Riassunto esame Biologia, prof. Maione, libro consigliato Il mondo della cellula, Becker

Eubatteri e archebatteri

Procarioti (unicellulari) – DNA circolare senza membrana nucleare localizzato nel nucleoide; poche membrane interne: funzioni cellulari nel citoplasma o a livello della membrana plasmatica (tranne cianobatteri).

Eucarioti

• Unicellulari: protisti.
• Uni o pluricellulari: funghi.
• Pluricellulari: piante e animali.

DNA lineare nel nucleo; nucleolo; organelli.

Dimensioni cellulari microscopiche per adeguato rapporto superficie/volume. Serve superficie per scambi efficaci con l’esterno e ridotto volume per rapida diffusione.

Organismi usati come modelli

• E. coli (genoma piccolo e divisione ogni 20 min): meccanismi di replicazione ed espressione genica.
• Lievito Saccharomyces cerevisiae (eucariote, genoma relativamente piccolo in 16 cromosomi, divisione ogni 2 ore, presenza organelli eucarioti): divisione in eucarioti.
• Moscerino Drosophila melanogaster (4 coppie di cromosomi giganti, riproduzione in 2 settimane, elevata produttività): sviluppo dall’uovo all’adulto.
• Verme nematode Caenorhabditis elegans (facile allevamento, multicellulare semplice, si conosce numero esatto di cellule somatiche): meccanismi di regolazione morte programmata.
• Topo: sviluppo mammiferi e malattie genetiche umane.

Membrane cellulari

Funzioni

• Compartimentazione.
• Trasporto.
• Interazioni con l’ambiente.
• Organizzazione e localizzazione di attività enzimatiche.

Composizione

Nella maggior parte delle membrane: 50% lipidi e 50% proteine.

Nella membrana mitocondriale: 25% lipidi e 75% proteine.

Nella membrana mielinica: 90% lipidi e 10% proteine.

Distribuiti asimmetricamente nella membrana e presenti in proporzioni diverse in membrane cellulari diverse.

1. Lipidi

Fosfolipidi (soprattutto fosfogliceridi). Testa polare: gruppo R + fosfato + glicerolo. Code apolari: acidi grassi.

• Principali fosfolipidi: fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina, fosfatidilcolina, sfingomielina.

Glicolipidi. Grassi + gruppo carboidratico (D-glucosio, D-galattosio, N-acetil-D-galattosamina).

• Steroli: colesterolo nelle animali, fitosteroli nelle piante.

2. Proteine

Integrali o intrinseche: proteine che attraversano la membrana, sono immerse nel doppio strato o sono legate covalentemente a componenti della membrana. Per separarle vengono usati agenti chimici o detergenti.

Periferiche o estrinseche: proteine legate ad altre proteine mediante legami non covalenti. Per separarle bastano trattamenti blandi (esposizione a soluzioni ad alta forza ionica o pH estremi).

Funzioni delle proteine di membrana

• Trasporto di molecole idrofiliche.
• Riconoscimento ed adesione tra cellule.
• Trasduzione di segnali extracellulari.
• Ancoraggio della membrana alla matrice extracellulare e al citoscheletro.
• Attività enzimatiche.

Fluidità della membrana

Indica la libertà delle molecole, sia lipidi che proteine, di muoversi all’interno della membrana.

Perché è importante? Le membrane funzionano correttamente allo stato fluido, che permette: cambiamenti di forma, accrescimento, movimenti cellulari, fusione tra membrane, spostamento e cambiamento di conformazione delle proteine di membrana.

Fondendo, per fusione indotta da virus, due cellule con proteine di membrana diverse, ad esempio umana e murina, marcate con anticorpi fluorescenti, dopo 40 min le proteine di membrana sono completamente mescolate. Questo dimostra la diffusione delle proteine nella membrana.

Non tutte le proteine possono muoversi liberamente: alcune sono confinate in siti specifici, ad esempio proteine del lume intestinale “superficiali”. La libertà di movimento può essere limitata per assemblaggio delle proteine in grossi aggregati, per interazione con il citoscheletro, con la matrice extracellulare e con la superficie di un’altra cellula.

Tipi di movimento: diffusione trasversale, da uno strato all’altro, molto lenta; diffusione laterale e rotazione della molecola veloci.

Transizione di fase: passaggio della membrana da stato fluido, a maggiore temperatura, a cristallino, a minore temperatura, e viceversa superata una temperatura di transizione (Tm).

Cosa influenza la fluidità?

