Biologia cellulare - Appunti

Appunti di biologia cellulare

Introduzione

Prof. Calautti, Prof.sa Brancaccio, Prof.sa Ghigo Anno 2021/2022

Indice

• Cellula
• Respirazione cellulare
• Smistamento delle proteine
• Citoscheletro
• Segnalazione intracellulare
• Morte cellulare programmata
• Cancro

Introduzione alla cellula

L'unità fondamentale biologica della vita è la cellula. Perché un organismo possa essere definito vivente deve essere costituito da cellule che a loro volta sono originate dalla divisione di cellule preesistenti: teoria cellulare.

• Tutta la materia vivente è formata da cellule
• Tutte le cellule derivano da altre cellule
• L'informazione genetica è trasmessa da una generazione all'altra
• Le reazioni chimiche che costituiscono il metabolismo avvengono all'interno delle cellule

Gli esseri viventi sono caratterizzati da una serie di caratteristiche che li distinguono dalle cose non viventi:

• Organizzazione cellulare
• Crescita e sviluppo
• Trasformazione energetiche
• Autoregolazione (omeostasi)
• Risposta a stimoli esterni (ricevono info dall'ambiente, elaborano e rispondono all'informazione)
• Riproduzione (autonoma)
• Selezione e adattamento all’ambiente: evoluzione (selezione degli organismi più idonei a un determinato ambiente)

Non possiamo definire viventi organismi e microrganismi come i virus che non sono costituiti da cellule e che non sono caratterizzati da riproduzione autonoma.

Cellule procariotiche

Le cellule procariotiche hanno il materiale genetico organizzato in una struttura chiamata nucleoide che non ha una membrana che separa il nucleo dal resto dell'ambiente. In quella eucariotica è presente una divisione tra nucleo e ambiente e sono presenti più strutture dette organelli (devono essere separate da membrana).

Unità fondamentale: cellula. Ogni cellula contiene altre strutture in cui determinate molecole si organizzano in modo tale da svolgere determinate funzioni. Cellule dello stesso tipo formano i tessuti mentre cellule di diverso tipo formano gli organi. L'insieme degli organi dà origine all'organismo. Molecola ⇒ organulo ⇒ cellula ⇒ tessuto ⇒ organo ⇒ organismo.

Crescita e sviluppo

Crescita (miglioramento quantitativo) implica aumento di volume, di dimensioni e numero delle cellule. Anche gli unicellulari possono accrescere le loro dimensioni al fine di una riproduzione mentre in organismi complessi la crescita non determina per forza una futura riproduzione ma può avere il fine di specializzazione delle cellule.

Sviluppo (miglioramento qualitativo) è la formazione di strutture che prima non esistevano.

Trasformazioni energetiche

Le trasformazioni biochimiche permettono alle cellule di acquisire energia necessaria per compiere lavoro chimico o meccanico. L'insieme delle trasformazioni energetiche biosintetiche prende il nome di metabolismo. L'energia che gli organismi sfruttano nasce dalla radiazione solare, viene usata dagli organismi produttori (intrappolata negli zuccheri) e poi consumati dai consumatori per estrarre l'energia vitale per sostenere i processi biologici.

Autoregolazione

Tentativo costante di raggiungere uno stato di equilibrio interno, noto come omeostasi.

• Feedback negativo: presenza di zucchero attiva enzima, accumulo prodotti e segnale di stop.
• Feedback positivo: produzione attiva enzima, aumento velocità reazione e equilibrio.

Risposta agli stimoli esterni

Gli organismi viventi reagiscono ai cambiamenti dell'ambiente. Molecole specializzate che codificano segnali esterni, noti come recettori (luminosi, per pH, per sostanze specifiche), trasformano il segnale in informazioni che la cellula codifica in modo da poter rispondere: grande reattività delle cellule degli organismi nei confronti dell'ambiente esterno.

Riproduzione

• Asessuata: no bisogno materiale genetico esterno, no variazione materia genetico (eccetto mutazioni)
• Sessuata: contributo genetico esterno, ricombinazione genetica, variabilità genetica, individui con caratteristiche diverse, più probabilità di sopravvivere della specie

Adattamento all'ambiente: selezione ed evoluzione

Adattamenti strutturali, evoluzione attiva in ogni momento della vita.

