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Scarica Appunti biologia animale CTF e più Appunti in PDF di Biologia Animale solo su Docsity! BIOLOGIA ANIMALE La vita per come noi la conosciamo si basa sulle cellule, che non sono altro che l’unità di base della vita biologica. Esistono vari tipi di cellule, tutte con funzioni e morfologie ben distinte, però esse posseggono delle caratteristiche comuni: sono in grado di riprodursi  si evolvono  consumano energia per far avvenire le reazioni metaboliche  hanno un metabolismo  sono in gradi di rispondere a stimoli esterni  si autoregolano (avviene tramite risposte cellulari a feedback negativo e l’omeostasi) Da queste caratteristiche viene definita la Teoria cellulare dell’organizzazione:  Ogni organismo è formato da una o più cellule  la cellula è l’unità base  le cellule originano da cellule preesistenti Nonostante le cellule siano la base nel nostro organismo esse hanno forme e funzioni molto diverse tra di loro (cellule nervose e scheletriche): ciò comporta che vanno in contro ad un processo di differenziamento nel quale pero`, vengono mantenute costanti solamente la quantità di materiale genetico presente all’interno delle cellule e le funzioni di base, come ad esempio la sintesi dell’RNA partendo dal DNA e la sintesi delle proteine partendo dal primo. Come abbiamo detto prima le cellule si evolvono, in particolare discendono tutte da un unico progenitore dal quale è avvenuta poi una ramificazione in tre domini: Batteri, Archei ed Eucarioti. Quest’ultimo poi si è distinto nel regno dei protozoi, delle piante, degli animali e dei funghi. Questo fenomeno è dovuto al fatto che gli eucarioti posseggono più energia da poter consumare visto che sono aerobi e viene facilitato dalla presenza dei cloroplasti(piante) e dei mitocondri. Questi due organuli erano in origine organismi aerobi che evolvendosi sono entrati in simbiosi con le cellule eucariote fino a diventarne degli organuli. Questo processo prende il nome di endosimbiosi e giustifica l’evoluzione così rapida degli eucarioti. CELLULE Come sappiamo si dividono in tre dominii: Batteri, Archeobatteri ed Eucarioti tra i primi due non sono presenti molte differenze a parte per l fatto che gli archeobatteri sono in grado di sopravvivere in condizioni estreme. I primi due sono anche dei procarioti, cioè delle cellule più piccole e meno evolute non presentando organuli cellulari e scompartimenti per le varie funzioni. Le cellule eucariote sono quindi più grandi e più evolute. Le cellule hanno un limite alle loro dimensioni, questo per tre differenti motivazioni: 1) un aumento eccessivo delle dimensioni comporta un aumento della superficie e uno del volume; il volume aumenta con il cubo della distanza mentre la superficie con il quadrato, quindi oltre un certo punto si crea una cellula con più volume che superficie, 2) l’efficienza dei processi è inversamente proporzionale alle dimensioni della cellula, questo perché per far avvenire le reazioni cellulari i reagenti devono essere a contatto, di conseguenza più la cellula è grande e meno essi saranno vicini. Le cellule procariote possono essere sia aerobie che anaerobie, cioè producono energia sia in presenza che in assenza di ossigeno, ed essendo delle cellule poco evolute non posseggono nessun tipo di organulo cellulare. Il materiale genetico (DNA) sta nel citoplasma. Le cellule eucariote sono invece molto più grandi e posseggono organuli cellulari, si riproducono per mitosi e sono eucarioti solo i fungi, le piante e gli animali. ORGANULI CELLULARI  Membrana plasmatica è formata da un doppio strato di fosfolipidi (lipidi con la testa polare e la coda apolare con catene di acidi grassi) i quali creano una regione non polare la quale non può essere attraversata dall’acqua e da altri solventi polari; in realtà la membrana è selettivamente impermeabile, cioè sono presenti nel doppio strato delle strutture proteiche che permettono il passaggio anche di sostanze polari: in questo modo però il flusso in entrata e in uscita risulta essere strettamente controllato. Le code sono sempre rivolte verso l’esterno poiché l’ambiente cellulare è acquoso; quindi, polare e deve rimanere isolato dall’ambiente esterno.  Nucleo Esso contiene il DNA ed è avvolto nella membrana nucleare, che ha la stessa struttura della membrana plasmatica. Inoltre, il flusso che permette lo scambio di materiale genetico avviene con lo stesso metodo della membrana  Reticolo endoplasmatico Viene considerato come una rete di membrane interne estese che si dividono nel reticolo endoplasmatico liscio e quello rugoso: la differenza principale tra i due è che il secondo possiede sulla sua superficie i ribosomi, degli organuli che sintetizzano le proteine. Il reticolo endoplasmatico liscio esegue la sintesi lipidica e viene utilizzato come deposito di Calcio.  Apparato del golgi ossidrile mentre uno forma un gruppo carbonilico. Fanno parte di essi il fruttosio, il galattosio ed il glucosio; esso è il più importante nonché anche il più abbondante e possiede una struttura a cinque atomi di carbonio. In natura esistono due isomeri del glucosio che influiscono sui legami e sulle proprietà biologiche dei polisaccaridi che poi andrà a formare; i due isomeri sono l’alfa- glucosio e il beta-glucosio: il primo viene utilizzato per la produzione di enzimi mentre il secondo è presente specialmente nella cellulosa. Disaccaridi Sono composti da due monosaccaridi legati tra di loro tramite un legame glicosidico, cioè un atomo di ossigeno che si lega covalentemente ai due atomi di carbonio degli anelli. Per ottenere ciò si usa la reazione di condensazione, dove si liberano molecole d’acqua mentre per il processo inverso si fa l’idrolisi che consuma molecole d’acqua. Fanno parte dei disaccaridi il lattosio, il maltosio ed il saccarosio; il primo è da una molecola di glucosio e una di galattosio, le quali si legano tramite un legame beta-glicosidico: questo legame risulta essere più difficile da scindere per questo alcune persone non sono in grado di digerire il latte poiché non possiedono gli enzimi necessari per rompere il legame beta-glicosidico. Il saccarosio è formato da glucosio e fruttosio mentre il maltosio da due molecole di glucosio; entrambi hanno il legame alfa-glicosidico. Polisaccaridi Sono delle macromolecole costituite da un’unità di monosaccaride ripetuta; dal glucosio infatti possiamo ottenere l’amido, il glicogeno e la cellulosa. Possono essere sia sequenze ripetute lineari o ramificate ma hanno tutte la funzione di deposito di energia chimica. L’amido ed il glicogeno sono dei polisaccaridi di riserva, in particolare nel nostro corpo il glucosio viene immagazzinato sotto forma di glicogeno per poi essere utilizzato come fonte energetica per la contrazione muscolare. La cellulosa è invece un polisaccaride strutturale tipico della parete cellulare delle cellule vegetali; tra le molecole di glucosio si formano in questo caso dei legami beta-glicosidici; perciò, solo gli erbivori sono in grado di digerire la cellulosa visto che posseggono una flora batterica in grado di idrolizzare questi legami. Lipidi Possono essere molecole idrofobiche(apolari) o molecole anfipatiche (molecole con regioni non polari e polari, sono solubili solo in solventi non polari e hanno diverse funzioni: formano la riserva energetica, fanno parte della struttura di membrana, contribuiscono alla trasmissione di segnali e hanno strutture eterogenee. Ne esistono di vari tipi: gli acidi grassi, i trigliceridi, i fosfolipidi, i glicolipidi, gli steroli ed i terpeni. Acidi grassi Sono in genere i costituenti di lipidi più complessi e sono composti da catene di idrocarburi e gruppi carbossilici. Possiamo distinguere due tipi di acidi grassi: gli acidi grassi saturi composti solamente da legami singoli, il che li rende estremamente compatti e presenti allo stato solido in natura. Sono presenti nei grassi di origine animale ed essendo molto compatti sono anche pericolosi poiché il corpo tende ad accumularli visto che sono difficili da scindere. L’altro tipo di acido grasso sono gli acidi grassi insaturi presenti negli olii vegetali e con doppi legami; per questo motivo formando diverse angolature all’interno della molecola sono più scindibili e quindi più facilmente digeribili. Sono presenti allo stato liquido però è possibile saturarli e quindi farli passare allo stato solido (es. Margarina). Trigliceridi Sono formati da una molecola di glicerolo e tre di acidi grassi. Quest’ultimi possono essere sia insaturi che saturi, di conseguenza i trigliceridi possono presentare anche insaturazioni. Hanno due principali funzioni: immagazzinare energia per il metabolismo ed essere un isolante termico. I trigliceridi con acidi grassi saturi sono presenti solo allo stato solido, per questo si trovano negli animali sotto forma di grasso con strati molto spesso negli animali che vivono in ambienti freddi (foche, pinguini, ecc.