Fisiologia cellulare, Appunti di Fisiologia

Scarica Fisiologia cellulare e più Appunti in PDF di Fisiologia solo su Docsity! FISIOLOGIA UMANA Cap. 1 – Fisiologia Cellulare 1 – COMPOSIZIONE DELLA CELLULA EUCARIOTE La cellula eucariote possiede un nucleo a differenza delle cellule procarioti, tutte le cellule del nostro corpo possiedono un nucleo tranne gli eritrociti (globuli rossi). E’ composta da un nucleo dove è contenuto il genoma della cellula (46 cromosomi) e il citoplasma (citosol + organuli). 1.1  NUCLEO Contiene il DNA, e compie le principali funzioni di replicare il dna, controllare le attività della cellula, assemblare i ribosomi a partire dall’RNA,… E’ diviso dall’interno della cellula da una membrana nucleare composta da 2 strati, ognuno dei quali composta da 2 strati fosfolipidici divisi anch’essi da un piccolo spazio. Le 2 membrane sono perforate da 3500 pori nucleari che collegano interno ed esterno del nucleo e in continuità dei pori le 2 membrane sono continue. Gli ioni e molecole di piccole dimensioni (<10000 Da) possono entrare attraverso i pori, le molecole più grandi hanno bisogno di una sequenza segnale che gli permetta di legarsi ad un recettore e permetta di stirare il poro e far passare il materiale. (SEQUENZA SEGNALE  RECETTORE  STIRAMENTO PORO ). 1.2  MITOCONDRI Respirazione cellulare. Composti da 2 membrane, una esterna liscia e protettiva ma che offre poca resistenza al passaggio di sostanze, quella più interna, chiamata matrice, invece esegue un controllo molto più stretto e contiene numerosi enzimi necessari per svolgere il ciclo dell’acido citrico, beta-ossidazione, ossidazione amminoacidi, ciclo urea. I mitocondri sintetizzano atp per fornire energia ai diversi processi sopraindicati. Queste membrane si ripiegano su se stesse dando origine alle creste mitocondriali sulle quali sono contenuti complessi enzimatici che andranno a creare la catena di trasporto degli elettroni. Il materiale genetico mitocondriale mtDNA è genetico e si acquisisce dalla madre e serve necessariamente per codificare numerosi enzimi necessari per la fosforilazione ossidativa, codificare RNA necessario per la trascrizione,… 1 1.3  RETICOLO ENDOPLASMATICO  Ruvido , rete membranosa particolarmente sviluppato nelle cellule che producono e secernono proteine. Contiene i ribosomi che sono essenziali per la trascrizione dell’mRNA.  Liscio , non contiene i ribosomi, ha una superficie liscia. Le proteine generate dal RER entrano e subiscono delle modifiche conformazionali. Sintetizza i lipidi e ormoni steroidi e detossifica farmaci e veleni. Inoltre è responsabile del controllo della contrazione muscolare. Nelle cellule muscolari il REL prende il nome di reticolo sarcoplasmatico, incarico di sequestrare Ca2+. 1.4  APPARATO DI GOLGI Costituito da sacculi ed è diviso in 3 parti funzionali distinte (base, mezzo e apice). I compartimenti localizzati alla base costituiscono la regione cis (stesso lato) dove vengono fuse le vescicole proveniente dal RER e il successivo trasferimento delle proteine sintetizzate (le proteine che arrivano sono state sintetizzate dal RER e subiscono una serie di modificazioni post-trascrizionali). I compartimento apicali invece rappresentano la regione trans dove le proteine subiscono modificazioni, divise in pacchetti e smistate in altre parti della cellula. 1.5  LISOSOMI Associati alla membrana con un interno acido (ph=4,5). Il suo compito è quello di degradare le sostanze esterne portate all’interno attraverso processi di endocitosi ed esocitosi. I lisosomi degradano anche gli organelli della cellula con il processo dell’autofagia; gran parte di quanto viene degradato viene poi riciclato dalla cellula. 1.6  PROTEASOMI Funzione digestiva e degradatoria, non sono associati alla membrana. Servono a degradare le proteine intracellulare. 1.7  RIBOSOMI LIBERI Si trovano nel citosol e svolgono la funzione principale di tradurre mRNA per le proteine citosoliche e per le proteine che non verranno né secrete nella cellula né incorporate nella membrana. 1.8  PEROSSISOMI Contengono 3 enzimi per la degradazione dei perossidi tossici: uricasi, catalasi e D-aminoacido-ossidasi. Evitano che i perossidi tossici entrino in contatto con la cellula, in quanto altamente tossici, possono danneggiare gravemente membrane e organuli. 