Fornisce l'interazione tra la cellula e l'ambiente. Rapporto tra il corpo e l'ambiente

La connessione dell'organismo con l'ambiente, da un punto di vista fisico-chimico, è un sistema aperto, cioè un sistema in cui sono in corso processi biochimici. Le sostanze di partenza provengono dall'ambiente, mentre anche le sostanze che si formano continuamente vengono trasportate all'esterno. L'equilibrio tra la velocità e la concentrazione dei prodotti delle reazioni multidirezionali nel corpo è condizionale, immaginario, poiché l'assunzione e la rimozione delle sostanze non si ferma. La continua connessione con l'ambiente ci permette di considerare un organismo vivente come un sistema aperto.

Per tutte le cellule viventi, la fonte di energia è il Sole. Le cellule vegetali catturano l'energia dalla luce solare con l'aiuto della clorofilla, utilizzandola per le reazioni di assimilazione durante il processo di fotosintesi. Le cellule di animali, funghi e batteri utilizzano l'energia solare indirettamente, durante la scomposizione delle sostanze organiche sintetizzate dalle piante terrestri.

Alcuni nutrienti della cellula vengono scomposti durante la respirazione cellulare, fornendo così l'energia necessaria per vari tipi di attività cellulare. Questo processo avviene in organelli chiamati mitocondri. I mitocondri sono costituiti da due membrane: quella esterna, che separa l'organello dal citoplasma, e quella interna, che forma numerose pieghe. Il prodotto principale della respirazione è l’ATP. Lascia i mitocondri e viene utilizzato come fonte di energia per molte reazioni chimiche nel citoplasma e nella membrana cellulare. Se per la respirazione cellulare è necessario l'ossigeno, la respirazione è detta aerobica, ma se le reazioni avvengono in assenza di ossigeno, si parla di respirazione anaerobica.

Per qualsiasi tipo di lavoro svolto in una cellula, l'energia viene utilizzata in un'unica forma: sotto forma di energia proveniente dai legami fosfatici dell'ATP. L'ATP è un composto facilmente mobile. La formazione di ATP avviene sulla membrana interna dei mitocondri. L'ATP viene sintetizzato in tutte le cellule durante la respirazione grazie all'energia di ossidazione di carboidrati, grassi e altre sostanze organiche. Nelle cellule vegetali verdi, la maggior parte di ATP è sintetizzata nei cloroplasti grazie all'energia solare. Durante la fotosintesi producono molte volte più ATP dei mitocondri. L'ATP si decompone con la rottura dei legami fosforo-ossigeno e il rilascio di energia. Ciò avviene sotto l'azione dell'enzima ATPasi durante l'idrolisi dell'ATP - l'aggiunta di acqua con l'eliminazione di una molecola di acido fosforico. Di conseguenza, l'ATP viene convertito in ADP e, se due molecole di acido fosforico vengono scisse, in AMP. La reazione di eliminazione di ogni grammomolecola di acido è accompagnata dal rilascio di 40 kJ. Si tratta di una produzione di energia molto grande, motivo per cui i legami fosforo-ossigeno dell'ATP sono solitamente chiamati macroergistic (ad alta energia).

L'uso dell'ATP nelle reazioni di scambio plastico viene effettuato accoppiandole con l'idrolisi dell'ATP. Le molecole di diverse sostanze si caricano di energia legando il gruppo fosforo rilasciato durante l'idrolisi dalla molecola di ATP, cioè mediante fosforilazione.

La particolarità dei derivati ​​​​del fosfato è che non possono lasciare la cellula, sebbene le loro forme “scaricate” passino liberamente attraverso la membrana. Grazie a ciò, le molecole fosforilate rimangono nella cellula finché non vengono utilizzate in apposite reazioni.

Il processo inverso di conversione dell'ADP in ATP avviene aggiungendo una molecola di acido fosforico all'ADP, rilasciando acqua e assorbendo una grande quantità di energia.

Pertanto, l'ATP è una fonte di energia universale e diretta per l'attività cellulare. Questo crea un unico pool cellulare di energia e rende possibile ridistribuirlo e trasportarlo da una zona all'altra della cellula.

Il trasferimento del gruppo fosfato svolge un ruolo importante nelle reazioni chimiche come l'assemblaggio di macromolecole da monomeri. Ad esempio, gli amminoacidi possono essere combinati in peptidi solo dopo essere stati precedentemente fosforilati. I processi meccanici di contrazione o movimento, il trasporto di una sostanza disciolta contro un gradiente di concentrazione e altri processi comportano il consumo di energia immagazzinata nell'ATP.

Il processo del metabolismo energetico può essere rappresentato come segue. Le sostanze organiche ad alto peso molecolare nel citoplasma vengono convertite enzimaticamente, mediante idrolisi, in quelle più semplici da cui sono costituite: proteine ​​- in aminoacidi, poli e disaccaridi - in monosaccaridi (+ glucosio), grassi in glicerolo e acidi grassi. Non ci sono processi ossidativi, si libera poca energia, che non viene utilizzata e va in forma termica. La maggior parte delle cellule utilizza prima i carboidrati. I polisaccaridi (amido nelle piante e glicogeno negli animali) vengono idrolizzati in glucosio. L'ossidazione del glucosio avviene in tre fasi: glicolisi, decarbossilazione ossidativa (ciclo di Krebs - ciclo dell'acido citrico) e fosforilazione ossidativa (catena respiratoria). La glicolisi, a seguito della quale una molecola di glucosio viene divisa in due molecole di acido piruvico con il rilascio di due molecole di ATP, avviene nel citoplasma. In assenza di ossigeno, l'acido piruvico viene convertito in etanolo (fermentazione) o acido lattico (respirazione anaerobica).

Quando la glicolisi avviene nelle cellule animali, la molecola di glucosio a sei atomi di carbonio si scompone in due molecole di acido lattico. Questo processo è in più fasi. Viene effettuato in sequenza da 13 enzimi. Durante la fermentazione alcolica, da una molecola di glucosio si formano due molecole di etanolo e due molecole di CO2.

La glicolisi è una fase comune alla respirazione anaerobica e aerobica; le altre due si verificano solo in condizioni aerobiche. Il processo di ossidazione senza ossigeno, in cui solo una parte dell'energia dei metaboliti viene rilasciata e utilizzata, è definitivo per gli organismi anaerobici. In presenza di ossigeno, l'acido piruvico passa nei mitocondri, dove, a seguito di una serie di reazioni sequenziali, viene completamente ossidato aerobicamente in H2O e CO2 con simultanea fosforilazione di ADP in ATP. In questo caso, due molecole di ATP vengono prodotte dalla glicolisi, due dal ciclo di Krebs e 34 dalla catena respiratoria. La resa netta per l'ossidazione completa di una molecola di glucosio in H2O e CO2 è di 38 molecole.

Pertanto, negli organismi aerobici, la decomposizione finale delle sostanze organiche viene effettuata ossidandole con l'ossigeno atmosferico in semplici sostanze inorganiche: CO2 e H2O. Questo processo avviene sulle creste dei mitocondri. In questo caso viene rilasciata la massima quantità di energia libera, una parte significativa della quale è riservata nelle molecole di ATP. È facile vedere che l'ossidazione aerobica fornisce alla cellula la massima quantità di energia libera.

Come risultato del catabolismo, nella cellula si accumulano molecole di ATP ricche di energia e la CO2 e l'acqua in eccesso vengono rilasciate nell'ambiente esterno.

Le molecole di zucchero non necessarie per la respirazione possono essere immagazzinate nella cellula. I lipidi in eccesso vengono scomposti, dopo di che i prodotti della loro scomposizione entrano nei mitocondri come substrato per la respirazione, oppure vengono depositati come riserva nel citoplasma sotto forma di goccioline di grasso. Le proteine ​​sono costruite a partire dagli amminoacidi che entrano nella cellula. La sintesi proteica avviene in organelli chiamati ribosomi. Ogni ribosoma è costituito da due sottoparticelle: grande e piccola: entrambe le sottoparticelle includono molecole proteiche e molecole di RNA.

I ribosomi sono spesso attaccati a uno speciale sistema di membrane costituito da cisterne e vescicole, il cosiddetto reticolo endoplasmatico (ER); nelle cellule che producono molte proteine, il reticolo endoplasmatico è spesso molto ben sviluppato e ricoperto di ribosomi. Alcuni enzimi sono efficaci solo se sono attaccati a una membrana. Qui si trovano la maggior parte degli enzimi coinvolti nella sintesi dei lipidi. Pertanto, il reticolo endoplasmatico è come una sorta di banco di lavoro cellulare.

Inoltre, l'ER divide il citoplasma in compartimenti separati, cioè separa vari processi chimici che si verificano simultaneamente nel citoplasma, e quindi riduce la probabilità che questi processi interferiscano tra loro.

I prodotti fabbricati da una determinata cellula vengono spesso utilizzati all'esterno della cellula. In questi casi, le proteine ​​sintetizzate sui ribosomi attraversano le membrane del reticolo endoplasmatico e vengono impacchettate in vescicole di membrana che si formano attorno ad esse, le quali vengono poi staccate dal RE. Queste vescicole, appiattite e impilate una sull'altra, come frittelle impilate, formano una struttura caratteristica chiamata complesso di Golgi, o apparato di Golgi. Durante la loro permanenza nell'apparato del Golgi, le proteine ​​subiscono alcuni cambiamenti. Quando arriva il momento di lasciare la cellula, le vescicole della membrana si fondono con la membrana cellulare e si svuotano, riversando fuori il loro contenuto, cioè la secrezione avviene per esocitosi.

L'apparato del Golgi produce anche lisosomi, sacche di membrana contenenti enzimi digestivi. Scoprire come una cellula produce, impacchetta ed esporta determinate proteine, e come “sa” quali proteine ​​dovrebbe tenere per sé, è uno dei rami più affascinanti della citologia moderna.

Le membrane di qualsiasi cellula sono in costante movimento e cambiamento. Le membrane ER si muovono lentamente attraverso la cellula. Singole sezioni di queste membrane si separano e formano vescicole, che diventano temporaneamente parte dell'apparato di Golgi e poi, attraverso il processo di esocitosi, si fondono con la membrana cellulare.

Successivamente, il materiale della membrana viene restituito al citoplasma, dove viene nuovamente utilizzato.

Lo scambio di sostanze che entrano nella cellula o da essa rilasciate all'esterno, così come lo scambio di vari segnali con il micro e macroambiente, avviene attraverso la membrana esterna della cellula. Come è noto, la membrana cellulare è un doppio strato lipidico in cui sono incorporate varie molecole proteiche che agiscono come recettori specializzati, canali ionici, dispositivi che trasportano o rimuovono attivamente varie sostanze chimiche, contatti intercellulari, ecc. Nelle cellule eucariotiche sane, i fosfolipidi sono distribuiti in la membrana in modo asimmetrico: la superficie esterna è costituita da sfingomielina e fosfatidilcolina, la superficie interna da fosfatidilserina e fosfatidiletanolammina. Mantenere tale asimmetria richiede un dispendio energetico. Pertanto, in caso di danno cellulare, infezione o carenza di energia, la superficie esterna della membrana si arricchisce di fosfolipidi insoliti per essa, che diventano un segnale per altre cellule ed enzimi sul danno cellulare con una corrispondente reazione. Il ruolo più importante è svolto dalla forma solubile della fosfolipasi A2, che scompone l'acido arachidonico e crea lisoforme dai fosfolipidi sopra menzionati. L'acido arachidonico è l'anello limitante per la creazione di mediatori dell'infiammazione come gli eicosanoidi e le molecole protettive - pentraxine (proteina C-reattiva (CRP), precursori delle proteine ​​amiloidi) - sono attaccate ai lisoformi nella membrana, seguita dall'attivazione del complemento sistema lungo la via classica e la distruzione cellulare.

La struttura della membrana aiuta a preservare le caratteristiche dell'ambiente interno della cellula, le sue differenze rispetto all'ambiente esterno. Ciò è garantito dalla permeabilità selettiva della membrana cellulare e dall'esistenza in essa di meccanismi di trasporto attivi. La loro interruzione a seguito di danni diretti, ad esempio, da parte di tetrodotossina, ouabaina, tetraetilammonio o in caso di insufficiente apporto di energia alle corrispondenti "pompe" porta all'interruzione della composizione elettrolitica della cellula, cambiamenti nel suo metabolismo, interruzione di funzioni specifiche - contrazione, conduzione degli impulsi di eccitazione, ecc. Il disturbo dei canali ionici cellulari (calcio, sodio, potassio e cloruro) nell'uomo può anche essere determinato geneticamente dalla mutazione dei geni responsabili della struttura di questi canali. Le cosiddette canalopatie causano malattie ereditarie del sistema nervoso, muscolare e digestivo. Un'eccessiva entrata di acqua nella cellula può portare alla sua rottura - citolisi - a causa della perforazione della membrana quando viene attivato il complemento o dell'attacco da parte di linfociti citotossici e cellule natural killer.

La membrana cellulare contiene numerosi recettori, strutture che, combinate con le corrispondenti molecole di segnalazione specifiche (ligandi), trasmettono un segnale all'interno della cellula. Ciò avviene attraverso varie cascate regolatorie costituite da molecole enzimaticamente attive che vengono attivate sequenzialmente e infine contribuiscono all’implementazione di vari programmi cellulari, come crescita e proliferazione, differenziazione, motilità, invecchiamento e morte cellulare. Le cascate normative sono piuttosto numerose, ma il loro numero non è stato ancora completamente determinato. Il sistema di recettori e di cascate regolatrici ad essi associati esiste anche all'interno della cellula; creano una specifica rete di regolamentazione con punti di concentrazione, distribuzione e selezione dell'ulteriore percorso del segnale a seconda dello stato funzionale della cellula, dello stadio del suo sviluppo e dell'azione simultanea dei segnali di altri recettori. Il risultato di ciò potrebbe essere l’inibizione o il rafforzamento del segnale, indirizzandolo lungo un diverso percorso regolatorio. Sia l'apparato recettoriale che le vie di trasduzione del segnale attraverso cascate regolatrici, ad esempio fino al nucleo, possono essere interrotti a causa di un difetto genetico che si presenta come difetto congenito a livello dell'organismo o a causa di una mutazione somatica in un tipo cellulare specifico. Questi meccanismi possono essere danneggiati da agenti infettivi, tossine e anche modificarsi durante il processo di invecchiamento. Lo stadio finale di ciò potrebbe essere un'interruzione delle funzioni della cellula, i processi della sua proliferazione e differenziazione.

Sulla superficie delle cellule si trovano anche molecole che svolgono un ruolo importante nei processi di interazione intercellulare. Questi possono includere proteine ​​di adesione cellulare, antigeni di istocompatibilità, antigeni tessuto-specifici, differenzianti, ecc. I cambiamenti nella composizione di queste molecole causano l'interruzione delle interazioni intercellulari e possono causare l'attivazione di meccanismi appropriati per l'eliminazione di tali cellule, perché rappresentano un pericolo certo per l'integrità dell'organismo come serbatoio di infezioni, soprattutto virali, o come potenziali iniziatori della crescita tumorale.