• Es. varianti di batteri resistenti agli antibiotici: l'evoluzione tende a selezionare delle varianti genetiche capaci di proliferare in presenza dell'antibiotico.
• Es. sviluppo dei tumori: una cellula normale in seguito ad una mutazione acquisisce la capacità di proliferazione incontrollata, e in seguito queste mutazioni vengono selezionate dall'ambiente.

La prima mutazione porta alla selezione di un certo tipo di cellule che poi saranno sottoposte ad altre mutazioni successive. Con l'intervento della terapia vengono selezionate delle varianti genetiche tra dei cloni che hanno imparato a resistere ad essa. Le cellule resistenti alla terapia possono essere causa di ricadute e metastasi.

Teoria di Darwin

• Origine della specie per selezione naturale
• Concetto unificante della biologia
• Ogni membro di una specie è diverso
• La prole è sovrabbondante
• Competizione per le risorse
• Trasmissione dei caratteri vantaggiosi

I tre temi fondamentali della biologia

• Evoluzione: tutti gli organismi si sono evoluti a partire da forme di vita primordiali
• Trasmissione dell’informazione: le informazioni sono trasmesse all'interno degli organismi e tra gli organismi
• Energia necessaria per la vita: l’energia proveniente dal sole fluisce attraverso i sistemi viventi dai produttori ai consumatori; tutti i processi vitali richiedono energia

Bioenergetica: studia come viene smistata e amministrata l'energia necessaria per la vita, come l’energia proveniente dal sole viene intrappolata negli organismi fotosintetici e come questa venga assunta dai consumatori. Inoltre, si studia come viene utilizzata per costruire biomassa e per spingere le reazioni energetiche che richiedono il suo consumo.

Il dogma centrale della biologia (principio essenziale): il flusso di informazione viaggia dal DNA all’RNA alle proteine.

Sistemi di analisi biologica

Per osservare le strutture cellulari abbiamo bisogno di microscopio ottico (fino a frazione di micron) ed elettronico (fino a molecole individuali).

La biologia ha due fondamentali sistemi di analisi. Il primo è di tipo biochimico, che riguarda l'analisi della composizione, del frazionamento e dello smontamento delle cellule nei loro costituenti elementari, e generalmente in questo modo abbiamo una perdita dell'integrità delle strutture.

Il secondo è rappresentato dall'analisi delle cellule con tecniche di microscopia che ci permettono di analizzarle nel loro insieme, a volte viventi a volte dopo che esse siano state fissate. L'occhio umano ha un potere di risoluzione esprimibile in frazioni di millimetri, viene utilizzato poco nelle analisi delle cellule perché non possiede una risoluzione idonea e quindi ci si avvale di due importantissimi strumenti come il microscopio elettronico e ottico.

Il microscopio ottico ha il potere di risoluzione nella frazione di micron fino ad arrivare a 20-40 nm (nel caso del microscopio a fluorescenza a super risoluzione più recente); quello elettronico, invece, è decisamente più adatto per una risoluzione migliore nello studio di sistemi piccoli. Per potere di risoluzione si intende l'osservazione di due punti potendoli distinguere.

Nel microscopio elettronico si ha una lunghezza d'onda sufficientemente corta per poter passare attraverso le strutture, quindi si forma e si genera un contrasto per evidenziare le strutture subcellulari come gli organelli (virus) fino ad arrivare alle componenti lipidici proteici fino quasi a livello di molecole singole (anche se generalmente l'azione del microscopio elettronico si interrompe nel raggio di alcuni nm anche se potenzialmente avrebbe la capacità di analisi ancora con potere maggiore di risoluzione).

Microscopia ottica

Nell'immagine sottostante vengono illustrate diverse tecniche di microscopia ottica, vi invito a leggerle sui testi dove sono descritte in maniera più dettagliata perché vi possa dare un’idea di quali tipi di microscopia siano più idonei per visualizzare determinati tipi di strutture.

La microscopia a fluorescenza accoppia l'analisi attraverso l'utilizzo del microscopio ottico con l'utilizzo di sonde fluorescenti (generalmente anticorpi che possono essere marcati con sostanze fluorescenti e che emettono a determinate lunghezze d'onda). Tutto ciò ci permette di visualizzare delle strutture subcellulari.

Un altro tipo particolare di microscopia a fluorescenza è quella confocale che ci permette, grazie ad una scansione, di mettere a fuoco dei piani sottilissimi e di ridurre il rumore di fondo dato dalla fluorescenza e ci permette di ottenere delle immagini in alta risoluzione di strutture subcellulari con l'ausilio di sonde.

