Neurofisiologia

Neurofisiologia

La cellula

La cellula rappresenta l’unità morfologica e fisiologica elementare di organismi animali e vegetali, la parte più piccola che conserva le proprietà caratterizzanti gli organismi viventi:

• La capacità di riprodursi;
• Possiedono un metabolismo;
• Vanno incontro ad accrescimento;
• Sono capaci di rispondere agli stimoli.

Tutte le cellule si possono suddividere in:

1. Procariote: non hanno un vero nucleo delimitato da membrana e il DNA è libero nel citoplasma, inoltre sono assenti di organuli delimitati da membrane (mitocondri e cloroplasti). Sono organismi procarioti i batteri.
2. Eucariote (animali e vegetali): formano tutti gli altri esseri viventi (i protozoi, le piante, i funghi e gli animali) e presentano una struttura di base e un’organizzazione molto simile in tutti gli organismi; possiedono un nucleo differenziato, separato dal citoplasma mediante una membrana nucleare.

Negli animali, ogni cellula è delimitata dalla membrana plasmatica o cellulare; all’interno si trova il citoplasma nel quale sono presenti numerosi organuli cellulari: reticolo endoplasmatico; ribosomi; apparato di Golgi; mitocondri; lisosomi e perossisomi; centrioli.

Nucleo

Il nucleo è un costituente essenziale delle cellule eucariotiche. Costituisce una regione differenziata del citoplasma e delimitata da una propria membrana. La regione interna del nucleo è costituita da un succo nucleare, di aspetto omogeneo, dove sono immersi uno o più corpuscoli tondeggianti, i nucleoli. Si distingue inoltre nel nucleoplasma una massa più densa detta cromatina.

Il nucleolo è un corpo rotondeggiante presente nel nucleo cellulare in interfase. Scompare quasi sempre all’osservazione durante il processo della mitosi e si riforma al termine di questo. Contiene proteine, fosfoproteine ed rRNA.

Reticolo endoplasmatico

Il reticolo endoplasmatico è un sistema esteso di membrane nel quale tubuli e vescicole intercomunicanti delimitano delle cavità dette cisterne. Svolge varie funzioni come la sintesi delle proteine, sintesi di lipidi e steroli, funzioni di accumulo.

A seconda della presenza o meno dei ribosomi si distingue in:

• Reticolo endoplasmatico rugoso (RER): è notevolmente sviluppato nelle cellule in cui si ha una spiccata sintesi e secrezione di proteine;
• Reticolo endoplasmatico liscio (REL): le cellule possiedono un REL limitato, ad eccezione delle cellule deputate alla sintesi di steroidi, colesterolo, trigliceridi e alla detossificazione di materiali tossici.

Ribosoma

È una particella sferoidale composta da due subunità, una grande e una piccola, contenenti rRNA (RNA ribosomiale) e proteine. Nelle cellule eucariote, i ribosomi si possono trovare attaccati al reticolo endoplasmatico o liberi nel citoplasma. Sono sede della sintesi proteica, durante la quale un filamento di mRNA può essere tradotto in una proteina funzionale.

L’mRNA si trova tra le due subunità ribosomiali, che delimitano i confini di un tunnel all’interno dell’organulo dove la proteina si va formando e da dove verrà rilasciata a sintesi ultimata.

Apparato del Golgi

È un organulo citoplasmatico deputato, insieme al reticolo endoplasmatico, allo smistamento delle proteine. È costituito da cisterne discoidali appiattite (dittosomi) e da una serie di piccole vescicole. Le proteine, modificate all’interno del reticolo endoplasmatico, vengono trasferite alle membrane dell’apparato di Golgi, dove sono ulteriormente modificate e assumono la forma matura e definitiva; quindi, vengono allontanate attraverso un processo di estrusione selettiva e dirette verso destinazioni intracellulari ed extracellulari.

Lisosomi

Sono organuli citoplasmatici deputati alla degradazione di materiale cellulare esogeno o endogeno. I lisosomi sono di forma tondeggiante e contengono molti enzimi idrolitici come solfatasi, proteasi, nucleasi, lipasi e glicosidasi. Le membrane del lisosoma posseggono pompe protoniche che trasportano ioni H⁺ nel lume del lisosoma, creando e mantenendo il valore di pH necessario a mantenere attivi gli enzimi.

