Laboratorio di biochimica e proteine

Cellula

La cellula è l’unità fondamentale di tutti gli organismi viventi perché sono tutti costituiti da cellule. In particolare, la cellula è l’unità fondamentale:

• Della struttura: perché è strutturata da cellule
• Della funzione: nelle cellule avvengono tutte quelle reazioni fondamentali all’uomo (reazioni metaboliche…)
• Della riproduzione: tutte le cellule derivano sempre da altre cellule preesistenti. Per organismi unicellulari è più facile (es. come si riproduce un batterio? Si riproducono dividendosi a metà).

Nell’essere umano, il gamete femminile si fonde al gamete maschile e si forma lo zigote che poi si origina con la divisione attraverso la mitosi. I gameti non contengono 46 cromosomi ma la metà, cioè 23.

Misure microscopiche

• 1 micrometro equivale a 1 millesimo di millimetro
• 1 nanometro equivale a 1 millesimo di micron
• 1 angstrom equivale a 1 millesimo di nanometro

La cellula: eucarioti e procarioti

Procariote

Struttura semplice e meno organizzata; non hanno un nucleo osservabile e sono definite da una membrana.

Eucariote

Struttura interna complessa e organizzata in compartimenti. Hanno la membrana con all’interno diversi organuli che dividono il citoplasma in diversi compartimenti. È presente un nucleo visibile e il DNA è al suo interno separato dal citoplasma. I geni servono alla produzione di proteine e si trovano nel DNA, che a sua volta si trova nelle cellule.

Principali elementi di struttura della cellula

Matrice extracellulare

(ECM) Tutte le nostre cellule hanno una matrice extracellulare. Le cellule producono la matrice extracellulare, e le principali componenti della matrice sono le glicoproteine prodotte dalla cellula stessa. La proteina più importante è il collagene che forma robuste fibre. Un’altra proteina è la fibronectina che interagisce con le integrine. Le integrine sono proteine recettoriali, localizzate sulla membrana plasmatica e l’attraversano legandosi al citoscheletro. Tutte le cellule devono essere in grado di comunicare tra loro per formare tessuti, apparati e organi.

Nei tessuti epiteliali ci sono dei tipi di contatto:

• Giunzioni occludenti: saldano le membrane plasmatiche
• Desmosoma: caratterizzato da filamenti chiamati filamenti intermedi costituiti dalle cheratine. Funzione dei desmosomi: agganciare le cellule a un’altra cellula attraversando, attraverso i filamenti, una cellula e poi l’altra. La cheratina è una proteina forte.
• Giunzioni comunicanti: sembrano dei canali. Sono costituite da proteine che formano dei canali che collegano una cellula all’altra. Grazie a questi canali è possibile il passaggio di ioni e piccole molecole da una cellula all’altra (tessuto del muscolo cardiaco).

Membrana cellulare

Il suo scopo è quello di delimitare l’ambiente cellulare e separarlo dall’ambiente esterno, impedendo che le sostanze esterne entrino nella cellula. Regola il passaggio di sostanze all’interno della cellula. Recepisce i segnali che arrivano dall’esterno in modo da preparare la cellula a un comportamento adeguato. Componenti della membrana: lipidi, proteine e carboidrati.

Modello di membrana

• Doppio strato di fosfolipidi (teste polari che da un lato e dall’altro sono rivolte verso l’esterno della cellula, perché le teste essendo idrofile è bene che stiano a contatto con il fluido)
• Uniti da delle code idrofoBiche, quindi non essendo amanti dell’acqua queste sono rivolte verso l’interno
• Ci sono delle proteine, alcune trapassano la membrana da parte a parte, altre no

Nella membrana si avranno parti di:

Lipidi

I fosfolipidi sono disposti a formare un doppio strato con le teste esposte alla superficie della membrana e le code rivolte l’una verso le altre nello strato interno.

Proteine

Hanno un ruolo funzionale, quasi come sempre per le proteine, esse formano un aggancio per delle proteine presenti nella matrice. Altre proteine hanno funzione di trasporto, dall’esterno all’interno, alcune trasportano molecole di glucosio; si hanno proteine extracellulari che trasportano gli ormoni. Alcune proteine trasmettitori funzionano anche come neurotrasmettitori, quindi fanno entrare degli ioni all'interno della cellula.

