Appunti esame di Citologia e istologia

Principi Fondamentali della Biologia Cellulare

CELLULA: (cellula-tessuti-organi-sistemi d’organo) unità di base, per osservare le cellule è

necessario il microscopio. La

comprensione dell'organizzazione della vita a livello cellulare si basa sulla Teoria Cellulare,

proposta nel 1838 da Schleiden e Schwann, resa possibile dalla disponibilità di buoni

microscopi. Tale teoria si fonda su tre pilastri fondamentali: il primo afferma che tutti gli

esseri viventi sono formati da una o più cellule; il secondo stabilisce che ogni cellula è

un'unità organizzativa e autonoma; e il terzo sancisce che ogni cellula deriva da una

cellula preesistente.

Nonostante la grande varietà di forme biologiche, esiste una profonda uniformità cellulare

e molecolare. Tutte le cellule condividono alcuni caratteri generali essenziali. In primo

luogo, immagazzinano l'informazione genetica in geni costituiti da DNA. Il codice genetico

utilizzato è, salvo poche eccezioni, lo stesso in tutte le cellule. Tutte decodificano i geni del

DNA attraverso un sistema basato sull'RNA che traduce l'informazione genetica in proteine.

Questa sintesi proteica avviene grazie a una particella ribonucleoproteica chiamata

ribosoma. Le proteine, a loro volta, svolgono un ruolo essenziale sia a livello strutturale che

funzionale. Infine, tutte le cellule necessitano di energia, che utilizzano per il mantenimento

dell'ambiente interno e per la sintesi molecolare. La molecola ATP funge da "moneta di

scambio" universale per il trasferimento di questa energia. Tutte le cellule sono delimitate da

una membrana plasmatica, costituita da proteine e da un doppio strato di molecole

lipidiche.

Per lo studio delle cellule, è cruciale considerare le scale di misura, espresse in micrometri

(μm = 10^−6m), nanometri (nm = 10^−9m) e Angstrom (10^−10m). La capacità di

distinguere due punti molto vicini tra loro è definita Potere di Risoluzione.

L'occhio nudo ha una risoluzione di circa 0,2 mm, il microscopio ottico di 0,2 μm, e il

microscopio elettronico di 0,2 nm e si riescono a vedere le macromolecole. Il limite di

risoluzione per il microscopio ottico è descritto dalla Formula di Abbe.

Le tecniche di microscopia permettono di osservare la struttura cellulare. Il microscopio

elettronico a trasmissione (TEM) utilizza un filamento di tungsteno incandescente per

rilasciare elettroni che vanno dal basso verso l’alto e che vengono accelerati da una forte

differenza di potenziale fino a raggiungere almeno i 4/5 della velocità della luce; per questo è

necessario il vuoto. Questi elettroni sono focalizzati sul campione, tramite elettromagneti

(lenti magnetiche). Poiché i raggi elettronici hanno un basso potere di penetrazione, il

campione deve essere estremamente sottile (50-80 nm) e viene trattato con metalli che

impregnano diversamente le diverse parti della cellula. Gli elettroni che attraversano il

campione colpiscono uno schermo fluorescente convertendo la radiazione elettronica in luce

visibile, permettendo l'osservazione di sezioni.

Diversamente, il microscopio elettronico a scansione (SEM) consente lo studio

topografico della superficie delle strutture biologiche. In questa tecnica, la superficie del

campione viene rivestita da un sottile strato di metalli pesanti (oro). Un fascio sottile di

elettroni primari scansiona il campione, che a sua volta emette raggi X ed elettroni

secondari, i quali vengono raccolti da un rivelatore che emette fotoni.

Il limite di risoluzione si calcola in base alla lunghezza d'onda e all'indice di rifrazione: più

piccola è la lunghezza d’onda, più piccolo sarà l’indice di rifrazione, e migliore sarà la

capacità di risolvere il campione.

Microscopio Ottico (Dettaglio non convenzionale): La fonte C menziona specificamente,

in modo non convenzionale per il microscopio ottico, che esso "usa fotoni accelerati".

• Microscopio a Luce Trasmessa: La luce dall’alto viene trasmessa attraverso il campione,

proiettata su una lente d'obiettivo e poi su un'altra lente che ingrandisce ulteriormente il

campione.

• Stereomicroscopio: Possiede due obiettivi, ciascuno diretto verso un oculare. La luce

arriva da due punti diversi per formare un’immagine tridimensionale, adatto per osservare

piccoli insetti.

Biochimica e Molecole di Base

• Zuccheri/Carboidrati, : Gli zuccheri in soluzione acquosa tendono a ripiegarsi

C (H20)

n n

formando una struttura ad anello. I neuroni e le cellule muscolari sfruttano quasi solo gli

zuccheri. Il glucosio per essere immagazzinato viene polimerizzato, è polare e presenta

diverse molecole di acqua complessate.

