Fondamenti anatomo fisiologici

Sommario

• La cellula: l'unità fondamentale della vita
• La cellula procariote
• La cellula eucariote
• La cellula: il nucleo
• Le proteine
• La struttura della cellula: la membrana
• La struttura della cellula: il passaggio di sostanze attraverso la membrana
• La struttura della cellula: il citoplasma
• Organi cellulari: i ribosomi
• Organi cellulari: il reticolo endoplasmatico
• Organi cellulari: l'apparato di Golgi
• Organi cellulari: i lisosomi
• Organi cellulari: perossisomi e proteasomi
• Organi cellulari: i mitocondri
• La respirazione cellulare – Il ciclo di Krebs
• Il cervello
• La struttura di un neurone
• Glia
• Il neurone e la pila
• Concentrazione ionica a cavallo della membrana
• Il potenziale di equilibrio
• Il potenziale di membrana a riposo
• Dal potenziale di riposo al potenziale d'azione
• Il potenziale d'azione: riassumendo
• I periodi refrattari
• La conduzione del potenziale d'azione
• Le sinapsi
• Le sinapsi elettriche
• Le sinapsi chimiche
• Recettori
• Autorecettori
• I neurotrasmettitori
• Sistema nervoso centrale e periferico
• Il midollo spinale e la colonna vertebrale
• Sistema nervoso autonomo
• Anatomia del proencefalo
• Anatomia dell'encefalo
• Organizzazione dei lobi
• Lo spazio stereotassico di Talairach e Tournoux
• Il template MNI
• Differenze tra MNI Template e Talairach
• La corteccia cerebrale
• Classificazione dell'isocorteccia
• Distribuzione dell'isocorteccia
• Anatomia del proencefalo (aree di Brodmann)
• Allocorteccia
• Il circuito di Papez
• Il caso clinico del paziente HM
• Amnesia anterograda e retrograda
• Anatomia del lobo frontale
• Anatomia del lobo temporale
• Anatomia del lobo occipitale
• Anatomia del lobo parietale
• Ricapitolando – superficie laterale
• Anatomia del lobo limbico
• Ricapitolando – superficie mediale
• Il lobo dell'insula
• I nuclei della base
• Due fascicoli importanti
• Il diencefalo
• L'ipotalamo
• L'amigdala
• Il tronco dell'encefalo
• Il mesencefalo
• Il ponte
• Il bulbo
• La formazione reticolare
• I nervi cranici
• I ventricoli
• Il liquor
• Le meningi
• Il cervelletto
• Il midollo spinale
• La sostanza grigia midollare
• I dermatomeri
• La sensazione somatica
• Il tatto
• La corteccia somatosensoriale
• La somatotopia di S1
• Il dolore
• La via spinotalamico
• Il sistema uditivo
• Il suono
• Orecchio
• Orecchio medio
• Orecchio interno
• L'organo del Corti
• Trasduzione del segnale
• Il sistema visivo
• La luce
• La struttura dell'occhio
• La struttura della retina
• La struttura dei fotorecettori
• Il nervo ottico e il tratto ottico
• La via retino-tettale
• Altri deficit visivi

La cellula: l'unità fondamentale della vita

La cellula è la più piccola porzione organizzata di materia che possiede le caratteristiche della vita e mantiene le funzioni fisiologiche vitali. Tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o più cellule specializzate in diverse funzioni. Essa si distingue dai grossi aggregati chimici perché, oltre a espletare funzioni fisiologiche, è circoscritta da una membrana che la separa dall'ambiente circostante e le permette di mantenere una propria identità chimica.

La teoria cellulare

(Originariamente definita) La cellula è l'unità base della struttura di tutti gli organismi (ovvero è l'unità fondamentale della vita):

• Tutti gli organismi consistono di una o più cellule;
• Tutte le cellule originano da cellule preesistenti.

(Contemporanea) La cellula è l'unità strutturale e funzionale di base di tutti i viventi:

• Le cellule costituiscono i mattoni di cui sono costruiti tutti gli organismi;
• Tutte le cellule derivano da cellule preesistenti;
• Tutte le cellule sono simili nella loro composizione chimica;
• Le reazioni chimiche della vita avvengono all'interno della cellula;
• L'informazione genetica completa viene trasmessa con la divisione cellulare.

Oggi sappiamo che i fossili più antichi di cellule risalgono a circa 3.5 miliardi di anni fa (ossia, 1.1 miliardi di anni dopo la formazione della Terra).