…). Se invece i trigliceridi sono composti da acidi grassi insaturi si possono trovare allo stato liquido, infatti sono presenti negli olii vegetali. Fosfolipidi Sono formati da una molecola di glicerolo, due acidi grassi e un gruppo fosfato legato ad un gruppo organico R (colina, serina, etanolammina, inositolo). Ne esistono di due tipi: fosfogliceridi e sfingolipidi, nei quali semplicemente si sostituisce la sfingosina con il glicerolo. Inoltre, sono molecole di natura anfipatica. Un fosfolipide è la fosfatidilcolina che è presente nel doppio strato lipidico delle membrane cellulari. Glicolipidi Sono dei derivati della sfingosina che contengono uno zucchero al posto del gruppo fosfato (se è presenti il glicerolo sono dei glicolipidi, mentre se c’è la sfingosina abbiamo i glicosfingolipidi). Il gruppo R può essere una catena glucidica da 1 a 6 unità monosaccaridiche. Steroidi Formati da atomi di carbonio disposti in 4 anelli uniti tra di loro: 3 aneli sono formati da 6 atomi di carbonio mentre l’altro anello ha solo 5 atomi a cui si lega una catena idrocarburica. I principali steroidi sono il colesterolo, i sali biliari, gli ormoni sessuali, tra cui il testosterone, il cortisolo, l’aldosterone e tutti gli ormoni steroidei che derivano dal metabolismo del colesterolo. Terpeni Sono dei derivati dell’isoprene e danno origine a sostanze poco solubili come la vitamina A. Proteine Sono delle macromolecole formate dagli amminoacidi, di essi ne esistono 20 tipi e sono tutti composti da un atomo di carbonio centrale che si lega ad un atomo di idrogeno, un gruppo carbossilico, un gruppo amminico ed un gruppo R. Quest’ultimo gruppo è molto importante per l’amminoacido visto che le proprietà dipendono da lui. Il gruppo R più semplice è un solo atomo H presente nell’amminoacido glicina. L’atomo di carbonio centrale è asimmetrico, per questo esistono due isomeri di ogni amminoacido di cui però solo l’isomero L viene utilizzato per le proteine. Le proteine presentano una grande varietà di funzioni grazie all’elevato numero di forme tridimensionali che le proteine possono assumere. Queste derivano dal fatto che esse sono ottenute assemblando i 20 tipi diversi di amminoacidi. da questo assemblaggio si deducono inoltre anche le proprietà delle proteine. Oltre agli amminoacidi le proteine possono avere anche carboidrati, ioni metallici e gruppi organici. Inoltre, esite una stretta correlazione tra forma e funzione ed esse hanno diverse forme e lunghezze. Legame peptidico È il legame che unisce gli amminoacidi e si ottiene dall’unione di un gruppo carbossilico ed uno amminico. Si forma solo in presenza dell’enzima peptildiltransferasi e la sua formazione comporta alla perdita di una molecola d’acqua (avviene una reazione di disidratazione). Per formare una proteina ogni amminoacido deve legarsi tramite legami peptidici covalenti ad altri due amminoacidi in modo da formare una catena polipeptidica. In essa sono presenti l’ossatura peptidica, cioè gli atomi degli amminoacidi coinvolti nel legame, e le catene laterali che no sono coinvolte nei legami peptidici. L’ordine in cui sono disposti gli amminoacidi è detto sequenza amminoacidica ed è un’unica per ogni proteina.  Terziaria: in questa struttura vengono unite le diverse strutture secondarie, infatti ci sono regioni di alfa-elica e altre di beta-foglietto, e rappresenta la conformazione stabile di tutto il polipeptide. Influenza il comportamento delle proteine fibrose o globulari e i ripiegamenti sono causati dalle regioni di alfa-elica o beta-foglietto che si ripiegano una sull’altra formando interazioni a lunga distanza. Inoltre, la struttura terziaria determina i domini proteici, cioè le parti della proteina che possono ripagarsi indipendentemente in una struttura stabile. Essi possono interagire tra di loro passando da monomeri a strutture multimeriche. Le proteine grandi, inoltre, posseggono più domini e ciascuno è composto da circa 150-200 amminoacidi. Infine, le regioni che non sono alfa-eliche o beta-foglietto si dispongono secondo altre strutture flessibili come anse e cerniere. Un esempio di struttura terziaria è l’mioglobina in cui sono presenti otto regioni ad alfa-elica.  Quaternaria: è la struttura formata da più subunità, che possono essere proteine diverse; come ad esempio nell’emoglobina, formata da 2 alfa-globine e 2 beta-globine, o il collagene che è formato da 3 alfa-eliche. Questa struttura è utilizzata ad esempio nel muscolo scheletrico e negli anticorpi che sono dei tetrameri tenuti insieme da dei ponti a solfuro ed ogni monomero ha quattro domini. 📌 Nel muscolo scheletrico abbiamo delle proteine che controllano il livello del calcio all’interno del sarcoplasma e per mantenere questo livello basso il calcio viene accumulato nel reticolo sarcoplasmatico. Per eseguire ciò sono presenti nella membrana delle proteine tetraedriche, composte da 4 monomeri ciascuno con 4 domini. Il calcio viene rilasciato con il passaggio di corrente elettrica che sappiamo essere proporzionale alla differenza di potenziale del reticolo. Queste proteine sono dotate di strutture secondarie a residui carichi che le permettono di captare le variazioni di differenza di potenziale. Inoltre, le tetradi cambiano conformazione, poiché è in contatto con il recettore rianulidrico che sente il cambiamento e permette il passaggio di calcio. Nelle membrane il calcio e il sodio possono passare solo grazie a dei canali con precise proprietà: per aprirsi e chiudersi essi sono sensibili alla variazione di potenziale transmembrana. Acidi nucleici Sono macromolecole formate da catene di nucleotidi ed hanno funzioni di immagazzimento, trasmissione ed espressione genica. I principali acidi nucleici sono il DNA e l’RNA. Come abbiamo detto i nucleotidi sono l’unità fondamentale degli acidi nucleici e sono composti da una base azotata, uno zucchero con 5 atomi di carbonio(nucleoside) ed un gruppo fosfato. Le basi azotate sono 4: purina, guanina, citosina e timina, ma quest’ultima è presente solo nel DNA visto che nell’RNA è presente l’uracile. Gli acidi sono formati da catene lineari dove la posizione delle basi azotate è fondamentale e non può essere cambiata. Tra le basi azotate specifiche si formano dei legami idrogeno. Il DNA ha una grande stabilità visto che i legami tra i nucleotidi sono molto forti; di esso però consideriamo sempre una porzione del filamento con estremità 3’ dove è presente un C libero e l’estremità 5’ dove si ha un gruppo fosfato. Il DNA inoltre ha anche due filamenti ma con direzione opposta, cosa che lo rende antiparallelo. Infine, è formato da una doppia elica grazie all’appaiamento tra basi azotate specifiche grazie ai legami ad idrogeno. Si possono accoppiare tra di loro Adenina e Timina e Citosina e Guanina. L’RNA risulta essere molto simile al DNA con le uniche differenze per il singolo filamento e per l’uracile al posto della timina. Come abbiamo visto i nucleotidi risultano essere solo 4 mentre gli amminoacidi che formano le proteine sono in totale 20; questo comporta che non è possibile associare ogni nucleotide ad un amminoacido, deve quindi esserci un modo specifico per poterli associare. Questo viene fatto tramite un codice a triplette ridondante, cioè un sistema nel quale ogni amminoacido è codificato da una tripletta di nucleotidi ma ognuno può essere codificato da più triplette. L’informazione genetica viene contenuta nei nucleotidi del DNA, trasferita dall’RNA messaggero fuori dal nucleo e tradotta in un polipeptide a livello ribosomiale. Alcuni nucleotidi non sono presenti negli acidi nucleici, un esempio è l’ATP che è formata dal nucleotide adenosina che può essere attaccato da 2 o 3 gruppi fosfato formando così AMP, ADP e l’ATP stessa. Questo conferma che i nucleotidi possono avere anche delle funzioni di combustibile energetico, come la stessa ATP o GTP (guanosina trifosfato) o funzioni di messaggeri intracellulari come il cAMP (adenosina monofosfato ciclico) o cGMP (guanosina monofosfato ciclico). Del primo esistono sia degli enzimi in grado di produrlo sia in grado di idrolizzarlo contenendolo in dei microambienti. Ritornando all’ATP bisogna dire che risulta essere comunque un composto tossico per il nostro corpo; infatti, in accumulo questa molecola crea danni al nostro organismo ed è per questo che viene usata solo come substrato energetico o come mediatore chimico nei processi infiammatori. Bioenergetica Le cellule per vivere e compiere correttamente tutte le sue funzioni hanno bisogno di molecole, catalizzatori chimici(enzimi), un programma e ovviamente dell’energia. Quest’ultima risulta essere importantissima, infatti viene usata per compiere lavoro, cioè per effettuare specifici cambiamenti chimici e fisici all’attività cellulare, cioè il programma che deve seguire la cellula. Distinguiamo 6 tipi di lavoro: il lavoro di sintesi(fotosintesi), il lavoro meccanico, quello di trasporto contro gradiente, il lavoro elettrico, il calore e la bioluminescenza (green fluorescent protein). Tutti i flussi energetici devono sottostare alle leggi termodinamiche. Prima legge termodinamica Essa enuncia che l’energia non si crea e non si distrugge, ma si trasforma. Viene così introdotta l’energia interna, cioè l’energia che esce da un sistema. Nei processi biologici si considera sempre il