LA CELLULA

TEORIA CELLULARE MODERNA Hooke 1590 van Leeuwenhoek 1665 1670 Schleiden Schwann Virchow 1838 1849 TEORIA CELLULARE MODERNA Tutti gli organismi viventi sono composti da una o più cellule Tutte le reazioni chimiche in un organismo vivente avvengono nelle cellule Le cellule si originano da altre cellule Le cellule contengono l’informazione genetica degli organismi a cui appartengono e le trasmettono alle cellule figlie 1906 Cajal

Composizione percentuale di una cellula animale o batterica 30% Ioni, piccole molecole 4% Fosfolipidi 2% DNA 1% RNA 6% Proteine 15% Polisaccaridi 2% 70% H2O

La singola cellula è il veicolo della informazione ereditaria che definisce la specie Può essere interpretata quindi come un sistema per conservare ed elaborare informazioni Per 3 miliardi di anni i meccanismi e la modalità per archiviare, gestire e utilizzare le informazioni necessarie alla vita cellulare sono state vagliate dal “setaccio paziente” della selezione naturale. Hardware e software così ottimizzati sono diventati patrimonio comune di ogni cellula (batterica, vegetale, animale): per questo, noi viventi su questo pianeta possiamo definirci sul serio una comunità.

DNA per conservare l’informazione genetica La vita dipende dalla capacità delle cellule di CONSERVARE, ESTRARRE e TRADURRE le informazioni genetiche richieste per creare e mantenere un organismo vivente. DNA per conservare l’informazione genetica Le molecole che la selezione naturale ha identificato come più adatte allo scopo sono il DNA e l’RNA. RNA per esprimere l’informazione genetica

Le cellule viventi – sopravvivendo, crescendo, riproducendosi - generano ordine. La generazione e il mantenimento di quest’ordine ha un costo: la cellula deve prendere energia dall’ambiente. La cellula sarà vitale solo per quell’intervallo di tempo in cui riuscirà a “pagare” questo costo e a scambiare materia ed energia con l’ambiente.

La MEMBRANA PLASMATICA è essenziale nel mantenere quest’ordine vitale per la cellula E’ CONFINE APERTO : definisce l’ambiente cellulare rispetto al mondo esterno mantiene differenze chimiche fondamentali tra l’ambiente cellulare e il mondo esterno permette il passaggio di molecole e ioni dall’interno all’esterno della cellula e viceversa rende possibile l’elaborazione di segnali (cosa necessaria alla comunicazione cellulare)

IL DOPPIO STRATO FOSFOLIPIDICO molecola anfipatica I fosfolipidi costituiscono il 50 % della massa della membrana 5 nm di spessore La membrana plasmatica è un sottile film di molecole lipidiche e proteiche

E’ la natura anfipatica che conferisce alle molecole lipidiche la capacità di formare SPONTANEAMENTE doppi strati in ambienti acquosi Un processo simile è avvenuto probabilmente negli oceani della Terra primordiale: la tappa iniziale della autoorganizzazione di molecole che ha portato alla formazione della prima cellula

LA MEMBRANA PLASMATICA: IL MODELLO A MOSAICO FLUIDO Quanto “fluido” questo mosaico? Un fosfolipide si scambia di posto con il suo vicino 107 volte al secondo….

La membrana plasmatica contiene anche due altri tipi di biomolecole: le proteine e i carboidrati ( glicolipidi ). “Sorvolare” la membrana plasmatica dal lato che dà verso l’esterno potrebbe regalarci queste sensazioni….

IL TRASPORTO DI MEMBRANA: LE REGOLE DEL GIOCO La membrana plasmatica, oltre a costituire il confine della cellula, deve permettere il passaggio di sostanze: quali fattori si devono tenere presenti quando si vogliono studiarne le modalità? La natura polare o non polare delle molecole che devono attraversare la membrana: potranno farlo “liberamente” soltanto le molecole apolari ( eccezione è la molecola d’acqua) Passano quindi lipidi e molecole come O2, CO2

Le molecole si muovono secondo il loro gradiente di concentrazione La concentrazione che la sostanza in esame assume all’interno e all’esterno della cellula: le molecole passeranno spontaneamente dalla parte in cui sono più concentrate a quella in cui lo sono meno. E’ il principio della diffusione. Le molecole si muovono secondo il loro gradiente di concentrazione Questo tipo di trasporto è a costo zero per la cellula. Si parla di DIFFUSIONE SEMPLICE Abbiamo capito come si muovono le molecole apolari ( e di dimensioni non eccessive ) attraverso la cellula e possiamo prevedere il senso del loro movimento. Ma queste modalità di trasporto sono sufficienti per soddisfare tutte le esigenze di una cellula?

