Appunti di Biologia Applicata e Genetica, prof. Francesca Maltecca

Biologia e genetica

La cellula

Cellula deriva dal latino "piccola camera". È l'unità fondamentale di tutti gli organismi viventi. Ogni cellula per essere definita come tale deve essere in grado di riprodursi, nutrirsi e respirare autonomamente. Ogni cellula deriva con la mitosi da un'altra cellula, è il clone (cellula identica).

Schleiden (1838) e Schwann (1839) sono scienziati che hanno visto per la prima volta cellule da organismi vivi.

Dimensioni della cellula

Ha dimensioni microscopiche che assicurano un'area superficiale abbastanza estesa da permettere efficaci scambi con l'ambiente esterno.

Metodi per osservare cellule

• Microscopio ottico: Permette di vedere forma e struttura di una cellula; possiamo vedere cellule vegetali, procariotiche (batteri) e alcune strutture sub-cellulari (attraverso coloranti). Funziona proiettando un fascio di luce su un campione. Risoluzione: 0,2 micron → 2mm.
• Microscopio elettronico: Ha un potere di risoluzione molto elevato, ingrandisce un'immagine 100000 volte; osservo organelli sub-cellulari; molecole anche piccole.

Strutture di base

• Membrana plasmatica: Involucro.
• Citoplasma: Soluzione semi-fluida in cui sono immersi proteine, zuccheri, amminoacidi e organuli.
• Nucleo: Contiene il materiale genetico.
• Ribosomi: Sintesi proteine.

Cellula procariotica (0,1 → 10 micron)

Privi di nucleo, senza organello che racchiude gli acidi nucleici. Esiste un nucleoide in cui il DNA (a doppia elica destrorsa) è localizzato ma non è ricoperto da una membrana. Sono organismi unicellulari con un singolo cromosoma circolare. La replicazione inizia in un punto ed è portata alla fine.

Hanno un citoplasma e una membrana plasmatica; alcune sono ultra-capsulate. Sono prive di qualsiasi compartimentazione, tutti i processi avvengono liberi nel citoplasma. Non hanno organuli. Niente citoscheletro, endoscheletro, esocitosi. RNA e proteine sono sintetizzate nello stesso compartimento. Sfruttano fonti organiche e inorganiche per sopravvivere anche in condizioni estreme; si adattano in modo molto plastico alle situazioni (ad esempio batterio-resistenza agli antibiotici). Utilizzano pili o flagelli per movimento o adesione.

Materiale genetico: Organizzato in un singolo cromosoma circolare, ancorato alla membrana plasmatica. Il nucleoide è la regione in cui il DNA si compatta. In aggiunta ci possono essere plasmidi, molecole circolari di DNA.

Forma: Forme eterogenee.

Cellula eucariotica (5 → 500 micron)

• Nucleo: Reticolo endoplasmatico rugoso; i lumi sono in continuità con il nucleo.
• Reticolo endoplasmatico liscio: I lumi sono in continuità con il rugoso.
• Apparato di Golgi: Non è in continuità con il reticolo endoplasmatico. Ma una proteina viene invaginata in vescicole per il trasporto.
• Mitocondri: Svolgono svariate funzioni per la cellula, come la respirazione cellulare.
• Lisosomi: Degradazione materiale.
• Perossisoma
• Ribosomi: Sede della sintesi proteica.

È presente un'estrema compartimentazione con organuli deputati a specifiche funzioni per far avvenire in sicurezza tutti i processi cellulari; rende possibile processi opposti in contemporaneo (sintesi e degradazione nello stesso momento nei ribosomi e nei lisosomi). Le cellule eucariotiche sono estremamente variegate dal punto di vista morfologico e funzionale; maggiore è la specializzazione e minore è la capacità di riprodursi delle cellule eucariotiche (i neuroni e le cellule muscolari sono chiamate post-mitotiche poiché non replicano).

Espressione genica

Espressione genica: Il pool di geni che la cellula esprime determina funzione e struttura. Un neurone esprime selettivamente i geni per la sua funzione, che saranno differenti da quelli espressi dalle cellule uovo. Il DNA è lo stesso ma l'mRNA è diverso in cellule di diverso tipo; la cellula decide quali geni esprimere a seconda della necessità.

Membrana cellulare

Le cellule eucariotiche contengono molte membrane che hanno la stessa struttura di base:

• Doppio strato fosfolipidico
• Proteine transmembrana
• Rete intracellulare di proteine
• Marcatori cellulari di superficie

Oligosaccaridi

Piccoli zuccheri che determinano il gruppo sanguigno (sulla superficie degli eritrociti si trovano carboidrati legati a glicoproteine e glicolipidi che determinano strutture differenti (A-B-0) con in comune la base oligosaccaridica.