Carboidrati

Sono costituiti da catene, più o meno lunghe e ramificate di monosaccaridi, che si trovano sulla superficie esterna. I carboidrati sono coinvolti nella struttura e nelle funzioni dei cosiddetti recettori di membrana, che riconoscono sostanze specifiche o altre cellule.

Nucleo

Il nucleo è posto al cuore della nostra cellula, quindi al centro di essa. Il nucleo (come scritto sopra) contiene una serie di organuli cellulari e membrane (la foto è stata fatta con un colorante che colora le parti delle cellule in grigio e grigio scuro). Contiene DNA, tutti e 3 i tipi di RNA, proteine ed enzimi (in particolare tutti quelli che rendono possibile la replicazione del DNA, e la trascrizione del DNA la quale avviene in tutte le nostre cellule, quindi la sintesi proteica è costante nelle nostre cellule), sono presenti anche altre proteine (quelle legate al DNA ovvero gli istoni, i quali sono proteine basiche che si legano al DNA), ATP (che sono molecole in cui è custodita energia, ed è fondamentale per le varie sintesi), nucleotidi (quindi le basi azotate). Il nucleo è il posto nel quale viene depositato e custodito il materiale genetico, ma è anche luogo di replicazione del contenuto genetico.

A partire dall’esterno il nucleo è delimitato da una doppia membrana nucleare (carioteca), e all’interno di questa carioteca vi sono dei pori nucleari (i punti di intersezione nell’immagine). All’interno vi è il nucleoplasma, che contiene cromatina e nucleolo. All’interno del nucleo è presente il nucleolo, luogo dove viene sintetizzato rRNA, e nelle cellule ce ne può essere uno come anche 3 o 4. Il DNA non deve uscire dal nucleo, ma dall’esterno all’interno c’è un continuo scambio con (dal nucleo al citoplasma) :

• RNA di trasporto
• Tutti i nostri RNA per le sintesi proteiche (soprattutto mRNA), questi originano nel nucleo ma dai porti nucleari passano nel citoplasma.

Dal citoplasma al nucleo invece passano:

• Proteine
• Nucleotidi
• ATP

Nucleo nello specifico

Il punto 5 rappresenta il reticolo endoplasmatico.

Reticolo endoplasmatico

(Questa foto è l'interno di una cellula epatica, e lo si riconosce da queste parti molto più scure; e si chiamano “rosette di glicogeno”)

Apparato di Golgi

Prende il nome dal ricercatore biologo italiano che lo ha scoperto, e per questa scoperta ricevette il premio Nobel a inizio 900. Questo apparato, come i reticoli, è costituito da membrane che formano dei sacchetti molto piatti e che sono collegati da diversi tubuli, e si trovano in varie regioni del citoplasma. Questo apparato riceve proteine e lipidi che sono stati sintetizzati nei reticoli. Le proteine vengono tradotte, e una volta letta la sequenza degli amminoacidi non possono mantenere più la forma che avevano in precedenza, ma devono acquisire almeno una struttura terziaria, che è il ripiegamento tridimensionale che permette alle proteine di svolgere la propria funzione.

Talvolta questo ripiegamento non è sufficiente e devono essere aggiunti dei gruppi carbossilici o metili per svolgere il proprio funzionamento al meglio. La presenza delle vescicole sono vescicole che arrivano ai reticoli, e contengono proteine e lipidi che devono essere modificati. Queste si legano alle cisterne e rilasciano il loro contenuto, e dentro alle cisterne ci sono degli enzimi che modificano queste macromolecole. Alla fine si formano altre vescicole, e queste contengono proteine e lipidi che sono state modificate in precedenza; dopo poi si staccano (gemmano dall’apparato), e vengono rilasciate nel citoplasma. I lisosomi sono organuli cellulari vescicolari e sono delimitati da una singola membrana. Questi si formano ed originano dall'apparato di Golgi, da quest’ultimo vengono emessi enzimi idrolitici (perché in grado di scindere alcune macromolecole) e racchiusi in vescicole. Queste vescicole si staccano dall'apparato e prendono il nome di lisosomi.

La differenza dei lisosomi è che all’interno di essi vi è un pH acido, mentre nelle altre vescicole no. Questo perché, per svolgere la loro funzione devono stare in un ambiente acido, che però deve stare separato dal resto del citoplasma. Il compito dei lisosomi primari è quello di inglobare parti della cellula, o proteine o organuli che non funzionano più, scinderle nei loro componenti di base ed infine liberarli nel citoplasma per fare in modo che la cellula possa riutilizzarli. Nei lisosomi secondari avviene la digestione di tutte queste macromolecole. I lisosomi rappresentano per la cellula, il luogo dove avviene il riciclaggio cellulare, se banalmente una proteina non funziona bene, viene presa e il lisosoma la scinde nei suoi monomeri di base, così da poter essere utilizzati per sintetizzare altre proteine; accade lo stesso per altre parti della cellula.

