Fisiologia Cellulare: Membrana Plasmatica e Trasporto Passivo

FISIOLOGIA CELLULARE

INTRODUZIONE

La cellula è l'oggetto di studio della fisiologia umana, in quanto unità funzionale e base dell'organismo: la fisiologia studia i meccanismi associati al funzionamento della cellula e alla sua interazione con l'ambiente esterno. In particolare, la fisiologia studia la membrana plasmatica, responsabile degli scambi di sostanze, calore, H2O e gas con l'ambiente esterno, della percezione di segnali e della loro propagazione nella cellula per indurre una risposta e del movimento. Insieme, queste funzioni garantiscono L'omeostasi della cellula, ossia la sua capacità di autoregolarsi e mantenere costante l'ambiente interno, nonostante le variazioni dell'ambiente esterno. La fisiologia studia i meccanismi omeostatici che garantiscono il funzionamento e la vitalità della cellula: l'alterazione dei meccanismi omeostatici si ripercuote negativamente sul normale funzionamento della cellula/organismo, comportando, di conseguenza uno stato di patologia. La maggior parte dei sistemi di controllo dell'organismo agiscono mediante un meccanismo a feedback negativo, in cui la variazione di un parametro controllato attiva meccanismi di compenso, che modificano tale parametro in senso contrario, riportandolo al valore originale. Se osserviamo l'essere vivente, la legge che lo descrive meglio è la termodinamica secondo la quale l'essere umano è un sistema aperto che quindi è in grado di scambiare materia e calore con l'ambiente per poter sopravvivere. Questo è possibile perchè lavora come una macchina termica che sfrutta un input per poter funzionare, producono lavoro che viene ceduto all'ambiente sotto forma di calore. La cellula ha un comportamento molto simile perchè può essere rappresentata come una macchina termica che necessita di energia per poter lavorare (in questo caso si tratta di energia alimentare che ricava degradando nutrienti). Questa materia che viene trasportata all'interno in parte viene usata come lavoro interno necessario per mantenere ordine all'interno della cellula, in parte come lavoro esterno permettendo il movimento della cellula, disperdendo questa energia sotto forma di calore (quando abbiamo finito di mangiare abbiamo caldo). Parte di questa energia, però, non viene usata tutta, ma viene immagazzinata: esiste un pull di immagazzinamento, che ci consente di avere una riserva dalla quale attingiamo per poter continuamente funzionare -> ci consente una sorta di indipendenza dai nutrienti. Ogni cellula ha bisogno di importare al suo interno delle macromolecole, il cui catabolismo ci consente di ottenere energia, che a sua volta viene immagazzinata in un'altra molecola estremamente importante, ovvero ATP (questa molecola viene utilizzata dalle cellule per compiere lavoro). Questo scambio di energia avviene attraverso la a membrana: questa ha generato un ambiente intracellulare che si è evoluto in una maniera compatibile con la vita e, per permettere la vitalità della cellula, la sua composizione deve essere mantenuta stabile nel tempo. Per poter mantenere questo stato e questa organizzazione, la cellula necessita di continui scambi tra l'esterno e l'interno resi possibili dalla sua composizione. Un altro elemento chiave della membrana è che, se da una parte isola la cellula, dall'altra deve essere anche pronta a recepire segnali provenienti dall'esterno, fondamentali per la nostra esistenza.

MEMBRANA PLASMATICA

Dal punto di vista termodinamico, la cellula è un sistema aperto dinamico, poiché continua a scambiare materia e energia con l'ambiente affinché possa funzionare e sopravvivere. La cellula (e l'organismo) può essere paragonata a una macchina termica: usa l'energia ricavata dalla rottura dei legami chimici negli alimenti per compiere un vivente lavoro sul proprio ambiente interno (per Entrata di energia Uscita di energia permettere il trasporto di sostanze attraverso la Lavoro interno Energia alimentare Pool metabolico nell'organismo membrana) e sull'ambiente esterno. A differenza 1 Lavoro esterno di una macchina termica, però, la cellula può Immagazzinamento di energia compiere un lavoro usando anche l'energia immagazzinata al suo interno. Parte dell'energia è trasformata in calore, che può essere dissipato Energia Input MACCHINA TERMICA Einp o trattenuto. Energia termica (calore) Energia Output Eout > Lavoro > Calore La membrana plasmatica isola l'ambiente interno da quello esterno e, contemporaneamente, permette gli scambi di materia e energia con l'esterno e alla cellula di rispondere a quest'ultimo.