Violazione dell'approvvigionamento energetico della cellula

La fonte di energia nella cellula è il cibo, dopo la scomposizione del quale l'energia viene rilasciata nelle sostanze finali. Il luogo principale di produzione di energia sono i mitocondri, in cui le sostanze vengono ossidate con l'aiuto degli enzimi della catena respiratoria. L'ossidazione è il principale fornitore di energia, poiché a seguito della glicolisi, non più del 5% di energia viene rilasciata dalla stessa quantità di substrati di ossidazione (glucosio), rispetto all'ossidazione. Circa il 60% dell'energia rilasciata durante l'ossidazione viene accumulata mediante fosforilazione ossidativa in fosfati ad alta energia (ATP, creatina fosfato), il resto viene dissipato sotto forma di calore. Successivamente, i fosfati ad alta energia vengono utilizzati dalla cellula per processi come il funzionamento della pompa, la sintesi, la divisione, il movimento, la secrezione, ecc. Esistono tre meccanismi, il cui danno può causare un'interruzione dell'approvvigionamento energetico della cellula: il primo è il meccanismo di sintesi degli enzimi del metabolismo energetico, il secondo è il meccanismo della fosforilazione ossidativa, il terzo è il meccanismo di utilizzo dell'energia.

L'interruzione del trasporto degli elettroni nella catena respiratoria mitocondriale o il disaccoppiamento dell'ossidazione e della fosforilazione dell'ADP con perdita del potenziale protonico, la forza trainante per la generazione di ATP, porta ad un indebolimento della fosforilazione ossidativa in modo tale che la maggior parte dell'energia viene dissipata sotto forma di calore e il numero di composti ad alta energia diminuisce. Il disaccoppiamento dell'ossidazione e della fosforilazione sotto l'influenza dell'adrenalina viene utilizzato dalle cellule degli organismi omeotermici per aumentare la produzione di calore mantenendo una temperatura corporea costante durante il raffreddamento o aumentandola durante la febbre. Cambiamenti significativi nella struttura mitocondriale e nel metabolismo energetico si osservano nella tireotossicosi. Questi cambiamenti sono inizialmente reversibili, ma dopo un certo punto diventano irreversibili: i mitocondri si frammentano, si disintegrano o si gonfiano, perdono le creste, trasformandosi in vacuoli, ed eventualmente accumulano sostanze come la ialina, la ferritina, il calcio, la lipofuscina. Nei pazienti affetti da scorbuto, i mitocondri si fondono per formare condriosfere, probabilmente a causa del danno alla membrana causato dai composti del perossido. Un danno significativo ai mitocondri si verifica sotto l'influenza delle radiazioni ionizzanti durante la trasformazione di una cellula normale in una maligna.

I mitocondri sono un potente deposito di ioni calcio, la cui concentrazione è di diversi ordini di grandezza superiore a quella del citoplasma. Quando i mitocondri sono danneggiati, il calcio entra nel citoplasma, provocando l'attivazione delle proteinasi con danni alle strutture intracellulari e interruzione delle funzioni della cellula corrispondente, ad esempio contratture del calcio o addirittura "morte del calcio" nei neuroni. Come risultato dell'interruzione della capacità funzionale dei mitocondri, aumenta notevolmente la formazione di composti di perossido di radicali liberi, che hanno una reattività molto elevata e quindi danneggiano componenti importanti della cellula: acidi nucleici, proteine ​​e lipidi. Questo fenomeno si osserva durante il cosiddetto stress ossidativo e può avere conseguenze negative per l'esistenza della cellula. Pertanto, il danno alla membrana esterna dei mitocondri è accompagnato dal rilascio nel citoplasma di sostanze contenute nello spazio intermembrana, principalmente il citocromo C e alcune altre sostanze biologicamente attive, che innescano reazioni a catena che causano la morte cellulare programmata - apoptosi. Danneggiando il DNA mitocondriale, le reazioni dei radicali liberi distorcono l'informazione genetica necessaria per la formazione di alcuni enzimi della catena respiratoria, prodotti specificamente nei mitocondri. Ciò porta a un'interruzione ancora maggiore dei processi ossidativi. In generale, l'apparato genetico dei mitocondri, rispetto all'apparato genetico del nucleo, è meno protetto dalle influenze dannose che possono modificare l'informazione genetica in esso codificata. Di conseguenza, la disfunzione dei mitocondri si verifica per tutta la vita, ad esempio durante il processo di invecchiamento, durante la trasformazione maligna della cellula, nonché sullo sfondo di malattie mitocondriali ereditarie associate alla mutazione del DNA mitocondriale nell'uovo. Attualmente sono state descritte oltre 50 mutazioni mitocondriali che causano malattie degenerative ereditarie del sistema nervoso e muscolare. Vengono trasmessi al bambino esclusivamente dalla madre, poiché i mitocondri dello sperma non fanno parte dello zigote e, di conseguenza, del nuovo organismo.

Violazione della conservazione e trasmissione delle informazioni genetiche

Il nucleo della cellula contiene la maggior parte dell'informazione genetica e quindi ne garantisce il normale funzionamento. Attraverso l'espressione genetica selettiva, coordina l'attività cellulare durante l'interfase, immagazzina informazioni genetiche e ricrea e trasmette materiale genetico durante la divisione cellulare. La replicazione del DNA e la trascrizione dell'RNA avvengono nel nucleo. Vari fattori patogeni, come le radiazioni ultraviolette e ionizzanti, l'ossidazione dei radicali liberi, le sostanze chimiche, i virus, possono danneggiare il DNA. Si stima che ogni cellula di un animale a sangue caldo impieghi 1 giorno. perde più di 10.000 basi. Qui dovremmo aggiungere le violazioni durante la copia durante la divisione. Se questi danni persistessero, la cellula non sarebbe in grado di sopravvivere. La protezione risiede nell'esistenza di potenti sistemi di riparazione, come l'endonucleasi ultravioletta, i sistemi di riparazione, replicazione e ricombinazione, che sostituiscono il danno al DNA. I difetti genetici nei sistemi di riparazione causano lo sviluppo di malattie causate da una maggiore sensibilità a fattori che danneggiano il DNA. Si tratta dello xeroderma pigmentoso, così come di alcune sindromi da invecchiamento accelerato, accompagnate da una maggiore tendenza a sviluppare tumori maligni.

Il sistema per regolare i processi di replicazione del DNA, trascrizione dell'RNA messaggero (mRNA) e traduzione delle informazioni genetiche dagli acidi nucleici nella struttura delle proteine ​​è piuttosto complesso e multilivello. Oltre alle cascate di regolazione che innescano l'azione di fattori di trascrizione per un numero totale di oltre 3000, che attivano determinati geni, esiste anche un sistema di regolazione a più livelli mediato da piccole molecole di RNA (RNA interferente; RNAi). Il genoma umano, costituito da circa 3 miliardi di basi puriniche e pirimidiniche, contiene solo il 2% dei geni strutturali responsabili della sintesi proteica. Il resto fornisce la sintesi di RNA regolatori che, contemporaneamente ai fattori di trascrizione, attivano o bloccano il lavoro dei geni strutturali a livello del DNA nei cromosomi o influenzano i processi di traduzione dell'RNA messaggero (mRNA) durante la formazione di una molecola polipeptidica in il citoplasma. La violazione dell'informazione genetica può verificarsi sia a livello dei geni strutturali che della parte regolatrice del DNA con manifestazioni corrispondenti sotto forma di varie malattie ereditarie.

Recentemente, molta attenzione è stata attirata dai cambiamenti nel materiale genetico che si verificano durante lo sviluppo individuale di un organismo e sono associati all'inibizione o all'attivazione di alcune sezioni del DNA e dei cromosomi a causa della loro metilazione, acetilazione e fosforilazione. Questi cambiamenti persistono a lungo, a volte per tutta la vita dell'organismo, dall'embriogenesi alla vecchiaia, e sono chiamati eredità epigenomica.

La proliferazione di cellule con informazione genetica alterata è impedita anche da sistemi (fattori) che controllano il ciclo mitotico. Interagiscono con le proteine ​​chinasi ciclina-dipendenti e le loro subunità catalitiche - cicline - e impediscono alla cellula di compiere l'intero ciclo mitotico, arrestando la divisione al confine tra la fase presintetica e quella sintetica (blocco G1/S) fino al completamento della riparazione del DNA, e se ciò è impossibile, avviano cellule di morte programmate. Questi fattori includono il gene p53, la cui mutazione provoca la perdita di controllo sulla proliferazione delle cellule trasformate; è osservato in quasi il 50% dei tumori umani. Il secondo punto di controllo del ciclo mitotico è al confine G2/M. Qui, la corretta distribuzione del materiale cromosomico tra le cellule figlie nella mitosi o nella meiosi viene controllata utilizzando una serie di meccanismi che controllano il fuso cellulare, il centro e i centromeri (cinetocori). L'inefficacia di questi meccanismi porta all'interruzione della distribuzione dei cromosomi o di loro parti, che si manifesta con l'assenza di un cromosoma in una delle cellule figlie (aneuploidia), la presenza di un cromosoma in più (poliploidia), la separazione di un cromosoma parte di un cromosoma (delezione) e il suo trasferimento su un altro cromosoma (traslocazione). Tali processi sono molto spesso osservati durante la proliferazione di cellule degenerate e trasformate in modo maligno. Se ciò accade durante la meiosi con le cellule germinali, porta alla morte del feto in una fase iniziale dello sviluppo embrionale o alla nascita di un organismo con una malattia cromosomica.

La proliferazione cellulare incontrollata durante la crescita del tumore si verifica a causa di mutazioni nei geni che controllano la proliferazione cellulare e sono chiamati oncogeni. Tra gli oltre 70 oncogeni attualmente conosciuti, la maggior parte appartiene a componenti della regolazione della crescita cellulare, alcuni sono rappresentati da fattori di trascrizione che regolano l'attività genetica, nonché da fattori che inibiscono la divisione e la crescita cellulare. Un altro fattore che limita l'eccessiva espansione (diffusione) delle cellule proliferanti è l'accorciamento delle estremità dei cromosomi - telomeri, che non sono in grado di replicarsi completamente a causa dell'interazione puramente sterica, quindi, dopo ogni divisione cellulare, i telomeri si accorciano di una certa parte delle basi. Pertanto, le cellule proliferanti di un organismo adulto dopo un certo numero di divisioni (di solito da 20 a 100 a seconda del tipo di organismo e della sua età) esauriscono la lunghezza dei telomeri e l'ulteriore replicazione dei cromosomi si interrompe. Questo fenomeno non si verifica nell'epitelio spermatico, negli enterociti e nelle cellule embrionali a causa della presenza dell'enzima telomerasi, che ripristina la lunghezza dei telomeri dopo ogni divisione. Nella maggior parte delle cellule degli organismi adulti, la telomerasi è bloccata, ma sfortunatamente viene attivata nelle cellule tumorali.

La connessione tra il nucleo e il citoplasma e il trasporto di sostanze in entrambe le direzioni avvengono attraverso i pori della membrana nucleare con la partecipazione di speciali sistemi di trasporto che consumano energia. In questo modo l'energia e le sostanze plastiche, le molecole segnale (fattori di trascrizione) vengono trasportate al nucleo. Il flusso inverso trasporta nel citoplasma molecole di mRNA e RNA di trasferimento (tRNA), ribosomi necessari per la sintesi proteica nella cellula. La stessa via di trasporto delle sostanze è inerente anche ai virus, in particolare all'HIV. Trasferiscono il loro materiale genetico nel nucleo della cellula ospite con la sua ulteriore incorporazione nel genoma ospite e il trasferimento dell'RNA virale appena formato nel citoplasma per l'ulteriore sintesi di proteine ​​di nuove particelle virali.

Violazione dei processi di sintesi

I processi di sintesi proteica avvengono nelle cisterne del reticolo endoplasmatico, strettamente connesse ai pori della membrana nucleare, attraverso i quali ribosomi, tRNA e mRNA entrano nel reticolo endoplasmatico. Qui avviene la sintesi delle catene polipeptidiche che successivamente acquisiscono la loro forma finale nel reticolo endoplasmatico agranulare e nel complesso lamellare (complesso di Golgi), dove subiscono modificazioni post-traduzionali e si combinano con molecole di carboidrati e lipidi. Le molecole proteiche appena formate non rimangono nel sito di sintesi, ma attraverso un complesso processo regolato chiamato proteinacinesi, vengono trasferiti attivamente in quella parte isolata della cellula dove svolgeranno la funzione prevista. In questo caso, un passo molto importante è la strutturazione della molecola trasferita in un'appropriata configurazione spaziale in grado di svolgere la sua funzione intrinseca. Questa strutturazione avviene con l'aiuto di speciali enzimi o su una matrice di molecole proteiche specializzate - chaperon, che aiutano la molecola proteica, appena formata o modificata a causa di influenze esterne, ad acquisire la corretta struttura tridimensionale. In caso di effetti negativi sulla cellula, quando esiste la possibilità di interruzione della struttura delle molecole proteiche (ad esempio, con un aumento della temperatura corporea, un processo infettivo, intossicazione), aumenta la concentrazione di chaperoni nella cellula nettamente. Pertanto, vengono anche chiamate tali molecole proteine ​​dello stress, O proteine ​​da shock termico. La violazione della strutturazione di una molecola proteica porta alla formazione di conglomerati chimicamente inerti, che si depositano nella cellula o all'esterno di essa durante l'amiloidosi, il morbo di Alzheimer, ecc. A volte una molecola simile prestrutturata può servire da matrice, e in questo Se la strutturazione primaria avviene in modo errato, anche tutte le molecole successive saranno difettose. Questa situazione si verifica nelle cosiddette malattie da prioni (scrapie nelle pecore, mucche rabbiose, kuru, malattia di Creutzfeldt-Jakob nell'uomo), quando un difetto in una delle proteine ​​di membrana di una cellula nervosa provoca il successivo accumulo di masse inerti all'interno della cellula e interruzione delle sue funzioni vitali.

L'interruzione dei processi di sintesi in una cellula può verificarsi nelle sue varie fasi: trascrizione dell'RNA nel nucleo, traduzione dei polipeptidi nei ribosomi, modificazione post-traduzionale, ipermetilazione e glicosilazione della molecola beige, trasporto e distribuzione delle proteine ​​nella cellula e loro rimozione verso l'esterno. In questo caso si può osservare un aumento o una diminuzione del numero dei ribosomi, la rottura dei poliribosomi, l'espansione delle cisterne del reticolo endoplasmatico granulare, la perdita di ribosomi e la formazione di vescicole e vacuoli. Pertanto, quando viene avvelenato da uno svasso pallido, l'enzima RNA polimerasi viene danneggiato, interrompendo la trascrizione. La tossina difterica, inattivando il fattore di allungamento, interrompe i processi di traduzione, causando danni al miocardio. La causa dell'interruzione della sintesi di alcune molecole proteiche specifiche può essere agenti infettivi. Ad esempio, i virus dell'herpes inibiscono la sintesi e l'espressione delle molecole dell'antigene MHC, il che consente loro di evitare parzialmente il controllo immunitario; i bacilli della peste sono la sintesi dei mediatori dell'infiammazione acuta. La comparsa di proteine ​​insolite può arrestare la loro ulteriore degradazione e portare all'accumulo di materiale inerte o addirittura tossico. Ciò può, in una certa misura, essere facilitato dall'interruzione dei processi di decadimento.