Microscopia elettronica

Esistono due tipologie di microscopia elettronica:

• A scansione: abbiamo una specie di verniciatura con dei sali di metalli pesanti che riflettono la luce, il fascio di elettroni viene poi catturato per poter ricostruire delle immagini tridimensionali. Nell'immagine microscopica a fianco sono rappresentate le ciglia vibratili dell'apparato respiratorio.
• A trasmissione: è adatto per studiare delle sezioni ultrasottili, il tessuto selezionato viene campionato e sezionato. A seconda del piano della sezione si possono ottenere immagini diverse ottenendo sezioni longitudinali o trasversali.

In entrambi i casi non è possibile vedere cellule vive, è necessario quindi fissare e preparare un campione.

Composizione della cellula

Costituita da 70/80% di acqua e il resto di composti organici (a base di C) come carbonio legato a idrogeno, ossigeno, zolfo, fosforo e ioni di metalli (ferro, calcio, rame, zinco, selenio: catalizzatori). L'acqua è importante per la sua struttura polare, non è elettricamente carica ma è dotata di una polarizzazione, neutra nel complesso ma le cariche sono spostate verso parti specifiche della molecola. L'elettronegatività dell'ossigeno attrae le cariche negative in modo da avere carica positiva sull'idrogeno e negativa sull'ossigeno, formando un dipolo ideale per interagire con molecole cariche.

Ad esempio, il sale. L'acqua è fondamentale per i fenomeni di solvatazione. Se si considera un cristallo di natura salina come NaCl, l'acqua, grazie alla sua funzione e alla sua duplice carica (positiva e negativa), riesce a insinuarsi tra i componenti che sono attratti da forze elettrostatiche. Il sodio viene circondato dalle molecole d'acqua rivolgendo verso il sale la sua porzione negativa (ossigeno). Il cloro, infine, è in un guscio circondato dagli idrogeni che presentano una parziale carica positiva. L'acqua ci permette di classificare le molecole in base alla loro solubilità in acqua: molecole idrofobiche/idrofiliche. Le membrane sono caratterizzate da strutture idrofobiche. Se una molecola è idrofobica passa tranquillamente nella membrana mentre se una molecola è carica ha bisogno di particolari strutture.

Macromolecole

Le macromolecole, come proteine, acidi nucleici, polisaccaridi, sono polimeri formati dall'associazione ripetitiva di monomeri. Ogni macromolecola può avere più funzioni non necessariamente esclusive; ad esempio, sia i carboidrati che le proteine possono avere un ruolo strutturale sostenendo e proteggendo gli organi e i tessuti. Solo gli acidi nucleici sono specializzati nella conservazione dell'informazione. Le funzioni delle macromolecole dipendono dalla loro struttura e dalla forma che assumono nello spazio. Dal momento che sono caratterizzate da grandi dimensioni, le macromolecole contengono un gran numero di gruppi funzionali di diverso tipo, questa diversità di proprietà determina la forma delle macromolecole e le loro interazioni con altre macromolecole o con molecole più piccole.

Dunque, la presenza di monomeri da montare a seconda delle esigenze è fondamentale per l'efficienza. Possibilità di montare (reazioni di condensazione o disidratazione) e smontare (idrolisi) rapidamente le macromolecole: nessuna dipendenza dalla nutrizione in caso di emergenza e possibilità di smontare strutture inutili e non più necessarie per utilizzare i componenti per altre necessità.

Cellule procariotiche

• Organismo più semplici
• Forma sferoide, spiralizzata, bastoncello
• Generalmente di dimensioni inferiori
• In genere unicellulari oppure in aggregazioni di migliaia di individui: film biologici
• No nucleo, no separazione DNA-resto della cellula
• Due domini: bacteria (diversificati e diffusi) e archaea (più antichi, condizioni di vita estreme)
• Membrana cellulare + parete

Nucleoide: zona centrale che contiene il materiale genetico ma non è separato dal resto della cellula. Non delimitato da una membrana. A seconda della composizione della parete cellulare, possiamo classificare i batteri procarioti in due categorie:

• Gram positivi: la parte cellulare esterna è formata da una sostanza detta peptidoglicano. È una sostanza costituita da carboidrati formati da pochi monomeri uniti assieme con amminoacidi. Nel loro insieme la parete cellulare, che è una porzione esterna alla membrana plasmatica, è quindi caratterizzata dalla struttura con doppio strato fosfolipidico e dalla presenza di proteine.
• Gram negativi: è presente un sottile strato di peptidoglicano ma è ricoperto da una spessa membrana a base lipoproteica. L’esterno della parete cellulare è composto da fosfolipidi.