1.9  CITOSCHELETRO  Microfilamenti , (actina) nelle cellule muscolari hanno un ruolo nell’attività contrattile, in altre cellule hanno un ruolo di locomozione.  Filamenti intermedi , funzione principalmente strutturale e sono in grado di legare l’interno della cellula alle cellule adiacenti e alla matrice extracellulare attraverso demosomi e emidesmosomi.  Microtubuli , svolgono diverse funzioni: trasporto all’interno della cellula di vesciole attraverso proteine motrici (chinesina, dal centro della cellula alla periferia e dineina trasporto dalla periferia al centro della cellula), spostamento cromosomi durante mitosi e meiosi, movimento ciglia e flagelli. 2 3.2  TRASPORTO VESCICOLARE Ulteriore processo per il trasporto dall’interno all’esterno della cellula. Questo meccanismo si serve di vescicole prodotte dalla membrana cellulare per imprigionare al suo interno i vari soluti in maniera tale da non permettere interazioni citoplasmatiche così la membrana rimane intatta.  Endocitosi , divisa in 3 meccanismi: - pinocitosi (assunzione non specifica di piccole molecole e acqua. Questa proprietà è fondamentale per le cellule endoteliali in quanto consentono scambio di liquidi attraverso i vasi sanguigni), f - fagocitosi (come i macrofagi, assunzione di particelle di grandi dimensioni. E’ un importante caratteristica delle cellule del sistema immunitario le quali agiscono legandosi all’antigene, fagocitandolo all’interno per poi distruggerlo), - endocitosi mediata da recettori (assunzione di specifiche molecole. Queste molecole si legano al suo specifico recettore presente sulla membrana plasmatica. Tale legame permette l’attivazione di una proteina presente al di sotto della membrana, la clatrina. Questa proteina attira i recettori legati alla molecola in un punto specifico, creando un’invaginazione verso l’interno della membrana che porterà alla formazione della vescicola. Il legame recettore-clatrina è mediato dalla proteina adattina. Una volta costituita la vescicola essa viene separata dalla membrana grazie all’intervento di un’ulteriore proteina ATPasi. Una volta all’interno, le molecole di clatrina-adattina si dissociano dalla vescicola per tornare ad essere riutilizzate nella formazione di una nuova vescicola). 5  Esocitosi , con questo processo vengono imprigionati soluti prodotti dalla cellule all’interno delle vescicole. Possiamo distinguere 2 tipologie: esocitosi costitutiva (avviene nelle plasmacellule e fibroblasti per la secrezione di immunoglobulina e collagene), esocitosi regolata (attivata in seguito ad uno specifico stimolo. Meccanismo tipico delle cellule endocrine e dei neuroni. Questi prodotti vengono accumulati in vescicole nel citoplasma fino a che uno specifico stimolo ne determina la secrezione che consiste nella fusione della vescicola con la membrana plasmatica e il riversamento del contenuto nell’ambiente extracellulare). 3.3  TRASPORTO PASSIVO-ATTIVO  Trasporto passivo , avviene spontaneamente sfruttando la forza del gradiente elettrochimico: le molecole diffondono spontaneamente. Fondamentali sono: - gradiente chimico (differenza di concentrazione di molecole tra una zona ed un’altra. Questa situazione induce la tendenza al trasferimento di molecole dalla parte a maggior concentrazione a quella a minor concentrazione). - gradiente elettrico (molecole cariche tra la porzione intra-extra cellulare. Ciò comporta la produzione di una differenza di potenziale tra i 2 compartimenti, con tendenza delle cariche a passare da una parte all’altra del compartimenti per ristabilire la differenza di potenziale). Il trasporto passivo può avvenire per: - diffusione semplice (molecole che attraversano il bilayer fosfolipidico. Considerando che la membrana plasmatica costituisce una barriera efficace la diffusione non è una modalità efficiente per lo spostamento di molecole da un lato all’altro di essa. Per questo processo maggiore è la liposolubilità(si scioglie meglio nei solventi grassi ovvero lipofili) di una molecola, maggiore è la sua permeabilità alla membrana. esempio =>OSMOSI, l’acqua si sposta dalla regione a concentrazione minore di soluto (ipotonica) a quella di concentrazione maggiore (ipertonica) equilibrando la differenza di concentrazione. La forza che spinge l’acqua da un compartimento a bassa concentrazione di soluto ad una alta di concentrazione è data dalla differenza di