Interruzione dei processi di decadimento

Contemporaneamente alla sintesi delle proteine ​​nella cellula, la sua rottura avviene continuamente. In condizioni normali, ciò ha un importante significato regolatorio e formativo, ad esempio durante l'attivazione di forme inattive di enzimi, ormoni proteici e proteine ​​del ciclo mitotico. La normale crescita e sviluppo cellulare richiedono un equilibrio finemente controllato tra la sintesi e la degradazione delle proteine ​​e degli organelli. Tuttavia, nel processo di sintesi proteica, a causa di errori nel funzionamento dell'apparato di sintesi, della struttura anormale della molecola proteica e del suo danno da parte di agenti chimici e batterici, si forma costantemente un numero abbastanza elevato di molecole difettose. Secondo alcune stime, la loro quota ammonta a circa un terzo di tutte le proteine ​​sintetizzate.

Le cellule dei mammiferi hanno diversi principali modi di distruzione delle proteine: attraverso le proteasi lisosomiali (pentide idrolasi), le proteinasi calcio-dipendenti (endopeptidasi) e il sistema del proteasoma. Inoltre, esistono anche proteinasi specializzate, come le caspasi. Il principale organello in cui avviene la degradazione delle sostanze nelle cellule eucariotiche è il lisosoma, che contiene numerosi enzimi idrolitici. A causa dei processi di endocitosi e di vari tipi di autofagia nei lisosomi e nei fagolisosomi, vengono distrutte sia le molecole proteiche difettose che interi organelli: mitocondri danneggiati, sezioni della membrana plasmatica, alcune proteine ​​extracellulari e il contenuto dei granuli secretori.

Un importante meccanismo di degradazione delle proteine ​​è il proteasoma, una proteinasi multicatalitica di struttura complessa localizzata nel citosol, nel nucleo, nel reticolo endoplasmatico e sulla membrana cellulare. Questo sistema enzimatico è responsabile della scomposizione delle proteine ​​danneggiate e delle proteine ​​sane che devono essere rimosse per la normale funzione cellulare. In questo caso le proteine ​​da distruggere vengono preliminarmente combinate con un polipeptide specifico, l'ubiquitina. Tuttavia, le proteine ​​non ubiquitinate possono anche essere parzialmente distrutte nei proteasomi. La scomposizione delle molecole proteiche nei proteasomi in brevi polipeptidi (lavorazione) con la loro successiva presentazione insieme alle molecole MHC di tipo I è un collegamento importante nel controllo immunitario dell'omeostasi antigenica nel corpo. Quando la funzione del proteasoma è indebolita, si accumulano proteine ​​danneggiate e non necessarie, che accompagnano l'invecchiamento cellulare. La violazione della degradazione delle proteine ​​ciclina-dipendenti porta all'interruzione della divisione cellulare, alla degradazione delle proteine ​​secretorie - allo sviluppo della cistofibrosi. Al contrario, un aumento della funzione del proteasoma accompagna l'esaurimento del corpo (AIDS, cancro).

Con disturbi geneticamente determinati della degradazione delle proteine, l'organismo non è vitale e muore nelle prime fasi dell'embriogenesi. Se la scomposizione dei grassi o dei carboidrati viene interrotta, si verificano malattie da accumulo (tesaurismosi). In questo caso, all'interno della cellula si accumula una quantità eccessiva di alcune sostanze o prodotti della loro disgregazione incompleta - lipidi, polisaccaridi, che danneggia significativamente la funzione della cellula. Molto spesso questo si osserva nelle cellule epiteliali del fegato (epatociti), nei neuroni, nei fibroblasti e nei macrofagociti.

I disturbi acquisiti dei processi di degradazione delle sostanze possono insorgere a seguito di processi patologici (ad esempio proteine, grassi, carboidrati e degenerazione pigmentaria) e sono accompagnati dalla formazione di sostanze insolite. Disturbi nel sistema di proteolisi lisosomiale portano ad un ridotto adattamento durante il digiuno o ad un aumento dello stress e al verificarsi di alcune disfunzioni endocrine - diminuzione dei livelli di insulina, tireoglobulina, citochine e dei loro recettori. La compromessa degradazione delle proteine ​​rallenta il tasso di guarigione delle ferite, provoca lo sviluppo dell’aterosclerosi e influenza la risposta immunitaria. Con ipossia, cambiamenti nel pH intracellulare, lesioni da radiazioni, caratterizzate da una maggiore perossidazione dei lipidi di membrana, nonché sotto l'influenza di sostanze lisosomotropiche - endotossine batteriche, metaboliti di funghi tossici (sporofusarina), cristalli di ossido di silicio - stabilità della membrana lisosomiale cambiamenti, gli enzimi lisosomiali attivati ​​vengono rilasciati nel citoplasma , che provoca la distruzione delle strutture cellulari e la sua morte.

Capitolo 1

FONDAMENTI DI FISIOLOGIA CELLULARE

I. Dudel

Membrana plasmatica . Le cellule animali sono delimitate da una membrana plasmatica (Figura 1.1). Ci soffermeremo un po' più in dettaglio sulla sua struttura, che è molto simile alla struttura di molte membrane intracellulari. La matrice principale della membrana è costituita da lipidi, principalmente fosfatidilcolina. Questi lipidi sono costituiti da una testa idrofila alla quale sono attaccate lunghe catene di idrocarburi idrofobi. In acqua, tali lipidi formano spontaneamente un film a doppio strato spesso 4-5 nm, in cui i gruppi idrofili sono rivolti verso il mezzo acquoso e le catene idrocarburiche idrofobiche sono disposte su due file, formando una fase lipidica anidra. Le membrane cellulari sono doppi strati lipidici di questo tipo e contengono glicolipidi, colesterolo e fosfolipidi (Fig. 1.2). La parte idrofila dei glicolipidi è formata da oligosaccaridi. I glicolipidi si trovano sempre sulla superficie esterna della membrana plasmatica, con la parte oligosaccaridica della molecola orientata come un capello immersa nell'ambiente. Sparse tra i fosfolipidi in quantità quasi uguali, le molecole di colesterolo stabilizzano la membrana. La distribuzione dei vari lipidi negli strati interno ed esterno della membrana non è la stessa, e anche all'interno di uno strato ci sono aree in cui si concentrano alcuni tipi di lipidi. Questa distribuzione non uniforme

Riso. 1.1. Disegno schematico di una cellula che mostra gli organelli più importanti

probabilmente ha qualche significato funzionale, non ancora chiaro.

I principali elementi funzionali incorporati nella matrice lipidica relativamente inerte della membrana sono scoiattoli(Fig. 1.2). Le proteine ​​in peso rappresentano dal 25 al 75% in varie membrane, ma poiché le molecole proteiche sono molto più grandi delle molecole lipidiche, il 50% in peso equivale al rapporto tra 1 molecola proteica e 50 molecole lipidiche. Alcune proteine ​​penetrano nella membrana dalla superficie esterna a quella interna, mentre altre sono fissate in uno strato. Le molecole proteiche sono solitamente orientate in modo che i loro gruppi idrofobici siano incorporati nella membrana lipidica e i gruppi idrofili polari sulla superficie della membrana siano incorporati nella fase acquosa. Molte proteine ​​sulla superficie esterna della membrana sono glicoproteine; i loro gruppi saccaridici idrofili sono rivolti verso l'ambiente extracellulare.

Sistemi di membrana degli organelli intracellulari .

Circa la metà del volume cellulare è occupato da organelli isolati dal citosol mediante membrane. La superficie totale delle membrane degli organelli intracellulari è almeno 10 volte maggiore della superficie della membrana plasmatica. Il sistema a membrana più utilizzato è reticolo endoplasmatico, rappresentare una rete

Riso. 1.2.Rappresentazione schematica della membrana plasmatica. Le proteine ​​sono incorporate nel doppio strato fosfolipidico, alcune di esse penetrano nel doppio strato, mentre altre sono ancorate solo allo strato esterno o interno

tubi altamente contorti o strutture allungate simili a sacchi; ampie aree del reticolo endoplasmatico sono costellate di ribosomi; tale reticolo è detto granulare o ruvido (Fig. 1.1). Apparato del Golgiè costituito anche da lamelle legate alla membrana, da cui si staccano vescicole o vescicole (Fig. 1.1). Lisosomi e perossisomi- Queste sono piccole vescicole specializzate. In tutti questi vari organelli, la membrana e lo spazio che racchiude contengono insiemi specifici di enzimi; All'interno degli organelli si accumulano speciali prodotti metabolici, utilizzati per svolgere varie funzioni degli organelli.

NucleoE mitocondri differiscono in quanto ciascuno di questi organelli è circondato da due membrane. Il nucleo è responsabile del controllo cinetico del metabolismo; la membrana interna ripiegata dei mitocondri è il sito del metabolismo ossidativo; qui, a causa dell'ossidazione del piruvato o degli acidi grassi, viene sintetizzato il composto ad alto contenuto energetico adenosina trifosfato (ATP o ATP).

Citoscheletro . Il citoplasma che circonda gli organelli non può in alcun modo essere considerato amorfo; è permeato da una rete citoscheletrica. Il citoscheletro è costituito da microtubuli, filamenti di actina e filamenti intermedi (Fig. 1.1). Microtubuli avere un diametro esterno di circa 25 nm; si formano, come un normale polimero, come risultato dell'assemblaggio di molecole proteiche di tubulina. Filamenti di actina– le fibre contrattili, situate nello strato vicino alla membrana e in tutta la cellula, prendono parte principalmente ai processi associati al movimento. Filamenti intermedi sono costituiti da blocchi di diversa composizione chimica in diversi tipi di cellule; formano una varietà di connessioni tra gli altri due elementi citoscheletrici sopra menzionati. Gli organelli e la membrana plasmatica sono anche associati al citoscheletro, che non solo mantiene la forma della cellula e la posizione degli organelli in essa, ma determina anche cambiamenti nella forma della cellula e nella sua mobilità.

Citosol . Circa la metà del volume cellulare è occupata dal citosol. Poiché contiene circa il 20% di proteine ​​in peso, è più un gel che una soluzione acquosa. Piccole molecole, comprese quelle organiche e inorganiche ioni, disciolto nella fase acquosa. Tra la cellula e l'ambiente (spazio extracellulare) avviene uno scambio di ioni; questi processi metabolici saranno discussi nella sezione successiva. La concentrazione di ioni nello spazio extracellulare viene mantenuta con notevole precisione a un livello costante; anche la concentrazione intracellulare di ciascuno ione ha un livello specifico, diverso da quello esterno alla cellula (Tabella 1.1). Il catione più abbondante nell'ambiente extracellulare è Na+ nella cellula la sua concentrazione è più di 10 volte inferiore. Al contrario, la concentrazione di K+ è massima all'interno della cellula; fuori dalla cellula è inferiore di oltre un ordine di grandezza. Il gradiente maggiore tra concentrazioni extracellulari ed intracellulari esiste per il Ca 2+, la concentrazione di ioni liberi all'interno della cellula è almeno 10.000 volte inferiore a quella all'esterno. Non tutti gli ioni sono disciolti nel citosol; alcuni di essi vengono adsorbiti sulle proteine ​​o depositati negli organelli. Ad esempio, nel caso del Ca 2+, gli ioni legati sono molto più numerosi di quelli liberi. La maggior parte delle proteine ​​citosoliche sono enzimi, con la partecipazione dei quali vengono effettuati molti processi del metabolismo intermedio: glicolisi e gluconeogenesi, sintesi o distruzione di aminoacidi, sintesi proteica sui ribosomi (Fig. 1.1). Il citosol contiene anche goccioline lipidiche e granuli di glicogeno, che fungono da riserva di molecole importanti.

Tabella 1.1.Concentrazioni di ioni intra ed extracellulari nelle cellule muscolari di animali omeotermi. UN – – “anioni cellulari ad alto peso molecolare”

1.2. Scambio di sostanze tra la cellula e l'ambiente

Abbiamo descritto brevemente la struttura della cellula in modo da poter utilizzare questa descrizione per rivedere le basi della fisiologia cellulare. In nessun caso una cellula può essere considerata un'entità statica, poiché esiste un costante scambio di sostanze tra i vari compartimenti intracellulari, nonché tra questi e l'ambiente. Le strutture cellulari sono in equilibrio dinamico e le interazioni delle cellule tra loro e con l'ambiente esterno sono una condizione necessaria per mantenere la vita di un organismo funzionante. In questo capitolo esamineremo i meccanismi fondamentali di tale scambio. Nei capitoli successivi questi meccanismi verranno considerati applicati alla cellula nervosa e alle sue funzioni;

tuttavia, gli stessi meccanismi sono alla base del funzionamento di tutti gli altri organi.

Diffusione.Il processo più semplice di spostamento della materia è la diffusione. Nelle soluzioni (o gas), gli atomi e le molecole si muovono liberamente e le differenze nelle concentrazioni sono bilanciate grazie alla diffusione. Consideriamo due volumi pieni di liquido o gas (Fig. 1.3), in cui le sostanze hanno concentrazioni c1 e c2 e separati da uno strato di superficie A e spessore D. Flusso di materia m durante il tempo t descritto Prima legge di diffusione di Fick:

dm/ dt= DUN/ D ( C 1 –C2)=DUN/ DD C(1)

dove D è il coefficiente di diffusione, costante per una data sostanza, solvente e temperatura. In una forma più generale per la differenza di concentrazione dc a distanza dx

dm/dt= –D A dc/dx,(2)

il flusso attraverso la sezione A è proporzionale al gradiente di concentrazione dc/dx . Il segno meno appare nell'equazione perché la variazione della concentrazione nella direzione x è negativa.

La diffusione è il processo più importante grazie al quale la maggior parte delle molecole nelle soluzioni acquose si muovono su brevi distanze. Ciò vale anche per il loro movimento nella cellula, purché la diffusione non sia ostacolata dalle membrane. Molte sostanze possono diffondersi liberamente attraverso le membrane lipidiche, in particolare acqua e gas disciolti come O 2 e CO 2 . Liposolubile

Riso. 1.3.Schema di diffusione quantitativa. I due spazi sono separati da uno strato di spessoreDe zona UN. C; – alta concentrazione di particelle nella parte sinistra del volume, C: – bassa concentrazione di particelle nella parte destra parti, superficie rosa– gradiente di concentrazione nello strato di diffusione. Flusso di diffusione dm/dt – vedere equazione (1)

le sostanze si diffondono bene anche attraverso le membrane; Ciò vale anche per molecole polari di dimensioni piuttosto piccole, come l'etanolo e l'urea, mentre gli zuccheri attraversano con difficoltà lo strato lipidico. Allo stesso tempo, gli strati lipidici sono praticamente impermeabili alle molecole cariche, compresi anche gli ioni inorganici. Per i non elettroliti, l'equazione di diffusione (1) viene solitamente trasformata combinando le caratteristiche della membrana e della sostanza diffondente in una parametro permeabilità (P):

dm/dt=P AD C.(3)

Nella fig. 1.4 vengono confrontati permeabilità (P) della membrana lipidica per varie molecole.