Capsula di polisaccaridi: capacità di interagire col sistema immunitario dell’organismo infettato.
Flagelli: strutture di movimento.

Cellule eucariotiche

Nucleo: componente essenziale della cellula, struttura assente nei procarioti, contiene il materiale genetico (DNA), sede di meccanismi indispensabili alla riproduzione cellulare e alla sintesi proteica, vari gradi di compattazione, separato da una doppia membrana che permette di avere dei pori (nella cisterna perinucleare: spazio tra membrana interna e esterna) che permettono ingresso e uscita delle molecole: involucro nucleare. La membrana esterna è connessa in alcuni punti con il reticolo endoplasmatico ruvido e spesso presenta dei ribosomi aderenti alla superficie citoplasmatica. Le fibre del citoscheletro formano la lamina nucleare che sostiene l’involucro nucleare e contengono la cromatina.

Cromatina: tramite gli istoni il materiale genetico è condensato all'interno del nucleo; la cromatina diffusa si localizza nel nucleoplasma, mentre la cromatina densa vicina alla cisterna perinucleare è ancorata alla lamina nucleare.
Nucleolo: struttura in cui vengono montate le subunità ribosomiali (biogenesi dei ribosomi) che poi usciranno dal nucleo attraverso i pori e si attiveranno solo in presenza di un RNA messaggero. Il nucleolo è la sede della trascrizione dell'RNA dei ribosomi. Comprende:

• Un gruppo di geni che portano l’informazione per gli RNA ribosomiali
• I corrispondenti trascritti di RNA
• Ribosomi neosintetizzati

Mitocondrio

Deriva da un ancestrale fusione con un organismo procariote con una capacità di produrre energia e una cellula eucariota primitiva non dotata di quel tipo di respirazione. La membrana interna è provvista di invaginazioni che formano le creste mitocondriali: catena di trasporto. La matrice mitocondriale contiene enzimi del ciclo di Krebs e ha un suo genoma circolare e i suoi ribosomi (più simili ai ribosomi batterici rispetto a quelli eucariotici).

Funzioni: produzione energetica (respirazione cellulare), programmazione di morte cellulare (apoptosi).
ATP: fonte diretta di energia (7,3 kcal), nucleotide che serve anche come monomero per la costruzione degli acidi nucleici (solubile solo in acqua).

• Lavoro di trasporto: attivo, contro gradiente
• Lavoro meccanico: movimenti cellulari, contrazione muscolare
• Lavoro chimico: assemblaggio di polimeri da monomeri, neosintesi di varie molecole

Membrana cellulare e pareti cellulari (cellule vegetali)

Reticolo endoplasmatico: sistema ininterrotto di concamerazioni e tubuli membranosi.

• Rugoso (RER): presenza di ribosomi, sede di sintesi proteica
• Liscio (REL): detossificazione cellulare e sintesi dei componenti lipidici della membrana

Ribosomi: aggregati di RNA e proteine, sede di sintesi delle proteine. Possono essere legati alle membrane del reticolo endoplasmatico (per le proteine da esporto o di membrana) oppure liberi nel citosol (per le proteine del citosol).

Apparato di Golgi: cisterne (membrane interne) impilate l’una sull’altra da cui gemmano vescicole che contengono proteine dall'apparato di Golgi. Esse vengono elaborate all’interno dell'apparato e vengono modificate e poi secrete attraverso nuove vescicole. Contiene due regioni: cis e trans.

Citoplasma: sostanza gelatinosa costituita da acqua e tutte le componenti idrosolubili libere (ioni, piccole molecole, monomeri, proteine polari non legate a membrane, cofattori, ecc.). Le proteine fanno sì che il citosol sia piuttosto un gel.

Citoscheletro: rete intricata di filamenti proteici che si estende per tutto il citoplasma, fornisce supporto dinamico e consente alla cellula di adottare varie forme, organizzare i numerosi componenti interni, interagire meccanicamente con l'ambiente e muoversi in maniera coordinata.