Appunti approfonditi per esame di Biologia generale e cellulare

Concetti generali

Le cellule di Schwann formano la guaina mielinica attorno agli assoni nelle cellule neurali – questo perché essendoci elettricità, se gli assoni venissero a contatto tra di loro, andrebbero in corto circuito. La guaina protegge i prolungamenti avvolgendoli.

Proteine

Struttura di base CCONH costituita da aminoacidi (aa) uniti da legame peptidico e a volte contenente i ponti disolfuro (si instaurano tra due cisteine) unici legami covalenti presenti.

Diverse funzioni

• Recettori (pagina 10)
• Componenti della membrana (pagina 13)
• Enzimi, trasportatori (proteine motrici), impalcature (proteine scaffold)
• Chaperone (come le Hsp, pagina 16)

Strutture

1^° (semplice sequenza di aa), 2^° (si formano alfa eliche tramite legami a idrogeno ogni 5 aa, o foglietto beta tramite legami a idrogeno tra due catene di aa parallele), 3^° (struttura nativa: le porzioni idrofobiche date dalle catene laterali degli aa sono ripiegate all’interno in modo da evitare il contatto con l’acqua), a volte si forma la 4^° formando complessi proteici (RNA polimerasi, emoglobina).

Aminoacidi

20 in totale (10 idrofobici e 10 idrofilici). Da ricordare:

• Cisteina (forma i ponti disolfuro grazie al gruppo sulfidrile)
• Triptofano (unico termosensibile) e i 3 aa fosforilabili, ovvero serina, treonina e tirosina

Gli aminoacidi idrofobici tendono a stare nella porzione interna della proteina per evitare il contatto con l’acqua.

Gruppo CO

(carbonile) in mezzo alla catena CH di una molecola – la molecola è detta chetone, aldeide altrimenti.

Abbondanza di ioni nella cellula

• Na⁺ (abbondante nell’ambiente extracellulare)
• Ca²⁺ (poco abbondante nel citoplasma ma molto presente nel nucleo, mitocondrio, e nel reticolo endoplasmatico per la trasmissione del segnale; molto abbondante nell’ambiente extracellulare)
• K⁺ (abbondante all’interno della cellula)

Glucosio

Il glucosio ha una forma ad anello per non roteare (raggiungere la stabilità) – dalla molecola lineare si ottiene un anello tramite il legame tra l’OH in 5’ e il CO in 1’. È importante conoscere la struttura di: glucosio, ribosio e desossiribosio, nucleotide, aminoacido (ricordarsi che solo gli aminoacidi left-handed si ritrovano nelle proteine).

Importante nel ribosio/desossiribosio

• 1’ ha l’OH sopra il piano (beta ribosio) per legare la base azotata nel nucleotide
• 2’ distingue il DNA dall’RNA (nel DNA si trova un H, mentre nell’RNA un gruppo OH)
• 3’ è la posizione che lega il gruppo fosfato di un altro nucleotide
• 5’ lega il gruppo fosfato (3 gruppi fosfato nel caso di un nucleotide trifosfato)

Trasformazione iniziale del glucosio

In base al processo che la cellula gli fa seguire:

• Glicolisi: glucosio -> glucosio 6 fosfato
• Deposito di glicogeno: glucosio -> glucosio 6 fosfato -> glucosio 1 fosfato -> UDP glucosio (usata l’energia dell’UTP per unire il glucosio 1 fosfato al glicogeno già esistente)

Acidi grassi

Presentano una scarsa biodisponibilità (ma maggior rendimento energetico rispetto al glucosio) perché i trigliceridi non attraversano le membrane e quindi per uscire vanno scissi dal glicerolo, poi bisogna riformarli e abbinarli alle proteine di trasporto HDL e LDL e poi di nuovo scinderli per farli entrare nella cellula - tot 10-15 minuti (doppio sistema: inizialmente viene usato il glucosio per la necessità istantanea di energia in modo da sopperire alla non disponibilità degli acidi grassi, che possono essere sfruttati solo dopo una decina di minuti).

Malripiegamento delle proteine

Esempio più “famoso”: l’emoglobina (struttura 4^° formata da 2 alfa globine e 2 beta globine) non si conforma bene -> forma non un tetramero ma un concatenamero -> i globuli rossi sono instabili, durano poco, si incastrano, e possono andare a ostruire i vasi sanguigni.

Struttura delle basi azotate

• Purine (A, G) – 2 anelli aromatici (1 da 6 carboni, 1 da 5)
• Pirimidine (T, C, U) – 1 anello aromatico da 6 carboni

RNA polimerasi

Sceglie come stampo la catena scritta in 3’-5’ per dare un mRNA in 5’-3’.

