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LA CELLULA

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1590Hooke

16651670

van Leeuwenhoek

TEORIA CELLULARE MODERNATutti 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

1838

Schleiden

SchwannVirchow

Cajal

1849

1906

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70%

H2O

30%Ioni, piccole molecole 4%

Fosfolipidi 2%

DNA 1%

RNA 6%

Proteine 15%

Polisaccaridi 2%

Composizione percentuale di una cellula animale o batterica

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Può essere interpretata quindi come un sistema per conservare ed elaborare informazioni

La singola cellula è il veicolo della informazione ereditaria che definisce la specie

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.

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La vita dipende dalla capacità delle cellule di CONSERVARE, ESTRARRE e TRADURRE le informazioni genetiche richieste per creare e mantenere un

organismo vivente.

Le molecole che la selezione naturale ha identificato come più adatte allo scopo sono il

DNA e l’RNA.

DNA per conservare l’informazione genetica

RNA per esprimere l’informazione genetica

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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.

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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)

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molecola anfipatica

IL DOPPIO STRATO FOSFOLIPIDICO

5 nm di spessore

I fosfolipidi costituiscono il 50 % della massa della membrana

La membrana plasmatica è un sottile film di molecole lipidiche e proteiche

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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

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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….

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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….

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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

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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?

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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.

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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

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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

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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.

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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

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Per ricapitolare

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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.

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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.

CASO 1

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IL SISTEMA RESPIRATORIO

Area della superficie totale deputata agli scambi: 75m2

Cavità in cui

vengono effettuati

gli scambi gassosi

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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.

O2: alveolo capillare polmonare CO2: capillare polmonarealveolo

Quindi:

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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: cellulacapillare sistemico

P= 46mmHg P_40 mmHg

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COSA PUO’ COMPROMETTERE QUESTO MECCANISMO?

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

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 )

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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.

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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

QUALCOSA DI INATTESO…

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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…

CASO 2

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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.

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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.

1.

2.

3. All’interno della cellula epiteliale il

glucosio è molto concentrato, mentre Na+ ha una bassa concentrazione

3.

4. Il glucosio esce dalla cellula tramite diffusione

facilitata, mentre Na+ deve farlo tramite trasporto attivo

4.

31

Cotrasportatore sodio-glucosio: il video

32

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 ).