Diffusione attraverso i pori della membrana . La membrana plasmatica (e altre membrane cellulari) è permeabile non solo alle sostanze che diffondono attraverso lo strato lipidico, ma anche a molti ioni, zuccheri, amminoacidi e nucleotidi. Queste sostanze attraversano la membrana attraverso i pori formati proteine ​​di trasporto, immerso nella membrana. All'interno di tali proteine ​​è presente un canale pieno d'acqua con un diametro inferiore a 1 nm, attraverso il quale possono diffondersi piccole molecole. Si muovono lungo un gradiente di concentrazione e, se trasportano una carica, anche il loro movimento attraverso i canali è regolato dal potenziale di membrana. I canali di membrana sono relativamente selettivi

Riso. 1.4.Permeabilità dei doppi strati lipidici artificiali a varie sostanze

in relazione al tipo di molecole che possono attraversarli, esistono, ad esempio, i canali del potassio, del sodio e del calcio, ciascuno dei quali è impermeabile a quasi tutti gli ioni tranne uno specifico. Come selettivitàè determinata dalla carica o struttura dei siti di legame nelle pareti del canale, che facilita il trasporto di una molecola specifica e impedisce la penetrazione di altre sostanze attraverso il canale (Fig. 1,5,A) .

Dietro il comportamento canali ionici di membrana facile da osservare, poiché la corrente derivante dal movimento degli ioni può essere misurata, anche per un singolo canale. È dimostrato che i canali cambiano spontaneamente e con alta frequenza il loro stato da aperto a chiuso. Il canale del potassio è caratterizzato da impulsi di corrente con un'ampiezza di circa 2 pA (2 10 –12 A) e una durata di diversi millisecondi (vedi Fig. 2.12, p. 37) [3]. Durante questo periodo, decine di migliaia di ioni lo attraversano. La transizione delle proteine ​​da una conformazione all'altra viene studiata utilizzando la diffrazione dei raggi X, la spettroscopia Mössbauer e la risonanza magnetica nucleare (NMR). Le proteine ​​sono quindi strutture mobili e molto dinamiche, e il canale che passa attraverso la proteina non è solo un tubo rigido pieno d'acqua (Fig. 1.5, A), ma un labirinto di gruppi molecolari e cariche in rapido movimento. Questa caratteristica dinamica del canale si riflette in profilo energetico del canale, mostrato in Fig. 1.5, B. Qui, l'asse delle ascisse rappresenta la lunghezza del canale dalla soluzione esterna con concentrazione di ioni C 0 e potenziale 0 alla soluzione interna con concentrazione C 1 e potenziale E. L'asse delle ordinate

Riso. 1.5.A. Schema di una proteina che forma un canale del potassio incorporato nel doppio strato lipidico della membrana plasmatica. Quattro cariche negative sono fissate sul “muro” del canale. B. Profilo energetico schematico del canale mostrato in Fig. A. Sull'asse delle ordinate sono riportati i valori dell'energia cinetica necessaria per il passaggio del canale; lungo l’asse delle ascisse – la distanza tra le superfici interna ed esterna della membrana. I minimi energetici corrispondono ai siti di legame degli ioni caricati positivamente con cariche negative fisse nella parete del canale. I massimi di energia corrispondono agli ostacoli alla diffusione nel canale. Si presuppone che la conformazione della proteina canale oscilli spontaneamente; le opzioni del profilo energetico sono mostrate con linee continue e tratteggiate; queste oscillazioni facilitano notevolmente il legame degli ioni quando si supera la barriera energetica (modificato)

vengono presentati i livelli di energia ionica nei siti di legame dei canali; il picco nel grafico rappresenta la barriera di permeabilità che l'energia ionica deve superare per penetrare nel canale, mentre il “calo” nel grafico rappresenta uno stato relativamente stabile (legame). Nonostante l'ostacolo del picco energetico, lo ione può penetrare nel canale se il profilo energetico cambia spontaneamente; lo ione potrebbe quindi trovarsi improvvisamente “dall'altra parte” del picco energetico e continuare a spostarsi all'interno della cellula. A seconda della carica, dimensione e grado di idratazione dello ione e della sua capacità di legarsi alle strutture della parete del canale, il profilo energetico del canale varia per ioni diversi, il che può spiegare la selettività dei singoli tipi di canale.

Equilibrio di diffusione degli ioni . La diffusione di vari ioni attraverso i canali di membrana dovrebbe portare all'eliminazione delle differenze di concentrazione tra gli ambienti extra ed intracellulari. Come, tuttavia, si può vedere dalla tabella. 1.1, tali differenze permangono, pertanto devono essercene alcune equilibrio tra la diffusione e altri processi di trasporto attraverso la membrana. Le due sezioni successive trattano delle modalità con cui si raggiunge questo equilibrio. Nel caso degli ioni, l’equilibrio della diffusione è influenzato dalla loro carica. La diffusione delle molecole scariche è assicurata dalla differenza di concentrazione DC , e quando le concentrazioni si equivalgono, il trasporto stesso si ferma. Le particelle cariche sono inoltre influenzate dal campo elettrico. Ad esempio, quando uno ione potassio lascia una cellula lungo il suo gradiente di concentrazione, trasporta una singola carica positiva. Pertanto, l’ambiente intracellulare diventa più carico negativamente, determinando una differenza di potenziale attraverso la membrana. La carica negativa intracellulare impedisce ai nuovi ioni potassio di lasciare la cellula, e quegli ioni che lasciano la cellula aumenteranno ulteriormente la carica sulla membrana. Il flusso degli ioni potassio si arresta quando l'azione del campo elettrico compensa la pressione di diffusione dovuta alla differenza di concentrazione. Gli ioni continuano a passare attraverso la membrana, ma in quantità uguali in entrambe le direzioni. Pertanto, per una data differenza nelle concentrazioni di ioni sulla membrana, esiste potenziale di equilibrio E ione punto in cui si arresta il flusso degli ioni attraverso la membrana. Il potenziale di equilibrio può essere facilmente determinato utilizzando Equazioni di Nernst:

Eione= RT/ zF* lnC fuori/ C dentro(4)

dove R – costante dei gas, T – temperatura assoluta, z – valenza ionica (negativa per gli anioni) C fuori – concentrazione di ioni extracellulari, C dentro – concentrazione di ioni intracellulari, F Numero di Faraday. Se sostituiamo le costanti nell'equazione, allora a temperatura corporea (T = 310 K) il potenziale di equilibrio per gli ioni potassio E K è uguale a:

Ecc= –61 MRegistro B /(5)

Se [ K + fuori ]/[ K + dentro ] = 39, come segue dalla tabella. 1.1 quindi

Ek= –61 mB log 39= –97 mV.

In effetti, si è scoperto che tutte le cellule lo hanno potenziale di membrana; nelle cellule muscolari dei mammiferi il suo livello è di circa -90 mV. A seconda delle condizioni e delle relative concentrazioni di ioni, le cellule possono avere un potenziale di membrana compreso tra -40 e -120 mV. Per la cella nell'esempio sopra (Tabella 1.1) potenziale di riposo, pari a circa -90 mV, indica che i flussi di ioni potassio attraverso i canali di membrana sono approssimativamente in equilibrio. Ciò non sorprende, poiché in una membrana a riposo è molto probabile lo stato aperto dei canali del potassio, ad es. la membrana è più permeabile agli ioni potassio. Il potenziale di membrana, tuttavia, è determinato dai flussi di altri ioni.

La facilità con cui le particelle scariche possono diffondersi attraverso la membrana è quantificata nell'equazione (3). Permeabilità alle particelle cariche è descritto da un'equazione leggermente più complessa:

P= M RT/ dF(6)

Dove M– mobilità ionica nella membrana, D – spessore della membrana, una R, T e F – costanti termodinamiche note. I valori di permeabilità dei vari ioni così determinati possono essere utilizzati per calcolare il potenziale di membrana Em , quando gli ioni potassio, sodio e cloro attraversano simultaneamente la membrana (con permeabilità P K, P Na e P Cl rispettivamente). Si presuppone che il potenziale scenda uniformemente nella membrana, in modo che l'intensità del campo sia costante. In questo caso si applica Equazione di Goldman o equazione di campo costante :

Em= R T/ F * ln(P K + P Na + P Cl )/ (P K + P Na + P Cl )(7)

Per la maggior parte delle membrane cellulari P K circa 30 volte superiore a P N / a (vedi anche sezione 1.3). Valore relativo PCl varia notevolmente; per molte membrane PCl piccolo rispetto a R K , tuttavia per altri (ad esempio, nei muscoli scheletrici) PCl , significativamente superiore a P K.

Trasporto attivo, pompa del sodio . La sezione precedente descrive la diffusione passiva degli ioni e il potenziale di membrana risultante a determinate concentrazioni di ioni intra ed extracellulari. Tuttavia, come risultato di questo processo, la concentrazione di ioni all'interno della cellula non viene stabilizzata automaticamente, a partire dalla membrana

il potenziale è leggermente più elettronegativo di EK, e molto rispetto a E N / a (circa +60 mV). A causa della diffusione, le concentrazioni di ioni intracellulari, almeno potassio e sodio, devono essere equalizzate con quelle extracellulari. La stabilità del gradiente ionico si ottiene attraverso il trasporto attivo: le proteine ​​di membrana trasportano gli ioni attraverso la membrana contro gradienti elettrici e/o di concentrazione, consumando per questo energia metabolica. Il processo più importante del trasporto attivo è il lavoro Na/K – una pompa che esiste in quasi tutte le cellule;

la pompa pompa gli ioni sodio fuori dalla cellula mentre contemporaneamente pompa gli ioni potassio nella cellula. Ciò garantisce una bassa concentrazione intracellulare di ioni sodio e un'alta concentrazione di ioni potassio (Tabella 1.1). Il gradiente di concentrazione degli ioni sodio sulla membrana ha funzioni specifiche legate alla trasmissione di informazioni sotto forma di impulsi elettrici (vedere Sezione 2.2), nonché al mantenimento di altri meccanismi di trasporto attivo e alla regolazione del volume cellulare (vedere sotto). Pertanto, non sorprende che più di 1/3 dell'energia consumata da una cella venga spesa per la pompa Na/K, e in alcune delle celle più attive fino al 70% dell'energia viene spesa per il suo funzionamento.

La proteina di trasporto Na/K è un'ATPasi. Sulla superficie interna della membrana scompone l'ATP in ADP e fosfato (Fig. 1.6). L'energia di una molecola di ATP viene utilizzata per trasportare tre ioni sodio dalla cellula e contemporaneamente due ioni potassio nella cellula, cioè in totale viene rimossa dalla cellula una carica positiva in un ciclo. Pertanto, la pompa Na/K è elettrogenico(crea una corrente elettrica attraverso la membrana), che porta ad un aumento dell'elettronegatività del potenziale di membrana di circa 10 mV. La proteina di trasporto esegue questa operazione ad alta velocità: da 150 a 600 ioni sodio al secondo. La sequenza aminoacidica della proteina di trasporto è nota, ma il meccanismo di questo complesso trasporto metabolico non è ancora chiaro. Questo processo è descritto utilizzando i profili energetici del trasferimento di ioni sodio o potassio da parte delle proteine ​​(Fig. 1.5,5). Dalla natura dei cambiamenti in questi profili, associati a cambiamenti costanti nella conformazione della proteina di trasporto (un processo che richiede energia), si può giudicare la stechiometria dello scambio: due ioni potassio vengono scambiati con tre ioni sodio.

Pompa Na/K, uguale a quella isolata Na+ ATPasi di membrana /K+-dipendente, specificamente inibita dal glicoside cardiaco ouabaina (strofantina). Poiché il funzionamento della pompa Na/K è una reazione chimica a più stadi, essa, come tutte le reazioni chimiche, dipende in gran parte dalla temperatura, che

Riso. 1.6.Schema di una pompa-ATPasi Na/K (immersa nel doppio strato lipidico della membrana plasmatica), che in un ciclo rimuove tre ioni Na+ dalla cellula contro gradienti di potenziale e di concentrazione e porta due ioni K nella cellula + . Durante questo processo, una molecola di ATP viene scomposta in ADP e fosfato. Il diagramma mostra l'ATPasi come un dimero costituito da una subunità grande (funzionale) e una piccola; nella membrana esiste come tetramero formato da due subunità grandi e due piccole

mostrato in Fig. 1.7. Qui viene mostrato il flusso di ioni sodio dalle cellule muscolari in relazione al tempo; questo è praticamente equivalente al flusso di ioni sodio mediato dal funzionamento della pompa Na/K, perché il flusso passivo di ioni sodio contro gradienti di concentrazione e potenziale è estremamente ridotto. Se il farmaco viene raffreddato a circa 18°C, il flusso di ioni sodio dalla cellula diminuirà rapidamente di 15 volte e subito dopo il riscaldamento verrà ripristinato al livello originale. Questa diminuzione del flusso di ioni sodio dalla cella è molte volte maggiore di quella che corrisponderebbe alla dipendenza dalla temperatura del processo di diffusione o ad una semplice reazione chimica. Un effetto simile si osserva quando l'energia metabolica viene esaurita a causa dell'avvelenamento da dinitrofenolo (DNP) (Fig. 1.7,5). Di conseguenza, il flusso di ioni sodio dalla cellula è assicurato da una reazione dipendente dall'energia: una pompa attiva. Altra caratteristica della pompa, oltre alla notevole dipendenza dalla temperatura e dall'energia, è la presenza di un livello di saturazione (come tutte le altre reazioni chimiche); ciò significa che la velocità della pompa non può aumentare indefinitamente all'aumentare della concentrazione degli ioni trasportati (Fig. 1.8). Al contrario, il flusso di una sostanza che diffonde passivamente aumenta in proporzione alla differenza di concentrazione secondo la legge di diffusione (equazioni 1 e 2).

Riso. 1.7. A, B. Trasporto attivo del Na + . Asse Y: flusso di 24 Na+ radioattivo dalla cellula (imp./min). Asse delle ascisse: tempo trascorso dall'inizio dell'esperimento. UN. La cella viene raffreddata da 18,3 °C a 0,5 °C; fluire Na+ dalla cellula durante questo periodo è inibito. B. Soppressione del flusso di Na+ dalla cellula con dinitrofenolo (DNP) ad una concentrazione di 0,2 mmol/l (modificato)

Oltre alla pompa Na/K, la membrana plasmatica contiene almeno un'altra pompa: calcio; questa pompa pompa gli ioni calcio (Ca 2+) fuori dalla cellula ed è coinvolta nel mantenere la loro concentrazione intracellulare a un livello estremamente basso (Tabella 1.1). La pompa del calcio è presente con una densità molto elevata nel reticolo sarcoplasmatico delle cellule muscolari, che accumulano ioni calcio a seguito della scomposizione delle molecole di ATP (vedi Capitolo 4).