contenuto di calore che viene espresso come entalpia, dove la sua variazione se è negativa si dice che la reazione è esotermica(combustione) mentre se positiva è endotermica. Seconda legge termodinamica La seconda legge introduce la quantità di disordine di un sistema, cioè l’entropia. Inoltre, l’universo tende sempre al disordine. H=G+TS o G=H-TS se la variazione di energia libera è negativa allora la reazione è spontanea. Inoltre, questa variazione permette anche di comprendere se un processo è esoergonico, cioè se la differenza di energia libera è maggiore di zero, o endoergonica, se è il contrario. Un esempio di processo esoergonico è la diffusione, un processo nel quale le molecole di un gas o di una soluzione si muovono da una regione in cui sono maggiormente concentrate con un livello di entropia basso ad una regione in cui sono meno concentrate con un livello di entropia alto. Questo avviene poiché la diffusione è un processo spontaneo, infatti l’energia libera acquisita nel processo di concentrazione viene trasformata in entropia portando ad un suo aumento a discapito dell’energia interna. Per finire molte reazioni metaboliche sono endoergoniche e per avvenire devono essere associate a reazioni esoergoniche che possano fornire l’energia necessaria per far avvenire le reazioni. Un esempio è quello dell’ATP che porta allo svolgimento di una reazione endoergonica formando un composto intermedio. Enzimi L’energia libera permette però solo di valutare la spontaneità della reazione, cioè solo se avviene naturalmente oppure se è necessario fornire energia, ma non dice se la reazione avviene o no. Difatti esistono reazioni e processi che avvengono anche se non spontanei. Per questo esistono l energie di attivazioni che sono specifiche per ogni reazione; esse sono dei valori minimi di energia al di sotto del quale la reazione non avviene. È possibile abbassare questa energia in due modi: o fornire energia aumentando la temperatura, o utilizzando gli enzimi. Quest’ultimi sono delle proteine specializzate che contribuiscono al superamento della barriera di attivazione, cioè abbassano l’energia di attivazione. Inoltre, essi accelerano le reazioni energicamente favorite ma non hanno effetto su quelle sfavorite dal punto di vista energetico. Funzionano come dei catalizzatori visto che diminuendo la barriera aumentano la velocità di reazione. Hanno diverse proprietà:  non forniscono energia  non rendono spontanea una reazione endoergonica  non si alterano irreversibilmente durante la reazione (sono riutilizzati a ciclo continuo)  sono proteine altamente specifiche per il substrato, che comporta la presenza di un sito attivo altrettanto specifico Il sito attivo non è altro che una porzione dell’enzima che è coinvolta nella reazione enzimatica e interagisce con il substrato.  diminuendo la barriera di attivazione, aumentano la velocità di una reazione di un fattore  formano complessi reversibili e transitori con il substrato e l’altra si riduce ATPasi Idrolizzano l’ATP 📌 Lisozima: enzima che agisce da antibiotico naturale ed è presente nelle secrezioni come la saliva o le lacrime. Esso idrolizza le catene polisaccaridiche della parete cellulare batterica inserendo una molecola d’acqua tra due zuccheri adiacenti 📌 Penicillina: inibisce alcuni enzimi batterici della sintesi Ora analizziamo ogni singola parte della cellula in modo approfondito Membrane Di tutte le membrane sicuramente quella più importante è la membrana plasmatica, la quale ha il compito sia di separare l’ambiente esterno dall’ambiente interno della cellula sia di delimitare i contorni dei compartimenti interni della molecola. Caratteristiche:  possiede uno spessore che varia dai 7 ai 10 nanometri  è composta da lipidi, che comprendono i fosfolipidi, glicolipidi e gli steroli, proteine, tra cui le integrali e le periferiche, e i carboidrati come le catene glucidiche  possiede una forte asimmetria ed è dinamica sia internamente che esternamente  ha una barriera selettiva, cioè è permesso il passaggio solo a determinati ioni e determinate molecole Nel corso degli anni sono state fatte tanti modelli di come potesse essere la membrana cellulare ma quello più fedele alla realtà e tutt’ora valido è quello del 1972 di Singer e Nicholson chiamato modello a mosaico fluido. Esso ipotizza la membrana come un mosaico di proteine incluse in modo discontinuo in un doppio strato lipidico fluido; questa natura fluida permette sia ai lipidi che alle proteine di spostarsi lentamente lungo la membrana. Inoltre, le proteine sono delle entità globulari con una parte idrofobica immersa nei lipidi e una parte idrofila a contatto con l’acqua. Le funzioni di questa membrana sono principalmente 6:  Barriera di selettività: regola lo scambio di molecole.  Compartimentazione: delimita compartimenti chiusi, che contengono sostanze diverse e svolgono attività specializzate, indipendenti le une dalle altre.  Trasporto di soluti: meccanismi di trasporto per zuccheri (per fornire energia metabolica), amminoacidi (per costruire macromolecole) o ioni (per generare potenziali elettrici, regolare il pH e la composizione ionica dei liquidi intra- ed extracellulari,).  Risposta a segnali esterni: trasduzione del segnale: recettori sulla membrana legano molecole complementari (ligandi). Questa interazione può scatenare un nuovo segnale da parte della membrana che può stimolare o inibire l’attività interna.  Interazioni intercellulari: media le interazioni fra cellule, permettendo il riconoscimento, l'adesione e lo scambio di materiale e informazioni.  Trasduzione di energia: conversione di una forma di energia in un'altra, es. fotosintesi (cloroplasti) e trasferimento di energia da carboidrati e grassi all'ATP (mitocondri). Lipidi I lipidi rappresentano la parte fluida della membrana, infatti essi sono presenti in un doppio strato allo stato fluido cosa che permette alle proteine di ‘’galleggiare’’ nel doppio strato formando così la parte a ‘’mosaico’’. La membrana rimane comunque una struttura molto dinamica che permette il movimento laterale e trasversale(flip-flop) delle molecole lipidiche. In essa sono presenti tre tipi di lipidi: i fosfolipidi, i glicolipidi e gli steroli. Dei primi riconosciamo i fosfogliceridi(glicerolo), come la fosfatidilserina, la fosfatidilcolina e la fosfatidiletonolammina, e gli sfingolipidi come a sfingomielina. Dei glicolipidi riconosciamo i cerebrosidi e i gangliosidi mentre degli steroli è presente il colesterolo. La composizione dei lipidi cambia da membrana a membrana e sono distribuiti in modo asimmetrico; infatti, i glicolipidi sono sempre sullo strato esterno. Come detto prima i lipidi hanno molta mobilità, infatti, possono ruotare su sé stessi, muoversi lateralmente e trasversalmente anche se è un movimento che compiono raramente. Il movimento dei lipidi all’interno della membrana viene osservato tramite la tecnica del photobleaching in cui le molecole di una superficie cellulare vengono marcate con un colorante fluorescente e successivamente tramite un laser viene sbiancata una parte in modo tale che durante il movimento il colorante rioccupi la porzione sbiancata segnalando così la posizione dei lipidi. Inoltre, questo processo è presente anche nelle proteine. Sappiamo che la fluidità dei lipidi è importantissima per i processi cellulari come il movimento, l’accrescimento, la divisione e la eso- endocitosi; è necessario però anche enunciare che dipende dalla lunghezza delle catene di acidi grassi visto che se aumenta la catena aumentano i punti di contatto tra le code e l‘acqua aumentando di conseguenza l’energia necessaria per rompere questi legami, il loro grado di insaturazione, che più aumenta e più è fluida la membrana e dalla temperatura di transizione, il valore a cui si ha lo spartiacque tra la fase gel e la fase fluida. Essa in particolare dipende dalla composizione lipidica della membrana e dagli acidi grassi; infatti, se si hanno più acidi grassi insaturi la temperatura è bassa mentre per acidi grassi saturi si ha un’alta temperatura di transizione. Nei lipidi possiamo avere diversi tipi di insaturazioni, quelle cis e quelle trans; le prime si ottengono quando gli atomi di carbonio sono sullo stesso piano mentre se sono su piani diversi si ha la conformazione trans. Essa porta ad una maggiore compattazione che diminuisce la fluidità. Infine, la fluidità è influenzata solamente da un altro fattore: la presenza degli steroli e più in particolare la presenza del colesterolo. Colesterolo questa molecola risulta essere uno stabilizzante evitando un’eccessiva fluidità dei lipidi quando le temperature sono molto basse e un’eccessiva rigidità quando le temperature sono alte. Ovviamente in grandi quantità fa male al nostro organismo poiché rende troppo rigido il nostro apparato cardio-vascolare facendo lavorare molto il nostro cuore. Il gruppo ossidrilico è orientato verso la fase acquosa, vicino al gruppo polare dei fosfolipidi mentre gli anelli idrofobici sono piatti e rigidi e interferiscono con il movimento delle code dei fosfolipidi. È presente in modo non omogeneo all’interno del nostro corpo