LA CELLULA
1
1590
Hooke
1665
van Leeuwenhoek
1670
Schleiden
Schwann
Virchow
1838
TEORIA CELLULARE MODERNA
Tutti gli organismi viventi sono composti da una o più
cellule
Tutte le reazioni chimiche in un organismo vivente
avvengono nelle cellule
1849
1906
Cajal
Le cellule si originano da altre cellule
Le cellule contengono l’informazione genetica degli
organismi a cui appartengono e le trasmettono alle cellule
figlie
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Composizione percentuale di una cellula animale o batterica
30%
Ioni, piccole molecole 4%
Fosfolipidi 2%
DNA 1%
RNA 6%
Proteine 15%
70%
Polisaccaridi 2%
H2O
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La singola cellula è il veicolo della informazione
ereditaria che definisce la specie
Può essere interpretata quindi come un sistema
per conservare ed elaborare informazioni
Per 3 miliardi di anni i meccanismi e la modalità
per archiviare, gestire e utilizzare le
informazioni necessarie alla vita cellulare sono
state vagliate dal “setaccio paziente” della
selezione naturale.
Hardware e software così ottimizzati sono
diventati patrimonio comune di ogni cellula
(batterica, vegetale, animale): per questo, noi
viventi su questo pianeta possiamo definirci
sul serio una comunità.
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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.
DNA per conservare
l’informazione genetica
Le molecole che la selezione naturale ha
identificato come più adatte allo scopo sono il
DNA e l’RNA.
RNA per esprimere l’informazione genetica
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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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IL DOPPIO STRATO FOSFOLIPIDICO
molecola
anfipatica
I fosfolipidi
costituiscono
il 50 % della
massa della
membrana
5 nm di spessore
La membrana plasmatica è un sottile film di molecole lipidiche e proteiche
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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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esocitosi
endocitosi
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.
18
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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CASO 1
LA RESPIRAZIONE è l’insieme dei processi che effettuano il continuo
movimento passivo di O2 dall’atmosfera ai tessuti, per sostenere il metabolismo,
nonché il movimento della CO2 prodotta metabolicamente dai tessuti
all’atmosfera
Distinguiamo tra una respirazione interna o cellulare, una serie di
reazioni all’interno della cellula mediante le quali si produce energia, e una
respirazione esterna, con la quale indichiamo l’intera sequenza di eventi
nello scambio di O2 e CO2 tra l’ambiente esterno e le cellule del corpo.
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IL SISTEMA RESPIRATORIO
Cavità in
cui
vengono
effettuati
gli scambi
gassosi
Area della superficie totale
deputata agli scambi: 75m2
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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.
Quindi:
O2: alveolo capillare polmonare
CO2: capillare polmonarealveolo
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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
La modificazione della barriera
attraverso cui avvengono gli
scambi
Enfisema polmonare: si
Edema polmonare: il liquido interstiziale in
distruggono le pareti alveolari e si formano
camere alveolari più grandi ma meno
numerose
Fibrosi polmonare:il tessuto delicato del
Collasso del polmone:
pneumotorace
Asportazione chirurgica in caso di
tumore
eccesso rende più spessa la barriera
polmone si ispessisce per esposizione a
sostanze irritanti o tossiche
Polmonite: si ha accumulo di liquido
infiammatorio tra gli alveoli ( cause: batteri o
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virus, aspirazione di agenti chimici )
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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QUALCOSA DI INATTESO…
All’interno di ogni alveolo ci sono
i macrofagi
Sono agenti del sistema immunitario e il loro
ruolo, all’interno dell’alveolo, è quello di
eliminare microrganismi estranei
potenzialmente dannosi.
Rispondono anche alla presenza di
sostanze chimiche e particelle inorganiche
e nella loro azione immunitaria rilasciano
anche forti ossidanti, proteasi e citochine.
Queste sono vere e proprie armi chimiche
che alla lunga si ritorcono contro le
cellule dell’alveolo e vi inducono
disfunzioni e processi infiammatori cronici.
I PM2,5 e i residui carboniosi nel fumo di
sigaretta inducono purtroppo facilmente
queste reazioni nei nostri macrofagi
alveolari
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CASO 2
L’APPARATO DIGERENTE
La funzione primaria dell’apparato
digerente consiste nel trasferire
nutrienti, acqua ed elettroliti dagli
alimenti ingeriti all’ambiente interno
dell’organismo.
Il cibo deve essere pertanto prima
digerito, cioè degradato biochimicamente
in molecole semplici, piccole per essere
assorbite e poi immesse nel sistema
circolatorio e distribuite alle cellule: i
polisaccaridi devono essere ridotti in
monosaccaridi, le proteine in
amminoacidi e così via.
La storia che segue è quella del
glucosio…
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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
1.
è alta la concentrazione di
Na+ mentre è bassa quella
del glucosio
2.
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.
3.
4.
3. All’interno della
cellula epiteliale il
glucosio è molto
concentrato, mentre Na+ ha
una bassa concentrazione
4. Il glucosio esce dalla
cellula tramite diffusione
facilitata, mentre Na+ deve
farlo tramite trasporto attivo
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Cotrasportatore sodio-glucosio: il video
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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 ).
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