Perossisomi

Piccoli organuli sferici circondati da una singola membrana; si ritrovano in tutte le cellule animali e in molte cellule vegetali; contengono circa 50 enzimi ossidativi, tra cui l’urato ossidasi, la catalasi e la D-amminoacido ossidasi. Le ossidasi sono enzimi che utilizzano l’ossigeno molecolare per ossidare sostanze organiche.

Mitocondri

Sono organuli dotati di un proprio filamento di DNA. L’ipotesi più accreditata per spiegare questa peculiare caratteristica è quella dell’origine endosimbiotica, secondo la quale, il mitocondrio deriverebbe da un batterio aerobio che si è adattato a vivere all’interno di una cellula eucariotica ancestrale anaerobia.

Strutturalmente nei mitocondri si distinguono quattro compartimenti interdipendenti tra loro:

• La membrana esterna caratterizzata da una permeabilità selettiva;
• Lo spazio intermembrana;
• La membrana interna ricca di proteine, presenta invaginazioni denominate “creste” che fanno aumentare la superficie e quindi l’area a disposizione dei complessi della catena respiratoria e della ATP-sintetasi;
• La matrice, una fase gelatinosa che contiene circa il 50% delle proteine mitocondriali.

La funzione fondamentale dei mitocondri è fornire energia alla cellula, mediante processi catabolici portati avanti da numerosi enzimi.

Citoscheletro

Si tratta di una complessa rete di filamenti proteici deputata sia al mantenimento della struttura e della forma delle cellule sia al loro movimento. Le proteine che lo costituiscono sono microfilamenti e microtubuli, entrambi costituiti da proteine globulari che sono l’actina per i microfilamenti e la tubulina per i microtubuli, subunità che sono in grado di associarsi rapidamente e reversibilmente all’interno delle cellule.

Centriolo

È un organulo citoplasmatico di forma cilindrica localizzato in prossimità del nucleo; è formato da nove triplette di microtubuli. I centrioli generalmente sono disposti in coppia, perpendicolarmente tra loro e formano il centrosoma, il principale centro organizzatore dei microtubuli che contribuisce all’organizzazione dei microtubuli e degli organuli cellulari associati; inoltre durante la mitosi permettono la formazione del fuso mitotico.

Il ciclo cellulare

Negli organismi le cellule si replicano in cellule figlie identiche a loro stesse per la crescita e la sostituzione delle cellule danneggiate. L'intervallo di tempo che passa tra una replicazione cellulare ed un'altra è chiamato ciclo cellulare. Nel ciclo cellulare si alternano fasi di interfase e fasi M di divisione cellulare. La maggior parte della vita della cellula è in interfase.

• La cellula nasce alla fine della mitosi; si accresce e svolge la sua attività metabolica all'inizio dell'interfase in fase G1 (G: intervallo). Questo periodo è generalmente il più lungo della vita della cellula, le cellule che non si replicano restano in questa fase (G0 in questo caso).
• Alla fine della fase G1 inizia la fase S, quella della replicazione del DNA e la sintesi degli istoni perché la cellula si sta preparando per la divisione cellulare.
• Completata la fase S, la cellula entra in una seconda fase di intervallo G2 e aumenta l'attività di sintesi proteica, sempre in preparazione della replicazione.
• Successivamente comincia la fase M in cui avvengono 2 processi: la mitosi e la citocinesi. La mitosi produce due nuclei identici a quelli della cellula madre, la citocinesi produce due citoplasmi.

La mitosi

È un processo continuo, che si può descrivere in 5 stadi:

1. Profase: In questo primo stadio il materiale genetico, che in interfase riempie tutto il nucleo, si compatta nei cromosomi che diventano più corti e più spessi. Ogni cromosoma è già stato replicato in precedenza in fase S e si presenta come una coppia di cromatidi fratelli, legati insieme in una regione detta centromero. Ad ogni centromero è associata una struttura proteica chiamata cinetocore che serve come punto di “aggancio” per i microtubuli durante la formazione del fuso mitotico negli stadi successivi. Il citoscheletro cellulare si disassembla, si frammenta la membrana nucleare ed inizia a crearsi il fuso mitotico.
2. Prometafase: Durante la prometafase l'involucro nucleare si frammenta completamente così i microtubuli del fuso si possono legare ai cromosomi attraverso i cinetocori. I cromatidi fratelli legati al fuso mitotico iniziano a disporsi lungo il piano equatoriale della cellula.
3. Metafase: In questo stadio i cromatidi fratelli sono tutti allineati lungo in piano equatoriale e legati ai microtubuli del fuso. Questo è il momento in cui i cromatidi sono ben visibili al microscopio ed è per questo che si osservano le cellule in metafase per determinare la presenza di eventuali anomalie cromosomiche.
4. Anafase: In anafase i cromatidi fratelli si separano ed i due cromosomi migrano in direzioni opposte verso i centrioli utilizzando i microtubuli come binari. L'anafase termina quando tutti i cromosomi sono migrati ai poli.
5. Telofase: Durante la telofase, i cromosomi che hanno raggiunto i poli si decondensano e attorno ad essi si riforma la membrana nucleare. I microtubuli del fuso scompaiono. Alla fine si formano i due nuclei delle cellule figlie.

