Appunti completi di citologia e istologia

La cellula

La cellula è organizzata in maniera gerarchica, è l’unità di base capace di vita propria, poiché si riproduce, risponde agli stimoli, si adatta all’ambiente, è caratterizzata da crescita e sviluppo, prende parte alla trasformazione dell’energia.

La cellula è costituita da nucleo, ricoperto dall’involucro nucleare, conserva l’informazione genetica; mitocondri, sono la centrale energetica della cellula, al loro interno è prodotta ATP; lisosomi, organuli delimitati da membrana, hanno enzimi che possono degradare le macromolecole; reticolo endoplasmatico, formato da cisterne, si divide in RER, che ha i ribosomi sulla sua superficie, produce proteine destinate alla via di secrezione (da eliminare) e REL, che interviene nel metabolismo dei lipidi, è in grado di immagazzinare calcio (come nelle cellule muscolari).

Elementi chimici, acqua e sali minerali

H, O, C e N costituiscono più del 96% degli organismi viventi. L’acqua è la sostanza più abbondante nelle cellule, costituisce circa il 70%; grazie alla sua polarità, è un potente solvente per molte sostanze, poiché scioglie i sali, rendendo anioni e cationi disponibili per le reazioni. La maggior parte delle reazioni avviene in ambiente acquoso, ricco di sali minerali: KCl (ambiente intracellulare), NaCl (ambiente extracellulare).

L’atomo e i legami chimici

L’atomo è formato da un nucleo = protoni + neutroni, gli elettroni girano attorno al nucleo, sugli orbitali.

Peso atomico = protoni + neutroni.

Numero atomico = protoni.

La capacità di fare legami dipende dall’elettronegatività, cioè la capacità di attrarre a sé gli elettroni di legame. Il legame covalente è un legame forte e può essere semplice, doppio o triplo, che è il più forte, cioè il più difficile da rompere (serve molta energia). Il legame idrogeno è un legame debole, importante perché definisce le proprietà dell’acqua e si forma quando un atomo di idrogeno è vicino a due atomi che attraggono elettroni, solitamente ossigeno e azoto. Per esempio gli amminoacidi sono uniti da legami idrogeno e anche le basi azotate di RNA e DNA. Le forze di Van der Waals sono deboli.

Le membrane sono formate dai fosfolipidi, con teste polari e code apolari, ciò le rende molecole anfipatiche, cioè sfruttano le forze idrofobiche per costruire le membrane. L’acqua spinge i gruppi idrofobici ad unirsi insieme per minimizzare il loro effetto distruttivo sul reticolo di molecole d’acqua, unite da legami idrogeno. L’interazione idrofobica non è un vero e proprio legame, ma è sfruttata dai lipidi per costituire le barriere biologiche come le membrane.

La maggior parte delle reazioni intracellulari avviene in ambiente acquoso!

Molecole idrofiliche = amano l’acqua.

Molecole idrofobiche = non amano stare a contatto con l’acqua.

pH e soluzioni tampone

Il pH è la concentrazione molare degli ioni idrogeno, espressa come logaritmo negativo in base 10. Se il pH è =7 la soluzione è neutra, se è minore è acida, se è maggiore è basica. Invece le soluzioni tampone sono soluzioni presenti in natura che tamponano piccole variazioni di pH, poiché livelli di pH troppo basici o troppo acidi danneggiano molecole, cellule e tessuti.

Molecole organiche delle cellule

Le quattro classi principali di molecole organiche delle cellule sono prevalentemente costituite da C, H e O.

I polimeri derivano dall’unione di monomeri, tramite una reazione di condensazione tra un gruppo ossidrilico di un monomero e un atomo di idrogeno dell’altro → si forma un legame covalente con la liberazione di una molecola d’acqua, è reversibile: il processo inverso è l’idrolisi (richiede acqua).

Zuccheri

Gli zuccheri sono formati da monomeri di monosaccaridi; si dividono in aldosi, dove è presente un gruppo aldeidico, e chetosi, dove è presente un gruppo chetonico. Negli aldosi il gruppo funzionale è un gruppo carbonilico, legato ad almeno un atomo di idrogeno; nei chetoni il gruppo funzionale è un gruppo carbonilico, legato a due atomi di carbonio. Gli zuccheri hanno una forma ciclica, vi è un legame tra il carbonio 1 e il carbonio 5.

Possono esistere degli isomeri, cioè molecole con una diversa disposizione spaziale, ma con la stessa formula e possono svolgere funzioni differenti. Ne è un esempio il glucosio: l’alfa-D-glucosio forma il glicogeno, uno zucchero di riserva energetica, il beta-D-glucosio invece forma la cellulosa che ha una funzione strutturale. I due si differenziano per una diversa disposizione dei gruppi OH.