trovandosi soprattutto nelle zattere lipidiche, microdomini con maggiore compattezza con elementi proteici. Si ritiene che siano usate nella trasmissione intra-cellulare per trasportare proteine dall’esterno all’interno della cellula e viceversa. Proteine Esistono anche degli elementi proteici nella membrana, in particolare abbiamo:  Proteine monotipiche, le quali sono all’interno della membrana ma interagiscono solo con la parte interna visto che non riescono ad attraversare tutta la membrana. nella fase lipidica della membrana dove incontra il core idrofobico per poi emergere dal lato opposto della membrana, inoltre dipende da diversi fattori tra cui la dimensione del soluto e la sua polarità, l’area della membrana, il gradiente di concentrazione, lo spessore della membrana e la composizione dello strato lipidico. Tutti questi fattori sono raccolti nella legge di Fick. Quando però abbiamo a che fare con molecole idrofiliche si ricorre alla diffusione non ionica, nella quale le molecole polari vengono rese apolari per attraversare la membrana, difatti più è polare il composto e più è favorito il processo. Esempi di diffusione ionica si hanno nei tuboli renali e nello stomaco. Nel primo caso si ha l’ammoniaca, la quale attraversando la membrana ed entrando nei tuboli trova un ambiente con un pH acido che porta alla protonazione della sostanza; essendo ora una sostanza carica non è più in grado di riattraversare la membrana permettendo così all’organismo di escretarla con l’urina. Nel secondo caso invece si ha il processo dell’acido acetilsalicilico (principio attivo dell’aspirina), dove l’ambiente acido dello stomaco lo rende in dissociato e in grado di attraversare la membrana; nel citoplasma della cellula si ha un pH neutro che permette all’acido di dissociarsi diventando così una molecola polare che non è più in grado di riattraversare la membrana. Questo composto può anche essere dannoso visto che un suo accumulo porta un danno cellulare(ulcere). Nella diffusione facilitata invece abbiamo i canali ionici che sono proteine integrali di membrana che formano pori acquosi permeabili agli ioni; essi sono regolati da stimoli elettrici (che corrispondono alla variazione di potenziale della membrana), stimoli meccanici e stimoli chimici come gli ormoni, i neurotrasmettitori e i messaggeri intracellulari. Oltre a questo posseggono alcune proprietà biofisiche e farmacologiche, tra cui la selettività per le specie ioniche, la cinetica di apertura, chiusura ed inattivazione e la farmacologia grazie alla quale vengono studiati i canali che vengono isolati con proprietà inibitrici e attivatori. Alcuni canali ionici molto importanti sono i canali ionici voltaggio-dipendenti come ad esempio quello del calcio e quello del sodio. Tutti questi canali hanno una struttura molecolare uguale: sono composti da più sub unità (alfa1, alfa2, beta e gamma). La prima sub unità è composta da 4 domini, ognuno composto da 6 segmenti transmembrana con struttura alfa-elica. Il segmento 4 è il sensore di potenziale mentre tra il segmento 5 e quello 6 è presente un’ansa che controlla la selettività del canale. Come abbiamo già detto prima il glucosio viene scambiato tramite un trasportatore: il GLUT1. Esso trasporta il glucosio all’interno delle cellule legando il glucosio con il sito attivo della proteina; inizialmente essa si presenta nella conformazione iniziale con il sito attivo rivolto verso l’esterno per poter legare il monosaccaride ma appena il legame è avvenuto il trasportatore viene convertito nella sua conformazione T2, che ha il sito attivo rivolto verso l’interno. Successivamente il glucosio viene rilasciato e il GLUT1 torna alla sua conformazione originaria. Questo trasportatore presenta una elevata specificità per il substrato nonostante siano presenti molecole simili he competono per lo stesso trasportatore. Inoltre esistono altri 4 tipi di trasportatori GLUT ed alcuni sono utilizzati per l’assorbimento intestinale. Nell’assorbimento intestinale degli zuccheri infatti vengono assorbiti dal lume intestinale e trasportati sul lato sierosale attraverso un sistema di simporti e uniporti e la presenza di una pompa sodio-potassio ATPasi per mantenere il gradiente del sodio. In questo processo sono presenti alcuni trasportatori come il SLGT1, che è il trasportatore del sodio-glucosio ed utilizza il gradiente del sodio per trasportare attivamente il glucosio o galattosio nelle cellule epiteliali intestinali, il GLUT2 che è un uniporto del glucosio e nelle cellule epatiche, renali e delle isole pancreatiche, ed infine il GLUT5 che è un uniporto specifico del fruttosio. Il trasporto attivo utilizza l’energia dell’idrolisi di ATP per trasportare ioni contro gradiente di concentrazione, è altamente specifico e permette di trasportare un solo tipo di ione o ioni diversi sui due lati della membrana; oltre a mantenere il gradiente stabile ai lati della membrana si divide in primario o secondario e elettrogenico o elettroneutro a seconda se è presente o no una differenza di potenziale elettrico. Se abbiamo un trasporto attivo secondario possiamo averlo contro-trasporto (se trasporta due soluti in direzioni opposte) o co-trasporto ( se trasporta due soluti nella stessa direzione). Come trasporti attivi primari abbiamo 4 esempi:  Pompa Na+/K+: vengono trasportate fuori 3 molecole di sodio e dentro 2 molecole di potassio creando così un accumulo di sodio nell’ambiente extra-cellulare mentre nell’ambiente intra-cellulare un accumulo di potassio. È ubiquitaria sulle membrane cellulari ed è responsabile del gradiente ionico del sodio e del potassio ai lati della membrana. Inoltre è una pompa elettrogenica, quindi con una variazione di potenziale e contribuisce a mantenere negativo il potenziale di membrana delle cellule a riposo. Il suo funzionamento consiste in tre molecole di sodio che si legano alla proteina di trasporto, successivamente un gruppo fosfato viene trasferito dall’ATP alla proteina di trasporto dando inizio alla fosforilazione che determina un cambiamento di conformazione della proteina, la quale poi rilascia i tre ioni sodio all’esterno della cellula. Due ioni potassio esterni si legano alla proteina rilasciando il gruppo fosfato nell’ambiente intra-cellulare causando così il ritorno della proteina di trasporto alla conformazione originaria rilasciando gli ioni potassio all’interno della cellula. Questa pompa viene classificata come ATP-asi richiedendo una molecola di ATP che viene idrolizzata dal sito ATPasico; oltre a mantenere la concentrazione degli ioni sodio e potassio bassa (si attiva quando la concentrazione aumenta) richiede per il funzionamento degli ioni magnesio. L’aggiunta di litio provoca un blocco della pompa, difatti questa molecola viene usata per curare malattie che rallentano le funzioni neuronali tra cui la comunicazione (malattie neurologiche).  Pompa K+/H+: escono 4 ioni idrogeno ed entrano in numero uguali ioni potassio all’interno della cellula utilizzando una molecola di ATP. È molto presente nelle cellule ossintiche dell’epitelio gastrico, le quali producono HCl nel lume NaHCO3 - a livello sierosale oltre che il fattore intrinseco (con la glicoproteina lega la vitamina B12 e ne favorisce l’assorbimento). Questa pompa oltre a essere elettroneutra permette la produzione di concentrazioni molto alte di acido cloridrico mantenendo così un pH gastrico acido. Oltre all’acido cloridrico è presente anche il cloro che si accumula nel lume ghiandolare, il cloro deriva dall’uniporto bicarbonato mentre l’idrogeno deriva dal nostro metabolismo, in particolare dall’acido carbonico che si scinde in bicarbonato e protoni. Esistono dei farmaci che sono in grado di bloccare la pompa inibidendo la secrezione acida come gli antiulcerosi e i gastro-protettori.  Pompa H+ ATPasi o protonica: ha la funzione di portare fuori 2 ioni idrogeno per mantenere il pH cellulare neutro (per questo è elettrogenica), fuori dalla cellula esistono però dei sistemi tampone che eliminano gli ioni idrogeno tramite la respirazione sotto forma di anidride carbonica o tramite l’urina.  