Effetto della pompa Na/K sul potenziale di membrana e sul volume cellulare . Nella fig. La Figura 1.9 mostra i vari componenti della corrente di membrana e mostra le concentrazioni intracellulari degli ioni che

Riso. 1.8.Il rapporto tra la velocità di trasporto delle molecole e la loro concentrazione (all'ingresso del canale o nel sito di legame della pompa) durante la diffusione attraverso il canale o durante il trasporto di pompaggio. Quest’ultimo si satura ad alte concentrazioni (velocità massima, Vmax ) valore sull'asse x corrispondente alla metà della velocità massima della pompa ( Vmax /2), è la concentrazione di equilibrio A M

Riso. 1.9.Diagramma che mostra le concentrazioni di Na+ , K+ e CL – all'interno e all'esterno della cellula e le vie per la penetrazione di questi ioni attraverso la membrana cellulare (attraverso canali ionici specifici o utilizzando una pompa Na/K. A dati gradienti di concentrazione, i potenziali di equilibrio E Na, E K ed E С l – uguali a quelli indicati, potenziale di membrana Em = – 90 mV

garantire la loro esistenza. Si osserva una corrente verso l'esterno di ioni potassio attraverso i canali del potassio, poiché il potenziale di membrana è leggermente più elettropositivo del potenziale di equilibrio degli ioni potassio. La conduttanza complessiva dei canali del sodio è molto inferiore a quella dei canali del potassio, cioè i canali del sodio sono aperti molto meno frequentemente dei canali del potassio a potenziale di riposo; tuttavia, all'incirca lo stesso numero di ioni sodio entra nella cellula mentre gli ioni potassio escono dalla cellula, poiché sono necessari grandi concentrazioni e gradienti potenziali affinché gli ioni sodio si diffondano nella cellula. La pompa Na/K compensa in modo ideale le correnti di diffusione passiva, poiché trasporta gli ioni sodio fuori dalla cella e gli ioni potassio al suo interno. Pertanto, la pompa è elettrogenica a causa della differenza nel numero di cariche trasferite dentro e fuori la cellula, che alla normale velocità di funzionamento crea un potenziale di membrana di circa 10 mV è più elettronegativo che se fosse prodotto solo dai flussi ionici passivi (vedi Equazione 7). Di conseguenza, il potenziale di membrana si avvicina al potenziale di equilibrio del potassio, il che riduce la fuoriuscita di ioni potassio. Nessuna attività La pompa /K è regolata dalla concentrazione intracellulare di ioni sodio. La velocità della pompa rallenta al diminuire della concentrazione di ioni sodio da eliminare dalla cellula (Fig. 1.8), in modo che il funzionamento della pompa e il flusso di ioni sodio nella cellula si equilibrino, mantenendo la concentrazione intracellulare di sodio ioni a un livello di circa 10 mmol/L.

Per mantenere l’equilibrio tra il pompaggio e le correnti passive di membrana, sono necessarie molte più molecole di pompa Na/K rispetto alle proteine ​​canale per gli ioni potassio e sodio. Quando il canale è aperto, decine di migliaia di ioni lo attraversano in pochi millisecondi (vedi sopra) e poiché il canale di solito si apre più volte al secondo, in totale durante questo periodo lo attraversano più di 10 5 ioni. Una singola proteina di pompa muove diverse centinaia di ioni sodio al secondo, quindi la membrana plasmatica deve contenere circa 1000 volte più molecole di pompa rispetto a molecole canale. Le misurazioni delle correnti dei canali a riposo hanno mostrato la presenza di una media di un canale aperto per il potassio e uno per il sodio per membrana da 1 μm 2; Ne consegue che nello stesso spazio dovrebbero essere presenti circa 1000 molecole della pompa Na/K, cioè la distanza tra loro è in media di 34 nm; Il diametro della proteina pompa, come proteina canale, è 8-10 nm. Pertanto, la membrana è abbastanza densamente satura di molecole di pompaggio

Dal momento che il flusso di ioni sodio dentro la cellula e di ioni potassio fuori dalla cellula è compensato dal funzionamento della pompa, c'è un'altra conseguenza, che consiste nel mantenere una pressione osmotica stabile e volume costante. All'interno della cellula c'è un'alta concentrazione di grandi anioni, principalmente proteine ​​(A - in Tabella 1.1), che non sono in grado di penetrare nella membrana (o penetrare attraverso di essa molto lentamente) e quindi sono una componente fissa all'interno della cellula. Per bilanciare la carica di questi anioni è necessario un uguale numero di cationi. A causa dell'azione della pompa Na/K, questi cationi sono principalmente ioni potassio. Un aumento significativo della concentrazione di ioni intracellulari potrebbe verificarsi solo con un aumento della concentrazione di anioni dovuto al flusso di C1 - lungo il gradiente di concentrazione nella cellula (Tabella 1.1), ma il potenziale di membrana lo contrasta. Corrente in entrata CL – osservato solo fino al raggiungimento del potenziale di equilibrio per gli ioni cloro; ciò si osserva quando il gradiente degli ioni cloro è quasi opposto al gradiente degli ioni potassio, poiché gli ioni cloro sono caricati negativamente (Equazione 4). Si stabilisce così una bassa concentrazione intracellulare di ioni cloro, corrispondente ad una bassa concentrazione extracellulare di ioni potassio. Il risultato è una limitazione del numero totale di ioni nella cella. Se il potenziale di membrana diminuisce quando la pompa Na/K è bloccata, ad esempio durante l'anossia, allora il potenziale di equilibrio degli ioni cloro diminuisce e la concentrazione intracellulare degli ioni cloruro aumenta di conseguenza. Ripristinando l'equilibrio delle cariche, entrano nella cellula anche gli ioni potassio; aumenta la concentrazione totale di ioni nella cellula, che aumenta la pressione osmotica; questo forza l'acqua nella cellula. La cellula si gonfia. Si osserva questo gonfiore in vivo in condizioni di mancanza di energia.

Gradiente di concentrazione N / a + come forza trainante per il trasporto di membrana . L'importanza della pompa Na/K per la cellula non si limita alla stabilizzazione dei normali gradienti K+ e Na+ sulla membrana. Energia immagazzinata nel gradiente di membrana Na+ , viene spesso utilizzato per facilitare il trasporto attraverso la membrana di altre sostanze. Ad esempio, nella Fig. 1.10 mostra "simport" Na+ e molecole di zucchero nella cellula. La proteina di trasporto di membrana trasporta la molecola di zucchero nella cellula anche contro un gradiente di concentrazione, mentre allo stesso tempo Na+ si muove lungo il gradiente di concentrazione e di potenziale, fornendo energia per trasporto degli zuccheri. Questo trasporto di zuccheri dipende interamente dall'esistenza di un gradiente elevato Na+ ; se la concentrazione intracellulare Na+ aumenta notevolmente, il trasporto degli zuccheri si ferma. Per vari C akharov, esistono diversi sistemi di importazione. Trasporto degli aminoacidi in una cellula simile al trasporto C akharov mostrato in Fig. 1,10; è fornito anche dal gradiente Na+ , Esistono almeno cinque diversi sistemi di simportazione, ciascuno specializzato per un gruppo di amminoacidi correlati.

Oltre ai sistemi di importazione, ci sono anche "anti-facchini". Uno di questi, ad esempio, trasferisce uno ione calcio fuori dalla cellula in un ciclo in cambio di tre ioni sodio in entrata (Fig. 1.10). Energia per Trasporto di Ca2+ si forma a causa dell'ingresso di tre ioni sodio lungo un gradiente di concentrazione e potenziale. Questa energia è sufficiente (al potenziale di riposo) per mantenere un elevato gradiente di ioni calcio (da meno di 10–7 mol/L all'interno della cellula a circa 2 mmol/L all'esterno della cellula).

Endo- ed esocitosi . Per alcune sostanze che entrano nella cellula o devono essere escrete

Riso. 1.10.Le proteine ​​incorporate nel doppio strato lipidico della membrana mediano il trasporto di glucosio e Na+ nella cellula, così come Ca2+/Na+ –antiporto, in cui la forza trainante è il gradiente Na+ sulla membrana cellulare

da esso non esistono canali di trasporto; Queste sostanze includono, ad esempio, proteine ​​e colesterolo. Possono passare attraverso la membrana plasmatica vescicole, O bolle, attraverso endo- ed esocitosi. Nella fig. La Figura 1.11 mostra i principali meccanismi di questi processi. Nell'esocitosi, alcuni organelli (vedi sotto) formano vescicole piene di una sostanza che deve essere rimossa dalla cellula, come ormoni o enzimi extracellulari. Quando tali vescicole raggiungono la membrana plasmatica, la loro membrana lipidica si fonde con essa, permettendo così al contenuto di fuoriuscire nell'ambiente esterno. Nel processo opposto, l'endocitosi, la membrana plasmatica si invagina formando un solco, che poi si approfondisce e si chiude formando una vescicola intracellulare piena di liquido extracellulare e di alcune macromolecole. Per garantire questa fusione della membrana e la chiusura della vescicola, gli elementi contrattili del citoscheletro agiscono insieme alle membrane stesse (vedi sotto). L'endocitosi non implica sempre semplicemente la cattura dell'ambiente extracellulare nella cellula. La membrana cellulare contiene spesso recettori specifici per macromolecole, come l'insulina o gli antigeni, spesso organizzati in gruppi specializzati. Dopo che queste macromolecole si legano ai loro recettori, si verifica l'endocitosi nell'area della membrana che circonda il recettore e la macromolecola viene trasportata selettivamente nella cellula (Fig. 1.12, B).

L'endo- e l'esocitosi si verificano continuamente nelle cellule. La quantità di ricambio del materiale della membrana è significativa; entro 1 ora il macrofago assorbe il doppio della superficie della sua membrana citoplasmatica sotto forma di vescicole. Nella maggior parte delle cellule, il ricambio del materiale della membrana non avviene in modo così intenso, ma dovrebbe comunque essere significativo.

Riso. 1.11.Esocitosi ed endocitosi. Su: la vescicola intracellulare si fonde con il doppio strato lipidico della membrana plasmatica e si apre nello spazio extracellulare. Questo processo è chiamato esocitosi. In basso: la membrana plasmatica si invagina in una piccola area e rilascia una vescicola piena di materiale extracellulare. Questo processo è chiamato endocitosi

1.3. Trasporto di sostanze all'interno della cellula

L'endo- e l'esocitosi non sono solo processi di trasporto di sostanze attraverso la membrana cellulare, ma anche processi di scambio delle membrane, i componenti strutturali della cellula stessa. Oggetto di considerazione in questa sezione sono altri processi di trasporto simili nella cellula e nei suoi organelli.

Riso. 1.12. A–B. Schema dei processi comprendenti eso- ed endocitosi. UN. La proteina sintetizzata nel reticolo endoplasmatico granulare viene trasportata attraverso l'apparato di Golgi alla membrana plasmatica, dove viene secreta mediante esocitosi. B. Il colesterolo legato alle particelle LDL (lipoproteine ​​a bassa densità) si attacca alla membrana plasmatica, induce la formazione di una vescicola endocitica in questa regione della membrana e viene trasportato ai lisosomi, dove viene rilasciato. IN. Materiale extracellulare catturato durante l'endocitosi (nella figura sulla destra), trasportato attraverso la cellula in vescicole, o vescicole, e rilasciato tramite esocitosi (nella figura Sinistra)

Diffusione . Naturalmente nel citosol la differenza di concentrazione viene eliminata per diffusione; lo stesso vale per i fluidi contenuti negli organelli. A causa dell'elevata concentrazione di proteine ​​disciolte, la diffusione qui è molto più lenta che in acqua. Le membrane lipidiche, attorno alle cellule e all'interno degli organelli, sono fluidi bidimensionali in cui avviene la diffusione. I lipidi presenti in un doppio strato di membrana si diffondono all'interno del proprio strato, raramente si spostano dall'uno all'altro. Anche le proteine ​​in essi immerse sono piuttosto mobili; ruotano attorno ad un asse perpendicolare alla membrana o diffondono lateralmente con costanti di diffusione molto diverse, 2-10.000 volte più lente dei fosfolipidi. Quindi, se alcune proteine ​​si muovono liberamente nello strato lipidico e alla stessa velocità delle molecole lipidiche stesse, altre sono ancorate, cioè abbastanza saldamente collegato al citoscheletro. Nella membrana sono presenti aggregati “permanenti” di proteine ​​specifiche, ad esempio strutture pre e postsinaptiche delle cellule nervose. Le proteine ​​che si muovono liberamente possono essere dimostrate legandole a coloranti fluorescenti, la cui luminescenza viene indotta illuminando brevemente una piccola area della membrana. Tali esperimenti mostrano che in meno di 1 minuto le proteine ​​legate al colorante vengono distribuite uniformemente sulla membrana su distanze fino a 10 μm.

Trasporto attivo nelle membrane degli organelli .

I processi di trasporto attivo, che svolgono un ruolo vitale nel funzionamento della membrana plasmatica, avvengono anche all'interno della cellula, nelle membrane degli organelli. Il contenuto specifico dei vari organelli viene creato in parte grazie alla sintesi interna e in parte grazie al trasporto attivo dal citosol. Un esempio di quest'ultimo è la già citata pompa Ca 2+ nel reticolo sarcoplasmatico delle cellule muscolari. È particolarmente interessante il fatto che nel caso della sintesi di ATP nei mitocondri vale il principio opposto a quello che avviene nelle pompe ATPasi della membrana plasmatica (Fig. 1.6). Durante la sintesi di ATP, il metabolismo ossidativo porta alla formazione di un ripido gradiente H+ sulle membrane interne. Questo gradiente è la forza trainante per il processo inverso del ciclo di pompaggio del trasporto attivo di molecole: gli ioni H + si muovono attraverso la membrana lungo il gradiente e l'energia rilasciata di conseguenza fornisce la sintesi di ATP da ADP e fosfato. L'ATP risultante, a sua volta, fornisce energia alla cellula, anche per il trasporto attivo.

Trasporto in vescicole . La cellula ha un gran numero di organelli e vescicole associate (Fig. 1.1). Questi organelli, e soprattutto le vescicole, sono in costante movimento, trasportando il loro contenuto ad altri organelli o alla membrana plasmatica. Le vescicole possono anche migrare dalla membrana cellulare agli organelli, come nell'endocitosi.

Processi secrezione proteica mostrato in Fig. 1.12, UN. La proteina viene sintetizzata in prossimità del nucleo cellulare su ribosomi associati al reticolo endoplasmatico (il cosiddetto reticolo endoplasmatico granulare, o ruvido); Una volta nel reticolo endoplasmatico, la proteina viene impacchettata in vescicole di trasporto, che si separano dall'organello e migrano nell'apparato di Golgi. Qui si fondono con le cisterne dell'apparato di Golgi, dove la proteina viene modificata (cioè convertita in glicoproteina). Alle estremità delle cisterne le vescicole si separano nuovamente. Le vescicole secretorie che trasportano la proteina modificata si spostano sulla membrana plasmatica e rilasciano il loro contenuto per esocitosi.

Un altro esempio di via di trasporto in una cellula è mostrato in Fig. 1.12, B; Questo è l'assorbimento del colesterolo da parte della cellula. Il colesterolo trasportato nel sangue è principalmente legato alle proteine, come le particelle "lipoproteine ​​a bassa densità"(LDL). Tali particelle si attaccano a specifiche aree della membrana contenenti i recettori delle LDL, dove avviene l'endocitosi e le LDL vengono trasportate nella cellula in vescicole “bordate”. Queste vescicole si fondono per formare endosomi e perdono il loro "bordo" durante questo processo. Gli endosomi, a loro volta, si fondono con i lisosomi primari, contenenti prevalentemente enzimi idrolitici, e formano lisosomi secondari più grandi. In essi, il colesterolo viene rilasciato dalle particelle LDL e si diffonde nel citosol, dove diventa disponibile, ad esempio, per la sintesi delle membrane lipidiche. Anche le vescicole che non contengono LDL vengono separate dagli endosomi, che si spostano in modo speciale verso la membrana plasmatica e si fondono con essa, restituendo materiale di membrana e, probabilmente, recettori per le LDL. Dal momento in cui la particella LDL si lega alla membrana fino al rilascio del colesterolo dal lisosoma secondario trascorrono 10-15 minuti. I disturbi nel legame e nell’assorbimento delle LDL, cioè nell’apporto di colesterolo alla cellula, svolgono un ruolo decisivo nello sviluppo di una malattia grave e diffusa: l’aterosclerosi (“indurimento” delle arterie).