• Zuccheri complessi, in cui il gruppo OH è stato sostituito con un altro;
• Disaccaridi, derivanti dall’unione di due monosaccaridi, esempi sono il saccarosio = glucosio + fruttosio, maltosio = glucosio + glucosio, lattosio = galattosio + glucosio;
• Oligosaccaridi, sono zuccheri formati da meno di 20 monomeri;
• Polisaccaridi, sono formati da un numero molto alto di monomeri.

Gli amminozuccheri sono zuccheri con un gruppo amminico al posto di OH; il gruppo amminico conferisce alla molecola la capacità di trattenere acqua. Il glicogeno è un omopolimero non lineare del glucosio e ha questa struttura per ridurre la superficie a contatto con l’acqua, per mantenere costante la concentrazione di questa. Le sue subunità sono unite con legami 1,4-alfaglicosidici e 1,6-betaglicosidici, con l’atomo di carbonio 6 a dare le ramificazioni laterali. Il glicogeno si accumula nel fegato e nel tessuto muscolare striato scheletrico.

Lipidi

I lipidi sono formati da acidi grassi, lunghe catene di idrocarburi con COOH all’estremità. Sono idrofobici e possono essere saturi, che presentano legami semplici, o insaturi, con uno o più doppi legami lungo la catena –> la struttura si ripiega ed è importante perché questo rende rigida la membrana. Gli acidi grassi si legano tra loro grazie ad una molecola di glicerolo, tramite esterificazione tra COOH e OH. Se il glicerolo si lega a tre acidi grassi si forma un trigliceride.

Colesterolo = è formato da una serie di anelli aromatici (senza OH, tranne il primo, che dà alla molecola la capacità di fare un legame con l’ossigeno); si inserisce nella membrana e impedisce ai fosfolipidi di muoversi. Dal colesterolo ottengo gli steroidi.

Lipidi complessi = come fosfolipidi, formati da una molecola di glicerolo e acidi grassi, e i glicolipidi, che sono lipidi legati a degli zuccheri; sono entrambi anfipatici, poiché costituiti da teste polari e code apolari.

Steroidi = hanno tutti una struttura ad anelli multipli.

Proteine

Le proteine sono formate da monomeri di amminoacidi, che si uniscono tra loro tramite un legame peptidico; sono anfoteri, cioè si comportano sia da acidi che da basi. In natura gli amminoacidi sono 20, prima si usava la nomenclatura a 3 lettere, ora a una.

Gli amminoacidi sono formati da un atomo di carbonio con COOH, NH2, H e R, che è la catena laterale che definisce le caratteristiche dell’amminoacido, a seconda che sia acida, basica, polare ma non carica o apolare.

Si dicono essenziali quegli amminoacidi che devono essere assunti con la dieta, perché non possono essere sintetizzati dal nostro organismo. Alcuni hanno catene laterali basiche, come arginine, istidine e lisine, che possono subire modificazioni post traduzionali. Le catene delle proteine sono polarizzate.

pH isoelettrico = coesistono la forma acida e la forma basica; a pH uguale a 7, sia il gruppo amminico che quello carbossilico sono ionizzati. Tramite questo posso distinguere il tipo di amminoacido.

Le proteine sono costituite da diverse strutture:

• Primaria indica la sequenza amminoacidica di una proteina;
• Secondaria indica la disposizione degli amminoacidi nello spazio ed è formata da due strutture, alfa elica e beta foglietto, entrambe le strutture sono stabilizzate da legami idrogeno tra gli amminoacidi;
• Terziaria → gli amminoacidi danno origine a una struttura tridimensionale; troviamo legami idrogeno, interazioni idrofobiche (all’interno) per stabilizzare la struttura terziaria delle proteine, legami disolfuro, che si formano nelle cisterne e serve un ambiente ossidante perché si formi (si formano spesso nel RER).
• Quaternaria → si ha quando più catene peptidiche si legano tra loro, per esempio l’emoglobina. Le proteine sono costituite da copie multiple di una singola subunità.