Fosfolipidi

Testa polare idrofila che instaura legami a idrogeno con le molecole d'acqua. Coda apolare idrofoba con catene idrocarburiche di acidi grassi. I ripiegamenti delle catene sono dovuti al doppio legame all'interno della catena idrocarburica = insaturazione. La membrana plasmatica ha due caratteristiche:

• Fluidità: Determinata dalla composizione lipidica. Lo stretto impacchettamento delle code idrofobiche (dato dalla lunghezza della catena e dal numero di instaurazioni/doppi legami) provoca minore fluidità. Se la catena è più corta ho meno interazioni → maggiore fluidità. Dipende dall'instaurazione delle catene idrocarburiche (aumentano gli spazi e la fluidità). Perché è importante la fluidità? I fosfolipidi e le proteine possono muoversi lateralmente nella membrana. I fosfolipidi possono anche ruotare su loro stessi e, più raramente, riescono a invertirsi (flip-flop). Permette una rapida diffusione laterale delle proteine di membrana e favorisce le interazioni.
• Presenza di steroli: Come il colesterolo, rendono rigida la membrana plasmatica controbilanciando la fluidità (riempie i buchi tra i nodi delle catene insature) → maggior impacchettamento → minore fluidità e minore permeabilità.

Asimmetria strato lipidico

La natura dei fosfolipidi può variare tra strato interno e strato esterno della membrana; non è una struttura fissa. I due monostrati comprendono una serie di fosfolipidi e glicolipidi differenti.

Proteine di membrana

Presenti all'esterno o ancorate allo strato interno dello strato fosfolipidico. Proteina: Polimero di amminoacidi (monomero costituente).

Funzioni delle proteine:

• Trasporto molecole attraverso la membrana
• Enzimi: catalizzatore biologico
• Recettori di membrana per veicolare messaggio e generare l'attivazione seriale di molecole all'interno della cellula
• Marcatori di superficie: determinazione gruppi sanguigni
• Adesione cellula-cellula
• Adesione al citoscheletro

Struttura secondaria proteina

Struttura secondaria = beta foglietto o alfa elica. Piccoli peptidi si organizzano in queste strutture a seconda degli amminoacidi coinvolti e dei ripiegamenti. Struttura necessaria per inserirsi nel doppio strato. Le proteine possono essere:

• Periferiche
• Ancora ai lipidi
• Transmembrana: Hanno una natura antipatica

Membrana plasmatica

• Racchiude il materiale cellulare e lo separa dall'ambiente esterno
• Barriera semipermeabile per mantenere omeostasi ionica
• Supporto strutturale
• È molto flessibile

Glicocalice

Glicocalice: Carboidrati che ricoprono la membrana plasmatica. Può trovarsi sotto forma di:

1. Residui zuccherini di glicolipidi e glicoproteine (catene oligosaccaridiche legate covalentemente a proteine e lipidi di membrana)
2. Proteoglicani (lunghe catene polisaccaridiche unite covalentemente ad un nucleo proteico)

Ruolo:

• Protezione contro il danneggiamento meccanico e chimico
• Mediano i processi di adesione e di riconoscimento cellula-cellula (uovo-spermatozoo)
• Rendono la superficie cellulare scivolosa

Il glicocalice varia a seconda della cellula.

I gruppi sanguigni

Le proteine e i lipidi sulla superficie dei globuli rossi sono legati a catene di carboidrati che formano un film protettivo attorno alla cellula. Il tipo di sangue A-B-O è determinato da quali zuccheri vengono usati per costruire questo film. Per le persone di gruppo A e B, uno speciale enzima glicosiltransferasi aggiunge uno zucchero in più rispetto al film del sangue O. I residui zuccherini determinano gli antigeni A-B-O: Presenza di residui zuccherini (oligosaccaridi legati a glicolipidi o glicoproteine della membrana plasmatica) diversi a livello degli eritrociti.

• Gruppo A: Esiste un enzima in grado di attaccare un oligosaccaride (GalNAC), un residuo zuccherino ulteriore rispetto al gruppo O. Produce anticorpi B.
• Gruppo B: La glicosiltransferasi aggiunge il galattosio (Gal). Produce anticorpi A.

Dunque la presenza o assenza di glicosiltransferasi (GalNAC trasferiasi per il gruppo A o Gal trasferiasi per il gruppo B) determina il gruppo sanguigno dell'individuo. L'attivazione di un determinato enzima modifica la differenza di oligosaccaridi presenti sulla membrana plasmatica.

