Riassunto esame Biologia cellulare, Prof. Perin Paola, libro consigliato L’essenziale di biologia molecolare della cellula , Bruce Alberts

Biologia animale: struttura della cellula

Le cellule possono essere sole o tante, organismi mono/pluricellulari, sono alla base degli organismi.

La molecola è la più piccola unità strutturale di un composto chimico che può contenere allo stato libero e che ne mantiene le proprietà chimiche medesime. Può essere mono o poliatomica, atomi uguali o diversi.

La cellula è l’unità fondamentale dei viventi, contiene acidi nucleici che a loro volta contengono l’informazione usata per produrre proteine che forniscono l’attività catalitica per replicare gli acidi nucleici in modo autosufficiente quando vengono forniti energia e sostanze nutritive.

L’informazione degli acidi nucleici serve per riprodurre altri acidi nucleici e devono essere fornite energia e sostanze nutritive. Un virus però non è una cellula perché può autoriprodursi.

La cellula possiede una membrana plasmatica e il citosol che a sua volta contiene organelli: nucleo, membrana nucleare, reticolo endoplasmatico, apparato di Golgi, mitocondri, lisosomi, perossisomi, vescicole, citoscheletro.

Contiene molecole organiche formate da C, H, O, N nel 99%. Il 70% invece è formato da acqua. Il carbonio presenta 4 legami covalenti e sono strutture lineari e acicliche.

Nella cellula è tutto un ambiente acquoso; i legami ionici sono più deboli perché appunto inseriti in acqua, quelli covalenti restano invece più stabili, perché i gruppi carichi vengono secerniti dall’interazione con le molecole dell’acqua.

Le macromolecole hanno forme complesse, i legami ionici possono diventare forti se c’è la giusta struttura che vieta all’acqua di non entrare.

Ci sono legami a idrogeno nelle cellule e legami di Van Der Waals, dipoli indotti. Nei legami covalenti polari uno degli atomi, di solito H, ha una parziale carica positiva che ne consente un debole legame con un atomo con parziale carica negativa.

Sono presenti molecole idrofiliche e idrofobiche. Nelle macromolecole ci sono poi sia legami deboli che forti, ad esempio nelle proteine.

I legami deboli sono essenziali per la conformazione e interazione di macromolecole.

Idrofiliche sono ad esempio sostanze ioniche/polari. Si sciolgono spontaneamente in acqua, composte da ioni e molecole polari che attraggono le molecole di acqua per interazione elettrica. Le molecole di acqua circondano ogni ione e/o molecola polare che si trovi sulla superficie di un solido e lo portano all’interno.

Macromolecole

Una cellula batterica ha il 70% di acqua, 4% ioni o molecole piccole, 2% fosfolipidi, 24% macromolecole. Queste ultime composte da: polisaccaridi, 2%, proteine, 15%, acidi nucleici, 6%, e acidi grassi, grassi, lipidi, membrane.

Le macromolecole sono polimeri composti da subunità elementari, monomeri. Sono presenti soprattutto proteine nelle cellule.

Le macromolecole formano aggregati macromolecolari che sono tenuti insieme da legami deboli, esempio i ribosomi.

Si passa da monomeri a macromolecole con condensazione, cioè liberazione di acqua, spendendo energia: la condensazione non è spontanea.

Grazie all’idrolisi si passa da macromolecole a monomeri, energicamente favoriti, attraverso un consumo di acqua.

Zuccheri

Monosaccaridi

La struttura aperta degli zuccheri è poco usata, infatti si usa di più quella ciclica, perché in soluzione acquosa il gruppo aldeico o chetonico di una molecola di zucchero tende a reagire con un gruppo ossidrilico della stessa molecola che si chiude ad anello.

Polisaccaridi

I polisaccaridi sono catene di monosaccaridi formate per condensazione in posizione 1 e 6 e si forma il glicogeno, polimero di deposito degli zuccheri, dal quale poi vengono rimessi in circolo gli zuccheri.

Disaccaridi —> il C con aldeide o chetone può reagire con un -COOH di un altro zucchero. I più famosi sono maltosio, glucosio + glucosio, lattosio, galattosio + glucosio, saccarosio, glucosio + fruttosio.

Oligosaccaridi/polisaccaridi —> i primi sono catene corte mentre i secondi sono catene lunghe. Possono esserci ramificazioni come nel glucosio.

Amminoacidi

Sono composti da C centrale, 2, più ammine, H e gruppo funzionale variabile. Ci sono 20 tipi di amminoacidi.