Esistono molti altri percorsi di trasporto simili a quelli mostrati in Fig. 1.11 e 1.12, A, con l'aiuto delle quali vescicole specifiche si muovono nella cellula. Non si sa esattamente come si muovano, ma è probabile che in questo processo siano coinvolti elementi del citoscheletro. Le vescicole possono scorrere lungo i microtubuli, nel qual caso l'energia per il movimento è apparentemente fornita dalla proteina associata alle vescicole, l'ATPasi (vedi sotto). Non è del tutto chiaro quante diverse vescicole, muovendosi una dopo l'altra in tutte le direzioni, raggiungano la loro destinazione. Ovviamente necessitano di essere “marcati” in modo tale da essere riconosciuti dal sistema dei trasporti e convertiti in spostamenti mirati.

Trasporto per formazione e distruzione di organelli . Finora abbiamo considerato l'endo- e l'esocitosi come processi di trasporto del contenuto delle vescicole. C'è un altro aspetto di questi processi, che risiede nel fatto che la rimozione mirata della membrana plasmatica su una parte della superficie cellulare per endocitosi e, al contrario, la sua aggiunta su un'altra per esocitosi sposta ampie aree della membrana (Fig. .1.12.E), dando alla cellula la possibilità, ad esempio , di formare un'espansione o di spostarsi.

Riarrangiamenti simili sono tipici anche per il citoscheletro, soprattutto per i microfilamenti e i microtubuli (Fig. 1.1). Microfilamenti sono costituiti principalmente da proteina F-actina, che è in grado di assemblarsi in fasci fibrosi a seguito della polimerizzazione del monomero dal citosol. I fasci sono polarizzati, cioè spesso crescono solo ad un'estremità, accumulando nuove molecole di actina, mentre l'altra estremità è inerte o qui avviene lo smontaggio. A causa di questa crescita polarizzata, i microfilamenti si muovono in modo efficiente e la struttura della loro rete può cambiare. La transizione dell'actina dallo stato depolimerizzato (sol) allo stato organizzato (gel) può avvenire molto rapidamente sotto l'influenza di altre proteine ​​o cambiamenti nella concentrazione di ioni (vedi sotto). Esistono anche proteine ​​che provocano la rottura dei filamenti di actina per formare brevi frammenti. Le sottili proiezioni di molte cellule - filopodi - contengono un fascio centrale di actina (Fig. 1.1), ed i vari movimenti dei filopodi sono probabilmente dovuti a transizioni di actina: polimerizzazione - depolimerizzazione.

Microtubulianche spesso subiscono movimenti simili. Il meccanismo di questi movimenti è simile: polimerizzazione della tubulina dal citosol in modo tale che una delle estremità del microtubulo cresca, mentre l'altra non cambi, oppure lì si verifica lo smontaggio. Pertanto, un microtubulo, mediante opportuna aggiunta o rimozione di materiale, può muoversi attraverso il citosol.

Movimenti attivi del citoscheletro . I cambiamenti nelle strutture citoscheletriche possono verificarsi come risultato sia dei movimenti attivi che dei riarrangiamenti sopra descritti. In molti casi, il movimento dei microtubuli e dei filamenti di actina è guidato da proteine ​​contrattili che legano i filamenti o i tubuli e possono spostarli l’uno rispetto all’altro. Scoiattoli miosina e dineina presente nel citosol di tutte le cellule in concentrazioni relativamente elevate; sono gli elementi che convertono l'energia in movimento in cellule specializzate (muscoli) e organelli (cilia). Nelle cellule muscolari, la miosina forma filamenti spessi orientati parallelamente ai filamenti di actina. La molecola di miosina con la sua “testa” si attacca al filamento di actina e, sfruttando l’energia dell’ATP, sposta la miosina lungo la molecola di actina. La miosina poi si stacca dall'actina. La combinazione di molti di questi cicli di connessione-disconnessione porta a fenomeni macroscopici contrazione delle fibre muscolari(capitolo 4). La dineina svolge un ruolo simile nel movimento dei microtubuli durante le ciglia (Fig. 1.1). Nel citoplasma delle cellule non specializzate, miosina e dineina non formano fibre regolari, ma nella maggior parte dei casi piccoli gruppi di molecole. Anche in aggregati così piccoli sono in grado di muovere filamenti di actina o microtubuli. Riso. La Figura 1.13 illustra questo processo quando anche le molecole di miosina polarizzate in modo opposto sono attaccate a due filamenti di actina, polarizzati in direzioni diverse. Le teste della miosina si piegano verso la coda della molecola, consumando ATP, e i due filamenti di actina si muovono nella direzione opposta, dopodiché la miosina si stacca da essi. Movimenti di questo tipo, durante i quali l'energia ATP viene convertita in lavoro meccanico, possono modificare la forma del citoscheletro e, di conseguenza, della cellula, e fornire anche il trasporto degli organelli associati al citoscheletro.

Trasporto degli assoni

I processi di trasporto intracellulare possono essere dimostrati più chiaramente sull'assone di una cellula nervosa. Trasporto degli assoni viene discusso qui in dettaglio per illustrare eventi che potrebbero verificarsi in modi simili nella maggior parte delle cellule. Un assone che ha solo pochi micron di diametro può raggiungere una lunghezza di un metro o più, e il movimento delle proteine ​​per diffusione dal nucleo all'estremità distale dell'assone richiederebbe anni. È noto da tempo che quando una qualsiasi parte dell'assone subisce una costrizione, la parte dell'assone situata più prossimalmente si espande. Sembra che il flusso centrifugo sia bloccato nell'assone. Come il trasporto assonale flusso-veloce può essere dimostrato dal movimento di marcatori radioattivi, come nell'esperimento mostrato in Fig. 1.14. La leucina radiomarcata è stata iniettata nel ganglio della radice dorsale, quindi la radioattività è stata misurata nel nervo sciatico a una distanza di 166 mm dai corpi cellulari neuronali dalla 2a alla 10a ora. Nel corso di 10 ore, il picco di radioattività nel sito di iniezione è leggermente cambiato. Ma l'onda di radioattività si diffonde lungo l'assone ad una velocità costante di circa 34 mm in 2 ore, ovvero 410 mm/giorno. È stato dimostrato che in tutti i neuroni degli animali omeotermi il trasporto assonale veloce avviene alla stessa velocità e non si osservano differenze evidenti tra le fibre sottili e non mielinizzate e gli assoni più spessi, nonché tra le fibre motorie e sensoriali. Anche il tipo di marcatore radioattivo non influenza la velocità del trasporto assonale veloce; i marcatori possono servire come una varietà di radioattivi

Riso. 1.13.Il complesso miosina non muscolare, con un certo orientamento, può legarsi a filamenti di actina di diversa polarità e, utilizzando l'energia dell'ATP, spostarli l'uno rispetto all'altro

molecole, come vari amminoacidi, che sono incluse nelle proteine ​​del corpo cellulare del neurone. Se analizziamo la parte periferica del nervo per determinare la natura dei trasportatori di radioattività trasportati qui, tali trasportatori si trovano principalmente nella frazione proteica, ma anche nella composizione dei mediatori e degli amminoacidi liberi. Sapendo che le proprietà di queste sostanze sono diverse e le dimensioni delle loro molecole sono particolarmente diverse, possiamo spiegare la velocità costante di trasporto solo con un meccanismo di trasporto comune a tutte.

Descritto sopra trasporto veloce degli assoniÈ anterogrado, cioè, diretto lontano dal corpo cellulare. È stato dimostrato che alcune sostanze si spostano dalla periferia al corpo cellulare utilizzando trasporto retrogrado. Ad esempio, l'acetilcolinesterasi viene trasportata in questa direzione ad una velocità 2 volte inferiore alla velocità del trasporto assonale veloce. Anche un marcatore spesso utilizzato in neuroanatomia, la perossidasi di rafano, si muove mediante trasporto retrogrado. Il trasporto retrogrado svolge probabilmente un ruolo importante nella regolazione della sintesi proteica nel corpo cellulare. Pochi giorni dopo il taglio dell'assone, nel corpo cellulare si osserva la cromatolisi, che indica un'interruzione della sintesi proteica. Il tempo richiesto per la cromatolisi è correlato alla durata del trasporto retrogrado dal sito di transezione dell'assone al corpo cellulare. Questo risultato suggerisce anche una spiegazione per questo disturbo: la trasmissione dalla periferia della “sostanza segnale” che regola la sintesi proteica è interrotta. È ovvio che i principali "veicoli" utilizzati per la rapida assonale

Riso. 1.14.Esperimento che dimostra il rapido trasporto assonale nelle fibre sensoriali del nervo sciatico del gatto. La leucina marcata con trizio viene iniettata nel ganglio della radice dorsale e la radioattività nel ganglio e nelle fibre sensoriali viene misurata a 2, 4, 6, 8 e 10 ore dopo l'iniezione. (in basso nella foto). Di asse x Viene tracciata la distanza dal ganglio alle aree del nervo sciatico dove viene effettuata la misurazione. Sull'asse delle ordinate, solo per le curve superiore ed inferiore, la radioattività (impulsi/min) è riportata su scala logaritmica. "Onda" di aumento della radioattività (frecce) si muove ad una velocità di 410 mm/giorno (lungo)

i trasporti sono vescicole (vescicole) e organelli, come i mitocondri, che contengono sostanze che devono essere trasportate. Il movimento delle vescicole più grandi o dei mitocondri può essere osservato utilizzando un microscopio in vivo . Tali particelle fanno movimenti brevi e rapidi in una direzione, si fermano, spesso si muovono leggermente all'indietro o di lato, si fermano di nuovo e poi sussultano nella direzione principale. 410 mm/giorno corrispondono ad una velocità media di movimento anterogrado di circa 5 μm/s; la velocità di ogni singolo movimento deve quindi essere molto più elevata e, se consideriamo le dimensioni di organelli, filamenti e microtubuli, allora questi movimenti sono davvero molto veloci. Il trasporto assonale veloce richiede una concentrazione significativa di ATP. Anche i veleni come la colchicina, che distrugge i microtubuli, bloccano il trasporto assonale veloce. Ne consegue che nel processo di trasporto che stiamo considerando, vescicole e organelli si muovono lungo microtubuli e filamenti di actina; questo movimento è fornito da piccoli aggregati di molecole di dineina e miosina, che agiscono come mostrato in Fig. 1.13, utilizzando l'energia ATP.

Può essere coinvolto anche il trasporto veloce degli assoni processi patologici. Alcuni virus neurotropi (ad esempio i virus dell’herpes o della poliomielite) entrano nell’assone alla periferia e si spostano tramite trasporto retrogrado al corpo del neurone, dove si moltiplicano ed esercitano i loro effetti tossici. La tossina del tetano, una proteina prodotta dai batteri che entrano nel corpo quando la pelle è danneggiata, viene catturata dalle terminazioni nervose e trasportata nel corpo dei neuroni, dove provoca caratteristici spasmi muscolari. Sono noti casi di effetti tossici sul trasporto degli assoni stesso, ad esempio l'esposizione al solvente industriale acrilammide. Inoltre, si ritiene che la patogenesi della carenza vitaminica beriberi e della polineuropatia alcolica implichi una violazione del trasporto assonale veloce.

Oltre al trasporto assonale veloce nella cellula, c'è anche un trasporto piuttosto intenso trasporto assone lento. La tubulina si muove lungo l'assone ad una velocità di circa 1 mm/giorno, mentre l'actina si muove più velocemente, fino a 5 mm/giorno. Altre proteine ​​migrano con questi componenti citoscheletrici; per esempio, gli enzimi sembrano essere associati all'actina o alla tubulina. Le velocità di movimento della tubulina e dell'actina sono più o meno coerenti con le velocità di crescita trovate per il meccanismo descritto in precedenza, dove le molecole sono incorporate nell'estremità attiva di un microtubulo o microfilamento. Pertanto, questo meccanismo potrebbe essere alla base del trasporto assonale lento. La velocità del trasporto assonale lento corrisponde approssimativamente anche alla velocità di crescita dell'assone, il che apparentemente indica le restrizioni imposte dalla struttura del citoscheletro al secondo processo.

Concludendo questa sezione, va sottolineato che le cellule non sono affatto strutture statiche, come appaiono, ad esempio, nelle fotografie al microscopio elettronico. Membrana plasmatica e specialmente gli organelli sono in costante rapido movimento e costante ristrutturazione; ecco perché sono in grado di funzionare. Inoltre, queste non sono semplici camere in cui avvengono le reazioni chimiche, ma conglomerati altamente organizzati di membrane e fibre, in cui le reazioni avvengono in una sequenza organizzata in modo ottimale.

1.4. Regolazione delle funzioni cellulari

Il mantenimento della singola cellula come unità funzionale è regolato principalmente dal nucleo; lo studio di tali meccanismi regolatori è oggetto di biologia cellulare e biochimica. Allo stesso tempo, le cellule devono modificare le loro funzioni in base alle condizioni ambientali e ai bisogni di altre cellule del corpo, cioè servono come oggetti di regolazione funzionale. Di seguito considereremo brevemente come queste influenze regolatorie agiscono sulla membrana plasmatica e come raggiungono gli organelli intracellulari.

Effetti regolatori sulla membrana cellulare

Potenziale di membrana . In molti casi, la regolazione delle funzioni cellulari viene effettuata modificando il potenziale di membrana. Cambiamenti locali di potenziale sono possibili quando: 1) la corrente proveniente da un'area adiacente della cellula o generata da un'altra cellula fluisce attraverso la membrana; 2) la concentrazione extracellulare degli ioni cambia (spesso [K + ] fuori ); 3) i canali ionici della membrana sono aperti. I cambiamenti nel potenziale di membrana possono influenzare la conformazione delle proteine ​​di membrana, provocando, in particolare, l'apertura o la chiusura dei canali. Come descritto sopra, il funzionamento di alcune pompe a membrana dipende dal potenziale di membrana. Le cellule nervose sono specializzate per percepire i cambiamenti nel potenziale di membrana come informazioni che devono essere elaborate e trasmesse (vedi Capitolo 2).

Sostanze regolatrici extracellulari . Il meccanismo di regolazione più importante che coinvolge le sostanze extracellulari è la loro interazione con recettori specifici sulla membrana plasmatica o all'interno della cellula. Queste sostanze includono trasmettitori sinaptici, che trasmettono informazioni tra cellule nervose, agenti locali e sostanze che circolano nel sangue e raggiungono tutte le cellule del corpo, come ormoni e antigeni. Trasmettitori sinaptici sono piccole molecole rilasciate dalle terminazioni nervose a livello della sinapsi;

quando raggiungono la membrana plasmatica di una cellula postsinaptica vicina, attivano segnali elettrici o altri meccanismi di regolazione. La questione è discussa in dettaglio nel Cap. 3.

