L’ATTIVITA’

DELLA CELLULA

nutrizione

riproduzione

crescita

movimento

mantenimento delle strutture

comunicazione

eliminare i rifiuti

IL TRASPORTO

Per soddisfare le sue esigenze biologiche di adattamento all’ambiente, la cellula deve introdurre al suo interno i materiali che le servono per la nutrizione e la respirazione ed al tempo stesso eliminare i prodotti di rifiuto

Il passaggio di materiali tra l’ambiente interno e l’ambiente

extracellulare è regolato dalla

MEMBRANA PLASMATICA

TRASPORTO ATTRAVERSO LA MEMBRANA

La membrana cellulare ha una permeabilità selettiva; fa

passare alcune sostanze e ne esclude altre mediante

attraverso

2 MECCANISMI

Trasporto passivo

non implica consumo di energia

Trasporto attivo

comporta consumo di energia

Trasporto passivo

Non implica consumo di energia

Movimento di particelle secondo gradiente di concentrazione

(le molecole si muovono spontaneamente da zone ad alta concentrazione a zone a bassa concentrazione)

DIFFUSIONE SEMPLICE

DIFFUSIONE FACILITATA

OSMOSI

Diffusione semplice

• acqua

• molecole gassose (O2,CO2)

• molecole liposolubili

attraversano liberamente

il doppio strato lipidico

della membrana

• La velocità è proporzionale alla differenza di concentrazione tra interno ed esterno

• La diffusione prosegue finché la concentrazione ai due lati della membrana diventa uguale

Diffusione facilitata

• ioni

• aminoacidi

• monosaccaridi

mediato da proteine di membrana

proteine

canale

proteine di

trasporto

(carriers o vettrici)

• velocità di diffusione più bassa rispetto alla diffusione semplice

Proteine che attraversano

la membrana unite a

formare un poro.

Ciascuna subunità

proteica è costituita da

una regione idrofobica che

si unisce efficacemente al

doppio strato lipidico della

membrana

CANALI IONICI

Un canale proteico regolato si apre in risposta a uno stimolo

Il canale proteico presenta un poro costituito da amminoacidi polari e acqua; esso è ancorato

all’interno del doppio strato lipidico dal suo rivestimento esterno di amminoacidi non polari.

La proteina canale cambia il suo aspetto tridimensionale quando una molecola che funge da

stimolo vi si lega, facendo aprire il poro, cosicché le sostanze idrofile polari possano

attraversarlo.

2. Il legame con la

molecola stimolo

determina l’apertura del

poro…

1. Una certa sostanza polare

è più concentrata sul lato

esterno della cellula rispetto

a quello interno

3. …e la sostanza polare

può diffondere attraverso la

membrana.

Una proteina di trasporto facilita la diffusione Il trasportatore di glucosio attraverso la

membrana è una proteina che permette al glucosio di entrare nella cellula ad una velocità

superiore a quella possibile per semplice diffusione. (a) La proteina di trasporto si lega al

glucosio, lo introduce all’interno della membrana e successivamente cambia forma rilasciandolo

nel citoplasma. (b) A concentrazione di glucosio relativamente basse, non tutti i trasportatori

sono occupati e un aumento del numero di molecole di glucosio fa aumentare la velocità di

diffusione. Ad alte concentrazioni di glucosio, invece, tutte le proteine di trasporto sono

impegnate (il sistema è saturo) e il tasso di diffusione rimane costante.

1. La proteina di

trasporto ha un sito

di legame per il

glucosio

2. il glucosio si

lega alla proteina

3. che di

conseguenza

cambia forma

4. Rilasciando il

glucosio

5. La proteina di trasporto ritorna alla

sua forma originaria, pronta a legare

un’altra molecola di glucosio

OSMOSI

È un processo di diffusione che avviene quando 2 soluzioni

acquose sono separate da una membrana semipermeabile

Diffonde soltanto l’acqua e non il soluto

Non è influenzata dal tipo di sostanza disciolta, ma dalla sua

concentrazione

L’acqua passa gradualmente dalla soluzione più diluita a

quella più concentrata

Raggiungimento di equilibrio tra le due concentrazioni

PRINCIPIO DELL’OSMOSI

Equilibrio osmotico

Concentrazione delle

molecole non diffusibili

è uguale tra interno ed

esterno.

Soluzione ipotonica:

la concentrazione delle molecole

non diffusibili è più alta all’interno

per cui il solvente tende ad

entrare nella cellula

per diluirlo.