Si ipotizza che le prime cellule fossero cellule procariote (dal greco pro = "nucleo").

Le cellule eucariote (eu-karion in greco significa "vero nucleo") hanno entrambe:

• Una membrana cellulare, che separa l'ambiente interno da quello esterno;
• Il materiale genetico, cioè l'informazione ereditaria che dirige le attività della cellula e le consente di riprodursi e trasmettere i suoi caratteri ai discendenti.

La cellula procariote

La cellula procariote è tipica di organismi molto semplici, con minime richieste energetiche. Il volume cellulare è occupato da un liquido di consistenza gelatinosa (il citoplasma), in cui sono immersi piccoli organuli (ribosomi) deputati alla sintesi delle proteine. Il DNA è libero nel citoplasma (non esiste un nucleo vero e proprio).

È caratterizzata da diversi sistemi di contenimento:

• La capsula;
• La parete cellulare;
• La membrana cellulare.

Attualmente sono considerate cellule procariote:

• I batteri;
• Micoplasmi;
• Le alghe azzurre.

Caratteristiche

Il flagello e i pili (ciglia) sono arcaiche forme di movimento. Ciglia e flagelli sono estensioni della membrana cellulare, di diversa lunghezza, protese verso l'esterno della cellula con il compito di spostare liquidi e secrezioni (es. nel tratto respiratorio) oppure l'intera cellula (es. negli spermatozoi).

La cellula eucariote

La cellula eucariote è molto più voluminosa e complessa della cellula procariote. L'eucariote misura 10-100 micrometri (μm), mentre le procariote misurano 1-10 micrometri (equivale a 1/1000 di millimetro).

Le cellule eucariote possono contenere un gran numero di organuli. Gli organuli sono piccole strutture adibite a svolgere specifiche funzioni, che le cellule procariote non hanno.

A che scopo una struttura così complessa? Per permettere scambi e interazioni con l'ambiente e con altre cellule. La cellula eucariote ottiene materiali e energia dall'ambiente e li converte in prodotti utili per la costruzione delle proprie strutture. Dopo aver replicato le strutture necessarie, si divide in due cellule figlie e, ad esaurimento dell'energia disponibile, va incontro a morte e successiva degradazione dei suoi costituenti molecolari.

Come fa a fare tutto questo? Dove sono scritte le istruzioni da seguire per espletare le funzioni fisiologiche? Il DNA contenuto nel nucleo della cellula dirige le operazioni fisiologiche tramite segnali codificati. Le istruzioni di lavoro (informazione genetica) codificate sul DNA, vengono trascritte sull'RNA. L'RNA esce dal nucleo e, grazie ai ribosomi, converte questo messaggio nei mattoni della vita: le proteine (sintesi proteica).

La cellula: il nucleo

Nel nucleo è contenuto tutto il patrimonio genetico della cellula sotto forma di DNA. L'acido desossiribonucleico o deossiribonucleico (DNA) è un acido nucleico che contiene le informazioni genetiche necessarie alla biosintesi di acido ribonucleico (RNA) e proteine, molecole indispensabili per lo sviluppo e il corretto funzionamento della maggior parte degli organismi viventi.

Il DNA è detto anche polinucleotide: un polimero di nucleotidi, ogni nucleotide è formato da tre parti:

• Uno zucchero C₅ detto desossiribosio;
• Un gruppo fosfato;
• Una base azotata.

Esistono quattro diversi tipi di basi azotate:

• Adenina (A)
• Guanina (G)
• Citosina (C)
• Timina (T)

L'RNA (acido ribonucleico) differisce dal DNA per il tipo di zucchero che contiene, il ribosio, e perché al posto della base azotata timina contiene un'altra pirimidina, l'uracile (U).

La molecola del DNA ha la forma di una doppia elica di nucleotidi in cui la base A è sempre in coppia con la base T, e la base C con la base G.

Caratteristiche del DNA e RNA

• Il DNA è variabile tra le diverse specie.
• Il DNA è in grado di custodire le informazioni che differenziano una specie dall'altra.
• Il DNA è costante all'interno di una stessa specie.
• Il DNA è in grado di duplicarsi con grande precisione durante la divisione cellulare.
• Il DNA è soggetto a rari cambiamenti, chiamati mutazioni, che forniscono la variabilità genetica che permette agli organismi di evolversi nel tempo.

La duplicazione del DNA (o replicazione) è semi-conservativa. Un filamento viene conservato e uno viene duplicato (neoformato). La duplicazione del DNA si può suddividere in tre stadi:

• Srotolamento e apertura dei filamenti;
• Appaiamento delle basi complementari;
• Unione dei due nuovi filamenti.