Formano le proteine con legame peptidico tra gruppo amminico e gruppo carbossilico. Questo tipo di legame è rigido e non può ruotare. Le proteine infatti sono catene di amminoacidi, dove i carboni alfa possono ruotare come vogliono. È un legame ammidico.

La sequenza di amminoacidi in una proteina ne determina forma e funzione. Il codice genetico specifica quali sequenze proteiche vengono costruite da una data cellula.

Acidi nucleici

Nucleotidi

Sono formati da uno zucchero, ribosio e deossiribosio, legato a un fosfato sul C5, ossidrile, e a una base azotata sul C1. Quindi lo zucchero + una base azotata = nucleotide.

• Purine —> adenina, guanina, doppio anello.
• Pirimidine —> uracile, timina e citosina, unico anello. Questi cinque formano le basi azotate.
• ATP —> fornisce energia nelle reazioni biochimiche e nei processi cellulari.

I nucleotidi formano gli acidi nucleici:

• DNA: deossiribonucleico, conserva l’informazione genetica.
• RNA: ribonucleico, trasporta l’informazione genetica. Muta facilmente.

I nucleotidi si uniscono tra loro con legame fosfodiestere tra gli atomi di C 3’ e 5’ per formare gli acidi nucleici.

ATP fornisce energia ogni volta che si stacca un gruppo fosfato perché il legame è molto energetico.

Metabolismo

I metaboliti producono energia.

Anticamente non c’era ossigeno e c’erano trasformazioni anaerobie, per esempio la glicolisi e la fotosintesi, la quale poi ha portato all’ossigeno.

Ipotesi endosimbiote: il simbiotico era un batterio che fu inglobato in un’altra cellula, è diventato simbionte e favorisce fosforilazione ossidativa alla cellula che prima non poteva farla.

Metabolismo cellulare —> catabolismo + anabolismo. Processi che avvengono continuamente per contrastare l’aumento di entropia e mantenere le giuste condizioni cellulari, ovvero per mantenere le cellule in omeostasi.

• Anabolismo —> reazione energicamente sfavorita.
• Catabolismo —> reazione energicamente favorita.
• Reazioni accoppiate —> la reazione sfavorita è ingranata con la favorita e viene portata avanti perché ΔG delle due reazioni accoppiate è <0. Si possono accoppiare se hanno uno o più intermedi in comune, così ΔGtot = somma ΔG singoli.

L’idrolisi dell’ATP, diminuisce G, consente la reazione che aumenta G se viene accoppiata a queste. L’ATP viene usata anche in sintesi.

Catalizzatore —> proteina, enzimi, che abbassa l’energia di attivazione, EA.

Lipidi

Sono catene idrocarburiche idrofobe. Sono insolubili in acqua e si sciolgono in soluzione organica. Hanno un gruppo carbonile acido che dà luogo parzialmente a due esteri e ammidi. Hanno catene di diversa lunghezza e diversi doppi legami per numero o posizione. Sono fonte di energia.

• Trigliceridi —> 3 acidi grassi legati a una molecola di glicerolo.
• Acidi grassi —> acidi carbossilici con lunghe catene idrocarburiche con doppi legami, insaturi, o senza, saturi. Il doppio legame è rigido e produce un gomito nella catena. Il resto della catena può ruotare intorno agli altri legami C-C.
• Triacilgliceroli —> sono esterificati al glicerolo di acidi grassi.
• Fosfolipidi —> si trovano nelle membrane. 2 -OH del glicerolo sono legati ad acidi grassi, il terzo -OH è legato all’acido fosforico. Il solfato è legato a un piccolo gruppo polare di vario genere.

Aggregati lipidici —> gli acidi grassi possono formare una pellicola superficiale o piccole micelle. I loro derivati possono formare aggregati più grandi tenuti insieme da forze idrofobiche.

I trigliceridi formano grosse goccioline, 200 nm, oleose sferiche nel citoplasma cellulare. Fosfolipidi e glicopidi formano strati autosigillanti, base della membrana.

Membrana cellulare

È presente in tutte le cellule e le delimita. È lipidica idrofoba. Negli eucarioti ci sono tante membrane. Possono essere doppie, i lisosomi ne hanno una, mitocondri e nucleo due.

Serve per fare da barriera per l’informazione interna che non deve uscire e inoltre seleziona le informazioni esterne che entrano. Ci sono recettori per particolari segnali sulle membrane. Fa da barriera alle piccole molecole e alle sostanze di passaggio o ne permette l’ingresso/uscita di sostanze nutritive e scarti.

