Cellula eucariotica

Cellula: eucariote animale (umana)

Caratteristiche basilari della cellula animale

Nucleo aperto, per far leggere il proprio DNA per la duplicazione.

Dimensioni maggiori rispetto ad altre cellule (10-20 micron).

Non presenta: cloroplasti, parete cellulare e vacuoli (come nelle cellule vegetali).

Il nucleo è rivestito da una membrana nucleare, che protegge la cellula dalle numerose reazioni chimiche prodotte dal DNA, che possono danneggiarla.

La cellula è rivestita da una membrana cellulare e presenta uno spazio acquoso al suo interno detto citoplasma, spazio molto affollato, che presenta degli spazi molto piccoli per la fase solubile di esso stesso, detto citosol.

Si dividono per mitosi.

Nel caso in cui sono presenti dei componenti citoplasmatici danneggiati, si verifica un’azione di autofagia, dove vengono isolati i pezzi errati attraverso una vescicola.

Tale cellula è formata da vari elementi, che le conferiscono la peculiarità che si definisce compartimentazione: nucleo e nucleolo, RER e REL, perossisoma, vescicole, citosol, mitocondri, apparato del Golgi, lisosomi, membrana plasmatica, citoscheletro, centriolo.

A volte presenta inoltre delle ciglia e flagelli.

Per vedere se una cellula è morta basta controllare se è fuoriuscita all’esterno la fosfatidilserina.

Membrana plasmatica: struttura e funzioni

La loro funzione principale è quella di rivestimento della cellula e dei vari elementi che la formano. Vi sono differenti tipi di membrane ma presentano la stessa struttura di base, i cui componenti sono tenuti insieme in uno strato sottile da legami covalenti. Esse sono formate da:

• 50% proteine: ancoraggio, trasduzione del segnale, riconoscimento cellulare (eliminare gli estranei), giunzione inter-cellulare, trasporto (attivo e passivo), attività enzimatica, riconoscimento cellulare, trasferimento elettroni durante la fotosintesi o respirazione. Costituiscono nelle attività specializzate di quel tipo cellulare. Vi sono diversi tipi di proteine come quelle strutturali e funzionali (pompe, canali, enzimi, recettori e trasduttori del segnale). Alcune proteine sono “fissate” in alcune zone della membrana perché ancorate al citoscheletro. Sono gli esecutori di quasi tutte le attività della membrana.
• Le proteine di membrana possono essere suddivise in relazione all’attività dei loro rapporti con il doppio strato lipidico:
  • Proteine integrali: sono proteine trans-membrana (attraversano la membrana), sono bersagli di agenti farmacologici. Queste attraversano il doppio strato lipidico affacciandosi con le estremità dalle due facce della membrana; inoltre non possono essere rilasciate con procedimenti di estrazione, in quanto trattenute da un legame particolarmente forte (interazioni idrofobiche).
  • Proteine periferiche: si legano alla superficie tramite legami non covalenti (elettrostatici deboli e legami idrogeno) e sono situate all’esterno del doppio strato o sulla superficie extracellulare o citoplasmatica. Vanno a formare una rete fibrillare che agisce come uno “scheletro” di membrana, fornendo un supporto meccanico e siti di ancoraggio. Altre agiscono come enzimi, rivestimenti specializzati o come fattori che trasmettono segnali transmembrana. Hanno una relazione dinamica con la membrana.
  • Proteine ancorate ai lipidi: sono all’esterno del doppio strato sul versante extracellulare o citoplasmatico, e sono legate con un legame covalente ad una molecola lipidica del doppio strato. Ve ne sono diversi tipi, quelle presenti sulla membrana vi si legano attraverso dei corti e complessi oligosaccaridi legati ad una molecola di fosfatidilinositolo e vengono chiamate proteine ancorate al GPI. Un altro tipo di proteine (sul versante citosolico) è ancorato alla membrana da lunghe catene idrocarburiche.
• 30/40% lipidi: contenenti regioni idrofile ed idrofobiche, e ve ne sono di 3 tipi: fosfolipidi (molecole anfipatiche), sfingolipidi e colesterolo (zattera lipidica); i lipidi di membrana sono i precursori di messaggeri chimici. I lipidi di membrana si assemblano spontaneamente in doppio strato se posti in acqua. Tali lipidi sono suddivisi in 2 settori: una testa polare (idrofila) situata all’esterno e 2 code apolari (idrofobiche) situate all’interno ma non in contatto con l’acqua. I fosfolipidi possono muoversi attraverso l’aiuto delle proteine = Flip-flop. Il colesterolo è un altro lipide costituente delle membrane eucariotiche, e le sue molecole sono orientate con il loro gruppo idrofilo verso la superficie di membrana e la loro coda idrofoba è inclusa nel doppio strato lipidico.
• Si viene a parlare di zattere lipidiche quando i lipidi di membrana vengono estratti dalle cellule, per preparare doppi strati lipidici artificiali, il colesterolo e gli sfingolipidi tendono a causa di ciò ad auto-assemblarsi in microdomini che a causa delle loro proprietà fisiche distintive, si trovano a “galleggiare” all’interno dell’ambiente più fluido e disordinato del doppio strato artificiale.
• Circa 10% carboidrati: si aggiungono nel Golgi alle proteine che vanno verso l’esterno, e tale sostanza le aiuta a sopravvivere nell’ambiente esterno (ambiente molto duro) dato che sono rivolti verso l’ambiente extracellulare. Si trovano attaccati alla superficie esterna della membrana, attraverso una catena breve e sono definiti oligosaccaridi, i quali formano le glicoproteine (oligosaccaridi legati a proteine di membrana). Un altro tipo di carboidrati presenti sono i glicolipidi, i quali sono unità polisaccaridi legati a lipidi di membrana e di solito sporgono all’esterno. Hanno un ruolo molto importante nel riconoscimento di specifiche molecole che possono essere ormoni o proteine nella capsula dei virus. Gli oligosaccaridi possono essere uniti a numerosi amminoacidi, attraverso 2 principali tipi di legami.