pressione osmotica tra i 2 lati. Pressione osmotica è la forza esercitata dalle molecole che costituiscono la soluzione in una certa area. La pressione osmotica viene calcolata con la legge di Van’tHoff. π=nCRT n = numero particelle dissociabili per molecola. C = concentrazione totale del soluto 6 R = costante universale dei gas T = temperatura in Kelvin Osmolarita’ pressione osmotica generata dalle molecole di soluto disciolte in 1kg di solvente. Osmolalita’ numero molecole disciolte in 1 kg di solvente. - diffusione facilitata , avviene attraverso proteine trasportatrici di membrana che facilitano l’attraversamento del bilayer per quelle molecole che hanno una bassa liposolubilità.  Trasporto attivo , meccanismo che avviene contro gradiente. Necessario fornire energia (atp - adenosintrifosfato). - trasporto attivo primario , trasportatori ATP dipendenti i quali utilizzano l’energia derivante dall’idrolisi dell’atp per il trasporto di molecole. 7 intracellulare,… Esistono 2 tipologie di potenziale di membrana,  il potenziale di equilibrio (si genera quando la membrana è impermeabile ad almeno una delle due specie ioniche, affinché si verifichi un potenziale di equilibrio dobbiamo avere una membrana cellulare con una certa permeabilità a un determinato ione).  il potenziale di diffusione (si genera quando la membrana è permeabile a più specie ioniche in misura diversa). A riposo il potenziale di membrana è compresa tra -50 e -100 mV, ma sollecitata può variare di molto. Tutti i trasportatori che trasferiscono una carica da un lato all’altro della membrana hanno la capacità di influenzare il potenziale di membrana (sono chiamati elettrogenici). Il contributo dei vari elettrogenici al potenziale di membrana varia di molto da cellula a cellula. - Trasportatori come pompa Na + -K + che con la sua azione trasferisce 1 carica positiva netta (3 Na+ portati fuori e 2 K+ portati dentro), influenzando di poco il mV. - Trasportatori come i canali ionici che influenzano notevolmente il mVgrazie alle loro caratteristiche di selettività, numero di canali e attività (processo di gating). Nell’attraversare la membrana gli ioni generano corrente che per convezione: cationi verso l’esterno e anioni verso l’interno corrente positiva. Se avremo cationi verso l’interno e anioni verso l’esterno corrente negativa. La corrente generata dipende da: forza del movimento degli ioni, che dipende dall’energia del gradiente di concentrazione ioni tra i 2 lati di membrana; conduttanza del canale,determinata da numero canali ionici e dalla durata dello stato aperto (possiamo avere canali aperti e canali chiusi perché esistono canali specifici per ogni tipo di ione). 3.4  POTENZIALE D’AZIONE Il potenziale d’azione di membrana è una variazione del potenziale di membrana delle cellule. Perché si verifichi ci devono essere canali ionici voltaggio/dipendenti (es. nel neurone, la parte iniziale dell’assone è la parte in cui nasce il potenziale d’azione perché è ricca di canali sodio voltaggio dipendenti che aprendosi possono dare origine ad un potenziale d’azione). Il potenziale d’azione permette: - la depolarizzazione dello stimolo portando i valori del potenziale di membrana a valori più vicini al positivo. Se lo stimolo risulta appropriato dà origine al potenziale d’azione altrimenti no. - permette la trasmissione delle informazioni. - può essere diverso, come forma e come ampiezza, a seconda della cellula che analizziamo in quanto dipende dal corredo di canali voltaggio dipendenti che possiede la cellula. Da questo grafico si può intuire che se non disturbo la cellula, questa rimarrà nel suo stato a riposo. Se invece la vado a sollecitare con uno stimolo depolarizzante (stimolo eccitatorio) questa, se possiede canali voltaggio-dipendenti, creerà un potenziale d’azione. Quindi dal valore di -80 mV (millivolt) ci sarà una prima fase di depolarizzazione portando il valore più vicini allo 0. Nella seconda fase, chiamata di fase eccedenza, ci sarà un eccesso raggiungendo valori positivi (overshoot), con successiva fase di ripolarizzazione (discesa del valore). Una volta raggiunto il valore iniziale inizierà una terza fase, chiamata fase di iperpolarizzazione, portando il valore per un breve periodo sotto il valore iniziale. 