Le cellule hanno evoluto nel corso della loro storia la capacità di trasportare dentro e fuori la cellula persino molecole fortemente polari contro il loro gradiente di concentrazione. A svolgere questo delicatissimo lavoro sono delle proteine inserite all’interno della membrana plasmatica.

Le molecole d’acqua sono polari e hanno una bassa affinità con la membrana plasmatica: vuol dire che passano con notevole difficoltà attraverso di essa. Il modo migliore che ha una molecola d’acqua di passare attraverso la membrana è quello di usare un canale, fornito da proteine di membrana chiamate acquaporine. A valere è ancora la legge della diffusione e le molecole d’acqua si muovono attraverso la membrana dalla parte in cui sono più numerose a quella in cui lo sono meno. Altre proteine canale, come le acquaporine, trasportano ioni da una parte all’altra della membrana, seguendo sempre la legge del gradiente di concentrazione

Le immagini qui a fianco illustrano i due casi. In altri casi le molecole entrano ( o escono ) dalla cellula seguendo sempre un gradiente di concentrazione ma utilizzando delle proteine “ di trasporto” , differenti dai “canali” che sono sempre aperti: queste proteine sono altamente specifiche per un particolare tipo di molecola e si attivano soltanto quando entrano in contatto con essa. Le immagini qui a fianco illustrano i due casi. SONO TUTTI ESEMPI DI DIFFUSIONE FACILITATA

La cellula ha l’esigenza di trasportare attraverso la membrana sostanze contro il loro gradiente di concentrazione: utilizza in questi casi le modalità del TRASPORTO ATTIVO attraverso proteine particolari. Con il termine trasporto attivo si intende sottolineare il fatto che tali trasferimenti di materia hanno per la cellula un “costo” effettivo. Nell’illustrazione qui a lato i protoni si muovono contro il loro gradiente di concentrazione. L’energia necessaria al trasferimento è fornita dalla cellula, sotto forma di ATP. Molti fondamentali processi cellulari avvengono secondo questa modalità.

Anche questo di trasporto ha un costo energetico per la cellula. Quando le molecole che devono passare attraverso la membrana plasmatica sono troppo grandi ( e non riuscirebbero a passare attraverso le proteine di membrana ) la cellula ricorre ad altra modalità di trasferimento: l’esocitosi e l’endocitosi. In entrambe la struttura della membrana plasmatica si modifica profondamente:si hanno i due processi della endocitosi e della esocitosi. Anche questo di trasporto ha un costo energetico per la cellula. esocitosi endocitosi

Per ricapitolare

Ora affronteremo due casi di studio: come O2 e il glucosio C6H12O6 entrano nelle cellule del nostro corpo, usando la diffusione semplice ( il primo ) e la diffusione facilitata ( il secondo ). Perché queste due storie, tra le tante? Perché queste due molecole sono alla base della reazione fondamentale per la vita della stragrande maggioranza delle cellule che costituiscono su questo pianeta la comunità dei viventi.

CASO 1 LA RESPIRAZIONE è l’insieme dei processi che effettuano il continuo movimento passivo di O2 dall’atmosfera ai tessuti, per sostenere il metabolismo, nonché il movimento della CO2 prodotta metabolicamente dai tessuti all’atmosfera Distinguiamo tra una respirazione interna o cellulare, una serie di reazioni all’interno della cellula mediante le quali si produce energia, e una respirazione esterna, con la quale indichiamo l’intera sequenza di eventi nello scambio di O2 e CO2 tra l’ambiente esterno e le cellule del corpo.

Cavità in cui vengono effettuati gli scambi gassosi IL SISTEMA RESPIRATORIO Cavità in cui vengono effettuati gli scambi gassosi Area della superficie totale deputata agli scambi: 75m2

I gas si muovono secondo il loro gradiente di concentrazione. P(O2) alv = 100 mmHg P(CO2) alv = 40 mmHg P(O2) cap = 40 mmHg P(CO2)cap= 46 mmHg I gas si muovono secondo il loro gradiente di concentrazione. Quindi: O2: alveolo capillare polmonare CO2: capillare polmonarealveolo