• Tipo di acidi grassi delle molecole: i grassi saturi si impacchettano bene nella membrana non avendo siti di insaturazione, quindi limitano la fluidità; i grassi insaturi sono più brevi a causa dei siti di insaturazione e si impacchettano di meno, permettendo maggiore fluidità.
• Quantità di colesterolo: a temperature alte, che generalmente permettono maggiore fluidità, il colesterolo, legato alle catene idrocarburiche, tende ad immobilizzarle; a temperature basse, invece, la sua presenza impedisce alle catene idrocarburiche di cristallizzare, permettendo maggiore fluidità.

Superficie cellulare

Eucarioti

Glicocalice (rivestimento di zuccheri).

Serve per protezione ed adesione tra cellule: viene riconosciuto lo specifico carboidrato da proteine di membrana.

Procarioti

Strutture fondamentali:

• Membrana.
• Parete: composta principalmente da peptidoglicano (amminozuccheri).

Funzioni di protezione, da sollecitazioni meccaniche e rigonfiamento osmotico, forma, processo di divisione.

I batteri Gram-positivi hanno, colorati di blu o viola dopo colorazione Gram, parete più spessa e membrana plasmatica singola; i Gram-negativi hanno parete cellulare e membrana esterna alla parete in aggiunta.

Strutture accessorie

• Flagelli: subunità proteiche ancorate alla membrana, implicati nella motilità.
• Pili: implicati nell’adesione tra cellule, riconosciuti da recettori, e nella coniugazione, scambio di materiale genetico.
• Capsula: strato polisaccaridico viscoso, che circonda alcuni batteri Gram+ e Gram-. Costituisce un fattore di patogenicità. Funzioni di adesione, resistenza all’essiccamento, riserva nutrizionale, deposito di sostanze di rifiuto.

Trasporto attraverso membrana

Fattori che controllano la permeabilità

• Polarità. La membrana è più permeabile alle molecole polari.
• Dimensioni. La membrana è più permeabile alle molecole di piccole dimensioni.
• Carica. La membrana è impermeabile agli ioni.

Trasporto passivo: diffusione semplice e diffusione facilitata, mediata attraverso proteine canale o proteine trasportatrici, carrier o permeasi.

Trasporto attivo: primario, diretto o mediato da proteine, e secondario, indiretto o mediato da proteine.

Gradiente elettrochimico = forza che deriva dalla combinazione di gradiente di concentrazione e potenziale di membrana.

1. Trasporto passivo

Il trasporto passivo avviene secondo gradiente, fino ad un raggiungimento dell’equilibrio tra le concentrazioni del soluto ai due lati della membrana.

Dissuasione semplice e facilitata seguono due cinetiche diverse:

• Nella diffusione semplice la velocità di movimento del soluto è direttamente proporzionale al gradiente di concentrazione.
• Nella diffusione facilitata la cinetica è di tipo “a saturazione”, con Vmax quando tutte le proteine carrier sono saturate.

Proteine canale

Proteine canale: canali ionici, porine, acquaporine, giunzioni gap.

Canali ionici

Proteine transmembrana che permettono il passaggio rapido di ioni specifici.

Conformazione: α-eliche disposte intorno ad un canale centrale, che rivolgono le catene laterali idrofobiche verso l’esterno, cioè l’interno della membrana, e le catene idrofile verso l’interno del canale.

Sono altamente selettivi. La selettività può essere dovuta a dimensioni, ad esempio il canale per il Na+ permette il passaggio della molecola legata ad una molecola di acqua, ma non a molecole più grandi, come il K+ legato a H₂O, e ad interazioni tra canale e molecola.

Ad esempio il canale per il K+ è rivestito internamente da ossigeno carbonilico, che permette la separazione di K+ dall’acqua in quanto questo è abbastanza grande da formare legami con gli ossigeni. Il Na+, invece, non è abbastanza grande da interagire con gli ossigeni da solo e rimane legato all’acqua in un complesso troppo grande.

I canali ionici possono essere aperti o chiusi. Nelle cellule animali l’apertura è regolata da: variazione del potenziale di membrana, canali a controllo di voltaggio; legame della proteina canale a sostanze specifiche, canali a controllo di ligando; forze meccaniche che agiscono sulla membrana, canali a controllo meccanico.

Porine

Proteine transmembrana che permettono il passaggio veloce di diversi soluti.

Conformazione a barile β.

Le porine permettono il passaggio di ioni e sostanze idrofile, ma non di sostanze idrofobiche.

Acquaporine

Canali transmembrana che permettono il passaggio veloce di acqua.

Struttura ad α-eliche che si dispongono a formare un canale.