Pompa Ca2+ ATPasi: ha un carattere di uniporto ed espelle 2 ioni di calcio per ogni molecola di ATP (elettrogenica) per mantenere bassa la concentrazione del calcio all’interno del citosol. È presente sulla membrana cellulare di tutte le cellule, nei mitocondri e del reticolo endo/sarcoplasmatico (SERCA). La SERCA infatti ha la funzione di mantenere bassa la concentrazione del calcio e per fare questo accumula esso nel reticolo endoplasmatico/sarcoplasmatico. I trasporti attivi secondari trasportano le molecole e gli ioni attraverso la membrana utilizzando come fonte energetica i gradienti ionici creati dai trasporti attivi primari ed è per questo motivo che non hanno bisogno di energia metabolica. Alcuni dipendono dal gradiente del sodio o di altri ioni come il cloro. Analizziamo i trasporti secondari attivi sodio-dipendenti che trasportano glucosio, amminoacidi e alcuni ioni come calcio o idrogeno, si possono suddividere in simporti e antiporti così come possono essere elettroneutri o elettrogenici. I simporti si muovono nella stessa direzione del sodio mentre gli antiporti in direzione opposta. Tra i simporti abbiamo quello che trasporta glucosio e quello che trasporta amminoacidi, entrambi hanno l’obbiettivo di trasportare o il glucosio (SGLUT) o gli amminoacidi all’interno delle cellule epiteliali. I primi però possono anche essere oggetto di farmaci per ridurre il glucosio e indurre una condizione di ipoglicemia; questo viene usato per combattere il diabete e questi farmaci sono specifici per il SGLUT. Il diabete è semplicemente un valore molto alto di glicemia, la quale indica il valore di glucosio presente nel plasma; quando la glicemia è troppo alta vuol dire che il corpo non riesce a trasportare il glucosio nelle cellule causando un suo accumulo, esso però è molto dannoso infatti provoca danni ai vasi sanguigni e agli occhi. Gli antiporti invece si distinguono in Na+/H+ che contribuisce a mantenere il pH cellulare stabile e Na+/Ca2+ che serve per mantenere basso il livello di calcio nella cellula. Tra gli antiporti studiamo l’antiporto Cl-/HCO3 - che sfrutta il gradiente del cloro per eliminare il bicarbonato prodotto dalla cellula, ha anche altre funzioni che cambiano a seconda di dove esso si trova:  Eritrociti: mantiene il livello di HCO3 - plasmatico (equilibrio acido-base).  Cellule ossintiche dell’epitelio gastrico: contribuisce alla secrezione acida dello stomaco.  Cellule del dotto pancreatico: arricchisce il succo pancreatico di HCO3 - e mantiene il pH basco del succo. Nel traffico di membrane e proteine l’asimmetria dei due strati della membrana è preservata mentre il lato interno del RER e dell’apparato del Golgi diventa la superficie extracellulare della membrana plasmatica. Come sappiamo i lipidi sono sintetizzati nel RE e sono trasportati al Golgi ed alla membrana plasmatica come vescicole. Le proteine si muovono dal reticolo al Golgi tramite due vie di secrezione:  Secrezione costitutiva: vengono rilasciate continuamente proteine solubili e lipidi di membrana (l’aspirina agisce su queste vie diminuendo l’attività secretoria delle cellule mucipare).  Secrezione regolata: avviene ad esempio nei neuroni e sono calcio-dipendenti, comportano rilasci rapidi e controllati in risposta a segnali extracellulari. Nei neuroni queste vie non sono tutte uguali e molto complesse rilasciando in base alla quantità di calcio permettendo di gestire molti segnali e stimoli essendo così oltre che controllata anche modulata la secrezione. L’esocitosi consiste in un rilascio di proteine o piccole molecole nel liquido extracellulare, è dipendente dal calcio, avviene tramite due famiglie di proteine chiamate complessi SNARE (SNAP recettori) ed è divisa in 4 fasi: 1. Avvicinamento e ancoraggio: la vescicola si avvicina alla membrana plasmatica. 2. Fusione: la vescicola si lega alla membrana. 3. Formazione del poro di fusione: si rompe la membrana plasmatica. 4. Rilascio del contenuto: viene liberato il contenuto della vescicola all’esterno della cellula mentre la membrana della vescicola si integra con la membrana plasmatica. Nell’esocitosi vengono usate due famigli di proteine: le v-SNARE (sinaptobrevina) e le t-SNARE (sintaxina), entrambe sono proteine complementari che assieme a proteine d’ancoraggio permettono l’avvicinamento, la fusione e l’apertura della vescicola sulla membrana plasmatica. La prima classe sono i recettori delle vescicole mentre la seconda sono i recettori bersaglio sulla membrana. Un esempio di endocitosi è l’insulina; essa viene sintetizzata nel reticolo endoplasmatico liscio in una forma inattiva chiamata proinsulina, la quale è caratterizzata da dei ponti disolfuro formati dal reticolo endoplasmatico ruvido che conferiscono la struttura terziaria alla proinsulina. Nelle vescicole secretorie poi si rimuove il peptide di connessione e si forma l’insulina attiva. L’endocitosi è invece un processo di internalizzazione di sostanze mediante invaginazioni della membrana e può internalizzare componenti solubili o legati a recettori di membrana. Ci sono tre diverse sottoclassi di endocitosi: la fagocitosi, la pinocitosi e l’endocitosi mediata da recettori. Inoltre l’endocitosi regola l’omeostasi, introduce i nutrienti nella cellula e protegge da infezioni batteriche; alcune volte però viene utilizzata dai virus per introdursi all’interno della cellula. Nel nostro organismo però bisogna sottolineare che l’esocitosi e l’endocitosi sono processi complementari quindi tutta la quantità secretata viene riassorbita in quantità uguali per mantenere stabile il processo ed entrambi avvengono in tempi molto brevi. La fagocitosi viene usata per introdurre aggregati di macro- molecole, parti di altre cellule o interi microorganismi ed è seguita dalla formazione di un vacuolo fagocitico che si fonde con un endosoma precoce per poi fondersi definitivamente nel lisosoma. Nell’endocitosi mediata da recettori invece le cellule usano dei recettori presenti sulla superficie della membrana plasmatica, i quali si legano al ligando creando il complesso recettore- ligando, a seguire avviene una diffusione laterale che permette di creare un’infossatura e di rivestire il complesso di clatrina (le vescicole sono poi ricoperte interamente da clatrina essendo così clatrina- dipendente) e di una proteina adattatrice. Dopo avviene l’invaginazione viene richiuso il tutto con la dinamina formando una vescicola rivestita; viene poi allontanato il rivestimento riciclando le proteine rivestite e la vescicola si fonde con un endosoma precoce liberando il ligando. Il ligando poi viene trasferito ad un endosoma tardivo e poi al lisosoma per essere digerito, e poi con i materiali di scarto avviene la transcitosi mentre i recettori della superficie vengono riciclati ritornando alla membrana. La pinocitosi invece serve per internizzare piccole quantità di liquido con la formazione di calveole chiamate anche endocitosi in fase liquida. Queste calveole non sono altro che invaginazioni della membrana plasmatica formate da zattere lipidiche. Le vescicole endocitotiche sono circondate da reticoli, esagonali o pentagonali, che sono formati da clatrina e da adaptina, ciò avviene quando la clatrina si associa ai recettori di membrana, mentre essi legano una specifica molecola che viene chiamata cargo; la clatrina forma poi un rivestimento che incapsula una regione di membrana causando un restringimento nella zona di contatto con la membrana, il tutto viene finito con la dinamina che causa un strozzatura della fossetta e da origine alla vescicola endocitotica. Un discorso simile può essere applicato al colesterolo, il quale si riunisce in micelle (gocce lipoproteiche) che vengono internalizzate grazie a delle lipoproteine presenti sulla membrana. Maggiore è il colesterolo e minore è la concentrazione delle proteine, quindi chi ha dei valori alti di colesterolo nel sangue è perché ha dei difetti genetici che impediscono ai recettori di membrana di non allacciarsi bene alle lipoproteine non garantendo l’endocitosi. Valori alti di colesterolo causano ostruzioni totali o parziali dei vasi sanguigni rendendoli anche meno elastici provocando un lavoro extra del cuore. Il lisosoma è un organello de sistema di endomembrane che contiene enzimi digestivi capaci di degradare lipidi, carboidrati, proteine e acidi nucleici. Questi enzimi sono idrolitici con pH di 5 che provengono dal RE e sono selezionati nell’apparato del Golgi. Le molecole che vengono degradate provengono di solito dall’endocitosi, fagocitosi e autofagia. I lisosomi invece si formano dagli endosomi i quali all’inizio vengono chiamati endosomi precoci che si formano dalla fusione delle vescicole provenienti dall’apparato del Golgi e dall’endocitosi; esso poi matura nel tempo e diventa endosoma tardivo che contiene idrolasi acide e il materiale extra ed intra-cellulare. Esso poi diventa endosoma solo quando il pH del lume dell’endosoma scende ad un pH tra 4 e 5 grazie alla pompa H+-ATPasi. protoni nello spazio intermembrana), successivamente vanno nel complesso III che è il citocromo b-c portando 2 elettroni dal CoQ al citocromo c trasportando nel mentre altri 4 protoni. Infine c’è il complesso IV che è la citocromo c-ossidasi che ossida il citocromo c e trasferisce 2 elettroni e mezza molecola di ossigeno per formare acqua trasportando nel mentre 2 protoni. Quello che abbiamo visto rientra nella catena di trasporto degli elettroni nella quale i trasportatori sono disposti in ordine di potenziale redox crescente riducendosi accettando elettroni dal trasportatore precedente, il quale viene ossidato. Passando da un trasportatore ad un altro gli elettroni perdono energia ed è per questo che l’accettore finale è l’ossigeno molecolare che accetta elettroni di bassa energia per potersi ridurre ad acqua. Da come si è dedotto per poter svolgere qualsiasi cosa necessitiamo di ossigeno, quando però compiamo sforzi troppo elevati, cioè che assumiamo meno ossigeno di quello che consumiamo, i tessuti muscolari vanno in parziale anaerobiosi, cioè vengono utilizzati metodi anaerobi (senza ossigeno) per produrre ATP; il piruvato viene convertito a lattato tramite