La citocinesi e cioè la divisione del citoplasma in due cellule figlie è l’ultimo stadio della fase M ed inizia durante la telofase. Prima si forma un anello contrattile di actina e miosina, che contraendosi crea un solco di divisione che gradualmente separa il citoplasma in due cellule figlie ciascuna con il suo nucleo.

Mitosi e meiosi

La mitosi produce due cellule identiche alla cellula madre, viene utilizzata dagli organismi per accrescersi e riparare i danni. Quando si dividono i due citoplasmi, gli organelli, dal momento che sono presenti in molte copie si dividono in parti uguali, i mitocondri possono duplicarsi in maniera autonoma perché contengono un proprio DNA.

Apoptosi e necrosi

L’apoptosi è un fenomeno controllato geneticamente che determina la morte programmata di una cellula a un certo punto del suo ciclo vitale. L’arco vitale della cellula può essere considerato come l’esecuzione concertata di programmi di proliferazione, arresto, quiescenza, differenziamento e morte.

La necrosi è un processo incontrollato innescato da insulti dannosi; prevede una successione di eventi diversi rispetto all’apoptosi in quanto la cellula si gonfia, si distruggono i mitocondri e si rompe la membrana con conseguente risposta infiammatoria.

Membrane biologiche

Le membrane biologiche sono strutture complesse che delimitano la cellula (membrana cellulare, plasmatica o plasmalemma) e i suoi componenti interni, come il nucleo (membrana nucleare), i mitocondri (membrana mitocondriale); formano inoltre strutture cellulari interne quali il reticolo endoplasmatico, l’apparato del golgi, i vacuoli, i lisosomi e i tilacoidi.

La membrana plasmatica riveste tutte le cellule ed è responsabile del mantenimento delle differenze essenziali fra il suo contenuto e quello dell’ambiente esterno. Non si tratta di un rivestimento passivo, ma di un filtro altamente selettivo che:

• Regola il flusso delle molecole tra l’interno e l’esterno della cellula e viceversa;
• Mantiene le concentrazioni ioniche necessarie per lo svolgimento di molte funzioni cellulari;
• Provvede al riconoscimento e alla comunicazione fra le cellule tramite molecole localizzate sulla sua superficie esterna.

In genere la struttura delle membrane biologiche è formata da un doppio strato di lipidi e da proteine ad esso associate. I lipidi che concorrono alla formazione del doppio strato lipidico sono: fosfolipidi; steroli; glicerofosfolipidi; e sfingolipidi.

Le proteine possono essere:

• Integrali: sono immerse nella struttura lipidica e la attraversano da parte a parte;
• Periferiche: sono legate alla superficie, interna o esterna, della membrana associate ai lipidi o ad altre proteine.

Fosfolipidi

I componenti più abbondanti delle membrane biologiche sono i fosfolipidi delle molecole anfipatiche, costituite da:

• Una coda carboniosa (apolare o idrofobica): rappresentata dai due residui di acidi grassi legati al glicerolo;
• Una testa polare (idrofila): rappresentata dal residuo di acido fosforico esterificato al gruppo alcolico primario del glicerolo e legato a sostanze idrofile.

Data la loro particolare struttura, quando dispersi in acqua, si aggregano spontaneamente in modo da costituire membrane formate da un doppio strato fosfolipidico, secondo uno schema coda-coda, minimizzando il contatto con le molecole polari. Le teste polari (che possono formare un legame idrogeno) sono rivolte verso l’ambiente acquoso extracellulare ed intracellulare.

Modello del bilayer

I lipidi sono organizzati secondo una configurazione detta a mosaico fluido, che permette il movimento delle molecole proteiche. Molecole di colesterolo, intercalate tra quelle dei fosfolipidi, concorrono a stabilizzare la membrana. I due strati della membrana sono asimmetrici, presentano cioè differenze nella composizione in relazione alle diverse funzioni svolte dai due lati, extra e intracellulare.