Le acquaporine agiscono favorendo enormemente la permeabilità osmotica delle cellule, essendo permeabili all’acqua, ma non agli ioni. In questo modo regolano l’idratazione dei tessuti, il volume cellulare, produzione e riassorbimento di fluidi nell’organismo.

Giunzioni gap

Canali che permettono il passaggio diretto di piccole molecole da una cellula all’altra.

Formate da connessina.

Proteine trasportatrici

Proteine trasportatrici, anche dette carrier, proteine vettore o permeasi.

Sono proteine allosteriche che si alternano tra due stati conformazionali, uno accessibile dall’esterno della cellula e l’altro dall’interno.

Le proteine trasportatrici sono altamente specifiche, principalmente per zuccheri e aminoacidi. Possono esserlo per un piccolo gruppo di composti, per un singolo composto o addirittura per un singolo stereoisomero, esempio GLUT1, trasportatore del glucosio negli eritrociti. È stereospecifico per la conformazione D del glucosio.

Possono trasportare un singolo soluto, uniporto, o due soluti, che devono necessariamente essere trasportati contemporaneamente, trasporto accoppiato. In questo caso si parla di simporto se i soluti sono trasportati nella stessa direzione, di antiporto se sono trasportati in direzioni opposte.

2. Trasporto attivo

Il trasporto attivo avviene contro gradiente: può quindi permettere l’assorbimento di sostanze nutritive dall’ambiente anche quando le concentrazioni esterne sono più basse e lo smaltimento di sostanze di rifiuto anche se la concentrazione esterna è più elevata. Inoltre permette la creazione ed il mantenimento di gradienti ionici, quindi differenze di potenziale, fondamentali per la vita.

Anche per il trasporto attivo si parla di uniporto e cotrasporto, simporto, antiporto.

Il trasporto attivo richiede sempre energia, cioè è sempre endoergonico.

Si considerano, in base alla fonte di energia utilizzata, trasporto attivo diretto, primario, e trasporto attivo indiretto, secondario.

Trasporto attivo diretto

Accoppia il trasporto ad una reazione esoergonica, in genere l’idrolisi di ATP, per ottenere energia.

Le proteine sono dette ATPasi di trasporto o pompe ATPasi.

1. ATPasi di tipo P. P = fosforilazione. Contengono un residuo di acido aspartico, aminoacido acido, che viene fosforilato dall’ATP nella trasformazione in ADP. Le pompe P trasportano cationi: H+, K+, Na+, Ca²⁺.

Importante: la pompa sodio/potassio fa parte di questa categoria.

2. ATPasi di tipo V. V = vescicola. Pompano protoni, H+, all’interno organelli quali vescicole, vacuoli e lisosomi per mantenere basso il pH, che attiva gli enzimi idrolitici.

Sono composte da una parte integrale ed una parte periferica, che ha attività ATPasica.

3. ATPasi di tipo F. F = fattore. Trasportatrice di protoni, H+, composta da una parte integrale ed una periferica, che contiene il sito di legame all’ATP. Queste pompe possono utilizzare l’energia derivante dall’ATP per pompare protoni contro gradiente, oppure utilizzare il gradiente elettrochimico per produrre ATP. In questo caso sono chiamate ATP sintetasi.

4. ATPasi di tipo ABC. Composte da 4 domini: 2 altamente idrofobici immersi nella membrana e 2 periferici sul lato citoplasmatico della membrana, che legano l’ATP.

Trasportano una grande varietà di soluti: oltre a ioni, anche zuccheri, carboidrati, aminoacidi e proteine.

Esempi

Pompa sodio/potassio. ATPasi di tipo P, che pompa 2 K+ dentro e 3 Na+ fuori.

Formata da due subunità α e due β, che si trovano ai lati delle α e sono glicosilate con oligosaccaridi. Due conformazioni: E1 aperta verso l’interno, E2 verso l’esterno.

Processo: inizio in E1. Legame con 3 ioni sodio provoca la fosforilazione della subunità α da parte dell’ATP, che porta ad un cambiamento di conformazione da E1 a E2. E2 non ha affinità con il sodio, quindi lo libera verso l’esterno, mentre ha affinità con il potassio. 2 ioni potassio si legano alle subunità α in conformazione E2, provocando la defosforilazione ed il ritorno ad E1, che rilascia gli ioni K+ all’interno.

MDR (multidrug resistance: proteina di trasporto per la resistenza a più farmaci).

ATPasi di tipo ABC presenti in alte concentrazioni nelle cellule di alcuni tumori molto resistenti a farmaci. Infatti le MDR pompano verso l’esterno una vasta gamma di farmaci chemioterapici, riducendone la concentrazione citoplasmatica e quindi l’efficacia nell’arrestare la crescita tumorale.

