Appunti di citologia

Il mondo della cellula

Scoperta della cellula

Metà 1600: scoperta della cellula Robert Hooke. Le cellule possono essere osservate grazie al microscopio.

Teoria cellulare

• Tutti gli organismi sono composti da una o più cellule
• La cellula è l'unità strutturale della vita
• Le cellule possono avere origine solo per divisione di cellule preesistenti

Proprietà fondamentali delle cellule

Le cellule sono complesse ed organizzate e possiedono delle proprietà fondamentali:

• Possiedono un programma genetico e i mezzi per utilizzarlo
• Sono in grado di riprodursi
• Acquisiscono energia e la utilizzano
• Svolgono una varietà di reazioni chimiche
• Sono impegnate in numerose attività meccaniche
• Sono capaci di rispondere agli stimoli
• Sono capaci di autoregolazione
• Evolvono

Le cellule possono vivere in soluzione, aderire ad un substrato, comunicare tra loro o aggredirsi reciprocamente. Esse hanno una morfologia diversificata che riflette la specializzazione per una funzione.

Cellule procariotiche e cellule eucariotiche

Caratteristiche comuni ai due tipi di cellulare

• Membrana plasmatica di struttura simile
• Informazione genetica codificata dal DNA che usa lo stesso codice genetico
• Meccanismi simili per la trascrizione e la traduzione dell'informazione genetica, compresi ribosomi simili
• Vie metaboliche condivise (es. glicolisi e ciclo degli ATC)
• Apparati simili per la conservazione dell'energia chimica sotto forma di ATP (localizzato nella membrana plasmatica dei procarioti e nella membrana mitocondriale degli eucarioti)
• Meccanismi simili di fotosintesi (tra cianobatteri e piante verdi)
• Meccanismi simili per la sintesi e l'inserzione delle proteine di membrana
• Proteasomi di struttura simile tra archeobatteri ed eucarioti

Caratteristiche presenti negli eucarioti ma assenti nei procariotici

• Divisione della cellula in nucleo e citoplasma, separati da un involucro nucleare contenente pori di struttura complessa
• Cromosomi complessi formati da DNA e proteine associate, capaci di compattarsi in strutture mitotiche
• Organelli citoplasmatici membranosi complessi
• Organelli citoplasmatici specializzati per la respirazione aerobica e per la fotosintesi
• Sistema scheletrico complesso e proteine motore associate
• Flagelli e ciglia complessi
• Endocitosi e fagocitosi
• (Nelle piante) Pareti cellulari contenenti cellulosa
• Divisione cellulare che usa un fuso mitotico
• Diploidia
• RNA polimerasi
• Meiosi e fecondazione

Le dimensioni di una cellula sono limitate da:

• Rapporto superficie/volume
• Rapporto nucleo/citoplasma (½)
• Metabolismo

Gerarchia dell'organizzazione biologica

I sistemi biologici sono costituiti da una serie di livelli di organizzazione, gerarchicamente ordinati. Ogni livello può essere scomposto nei suoi componenti e la sua struttura ed il suo funzionamento possono essere spiegati sulla base delle proprietà di questi componenti.

• Biosfera
• Ecosistemi
• Comunità
• Organismi
• Organi e sistemi
• Tessuti
• Cellule
• Organelli cellulari
• Complessi plurimolecolari
• Macromolecole biologiche
• Atomi

Struttura e funzione delle macromolecole

La chimica della vita ruota intorno alla chimica del carbonio. La proprietà fondamentale del carbonio è la sua possibilità di formare un incredibile numero di molecole. Avendo quattro elettroni nel livello esterno, un atomo di carbonio può legare fino ad altri quattro atomi. Inoltre è capace di legare altri atomi di carbonio, creando lunghe catene carboniose.