10 LEGGE “DEL TUTTO O NULLA” Ogni volta che oltrepassiamo la soglia e quindi nasce il potenziale d’azione, questo si sviluppa con un’ampiezza ed un decorso temporale che sono indipendente dai caratteri dello stimolo che lo hanno evocato. E’ un evento che viene innescato e una volta innescato non può tornare indietro. 3.5  PROPAGAZIONE DEI POTENZIALI D’AZIONE Un potenziale d’azione, una volta generato in un assone, si propaga senza decremento lungo l’assone partendo dal suo cono d’emergenza sino alle sue terminazioni. Il potenziale d’azione viaggia lungo l’assone generando gradienti elettrochimici nei liquidi intracellulari ed extracellulari; tali liquidi, avendo una bassa resistenza ai flussi di corrente, permettono alle cariche positive di muoversi da una membrana depolarizzata ad un’altra che viene a sua volta depolarizzata.  Propagazione di potenziali d’azione negli assoni amielinici il meccanismo per la propagazione del potenziale d’azione in questa tipologia di assoni è la conduzione elettronica (diffusione passiva). Quando si genera un potenziale d’azione non tutto l’assone viene depolarizzato, infatti questo si propaga solamente nella membrana, questa fa sì che l’interno della cellula sia positivo mentre l’esterno negativo. Le cariche positive si spostano verso le cariche negative; depolarizzando la membrana fino al valore soglia creando così un nuovo potenziale d’azione che si propaga per tutto l’assone. La velocità di propagazione del potenziale d’azione è influenzato dal diametro dell’assone (più è grande e più è veloce la diffusione del potenziale d’azione). 11  Propagazione di potenziali d’azione negli assoni mielinici  il meccanismo per la propagazione del potenziale d’azione in questa tipologia di assoni è la conduzione saltatoria. Nelle fibre mieliniche il potenziale d’azione si genera a livello dei nodi di Ranvier (interruzione dell’avvolgimento mielinico). La propagazione della corrente elettrotonica è simile alla tipologia vista sopra con la differenza che non si producono dove è presente la mielina ma saltano da un nodo all’altro. Quindi la separazione di cariche nel liquido intracellulare genera un flusso di corrente da un nodo di Ranvier al successivo; questa corrente è sufficiente per depolarizzare la membrana a livello del nodo di Ranvier adiacente al successivo, generando così il potenziale d’azione. La velocità di propagazione è maggiore in questa tipologia di assoni. 3.6  REGOLAZIONE DEL VOLUME CELLULARE La variazione del volume della cellula può danneggiarla e indurla alla morte. Per tale motivo le cellule hanno sviluppato dei meccanismi di regolazione del proprio volume. Il volume può aumentare o diminuire a seconda che entri più o meno acqua all’interno della cellula mediante il sistema delle acqueporine (canali idrici). Il passaggio è possibile grazie a variazione dell’osmolalità nei 2 compartimenti:  Condizione isotonica , la maggior parte delle cellule nel corpo sono immerse nel LEC isotonico e in tali condizioni il mantenimento del volume cellulare è un processo che richiede energia. Nelle condizione isotoniche il volume della cellula sarebbe alterato, influenzato dall’effetto GIBBS-DONNAN (quando la membrana che separa 2 soluzioni è permeabile ad alcune ma non a tutte le molecole in soluzione). A fronteggiare tale effetto ci pensa la pompa Na+-K+ (porta fuori 3 Na+ e porta all’interno 2K+) che modifica l’interno della cellula in negativo, favorendo l’espulsione del Cl-. In questo modo la pompa Na+-K+ riduce le cariche positive all’interno della cellula evitando un aumento della pressione osmotica e mantenendo costante il volume cellulare. 12 combinazioni differenti, a seconda del tipo di recettori-effettori. La proteina G è ancorata alla membrana, sulla quale può muoversi senza però staccarsi. - Recettori catalitici , agiscono come enzimi o sono associati ad enzimi ed agiscono su di essi regolandoli. La prima tipologia di recettori, sono prevalentemente proteine chinasi e agiscono determinando la fosforilazione di altre proteine attivando o inibendo la loro attività. - Recettori transmembrana , tali recettori non corrispondono esattamente alla definizione classica di recettori, in quanto presentano la caratteristica di trasdurre gli specifici segnali extracellulare in messaggeri intracellulari.  