Funzioni:

• Strutturale, forniscono supporto meccanico a cellule e tessuti, come la cheratina, la tubulina, che forma strutture cellulari detti microtubuli e l’actina, che forma filamenti disposti a sostegno della membrana cellulare;
• Trasporto, trasportano piccole molecole e ioni, come l’emoglobina che trasporta ossigeno, la transferina che trasporta ferro e la proteina vettore del glucosio, che fa entrare e uscire il glucosio dagli epatociti;
• Recettori, captano i segnali che arrivano alle cellule e li trasmettono dagli apparati competenti per rispondere, ad esempio i recettori ormonali, come il recettore dell’insulina, che fa rispondere gli epatociti all’ormone insulina con conseguente assunzione di glucosio da parte delle cellule del fegato, oppure la rodopsina retinica che capta la luce;
• Segnali, trasferiscono segnali da una cellula all’altra, ad esempio l’insulina è un ormone proteico che regola il livello di glucosio nel sangue, oppure il fattore di crescita nervosa, che stimola alcuni neuroni a sviluppare prolungamenti nervosi (gli assoni);
• Accumulo, servono ad immagazzinare piccole molecole e ioni, ad esempio il ferro si accumula nel fegato legandosi alla ferritina, oppure la caseina del latte che assicura il rifornimento di amminoacidi ai cuccioli dei mammiferi;
• Motrici, generano movimenti nelle cellule e nei tessuti, come la miosina che partecipa alla contrazione muscolare o la dineina che fa oscillare le ciglia e i flagelli negli eucarioti;
• Regolazione della trascrizione, si legano al DNA per attivare o disattivare i geni, ad esempio i fattori di trascrizione, oppure il repressore del lattosio che nei batteri spegne i geni che codificano gli enzimi necessari all’utilizzo del lattosio;
• Attività enzimatica, fungono da catalizzatori biologici, rendendo più veloci le reazioni in cui si rompono o si formano legami covalenti, ad esempio la DNA polimerasi che interviene nella sintesi del DNA, la pepsina che demolisce le proteine alimentari nello stomaco, oppure le proteina chinasi che attaccano gruppi fosfato alle molecole proteiche.

Acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono formati da nucleotidi, costituiti da uno zucchero pentoso (ribosio o deossiribosio), una base azotata e un gruppo fosfato. Un nucleoside è formato solo da uno zucchero e una base azotata. Le basi azotate si dividono in purine, con un doppio anello aromatico, e pirimidine, con un singolo anello. Una purina si appaia sempre con una pirimidina e sono sempre equidistanti, altrimenti la molecola andrebbe incontro a mutazione. Gli acidi nucleici possono funzionare da vettori temporanei di energia chimica. Basi azotate: zuccheri pentosi:

DNA ed RNA si formano dall’unione di nucleotidi, tramite un legame fosfodiesterico → la catena è polimerizzata, perché riconosco due estremità, 5’, con un gruppo fosfato libero, e 3’, con un gruppo OH libero. L’RNA trasporta l’informazione genetica dal nucleo al citoplasma per la sintesi delle proteine.

Gli acidi nucleici sono il luogo dove è contenuta l’informazione genetica e resa disponibile all’occorrenza e sono in grado di trasportare energia. Le basi si legano tramite legami idrogeno; il DNA è a doppia elica, dove le eliche sono antiparallele e permette la replicazione dell’informazione genetica in modo fedele. La replicazione è semi conservativa, i filamenti si separano e fanno da stampo per il nuovo filamento → la duplicazione semi conservativa del DNA prevede lo srotolamento della doppia elica e la sintesi su ciascuno dei due filamenti stampo. In questo modo si formano due molecole identiche alla parentale, ciascuna composta da un filamento vecchio e da un filamento nuovo. Il filamento 5’ – 3’ è detto filamento principale, il filamento 5’ – 3’ è detto filamento secondario.

*vedi presentazione 03*

Replicazione

Replicazione: la replicazione coinvolge le DNA polimerasi, che sono enzimi che catalizzano la formazione di legami fosfodiesterici tra due nucleotidi e ha bisogno di un filamento di DNA stampo. La replicazione va sempre in direzione 5’ – 3’ (legge in 3’ – 5’), ma un filamento è al contrario; avviene in zone dette origine di replicazione, che sono come una bolla, chiamata bolla replicativa, la DNA polimerasi si trova in mezzo. Un filamento è al contrario, quindi per poter leggere il filamento secondario va avanti e torna indietro sui frammenti di Okazaki, che vengono legati tramite DNA ligasi.

Alla DNA polimerasi serve anche un RNA innesco, che ha capacità esonucleasica in direzione opposta: è capace di aggiungere o rimuovere nucleotidi in caso di errori (mutazioni) –> questo rende la replicazione un processo estremamente fedele. Nella replicazione sono coinvolte anche le topoisomerasi che separano i due filamenti.