Legami chimici

• Legami esterici: tra alcoli e acidi carbossilici
• Legami ammidici: tra acidi carbossilici e ammine

Classificazione delle molecole biologiche in base alla funzione

• Macromolecole: sono alla base dell'attività cellulari e formano la struttura delle cellule.
• Unità costitutive delle macromolecole: zuccheri per i polisaccaridi, amminoacidi per le proteine, nucleotidi per gli acidi nucleici, acidi grassi per i lipidi.
• Composti intermedi del metabolismo: formati durante il percorso per arrivare al prodotto finale.
• Molecole con funzioni varie: come vitamine, ormoni steroidei, ATP, prodotti di scarto come l'urea.

Monomeri e polimeri, polimerizzazione e idrolisi

Polimerizzazione: ogni monomero viene prima attivato mediante l'interazione con una molecola trasportatrice (carrier), che lo trasferisce all'estremità terminale della macromolecola in fase di allungamento. Affinché ciò avvenga, si necessita un enzima specifico e ATP. Il processo continua finché il messaggio non viene definito completamente.

Idrolisi: scissione di un legame per mezzo dell'acqua.

Carboidrati

• Unità monomerica: zuccheri (monosaccaridi)
• Funzione: depositi di energia chimica, importanza biologica nei nucleotidi
• Formula: (CH₂O)_n
• Legame tra unità monomeriche: legami glicosidici tra C1 di uno zucchero e il gruppo OH dell'altro gruppo (-C-O-C-)

Struttura zucchero

• Chetosio: gruppo carbonilico all'interno della molecola (es. fruttosio)
• Aldoso: gruppo carbonilico all'estremità della molecola
• Triosi, pentosi, esosi
• Aldosi: gliceraldeide, ribosi, glucosi
• Chetosi: diidrossiacetone, ribulosio, fruttosio

Disaccaridi: molecole composte da due soli zuccheri (es. saccarosio = glucosio + fruttosio α(1→2); lattosio = glucosio + galattosio β(1→4))

Oligosaccaridi: zuccheri diversi formano piccole catene. Molto spesso tali catene si legano a proteine e lipidi formando glicoproteine e glicolipidi.

Polisaccaridi: polimeri di monosaccaridi

• Nutritivi: glicogeno (polimero di glucosio) e amido (polimero di amilosio e amilopectina)
• Strutturali: cellulosa (polimero di glucosio), GAG (es. eparina che inibisce la coagulazione del sangue), chitina (polimero di N-acetilglucosammina)

Lipidi

• Unità monomerica: non si identificano in unità monomeriche
• Funzione: riserva energetica, funzione strutturale, trasmissione di segnali chimici

Trigliceridi: molecola di glicerolo legata, mediante legami esterici, a tre acidi grassi. Insolubili.

Acidi grassi: lunghe catene di idrocarburi non ramificati, con un unico gruppo carbossilico ad una estremità (sono molecole anfipatiche)

• Saturi: non presentano doppi legami
• Insaturi: presentano doppi legami (portano alla formazione di angolature)

Steroidi: scheletro carbonioso a quattro anelli. Tra i più importanti vi è il colesterolo.

Fosfolipidi: digliceridi, al terzo gruppo ossidrilico è legato covalentemente un gruppo fosfato, che è legato a sua volta a un gruppo polare (colina, serina e etanolammina). Testa idrofila, coda idrofoba.

Proteine

• Unità monomerica: polimeri di amminoacidi (20 tipi diversi)
• Funzione:

Legame tra unità monomeriche: legame peptidico formato dall'unione del gruppo carbossilico di un amminoacido con il gruppo amminico dell'amminoacido contiguo con l'eliminazione di una molecola d'acqua.