Serve a far muovere le cellule insieme al citoscheletro: si incastrano le parti del citoscheletro e della matrice e possono girare la cellula nei suoi movimenti.

Divide ambiente esterno da interno. Gli ioni non passano bene nella membrana, servono canali, trasportatori e pompe, e se passa solo l’acqua si ha un problema osmotico nelle cellule animali.

Nelle cellule vegetali intorno c’è una barriera che ne mantiene la forma, impermeabile a tante sostanze. Hanno valvole che possono espellere acqua in seguito.

La membrana mantiene gli equilibri osmotici.

È sottile, 5 nm, costituita da un doppio strato lipidico, con le teste verso l’acqua e le code verso l’interno della membrana, dentro ci sono proteine di membrana.

Lipidi della membrana

I lipidi sono idrocarburi idrofobi con alla fine un carbossile mentre le catene -R possono essere sature o insature, più lunghe/più corte. La catena conferisce diverse fluidità di struttura, di solito dai 14 a 20 C nei trigliceridi. Dove ci sono i C-C ci sono dei ripiegamenti nella catena che dà fluidità alla struttura.

Nei trigliceridi si deposita il grasso negli organismi, non si trovano nella membrana di solito perché sono apolari. In sostanza acquosa formano goccioline sferiche difficili da digerire.

Nelle membrane sono presenti fosfolipidi che hanno due catene R con glicerolo e un gruppo fosfato legato a un gruppo idrofilico, ad esempio la serina, colina, cioè polare. Essendo che le catene R sono idrofobe sono anfipatiche, una parte idrofoba e una idrofila.

In acqua formano un doppio strato con testa verso la parte acquosa. Poi ci sono altri lipidi nella membrana che sono tutti anfipatici.

Gli steroidi sono derivati del colesterolo. Hanno il colesterolo attaccato a un gruppo OH che fa da testa idrofila. Steroidi e glicolipidi hanno degli zuccheri attaccati e sono importanti per il riconoscimento in quanto sono orientati verso la membrana.

I fosfolipidi in acqua formano vescicole, liposomi, con acqua all’esterno e all’interno, doppio strato. Questa conformazione minimizza l’energia del sistema.

I lipidi si muovono bene lateralmente, possono ruotare su se stessi o muovere le code e raramente fare il flip-flop, quando si sposta da un lato all’altro. Di solito in una membrana avviene un flip-flop di una molecola al mese.

Fosfolipidi e colesterolo sono prodotti nel reticolo endoplasmatico liscio. Sono sintetizzati da proteine, la scramblasi, che sposta i fosfolipidi da un foglietto della membrana all’altra finché questa non è più curvata, cioè che ha curvatura 0. Alla fine la membrana cresce lateralmente mentre le vescicole spostano i fosfolipidi in altre parti della cellula, ad esempio nel Golgi.

Nell’apparato di Golgi ci sono le flippasi che portano a fare il flip-flop di fosfolipidi in modo mirato e non a caso.

Così nelle cellule alcuni tipi di lipidi si trovano solo in uno dei foglietti della membrana, così la cellula può mandare dei segnali. Il Golgi aggiunge lipidi solo da una parte, verso il lume, non all’esterno. Quando poi la vescicola che si stacca dal Golgi si apre, si avrà quello che prima era verso il lumen del Golgi, verso l’esterno. Quello che era rivolto verso il reticolo citoplasma resta rivolto verso esso.

L’assimetria delle teste lipidiche è fondamentale perché alcuni lipidi hanno funzione di segnale per il citosol, mentre altri per l’ambiente esterno. Altri ancora la presenza nel foglietto esterno è un segnale che induce la fagocitosi; viene spostata da alcuni enzimi.

Il colesterolo è distribuito in modo più o meno omogeneo tra i due foglietti perché non ha una sua flippasi. La quantità di colesterolo è regolata all’interno della membrana perché esso è molto più rigido dei fosfolipidi e quindi dà rigidità alla membrana. Ci sono regioni con molto colesterolo, le zattere lipidiche che sono più dense e servono per organizzare segnali sulla membrana.

La tela fosfolipidica fornisce alle membrane le sue proprietà biofisiche di base, le proprietà funzionali sono date dalle proteine.

Proteine di membrana

Le proteine di membrana sono almeno il 50% della membrana, del suo peso, e danno le proprietà funzionali.

• Transmembrana —> attraversano l’intera membrana anche più volte e possono essere associate a un solo foglietto, associate a un fosfolipide oppure ancorate ai lipidi.
• Periferiche —> danno luogo a legami deboli con altre proteine della membrana, possono essere “tolte” facilmente dalla membrana.