Soluzione ipertonica:

la maggior concentrazione

esterna delle molecole non

diffusibili fa sì che il solvente

diffonda all’esterno.

L’osmosi fa gonfiare o contrarre le cellule animali

La cellula vegetale presenta una differente risposta alle

variazioni della pressione osmotica esterna

Mezzo ipotonico

Il vacuolo centrale si gonfia e

la membrana cellulare è

spinta contro la parete rigida

Mezzo ipertonico

Il vacuolo centrale si contrae e

la membrana cellulare si

stacca dalla parete

Trasporto attivo

• comporta consumo di energia

• movimento di molecole contro gradiente di

concentrazione

(le molecole sono trasportate da zone a bassa concentrazione a zone

ad alta concentrazione)

POMPE

(proteine intrinseche)

ENDOCITOSI

ESOCITOSI

POMPE

• proteine transmembrana provviste di due siti di legame per

molecola da

trasportare

ATP

L’idrolisi dell’ATP fornisce l’energia necessaria alla proteina

trasportatrice per cambiare forma e trasportare la molecola

attraverso la membrana.

Una volta liberata la molecola, la proteina trasportatrice riacquista

la configurazione originaria

Tre tipi di proteine per il trasporto attivo. Si osservi che in ognuno dei tre casi il

trasporto è direzionale. Simporto e antiporto sono esempi di trasporto accoppiato.

Tramite l’uniporto

viene spostata una sola

sostanza in una sola

direzione.

Tramite il simporto

vengono spostate due

sostanze diverse nella

stessa direzione.

Tramite l’antiporto

vengono spostate due

sostanze diverse in due

direzioni opposte.

Trasporto attivo primario: la pompa sodio-potassio. Nel trasporto attivo, l’energia

viene utilizzata per spostare un soluto contro il suo gradiente di concentrazione.

Anche se la concentrazione di Na+ è più alta all’esterno della cellula e quella di K+

all’interno della cellula , per ogni molecola di ATP idrolizzata due molecole di K+

entrano nella cellula e tre di Na+ fuoriescono (l’idrolisi di ATP libera energia e scinde la

molecola di ATP in una di ADP e in uno ione di fosforo inorganico: Pi).

3. Il cambiamento di forma

rilascia Na+ fuori della

cellula e permette al K+ di

legarsi alla pompa.

4. Il rilascio di Pi fa ritornare la

pompa alla sua forma originaria,

libera K+ all’interno della cellula

e rende di nuovo disponibili i siti

di legame per il Na+.

Il ciclo si ripete.

1. Tre ioni Na+ e un

ATP si legano alla

pompa proteica

2. L’idrolisi dell’ATP

attiva la pompa

proteica e ne cambia

la forma

Il trasporto attivo secondario. Il gradiente di concentrazione di Na+ stabilito dal trasporto

attivo primario (a sinistra) provoca il trasporto attivo secondario di glucosio (a destra). Il

movimento di glucosio attraverso la membrana, contro il suo gradiente di concentrazione, è

accoppiato da una proteina di trasporto con quello di Na+ all’interno della cellula.

Trasporto attivo secondario. Gli ioni

sodio muovendosi secondo il gradiente

di concentrazione instauratosi grazie

alla pompa sodio-potassio,

determinano il trasporto del glucosio

contro il suo stesso gradiente di

concentrazione.

Trasporto attivo

primario. La pompa

sodio-potassio sposta

Na+ utilizzando l’energia

derivata dall’idrolisi di

ATP per stabilire un

gradiente di

concentrazione di Na+.

Finora abbiamo esaminato le varie modalità con le quali

gas, acqua, ioni e piccole molecole come amminoacidi e

zuccheri semplici possono entrare od uscire dalla cellula.

Ma nel caso di GRANDI MOLECOLE come PROTEINE

POLISACCARIDI ED ACIDI NUCLEICI che sono

fisicamente troppo voluminose o troppo cariche

elettricamente o troppo polari per poter passare

attraverso le membrane biologiche come si realizzano

tali processi?

Mediante meccanismi totalmente diversi…

La cellula circonda le particelle da introdurre con la membrana plasmatica

(invaginazione o estroflessione) fino ad inglobarla in una vescicola che si

fonderà con un lisosoma primario. Esempi di endocitosi sono la fagocitosi:

assunzione di particelle solide da parte della cellula e la pinocitosi cioè

l’assunzione di liquidi.