Agenti chimici locali spesso secreto da cellule specializzate. Si diffondono liberamente nello spazio extracellulare, ma la loro azione è limitata a un piccolo gruppo di cellule a causa della rapida distruzione di queste sostanze, sia spontaneamente che sotto l'azione degli enzimi. Un esempio del rilascio di tali agenti è il rilascio istamina mastociti a causa di danni o risposta immunitaria. L'istamina provoca il rilassamento delle cellule muscolari lisce vascolari, aumenta la permeabilità dell'endotelio vascolare e stimola le terminazioni nervose sensoriali che mediano la sensazione di prurito. Altri agenti chimici locali vengono rilasciati da molte altre cellule. Gli agenti locali tipici lo sono prostaglandine, costituendo un gruppo di circa 20 derivati ​​degli acidi grassi. Vengono rilasciati continuamente da cellule ampiamente distribuite, ma agiscono solo localmente, poiché vengono rapidamente distrutti dalle fosfolipasi di membrana. Diverse prostaglandine hanno un ampio spettro d'azione: possono innescare la contrazione delle cellule muscolari lisce, provocare l'aggregazione delle piastrine del sangue (piastrine) o sopprimere lo sviluppo del corpo luteo nelle ovaie.

Servono altri agenti locali Fattori di crescita. Il più noto è il fattore di crescita nervoso (NGF) per i neuroni simpatici, necessario per la crescita e la sopravvivenza di questi neuroni durante lo sviluppo in vivo o in coltura cellulare. Apparentemente, le cellule bersaglio di questa classe di neuroni secernono NGF e quindi garantiscono un'adeguata innervazione. Quando formano gli organi, le cellule spesso devono “trovare la strada” per raggiungere le cellule bersaglio, che possono trovarsi a distanze considerevoli. Di conseguenza, devono esserci molti fattori di crescita specializzati simili all’NGF.

Ormoni e antigeni trasportato dal sangue a tutte le cellule. Gli antigeni innescano una risposta immunitaria da parte di cellule che portano anticorpi specifici. Tuttavia, gli antigeni sono solitamente sostanze estranee che non vengono prodotte nell'organismo reattivo (per maggiori dettagli vedere il capitolo 18). Alcuni ormoni, come l’insulina o la tiroxina, colpiscono un’ampia varietà di tipi di cellule, mentre altri, come gli ormoni sessuali, colpiscono solo un tipo specifico di cellula. Gli ormoni sono peptidi, la cui azione è innescata dal legame con un recettore sulla membrana cellulare, oppure steroidi e tiroxina, che diffondono attraverso la membrana lipidica e si legano ai recettori intracellulari. Gli ormoni steroidei si legano alla cromatina nucleare, determinando la trascrizione di alcuni geni. Le proteine ​​risultanti causano cambiamenti nelle funzioni cellulari, che è l'effetto specifico degli ormoni. Le questioni relative al rilascio e all'azione degli ormoni sono discusse in dettaglio nel capitolo. 17.

Comunicazione intracellulare che coinvolge secondi messaggeri

Le funzioni regolatrici sopra descritte includono effetti sulla membrana cellulare. Le informazioni ricevute dalla membrana cellulare spesso provocano la reazione degli organelli e vengono trasmesse loro da diverse sostanze chiamate secondi messaggeri (a differenza dei primi messaggeri che arrivano alla cellula da fonti esterne). Lo studio dei secondi mediatori si sta evolvendo rapidamente e non vi è alcuna garanzia che l’attuale livello di comprensione del problema sia sufficientemente completo. Qui toccheremo tre mediatori ben studiati: Ca 2+ , cAMP e inositolo trifosfato.

Calcio.Il mediatore intracellulare più semplice è lo ione Ca 2+. La sua concentrazione libera in una cellula a riposo è molto bassa e ammonta a 10_–8–10–7 mol/l. Può entrare nella cellula attraverso specifici canali di membrana quando questi sono in uno stato aperto, ad esempio quando cambia il potenziale di membrana (vedi capitolo 2). Il conseguente aumento della concentrazione di Ca 2+ innesca importanti reazioni nella cellula, come la contrazione delle miofibrille, che è alla base della contrazione muscolare (vedi capitolo 4), o il rilascio di vescicole contenenti neurotrasmettitori dalle terminazioni nervose (vedi capitolo 3). . Entrambe le reazioni richiedono una concentrazione di Ca 2+ di circa 10 –5 mol/l. Il Ca 2+, che ha un effetto regolatore, può anche essere rilasciato dai depositi intracellulari, come il reticolo endoplasmatico. Il rilascio di Ca 2+ dal deposito richiede la partecipazione di altri intermediari (vedi, ad esempio, Fig. 1.16).

Adenosina monofosfato ciclico, cAMP. Recentemente è stato dimostrato che l'adenosina monofosfato ciclico (cAMP), un derivato dell'ATP, la principale fonte di energia dell'organismo, è un importante secondo messaggero. La complessa catena di reazioni mostrata in Fig. 1.15, inizia con il recettore Rs sulla superficie esterna della membrana plasmatica, che può fungere da sito di legame specifico per vari mediatori e ormoni. Dopo essersi legato ad una specifica molecola "stimolante". Rs cambia la sua conformazione; questi cambiamenti influenzano la proteina Gs sulla superficie interna della membrana in modo tale che diventi possibile l'attivazione di quest'ultima da parte del guanosina trifosfato intracellulare (GTP). Proteina attivata Gs , a sua volta, stimola l'enzima presente sulla superficie interna della membrana, l'adenilato ciclasi (AC), che catalizza la formazione di cAMP a partire dall'ATP. Il cAMP idrosolubile è il mediatore che trasmette l'effetto

Riso. 1.15.Una catena di reazioni che coinvolgono il messaggero intracellulare cAMP (adenosina monofosfato ciclico). Segnali esterni eccitatori o inibitori attivano i recettori di membrana R s o Ri . Questi recettori regolano il processo di legame G – proteine ​​con GTP intracellulare (guanosina trifosfato), stimolando o inibendo così l’adenilato ciclasi intracellulare (AC). L'enzima amplificante AC converte l'adenosina trifosfato (ATP) in cAMP, che viene poi scomposto in AMP dalla fosfodiesterasi. Il cAMP libero si diffonde nella cellula e attiva l'adenilato chinasi (A-chinasi), rilasciando la sua subunità catalitica C, che catalizza la fosforilazione delle proteine ​​intracellulari, ad es. costituisce l'effetto finale di uno stimolo extracellulare. Il diagramma mostra anche i farmaci farmacologici e le tossine che innescano (+) o inibiscono (-) determinate reazioni (modificate)

stimolazione dei recettori extracellulari Rs alle strutture interne della cellula.

In parallelo con la catena stimolatoria di reazioni che coinvolgono Rs è possibile il legame dei mediatori inibitori e degli ormoni al recettore corrispondente R i che ancora attraverso la proteina attivata dal GTP G , inibisce l'AC e quindi la produzione di cAMP. Diffondendosi nella cellula, il cAMP reagisce con l'adenilato chinasi (A-chinasi); questo rilascia la subunità C, che catalizza la fosforilazione della proteina P. Questa fosforilazione converte le proteine ​​in una forma attiva e ora possono esercitare i loro specifici effetti regolatori (ad esempio, causare la degradazione del glicogeno). Questo complesso sistema di regolazione è estremamente efficiente perché il risultato finale è la fosforilazione di molte proteine, cioè il segnale di regolazione passa attraverso il circuito con un guadagno elevato. Mediatori esterni che si legano ai recettori Rs e R i specifici per ciascuno di essi, estremamente diversi. Adrenalina, connessione con R s o R i partecipa alla regolazione del metabolismo dei lipidi e del glicogeno, nonché all'aumento della contrazione del muscolo cardiaco e ad altre reazioni (vedi Capitolo 19). Ormone stimolante la tiroide, attivando Rs , stimola il rilascio dell'ormone tiroxina da parte della ghiandola tiroidea e la prostaglandina I inibisce l'aggregazione delle piastrine. Effetti inibitori, inclusa l'adrenalina, mediati R i sono espressi nel rallentamento della lipolisi. Così, il sistema cAMP è un sistema di regolazione intracellulare multifunzionale, che può essere controllato con precisione da sostanze di segnalazione stimolatorie e inibitorie extracellulari.

Inositolo fosfato "IF" H " Il sistema intracellulare del secondo messaggero, l'inositolo fosfato, è stato scoperto solo di recente (Fig. 1.16). In questo caso non esiste una via inibitoria, ma c'è una somiglianza con il sistema cAMP, in cui l'effetto della stimolazione del recettore R viene trasferito alla proteina G attivata da GTP sulla superficie interna della membrana. Nella fase successiva, il consueto fosfatidilinositolo (PI) lipidico di membrana, dopo aver precedentemente ricevuto due gruppi fosfato aggiuntivi, viene convertito in PI-difosfato (PIP 2), che viene scisso dalla fosfodiesterasi attivata (PDE) in inositolo trifosfato(IFz) e lipidi diacilglicerolo(DAG). L'inositolo trifosfato è un secondo messaggero idrosolubile che diffonde nel citosol. Agisce principalmente rilasciando Ca 2+ dal reticolo endoplasmatico. Ca 2+ a sua volta funge da mediatore, come descritto sopra; per esempio, attiva la fosfochinasi Ca 2+-dipendente, che fosforila gli enzimi. Anche la subunità lipidica del DAG (Fig. 1.16) trasporta il segnale, diffondendosi nella fase lipidica della membrana plasmatica alla C-chinasi situata sulla sua superficie interna, che viene attivata con la partecipazione della fosfatidilserina come cofattore. Quindi la C-chinasi innesca la fosforilazione delle proteine, convertendole in una forma attiva.

Il sistema intracellulare del secondo messaggero IF 3 può anche essere controllato da una varietà di mediatori e ormoni esterni, tra cui acetilcolina, serotonina, vasopressina e ormone stimolante la tiroide; come il sistema cAMP, è caratterizzato da una varietà di effetti intracellulari. È possibile che questo sistema venga attivato anche dalla luce nel recettore visivo dell'occhio e svolga un ruolo centrale nella fototrasduzione (vedi capitolo 11). Per la prima volta nello sviluppo individuale dell'organismo, il recettore del sistema IG viene attivato dagli spermatozoi, a seguito dei quali l'IG prende parte alle reazioni regolatrici che accompagnano la fecondazione dell'ovulo.

I sistemi cAMP e IFz-DAG sono altamente efficaci potenziatori biologici. Essi

Riso. 1.16.Una catena di reazioni che coinvolgono il mediatore intracellulare IPG (inositolo trifosfato). Come nel sistema cAMP, il segnale extracellulare è mediato attraverso una proteinaG, che in questo caso attiva la fosfodiesterasi (PDE). Questo enzima scompone la fosfatidilinosina difosfato (PIP 2 ) nella membrana plasmatica prima dell'IF H e diacilglicerolo (DAG); SE H diffonde nel citoplasma. Qui provoca il rilascio di Ca 2+ dal reticolo endoplasmatico; aumento della concentrazione di Ca 2+ nel citoplasma ([Ca 2+] i ) attiva la proteina chinasi, che fosforila e quindi attiva gli enzimi. Un altro prodotto, DAG, rimane nella membrana e attiva la proteina chinasi C (cofattore della fosfatidilserina, PS). La proteina chinasi C fosforila anche enzimi che mediano azioni specifiche associate alla stimolazione dei recettori estrinseci R . Rami della catena di reazioni che coinvolgono IF H e DAG possono essere attivati ​​indipendentemente rispettivamente dalla ionomicina e dall'estere del forbolo (modificato)

convertono la reazione tra un trasmettitore e un recettore della membrana esterna nella fosforilazione di una varietà di proteine ​​intracellulari, che possono quindi influenzare varie funzioni cellulari. Uno degli aspetti significativi del problema è che, per quanto è noto oggi, esistono solo questi due sistemi di regolazione di questo tipo strettamente correlati, utilizzati da numerosi mediatori esterni per regolare una varietà di processi intracellulari. Allo stesso tempo, questi sistemi regolatori, incluso Ca 2+, interagiscono strettamente tra loro, il che consente loro di effettuare una regolazione fine delle funzioni cellulari.

1.5. Letteratura

Tutorial e guide

1. Alberts IN., Bray D., Lewis J., Raff M., Roberts A., Watson J.D.Biologia molecolare della cellula, New York e Londra, Garland Publishing Inc., 1983.

2. Czihak G., Longer H., Ziegler H.(a cura di). Biologia. Berlino, Heidelberg, New York, Springer, 1983.

3. Hille IN. Canali ionici delle membrane eccitabili. Sunderland, Massachusetts, Sinauer Assoc., 1984.

4. Hoppe W., Lohmann W.. Marki H., Ziegler H.(a cura di). Biofisica. Berlino, Heidelberg, New York, Springer, 1984.

5. Jungermann A., Mahler H.Biochimica. Berlino, Heidelberg, New York, Springer, 1980.

6. Kandel E. R., Schwartz-J. H.,(a cura di). Principi di scienza neurale, New York, Amsterdam, Oxford, Elsevier, 1985.

7. Schiebler T. H., Schmidt W.Anatomico degli uomini. Berlino, Heidelberg, New York, Tokio, Springer, 1983.

Articoli e recensioni originali

8. Berridge M.J. Le basi molecolari della comunicazione all'interno della cellula, Sci. Amer, 253, 124-134 (1985).

9. Berridge M.J., Irvine R.F. Inositolo trifosfato, un nuovo secondo messaggero nella trasduzione del segnale cellulare. Natura, 312, 315 321 (1984).

10. Bretscher M.S. Le molecole della membrana cellulare, Sci. Amer., 253, 124–134 (1985).

11. Daut J. La cellula vivente come macchina per la trasduzione dell’energia. Un modello minimo del metabolismo miocardico, Biochem. e Biofisica. Atti, 895, 41–62 (1987).

12. Hodgkin AL, Katz IN. L'effetto degli ioni sodio sull'attività elettrica dell'assone gigante del calamaro. J. Physiol. (Londra), 108, 37–77 (1949).

13. Hodgkin A.L., Keynes R.D. Trasporto attivo di cationi negli assoni giganti da Seppia E Loligo, J. Physiol. (Londra), 128, 28–42 (1955).

14. Più lungo P. Canali ionici con sottostati conformazionali, Biophys. J., 47, 581–590 (1985).

15. Ochs S., Worth P.M. Trasporto esoplasmatico nei sistemi normali e patologici. In: Fisiologia e patologia degli assoni, S.G. Waxmann, Ed. New York, Raven Press, 1978.

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La presenza di plastidi è la caratteristica principale di una cellula vegetale.

Membrana plasmatica- un film sottile, costituito da molecole interagenti di lipidi e proteine, delimita il contenuto interno dall'ambiente esterno, garantisce il trasporto di acqua, minerali e sostanze organiche nella cellula mediante osmosi e trasporto attivo e rimuove anche i prodotti di scarto.

Citoplasma- l'ambiente semiliquido interno della cellula, in cui si trovano il nucleo e gli organelli, fornisce connessioni tra loro e partecipa ai processi vitali fondamentali.

Reticolo endoplasmatico- una rete di canali ramificati nel citoplasma. È coinvolto nella sintesi di proteine, lipidi e carboidrati e nel trasporto di sostanze. I ribosomi sono corpi situati nell'ER o nel citoplasma, costituiti da RNA e proteine, e sono coinvolti nella sintesi proteica. EPS e ribosomi costituiscono un unico apparato per la sintesi e il trasporto delle proteine.

