Appunti di Citologia

Le molecole della vita

Sintesi proteica

Le proteine vengono sintetizzate a partire dall’informazione genetica presente a livello del DNA. La sintesi delle proteine avviene grazie a due importanti processi:

• Trascrizione (nel nucleo): processo attraverso cui l’informazione genetica dal DNA viene trascritta in RNA.
• Traduzione (nel citoplasma): processo attraverso cui l’informazione da RNA viene trascritta in proteine.

Nota bene: La trascrizione è più complessa della traduzione perché si passa da un linguaggio basato sulla combinazione di 4 nucleotidi a un linguaggio basato sulla combinazione di 20 amminoacidi.

RNA

L’RNA presenta lo zucchero pentoso ribosio ed è diverso dal DNA perché:

• La timina del DNA è sostituita dall’uracile.
• È una molecola a singolo filamento, capace in alcuni casi di formare ripiegamenti.

Trascrizione

La sintesi dell’RNA avviene tramite un processo detto trascrizione, in cui il linguaggio del DNA viene trasferito a quello dell’RNA. Viene trascritto un solo filamento di DNA, quello in direzione 3' → 5'. La trascrizione avviene a opera degli enzimi appartenenti all’RNA polimerasi capaci di attaccare i nucleotidi tra loro muovendosi in direzione 5' → 3'.

1. L’RNA polimerasi si lega sul filamento di DNA.
2. I due filamenti di DNA si aprono e si forma la bolla di trascrizione.
3. L’RNA polimerasi legge il filamento di DNA e man mano che procede sintetizza un nuovo filamento di DNA.

Esistono diversi tipi di RNA che intervengono nel processo di trascrizione-traduzione:

• RNA transfer (RNA di trasporto): hanno la funzione di trasportare gli amminoacidi a livello dei ribosomi e permettono che l’amminoacido sia inserito nella sequenza amminoacidica nella posizione corretta grazie al fatto che il tRNA presenta l’ansa dell’anticodone che contiene 3 nucleotidi complementari ai 3 nucleotidi che codificano per quell’amminoacido. Nelle cellule si trovano 20 classi di tRNA ognuna per un amminoacido. La struttura del tRNA viene detta a trifoglio in quanto presenta 3 anse:
• Ansa T
• Ansa anticodone
• Ansa D
• RNA ribosomiali (formano i ribosomi): I ribosomi sono organuli cellulari con funzione di sintesi proteica. I ribosomi sono formati da complessi ribonucleoproteici ossia da molecole di RNA ribosomiale che si legano a delle proteine. I ribosomi hanno 2 subunità: una maggiore formata da 3 rRNA e una minore formata da 1 rRNA.
• RNA messaggero (trasportano l’informazione genetica a livello dei ribosomi): La loro sequenza è complementare a quella del filamento di DNA trascritto. Ricorda: al posto della timina c’è l’uracile. Gli RNA messaggeri subiscono un processo di maturazione: mRNA è costituito da esoni e introni; gli esoni codificano la proteina, mentre gli introni sono sequenze che separano gli esoni e vengono trascritti ma non tradotti, per cui non codificano per la proteina. Il processo di splicing porta all’eliminazione degli introni e alla condensazione degli esoni formando così l’RNA messaggero maturo.

Dogma centrale della biologia

L’informazione genetica è unidirezionale; dal DNA otteniamo le proteine ma non è possibile il processo contrario, quindi dalle proteine non possiamo ottenere il DNA.

Traduzione

Ogni amminoacido è codificato da 3 nucleotidi. Più triplette codificano per uno stesso amminoacido, quindi si dice che il codice genetico è degenerato; questo è importante perché rende il DNA più resistente alle mutazioni. Esistono anche dei codoni che indicano l’inizio del processo di traduzione, detti codoni d’inizio, e dei codoni che indicano la fine del processo di traduzione, detti codoni di stop.

1. Inizio: La traduzione di un mRNA inizia sempre dalla sua estremità 5' a cui si lega la subunità minore, successivamente si lega l’amminoacido di inizio della sintesi proteica con il proprio tRNA e poi la subunità maggiore avente il sito che riconosce l’amminoacido di inizio e un sito per accogliere il tRNA con l’amminoacido specifico.
2. Allungamento: Il tRNA con l’amminoacido opportuno viene riconosciuto dal ribosoma e si aggancia all’mRNA. Tra l’amminoacido di inizio e il nuovo amminoacido si forma il legame peptidico. Una volta che si è formato il legame peptidico, il complesso ribosomiale si sposta di 3 basi verso l’estremità 3' in modo che si vada a posizionare un nuovo codone che codifica per un altro amminoacido.
3. Termine: Il processo continua fino a che non si arriverà alla fine della sintesi della proteina, ossia fino a quando il ribosoma non raggiungerà il codone di stop.

Nota bene: L’mRNA viene tradotto contemporaneamente da più ribosomi, dando origine a una struttura definita poliribosoma.

Modificazioni post-traduzionali

Una volta che le proteine sono sintetizzate, possono andare incontro a modificazioni post-traduzionali. Esempi:

• Proteolisi: La proteina viene scissa in più frammenti.
• Glicosilazione: Alla proteina vengono aggiunti zuccheri.
• Fosforilazione: Alla proteina vengono aggiunti gruppi fosfato.