• Nucleoside: È formato da uno zucchero più una base azotata.

I Nucleotidi sono formati da zucchero + base azotata + gruppo fosfato. Il Nucleoside è

formato da uno zucchero più una base azotata. L'ATP è la molecola energetica. Il Coenzima

A viene usato per reazioni all’interno della cellula. L’AMP ciclico viene usato quando c’è

bisogno di trasmettere un segnale.

• Coenzima A: Viene usato per reazioni all’interno della cellula.

• AMP ciclico: Viene usato quando c’è bisogno di trasmettere un segnale.

• DNA: il DNA è un polimero, cioè una molecola formata da tante molecole più piccole,

ovvero monomeri legati fra loro in modo da formare una catena. Ogni monomero che

costituisce il DNA è chiamato Nucleotide.

I legami che uniscono i due filamenti appaiati del DNA sono: 2 legami a idrogeno tra

Adenina (A) e Timina (T), e 3 legami a idrogeno tra Citosina (C) e Guanina (G). Struttura a

tratta di catene complementari.

doppia elica, si

I legami tra i nucleotidi all’interno di ciascuna catena sono covalenti, mentre quelli che

uniscono i due filamenti appaiati sono legami a idrogeno. Ogni filamento ha due estremità 5’

e 3’.

A = T 2 legami a idrogeno

C = G 3 legami a idrogeno

Il DNA contiene le informazioni necessarie per far funzionare l’organismo, la sua funzione

più rilevante è quella di trasmettere le caratteristiche ereditarie.

SPLICING: rimozione degli introni, cioè i geni non codificati (introni). Gli esoni sono i geni

codificati: le parti "codificanti" che rimangono e vengono unite insieme

• Struttura Proteica: Vengono fornite le classificazioni degli aminoacidi: aminoacidi con

carica positiva/negativa, aminoacidi polari senza carica (idrofilici) e aminoacidi non polari

(idrofobici). Si descrive come gli aminoacidi non polari si portano al centro per creare un

nucleo idrofobico centrale senza molecole di acqua, mentre quelli polari si portano

all’esterno per interagire con l’acqua.

• Lipidi: I lipidi sono formati da catene sature.

• Trigliceridi: Sono una molecola energetica, formata da 3 catene idrocarburiche tenute

insieme dal glicerolo.

• Fosfolipidi: Hanno una catena acidica lineare e una catena con un ripiegamento.

• Glicolipidi: Sono lipidi che legano uno zucchero.

Duplicazione e Trascrizione del DNA

• Meccanismo di Duplicazione del DNA (Replica Semiconservativa): Viene descritto il

processo dettagliato: l'enzima elicasi separa i due filamenti creando una forca di

replicazione. L’enzima primasi compone un piccolo pezzo di RNA (primer). La DNA

polimerasi si lega al primer e costruisce il nuovo filamento in direzione 5’— 3’. Il primo

filamento è replicato in maniera continua (leading strand). L’altro filamento è il lagging

strand e viene realizzato con una direzione inversa, partendo da piccoli pezzi chiamati

frammenti di Okazaki. L’enzima esonucleasi rimuove tutti i primer. Un altro tipo di DNA

polimerasi riempie le lacune, e gli enzimi DNA ligasi sigillano i frammenti e scorrendo sui

filamenti neoformati andranno a formare una doppia elica.

• Meccanismo di Trascrizione del DNA: Il processo inizia in corrispondenza di regioni di

DNA chiamate promotori. La trascrizione inizia dalla tatabox con l'aiuto di fattori di A

trascrizione (proteine regolatrici che inducono cambiamenti conformazionali nel DNA).

questo punto si aggiunge RNA polimerasi cioè l’enzima che catalizza la sintesi dell’RNA,

formando così il complesso di inizio. Uno dei fattori apre la doppia elica del DNA nel punto di

inizio e si forma un complesso aperto, l’RNA polimerasi inizia a unire i nucleotidi formando

un filamento di RNA (5’—3’): Il criterio di scelta del nucleotide è l’appaiamento delle basi

azotate, infatti uracile e citosina vengono legati fra loro in corrispondenza dei rispettivi

zuccheri, dove il carbonio in posizione 3’ si lega al carbonio in posizione 5’ del nucleotide

successivo e si libera acqua e pirofosfato. L'estremità 5’ della catena di RNA viene

modificata chimicamente (capping) quando raggiunge la lunghezza di 20 nucleotidi.

• Terminazione della Trascrizione: Avviene quando l’RNA polimerasi incontra delle

particolari sequenze dette sequenze di arresto o terminatrici. A questo punto il filamento

di RNA viene rilasciato e l’RNA polimerasi si dissocia dal DNA.