Mitocondri- organelli delimitati dal citoplasma da due membrane. Le sostanze organiche vengono ossidate in esse e le molecole di ATP vengono sintetizzate con la partecipazione di enzimi. Aumento della superficie della membrana interna su cui si trovano gli enzimi a causa delle creste. L’ATP è una sostanza organica ricca di energia.

Plastidi(cloroplasti, leucoplasti, cromoplasti), il loro contenuto nella cellula è la caratteristica principale dell'organismo vegetale. I cloroplasti sono plastidi contenenti la clorofilla, pigmento verde, che assorbe l'energia luminosa e la utilizza per sintetizzare sostanze organiche dall'anidride carbonica e dall'acqua. I cloroplasti sono separati dal citoplasma da due membrane, numerose escrescenze - grana sulla membrana interna, in cui si trovano molecole ed enzimi di clorofilla.

Complesso di Golgi- un sistema di cavità delimitate dal citoplasma da una membrana. L'accumulo di proteine, grassi e carboidrati in essi. Effettuare la sintesi di grassi e carboidrati sulle membrane.

Lisosomi- corpi delimitati dal citoplasma da un'unica membrana. Gli enzimi che contengono accelerano la scomposizione di molecole complesse in molecole semplici: proteine ​​in aminoacidi, carboidrati complessi in semplici, lipidi in glicerolo e acidi grassi e distruggono anche parti morte della cellula e intere cellule.

Vacuoli- cavità nel citoplasma piene di linfa cellulare, luogo di accumulo di nutrienti di riserva e sostanze nocive; regolano il contenuto di acqua nella cellula.

Nucleo- la parte principale della cellula, ricoperta all'esterno da un involucro nucleare a due membrane con pori perforati. Le sostanze entrano nel nucleo e ne vengono rimosse attraverso i pori. I cromosomi sono portatori di informazioni ereditarie sulle caratteristiche di un organismo, le principali strutture del nucleo, ciascuna delle quali consiste in una molecola di DNA combinata con proteine. Il nucleo è il sito della sintesi del DNA, dell’mRNA e dell’rRNA.

Membrana esterna o plasmatica- delimita il contenuto della cellula dall'ambiente (altre cellule, sostanza intercellulare), è costituito da molecole lipidiche e proteiche, garantisce la comunicazione tra le cellule, il trasporto di sostanze all'interno della cellula (pinocitosi, fagocitosi) e fuori dalla cellula.

Citoplasma- l'ambiente semiliquido interno della cellula, che fornisce la comunicazione tra il nucleo e gli organelli in esso situati. I principali processi vitali hanno luogo nel citoplasma.

Organelli cellulari:

1) reticolo endoplasmatico (RE)- un sistema di tubuli ramificati, partecipa alla sintesi di proteine, lipidi e carboidrati, al trasporto di sostanze nella cellula;

2) ribosomi- i corpi contenenti rRNA si trovano nel RE e nel citoplasma e partecipano alla sintesi proteica. EPS e ribosomi costituiscono un unico apparato per la sintesi e il trasporto delle proteine;

3) mitocondri- “centrali elettriche” della cellula, delimitate dal citoplasma da due membrane. Quello interno forma delle creste (pieghe), aumentandone la superficie. Gli enzimi presenti sulle creste accelerano l'ossidazione delle sostanze organiche e la sintesi di molecole di ATP ricche di energia;

4) Complesso di Golgi- un gruppo di cavità delimitate da una membrana del citoplasma, riempita di proteine, grassi e carboidrati, che vengono utilizzati nei processi vitali o rimossi dalla cellula. Le membrane del complesso effettuano la sintesi di grassi e carboidrati;

5) lisosomi- i corpi pieni di enzimi accelerano la scomposizione delle proteine ​​in aminoacidi, dei lipidi in glicerolo e acidi grassi, dei polisaccaridi in monosaccaridi. Nei lisosomi, le parti morte della cellula, le cellule intere, vengono distrutte.

Inclusioni cellulari- accumuli di nutrienti di riserva: proteine, grassi e carboidrati.

Nucleo- la parte più importante della cellula. È ricoperto da un guscio a doppia membrana con pori, attraverso il quale alcune sostanze penetrano nel nucleo e altre entrano nel citoplasma. I cromosomi sono le principali strutture del nucleo, portatori di informazioni ereditarie sulle caratteristiche dell'organismo. Viene trasmesso durante la divisione della cellula madre alle cellule figlie e con le cellule germinali agli organismi figli. Il nucleo è il sito della sintesi del DNA, dell’mRNA e dell’rRNA.

Esercizio:

Spiegare perché gli organelli sono chiamati strutture cellulari specializzate?

Risposta: gli organelli sono chiamati strutture cellulari specializzate, poiché svolgono funzioni rigorosamente definite, le informazioni ereditarie sono immagazzinate nel nucleo, l'ATP è sintetizzato nei mitocondri, la fotosintesi avviene nei cloroplasti, ecc.

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La terza fase dell'evoluzione è l'apparizione della cellula.
Le molecole di proteine ​​e acidi nucleici (DNA e RNA) formano una cellula biologica, la più piccola unità degli esseri viventi. Le cellule biologiche sono i “mattoni” di tutti gli organismi viventi e contengono tutti i codici materiali dello sviluppo.
Per molto tempo, gli scienziati hanno considerato la struttura cellulare estremamente semplice. Il dizionario enciclopedico sovietico interpreta il concetto di cellula come segue: "Una cellula è un sistema vivente elementare, la base della struttura e dell'attività vitale di tutti gli animali e le piante". Va notato che il termine "elementare" non significa in alcun modo "il più semplice". Al contrario, una cellula è una creazione frattale unica di Dio, che colpisce per la sua complessità e allo stesso tempo eccezionale coerenza del lavoro di tutti i suoi elementi .
Quando siamo riusciti a guardare all'interno con l'aiuto di un microscopio elettronico, si è scoperto che la struttura della cellula più semplice è complessa e incomprensibile come l'Universo stesso. Oggi è già stato stabilito che “La cellula è una materia speciale dell’Universo, una materia speciale del Cosmo”. Una singola cella contiene informazioni che possono essere contenute solo in diverse decine di migliaia di volumi della Grande Enciclopedia Sovietica. Quelli. una cellula, tra le altre cose, è un enorme “bioserbatoio” di informazioni”.
L’autore della moderna teoria dell’evoluzione molecolare, Manfred Eigen, scrive: “Affinché una molecola proteica si formi per caso, la natura dovrebbe effettuare circa 10.130 test e spendere su di essa un numero di molecole che sarebbe sufficiente per 1027 Universi Se la proteina fosse costruita in modo intelligente, cioè "che la validità di ogni mossa potesse essere verificata da una sorta di meccanismo di selezione, allora ciò richiederebbe solo circa 2000 tentativi. Arriviamo a una conclusione paradossale: il programma per costruire un " cellula vivente primitiva" è codificata da qualche parte a livello delle particelle elementari."
E come potrebbe essere altrimenti? Ogni cellula, possedendo DNA, è dotata di coscienza, è cosciente di se stessa e delle altre cellule, ed è in contatto con l'Universo, essendone, di fatto, una parte. E sebbene il numero e la diversità delle cellule nel corpo umano siano sorprendenti (circa 70 trilioni), sono tutte auto-simili, proprio come sono auto-simili tutti i processi che avvengono nelle cellule. Come afferma lo scienziato tedesco Roland Glaser, la struttura delle cellule biologiche è “molto ben congegnata”. Ben pensato da chi?
La risposta è semplice: le proteine, gli acidi nucleici, le cellule viventi e tutti i sistemi biologici sono il prodotto dell'attività creativa di un Creatore intelligente.

Ciò che è interessante: a livello atomico non ci sono differenze tra la composizione chimica del mondo organico e inorganico. In altre parole, a livello atomico, una cellula viene creata dagli stessi elementi della natura inanimata. Le differenze si trovano a livello molecolare. Nei corpi viventi, oltre alle sostanze inorganiche e all'acqua, sono presenti anche proteine, carboidrati, grassi, acidi nucleici, l'enzima ATP sintasi e altri composti organici a basso peso molecolare.
Ad oggi, la cellula è stata letteralmente smontata in atomi a scopo di studio. Tuttavia, non è mai possibile creare nemmeno una cellula vivente, perché creare una cellula significa creare una particella dell'Universo vivente. L'accademico V.P. Kaznacheev ritiene che "una cellula è un organismo cosmoplanetario... Le cellule umane sono alcuni sistemi di biocollisori a torsione eterea. In questi biocollisori si verificano processi a noi sconosciuti, avviene la materializzazione di forme cosmiche di flussi, avviene la loro cosmotrasformazione e, a causa di questo, le particelle vengono materializzate”.
Acqua.
Quasi l'80% della massa cellulare è acqua. Secondo il dottore in scienze biologiche S. Zenin, l'acqua, grazie alla sua struttura a grappolo, è una matrice di informazioni per il controllo dei processi biochimici. Inoltre, è l'acqua il “bersaglio” primario con cui interagiscono le vibrazioni della frequenza del suono. L'ordine dell'acqua cellulare è così alto (vicino all'ordine di un cristallo) che viene chiamata cristallo liquido.
Scoiattoli.
Le proteine ​​svolgono un ruolo enorme nella vita biologica. Una cellula contiene diverse migliaia di proteine ​​specifiche di questo tipo di cellula (ad eccezione delle cellule staminali). La capacità di sintetizzare esattamente le proprie proteine ​​viene ereditata da cellula a cellula e persiste per tutta la vita. Durante la vita di una cellula, le proteine ​​cambiano gradualmente la loro struttura e la loro funzione viene interrotta. Queste proteine ​​esaurite vengono rimosse dalla cellula e sostituite con altre nuove, grazie alle quali viene mantenuta l'attività vitale della cellula.
Notiamo innanzitutto la funzione costruttiva delle proteine, perché sono il materiale da costruzione di cui sono composte le membrane delle cellule e degli organelli cellulari, le pareti dei vasi sanguigni, i tendini, la cartilagine, ecc.
La funzione di segnalazione delle proteine ​​è estremamente interessante. Si scopre che le proteine ​​possono fungere da sostanze di segnalazione, trasmettendo segnali tra tessuti, cellule o organismi. La funzione di segnalazione è eseguita dalle proteine ​​ormonali. Le cellule possono interagire tra loro a distanza utilizzando proteine ​​di segnalazione trasmesse attraverso la sostanza intercellulare.
Le proteine ​​hanno anche una funzione motoria. Tutti i tipi di movimento di cui sono capaci le cellule, come la contrazione muscolare, vengono eseguiti da speciali proteine ​​contrattili. Le proteine ​​svolgono anche una funzione di trasporto. Sono in grado di attaccare varie sostanze e trasferirle da un punto all'altro della cellula. Ad esempio, l'emoglobina, una proteina del sangue, attacca l'ossigeno e lo trasporta a tutti i tessuti e gli organi del corpo. Inoltre le proteine ​​hanno anche una funzione protettiva. Quando proteine ​​o cellule estranee vengono introdotte nel corpo, vengono prodotte proteine ​​speciali che legano e neutralizzano cellule e sostanze estranee. Infine, la funzione energetica delle proteine ​​è che con la completa scomposizione di 1 g di proteine, viene rilasciata energia nella quantità di 17,6 kJ.

Struttura cellulare.
La cellula è composta da tre parti indissolubilmente legate: la membrana, il citoplasma e il nucleo, e la struttura e la funzione del nucleo sono diverse nei diversi periodi della vita della cellula. Infatti la vita di una cellula comprende due periodi: la divisione, che porta alla formazione di due cellule figlie, e il periodo tra le divisioni, chiamato interfase.
La membrana cellulare interagisce direttamente con l'ambiente esterno e interagisce con le cellule vicine. È costituito da uno strato esterno e da una membrana plasmatica situata al di sotto di esso. Lo strato superficiale delle cellule animali è chiamato glicocalide. Mette in comunicazione le cellule con l'ambiente esterno e con tutte le sostanze che lo circondano. Il suo spessore è inferiore a 1 micron.

Struttura cellulare
La membrana cellulare è una parte molto importante della cellula. Tiene insieme tutti i componenti cellulari e delinea gli ambienti esterni ed interni.
C'è un costante scambio di sostanze tra le cellule e l'ambiente esterno. L'acqua, vari sali sotto forma di singoli ioni e molecole inorganiche e organiche entrano nella cellula dall'ambiente esterno. I prodotti metabolici, così come le sostanze sintetizzate nella cellula: proteine, carboidrati, ormoni prodotti nelle cellule di varie ghiandole, vengono rimossi nell'ambiente esterno attraverso la membrana della cellula. Il trasporto delle sostanze è una delle funzioni principali della membrana plasmatica.
Citoplasma- ambiente interno semiliquido in cui avvengono i principali processi metabolici. Studi recenti hanno dimostrato che il citoplasma non è una sorta di soluzione, i cui componenti interagiscono tra loro attraverso collisioni casuali. Può essere paragonato alla gelatina, che inizia a “tremare” in risposta alle influenze esterne. Questo è il modo in cui il citoplasma percepisce e trasmette le informazioni.
Il citoplasma contiene il nucleo e vari organelli, che sono uniti da esso in un unico insieme, il che garantisce la loro interazione e l'attività della cellula come un unico sistema integrato. Il nucleo si trova nella parte centrale del citoplasma. Tutta la zona interna del citoplasma è riempita dal reticolo endoplasmatico, che è un organello cellulare: un sistema di tubuli, vescicole e “cisterne” delimitate da membrane. Il reticolo endoplasmatico è coinvolto nei processi metabolici, garantendo il trasporto di sostanze dall'ambiente al citoplasma e tra le singole strutture intracellulari, ma la sua funzione principale è la partecipazione alla sintesi proteica, che avviene nei ribosomi. - corpi rotondi microscopici con un diametro di 15-20 nm. Le proteine ​​sintetizzate si accumulano dapprima nei canali e nelle cavità del reticolo endoplasmatico e vengono poi trasportate negli organelli e nei siti cellulari dove vengono consumate.
Oltre alle proteine, il citoplasma contiene anche i mitocondri, piccoli corpi di dimensioni comprese tra 0,2 e 7 micron, chiamati le “centrali elettriche” delle cellule. Le reazioni redox hanno luogo nei mitocondri, fornendo energia alle cellule. Il numero di mitocondri in una cellula varia da poche a diverse migliaia.
Nucleo- la parte vitale della cellula, controlla la sintesi delle proteine ​​e attraverso di esse tutti i processi fisiologici nella cellula. Nel nucleo di una cellula che non si divide si distinguono un involucro nucleare, una linfa nucleare, un nucleolo e dei cromosomi. Attraverso l'involucro nucleare avviene un continuo scambio di sostanze tra il nucleo e il citoplasma. Sotto l'involucro nucleare si trova la linfa nucleare (sostanza semiliquida), che contiene il nucleolo e i cromosomi. Il nucleolo è un corpo rotondo e denso, le cui dimensioni possono variare ampiamente, da 1 a 10 μm o più. È costituito principalmente da ribonucleoproteine; partecipa alla formazione dei ribosomi. Di solito in una cellula ci sono 1-3 nucleoli, a volte fino a diverse centinaia. Il nucleolo contiene RNA e proteine.
Con la comparsa della cellula sulla Terra è nata la Vita!

Continua...