La parte centrale della membrana consiste in un foglietto lipidico organizzato in un doppio strato, il quale funge da scheletro strutturale e costituisce la membrana che impedisce i movimenti casuali delle molecole idrosolubili. Grazie al fatto che le catene idrocarburiche del doppio strato lipidico non sono mai esposte all’ambiente acquoso circostante, fa sì che non vi sia un margine libero, ma sono strutture continue. Inoltre, grazie alla sua flessibilità (doppio strato lipidico), le membrane sono deformabili e la loro forma può cambiare, è in grado di chiudersi su se stesso formando dei compartimenti stagni. Si pensa che il doppio strato lipidico faciliti la fusione o la gemmazione delle membrane (durante la secrezione). Mantiene inoltre l’appropriata composizione interna della cellula ed è importante anche per la sua capacità di autoassemblamento. Ma vi sono mai estremità libere. Occorre notare che il doppio strato lipidico non è stabile, di fatti le molecole fosfolipidiche possono spostarsi da una zona all’altra e passare attraverso altri strati.

Il doppio strato lipidico è formato da 2 foglietti: interno (fosfatidiletanolammina, fosfatidilinositolo, fosfatidilserina) ed esterno (glicolipidi). La fluidità della membrana fornisce un perfetto compromesso fra una struttura rigida e ordinaria ed un liquido non viscoso completamente fluido. Tale fluidità permette l’avvenire delle interazioni all’interno di essa, come l’assemblaggio di gruppi di proteine di membrana in punti particolari. Ma è anche fondamentale nell’assemblaggio della membrana stessa.

Occorre fare una distinzione tra le membrane presenti nella cellula: la membrana plasmatica racchiude il contenuto dell’intera cellula, invece le membrane nucleari e citoplasmatiche delimitano differenti spazi intracellulari.

Funzioni delle membrane

• Compartimento, dove si formano vari spazi ben divisi, che permettono alla sostanze specifiche di svolgere attività specifiche senza l’intromissione di interferenze esterne.
• Supporto fisico per attività biochimiche, grazie alla loro struttura forniscono alla cellula un’ampia impalcatura.
• Barriera con permeabilità selettiva, le membrane impediscono il libero scambio di molecole, ma forniscono un mezzo di comunicazione tra i compartimenti che separano.
• Trasporto di soluti, occorre notare che la membrana plasmatica contiene i “meccanismi” necessari per il trasferimento fisico di sostanze e consentendone l’accumulamento, e si occupa inoltre del trasporto di ioni specifici.
• Risposta a segnali esterni, la membrana plasmatica svolge un ruolo fondamentale nella risposta di una cellula agli stimoli esterni: trasduzione del segnale. Le membrane contengono dei recettori che si legano ai ligandi (molecole specifiche) per rispondere a tali stimoli.
• Interazione intercellulari, la membrana plasmatica media le interazioni tra cellule e gli permette di riconoscersi fra loro, di aderire e di scambiarsi materiali ed informazioni.
• Trasferimento di energia, le membrane sono collegate al processo di conversione dell’energia (trasferimento di energia). Un esempio di tale trasferimento è la fotosintesi, ed inoltre le membrane sono implicate nel trasferimento dell’energia chimica dai carboidrati e dai grassi all’ATP.