Km

Costante di Michaelis Menten (definisce l’affinità tra l’enzima e il substrato).

Nucleo

È racchiuso da due membrane concentriche e una lamìna nucleare (fibra di dimeri di lamìna molto arrotolati) nella membrana interna per dare resistenza meccanica. All’interno c’è una suddivisione liquido-liquido (nucleolo), sede di sintesi dei ribosomi. Il DNA è contenuto nel nucleo ed è compattato da 5 istoni carichi positivamente (H1, H2A, H2B, H3, H4) di cui H2A, H2B, H3 e H4 formano un ottamero e avvolgono 2 volte il DNA (attratto dagli istoni in quanto carico negativamente), formando un nucleosoma (di circa 200 coppie di basi). Il tutto viene reso stabile da H1 che forma una specie di nodo che non permette al DNA di slegarsi. Questi si associano per dare solenoidi che si assemblano su proteine scaffold e formano infine delle anse formando cromosomi.

Watson e Crick

Due scienziati che sono riusciti nella ricostruzione della struttura del DNA con la radiografia a raggi X -> hanno elaborato un decalogo a riguardo, che è stato usato per capire:

• Come si mantiene l’informazione (stabilità della molecola di DNA) e come si trasmette (capacità di una catena di servire da stampo)
• Come l’informazione viene usata per dare risposte biologiche nella cellula (regioni regolatorie del DNA)

Mitocondrio

Importante: si è abbastanza convinti che derivi da un procariote ancestrale (è un semiorganello autonomo, non completamente autonomo) con attività metabolica aerobica secondo la teoria endosimbiontica (una specie di "accordo" bilaterale: la cellula gli fornisce tutti i componenti necessari, lui produce l’energia per la cellula) perché:

• Si replica autonomamente
• Ha le dimensioni adeguate (circa 1 micron)
• Contiene ribosomi
• Produce una parte delle proprie proteine (si pensa che il resto del genoma sia stato trasferito nel nucleo della cellula, che gli produce le proteine necessarie)
• Ha una doppia membrana

È una "macchina perfetta": il suo rendimento nella produzione dell’ATP è del 95% (il 5% "perso" non è veramente buttato ma usato per la termogenesi). Le proteine mitocondriali sono sintetizzate sui ribosomi liberi -> legate a Hsp70 entrano tramite Tom e Tim (trasloconi = punti di transito).

Tutti i mitocondri sono di origine materna, perché il mitocondrio a spirale dello spermatozoo non viene mai inoculato durante la fecondazione (solo il nucleo entra). Questo è dovuto al fatto che i gameti maschili fanno tanta strada per raggiungere la cellula uovo, facendo quindi produrre tantissima energia ai mitocondri che pian piano si danneggiano con la produzione dei radicali liberi (sono di peggior qualità dei mitocondri della cellula uovo). Il nuovo organismo avrà quindi solo i mitocondri di derivazione materna in modo da essere protetto da possibili mutazioni che potrebbero causare danni gravissimi.

Perfetta correlazione tra la morfologia e la forma – l’invaginazione della MMI (membrana mitocondriale interna) con la formazione delle creste produce un’ampia superficie di scambio e di produzione di ATP. Senza le creste, questa superficie sarebbe inferiore e si produrrebbe meno ATP.

Struttura

• MME (membrana mitocondriale esterna)
• Spazio intermembrana
• MMI (membrana mitocondriale interna), che racchiude uno spazio interno detto matrice (caratteristica importante: pH 8 (basico) perché nella produzione di ATP i protoni sono trasportati dalla matrice nello spazio intermembrana)

Componente importante: citocromo c (partecipa nella formazione del gradiente elettrochimico e nell’apoptosi, morte programmata della cellula). Mediatore diretto della via apoptotica intrinseca (pagina 9 del file), spesso coinvolto in modo indiretto anche nella via estrinseca.

Il mitocondrio non è fagioliforme ma tubuliforme, però nel passato lo sembrava perché:

1. Dipende dal modo in cui sono state fatte le sezioni per vederlo al microscopio (spesso erano trasversali, il che spiega la forma ipotizzata)
2. A volte le cellule venivano danneggiate e andavano in apoptosi con lo swelling del mitocondrio

Il mitocondrio non è un organello fisso ma è uno degli organelli più dinamici nella cellula e si muove perché:

1. Si danneggia perché produce tanti radicali liberi (nella produzione di ATP) e si sposta per:
   • Rigenerarsi facendo produrre proteine necessarie ai ribosomi
   • Ritrovare altri mitocondri (che fanno da stazioni) per miscelare il proprio contenuto e rigenerarsi
2. Va nelle regioni con più alta richiesta energetica nella cellula (per esempio l’assone nel neurone)

È una specie di pila: matrice (-), MMI, spazio intermembrana (+).