l’ossidazione di NADH a NAD+. L’acido lattico viene poi trasportato al fegato e riconvertito in glucosio tramite la gluconeogenesi (discorso simile si può fare per la fermentazione alcolica nella quale viene prodotto etanolo). L’ATP-sintasi si serve dell’energia del gradiente di protoni per sintetizzare l’ATP e per questo utilizza la sua energia elettrochimica. Il trasporto di protoni da un lato all’altro della membrana è un processo elettrogenico che crea un potenziale elettrico di membrana stabile dovuto alle cariche negative all’interno della matrice che sono contrapposte alle cariche positive dello spazio intermembrana; inoltre sappiamo che esse (il gradiente protonico) generano una forza elettrochimica di ~+30 mV, di conseguenza esiste ai capi della membrana una forza motrice protonica che agisce su H+ e si ottiene calcolando la differenza tra il potenziale elettrico stabile (-180 mV) e la forza elettrochimica. Facendo i calcoli abbiamo una forza motrice di - 210 mV che spinge i protoni nella matrice. L’ATP-sintasi è formata da una testa sferica F1 e una sezione basale F0; la testa contiene 5 subunità (3 alfa, 3 beta, delta, gamma ed epsilon), la sintesi avviene nell’anello 3 alfa-3 beta e viene immobilizzato da delta che lo collega ad una subunità b di F0. La subunità gamma si estende lungo l’asse centrale fino alla base F0 ed è in grado di ruotare (rotazioni discrete di 120 gradi). F0 è invece formata da 3 subunità: a, (nella quale è presente un canale in cui fluiscono i protoni spinti dalla forza motrice protonica) 2b e 10c la quale è l’unica che ruota. La subunità gamma è formata da 2 alfa-eliche allungate ed avvolte a spirale che si estende da F0 fino alla cavità centrale all’interno di F1. La rotazione di gamma è resa possibile dalla rotazione delle subunità c, le quali sono organizzate per formare un anello nel settore F0, il movimento dei protoni provoca una rotazione dell’anello c che lo trasmette alla subunità gamma. Per funzionare l’ATP- sintasi fa entrare l’H+ entra da un semicanale della subunità a che è in contatto con lo spazio intermembrana e si lega ad un sito aspartato che è carico negativamente, mentre un secondo semicanale in contatto con la matrice riceve un protone legato ad un aspartato che ha compiuto il giro dell’anello. L’H+ rilasciato si diffonde nella matrice dissipando così il gradiente protonico per sintetizzare ATP. Ogni giro completo dell’anello c comporta ad una sintesi di 3 ATP e un consumo di 3 protoni. La subunità beta ha 3 configurazioni: aperta, lassa e compatta. Bisogna anche sapere che l’ATP-sintasi è in grado di funzionare anche al contrario: è in grado di ruotare in senso opposto idrolizzando l’ATP per ottenere il gradiente protonico quando è carente. Parliamo ora dei neuroni, cellule eccitabili specializzate nel generare e propagare potenziali elettrici come comunicazione; sono composti da un apparato dentritico, un soma, un assone e uno o più terminali sinaptici. Il soma è il nucleo dove avviene le sintesi delle molecole e presenta una bassa densità di canali ionici, mentre i dendriti sono prolungamenti eccitabili con canali di sodio, calcio e potassio. L’assone invece conduce i segnali elettrici verso il segnale sinaptico con un’alta densità del sodio e del potassio e si lega agli altri neuroni per trasmettere il messaggio, mentre i terminali sinaptici hanno alta densità di calcio e vescicole sinaptiche; l’assone viene anche considerato come un cavo elettrico, per questo è ricoperto da una sostanza isolante chiamata mielina, oltre a questo può arrivare fino a metri di lunghezza e l’impulso elettrico viaggia a 300 Km/h. Infine esiste il neurotrasmettitore che viene usato per trasmettere. I neuroni non sono tutti uguali, infatti esistono tre famiglie: i neuroni sensoriali (ricevono gli stimoli dall’ambiente circostante) quelli motori (permettono il movimento) e gli interneuroni (controllano le funzionalità degli altri neuroni); tutti hanno forme che si adattano alla funzionalità della cellula. Come abbiamo detto i neuroni sono cellule eccitabili, cioè che generano elettricità (correnti ioniche e potenziali) e alla base di questa eccitabilità ci sono i principi di elettrochimica che regolano l’equilibrio di soluzione ioniche separate da membrane permeabili che contengono. Consideriamo ad esempio una membrana con soli canali del potassio che è permeabile solo al potassio e separa una soluzione contenente K+ e anioni M- impermeabili. In questa soluzione salina avviene un movimento passivo che porta alla diffusione del potassio fino a quando la forza elettrica non eguaglia la forza chimica creando un equilibrio elettro-chimico. Per generare il potenziale di membrana si parte da una situazione di membrana a riposo nella quale alcuni canali sono chiusi e non permettono il flusso di ioni. In questa situazione il potassio non si muove poiché è presente una forza elettrochimica, esso però non accade grazie alla pompa sodio-potassio che trasporta fuori il potassio fino a quando non si ha un equilibrio elettro-chimico; questo crea una differenza di potenziale ai capi della membrana e di conseguenza uno stato stazionario. Il potenziale a riposo è sempre negativo con valori tra -40 mV e -100 mV, non vara se l’elettrodo per misurarlo penetra più in profondità (potenziale uniforme), viene generato dall’apertura di canali ionici selettivamente permeabili ad una specie ionica e gradienti ionici mantenuti stabilmente da trasporti attivi, inoltre esso è più sensibile alle variazioni di potassio rispetto agli altri ioni a causa della maggiore permeabilità dello ione, è negativo per la tendenza dello ione potassio a uscire verso l’esterno attraverso i canali del potassio aperti a riposo lasciando una carica negativa all’interno della cellula. Gli altri ioni inoltre contribuiscono poco al potenziale di riposo in quanto la membrana è poco permeabile a sodio, calcio e cloro. Per calcolare il potenziale di membrana se la membrana è permeabile ad una sola specie ionica il potenziale di equilibrio è Ex=58mV∗ln ⁡¿che viene chiamata equazione di Nerst. Quando si hanno due ioni si hanno due potenziali di equilibrio di segno opposto in cui uno si avvicina al valore nomale mentre l’altro no, inoltre per calcolarlo basta solo sapere la concentrazione ionica dentro e fuori dalla cellula. Se invece la membrana è permeabile ad entrambi gli ioni allora si usa l’equazione di Goldman Vm=58mV∗log ⁡¿ che permette di calcolare Vm in condizioni in cui la permeabilità dei canali del potassio e del sodio cambia nel tempo. I canali del sodio e del potassio V-dipendenti sono proteine integrali di membrana e cambiano conformazione in base al potenziale, sono chiusi a potenziali molto negativi e aperti a potenziali positivi, hanno un potenziale di soglia (valore al quale incominciano ad aprirsi i canali ~-35 mV), possiedono segmenti transmembrana sensibili al potenziale elettrico di segmenti che determinano la permeabilità e la loro apertura da origine flussi di corrente che alterano il potenziale di membrana e possono generare potenziali d’azione. Inoltre se il potenziale è troppo alto la membrana si depolarizza mentre se troppo basso si iperpolarizza. Il poro permeabile agli ioni K + è formato da 4 subunità alfa che vengono assemblate per formare il poro mentre i segmenti Nella sinapsi chimica abbiamo i neurotrasmettitori, molecole rilasciate dalla terminazione presinaptica come acetilcolina, catecolammine, amminoacidi, loro derivati e neropeptidi, che vengono riconosciuti dai recettori postsinaptici. Il nostro organismo ha circa 10 diversi neurotrasmettitori, un numero relativamente basso se si conta che ogni neurotrasmettitore è specifico per ogni segnale, questo viene compensato dal fatto che esistono diversi tipi di recettori, di conseguenza ogni neurotrasmettitore ha diversi recettori per diversi segnali. I recettori possono agire in modo diretto o indiretto sui canali ionici postsinaptici potendo causare depolarizzazione o iperpolarizzazione; quelli che agiscono in modo diretto vengono detti recettori ionotropi mentre gli altri recettori metabotropi. Nella trasmissione sinaptica il potenziale d’azione arriva al bulbo terminale presinaptico originando una depolarizzazione transitoria che apre i canali del calcio dipendenti da voltaggio, permettendo così agli ioni calcio di andare nel terminale. L’accumulo degli ioni calcio induce la secrezione di alcune vescicole neurosecretorie. Una stimolazione prolungata mobilita anche le altre vescicole permettendo così ai neurotrasmettitori di diffondersi attraverso la fessura sinaptica ai recettori sulla cellula postsinaptica, legandosi a essi vengono modificate le proprietà del neurotrasmettitore. Successivamente i canali si aprono permettendo un flusso di ioni nella cellula postsinaptica ed in funzione di essi si ha un’iperpolarizzazione o una depolarizzazione. Se avviene una sufficiente depolarizzazione si verifica un potenziale d’azione nella cellula postsinaptica. La neurosecrezione parte dai terminali presinaptici nei quali le vescicole che contengono i neurotrasmettitori si avvicinano alla membrana