Biologia molecolare e cellulare (struttura, funzioni, meccanismi e riproduzione della cellula eucariotica)

Le macromolecole

Le macromolecole possono essere dei polimeri, cioè molecole enormi composte da unità ripetute, di cui l’unità che si ripete è detta monomero. Sono composte solo da circa una ventina dei 96 elementi presenti in natura (C, H, O, N, P...).

Proteine

Le proteine sono lunghe catene di aminoacidi (di cui ne esistono circa 20 tipi diversi). Ogni aminoacido è costituito da:

• Aminoacidi essenziali: quelli che l'organismo non può produrre da solo e devono essere acquisiti attraverso la dieta o gli integratori;
• Aminoacidi non essenziali: non sono necessari all'organismo per funzionare correttamente, ma svolgono comunque un ruolo importante nella salute generale.

Le proteine possono essere:

• Single-pass integral protein;
• Multi-pass integral protein;
• Monotropic protein;
• Extrinsic protein.

Acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono molecole biologiche costituite da una serie di nucleotidi ognuno costituito da:

Le basi azotate sono:

• Pirimidiniche (citosina, timina, uracile);
• Puriniche (guanina, adenina).

Carboidrati

I carboidrati possono essere polisaccaridi o semplici (monosaccaridi e disaccaridi). I monosaccaridi sono molecole di formula C_nH_2nO_n. Il loro scheletro carbonioso contiene da 3 a 7 atomi di carbonio e hanno una caratteristica struttura ad anello. Glucosio e fruttosio vengono usati come fonte di energia, rompendo i legami in essi contenuti.

I carboidrati hanno una funzione strutturale (costituiscono strutture) e una funzione di riserva (forniscono energia: a breve termine (mono o disaccaridi); a lungo termine (polisaccaridi come amido e glicogeno)). Essi si trovano: sulla membrana cellulare di tutte le cellule; nella struttura degli acidi nucleici; liberi all’interno delle cellule.

Lipidi

I lipidi sono molecole caratterizzate da lunghe catene di C e H dette acidi grassi e insolubili in acqua. Negli organismi viventi si possono identificare 3 tipi di molecole lipidiche:

• Lipidi neutri (oli e grassi);
• Fosfolipidi;
• Steroidi.

Forme ‘speciali’ di lipidi sono:

• Trigliceridi: si formano per esterificazione di una molecola di glicerolo e tre molecole di acidi grassi. Hanno una funzione di accumulo di energia a lungo termine e di isolamento termico;
• Fosfolipidi: possiedono una testa idrofila e code idrofobe. In ambiente acquoso le code idrofobe si dispongono lontane dall’acqua, mentre le teste idrofile interagiscono con essa, formando un doppio strato. Formano le membrane cellulari;
• Steroidi: costituiti da 4 anelli di atomi di carbonio. Regolano la crescita e lo sviluppo, sono componenti delle membrane cellulari (colesterolo) e costituiscono la base per la sintesi di ormoni, vitamine e sali biliari.

Funzioni dei lipidi

• Riserve molto concentrate di energia;
• Componenti delle membrane cellulari;
• Servono come molecole di combustione;
• Molecole di segnale.

Sali minerali

Sali minerali: svolgono una funzione regolatrice partecipando alle attività cellulari, enzimatiche e metaboliche, una funzione strutturale, sono infatti costituenti di tessuti. Li troviamo allo stato solido nello scheletro e in soluzione nei liquidi extra e intracellulari.

Membrana plasmatica

La membrana plasmatica:

• Riceve e trasmette informazioni;
• Mantiene l’integrità strutturale della cellula;
• Regola la motilità cellulare;
• Permette lo scambio di molecole;
• Separa l’ambiente intracellulare da quello extracellulare.

Lipidi di membrana: molecole relativamente piccole contenenti una regione idrofila e una regione idrofobica. Formano una barriera. Vi sono grassi saturi (testa polare) e grassi insaturi (presentano doppio legame).

La membrana plasmatica non è una struttura rigida: i lipidi si muovono continuamente in senso laterale. La membrana plasmatica è simile a un foglio molto sottile (6nm e 10nm) ed è asimmetrica, discontinua e fluida. Le molecole di lipidi e di proteine sono tenute unite da interazioni non covalenti. Ha un modello “a mosaico fluido”: le membrane cellulari sono costituite da un doppio strato lipidico fluido nel quale le proteine sono incastrate come le tessere di un mosaico. È composta da lipidi, proteine (periferiche, integrali e proteine ancorate ai lipidi) e carboidrati (legati ai lipidi e legati alle proteine).

Proteine di membrana

Proteine di membrana determinano le funzioni caratteristiche delle membrane. Vi sono:

• Proteine integrali;
• Proteine periferiche;
• Proteine ancorate.