La replicazione serve per duplicare il patrimonio genetico (e quindi i cromosomi). Il nostro patrimonio genetico è composto da 46 cromosomi.

Durante la replicazione possono esserci mutazioni, depurinazione e deamminazione sono le più frequenti reazioni chimiche spontanee, che inducono seri danni al DNA cellulare:

Depurinazione = nel DNA vengono perse delle guanine e vengono aggiunte altre basi.

Deamminazione = la citosina viene convertita in uracile.

I nucleotidi possono trasportare energia: quando l’ATP si converte in ADP e quindi viene liberato un gruppo fosfato, viene liberata energia.

GTP: può essere incorporata nell’mRNA e lo rende stabile; interviene nella formazione di microtubuli e nel meccanismo di trasduzione del segnale.

Un altro danno è il danneggiamento del DNA dovuto a radiazioni UV solari, a cui sono soggette le cellule cutanee esposte al sole –> se non vi fosse un efficiente sistema riparativo si andrebbe incontro a mutazione.

Trascrizione e traduzione

Durante la trascrizione il linguaggio del DNA viene tradotto nel linguaggio dell’RNA, invece durante la traduzione, dall’informazione del linguaggio degli acidi nucleici si passa al linguaggio delle proteine.

L’RNA è importante in entrambi i processi; ha una sequenza molto lunga e spesso ha una struttura tridimensionale.

Trascrizione = avviene ad opera delle RNA polimerasi: catalizzano in direzione 5’ – 3’, quindi usa come filamento stampo 3’ – 5’. Durante la trascrizione viene trascritto un solo filamento, quello con corretto orientamento, al contrario della replicazione.

Tipi di RNA –> l’RNA contiene spesso tratti di nucleotidi che si possono appaiare con sequenze complementari in altre zone dello stesso filamento:

• RNA messaggero: trasporta l’informazione genetica a livello del citoplasma (mRNA);
• RNA ribosomiale: forma i ribosomi e viene prodotto nel nucleolo (rRNA);
• RNA transfer: ha lo scopo di portare gli amminoacidi nei ribosomi (tRNA);
• RNA non codificanti: scoperti nel 1993, hanno un ruolo di regolazione della trascrizione, splicing e replicazione.

RNA transfer = possono attivare un amminoacido e portarlo nei ribosomi, grazie al fatto che è presente un’ansa; ha una forma a trifoglio, perché gli RNA transfer si appaiano in alcune regioni, dando origine alla formazione di quattro anse.

In natura questi RNA transfer, presentano la forma di una L rovesciata, che è ottenuta perché le anse T e D si incontrano, facendo ripiegare la molecola. Questa struttura presenta da un lato il sito accettore, sito dove si va a legare l’amminoacido, dalla parte opposta l’ansa anticodone, che è in grado di riconoscere il codone che codifica per quell’amminoacido.

RNA ribosomiali = vengono prodotti nel nucleolo, formano i ribosomi, che sono organuli coinvolti nella traduzione e sono il luogo in cui essa avviene; risultano essere così composti:

Svedberg è l’unità di misura del coefficiente di sedimentazione: è un numero adimensionale che misura il rapporto tra la velocità di sedimentazione di un corpo ideale (forma sferica) e quella del corpo preso in esame, misurate nelle stesse condizioni sperimentali. Nei procarioti i ribosomi sono più piccoli.

RNA messaggeri = portano l’informazione genetica dai geni al citoplasma; si presentano sotto forma di filamento di RNA. La sua sequenza è complementare a quella del filamento di DNA trascritto, con la differenza che al posto del nucleotide timina c’è l’uracile.

Dopo che gli mRNA eucariotici sono trascritti nel nucleo, l’mRNA che ottengo è immaturo –> poi inizia un processo di maturazione all’interno del nucleo, per rendere gli mRNA stabili (poiché non lo sono, si degradano facilmente). La maturazione coinvolge tre meccanismi: due di questi vanno a modificare l’estremità 5’ e 3’ del mio RNA immaturo. A livello della 5’ viene aggiunta una 7-metilguanosina, a livello dell’estremità 3’ viene aggiunta una coda di poli A.

Esoni: sono sequenze codificanti negli eucarioti i geni sono formati da esoni separati da introni.

Introni: sono sequenze non codificanti.

Nei procarioti un gene è formato solo da sequenze codificanti, quindi viene trascritto e tradotto interamente.

Quindi il problema è che, durante il processo di maturazione dell’mRNA vi è anche un processo che porta l’mRNA a perdere gli introni e unire tra di loro gli esoni:

Splicing: processo attraverso la quale gli introni vengono rimossi.