Citologia ed Istologia - Appunti

Appunti di citologia e istologia

Data: 01/10

Cellula eucariote/procariote (chimica)

Le cellule eucariote e procariote hanno una composizione percentuale identica d'acqua (70%), che dimostra l'essenzialità di questo elemento. All'interno troviamo dei sali che sono circa 1% (ioni inorganici). Le componenti organiche delle cellule sono solo 4: le proteine, gli acidi nucleici (DNA, RNA), lipidi e glucidi (zuccheri). Le proteine sono superiori nelle eucariote, gli acidi nucleici sono minori. In ogni caso, in rapporto al volume totale tali concentrazioni rimangono costanti.

Elementi

Si ha un'alta concentrazione di H, C, O negli organismi rispetto alla loro concentrazione nella crosta terrestre. In una cellula eucariotica si hanno circa 40 elementi chimici: 4 sono detti elementi plastici primari che rappresentano il 97% del totale (C, O, N, H). Esistono molecole che contengono anche P e S ma sono quantità basse. Vi sono anche sali inorganici (componenti inorganiche), cationi (K⁺, Ca⁺⁺, Na⁺, Mg⁺⁺) e anioni (Cl^-, CO₃^--, PO₃^-, SO₄^--). In più si hanno tracce di oligoelementi che, nonostante siano in minima parte, sono necessari come il Fe (emoglobina) o lo I (tiroide). Il Se (selenio) contrasta l'invecchiamento della cellula.

Protoplasma

Il protoplasma è l'insieme dell'acqua e di tutti i componenti che formano il citoplasma. Importante è la presenza di acqua (75%-85%). Oltre a questa vi è una componente organica (1% glucidi, 2-3% lipidi, 10-20% protidi, proteine, 1-1,5% acidi nucleici). La parte più abbondante della componente inorganica è l'acqua, la parte più importante della componente organica sono le proteine.

Acqua

L'acqua è una molecola particolare. Gli atomi formano un angolo di 104,5°. Le forze di Van der Waals permettono, tramite la creazione di un dipolo (H δ⁺, O δ^-), l'interazione tra più molecole d'acqua. Questo permette una capacità coesiva dell'acqua responsabile dell'elevata temperatura di ebollizione, che sta alla base della vita del nostro organismo. All'interno dell'organismo si hanno due tipi di sostanze: sostanze idrofiliche (solubili in acqua) come l'NaCl. Le sostanze polari, come l'urea, si possono sciogliere in acqua poiché sono in grado di attirare molecole d'acqua con legami elettrostatici. Le molecole idrofobiche, invece, non sono in grado di legare con l'acqua (idrocarburi).

Acido e basi

Un acido è una sostanza in grado di liberare ioni idrogeno in soluzione acquosa. Gli acidi totalmente dissociati sono acidi forti, quelli scarsamente dissociati acidi deboli. Le basi sono sostanze in grado di acquistare ioni H⁺ o liberare ioni OH^-. Anche in questo caso si hanno basi forti e deboli. Queste due componenti determinano il pH: logaritmo negativo in base 10 della concentrazione degli ioni idrogeno. Il pH neutro è uguale a 10^-7 moli/litro H⁺. La soluzione può quindi essere acida o alcalina (basica). La cellula in genere è leggermente basica tranne per i lisosomi che necessitano di un ambiente acido.

Lipidi (grassi)

Gli acidi grassi sono lunghe catene di CH₂ e CH₃ ad una estremità e all'altra il gruppo carbossilico (che dà l'acidità). Le catene possono essere insature in caso di doppi legami (acido oleico) e sature in caso di legami singoli (acido palmitico). Vi sono anche i trigliceridi, nati dalla condensazione di 3 acidi grassi con una molecola di glicerolo. Gli acidi grassi sono presenti a livello delle membrane, come quella cellulare o degli organelli: gli acidi grassi insaturi sono flessibili (catene carboniose flessibili) a differenza di quelli saturi. Essa rappresenta un'importante qualità per le membrane.

Fosfolipidi

I fosfolipidi sono costituiti da due "code" di acidi grassi, una satura e una insatura. Queste due catene si legano al glicerolo, l'ultimo gruppo OH del glicerolo lega una molecola di acido fosforico. A sua volta questo lega una molecola polare (testa polare). La fosfatidilcolina è uno dei più importanti fosfolipidi. In questo caso la testa polare è rappresentata dalla colina. Essa è sempre idrofilica. In conclusione, il fosfolipide ha una testa polare idrofila e le due code idrofile. Vi è anche la lecitina e la sfingomielina. I fosfolipidi in una soluzione acquosa si dispongono in maniera ordinata per formare una lamina o delle palline (micelle) sempre con le teste idrofile orientate all'esterno e le code all'interno. Nella cellula si ha un doppio strato di spessore 4 nm.