L’RNA trascritto è chiamato trascritto primario e contiene regioni che non sono state

codificate chiamate introni e quelle codificate chiamate esoni. Quando avviene lo splicing

tutti gli introni vengono eliminati dal trascritto primario e le due regioni codificanti vengono

saldate tra di loro.

• Splicing: Gli introni sono definiti come i geni non codificati, mentre gli esoni sono i geni

codificati.

• Splicing Alternativo: Può avvenire uno splicing alternativo, dove alcuni introni non

vengono eliminati viene data origine a un RNA simile però si forma una proteina diversa con

funzione diversa da quella originale. Possono venire saltati alcuni esoni, unendo due esoni

non vicini, aumentando il modo in cui si sfrutta il genoma.

Traduzione, Ribosomi e Codice Genetico

1. La Traduzione (Sintesi Proteica)

La traduzione è il processo biochimico che avviene nel citoplasma e trasforma

l'informazione contenuta nell'mRNA in una catena polipeptidica.

I Ribosomi: la fabbrica delle proteine

Sono complessi ribonucleoproteici formati da rRNA (RNA ribosomiale) e proteine. Si

compongono di due subunità con differenti coefficienti di sedimentazione (S):

●​ Subunità Minore (40S): Contiene l’RNA 18S. Ha il compito di legare l'mRNA e i

fattori di inizio.

●​ Subunità Maggiore (60S): Contiene tre tipi di RNA (28S, 5S, 5.8S). Contiene il

centro della peptidil-trasferasi che catalizza il legame tra aminoacidi.

●​ Siti E.P.A.: All'interno del ribosoma assemblato si formano tre nicchie:

○​ Sito A (Aminoacilico): Ingresso del tRNA con l'aminoacido.

○​ Sito P (Peptidilico): Dove si forma la catena polipeptidica.

○​ Sito E (Exit): Dove il tRNA scarico esce.

Il tRNA e l'Attivazione degli Aminoacidi

Esistono almeno un tipo di tRNA per ognuno dei 20 aminoacidi. Il tRNA è una molecola

adattatrice con due estremità cruciali:

1.​ Estremità 3’: Il sito di attacco per l’aminoacido.

2.​ Anticodone: Una tripletta di nucleotidi complementare al codone presente

sull'mRNA.

●​ Aminoacil-tRNA sintetasi: È la famiglia di enzimi (uno per ogni aminoacido) che

carica il tRNA. Il legame tra l'estremità 3' e l'aminoacido richiede ATP.

Le Fasi della Traduzione

A. Inizio (Formazione del complesso)

1.​ La subunità minore (40S) si lega a un Fattore d'Inizio e riconosce l'estremità 5’

(Capping) dell'mRNA.

2.​ Scanning: La subunità scorre lungo l'mRNA in direzione 5’—3’ finché non incontra il

codone di inizio (AUG).

3.​ Interviene il tRNA iniziatore che porta la Metionina e presenta l'anticodone UAC

(complementare ad AUG).

4.​ La subunità maggiore (60S) si unisce al complesso, chiudendo il tRNA iniziatore nel

sito P.

B. Allungamento

1.​ Un nuovo tRNA entra nel sito A.

2.​ Si forma il legame peptidico tra gli aminoacidi (con rilascio di una molecola

d'acqua).

3.​ Traslocazione: Il ribosoma avanza. Il tRNA scarico passa dal sito P al sito E e torna

nel citoplasma, mentre il tRNA con la catena proteica si sposta dal sito A al sito P.

Per questo movimento è necessaria energia sotto forma di GTP.

C. Terminazione

Il processo si arresta quando il ribosoma incontra un codone di STOP (UAA, UAG o UGA).

A queste sequenze non corrispondono tRNA, ma si legano i Fattori di Rilascio che

causano il distacco della catena polipeptidica e la dissociazione delle subunità ribosomiali.

Il Codice Genetico e la Struttura Proteica

●​ Codice Degenerato (Ridondante): Più triplette possono codificare per lo stesso

aminoacido (vantaggioso per minimizzare gli errori genetici), ma ogni tripletta codifica

per un solo aminoacido.

●​ Struttura Secondaria: Alfa-elica o Foglietto-beta (legami a idrogeno).

●​ Struttura Terziaria: Ripiegamento globale della catena nello spazio, stabilizzato da

legami deboli e ponti disolfuro (covalenti).

Codice Genetico

Il Codice Genetico è l’insieme di regole che permette la conversione della sequenza di

nucleotidi dell'mRNA in una sequenza di amminoacidi. Si basa sulla lettura di triplette di basi

azotate, chiamate codoni.

1. Proprietà Fondamentali

●​ Degenerazione (o Ridondanza): Il codice è definito degenerato perché non esiste

una corrispondenza biunivoca perfetta: più codoni possono codificare per lo stesso

amminoacido.