Glicolisi

La glicolisi avviene nel citoplasma, utilizza il glucosio importato nella cellula, e si divide in due parti:

Parte attivatoria

Compito: spaccare il glucosio in due triosi (zuccheri da 3 carboni).

• Passaggi: Glucosio -> Glucosio 6 fosfato -> Fruttosio 6 fosfato -> Fruttosio 1,6 difosfato -> Scissione in gliceraldeide 3 fosfato (aldeide) e diidrossiacetone fosfato (chetone)

In questa fase l’importante è destabilizzare la molecola di glucosio in modo che diventi talmente reattiva da spaccarsi. Questo processo è favorito da diversi enzimi e avviene grazie all’energia data dall’idrolisi di 2 molecole di ATP, quindi non solo non si guadagna energia (ATP), ma viene pure utilizzata.

Parte di produzione

Compito: recuperare l’energia dai triosi (ossidazione e rilascio dei gruppi fosfato inorganici, o Pi). Grazie ad enzimi, i triosi vengono ossidati (rilasciando gli elettroni a NAD⁺ che si riduce a NADH) e producono ATP grazie al rilascio di Pi (tanto che in questa parte saranno prodotte 4 molecole di ATP). La glicolisi finisce con il fosfoenolpiruvato che, cedendo un Pi, diventa piruvato (molecola a 3 carboni) che entra nel mitocondrio per continuare la via metabolica.

Produzione di energia nel mitocondrio

1. Il piruvato viene trasportato nel mitocondrio e subisce subito una decarbossilazione (viene perso un gruppo COO^- sotto forma di CO₂, gli elettroni vanno nel NAD⁺) -> rimane il gruppo acetile
2. Avviene l’aggiunta del CoA (contenente un gruppo SH che forma legami tioesteri) al:
   • Gruppo acetile (CH₃CO) + CoA = acetil-coenzimaA
   • Acidi grassi (diventano biodisponibili grazie alla beta ossidazione):
     1. Entrano nel mitocondrio tramite legame del gruppo acile alla carnitina (traslocasi) che si sposta per doppio gradiente (di carnitina e acilcarnitina secondo l’antiporto)
     2. Si legano a CoA grazie a idrolisi di ATP in AMP -> acil-CoA (molecolare attiva)
     3. Riarrangiamento e ossidazione della molecola (gli elettroni vanno a FAD e NAD⁺)
     4. Nel punto del beta carbonio la parte destra (si lega al CoA = acetil-CoA) e sinistra (molecola identica a quella al punto iniziale con l’eccezione di avere due carboni in meno di prima, C_n-2) si staccano, il ciclo riparte (quindi da un acido grasso a 14 carboni si ottengono 7 acetil-CoA)
3. Ciclo di Krebs (il compito è quello di produrre NADH):
   • Acetil-CoA - CoA + ossalacetato (4C) = citrato (6C). Destabilizzo la molecola
   • -H₂O + H₂O + citrato = isocitrato (6C). La molecola è diventata reattiva, per cui inizia a perdere gruppi COO^- che escono sotto forma di CO₂
   • Isocitrato - COO^- + NAD⁺ = alfa chetoglutarato + CO₂ + NADH
   • Alfa chetoglutarato - COO^- + NAD⁺ + CoA = succinil-CoA + CO₂ + NADH
   • Succinil-CoA + GDP - CoA = succinato + GTP
   • Succinato + FAD = fumarato + FADH₂
   • Fumarato + H₂O = malato
   • Malato + NAD⁺ = ossalacetato + NADH

   Importante: tutti questi processi sono promossi dagli enzimi.