Le proteine sono fatte da amminoacidi, legati con legame peptidico. Lateralmente formano il backbone della proteina. Nelle proteine integrali di membrana si devono avere amminoacidi lipofili ai lati perché devono interagire con i lipidi di membrana. I residui laterali sono variabili.

Struttura primaria

È lineare, formata da sequenze di amminoacidi. Si legge a partire dall’estremità N terminale alla C terminale, ogni amminoacido ha due codici, uno a 1 lettera e uno a 3 lettere, per essere nominato.

La proteina può ripiegarsi in tanti modi diversi: bisogna vedere il plot di idrofobicità dove le regioni idrofobiche attraversano la membrana, quelle idrofile restano al di fuori.

Struttura secondaria

Dice come ruotano i legami del C alfa, quei due legami si chiamano PHI e PSI, se si mettono in un grafico si ottiene il grafico di Ramachandran che indica quali sono gli angoli consentiti per ciascun amminoacido. La maggior parte degli angoli si raggruppano in due regioni = alfa elica e beta foglietto.

Alfa elica: struttura a elica impilate su se stesse. Nei legami peptidici la parziale carica positiva e negativa si attraggono e stabilizzano la struttura. Si trova spesso perché è stabile. Le distanze di un’alfa elica sono di 0,54 nm tra un “giro” e l’altro. Per formare la membrana servono 10 giri di elica.

Beta foglietto: struttura a foglietto ripiegata su se stesso.

Struttura terziaria

È dovuta cumulativamente a tutti i legami che si creano tra le varie parti della proteina. Le parti non polari danno legami di Van Der Waals tra di loro. Quelle polari si legano o con le altre o con acqua. Si possono avere legami a idrogeno. I legami con H, cisteina, possono dare legami covalenti.

Ad esempio un’alfa elica può avere una striscia di amminoacidi idrofobi e altri idrofili, spesso si ha un’associazione arrotolandosi tra loro due alfa eliche, gli amminoacidi lipofili delle due si affacciano tra dei loro.

Se una proteina è grossa ha domini particolari, con sempre la stessa forma in varie proteine anche se gli amminoacidi sono diversi, quindi la struttura tridimensionale è uguale. Ciascun dominio nelle proteine è legato agli altri da una “striscia” di amminoacidi.

Struttura quaternaria

Una proteina funzionale, emoglobina, può essere composta da più di una catena polipeptidica diversa.

Quindi nella membrana si hanno alfa eliche e beta foglietto. Ci sono dei canali che fanno un passaggio idrofilo all’interno della membrana, esempio per gli ioni, i canali ionici.

Fuori si ha una regione idrofoba, per stare a contatto con la membrana, e dentro idrofila, per far passare gli ioni.

Il legame con le proteine integrali della membrana è tanto forte che servono dei detergenti che si sostituiscono alle code lipidiche per farle staccare dalla membrana.

Classi di proteine di membrana

• Supporto meccanico: ha il compito di ancorare una cellula a una matrice extracellulare o ancorare la membrana al citoscheletro.
• Recettori: da una parte sente un segnale e dall’altra parte invia un altro segnale per dare una risposta cellulare.
• Enzimi: catalizzano reazioni, hanno un sito catalizzatore. Alcuni recettori possono avere attività enzimatica, ad esempio recettori che attivano canali ionici quando si legano a un ligando.
• Trasportatori e canali: per far passare anche sostanze idrofile.

Una sola proteina può far parte di più classi. Sotto tutte le membrane plasmatiche c’è una cortex nel citoscheletro che mantiene rigidità e resistenza meccanica alla membrana.

Movimenti delle proteine di membrana

È possibile far fondere le cellule vedendo così che le proteine delle due cellule si distribuiscono in modo omogeneo nella nuova cellula formata.

In condizioni fisiologiche si hanno delle restrizioni alla mobilità laterale delle proteine, perché sono attaccate a proteine del citoscheletro oppure legami con la matrice extracellulare. Oppure proteine di una cellula possono legarsi con proteine uguali di una cellula di fianco o con giunzioni occludenti che bloccano la motilità di proteine e lipidi, soprattutto negli epiteli.

L’ambiente esterno regola la localizzazione, essenziale per la funzione.

Ad esempio nell’epitelio intestinale la regione apicale, basale e laterale della membrana contengono proteine diverse: alcune proteine ristrette alla parte basale o apicale sono di trasporto. Nella parte apicale si ha un cotrasporto che sposta il gl