ENDOCITOSI

ESOCITOSI

Le sostanze da rimuovere

(i rifiuti) o secernere fuori

dalla cellula (es. gli

ormoni) vengono

racchiuse in una vescicola

che si fonderà con la

membrana plasmatica per

riversare all’esterno il

proprio contenuto.

LA

COMUNICAZIONE

Organismi unicellulari

L’unica cellula deve svolgere da sola tutte le funzioni necessarie alla vita

Organismi pluricellulari

Le varie cellule sono differenziate: assumono forme molto diverse

in relazione a funzioni altamente specializzate

Le cellule che si sono specializzate per svolgere la stessa

funzione si associano a formare

tessuti

Insieme di organi molto diversi tra loro per il tipo di tessuto che li costituisce. Es. apparato respiratorio: naso e polmoni

Organi costituiti dallo stesso tipo di tessuto Es. sistema nervoso: cervello e nervi

organi

apparato sistema

Ogni apparato ed ogni sistema svolgono una

funzione specifica, ma il loro lavoro è integrato.

Per il buon funzionamento dell’organismo

pluricellulare diventa perciò indispensabile che le

cellule interagiscano continuamente tra loro e

svolgano azioni coordinate.

A tale scopo esiste una complicata rete di

meccanismi attraverso i quali le singole cellule

possono comunicare tra di loro

Comunicazione tra cellule

Diretta

Quando le cellule sono

vicine, la comunicazione

avviene mediante

strutture che mettono in

stretta comunicazione le

cellule adiacenti

Indiretta

Quando le cellule sono

lontane, i segnali vengono

scambiati mediante

l’ escrezione di sostanze

(es. ormoni)

La comunicazione tra cellule mediata da segnali extracellulari

richiede 6 tappe:

1. Sintesi della molecola segnale da parte della cellula

2. Rilascio della molecola segnale

3. Trasporto alla cellula bersaglio

4. Legame con specifici recettori di membrana della cellula

ricevente

5. Traduzione del segnale all’interno della cellula

6. Risposta della cellula bersaglio ed inattivazione della

molecola segnale

Segnalazioni indirette

Negli organismi superiori la comunicazione indiretta tra

cellule può essere classificata sulla base della distanza su

cui le molecole segnale operano

ENDOCRINA PARACRINA AUTOCRINA

CLASSIFICAZIONE

Le molecole segnale sono dette ormoni ed agiscono su cellule bersaglio lontane

Segnalazione endocrina

Segnalazione paracrina

cellula secernente cellula bersaglio

Le molecole segnale rilasciate da una cellula agiscono su cellule bersaglio situate nelle immediate vicinanze. Le sostanze chimiche che servono per questo tipo di trasmissione sono dette mediatori chimici locali. La conduzione di impulsi elettrici tra c. nervose o tra c. nervose e c. muscolari o c endocrine avviene grazie a sostanze chiamate neurotrasmettitori che sono un esempio di segnale paracrino.

Segnalazione autocrina

Le cellule rispondono a stimoli chimici che esse stesse producono (es. fattori di crescita)

COMUNICAZIONE ENDOCRINA

ormonale

COMUNICAZIONE PARACRINA

nervosa

• Circolo sanguigno

• Lunga distanza

• Può coinvolgere diversi organi

• Risposte lente e protratte nel tempo

• Sinapsi

• Breve distanza

• Diretta alla cellula bersaglio

• Risposte veloci e temporanee

I neuroni agiscono su

cellule situate a

breve distanza.

La comunicazione ha

luogo in pochi

millisecondi.

Gli ormoni agiscono su

organi e cellule in qualsiasi

parte dell’organismo.

La comunicazione può

richiedere diverse ore.

Trasmissione del messaggio ormonale:

asse ipotalamo-ipofisi-ghiandole-tessuti

Nella comunicazione cellulare è fondamentale l’interazione tra la molecola segnale (prodotta dalla cellula secernente) ed il recettore di membrana (presente sulla cellula bersaglio).

Meccanismo d’interazione

• La molecola segnale si lega ad uno specifico sito

del recettore

• Il complesso segnale-recettore determina una

modificazione del recettore stesso

• Inizio di eventi chimici che portano ad una risposta

cellulare: indurre la sintesi di nuove proteine o

alterare la sintesi di quelle esistenti.

