Biologia

Biologia animale e anatomia umana

Appunti di lezione

Farmacia

Università degli Studi di Padova

Introduzione

Cellula procariote e eucariote

La maggiore differenza tra procariote ed eucariote è la struttura cellulare. Negli eucarioti c'è una membrana nucleare e una complessità strutturale maggiore; sono presenti membrane interne e sistemi di compartimenti.

Cellula procariotica → 1μm

Cellula eucariotica → 200µm

Il genoma eucariota è più complesso ed è contenuto nel nucleo. È presente la rete tridimensionale del citoscheletro, che funge da impalcatura e consente il movimento. Non è presente la parete cellulare. Grazie alla membrana flessibile e al citoscheletro, probabilmente gli antenati degli eucarioti erano cellule predatrici fagocitanti. Il metabolismo iniziale era anaerobico; hanno fagocitato dei batteri capaci di utilizzare un metabolismo aerobico e ne hanno fatto un rapporto di “convivenza”. Erano gli antenati dei mitocondri; il meccanismo aerobico era dovuto alla crescente concentrazione di ossigeno nell'atmosfera.

Per quanto riguarda lo sviluppo della cellula vegetale, è avvenuta la fagocitosi di cellule fotosintetiche (poi cloroplasti). Grazie a questo passaggio la cellula vegetale costruisce la parete cellulare, non era infatti più necessario fagocitare.

Mitocondri

Il genoma del mitocondrio è in parte andato perso; è rimasto del DNA circolare e una ulteriore parte è stata unita al genoma della cellula ospite. Nei mitocondri sono presenti ribosomi, DNA circolare e RNA transfer.

Protisti

Gli organismi eucarioti unicellulari (protisti) si dividono in protozoi (predatori), alghe unicellulari (“coltivatori diretti”) e funghi unicellulari- lieviti (spazzini). Di base tutte le cellule di un organismo hanno lo stesso genoma. Per distinguerle si parte da una cellula indifferenziata, che si specializza grazie a stimoli esterni. Questi stimoli sono mediati con il nucleo tramite le proteine regolatrici di geni; queste si legano con il DNA e vanno ad attivare vari gruppi di geni, per poi arrivare alla specializzazione della cellula.

Organismi modello

Le nostre nozioni sulla cellula ci sono pervenute grazie allo studio di organismi modello, di complessità via via crescente.

• Escherichia coli: battere, si trova nell’intestino, presente in vari ceppi, DNA circolare, facile mantenimento in laboratorio, possibilità di selezionare ceppi mutanti. Grazie ad esso si è capita la replicazione del DNA e la sintesi proteica.
• Saccharomices cerevisiae: un lievito di rapida riproduzione, si divide sia per mitosi che per meiosi (in mancanza di nutrimento e in condizioni ambientali sfavorevoli, rilasciando spore). Utilizzato per studi del ciclo cellulare.
• Caenorhabditis elegans / C. elegans: breve ciclo vitale; l’adulto ha sempre 959 cellule. Nello sviluppo le cellule si differenziano e viene studiato per l’apoptosi.
• Drosophila melanogaster: mutanti per qualunque gene, e cromosomi giganti. Usato per studi di genetica.
• Topo: elevata complessità e costo di mantenimento maggiore; animali mutanti sui quali è possibile simulare varie patologie e meccanismo d’intervento.
• Colture cellulari: popolazioni omogenee di cellule ottenute isolando le singole cellule dal tessuto di origine tramite espianto (si sminuzza il tessuto; più semplice ed economico ma rende meno) o disgregazione enzimatica (uso di EDTA o enzimi proteolitici) per digerire e frantumare le proteine.

L’EDTA, sottraendo ioni bivalenti, elimina i meccanismi di adesione cellulare. Una delle vie che posso percorrere per selezionare il tipo cellulare è vedere se sulla membrana sono presenti proteine caratteristiche della membrana della cellula di interesse. Si utilizza un anticorpo che riconosce e si lega alla proteina sulla membrana:

• Utilizzo del Cell Sorter (300.000€): in base ad una sostanza fluorescente di riconoscimento riesco a separate le cellule di mio interesse.
• Immunoseparazione magnetica: all’anticorpo lego una “biglia” magnetica. Quando l’anticorpo andrà a legarsi all’antigene della cellula, tramite l’azione di un magnete verrà attuata la selezione delle cellule di interesse.