Data: 02/10

Steroidi

Gli steroidi (ciclopentanoperidrofenantrene) hanno una struttura ad anelli multipli, formata da 3 anelli a 6 atomi di carbonio e da uno a 5. È presente in tutti gli steroidi. Ne sono esempi il colesterolo e il testosterone. Il colesterolo è presente nelle membrane cellulari.

Glucidi (zuccheri)

I glucidi possono essere monosaccaridi a singola molecola o polisaccaridi con più molecole unite tra loro. La forma e le caratteristiche possono variare: vengono divisi in aldosi (se presentano il gruppo aldeidico) o chetosi (se presentano il gruppo chetonico). A loro volta, questi zuccheri si dividono in triosi, pentosi o esosi a seconda della lunghezza della catena di carbonio. Il gruppo aldeidico è CHO e si trova a uno degli estremi della catena, il gruppo chetonico CO, si trova in una porzione intermedia. Essi sono formati unicamente da carbonio, idrogeno e ossigeno. Il glucosio può avere forma lineare, ma in soluzione acquosa forma un anello chiuso. Tra il gruppo aldeidico e il quinto carbonio si ha una condensazione che forma un anello esagonale. Anche il ribosio può formare un anello, ma in questo caso pentagonale, il legame avviene tra il carbonio 4 e il gruppo aldeidico.

Isomeri

Gli isomeri hanno la stessa formula grezza ma proprietà chimico/fisiche differenti a seconda della disposizione spaziale dei gruppi attaccati all'anello. Ne è un esempio il glucosio e il galattosio come il mannosio. Queste differenze sono fondamentali dal punto di vista biologico. A seconda della disposizione dei gruppi OH si hanno nomi differenti. All'unione di due monosaccaridi questi legami si congelano. In caso di unione esclusiva di α-glucosio si produce glicogeno, se invece si utilizza il β-glucosio si ottiene l'amido.

Derivati degli zuccheri

Alcuni zuccheri contengono anche altri gruppi o atomi come i gruppi amminici (gruppi azotati) o il gruppo carbossilico. Ne sono esempio la glucosammina e l'acido glucuronico e l'N-acetilglucosammina. In essi un gruppo ossidrile viene sostituito da un altro gruppo.

Protidi (proteine)

Le proteine sono catene di amminoacidi. La struttura fondamentale di un amminoacido presenta un carbonio centrale detto α al quale sono legati un gruppo amminico e un gruppo carbossilico. Ad α è legato anche R che può rappresentare 20 catene differenti. A pH=7 sia il gruppo amminico che quello carbossilico sono ionizzati. Una proteina si forma per la formazione di un legame peptidico tra due amminoacidi con l'eliminazione di una molecola d'acqua. Il legame è un legame molto forte e stabilizza la disposizione spaziale della molecola nel piano. In questo modo tutta la molecola tranne il carbonio α, giace sullo stesso piano. Tale carbonio è detto asimmetrico e può essere l'unico punto in cui la molecola può flettere. Questo è molto importante per la formazione delle proteine.

Isomeri ottici

L'atomo di carbonio α è asimmetrico, il che permette l'esistenza di due isomeri speculari (o stereoisomeri) D e L. Tutti gli amminoacidi possono formare isomeri ottici ma in natura le proteine sono formate solo da amminoacidi L. Gli amminoacidi si dividono principalmente in acidi, basici, polari e non polari e possono essere abbreviati con nomi a tre lettere o a lettera singola. La glicina in R ha un singolo idrogeno.

Ammionoacidi essenziali

Gli amminoacidi essenziali sono treonina, metionina, lisina, valina, leucina, isoleucina, istidina, fenilalanina, triptofano. Non vengono prodotti dal corpo ma dobbiamo acquistarli dall'esterno.

Struttura delle proteine

Soprattutto se ci troviamo di fronte a catene peptidiche molto lunghe, abbiamo interazioni tra i radicali che possono formare delle strutture precise e indispensabili per il funzionamento della proteina. Esse sono interazioni elettrostatiche, ponti idrogeno o forze di Van der Waals. Vi sono anche legami covalenti tra due S. Queste disposizioni danno le strutture secondarie e terziarie. I ponti disolfuro sono i legami più forti e determinano le curvature delle proteine.

Struttura primaria e secondaria

La struttura primaria è data dalla diversa sequenza di amminoacidi nella catena. La struttura secondaria è data dall'interazione tra i radicali, ne esistono di due tipi: ad α-elica con una formazione spiralizzata e a foglietto β con una struttura ripiegata (a fisarmonica). Molte linee a zig zag si legano parallelamente tra di loro. Un esempio del primo caso è il DNA (anche se non è una proteina), un esempio del secondo è invece la cheratina presente nella pelle. La struttura è legata alla funzione. Per esempio, l'emoglobina quando è alterata in presenza di anemia falciforme, ha una deformazione spaziale e ha difficoltà a legare l'ossigeno.