CFTR (regolatore della conduttanza transmembrana nella fibrosi cistica).

ATPasi di tipo ABC delle cellule che tappezzano le vie aeree.

Funzionano come canali per il cloro secondo gradiente, quindi passivi. Hanno però bisogno di ATP per l’apertura, quindi sono considerate ATPasi. L’uscita del Cl- dalla cellula porta all’uscita di acqua dai tessuti, che va ad idratare il muco delle vie aeree.

Gli individui malati di fibrosi cistica mancano di queste proteine per un difetto genetico. Per questo motivo, l’acqua non va ad idratare lo strato mucoso, che essendo disidratato non viene rimosso per eliminare i batteri.

In un individuo sano, invece, lo strato mucoso viene idratato dall’uscita di acqua che accompagna gli anioni cloro e viene rimosso insieme ai batteri intrappolati.

Un tipo di trasporto attivo diretto che non utilizza l’idrolisi dell’ATP come fonte energetica è la batteriorodopsina. Questa è una pompa protonica, H+, attivata dalla luce presente sulla membrana dell’Halobacterium, colore purpureo, cresce ad alte concentrazioni di sale. La proteina contiene un retinale, che, eccitato da un fotone, innesca una serie di cambiamenti conformazionali che portano al trasferimento del protone all’interno.

Trasporto attivo indiretto

Prevede il trasporto contemporaneo di due soluti: uno secondo gradiente, generalmente uno ione come H+ o Na+, che attiva il trasporto dell’altro, che si muove contro gradiente, monosaccaride o aminoacido. L’accoppiamento dei due processi, uno spontaneo ed uno non spontaneo, porta ad un ΔG totale negativo, quindi favorevole. Questo processo può prevedere il movimento in una stessa direzione, simporto, che in direzioni opposte, antiporto.

Esempi nelle cellule epiteliali dell’intestino

Simporto sodio/glucosio.

Questo meccanismo viene accoppiato alla pompa sodio/potassio, in quanto il passaggio di glucosio dal lume intestinale all’interno della cellula, contro gradiente: la concentrazione interna della cellula è più alta, permette l’entrata del sodio, mentre l’uscita dalla cellula del glucosio, per la liberazione nei tessuti, è secondo gradiente, quindi mediata da una proteina carrier. Per l’uscita, quindi, il sodio viene pompato fuori dalla pompa sodio/potassio.

Antiporto Na+/H+ per la regolazione del pH intracellulare.

La membrana plasmatica dell’eritrocita fornisce molti esempi di meccanismi di trasporto.

Importante: passaggio di CO₂ e O₂ secondo gradiente per diffusione semplice e di HCO₃- (ione bicarbonato) per diffusione facilitata in antiporto con il Cl-. La direzione di passaggio attraverso la membrana di CO₂, O₂ e HCO₃- dipende dal luogo del corpo in cui si trova l’eritrocita, in quanto si tratta di trasporti secondo gradiente.

Reazione: CO₂ + H₂O ↔ HCO₃- + H+ catalizzata da enzima anidrasi carbonica.

Nei capillari dei tessuti entra CO₂ ed esce O₂, la reazione si sposta verso i prodotti e HCO₃- viene eliminato.

Nei capillari degli alveoli polmonari entra O₂, esce CO₂ e la reazione si sposta verso i reagenti, facendo entrare HCO₃-.

Proprietà elettriche delle membrane

Tutte le cellule presentano una differenza di potenziale elettrico sui due lati della membrana, con carica negativa addensata sul lato citosolico. La differenza di potenziale non è dovuta ad uno squilibrio totale di cariche, che in totale sono in equilibrio tra interno ed esterno, ma ad un sottile strato di ioni prossimo alla membrana.

Il potenziale dipende dai gradienti ionici e dalla permeabilità agli ioni. I gradienti ionici più importanti sono quelli di K+ e Na+, regolati dalla pompa sodio/potassio e dai canali di fuga per il potassio.

Le cellule eccitabili, neuroni, cellule muscolari, ecc., rispondono ad alcuni stimoli con drammatiche modificazioni del loro potenziale di membrana.

Meccanismo di trasmissione dell’impulso nervoso

1. Stato di riposo: canali di Na+ e K+ chiusi. Potenziale a circa -60 mV.

2. Prima depolarizzazione: i neurotrasmettitori si legano a canali ionici regolati da ligandi, facendoli aprire ed inducendo quindi l’entrata di cationi Na+. Questi depolarizzano la membrana, normalmen