Coltura in vitro

Si “seminano” le cellule su capsule Petri contenenti un terreno di coltura liquido, in condizioni atmosferiche controllate (37°C, 5% di CO₂). Le cellule cominciano a duplicarsi, occupando spazio. Si usano quindi due contenitori di coltura e così via. Le cellule ottenute possono essere congelate e conservate in azoto liquido. A causa del progressivo accorciamento dei telomeri, le cellule specializzate provenienti da tessuti umani a un certo punto non crescono più e muoiono. I telomeri sono gli estremi dei filamenti di DNA, non codificano nulla e servono da “cappuccio”; a causa dell’assenza della DNA telomerasi vengono persi dei nucleotidi, ma non sono rimpiazzati.

Le colture cellulari servono a:

• Studiare la biologia della cellula e del tessuto d’origine
• Isolare macromolecole o organelli
• Modello per testare nuovi farmaci
• Medicina rigenerativa

Lipidi

Sono una classe eterogenea di molecole poco solubili nei solventi polari. Fungono da:

• Deposito di energia sotto forma di ATP o calore, dalla demolizione di un trigliceride (con una resa quasi doppia rispetto alla demolizione di uno zucchero)
• Componenti della membrana cellulare
• Segnalazione cellulare (ormoni e messaggeri intracellulari)
• Funzione protettiva

Trigliceridi

Sono composti da una molecola di glicerolo e 3 di acidi grassi (i quali sono formati da lunghe catene carboniose); sono immagazzinati nelle cellule del tessuto adiposo. Gli acidi grassi si dividono in:

• Saturi: legame semplice tra gli atomi di carbonio
• Insaturi: legami anche doppi tra gli atomi di carbonio; in presenza del doppio legame si ha il piegamento della struttura.

Grassi di origine animale -> saturi (es. burro, solido a temperatura ambiente grazie alle catene lineari) Grassi di origine vegetale -> insaturi (es. olio di oliva, liquido a causa del piegamento della struttura)

Fosfolipidi

Sono i principali costituenti delle membrane; la loro struttura è in parte simile a quella dei trigliceridi. Al glicerolo sono collegate 2 catene di acido grasso e un gruppo fosfato => acido fosfatidico (2 molecole di acido grasso + glicerolo + fosfato). In più si aggiunge una piccola molecola polare, che può variare.

Una catena è costituita da un acido grasso saturo e da uno insaturo; è la presenza dell’insaturo a rendere fluida la membrana. Il fosfolipide può essere diviso in una testa idrofilica e polare, e in una coda idrofobica e apolare.

• Testa: fosfato + piccola molecola polare + un po’ di glicerolo
• Coda: acidi grassi

La molecola è anfipatica/anfifilica. In ambiente acquoso i fosfolipidi volgeranno verso l’acqua le teste idrofiliche, e si formerà un doppio strato con le code verso l’interno; si verrà a creare una vescicola.

Steroidi

Strutturalmente diversi da trigliceridi e fosfolipidi. Il più importante è il colesterolo, è contenuto nella membrana e serve come mattoncino di partenza per la produzione di questi ormoni, e regola la fluidità della membrana.

Membrana

Strutture/film molto sottili (5 nm) sono formate da un doppio mosaico fosfolipidico al cui interno sono inserite delle proteine. Il tutto (noto come modello a mosaico fluido) è tenuto insieme da legami non covalenti. I fosfolipidi hanno soprattutto una funzione strutturale, effetto barriera. Grazie a loro la membrana è permeabile alle sostanze apolari, e parzialmente impermeabile a quelle polari.

Presenza di strutture che garantiscono fluidità e dinamicità (fosfolipidi). Le membrane sono strutture asimmetriche, lo strato esterno ha una composizione diversa da quello interno. Le proteine svolgono la maggior parte delle funzioni della membrana.

Composizione lipidica:

• Fosfolipidi
• Glicolipidi (con catene oligosaccaridiche)
• Colesterolo
• Inositolofosfolipidi

Fosfolipidi

I più abbondanti sono:

• Fosfatidil-etanolamina
• Fosfatidil-serina (carica negativa)
• Fosfatidil-colina
• Sfingomielina
• Sfingosina

La fosfatidil-serina è solitamente presente nel lato interno della membrana.

Colesterolo

È presente nella membrana in elevate quantità, vicine al 50%; la sua testa polari si orienta con quella dei fosfolipidi, e così anche la sua coda apolare. La presenza di colesterolo tra le code di acido grasso ne impedisce l’impacchettamento e causa fluidità. Impedisce anche il movimento dei fosfolipidi.

Glicolipidi

Hanno la caratteristica della presenza di catene zuccherine, che possono varare. Queste catene sono oligosaccaridiche, sono cioè composte da un numero basso di residui zuccherini (10-15). I glicolipidi sono localizzati verso lo strato esterno (non citosolico) della membrana, e hanno carica negativa. Svolgono soprattutto funzioni relative al riconoscimento cellulare; riconoscono o vengono riconosciuti.