Un altro esempio di modificazioni post-traduzionali è quella che avviene a carico degli istoni (proteine presenti all’interno del nucleo delle cellule eucariotiche). Sono proteine molto basiche che si legano al DNA, permettendogli di compattarsi; ci sono 5 tipi di istoni:

• H1: Istoni linker
• H2A e H2B: Istonici del core
• H3: Istoni che danno origine al nucleosoma
• H4

Gli istoni vanno incontro a molte modificazioni post-traduzionali quali:

• Acetilazione: Aggiunta di un gruppo acetile.
• Metilazione: Aggiunta di un gruppo metilico.

Le modificazioni istoniche sono importanti meccanismi epigenetici, ossia processi attraverso i quali una cellula è in grado di regolare la sua espressione genica e mediare gli effetti dell’ambiente circostante con la trasmissione genica.

Citomembrane

La membrana plasmatica è la membrana che circonda ogni cellula, separando lo spazio intracellulare da quello extracellulare. All’interno della cella sono presenti altre membrane che delimitano i comparti intracellulari (solo nelle cellule eucariote). La cellula eucariota ha un vero nucleo, un citoscheletro e una compartimentalizzazione, ossia ambienti all’interno della cellula separati dal restante spazio intracellulare da citomembrane, ossia membrane aventi la stessa struttura della membrana plasmatica.

Ricorda: Il nucleo è separato dall’ambiente circostante da una cisterna perinucleare composta da due membrane. Le membrane cellulari sono sottilissime.

Funzionalità della membrana plasmatica

La membrana plasmatica della cellula eucariota ha la capacità di:

• Ricevere informazioni.
• Importare ed esportare molecole.
• Permettere movimenti, espansione e divisione.

Con citomembrane intendiamo sia le membrane plasmatiche che le membrane intracellulari, queste sono costituite da:

• Lipidi
• Proteine
• Glucidi

I più abbondanti sono i fosfolipidi formati da 2 acidi grassi, glicerolo, fosfato; sono molecole anfipatiche.

Lipidi

Meno abbondati sono gli sfingolipidi, derivati della sfingosina e di un amino-alcol a lunga catena insatura; sono anch’essi anfipatici. La terza classe dei lipidi di membrana è formata da colesterolo.

Gorter e Grendel scoprirono il doppio strato dei lipidi di membrana.

Modello a mosaico fluido

Quindi i lipidi sono disposti in due file con le teste idrofiliche rivolte verso l’acqua e le code idrofobiche verso le code dell’altro strato (vescicola).

Attenzione: Non confondere vescicole con micelle: nelle vescicole abbiamo un doppio strato fosfolipidico con acqua all’esterno e all’interno; nelle micelle l’acqua è solo all’esterno e lo strato fosfolipidico è singolo. Robertson scoprì che tutte le membrane avevano una struttura fondamentale comune (membrana unitaria). Singer e Nicolson elaborarono il modello a mosaico fluido: le proteine sono totalmente o parzialmente inserite nel mare fosfolipidico e possono “liberamente” muoversi.

Proteine

Possiamo classificare le proteine in:

• Intrinseche/integrali: Immerse nel doppio strato.
• Estrinseche/periferiche: “Appoggiate” alla membrana (legate ad altre proteine integrali).
• Ancorate mediante lipidi: Legate covalentemente a lipidi immersi nella membrana.

Proteine intrinseche:

• L’α-elica è una struttura che espone i propri gruppi R all’esterno, che fa sì che la proteina, scegliendo opportuni gruppi R, possa ancorarsi in zone specifiche pertanto per potersi ancorare alla membrana fosfolipidica. La proteina esporrà gruppi R compatibili con la zona idrofobica del doppio strato fosfolipidico.
• Una proteina che attraversa la membrana con l’α-elica può attraversarla più volte; in questo caso la zona esterna presenta amminoacidi con i gruppi R idrofobici perché si agganciano ai lipidi di membrana, la zona interna invece crea un canale in cui sono presenti residui idrofilici (poro acquoso).

β-foglietto: Lavora allo stesso modo dell’α-elica, dunque cercherà di esporre e mettere in contatto con il doppio strato fosfolipidico gli amminoacidi giusti perché si agganciano ai fosfolipidi. La struttura risulta essere più ingombrante rispetto alla semplice α-elica.

Discontinuità e fluidità

Secondo il modello a mosaico fluido, la membrana è:

• Fluida: Per i lipidi.
• Asimmetrica: Per le proteine e i lipidi.

La discontinuità è dovuta alle proteine: le proteine, che possono essere intrinseche, estrinseche o legate a dei lipidi, sono dei gruppi di discontinuità, cioè interrompono la continuità dei lipidi. La fluidità è dovuta ai fosfolipidi. Le code apolari e idrofobiche possono essere più o meno rigide e possono avere un doppio legame che causa un ripiegamento della coda del lipide. Un ripiegamento della coda, dato che i lipidi sono uno accanto all’altro, creerà un ingombro sterico, ossia diminuirà la fluidità della membrana.

La membrana risulta fluida anche perché i lipidi diffondono lateralmente, ossia possono spostarsi lateralmente abbastanza liberamente, inoltre un lipide può ruotare su se stesso. Un’altra cosa che può succedere è il flip-flop, ossia il capovolgimento di un lipide che si sposta e va a finire nell’altro foglietto; si tratta di uno spostamento che avviene di rado ed è regolato da enzimi detti flippasi.