Informazioni per il biotecnologo

• molte tossine bloccano i meccanismi di trasporto e sono state sfruttate e mimate per sviluppare farmaci che possano bloccare tali meccanismi;
• la permeabilità dei farmaci alle membrane;
• alcuni farmaci modulano i trasporti di membrana;
• alcune cellule malate hanno sviluppato meccanismi di resistenza ai farmaci, impedendone l'ingresso.

STRUTTURA DELLA MEMBRANA PLASMATICA

Secondo la teoria del mosaico fluido, la membrana plasmatica è formata da un doppio strato fosfolipidico con una componente lipidica e una proteica, che formano un fluido 2D la cui fluidità è fondamentale per la permeabilità, i processi di trasporto e le attività enzimatiche delle proteine immerse in tale strato. La componente lipidica comprende:

• FOSFOLIPIDI, che si dividono in glicerofosfolipidi e sfingolipidi. Sono molecole anfipatiche con una testa polare, formata da glicerolo, gruppo fosfato e/o residui che contengono 1 o più gruppi polari -OH e sporgente nell'ambiente intracellulare/extracellulare, e una coda apolare, formata da catene idrocarburiche (mediamente di 16-18C) sature/insature degli acidi grassi e immersa all'interno del doppio strato. La lunghezza delle catene e la presenza di doppi legami influenzano la fluidità e la permeabilità della membrana;
• COLESTEROLO, il principale sterolo di membrana, formato da un gruppo polare - OH (testa), 4 anelli sterolici e una corta catena di acidi grassi (coda), che si inserisce tra le catene di acidi grassi dei fosfolipidi. Svolge le funzioni di limitare la mobilità laterale dei fosfolipidi (che invece possono essere spostati da un monostrato all'altro), controllare la fluidità della membrana (maggiore è la concentrazione di colesterolo, minore è la fluidità) e diminuire la permeabilità dell'acqua;
• GLICOLIPIDI, lipidi di membrana modificati dall'aggiunta di carboidrati. Essendo questi idrofilici, i alicolipidi si localizzano sulla faccia esterna del doppio strato, rivolti verso l'ambiente extracellulare.

Lipidi di membrana

Proteggono la membrana apicale delle cellule epiteliali da Fosfolipidi Glicolipidi cambiamenti di pH e/o enzimi Glicerofosfolipidi Sfingolipidi Sfingolipidi Galattolipidi (o sulfolipidi) degradativi, modulano il campo Acido grasso Acido grasso elettrico e la concentrazione di ioni, Acido grasso Acido grasso Acido grasso Acido grasso Mono- oppure Mono- o Glicerolo Sfingosina Sfingosina Glicerolo PO4 Alcol PO4 Colina disaccaride oligosaccaride isolano elettricamente la mielina e permettono l'adesione cellulare. Colesterolo (SO4) I lipidi non sono distribuiti uniformemente nella membrana, infatti esistono domini di membrana più ricchi di colesterolo e sfingolipidi, chiamati lipid rafts. In essi sono concentrate proteine che interagiscono funzionalmente tra loro e che svolgono funzioni di trasporto, di rimodellamento del citoscheletro e recettoriali, rendendo le lipid rafts i punti di organizzazione delle vie di trasduzione del segnale. Sono definite "zattere" perché si muovono continuamente nella membrana, permettendo alla cellula di prepararsi a una determinata situazione. Oltre a quella strutturale, i lipidi di membrana svolgono anche una funzione di segnale (DAG, IP3, acido arachidonico, ... ). La componente proteica è generalmente minoritaria, ma è ciò mitocondriale interna 24 che detta le caratteristiche funzionali Reticolo 33 sarcoplasmatico della membrana, che dipendono dal tipo di recettori, di canali ionici, di trasportatori ... In alcuni casi, la composizione proteica è unica per un determinato tipo cellulare (es. cellule nervose per il trasporto di ioni alla base dei potenziali di azione). Alcune membrane interne (RE, mitocondri) fungono da piattaforme su cui si innestano numerose proteine in serie, necessarie per la funzione che svolgono (es. catalasi). Dal punto di vista strutturale, le proteine di membrana possono essere: integrali/intrinseche, se attraversano l'intero doppio strato fosfolipidico con 1 o più domini transmembrana (monopasso o multipasso) e sporgono da 1 o entrambi i lati della membrana (monotipiche o transmembrana), e Membrana lipidi proteine carboidrati di globuli rossi 43 49 8 mielinica di neuroni 79 18 3 76 0 67 0 Glicoproteina Proteina integrale (transmembrana) Proteina periferica Proteine ancorate ai lipidi Proteina periferica Proteine del citoscheletro Citoplasma - periferiche/estrinseche, se sono ancorate a 1 lato della membrana. In base alla funzione, si dividono in proteine strutturali (del citoscheletro, di giunzioni cellulari, di adesione), enzimi, recettori, canali e trasportatori. Le canalopatie sono patologie dovute a mutazioni in geni per proteine canale e possono interessare diversi tipi cellulari.