Modello a mosaico fluido (1972)

È un esperimento che venne svolto per comprendere la composizione all’interno della cellula, in quanto le molecole si trovano in uno stato acquoso. Secondo il modello a mosaico fluido, la struttura delle membrane è costituita da un doppio strato di molecole lipidiche (con spessore di 7-8 nm). I lipidi del doppio strato sono anfipatici, cioè sono molecole con caratteristiche sia idrofobiche che idrofile. Le regioni idrofobiche, concentrate nella parte interna delle membrane, costituiscono una barriera che impedisce il libero movimento delle molecole polari attraverso la membrana. Le parti idrofile, invece, sono rivolte verso l’ambiente idrofilo ai due lati della membrana. In condizioni fisiologiche il doppio strato è fluido, nel senso che le molecole lipidiche sono libere di cambiare posizione e di effettuare determinati movimenti.

In questo caso le membrane cellulari sono considerate come strutture dinamiche, le cui componenti sono mobili e capaci di entrare in contatto per partecipare ai vari tipi di interazioni transitorie o semipermanenti. La membrana non deve essere troppo fluida, e per questo viene in “aiuto” il colesterolo (punto di partenza per diverse reazioni liquide), il quale si inserisce nella membrana per impedire la troppa fluidità, ma in certi casi può anche impedire le attività delle membrane.

Le proteine di membrana galleggiano nel doppio strato lipidico. La suddivisione della membrana in regioni distinte, alcune occupate da proteine, altre da lipidi, giustifica l’uso del termine “mosaico”. Tali proteine permettono il passaggio di sostanze e/o molecole, ma anche di catturare e trasformare le informazioni, per trasferirle al nucleo. Vengono individuati 2 tipi di proteine: integrali e periferiche, a seconda della loro modalità di associazione con i doppi strati lipidici.

Tipi di proteine di membrana

• Integrali (intrinseche): sono inserite in profondità nel doppio strato e tenute insieme in posizione da interazioni non polari con i lipidi di membrana. La capacità di stare sospese nel doppio strato dipende dalla duplice solubilità delle proteine di membrana. In corrispondenza della superficie polare delle membrane, le molecole proteiche si ripiegano in modo da esporre solo le catene laterali di aminoacidi idrofili. Le catene laterali di aminoacidi apolari sono invece esposte in quelle parti della proteina che si affacciano verso le regioni interne, idrofobiche, della membrana e vengono tenute in posizione mediante l’associazione con le catene aciliche apolari dei lipidi di membrana. Le proteine integrali rimangono in sospensione stabile nel doppio strato in quanto, al pari dei lipidi, qualsiasi alterazione del loro orientamento esporrebbe le loro regioni idrofobiche all’ambiente idrofilo circostante. A causa della loro stretta associazione con l’ambiente interno apolare, le proteine integrali possono essere rimosse dalla membrana solo mediante trattamento con detergenti o solventi apolari che disperdono il doppio strato. = attraversano il doppio strato dei fosfolipidi, grazie alla loro natura chimica (amminoacidi) e con il citoscheletro mantengono compatta la membrana.
• Periferiche (estrinseche): sono molecole idrofile che si legano in modo non covalente alle superfici polari delle membrane. Alcune proteine periferiche sono ancorate ad un’estremità della membrana mediante fosfolipidi, catene di acidi grassi o altri gruppi idrocarburici apolari. Il gruppo di ancoraggio lega covalentemente un aminoacido della catena laterale all’estremità N-terminale della proteina. Possono essere estratte mediante trattamenti relativamente blandi che non disturbano il doppio strato lipidico, ad esempio variazioni del pH. = non attraversano lo strato dei fosfolipidi.

Cell transport

Tutte le comunicazioni tra la cellula e l’ambiente extracellulare devono essere mediate dalla membrana plasmatica, la quale ha doppia funzione: deve trattenere le molecole in soluzione nella cellula ma anche consentire i necessari scambi di sostanze verso l’interno e verso l’esterno della cellula. Il doppio strato è adatto per evitare la perdita di soluti polari e dotati di carica. Per questo la cellula prende dei provvedimenti per permettere il movimento verso l’interno e verso l’esterno della cellula.