RECETTORI NUCLEARI Alcuni di questi recettori sono localizzati nel citoplasma ed entrano nel nucleo a seguito di un’interazione con l’ormone. Altri recettori invece entrano nel nucleo senza legame con l’ormone. In entrambi i casi, i recettori inattivi sono legati a proteine inibitrici e il legame con l’ormone implica la dissociazione con la proteina inibitrice. Gli ormoni che vanno a legarsi con tali recettori hanno natura idrofobica e possono così attraversare la membrana. L’interazione ormone-recettore nucleare determina il legame del recettore nucleare con la proteina capace di attivare la trascrizione di specifici geni. 2.2  VIE DI TRASDUZIONE DEL SEGNALE Alcune delle proteine delle vie di segnalazione intracellulare trasmettono il segnale trasferendolo da una proteina all’altra, da una regione all’altra, altre amplificano il segnale producendo ulteriori quantità di molecole segnale o attivando un vasto numero di proteine segnalazione a valle. I messaggeri intracellulari (secondari) utilizzati possono essere AMPc, GMPc, Ca2+, diacilglicerolo (DAG). Le cellule sono in grado di modificare la sensibilità a un segnale mediante adattamento o desensibilizzazione: ciò significa che l’esposizione prolungata a un ormone induce nel tempo ad una diminuzione della risposta cellulare. L’adattamento consente alle cellule di rispondere alle variazioni dei livelli ormonali. Tale processo può comportare una riduzione del numero dei recettori espressi nella membrana plasmatica, l’inattivazione di recettori e modificazioni delle proteine segnale che mediano l’effetto a valle dei recettori. 2.3  ATTIVITA’ DELLA PROTEINA G Le proteine G legano più di 1000 diversi recettori, e sono complessi eterotrimerici composti di 3 sub-unità alfa, beta e gamma). Tali sub-unità sono in grado di assemblarsi in centinaia di combinazioni diverse, interagendo quindi con una vasto numero di effettori diversi. Tale proteina è in grado di attivare o inibire le proteine bersaglio. In assenza del ligando, le proteine G sono inattive e formano un complesso eterotrimerico in cui il GDP si lega alle sub-unità alfa. Quando un ligando si lega a un recettore, questo attivato interagisce con il complesso alfa, beta e gamma inducendo una modificazione conformazionale che promuove il rilascio di GDP, e il legame di GTP alla sub-unità alfa stimola il rilascio della sub-unità alfa dal complesso eterotrimerico.Cosìsi viene 15 a creare il dimero beta-gamma e il monomero alfa che potranno interagire con gli effettori a valle. Il monomero alfa così dissociato può attivare:  Adenilatociclasi , facilita la conversione di ATP in AMPc. Il legame di un ligando con un recettore che interagisce con una proteina G composta da una sub unità alfa della classe alfa-s, attiva l’adenilatociclasi, determinando un aumento dei livelli di AMPc e attivando di conseguenza la proteina chinasi A (PKA). Quando invece un ligando si fissa a un recettore che interagisce con un a proteina G composta di una sub unità alfa della classe alfa-i; si inibisce l’adenilatociclasi con riduzione dei livelli di AMPc e di conseguenza di PKA.  Fosfodiesterasi , converte GMPc in GMP. Nei bastoncelli della retina è previsto un meccanismo in cui è presente come effettore a valle la fosfodiesterasi. In particolar modo i bastoncelli sono molto sensibili alla luce e ciò è dovuto al loro elevato contenuto di rodopsina. Proprio l’assorbimento della luce determina l’attivazione della proteina G, che attraverso la sub unità alfa-t attiva la GMPcfosfodiesterasi. Tale enzima agisce sull’GMPc degradandolo in AMP, ciò comporta una diminuzione di GMPc provocando una chiusura di un canale cationico da lui controllato con conseguente variazioni di voltaggio.  Fosfolipasi , la sub unità alfa-q attiva le fosfolipasi C- A2. La prima tipologia agisce in particolar modo su fosfadilinositol 4.5 difosfato (PIP2) convertendolo in inositoltrifosfato. Quest’ultimo diffondendosi nel citosol va a legarsi con un recettore presente nel RE dove attiva il canale Ca2+ligando-attivato per la liberazione di Ca2+ nel citosol, il quale entra secondo gradiente elettrochimico. La seconda tipologia (fosfolipasi A2), agisce sui fosfolipidi liberando acido arachidonico che può essere: rilasciato dalla callula in situazioni di infiammazioni, per regolare cellule vicine, trattenuto dalla cellula per essere incorporato nella membrana cellulare, immesso nel citosol per essere metabolizzato e formare secondi messaggeri, … 16 17