Perossisomi

Sono organelli (conosciuto anche con il termine di micro corpo) separato dal citoplasma da una membrana e ubiquitario negli eucarioti. I perossisomi sono organelli con attività ossidasica. Questi organelli svolgono un ruolo fondamentale nel metabolismo dei lipidi e nella conversione di specie reattive dell'ossigeno. I perossisomi sono coinvolti nel catabolismo di acidi grassi a catena lunga, acidi grassi a catena ramificata. Funzioni; alcuni usano l’ossigeno per scindere gli acidi grassi in molecole più piccole che possono essere trasferite nei mitocondri e utilizzate come combustibile; oppure hanno la funzione detossificante nei confronti dell'alcol e di altri composti nocivi, trasferendo l’idrogeno di tali sostanze all’ossigeno.

Droplets di lipidi

Le figure circolari sono i droplets di lipidi. Sono presenti inoltre in tutte le nostre cellule. La loro funzione è quella di immagazzinare lipidi neutri (quindi trigliceridi). Nella superficie esterna sono ricche di proteine, e alcune di queste sono strutturali, mentre altre hanno un ruolo funzionale. (Quella più studiata è la ATGL, ha un sito catalitico grazie al quale riesce ad attaccare i trigliceridi alle droplets, e scinde il primo acido grasso). Questo nelle cellule muscolari è molto particolare e diverso; nel muscolo si troveranno 2 proteine in maniera abbondante, e queste due formano una componente essenziale dei sarcomeri e tutte assieme consentono la contrazione muscolare.

Centrioli

I centrioli sono dei cilindri di piccole dimensioni.

Molecole lipidiche

Colesterolo

Può essere presente in forma libera o esterificata. Può provenire sia dagli alimenti (quindi possiamo assumerlo tramite la dieta giornaliera), o lo si può sintetizzare. Nel nostro corpo non abbiamo meccanismi di degradazione del colesterolo. Ha 3 funzioni fondamentali:

• È precursore di alcune sostanze biologiche di fondamentale importanza
• Partecipa alla struttura di tutte le membrane biologiche
• Contribuisce al trasporto in circolo degli acidi grassi

È una molecola idrofobica. L’estere del colesterolo è una struttura completamente idrofobica ed è presente all’interno delle lipid droplets.

Acidi grassi

Anche loro possono presentarsi in forma libera o in forma esterificata (trigliceridi). Sono sintetizzabili dall'organismo.

Actina, miosina e motori molecolari

Gli organismi si muovono, le cellule si muovono e anche gli organelli e le macromolecole dentro le cellule si muovono. La maggior parte di questi movimenti derivano dall’attività di motori molecolari costituiti da proteine. I motori proteici sfruttano l’energia chimica fornita da ATP. Qui è rappresentata la divisione cellulare (ovvero mitosi), tutte le nostre cellule somatiche si dividono, esclusi i gameti. Durante la mitosi la cellula deve dividere il DNA (infatti prima tutto il DNA viene duplicato), e durante la mitosi il DNA viene diviso in 2 parti uguali. Ciascun cromatidio di ciascun cromosoma migra verso i poli opposti della cellula; e questo accade perché nel centromero ci sono delle proteine speciali (che funzionano da motore), poiché queste si attivano e camminano verso le fibre del fuso, e nel mentre si trascinano i cromatidi, uno in un verso e l'altro in quello opposto. Queste proteine funzionano perché consumano ATP, e così avviene il movimento dei cromosomi (solo che essendo una cosa così microscopica è impossibile vedere questa cosa).

Prendiamo in esempio il ghepardo, il suo movimento così veloce, è un susseguirsi di movimenti microscopici che permettono ai muscoli di muoversi così velocemente. Questi movimenti macroscopici sono delle interazioni tra le proteine che compongono un motore molecolare.

Actina

È una proteina globulare, chiamata G-actina. Quello sopra è un filamento di actina; mentre se ci riferiamo al disegno sotto, ogni pallino è una proteina globulare, che tutte insieme compongono un filamento di actina.