Il movimento può avvenire in maniera passiva, per diffusione o attiva, per mezzo di un processo di trasporto che richiede energia. Entrambi portano ad un flusso netto (il movimento verso l’interno e quello verso l’esterno non sono in equilibrio, ma che uno è maggiore dell’altro) di un particolare ione o composto.

Il libero passaggio transmembrana può avvenire per piccole molecole idrofobiche e per piccole molecole polari senza carica, tale passaggio avviene per diffusione semplice che non richiede proteine di membrana, energia, segue il gradiente di concentrazione e procede fino all’equilibrio. Invece il passaggio deve essere mediato da trasportatori per grosse molecole polari senza carica ed ioni, tale passaggio non può avvenire senza la presenza di proteine di membrana che effettuano il trasporto passivo (o diffusione facilitata) o il trasporto attivo, che richiede energia.

Tipi di trasporto

Trasporto passivo

• Secondo gradiente, senza dispendio di energia, la proteina porta la molecola dove ve ne sono di più.
• Diffusione: è un processo spontaneo nel quale una sostanza si muove da una regione ad elevata concentrazione ad una a bassa concentrazione, annullando la differenza di concentrazione. Dipende dall’agitazione termica casuale dei soluti ed è un processo esoenergetico guidato da un aumento di entropia. = gradiente di concentrazione, molecole molto piccole che passano senza scorta.
• Diffusione facilitata: è il movimento di molecole attraverso la membrana cellulare tramite particolari proteine di trasporto che formano dei canali e sono integrate nella membrana cellulare. = La sostanza che deve diffondere si lega prima selettivamente ad una proteina che attraversa la membrana, che agevola il processo di diffusione. Si ritiene che provochi un cambiamento conformazionale della proteina. È simile per alcuni aspetti ad una reazione catalizzata da un enzima. I trasportatori facilitati sono specifici per le molecole che trasportano e la loro attività può essere regolata. È importante nel mediare l’entrata e l’uscita di soluti polari che non possono penetrare nel doppio strato lipidico.
• Osmosi: diffusione di un solvente attraverso una membrana verso una regione ad alta concentrazione di soluto. A muoversi è il solvente e non il soluto. Negli organismi viventi il solvente è l'acqua e la maggior parte delle membrane cellulari è permeabile all'acqua.

Trasporto attivo

Dipende da proteine integrali di membrana capaci di legare in modo selettivo un particolare soluto e di spostarlo attraverso la membrana in seguito a modificazioni conformazionali della proteina. È il trasporto di molecole attraverso la membrana plasmatica mediato da una proteina trans-membrana detta trasportatore di membrana. A differenza di quanto avviene nel trasporto passivo, nel trasporto attivo è richiesta una spesa energetica ed è sempre necessaria la mediazione di un trasportatore. In questa forma di trasporto le molecole si muovono contro un gradiente elettrico, chimico o elettrochimico.

Le proteine che effettuano un trasporto attivo primario vengono chiamate spesso “pompe”, invece nel secondario si parla di “co-trasportatori”.

Nel trasporto primario, il trasporto è accoppiato direttamente ad una reazione esoergonica. L’energia viene fornita direttamente dall’idrolisi di una molecola di ATP, che creano intermedi ad alta energia permettendo lo spostamento di ioni e molecole. Un esempio è la pompa sodio-potassio: fa uscire 3 ioni sodio ed entrano 2 ioni potassio con l’utilizzo delle ATP.

Il trasporto secondario avviene quando il trasporto endoergonico di un soluto è accompagnato da un flusso esoergonico di un altro soluto che era stato accumulato in precedenza. È un fenomeno che consente il trasporto di sostanze contro gradiente di concentrazione sfruttando il movimento di una seconda sostanza che si muove, invece, secondo gradiente di concentrazione.

Nel trasporto secondario non viene speso direttamente ATP, ma viene sfruttata la differenza di potenziale elettrochimico creata dai meccanismi di trasporto attivo primario (con la spinta utilizzata con la prima molecola, si crea l’energia necessaria per “spedire” le altre). Anche il trasporto secondario, essendo comunque un trasporto attivo, si basa sul consumo di molecole di ATP ma l’idrolisi non è direttamente collegata con il trasporto ma è fondamentale per il suo funzionamento.