muovendosi lungo percorsi tracciati da microfilamenti. In siti altamente specializzati chiamati siti attivi (in alcune sinapsi sono organizzati a forma di nastro ribbon) avviene l’ancoraggio e la fusione, il tutto vicino ai canali del calcio V-dipendenti. La fusione avviene dopo che si è formato il complesso SNARE e l’ingresso del calcio attraverso i canali attivati dal potenziale d’azione che invade il terminale. La fusione vescicolare avviene in modo particolare: i canali del calcio sono localizzati ai siti di attacco della vescicola in modo tale che quando la vescicola si ancora il calcio entra attraverso i suoi canali e si lega alla sinaptotagmina (proteina della membrana e sensore del calcio); essa interagisce con il complesso SNARE, che intanto si è formato, e catalizza la formazione del poro di fusione ed inizia così l’esocitosi. Analizziamo ora due recettori post-sinaptici: quello nicotinico e i recettori GABAergici. Il primo è un recettore ionotropo formato da 5 subunità proteiche (2 alfa, beta, gamma e delta) attivato dall’acetilcolina; per attivarlo servono 2 molecole di acetilcolina ed è permeabile al sodio e al calcio. Nei recettori post-sinaptici GABAergici il GABA è un neurotrasmettitore inibitorio e il recettore GABAA è una proteina transmembrana che forma un canale ionico permeabile allo ione cloro ed è formata da 5 subunità (alfa, beta, gamma, delta e pico), inoltre iperpolarizza la cellula quando viene attivato dal GABA. L’integrazione sinaptica sappiamo che è alla base di tutte le funzioni del cervello (cognitive, sensoriali e motorie). Sappiamo che nel soma e nei dendriti si formano sinapsi inibitorie iperpolarizzanti ed eccitatorie depolarizzanti ed a livello dendritico e somatico i segnali vengono sommati algebricamente. Dopo l’integrazione sinaptica si genera il potenziale d’azione solo se nel monticolo assonico (dove è presente il canale del calcio) la somma dei potenziali eccitatori e inibitori raggiunge la soglia di attivazione, generando così un potenziale lungo l’assone. Siamo a conoscenza che le cellule ricevono due tipi di segnali chimici: i segnali endocrini in cui il messaggero proviene da cellule lontane ed i segnali paracrini o autocrini in cui il messaggero proviene da cellule vicine o dalla stessa cellula. I primi segnali sono in genere gli ormoni mentre gli altri sono i fattori di crescita, il monossido d’azoto e i mediatori locali. La risposta cellulare viene mediata dall’attivazione di recettori di membrana o di recettori intracellulari; i recettori di membrana in genere comportano dei ligandi di natura idrofilica cioè molecole idrosolubili che non penetrano nella membrana cellulare, alcuni esempi sono i peptidi. I recettori intracellulari sono per le molecole idrofobiche, cioè di natura lipofila che quindi attraversano la membrana come gli ormoni steroidei. I recettori sono in grado di attivare vie diverse, possono attivare e convergere sulla stessa via e possono anche interagire tra di loro regolandosi a vicenda. Sappiamo inoltre che le vie di trasduzione amplificano la risposta cellulare, difatti bastano poche molecole di messaggero per generare una forte risposta cellulare; un esempio è l’adrenalina che con una molecola genera una risposta di 10^8 glucosio-1-fosfato. La risposta però può essere rapida, al massimo qualche minuto, o lenta, può durare anche delle ore come i fattori di crescita. I recettori associati alle proteine G sono delle proteine integrali di membrana forati da 7 alfa-eliche transmembrana e posseggono un sito di legame per il messaggero, un segmento intracellulare e vari siti di fosforilazione o desensitizzazione se le molecole sono fosforilate; inoltre conosciamo due classi di G: le proteine G grandi eterotrimeriche e quelle piccole monomeriche. Le proteine trimetriche posseggono 3 subunità: alfa, beta e gamma le quali sono sempre unite mentre alfa lega il GTP nello stato attivo e il GDP nello stato inattivo. In queste proteine: 1. il ligando non è legato al recettore, di conseguenza alfa lega il GDP, è associata a beta- gamma e la proteina non è attiva. 2. Quando si il ligando si lega al recettore esso lega la proteina G, alfa scambia il GDP con il GTP e la proteina G si attiva mentre alfa si dissocia da beta-gamma. 3. Alfa e beta-gamma attivano le proprie proteine bersaglio. 4. L’idrolisi del GTP in GDP inattiva causa il distacco della proteina bersaglio. 5. Alfa-GDP inattivata si lega nuovamente a beta-gamma. potassio e lo aprono con conseguente iperpolarizzazione (azione inibitoria). Nelle cellule del nodo SA l’ACh attraverso il recettore M2 attiva una subunità proteica G beta-gamma che apre il canale IKACh, canale che appartiene alla famiglia dei canali del potassio GIRK. Il quale è attivato dalle subunità e causa una ripolarizzazione della cellula; questa azione avviene diretta e velocemente nella membrana. Se viene prodotto troppo acetilcolina si ha una iperpolarizzazione maggiorata della cellula che causa un rallentamento del battito e la diminuzione della frequenza cardiaca. Lo stesso neurotrasmettitore può avere effetti opposti sulle cellule eccitabili: poniamo l’esempio dell’ACh che attiva sia i recettori muscarinici sia quelli nicotinici. Questo avviene a causa del fatto che il messaggero può legarsi a diversi tipi di recettori inducendo effetti molto diversi tra di loro. Come abbiamo detto prima se l’acetilcolina si lega al recettore muscarinico riducendo la frequenza del battito e la forza di contrazione nelle cellule miocardiche e aumentando la secrezione di enzimi salivari nelle cellule delle ghiandole salivari. In questi recettori può avere sia effetti inibitori e eccitatori, mentre in quelli nicotinici abbiamo un’azione eccitatoria nelle cellule muscolari scheletriche. Ogni volta che arriva un impulso nervoso si ha un rilascio di ACh tramite il contenuto di circa 200-300 vescicole. Questo causa l’attivazione dei recettori nicotinici che generano un potenziale di placca che depolarizza la fibra fino a -20 mV, in questo modo si aprono i canali del sodio e del potassio nella membrana postsinaptica e si genera un potenziale d’azione che si propaga in entrambe le direzioni del muscolo, depolarizza la cellula, stimola il rilascio del calcio dal reticolo sarcoplasmatico e fa contrarre la fibra. Esistono anche molti altri recettori, come ad esempio i TRK (tirosin-kinasi); essi hanno sia funzione di recettori che di enzimi e sono legano fattori di crescita come insulina, NGF, BDNF, FGF, ecc…. Sono coinvolti nella trasduzione del segnale che porta nel tempo al differenziamento cellulare, ovvero crescita, proliferazione e specializzazione cellulare. Questi recettori sono composti da una singola catena polipeptidica con 1 STM ed il sito di legame è sul lato esterno della membrana; la parte citosolica è formata da un dominio con attività tirosin-kinasi e una coda citosolica, in essa ci sono dei residui di tirosina che sono substrati o i bersagli dell’attività tirosin-kinasica. Essi quando vengono attivati vengono occupati dal ligando e si aggregano a copie (dimerizzazione), successivamente i TRK dimerizzati si autofosforilano, cioè le tirosin-kinasi fosforilano i gruppi tirosina della catena vicina). Inizia così la trasduzione del segnale che porta alla fosforilazione della MAP kinasi (MAPK). Una volta fosforilata essa entra nel nucleo e attiva dei fattori di trascrizione che a loro volta trascrivono i geni necessari per la crescita cellulare. Fanno parte dei messaggeri anche gli ormoni, i quali vengono generalmente rilasciati da ghiandole endocrine distanti dai tessuti o cellule bersaglio; inoltre la stessa molecola può indurre risposte differenti in cellule bersaglio diverse. Un esempio è sicuramente quello dell’adrenalina che è rilasciata dalla ghiandola surrenale ma se va nelle cellule cardiache aumenta la frequenza cardiaca mentre nelle cellule epatiche demolisce il glicogeno epatico. I recettori dell’adrenalina sono alfa e beta-adrenergici che attivano proteine G, vie di trasduzione e risposte differenti, inoltre vengono attivati sia dall’adrenalina che dalla noradrenalina. Gli alfa-adrenergici hanno un’azione di vasocostrizione mentre i beta una di vasodilatazione. Il recettore beta media la glicogenolisi attraverso la via Gsα/AC/cAMP: il cAMP lega e attiva la proteina chinasi A la quale poi fosforila la fosforilasi b trasformandola nella sua forma attivata fosforilasi A. Questo processo viene chiamato glicogeno fosforilasi nel quale poi la fosforilasi a catalizza il distacco fosforilitico di molecole di glucosio-1-fpsfato dal glicogeno. L’insulina è un ormone ipoglicemizzante rilasciato dal pancreas endocrino e regola l’omeostasi del glucosio plasmatico stimolandone l’assunzione nelle cellule. L’azione è mediata da un recettore ad attività tirosina kinasica di forma dimerica. L’insulina legando il recettore stimola l’attività chinasi e la fosforilazione di IRS1, una volta fosforilato recluta GRB2 che attiva la via di Ras. IRS1 attiva anche la PI3-chinasiche catalizza la fosforilazione del lipide di membrana PIP2 in PIP3. Esso recluta poi nella membrana una proteina chinasi che attiva e