○​ Esempio: Mentre la Metionina è codificata solo dalla tripletta AUG (codone di

inizio), quasi tutti gli altri amminoacidi hanno più triplette corrispondenti.

●​ Vantaggio Biologico: La ridondanza funge da sistema di sicurezza. In caso di errore

(mutazione) nell'ultima base di una tripletta, è probabile che l'amminoacido finale non

cambi, proteggendo la funzionalità della proteina.

●​ Codone vs Anticodone: La traduzione avviene grazie al tRNA (RNA transfer), che fa

da "ponte": presenta da un lato un anticodone (3 basi sporgenti complementari al

messaggio) e dall'altro l'amminoacido corrispondente.

2. Meccanica della Traduzione (Il Ribosoma)

Il ribosoma legge l’mRNA muovendosi verso destra. Il processo coinvolge tre siti specifici

nella subunità maggiore:

●​ Sito A (Amminoacidico): È il punto di ingresso dove il tRNA carico si appaia al

codone dell'mRNA.

●​ Sito P (Peptidico): Qui avviene la catalisi del legame covalente (peptidico) tra gli

amminoacidi. La subunità maggiore si sposta per unire la catena nascente al nuovo

amminoacido.

●​ Sito E (Exit): È il sito di uscita. Una volta che il tRNA ha ceduto il suo amminoacido,

la subunità minore scorre in avanti, spostando il tRNA "scarico" nel sito E per essere

rilasciato.

RIBOSOMI

1. Definizione e Natura Chimica

I ribosomi sono particelle ribonucleoproteiche, ovvero complessi macromolecolari

composti da RNA ribosomiale (rRNA) e proteine. La loro funzione principale è la

traduzione del messaggio genetico in catene polipeptidiche.

2. Struttura Molecolare (Eucarioti)

Il ribosoma eucariotico è composto da due subunità che differiscono per dimensioni e

composizione. Il valore espresso in S (Svedberg) indica il coefficiente di sedimentazione,

un'unità di misura della velocità di sedimentazione durante la centrifugazione (non è una

misura diretta del peso).

●​ Subunità Minore (40S):

○​ Costituita da una molecola di RNA ribosomiale chiamata rRNA 18S.

●​ Subunità Maggiore (60S):

○​ Costituita da tre tipi di RNA ribosomiale: 28S, 5S e 5.8S.

●​ Ribosoma Completo: L'unione delle due subunità forma il ribosoma 80S.

3. Siti Funzionali e Dinamica

Durante la sintesi proteica, il ribosoma presenta tre siti chiave per l'alloggiamento dei tRNA:

●​ Sito A (Aminoacidico): Punto di ingresso per il tRNA che trasporta il nuovo

amminoacido.

●​ Sito P (Peptidico): Dove avviene la formazione del legame covalente (legame

peptidico) tra gli amminoacidi.

●​ Sito E (Exit): Punto di uscita per il tRNA "scarico" (senza amminoacido).

4. Metodologia di Studio: Il Frazionamento Cellulare

Per studiare e isolare i ribosomi in laboratorio si utilizza la tecnica della centrifugazione in

gradiente di densità:

1.​ Omogenizzazione: Si rompe la cellula per far fuoriuscire il contenuto (l'omogenato).

2.​ Gradiente di Saccarosio: Si prepara una provetta contenente saccarosio a diverse

concentrazioni (gradiente).

3.​ Sedimentazione: Si aggiunge l'omogenato e si centrifuga. Le componenti cellulari

(organelli e ribosomi) si sposteranno lungo la provetta fino a fermarsi nel punto in cui

la loro densità coincide con quella del saccarosio nel gradiente.

Proteine

Sono formate da 20 amminoacidi diversi fra loro.

Esempio:

-​ Amminoacido carica +

-​ Amminoacido carica -

-​ Amminoacido polare senza carica IDROFILICI

-​ Amminoacido non polare IDROFOBICO (sfugge all’acqua)

– Tutti gli amminoacidi non polari (verdi) sfuggono all’acqua e, stando tutti vicini fra loro,

viene a crearsi una proteina con nucleo idrofobico centrale senza molecole di acqua.

– Tutti gli amminoacidi polari (azzurri) si portano all’esterno per interagire con l’acqua.

Lipidi (grassi)

Sono formati da catene sature

-​ Trigliceridi: molecola energetica, 3 catene idrocarburiche tenute insieme da glicerolo

-​ Fosfolipidi: sono i lipidi di membrana. Hanno una catena acilica lineare e una

catena con un ripiegamento. I fosfolipidi si possono considerare molecole anfipatiche

-​ Steroidi: il colesterolo è una molecola anfipatica con struttura ad anelli

-​ Glicolipidi: lipidi che legano uno zucchero

Caratteristiche generali di tutte le cellule

-​ Informazi