Fluidità di membrana

La fluidità di membrana è importante, perché permette la funzione delle proteine. Dipende dalla temperatura, dal contenuto di colesterolo, dalla lunghezza e dal grado di saturazione degli acidi grassi.

• Più è lungo l’acido grasso, meno è fluida la membrana.
• Più è insaturo il secondo acido grasso, più è fluida la membrana.

La membrana è dinamica, e i lipidi vi hanno maggiore libertà di movimento. I fosfolipidi possono:

• Diffondersi lateralmente
• Rotare
• Flettere le code
• Compiere flip-flop (trasferirsi dall’altro lato della membrana), raro.

La distribuzione dei lipidi nel doppio strato è asimmetrica. Nella membrana la fosfatidil-serina si trova nello strato citosolico, e i glicolipidi in quello non citosolico.

Proteine di membrana

Sono in rapporto 1:50 con i lipidi (per dimensioni). La quantità di proteine nella membrana è idealmente il 50%, ma dipende dalla funzione della membrana stessa. Ad esempio nei mitocondri la concentrazione è molto alta, nella guaina mielinica è invece molto bassa (la guaina mielinica deve infatti essere isolante).

Possono legarsi con catene zuccherine, oligo o polisaccaridiche. Svolgono funzioni di:

• Trasporto -> formano un canale nella membrana
• Attività enzimatica
• Riconoscimento cellulare
• Adesione ad altre cellule o alla matrice extracellulare

In base alla localizzazione, possono essere divise in due tipi:

• Integrali o transmembrana: inserite nel doppio strato fosfolipidico: sono anfipatiche/anfifiliche. Fanno solitamente da recettori o da trasportatori. Vengono rilasciate dalla loro sede soltanto dopo un evento che vada a distruggere il doppio strato fosfolipidico.
• Periferiche di membrana: sono situate sui lati della membrana, tramite un legame (non covalente) con i lipidi o con altre proteine. Presentano distribuzione asimmetrica e possono muoversi lateralmente.

Possono essere situate in presenza di:

• Giunzioni occludenti: collegamento tra due cellule che non permette il movimento delle proteine
• Proteine citoscheletriche: si legano ai filamenti citoscheletrici e non possono muoversi.

Carboidrati di membrana

Le catene oligosaccaridiche sono importanti per il riconoscimento cellulare. Sono strutture molto specifiche: una specie di etichetta sul lato esterno della membrana che identifica la cellula come appartenente ad una determinata specie, ad un determinato individuo e il tipo di cellula. Sono generalmente oligosaccaridi ramificati, formati da meno di 15 unità zuccherine, legati a lipidi o a proteine.

Antigeni di istocompatibilità

Proteine codificate da un insieme di geni presenti nel cromosoma VI. Segnalano all’organismo che la cellula deve essere riconosciuta come self.

MHC = HLA -> (complesso maggiore di istocompatibilità = human leukocyte antigen)

Esistono due tipi di antigeni MHC (HLA):

• I classe: su tutte le cellule, coinvolti nel rigetto
• II classe: su cellule immunocompetenti, presentano l’antigene ai linfociti T-helper

Gli MHC (HLA) di I classe sono diversi da individuo a individuo, e sono tenuti in considerazione per i trapianti. Gli MHC (HLA) di II classe non riconoscono un agente patogeno in sé, ma necessitano dell’antigene.

Glicocalice

Al di sopra della membrana plasmatica è presente una struttura di natura zuccherina che prende il nome di glicocalice. Esso contiene:

• Catene oligosaccaridiche dei glicolipidi e delle glicoproteine
• Catene polisaccaridiche molto lunghe dei proteoglicani di membrana (molecole molto voluminose)
• Glicoproteine e proteoglicani adsorbiti sulla superficie cellulare

Il glicocalice ha funzione:

• Protettiva: forma un rivestimento sopra la membrana
• Assorbente: dovuta alla presenza dei proteoglicani che, essendo carichi negativamente, assorbono ioni positivi e anche acqua
• Riconoscimento cellulare: catene oligosaccaridiche

Trasporto

Tra il lato interno ed esterno della membrana esiste una leggera differenza di carica e di concentrazione dei soluti. Questa differenza di carica è nota come potenziale di riposo/membrana, misurato in mV, e varia in base al tipo di cellula (nel neurone è di 70 mV).