Secondo tale modello, le membrane biologiche sono definite come soluzioni bidimensionali di lipidi, che formano un doppio strato lipidico al quale sono associate numerose molecole proteiche. Alcune di queste molecole, completamente incluse nel doppio strato lipidico, stabiliscono interazioni con la porzione idrofobica della membrana, altre sono associate alla superficie interna o esterna del doppio strato lipidico, per mezzo di interazioni ioniche o legami idrogeno tra le teste polari dei lipidi e le proteine stesse.

Meccanismo di trasporto attraverso la membrana

Funzioni di trasporto

Una delle funzioni più importanti svolte dalle membrane biologiche è la funzione di barriera dinamica, che regola gli scambi tra l’interno e l’esterno e quindi il passaggio selettivo di soluti, solventi o particelle tra componenti cellulari o tra la cellula e l’ambiente esterno. Esistono diverse modalità attraverso cui le molecole possono permeare la membrana, in funzione della loro natura chimica e delle loro dimensioni.

Acqua, gas (O₂ e CO₂) e piccole molecole (per es. glicerolo, ammoniaca) passano per diffusione, osmosi e filtrazione (trasporto passivo), mentre le molecole più grandi e gli ioni possono attraversare la membrana per mezzo di proteine di trasporto con o senza dispendio energetico (diffusione facilitata, trasporto attivo, esocitosi ed endocitosi).

Diffusione semplice o passiva

È il tipo di trasporto utilizzato per le piccole molecole prive di carica come acqua, urea e glicerolo che si spostano attraverso la membrana con velocità inversamente proporzionale alle loro dimensioni; il processo avviene quando una sostanza penetra nella cellula per movimento spontaneo, secondo un gradiente di concentrazione (dalla concentrazione più elevata a quella minore).

Le molecole diffondono attraverso il doppio strato grazie alla loro solubilità nella fase lipidica stessa oppure attraverso canali idrofili transmembrana, costituiti da proteine di membrana dette proteine canale o pori acquosi. Quando le molecole diffusibili sono dotate di carica elettrica, come i piccoli ioni inorganici, il loro passaggio dipende dal gradiente di concentrazione, ma anche dal gradiente di potenziale elettrico totale.

Il gradiente elettrochimico è necessario per il funzionamento e la vita stessa delle cellule; il potenziale di membrana, che consiste in una differenza di potenziale elettrico esistente tra i due lati della membrana, è mantenuto dall’equilibrio di Gibbs-Donnan, da cui dipende la diversa distribuzione degli ioni Na⁺, Cl^- e K⁺ tra i compartimenti extra e intracellulare. Al mantenimento di questo equilibrio concorrono:

• Le caratteristiche di permeabilità selettiva della membrana plasmatica;
• Gli anioni proteici presenti all’interno della cellula, appartenenti alle proteine che non sono in grado di permeare verso il liquido extracellulare;
• I processi di trasporto attivo di ioni.

Osmosi

Nel caso in cui una membrana non è permeabile alle molecole di soluto ma solo a quelle di solvente (generalmente acqua) si dice semipermeabile per quel soluto specifico. In presenza di un gradiente di concentrazione ai lati di una membrana, considerando che le molecole di soluto non possono diffondere, si verifica il processo di osmosi cioè, il passaggio delle molecole di solvente dall’area a minor concentrazione di soluto a quella a maggior concentrazione, processo che consente di diluire la soluzione più concentrata e annullare il gradiente di concentrazione.

Diffusione mediata da un trasportatore (diffusione facilitata)

È un trasporto che si svolge secondo il gradiente di concentrazione della molecola da trasportare, che però data la sua struttura chimica non può diffondere attraverso il bilayer, ma necessita della presenza, nella struttura della membrana, di una proteina carrier, deputata al trasporto di sostanze attraverso il doppio strato lipidico. Ogni carrier è specifico per una particolare molecola o gruppo di molecole con struttura chimica simile.

Si possono differenziare diversi tipi di trasporto mediato da carrier:

1. Uniporto: trasferimento di un solo composto da un lato all’altro della membrana;
2. Cotrasporto (simporto o antiporto): trasferimento simultaneo di due molecole che può essere nella stessa direzione (simporto/cotrasporto) o nella direzione opposta (antiporto/controtrasporto).

Il processo è reversibile e la direzione del trasporto dipende solo dalla differenza tra le concentrazioni della molecola da trasportare ai due lati della membrana.