Movimento attraverso la membrana

Semipermealità: Passano/permeano attraverso il doppio strato liberamente molecole apolari. Non passano:

• Ioni (Na⁺, Cl^-, Ca²⁺)
• Molecole di media grandezza (glucosio o amminoacidi), e necessitano Carrier

Trasporti

Trasporto passivo: Non richiede ATP, ma avviene secondo gradiente di concentrazione, lo spostamento avviene da una zona più concentrata ad una zona meno concentrata.

• Diffusione facilitata: Necessita di carrier; gli ioni (Na, Cl, K, Ca) utilizzano proteine canale altamente selettive con una natura specifica degli amminoacidi; le macromolecole utilizzano proteine trasportatrici, che lavorano a seconda del gradiente di concentrazione dopo aver subito un cambiamento conformazionale che permette il trasferimento della molecola dall'altro lato della membrana (es. vettore del glucosio in epatociti).
• Diffusione semplice: Processo spontaneo secondo cui una sostanza si sposta da una regione a elevata concentrazione ad una a bassa concentrazione. Riguarda molecole polari di piccole dimensioni e molecole idrofobiche.

Trasporto attivo: Idrolizza ATP; contro gradiente di concentrazione. Dipende dalla presenza di proteine vettrici (pompe). Es. pompa sodio-potassio: Idrolisi di ATP che causa un cambiamento conformazione della pompa che rilascia 3 Na fuori e 2 K dentro, nel citosol → Mantiene costante il potenziale di membrana (differenza tra concentrazione di cariche negative all'interno e all'esterno).

Cooperazione

Il simporto è un trasporto passivo-facilitato. Non richiede ATP ma sfrutta l'energia conservata. Può essere accoppiato alla pompa sodio/potassio per il trasporto del glucosio.

1. La pompa sodio-potassio-ATP-asi butta fuori il sodio (3Na) che si lega alla proteina Simporto.
2. Il Simporto fa legare il glucosio che entra nella cellula.

Simporto: Cooperazione con la pompa. Sfrutta il gradiente di concentrazione di un'altra molecola, implicando un altro sistema di trasporto.

Osmosi

Le molecole d'acqua passano dalla zona a minor concentrazione (compartimento ipotonica) alla zona a maggior concentrazione di soluti (compartimento ipertonico).

Impulso nervoso

Le pompe ioniche generano una distribuzione asimmetrica degli ioni ai due lati della membrana → questo processo è all'origine di una differenza di potenziale elettrico → È il presupposto per la conduzione degli stimoli elettrici da parte di cellule nervose e muscolari. Quando giunge lo stimolo si aprono i canali Na⁺ e il sodio entra (dentro la cellula si hanno più cariche negative prima dell'arrivo dell'impulso) → Depolarizzazione → interviene la pompa sodio-potassio e si ha la ripolarizzazione.

Nucleo

È l'organello più grande della cellula; è separato dal citoplasma dalla membrana nucleare. All'interno: materiale genetico (DNA) + RNA = replicazione + trascrizione. A partire dall'mRNA (sintetizzato e maturato nel nucleo) → sintesi proteina = traduzione (citoplasma).

Dogma centrale biologia

Il flusso dell'info genetica è un flusso monodirezionale. Questi stessi processi avvengono anche nella matrice mitocondriale (il mitocondrio ha un proprio DNA).

La membrana nucleare

È formata da una membrana interna e una membrana esterna, ciascuna costituita da un doppio strato fosfolipidico. La membrana interna è ancorata ad una struttura filamentosa (cito-scheletro), chiamata lamina. La membrana esterna è in continuità con il RE.

La membrana nucleare presenta pori contenenti canali acquosi con un diametro adattabile a seconda della molecola che deve passarvi (da 9 nm a 26 nm).

Passaggio molecole attraverso membrana nucleare

• Diffusione semplice: Molecole apolari e piccole molecole solubili.
• L'RNA + subunità dei ribosomi, sintetizzati nel nucleo, devono essere trasportati al di fuori del nucleo con idrolisi di ATP (consumo di ATP).
• Le proteine sintetizzate nel citosol rientrano nel nucleo attraverso i pori nucleari con consumo di ATP.
• Trasporto attivo: Il passaggio di proteine verso l'interno (import) o l'esterno (export) avviene tramite trasporto attivo, grazie a un riconoscimento di segnali di localizzazione nucleare (la proteina li ha già nella sequenza primaria, al fianco della porzione n-terminale).
• Le importine (recettore nucleare) interagiscono con le fibrille del poro nucleare e riconoscono la sequenza segnale nucleare (Arg; Lys; Pro) delle proteine a cui si legano.