COMPOSIZIONE IONICA

Le membrane biologiche consentono la presenza di un ambiente intracellulare diverso da quello extracellulare. Nella fisiologia, l'ambiente intra e extracellulare viene considerato da un punto di vista degli ioni che compongono i due ambienti perchè buona parte dei trasporti che avvengono a cavallo della membrana hanno a che fare con particolari ioni. L'ambiente intra cellulare, da un punto di vista fisiologico, è costituito da una concentrazione particolare di molecole e ioni:

• nel liquido intracellulare sono più concentrati gli ioni K+ (di conseguenza una bassa concentrazione di Na+), che sono controbilanciati dalle cariche negative delle proteine intracellulari e dei fosfati. Il liquido interstiziale in cui sono immerse le cellule ha la stessa composizione ionica del plasma, eccetto per le grosse proteine presenti in quest'ultimo.

Concentrazioni ioniche

Capillary endothelium Cell membrane Cannot cross Size indicates relative concentration. Na+ Na+ O Na+ ONa+ ATP K+O K+ K+O- ·K+ Plasma 3.4 L (8%) Interstitial fluid 10.5 L (25%) Intracellular fluid 28.1 L (67%) Proteins- Proteins" Membranous organelles nel liquido extracellulare, sono cr -cr Phosphates" Ca2+ OCa2+ Ca2+ più concentrati gli ioni Na+, che Ca2+ sono controbilanciati dagli ioni 300 mOsM 300 mOsM 300 mOsM CI -. Sono anche presenti in 33% Extracellular fluid 67% Intracellular fluid maggiori concentrazioni gli ioni Ca2+, che non sono presenti nel citosol ma sono sequestrati nel RE e nei mitocondri, poiché sono secondi messaggeri in diversi meccanismi di trasduzione del segnale.

• Queste diverse concentrazioni devono essere mantenute costanti tramite meccanismi che si basano su molecole di trasporto Un altro ione molto importante è il Ca2+ che risulta essere fondamentale nei processi biologici:
• Contrazione muscolare: Gli ioni calcio sono cruciali per la contrazione dei muscoli. Quando un impulso nervoso arriva alla fibra muscolare, gli ioni calcio vengono rilasciati dal reticolo sarcoplasmatico, attivando la contrazione.
• Segnalazione cellulare: Il calcio gioca un ruolo chiave nei segnali intracellulari. Variazioni nei livelli di Ca2+ all'interno delle cellule sono coinvolte in numerosi processi fisiologici, come la trasmissione nervosa e la secrezione ormonale.
• Formazione delle ossa: Il calcio è il principale componente minerale delle ossa e dei denti. La sua presenza è fondamentale per mantenere la loro solidità e densità.
• Coagulazione del sangue: Il calcio è anche essenziale nel processo di coagulazione del sangue, contribuendo all'attivazione di alcune proteine che permettono la formazione del coagulo