco, prende il nome di reticolo sarcoplasmatico liscio e svolge la funzione di coordinare la contrazione muscolare, immagazzinando ioni Ca²⁺ e rilasciandoli.
• Apparato di Golgi: È costituito da cisterne appiattite, definite sacculi e da piccole vescicole racchiuse da membrana, definite vescicole del Golgi. L’apparato di Golgi, sembra avere tre parti funzionali distinte: una base, un compartimento di mezzo e un apice. I sacculi localizzati nel compartimento di base, costituiscono la regione cis (stesso lato) che è la più vicina al nucleo, mentre quelli disposti nel compartimento apicale costituiscono la regione trans. Nei sacchi che caratterizzano la regione CIS si fondono le vescicole provenienti dal RER, le quali permettono il trasferimento all’apparato di Golgi delle proteine sintetizzate nel RER. A livello della regione TRANS dell’apparato di Golgi, le proteine subiscono modificazioni (es. glicosilazione) e vengono divise in pacchetti che andranno poi ad essere smistate ad altre parti della cellula (es. membrana plasmatica, lisosomi, ecc).
• Lisosomi: Sono organelli associati alla membrana con un interno acido (pH=4,5) e nel quale sono contenuti numerosi enzimi (proteasi, nucleasi, lipasi, glicosidasi). La sua funzione è quella di degradazione di quelle sostanze esterne portate all’interno della cellula attraverso processi di endocitosi e fagocitosi. I lisosomi degradano anche gli organelli intracellulari attraverso il processo di autofagia. Gran parte di quanto viene degradato, va poi ad essere riciclato dalla cellula. Il processo di degradazione non è casuale e in molti casi ha un bersaglio preciso.
• Proteasomi: Hanno funzione digestiva, ma al contrario dei lisosomi, non sono associati alla membrana. Servono a degradare principalmente le proteine intracellulari selezionate per la degradazione (ma possono anche degradare proteine associate alla membrana).
• Ribosomi: Si trovano in tutto il citosol, dove svolgono la funzione di tradurre l’mRNA per le proteine citosoliche e per le proteine che non verranno né secrete nella cellula né incorporate nella membrana, come ad esempio gli enzimi per il mitocondrio.
• Perossisomi: Sono organelli costituiti da una sola membrana, dove al loro interno sono presenti tre enzimi specializzati nella decomposizione dei perossidi tossici (perossido di idrogeno H₂O₂): Uricasi, D-aminoacido-ossidasi e catalasi. Essi svolgono la funzione di decomporre i perossidi tossici senza che vadano in contatto con altre componenti della cellula, in quanto essendo altamente tossici, sono in grado di danneggiare le membrane e le macromolecole biologiche. I perossisomi delle cellule del fegato partecipano inoltre alla detossificazione, cioè alla demolizione di molecole dannose, come ad esempio l’alcol.
• Citoscheletro: È composto da:
• Microfilamenti (filamenti actina): nelle cellule muscolari hanno un ruolo essenziale nell’attività contrattile; in altre cellule (macrofagi) hanno un ruolo nella locomozione; costituiscono l’interno dei microvilli; legano l’interno della cellula con cellule adiacenti attraverso giunzioni cellulari.
• Filamenti intermedi: Hanno funzionalità principalmente strutturale e sono in grado di legare l’interno della cellula alle cellule adiacenti e alla matrice extracellulare circostante attraverso desmosomi e emidesmosomi.
• Microtuboli: Svolgono varie funzioni: trasporto all’interno della cellula di vescicole (es. trasporto vescicole contenenti neurotrasmettitori da soma neurone lungo assone) attraverso proteine motrici (chinesina trasporto centro cellula periferia; dineina trasporto periferia centro); spostamento cromosomi durante mitosi e meiosi, movimento ciglia e flagelli (es. coda spermatozoi). Vicino al nucleo della cellula si trova un centro organizzatore dei microtuboli, dal quale essi si estendono verso la periferia della cellula.

Membrana cellulare: trasporto trans-membrana

Liquidi intracellulari ed extracellulari sono costituiti principalmente da H₂O, in cui sono disciolti soluti (ioni, glucosio, amminoacidi). Il normale funzionamento cellulare richiede il continuo spostamento di H₂O e soluti attraverso le pareti della cellula, ma la presenza della membrana plasmatica, con il suo interno idrofobico, costituisce una barriera al movimento di "quasi" tutti i soluti, compreso H₂O. Il loro passaggio è mediato grazie alla presenza di specifiche proteine trasportatrici. Possono invece passare senza il bisogno di trasportatori gas (es. O₂, CO₂) e etanolo.

Proteine trasportatrici di membrana

• Canali idrici (acquaporine): Oltre ad attraversare la membrana per osmosi, l’H₂O si serve di specifici canali ad attività controllata. In questi canali, il passaggio di acqua che può entrare e uscire dalla cellula può essere modulata attraverso il meccanismo di gating (apertura-chiusura canale). Nonostante ciò, questi canali possono rimanere aperti continuamente, funzionando come dei pori ad attività non controllata. Questi canali si dividono in quelli permeabili solo a H₂O e in quelli permeabili anche a sostanze a basso peso molecolare e prendono il nome di acquagliceroporine, in quanto permettono il passaggio del glicerolo.
• Canali ionici: Sono presenti in tutte le cellule (particolarmente importanti per il funzionamento di cellule eccitabili: neuroni, cellule muscolari). Caratteristiche proprie dei canali ionici che permettono di differenziarsi l’uno con l’altro sono:
• Selettività: Avremo canali che permetteranno il passaggio di uno specifico ione, altri che saranno non selettivi consentendo il passaggio di tutti gli ioni (cationi-anioni). Come vengono riconosciuti se anioni-cationi? Il canale è formato da amminoacidi che a seconda della polarità (+ o -) attraggono rispettivamente cariche (- o +).
• Come avviene la selezione di ioni aventi la stessa carica? (es. Na⁺ - K⁺) Sebbene il numero atomico di Na⁺ sia inferiore di quello di K⁺, il diametro complessivo di Na⁺ è maggiore di quello di K⁺ perché proprio in virtù delle sue dimensioni inferiori Na⁺ è circondato da un alone di H₂O di idratazione più grande di quello che circonda K⁺. I canali ionici per Na⁺ si trovano ad utilizzare un meccanismo di selezione basato sulla disidratazione del Na⁺ cioè il canale Na⁺ è formato da amminoacidi polari che attraggono molecole H₂O spogliando il Na⁺ il quale si trova nelle sue dimensioni originali, a questo punto la selezione viene fatta in base alla grandezza atomo Na⁺ (più piccolo del K⁺). I canali per K⁺ si servono di un meccanismo selettivo basato sulla grandezza K⁺.
• Regolabilità (meccanismo di gated): Ci sono canali sempre aperti, altri oscillano tra aperto-chiuso. Tale regolabilità è determinata da fattori come: voltaggio membrana, messaggeri intracellulari (Ca²⁺, ATP, GMPc), molecole eccitatore-inibitore (es. acetilcolina apertura canali per ingresso cationi nella placca motrice cellula muscolare scheletrica).

Trasportatori soluti

• Ne esistono differenti tipologie, divise in tre categorie:
• Uniporto: Permettono il passaggio di un’unica molecola (es. GLUT2 trasportatore glucosio).
• Sinporto: Permettono il passaggio di due o più molecole/ioni nella stessa direzione.
• Antiporto: Permettono il passaggio di due o più molecole/ioni in direzioni opposte.

Trasportatori ATP-dipendenti

Sono trasportatori che per svolgere la loro funzione richiedono ATP (quindi energia, trasporto attivo).