Traffico delle proteine

La localizzazione subcellulare di una proteina è determinata da una sequenza primaria (peptide segnale) già presente nella sua struttura primaria a livello della porzione-terminale.

1. Proteine sintetizzate dal ribosoma del citosol possono finire in (import post-traduzionale): sono senza peptide segnale per RE-citosol (non ha sequenza), nucleo, mitocondrio, cloroplasto, perossisoma. Le proteine tradotte sui ribosomi si riversano nel citoplasma e possono o rientrare nel nucleo attraverso la loro sequenza segnale oppure essere trasportate ai perossisomi o al mitocondrio. Le proteine nel citosol non hanno una sequenza segnale; tutte le altre hanno un segnale che indica la loro destinazione.
2. Ci sono una serie di proteine strutturate a livello del reticolo rugoso destinate alla via secretoria → passa al Golgi o al citoplasma → sono proteine con segnale per RE. Proteine sintetizzate sui ribosomi situati sulla membrana del RE: Internalizzata subito (import co-traduzionale) nel lume del RE e ha una sequenza segnale per il RE. Una volta entrata nel lume, la proteina ha altri due destini possibili:
   • Adese sulla membrana RE (proteine idrofobiche)
   • Entrano nel complesso di Golgi (proteine idrofiliche) → Membrana plasmatica; o Vescicola di secrezione; o Lisosoma.

Proteine con sequenza segnale per RE: Mentre vengono sintetizzate vengono importate, è un processo molto veloce = importazione co-traduzionale.

Proteine senza peptide segnale per RE: Importazione post-traduzionale.

Distinguamo tre tipi di traffico di proteine:

• Transmembrana
• Trasporto pori nucleari
• Trasporto vescicole

Reticolo endoplasmatico

È più o meno sviluppato in relazione all'attività della cellula.

• Rugoso: Con ribosomi; qui c'è un'altissima attività di sintesi proteica; attraverso canali la proteina viene incanalata nel lume del RER.
• Liscio: Senza ribosomi; alta sintesi lipidica di tutte le membrane cellulari (organelli e membrana plasmatica). Ha un'alta capacità di detossificare sostanze nocive (grazie ai citocromo P450); mantenimento omeostasi Ca²⁺ (deposita e rilascia) in compartecipazione con calcio-ATPasi che estrude calcio contro gradiente di concentrazione (con consumo di ATP) e con i mitocondri che internalizzano calcio all'interno della sua matrice (funziona come sistema tampone per l'eccesso di calcio citosolico). Gli spazi luminali sono in continuità.

Una volta che la proteina entra nel RE → via secretoria o vescicolare. La proteina si trova internalizzata nel lume del RE, qui può restare diventando proteina strutturale oppure può migrare o andare nell'apparato di Golgi. Il Golgi non è connesso → c'è una via secretoria/trasporto vescicolare: originano vescicole che inglobano le proteine (fusione) e attraverso la loro fusione con la membrana del Golgi vengono rilasciate. Dall'apparato di Golgi la proteina può rigemmare dalla membrana del Golgi ed essere trasportata attraverso altre vescicole nella membrana cellulare (queste proteine verranno utilizzate all'esterno della cellula) → Estrusione dalla membrana plasmatica.

Dal Golgi la proteina può finire in:

• Membrana plasmatica e qui rimanere specializzandosi in enzima, trasportatore, recettore
• Lisosomi → Proteina che deve essere degradata
• Esternalizzata con esocitosi = estrusione proteina

Trasporto vescicolare

• Via secretoria = esocitosi
• Via endocitica = endocitosi

Apparato di Golgi

Modifica e smista alla loro destinazione finale le proteine. Destinazioni possibili per le proteine:

• Esocitosi, se la proteina deve essere esternalizzata
• Membrana plasmatica
• Lisosomi, se deve essere degradata

Funzione

• Aggiunta o scissione di residui oligosaccaridici → fluidità membrana + gruppo sanguigno
• Fosforilazione di residui oligosaccaridici

Il Golgi è polarizzato → possiede due facce distinte con diversa composizione delle membrane:

• Cis: Di entrata della proteina
• Trans: Di uscita della proteina

Nel percorso tra la faccia cis e trans la proteina viene modificata. La proteina emerge con una vescicola dalla faccia trans; viene trasportata in membrana plasmatica dove può stazionare o essere estrusa.