Struttura terziaria

La struttura terziaria è l'insieme della struttura a foglietto β e della struttura ad α-elica e delle strutture lineari. A volte la struttura tridimensionale permette a un ligando di legarsi a un recettore particolare.

Glicoproteine

Glicoproteine: proteine legate a zuccheri. Non esistono proteine legate a lipidi.

Acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono stati estratti dal nucleo della cellula e sono di due categorie: DNA e RNA. All'inizio non si sapeva la funzione, poi Watson e Crick scoprirono la struttura.

Data: 08/10

Scoperta del Dna e Rna

La struttura fu scoperta da Watson e Crick (1959) che ipotizzarono anche la presenza delle informazioni genetiche. I mattoni del DNA sono i nucleotidi costituiti a loro volta da uno zucchero (aldosio pentosio) il quale fa da ponte ad una molecola di acido fosforico e ad una base. Le basi sono 4: due puriniche, adenina e guanina (derivate dalla purina composta da un anello a 5 atomi di carbonio e da uno a 6). Le altre due sono pirimidiniche (derivate dalla pirimidina composta da un anello a 6 atomi di carbonio). Da qui derivano la timina e la citosina. Inoltre ci è l'uracile che è presente solo nell'RNA al posto della timina. Nell'RNA e nel DNA troviamo due zuccheri differenti: ribosio nell'RNA e deossiribosio nel DNA. La differenza sta nella presenza di un gruppo ossidrile nel carbonio 2 del ribosio.

Nucleoside

Il nucleotide privato del gruppo fosfato è detto nucleoside. Ogni nucleotide ha un nucleoside e si indicano con tre lettere AMP (adenina monofosfato), ATP (adenina trifosfato). Al di fuori dell'acido nucleico possiamo trovare nucleotidi con più gruppi fosfato.

Formazione della catena

Per formare una catena, i nucleotidi si legano tra di loro: l'acido fosforico si lega ad un gruppo ossidrile dello zucchero sovrastante con l'eliminazione di acqua. Il carbonio è il 3'. Lo scheletro di base è composto da zucchero e acido fosforico al quale si legano le basi. La disposizione delle basi determina l'informazione genetica. I due filamenti si legano tra loro con legami tra le basi tramite dei ponti idrogeno. Questa relazione è sempre uguale secondo la relazione A-T e C-G. Le distanze tra le basi sono fisse e oscillano tra 0,28 nm e 0,30 nm. L'angolo di legame è sempre fisso e oscilla tra i 50° e i 51°. La struttura è fissa poiché C-G si legano tra loro tramite 3 ponti idrogeno mentre A-T con 2. Questo deriva dalla disposizione spaziale delle molecole. Questo indica che per staccare i filamenti con prevalenza di C-G occorre più energia quindi si parla di DNA stabile quanto più è maggiore la percentuale di C-G. I filamenti di DNA sono sempre complementari e in più la distanza tra gli avvolgimenti è sempre costante. Ad ogni giro dell'elica vi sono circa 10 nucleotidi. (3,34 nm lunghezza del giro della spirale). La spirale forma zone in cui si trovano dei solchi (solco principale e secondario). Queste zone sono molto importanti poiché sono il sito di attacco degli enzimi responsabili della trascrizione (solco principale). Lo spessore del doppio filamento è di 2 nm. I due filamenti del DNA scorrono in direzioni opposte 3' e 5'. Questi numeri rappresentano il numero del carbonio dello zucchero che serve da legame agli acidi fosforici. La prima estremità si chiama 5' poiché l'acido fosforico dovrebbe legarsi al carbonio in posizione 5'. Nell'estremità opposta si trova libero il gruppo ossidrile che non dà legami con l'acido fosforico. Quindi i due filamenti sono orientati da 5' a 3' e l'altro da 3' a 5'. Per questo il DNA si dice antiparallelo.

Diffrattografia a raggi X

Un cristallo devia i raggi X e tramite l'impressione su una lastra fotografica si è arrivati a comprendere come fosse la sequenza del DNA.

Conformazione B

La conformazione B è la conformazione normale del DNA che ha dimensioni fisse. I giri del DNA sono sempre destrorsi (avvolgimento verso destra). Solo in laboratorio si è ottenuto un DNA modificato (sinistrorso).