4. Fosforilazione ossidativa (si basa sui complessi proteici transmembrana che contengono ferro e zolfo e quindi possono stare in stati redox diversi):
   • Complesso 1: ossidazione del NADH - gli elettroni sono trasferiti al CoQ (ubichinone). L’energia degli elettroni viene sfruttata per far pompare al complesso 4 ioni H⁺ dalla matrice nello spazio intermembrana
   • Complesso 2: ossidazione del FADH₂ - gli elettroni sono trasferiti al CoQ (ubichinone), il primo nella catena di trasporto degli elettroni. Questo complesso è l’unico a non pompare protoni. Questo avviene perché gli elettroni del FADH₂ si trovano a un livello energetico più basso rispetto agli elettroni del NADH, e la loro energia non è sufficiente a pompare i protoni contro gradiente
   • Complesso 3: l’ubichinone cede gli elettroni al citocromo c. L’energia degli elettroni viene sfruttata per far pompare al complesso protoni dalla matrice mitocondriale nello spazio intermembrana
   • Complesso 4: citocromo c rilascia gli elettroni (e fa pompare i protoni dalla matrice) a O₂ (ossigeno molecolare, ultimo accettore degli elettroni nella catena), portando alla formazione di O₂^- (radicale libero molto pericoloso che potrebbe provocare seri danni al DNA e che quindi viene subito coniugato agli H⁺ per formare l’acqua (è quindi un sistema di protezione)
   • Complesso 5: avviene la conversione dell’energia potenziale dei protoni (sono molto energetici perché vorrebbero spostarsi dallo spazio intermembrana nella matrice secondo il gradiente elettrochimico, ovvero secondo il gradiente di concentrazione e carica. Non possono però attraversare la membrana se non tramite un punto di transito) in energia cinetica (flusso di H⁺), rotatoria (del peduncolo) e meccanica (cambiamento di conformazione delle subunità di F1)
     • È formato da F0 (punto di transito di H⁺) e F1 (punto di sintesi)
     • Le subunità c di F0 catturano i protoni, ma il loro punto d’uscita nella matrice è appena prima della loro posizione nel complesso (appena a destra, ma ci devono arrivare per uscire) -> causano la rotazione del peduncolo gamma -> questo causa una variazione della conformazione di F1 (costituito da 3 subunità alfa e 3 beta, ogni coppia alfa-beta è un sito catalitico di ATP). I siti catalitici possono assumere 3 conformazioni diverse (aperta: rilascia l’ATP sintetizzato e fa entrare l’ADP e il Pi; intermedia: ADP e Pi vengono avvicinati; chiusa: viene sintetizzato ATP)
   • Nel mitocondrio si trova anche la proteina disaccoppiante (termogenesi): è un non complesso proteico coinvolto nella produzione di energia (quindi non è incluso nelle vie metaboliche della cellula), che però è il motivo per cui la resa della produzione mitocondriale è del 95% e non del 100%. È infatti un punto di transito alternativo per i protoni dallo spazio intermembrana nella matrice, usato per mantenere la temperatura corporea a 37 gradi – l’energia dei protoni è trasformata in calore
5. L’uscita dell’ATP prodotto dal mitocondrio (non può permeare il doppio strato, è molto carico): esce tramite trasportatori secondo diffusione facilitata (secondo gradiente di concentrazione e carica) tramite carrier seguendo l’antiporto: 1 ADP entra, 1 ATP esce.

Replicazione del DNA

Procarioti (particolarità)

L’origine di replicazione (uno solo nei procarioti) ricco di T e A viene aperto da un’elicasi e si forma una forcella replicativa. Le due forcelle scorrono fino a incontrarsi e rilasciare la nuova molecola di DNA. È semplice perché il DNA è circolare. I procarioti hanno 3 DNA polimerasi (I, II e III) che per funzionare hanno bisogno che una primasi posizioni il primer di RNA.

Eucarioti

Tante origini di replicazione (di circa 250 coppie di basi) su cui si posizionano proteine a formare l’ORC (complesso dell’ori) grazie a cui si posiziona l’MCM (elicasi). Per non ingarbugliare le catene, le topoisomerasi (I e II) tagliano il DNA a monte della forcella su uno dei due filamenti (I) o su entrambi in modo alternativo (II), poi il DNA viene ricucito -> l’elicasi può tranquillamente svolgere la sua funzione. Ci sono 5 DNA polimerasi negli eucarioti (gamma è mitocondriale, beta riparatoria, alfa posiziona il primer, delta replica il filamento lento e epsilon il filamento leader). L’alfa DNA polimerasi con attività RNAsica sintetizza un primer (4-5 nucleotidi).

La proteina PCNA (sliding clamp) e RFC (clamp loading) si legano al DNA e permettono il corretto posizionamento della DNA polimerasi. La DNA polimerasi fa errori 1 nucleotide ogni milione: si nota perché le basi non combaciano. Delle chinasi lo percepiscono e inibiscono PCNA e la DNA polimerasi si destabilizza. Torna quindi indietro tramite rimozione di nucleotidi già aggiunti fino ad arrivare a quello errato – attività di proofreading (è il motivo per cui va in 5’-3’: se no si ritroverebbe un Pi libero e non OH, servirebbe nuova fosforilazione del nucleotide già in catena, richiederebbe un’enorme quantità di energia). La sintesi è continua per il filamento leader (la polimerasi prende un nucleotide trifosfato, taglia i due fosfati detti pirofosfato, e usa l’energia per abbinare il nucleotide all’OH libero in 3’ della catena).