Un rapporto proteine/lipidi alto determina una membrana con funzioni specializzate, mentre un rapporto proteine/lipidi basso determina una membrana con funzione di isolamento elettrico. Svolgono differenti funzioni, infatti vi sono:

• Proteine di trasporto;
• Proteine recettoriali;
• Proteine di riconoscimento;
• Proteine di adesione cellulare.

Funzione della membrana plasmatica

La membrana plasmatica ha funzione di:

• Barriera/confine;
• Comunicazione tra cellule e ambiente;
• Regola il trasporto di soluti, secrezione di molecole;
• Omeostasi cellulare: mantenimento di gradienti ionici ed elettrici.

Il trasporto attraverso la membrana plasmatica può essere:

• Trasporto attivo;
• Trasporto passivo (diffusione facilitata e diffusione passiva).

Trasporto attivo

A. Trasporto attivo primario: utilizza proteine di membrana che cambiano conformazione utilizzando l’energia chimica derivata dall’idrolisi dell’ATP in ADP e fosfato. In questo senso tali proteine sono dei veri e propri enzimi e vengono comunemente definite ATPasi.

B. Trasporto attivo secondario: sfrutta l’energia cinetica di uno ione che si muove passivamente secondo il suo gradiente di concentrazione per trasportare una molecola o un altro ione contro gradiente. Le molecole o gli ioni trasportati possono muoversi nella stessa direzione (simporto) oppure in direzione opposta (antiporto).

Trasporto passivo

A. Diffusione facilitata:

• Diffusione semplice: direttamente attraverso la barriera fosfolipidica;
• Diffusione facilitata mediata da “carrier”: diffusione consentita tramite l’intermezzo di proteine “carrier” specifiche per un determinato agente chimico. Il legame con il substrato determina un cambiamento conformazionale della proteina trasportatrice;
• Diffusione facilitata tramite canali mediatori: diffusione tramite una proteina canale (di solito riguarda ioni);
• Osmosi: un processo fisico spontaneo, vale a dire senza apporto esterno di energia, che tende a diluire la soluzione più concentrata, e a ridurre la differenza di concentrazione.

B. Diffusione passiva: le molecole riescono a passare dalla parte più concentrata della membrana alla parte meno concentrata senza utilizzare particolari forme di energia. Questa diffusione avviene secondo gradiente di concentrazione.

Endocitosi ed esocitosi

I materiali di grosse dimensioni attraversano la cellula mediante i processi di endocitosi ed esocitosi.

• Endocitosi:
• Fagocitosi: effettuata da cellule specializzate chiamate fagociti (macrofagi e granulociti). Sono in grado di distruggere batteri, virus o cellule danneggiate/morte.
• Pinocitosi: processo di assunzione di sostanze in fase liquida da parte delle cellule viventi; costituisce la modalità di penetrazione delle macromolecole (spec. proteine) all'interno della cellula, ed è simile al processo della fagocitosi, che consiste nell'ingestione di particelle solide.
• Endocitosi mediata da recettori (e.g. da clatrina): varie molecole di clatrina formano una struttura curva intorno alla vescicola che distorce la membrana causando una curvatura che induce la formazione e la gemmazione delle vescicole.
• Esocitosi: è il processo cellulare con il quale la cellula riversa al suo esterno delle molecole accumulate all'interno di una vescicola, tramite la fusione di quest'ultima con la membrana plasmatica.

Comunicazione cellulare

Le cellule comunicano attraverso diverse modalità:

Come rispondono le cellule ai segnali provenienti dall’ambiente esterno o da altre cellule? Usano messaggi chimici:

• Segnali autocrini;
• Segnali giustacrini;
• Segnali paracrini;
• Ormoni.

La via di trasduzione del segnale procede: segnale -> recettore -> risposta.

Comunicazione cellulare: le cellule possono comunicare tra loro attraverso un contatto intercellulare, il quale avviene attraverso giunzioni (e.g. ancoranti, comunicanti...):

• Giunzioni ancoranti: costituiscono una rete di connessione con i filamenti citoscheletrici di due cellule adiacenti e sono responsabili sia dell’adesione cellula-cellula sia del mantenimento della polarità cellulare. L'ancoraggio delle cellule avviene attraverso interazioni tra la matrice extracellulare e proteine di membrana, dette glicorecettori, appartenenti alla famiglia delle integrine. Attraverso questi 'ponti' molecolari le variazioni della matrice extracellulare possono trasmettere stimolazioni meccaniche e influire sull'organizzazione del citoscheletro; allo stesso modo il citoscheletro può indurre modifiche nella matrice extracellulare.
• Struttura e funzione del glicocalice: costituisce il rivestimento esterno della cellula, composto da glicosamminoglicani e glicoproteine. Funge come filtro molecolare ed è responsabile dell’adesione cellula-cellula, può inoltre contenere enzimi (e.g. epitelio intestinale).
• Giunzioni comunicanti: costituite da una proteina chiamata connessina.