Duplicazione

Grazie alla scoperta della doppia elica si è riusciti a comprendere le modalità di duplicazione. Nella cellula madre prima della mitosi, viene duplicato il DNA che così potrà passare alle cellule figlie. Da ogni filamento stampo viene creato un filamento complementare. Per questo la duplicazione viene detta semiconservativa: a un filamento originale materno si sovrappone uno di nuova sintesi. Per la duplicazione il DNA si apre e il nuovo filamento si assembla, sempre nella direzione 3' 5'. Per creare una nuova catena occorre attaccare nuove basi nucleotidiche (d ATP, dTTP, dGTP, dCTP). Esse vengono sintetizzate tramite degli enzimi detti polimerasi (poiché formano il polimero). Una delle due eliche si duplica senza problemi (filamento anticipato), poiché rivolta nella direzione corretta 3' 5'. L'altro filamento (filamento ritardato), viene duplicato a pezzetti (frammenti di Okazaki) che poi verranno riuniti tramite una ligasi. La zona di separazione si chiama forcella di replicazione. La duplicazione è molto veloce, nei batteri per esempio abbiamo 800 nucleotidi al secondo. La direzione di crescita della catena è da 5' a 3', al contrario di quella di duplicazione. Le nuove basi presentano 3 gruppi fosforici che perderanno prima di essere assemblati fornendo l'energia necessaria al processo.

RNA

RNA: ribonucleico. Il carbonio 2 nello zucchero ha un gruppo ossidrile. In genere forma un filamento singolo e si presenta in frammenti corti. La differenza a livello di basi sta nella timina sostituita dall'uracile.

mRNA

MRNA: necessario al fine di sintetizzare una proteina. Uno dei due filamenti del DNA viene trascritto tramite l'RNA polimerasi. Il filamento dell'RNA messaggero è diretto verso i ribosomi per attuare la sintesi proteica. Gli enzimi sono proteine e pertanto presentano una struttura spaziale ben precisa che permette di svolgere la loro funzione: l'RNA polimerasi deve trascrivere il DNA, trovare i nuovi mattoni per l'mRNA e despiralizzare il DNA. Tutto questo tramite una struttura ben precisa.

tRNA

TRNA: atto al trasporto di un amminoacido. Esso presenta triplette di nucleotidi che sono esattamente complementari alla tripletta dell'RNA messaggero. In ogni caso, il numero di triplette è più elevato del numero di amminoacidi e per questo più triplette codificano per uno stesso amminoacido. In più vi sono dei codoni di inizio e dei codoni di stop che non codificano alcun amminoacido ma regolano la traduzione. Per questo il codice genetico si dice degenerato: a più triplette corrisponde un unico amminoacido.

Data: 09/10

Membrana plasmatica

La membrana plasmatica è visibile unicamente al microscopio elettronico e presenta uno spessore variabile dai 5 ai 7 nm. Oggi si dice che essa è costituita secondo un modello a “mosaico fluido”: è composta da fosfolipidi che presentano le teste polari rivolte verso l'esterno (idrofile) e le code apolari verso l'interno (idrofile, una satura e una insatura). La componente proteica non è distribuita in maniera omogenea e si divide in proteine intrinseche e proteine estrinseche. Le prime attraversano la membrana con estremità a contatto degli ambienti esterno ed interno mentre, le seconde, galleggiano sullo strato fosfolipidico. Queste ultime possono spostarsi liberamente sulla membrana e da qui il termine di “mosaico fluido”.

Molecole lipidiche

Anche le particelle lipidiche create artificialmente si orientano in maniera simile ai fosfolipidi. Se noi preleviamo una membrana plasmatica e la mettiamo in soluzione acquosa, osserviamo che forma una struttura circolare detta liposoma. La struttura fosfolipidica stessa è dinamica in quanto un singolo fosfolipide può ruotare o flettere modificando la disposizione delle catene di acidi grassi e alterando le caratteristiche della membrana. Inoltre, due fosfolipidi possono intercambiarsi (“flip-flop”) a ulteriore prova della non rigidità della membrana.

Colesterolo

Il colesterolo ha una struttura di base rappresentata da 3 anelli a 6 atomi e uno a cinque. Esso è di derivazione lipidica e presenta una parte polare e una apolare. Per questa sua caratteristica può disporsi tra i fosfolipidi con la testa polare orientata verso l'esterno e la coda verso l'interno. Esso è fondamentale per la membrana plasmatica in quanto ne regola la permeabilità: maggior colesterolo rende la membrana meno permeabile e viceversa. La cellula, se ha necessità di ridurre le entrate, aumenta il livello di colesterolo nella membrana.

Proteine di membrana

Determinante è la forma delle proteine che determina la loro funzione. Una proteina intrinseca necessita di una struttura secondaria ad alpha-elica ed inoltre, deve possedere una determinata sequenza di amminoacidi che le consentono l'attraversamento (proteine trans-membranali). Nel caso di proteine estrinseche si possono avere ulteriori variazioni.