fosforila la proteina chinasi Akt inducendo un aumento del numero di trasportatori GLUT4 grazie alla fosforilazione di alcune proteine chiave. GLUT4 trasporta glucosio dentro la cellula e Akt aumenta anche l’attività del glicogeno sintasi per produrre glicogeno. Il citoscheletro è formato da microtubuli, microfilamenti e filamenti intermedi. È una struttura molto dinamica che costituisce l’impalcatura per il supporto strutturale e la forma della cellula. Inoltre da origine ad un reticolo molto complesso che aiuta a posizionare i vari organelli, forma per quest’ultimi e per i materiali una rete di percorsi, aiuta a regolare il movimento delle cellule e la contrazione muscolare e organizza spazialmente la divisione cellulare. I microtubuli sono delle strutture cave presenti negli eucarioti con un diametro esterno di 25 nm, la parete è formata da proteine globulari chiamate α- e β- tubulina disposte in file allineate orizzontalmente dette protofilamenti. Ogni protofilamento ha la stessa polarità e inoltre è sempre costituito da eterodimeri di α- e β-tubulina. Inoltre i microtubuli possono essere sia singoli ( 13 protofilamenti circondano un lume cavo), doppietti (ciglia o flagelli) oppure triplette (centrioli e corpi basali). Come si è visto i mt sono strutture di sostegno meccanico e mantengono la forma della cellula, inoltre sono le unità delle ciglia, flagelli, assoni e dendriti. Ad esempio vengono usati per il trasporto assonale tramite proteine motrici che convertono l’ATP in energia meccanica, cioè in miosine, chinesine e dineine. Queste proteine motrici si muovono sul microtubulo trascinando il carico. I microtubuli possono anche essere formati in vitro: in questo caso nella fase di nucleazione si formano degli oligomeri che diventano successivamente dei protofilamenti e poi dei microtubuli. Appena formato incomincia la fase di allungamento del microtubulo per aggiunta di dimeri ad una o entrambe le estremità e l’assemblaggio degli eterodimeri avviene ad entrambe le estremità ma cresce più velocemente dalla parte positiva che da quella negativa. La velocità di crescita dipende dalla quantità di tubulina disponibile, inoltre può avvenire che in casi particolari si abbia il treadmiling: dall’estremità positiva si ha la crescita e da quella negativa la depolimerizzazione. I microtubuli originano da una struttura cellulare che viene detta centro organizzatore dei microtubuli (MTOC) che è un punto di assemblaggio e di ancoraggio di un’estremità dei microtubuli e in molte cellule esso è il centrosoma. In genere nelle cellule animali il centrosoma è associato a due centrioli circondato da materiale pericentriolare. Ovviamente i MTOC e i microtubuli cambiano posizione e distribuzione a seconda delle varie cellule: nei neuroni i microtubuli degli assoni sono collegati con il centrosoma all’estremità negativa, anche nelle cellule epiteliali ciliate i microtubuli delle cellule sono collegati all’estremità negativa, ma dei corpi basali. Nei globuli rossi invece non si hanno collegamenti con il centrosoma (vedere mitosi). I microtubuli contengono proteine associate (MAP) che stabilizzano e aumentano la densità dei fasci di microtubuli. Hanno 2 domini di cui uno è legato al microtubulo e l’altro si estroflette formando ponti tra i generate dai filamenti citoplasmatici. Il DNA viene anche chiamato acido deossiribonucleico ed è formato da due catene complementari di nucleotidi anti-paralleli cioè con polarità opposte 3’-5’ . il legame tra i due filamenti avviene sempre tramite basi azotate le quali però si legano sempre in modo complementare, infatti si legano sempre una purina (doppio anello) e una pirimidina (singolo anello) (l’adenina sempre con la timina e la citosina sempre con la guanina). Il DNA contiene le informazione geniche che permettono di sintetizzare le proteine, ed è per questo che vengono eseguiti i processi nucleari come trascrizione, traduzione e splicing. La trascrizione avviene nel nucleo e sintetizza l’RNA a partire dal DNA, la traduzione forma una proteina nel citosol a partire dal mRNA mentre lo splicing consiste nella rimozione delle sequenze non codificanti dal trascritto primario di RNA per produrre l’mRNA. All’interno del nucleo il DNA viene compattato poiché lineare risulta essere troppo lungo per poter stare all’interno dell’organulo; quindi esso viene ripiegato nei cromosomi, strutture compatte e ordinate che contengono il DNA. Il genoma (l’informazione genica totale di un organismo) umano contiene 46 cromosomi di cui 22 coppie sono autosomi o cromosomi omologhi e una coppia di cromosomi sessuali. L’uomo è un organismo diploide, cioè una copia di ciascun cromosoma viene ereditata dal padre e l’altra dalla madre. Il cromosoma si compone di due cromatidi, cioè le copie del cromosoma duplicato, un centromero che tiene uniti i due cromatidi, delle origini della replicazione che sono delle sequenze specifiche necessarie per la replicazione ed infine i telomeri, cioè delle sequenze che evitano che il cromosoma si accorci ad ogni replicazione. Il genoma ha il compito di specificare le molecole di RNA di cui però ne esistono vari tipi: RNA messaggero (mRNA), RNA transfer (tRNA) che è costituito da piccole molecole a forma di trifoglio dove ognuna di esse trasporta uno specifico amminoacido verso i ribosomi, inoltre ad ogni codone dell’mRNA corrisponde un anticodone dell’tRNA. Abbiamo infine l’RNA ribosomiale (rRNA) che è il principale costituente dei ribosomi. Il passaggio da DNA a RNA avviene tramite i geni che sono le porzioni di DNA che producono una molecola di RNA funzionale, nel genoma però ci sono regioni conservate, cioè sequenze funzionalmente importanti che si sono mantenute durante l’evoluzione e regioni non conservate in cui la sequenza non è critica per la funzione. Nei geni ci sono gli esoni, sequenze di DNA codificante e gli introni che sono lunghi tratti di DNA non codificanti, i quali vengono eliminati con lo splicing per formare l’RNA. Il DNA di tutti i cromosomi ha una struttura compatta che viene ottenuta per mezzo di proteine specializzate, esse sono gli istoni (proteine piccole con una porzione molto alta di amminoacidi carichi positivamente per legarsi con forza al DNA che è carico negativamente) negli eucarioti e da proteine cromosomiche non istoniche negli altri organismi. Insieme formano la cromatina che si presenta come eucromatina che è la forma meno condensata quindi attiva e la eterocromatina che `e invece la forma molto condensata e quindi inattiva. La cromatina si organizza nel nucleosoma in cui il DNA fa 7 giri intorno al complesso istonico con andamento sinistrorso. Inoltre il nucleosoma è formato da 8 molecole istoniche e un tratto di DNA a doppio filamento di 147 nucleotidi. La cromatina viene rimodellata dai complessi rimodellatori, macchine proteiche che utilizzano l’energia di idrolisi dell’ATP per modificare la posizione del DNA avvolto sui nucleosomi. Questo avviene tramite la catalisi dello slittamento nucleosomico ed eventi ripetuti decosendano la cromatina e rendono accessibile un altro tratto di DNA. Inoltre ogni istone può essere modificato attraverso associazione covalente con un gruppo chimico tramite enzimi residenti nel nucleo. Inoltre gli enzimi modificatori lavorano con i complessi rimodellatori per condensare o distendere tratti di cromatina adattandone la struttura a seconda delle esigenze cellulari. I cromosomi sessuali sono il cromosoma x e quello y, in alcuni animali è presente il silenziamento del cromosoma x, cioè se sono presenti nella cellula due cromosomi x uno dei due deve essere per forza silenziato e si condensano in modo alternato e avviene in modo casuale con compattazione del cromosoma silenziato. Un esempio in cui avviene ciò è nel gatto dove il cromosoma sessuale contiene le informazioni sul colore del pelo del gatto ed è per questo che alcuni hanno macchie nel pelo. Ciò avviene anche in altri animali ma ad esempio nell’uomo non avviene visto che è presente un fenotipo specifico. Queste cellule in cui un cromosoma è silenziato vengono chiamate corpo di Barr. L’RNA si differenzia dal DNA per lo zucchero della molecola (ribosio mentre nel DNA si utilizza il deossiribosio) e per una base azotata (uracile al posto della timina). Il processo per passare dal DNA al RNA è la trascrizione nella quale viene prodotto un filamento singolo ed è molto più corto rispetto al filamento stampo di DNA poiché derivano dalla copiatura di regione limitate. La trascrizione avviene tramite l’enzima RNA-polimerasi che trascrive il DNA senza bisogno di innesco visto che questo processo non deve essere così accurato come la replicazione. L’RNA che viene prodotto è un mRNA, il quale contiene un solo gene e di conseguenza può codificare solo una proteina. L’RNA polimerasi si lega al promotore che comprende il sito d’inizio della trascrizione e incomincia a sintetizzare l’RNA fino al terminatore, dove con il sito di terminazione si ferma staccandosi dal filamento di DNA; l’enzima però contiene anche il fattore sigma che riconosce il promotore e lo lega. La trascrizione avviene sempre nella direzione 5’ 3’.