Per passare attraverso la membrana, i soluti hanno due soluzioni in base al gradiente:

• Trasporto passivo: spontaneo e secondo gradiente. Il soluto passa da dove è più concentrato a dove è meno concentrato, senza costo energetico
• Trasporto attivo: contro gradiente; il soluto passa da un ambiente in cui è meno concentrato ad uno in cui lo è di più, con dispendio energetico

Trasporto passivo

Gradiente elettrochimico: combina il gradiente di concentrazione con il potenziale di membrana.Il trasporto passivo può avvenire secondo 3 modalità:

• Diffusione semplice
• Proteine transmembrana di tipo canale
• Proteine transmembrana di tipo trasportatore

Diffusione semplice

È anche chiamata “via translipidica”; il soluto passa attraverso la membrana tra un fosfolipide e l’altro. Passano solo soluti lipofili e di piccole dimensioni (ormoni steroidei, gas, piccole molecole polari non cariche es. H₂O). Non passano molecole grandi (es. glucosio, saccarosio) e ioni (perché sono carichi, e in ambiente acquoso sono accompagnati dal guscio di solvatazione).

Proteine transmembrana di tipo trasportatore

Le proteine trasportatrici portano molecole polari e ioni. Sono proteine transmembrana che si legano al soluto e lo portano all’altro lato del doppio strato fosfolipidico. Questi trasportatori sono anche noti come carrier o permeasi passive. La proteina presenta uno o più siti di legame specifici per il soluto; una volta legatasi ad esso, cambia conformazione e lo trasporta. Questo tipo di trasporto può essere bloccato tramite:

• Inibitori competitivi: vanno a legarsi nello stesso punto in cui si legherebbe il soluto, che non può più quindi essere trasportato
• Inibitori non competitivi: si legano alla proteina, ma in un sito diverso da quello del soluto, con un legame che ne cambia la conformazione e ne compromette il funzionamento.

Proteine transmembrana di tipo canale

La proteina forma un canale acquoso attraversato dai soluti che devono passare (ioni inorganici). Le proteine transmembrana possono essere chiuse o aperte; quando sono aperte, la membrana viene attraversata molto velocemente da un gran numero di ioni, (velocità maggiore del trasportatore di circa 100.000 volte) I canali ionici sono selettivi; c’è lo spazio solo per uno ione di una data dimensione. Sono presenti delle protusioni che fungono da cancelli, che si aprono in risposta a determinati stimoli:

• Cambiamento di voltaggio (potenziale di membrana)
• Dopo l’attacco di un ligando (molecola neurotrasmettitore, ione, nucleotide)
• In seguito a stress meccanico

Attacco di un ligando

I canali ionici regolati da ligando si trovano sulla membrana della cellula post-sinaptica.

• Neurotrasmettitori eccitatori: aprono i canali cationici provocando un afflusso di Na+; il potenziale si alza da -70 mV al livello soglia per aprire i canali.
• Neurotrasmettitori inibitori: fanno fluire nella cellula ioni Cl-, e il potenziale si abbassa.

Questi canali sono bersagli di farmaci, ad esempio il curaro (rilassa la muscolatura) o i barbiturici (inducono sonnolenza).

Cambiamento di voltaggio

I canali ionici regolati da voltaggio si trovano lungo l’assone del neurone e sono responsabili della trasmissione dell’impulso elettrico, che arriva al terminale e determina la liberazione del neurotrasmettitore.

Trasporto attivo

Avviene contro gradiente, ed interessa ioni e piccole molecole. Funziona tramite le pompe di membrana, o permeasi attive:

• Uniporto: un soluto trasportato in una direzione
• Simporto: due soluti contemporaneamente, nella stessa direzione
• Antiporto: due soluti contemporaneamente, in direzioni opposte

Si divide in trasporto attivo primario e secondario, in base al tipo di energia utilizzata.

Trasporto attivo primario

Viene utilizzata ATP, idrolizzata dalla cellula; le pompe si chiamano ATPasi.

ATP: adenina + ribosio + 3 gruppi fosfato

L’ATP viene idrolizzata formando ADP +P (fosfato inorganico, va a legarsi alle proteine trasportatrici e ne cambia la conformazione) + Energia.

Ci sono 3 tipi di ATPasi:

• Pompe ABC
• Pompe protoniche
• Pompe P

Pompe ABC

I trasportatori ABC trasportano piccole molecole e hanno varie conformazioni in base alla cellula. Assumono un ruolo chiave nelle cellule tumorali; ne fanno in fatti sviluppare resistenza ai farmaci. → Proteine della resistenza multipla ai farmaci (MDR), espellono più farmaci dalla cellula.

Pompe protoniche

Trasportano protoni. Si distinguono in pompe di tipo V e pompe di tipo F.

Pompe di tipo V (ATPasi): pompano protoni contro gradiente. Si trovano sulla membrana dei lisosomi e sono presenti nelle membrane degli organelli coinvolti nel trasporto di protoni.