Gli stadi 2 e 3 sono assistiti da un complesso enzimatico chiamato DNA polimerasi. Nella trascrizione ogni gene trasferisce l'informazione all'RNA messaggero (mRNA). Un segmento di doppia elica di DNA si srotola e si apre al centro, cosicché i nucleotidi di RNA si possano appaiare, man mano che il filamento di DNA viene trascritto. I nucleotidi si uniscono uno alla volta grazie al lavoro dell'RNA polimerasi. Il fine ultimo è la traduzione del messaggio contenuto nei geni in proteine.

Il processo di traduzione genetica (comunemente chiamata sintesi proteica) è possibile solo in presenza di una molecola intermedia di RNA, che è generata per complementarità con le quattro basi dei nucleotidi del DNA in un processo noto come trascrizione. Le proteine hanno molteplici ruoli:

• Componenti strutturali (collagene, tessuto connettivo, citoscheletro, pelle)
• Trasportatori (emoglobina, albumina)
• Trasmettitori di messaggi (ormoni peptidici)
• Catalizzatori di reazioni chimiche (enzimi)
• Difesa contro i patogeni (immunoglobuline)
• Controllo e regolazione dell'espressione genica (istoni)
• Deposito di materiale (ferritina)
• Proteine dei sistemi contrattili (miosina)

Le proteine dell'RNA

Durante la trascrizione il DNA viene usato come stampo per la formazione dell'RNA messaggero (mRNA). Durante la traduzione, un RNA trascritto dirige la sequenza degli amminoacidi di un polipeptide che deve essere costruito.

La trascrizione specifica l'ordine degli amminoacidi di un polipeptide. In natura, esistono classicamente 20 aminoacidi proteinogenici; questi si legano tra loro attraverso legami peptidici dando così origine alle proteine.

La struttura della cellula: la membrana

La membrana plasmatica è una barriera flessibile ma robusta costituita da un doppio strato fosfolipidico in cui sono parzialmente o interamente inserite delle proteine. È caratterizzata da permeabilità selettiva, meccanismo che consente il passaggio solo a determinate sostanze mentre lo impedisce ad altre.

Il fluido intracellulare è contenuto all'interno delle cellule (citosol); il fluido extracellulare è presente negli spazi microscopici fra le cellule adiacenti e viene detto anche fluido interstiziale.

Costituenti:

• Lipidi
• Proteine
• Carboidrati

Modello del mosaico fluido: il doppio strato lipidico forma una pellicola liquida nella quale galleggiano diverse proteine ma costituisce una barriera al passaggio di sostanze idrofile.

I fosfolipidi di membrana sono molecole con una testa polare idrofilica ed una coda idrofoba. I lipidi di membrana si assemblano spontaneamente in doppio strato se posti in ambiente acquoso. Le membrane naturali si chiudono spontaneamente. La quantità e i tipi di proteine in una membrana sono altamente variabili.

Da un punto di vista anatomico si dividono in:

• Proteine integrali;
• Proteine periferiche;
• Proteine ancorate ai lipidi.

Le proteine di membrana possono essere:

• Strutturali (ancorate al citoscheletro e alle giunzioni attraverso tuboli e microtuboli);
• Enzimi;
• Recettori che trasducono i segnali;
• Canali e trasportatori.

Le proteine di membrana giocano un ruolo importante:

• Nella comunicazione tra la cellula e lo spazio circostante;
• Nel passaggio di sostanze tra l'ambiente esterno e il citosol;
• Nell'attivazione di specifici cicli fisiologici della cellula.

La struttura della cellula: il passaggio di sostanze attraverso la membrana

La membrana cellulare isola il citoplasma dall'ambiente extracellulare. Tuttavia, la cellula, in quanto organismo vivente, necessita di avere continui scambi con il proprio ambiente.

Esistono due principali forme di passaggio attraverso la membrana:

• Il passaggio passivo: la sostanza attraversa la membrana secondo il gradiente di concentrazione;
• Il passaggio attivo: viene utilizzata dell'energia per permettere il passaggio della sostanza attraverso la membrana contro il gradiente di concentrazione.

a. Diffusione semplice

b. Trasporto passivo tramite canale ionico: Nei processi attivi si utilizza l'energia sotto forma di ATP (Adenosina Trifosfato) per trasportare una sostanza contro il gradiente di concentrazione.

I processi attivi possono essere trasporti attivi o trasporti con vescicole.