O2: capillare sistemico  cellula O2 e CO2 si muovono tra i capillari sistemici e le cellule tissutali per diffusione semplice, secondo il loro gradiente di concentrazione. O2: capillare sistemico  cellula P = 100 mmHg P=40 mmHg CO2: cellulacapillare sistemico P= 46mmHg P_40 mmHg

COSA PUO’ COMPROMETTERE QUESTO MECCANISMO? La modificazione della barriera attraverso cui avvengono gli scambi Edema polmonare: il liquido interstiziale in eccesso rende più spessa la barriera Fibrosi polmonare:il tessuto delicato del polmone si ispessisce per esposizione a sostanze irritanti o tossiche Polmonite: si ha accumulo di liquido infiammatorio tra gli alveoli ( cause: batteri o virus, aspirazione di agenti chimici ) La riduzione dell’area degli scambi Enfisema polmonare: si distruggono le pareti alveolari e si formano camere alveolari più grandi ma meno numerose Collasso del polmone: pneumotorace Asportazione chirurgica in caso di tumore

COSA SUCCEDE QUANDO SI COMPIE ATTIVITA’ FISICA? Normalmente un certo numero di capillari polmonari sono “chiusi” ( la pressione del sangue nella circolazione polmonare non è abbastanza elevata per tenerli tutti aperti). Durante l’attività fisica la pressione sanguigna polmonare cresce per effetto dell’aumentata gittata cardiaca: i capillari chiusi allora si aprono. La respirazione è inoltre più profonda e le pareti degli alveoli “ si stirano” di più nell’atto respiratorio. La superficie di scambio quindi aumenta per vari motivi: perché si aprono nuovi capillari e perché le pareti si tendono mentre diminuisce contemporaneamente lo spessore della membrana.

All’interno di ogni alveolo ci sono i macrofagi QUALCOSA DI INATTESO… All’interno di ogni alveolo ci sono i macrofagi Sono agenti del sistema immunitario e il loro ruolo, all’interno dell’alveolo, è quello di eliminare microrganismi estranei potenzialmente dannosi. Rispondono anche alla presenza di sostanze chimiche e particelle inorganiche e nella loro azione immunitaria rilasciano anche forti ossidanti, proteasi e citochine. Queste sono vere e proprie armi chimiche che alla lunga si ritorcono contro le cellule dell’alveolo e vi inducono disfunzioni e processi infiammatori cronici. I PM2,5 e i residui carboniosi nel fumo di sigaretta inducono purtroppo facilmente queste reazioni nei nostri macrofagi alveolari

La storia che segue è quella del glucosio… CASO 2 L’APPARATO DIGERENTE La funzione primaria dell’apparato digerente consiste nel trasferire nutrienti, acqua ed elettroliti dagli alimenti ingeriti all’ambiente interno dell’organismo. Il cibo deve essere pertanto prima digerito, cioè degradato biochimicamente in molecole semplici, piccole per essere assorbite e poi immesse nel sistema circolatorio e distribuite alle cellule: i polisaccaridi devono essere ridotti in monosaccaridi, le proteine in amminoacidi e così via. La storia che segue è quella del glucosio…

L’assorbimento avviene prevalentemente nell’intestino tenue la cui mucosa ha 1) una superficie molto grande ( villi e microvilli) 2) cellule epiteliali che possiedono vari meccanismi di trasporto specializzati. Su questi ci concentreremo.

1. Nel lume intestinale è alta la concentrazione di Na+ mentre è bassa quella del glucosio 2. Il trasportatore secondario ha due siti: uno per il Na+ che si muove secondo il suo gradiente. Nell’altro sito si attacca il glucosio, che “sfrutta” un passaggio, muovendosi contro il suo gradiente. 2. 3. 3. All’interno della cellula epiteliale il glucosio è molto concentrato, mentre Na+ ha una bassa concentrazione 4. 4. Il glucosio esce dalla cellula tramite diffusione facilitata, mentre Na+ deve farlo tramite trasporto attivo

Cotrasportatore sodio-glucosio: il video

COTRASPORTATORI DEL GLUCOSIO E ATTIVITA’ FISICA In risposta all’esercizio fisico le cellule muscolari possono inserire nelle loro membrane un certo numero di cotrasportatori addizionali: il glucosio così viene più facilmente eliminato dal circolo sanguigno Inoltre in conseguenza dello sforzo fisico ( aerobico ) aumenta la sensibilità delle cellule all’insulina che quindi viene prodotta in minori quantità dal pancreas ( un pancreas “stressato” porta a patologie serie come il diabete di tipo 2 ).