Molecole segnale

Molecole idrosolubili Molecole liposolubili

Per entrare nella cellula hanno bisogno di legarsi ad un recettore proteico specifico presente sulla membrana della cellula bersaglio

Attraversano direttamente la membrana della cellula bersaglio (steroidi e tiroxine).

Recettore

E’ un proteina di membrana

E’ caratterizzato da

Specificità di legame Specificità di effettore

risposta

La risposta di una cellula ad una specifica molecola

segnale è determinata

1. dal tipo di recettore espresso dalla cellula

2. dalla modalità di trasduzione del segnale attivato dal

complesso mediatore-recettore

LA RISPOSTA

I° CASO la stessa molecola segnale può usare più di un tipo di comunicazione

Endocrina come ormone

Paracrina come neurotrasmettitore

… ad esempio

noradrenalina

Ormone

contrazione cardiaca

contrazione muscolare (arti)

dilatazione dei bronchi

glicogenolisi e lipolisi

Neurotrasmettitore

vasocostrittore

II° CASO Lo stesso tipo di recettore può essere presente in differenti tipi cellulari ed il legame con il mediatore chimico può scatenare una differente risposta in ogni tipo di cellula

ad esempio…

acetilcolina

muscolatura

striata

Contrazione

muscolare

muscolatura

cardiaca

Diminuzione

della velocità

di contrazione

Pancreas

Esocitosi di

enzimi digestivi

III° CASO Diversi complessi mediatore-recettore possono evocare la stessa risposta da parte dello stesso tipo di cellule

… ad esempio

glucagone adrenalina

Degradazione del

glicogeno e liberazione in

circolo del glucosio

(glicogenolisi)

Recettori intracellulari

La molecola

segnale penetra

direttamente

attraverso la

membrana

plasmatica della

cellula bersaglio

e si lega ai

recettori

specifici situati

nel citoplasma

Recettori di superficie

La molecola segnale non è in grado di passare attraverso la membrana

plasmatica e si lega a recettori di superficie.

Il complesso recettore-messaggero stimola la produzione di un secondo

messaggero all’interno della cellula

recettori di superficie messaggero legato

ai recettori di superficie

Bassa concentrazione del

secondo messaggero

Alta concentrazione del

secondo messaggero

Segnalazioni dirette

La comunicazione avviene mediante strutture che mettono

in stretta comunicazione cellule adiacenti.

Coinvolge in genere due o poche cellule che sono a contatto

tra loro:

1. Contatto momentaneo tra cellule mobili (es. sangue)

2. Contatto permanente tra cellule impossibilitate a

muoversi (es. tessuti)

Contatto

momentaneo

Contatto

permanente

Segnalazione diretta attraverso giunzioni comunicanti

che servono a collegare cellule adiacenti e possono

essere di tre tipi:

1. giunzioni occludenti (non lasciano spazi

intercellulari)

2. desmosomi (tra le cellule permane uno spazio

intercellulare che consente il movimento di sostanze)

Ruolo

meccanico

di

adesione

3. giunzioni serrate (canali che si

formano tra cellule adiacenti e

permettono il passaggio di

molecole disciolte o segnali elettrici

da una cellula all’altra facilitando

la comunicazione.

N.B.

Le c. tumorali non formano giunzioni serrate.

È dunque la mancanza di comunicazione tra

c. adiacenti a contribuire al loro sviluppo

anomalo ed incontrollato.

Vantaggi della comunicazione diretta

Molecole prodotte da un limitato

numero di cellule all’interno di un

tessuto, possono essere sfruttate

anche da altre cellule dello stesso

tessuto.

Un segnale chimico può essere

trasmesso anche alle cellule non

stimolate direttamente; questo

permette di dare una risposta

comune da parte di tutte le cellule di

un tessuto.

Cooperazione metabolica

Amplificazione dei segnali

MOVIMENTO

CELLULARE

Perché le cellule si muovono ?

bisogno di cibo

raggiungere zone per svolgere funzioni specifiche

Tipologie di movimento

CIGLIARE

ONDULATORIO

AMEBOIDE

movimento di liquidi intorno alla cellula : garantisce un continuo ricambio delle sostanze con cui la c. viene a contatto (ciglia)

Spostamento da un punto ad un altro con andamento sinusoidale (flagelli)

probabilmente dovuto ad un meccanismo di dissociazione ed assemblaggio delle strutture citoscheletriche: - linfociti, granulociti (difesa) - macrofagi (fagocitosi)