Struttura amminoacido

Gli amminoacidi variano in base alla catena laterale R:

• Polari carichi
• Polari non carichi
• Non polari
• Con proprietà particolari

Organizzazione strutturale delle proteine

1. Struttura primaria (Sanger 1956): sequenza lineare specifica degli amminoacidi che compongono la catena. Essa contiene l'informazione per la conformazione tridimensionale della molecola.
2. Struttura secondaria (Pauling e Corey 1951): disposizione tridimensionale della molecola in due diverse conformazioni:
   • α elica: lo scheletro del polipeptide assume la forma di una spirale avvolta e delimitata da un cilindro. Le catene laterali si proiettano all'esterno. La struttura è stabilizzata da legami a idrogeno.
   • β foglietto: costituito da alcuni segmenti di un polipeptide disposti in modo affiancato. Lo scheletro assume una conformazione pieghettata. È caratterizzato da numerosi legami a idrogeno, ma questi legami sono orientati in modo perpendicolare all'asse della catena e si proiettano trasversalmente da una regione della catena ad un'altra adiacente.
3. Struttura terziaria: descrive la conformazione dell'intero polipeptide. La struttura terziaria è stabilizzata da una serie di legami non covalenti tra le diverse catene laterali di una proteina. La maggior parte delle proteine può essere classificata sulla base della propria conformazione globale:
   • Proteine fibrose: forma allungata
   • Proteine globulari: forma compatta (la mioglobina fu la prima proteina globulare di cui fu determinata la struttura terziaria).
4. Struttura quaternaria: proteine costituite da più di una catena, o subunità (es. molecola di emoglobina umana costituita da 2 globine α e da 2 globine β).

Lo srotolamento, o disorganizzazione, di una proteina è detto denaturazione e può essere causato da solventi organici, detergenti, radiazioni. La proteina contiene le informazioni necessarie per autoassemblarsi. Alcune proteine necessitano di proteine ausiliare per raggiungere la giusta conformazione tridimensionale. Tali proteine sono chiamate chaperoni molecolari.

Acidi nucleici

• Unità monomerica: nucleotidi
• Funzione: archiviazione e trasmissione dell'informazione genetica
• Legame tra unità monomeriche: legami fosfodiesterici 3'-5'. Durante la costruzione di un filamento di acido nucleico, il gruppo ossidrilico del carbonio 3' dello zucchero di un nucleotide si connette con un legame estere con il fosfato legato al gruppo 5' del nucleotide successivo nella catena. L'atomo di fosforo è esterificato con due atomi di ossigeno.

Struttura nucleotide

I nucleotidi si distinguono in base alle loro basi azotate che vengono divise in:

• Purine (due anelli): adenina, guanina
• Pirimidine (un solo anello): citosina, timina, uracile (nel RNA al posto della timina)

Tipi di acidi nucleici

• RNA: acido ribonucleico (lo zucchero a 5 atomi di carbonio è il ribosio)
• DNA: acido desossiribonucleico (lo zucchero a 5 atomi di carbonio è desossiribosio)

La struttura del DNA fu risoluta da Watson e Crick nel 1953. Erano a conoscenza di:

• L'unità strutturale del DNA: nucleotide
• Il nucleotide ha una struttura polarizzata (possiede un'estremità 5' e un'estremità 3')
• Distanza tra i nucleotidi 0,34nm e ripetizione strutturale ogni 3,4nm
• [A]=[T], [G]=[C], [A]+[T]≠[G]+[C] (1950 Chargaff)
• Dati di cristallografia: molecola DNA lunga e sottile con elementi che si ripetono (Franklin e Wilkins)

Modello di struttura del DNA

La molecola è composta da due filamenti di nucleotidi:

• I due filamenti si avvolgono a spirale ad un asse centrale formando una doppia elica destrorsa, ogni filamento gira in senso orario discendente.
• I due filamenti sono antiparalleli (1961 Kornberg)
• I due filamenti sono complementari
• Lo scheletro zucchero-fosfato-zucchero-fosfato è situato all'esterno della molecola con i due gruppi di basi diretti verso il centro
• Le basi sono perpendicolari all'asse della molecola
• I due filamenti sono tenuti insieme da legami a idrogeno
• Il diametro di una doppia elica è di 1nm
• Una pirimidina di un filamento è sempre appaiata con una purina dell'altro filamento
• Configurazione amminica NH₂ e configurazione chetonica C=O
• Le coppie A-T sono unite da due legami a idrogeno
• Le coppie G-C sono unite da tre legami a idrogeno
• Le modalità di avvolgimento della molecola generano due solchi di differente grandezza, un solco maggiore e un solco minore. Le proteine si legano al solco maggiore
• La doppia elica forma un giro completo ogni 10 basi (3,4nm)

Importanza del modello di Watson e Crick:

• Deposito dell'informazione genetica
• Autoduplicazione ed ereditarietà
• Espressione del messaggio genetico

Struttura e funzione delle membrane biologiche

Funzioni della membrana

• Compartimentazione: delimitano dei compartimenti chiusi; la membrana plasmatica racchiude il contenuto dell'intera cellula
• Supporto fisico per attività biochimiche
• Barriera con permeabilità selettiva
• Trasporto di soluti
• Risposta a segnali esterni
• Interazioni intercellulari
• Trasferimento di energia

Storia degli studi sulla membrana plasmatica

• 1925 Gorter e Grendel: membrana plasmatica composta da uno strato bimolecolare di lipidi, cioè un doppio strato lipidico
• 1972 Singer e Nicolson: modello a mosaico fluido: il doppio strato è presente in una condizione fluida e le singole molecole lipidiche possono muoversi lateralmente all'interno del piano della membrana

Composizione chimica delle membrane

Tutte le membrane sono associazioni lipo-proteiche nelle quali i componenti sono tenuti insieme in uno strato sottile da legami non covalenti.

Lipidi

• Lipidi (40%): lipidi anfipatici testa idrofilica, code idrofobiche. I lipidi sono disposti in modo asimmetrico nei due foglietti della membrana, creando due monostrati indipendenti

Tipi principali di lipidi

• Fosfogliceridi: digliceridi dove il terzo gruppo ossidrile è esterificato ad un gruppo fosfato idrofilo. Al gruppo fosfato si lega un gruppo polare:
  • Colina: fosfatidilcolina PC
  • Etanolammina: fosfatidiletanolammina PE
  • Serina: fosfatidilserina PS, si localizza sulla superficie esterna dei linfociti anziani e segnala le cellule che devono essere eliminate da parte dei macrofagi; presente anche sulla superficie esterna delle piastrine che porta alla coagulazione del sangue
• Sfingolipidi: derivati della sfingosina
  • Ceramide
  • Sfingomielina
• Glicolipidi (presenti sul foglietto esterno della membrana plasmatica):
  • Cerebroside
  • Ganglioside
• Colesterolo

Carboidrati

Carboidrati (5-8%): rivolti verso l'ambiente extracellulare. Nelle glicoproteine, la componente glucidica è presente in forma di oligosaccaridi. Svolgono un'importante funzione nel mediare le interazioni di una cellula con il suo ambiente e nello smistamento delle proteine di membrana ai diversi compartimenti cellulari. I carboidrati degli eritrociti determinano se il tipo di sangue di un individuo è A, B, AB, 0.

Proteine

Proteine (50-55%): a seconda del tipo di cellula e del particolare organello in una certa cellula, una membrana può contenere centinaia di proteine differenti. Esse giocano un ruolo importante nel trasporto, nella trasduzione del segnale e come enzimi.

Classi di proteine

• Proteine integrali: sono proteine transmembrana e hanno domini che sporgono sia dal lato extracellulare, sia da quello citoplasmatico della membrana. La maggior parte di esse svolge il ruolo di:
  • Recettori
  • Canali o trasportatori
  • Agenti che trasferiscono gli elettroni
• Proteine periferiche: situate completamente all'esterno del doppio strato lipidico, o sulla superficie extracellulare o su quella citoplasmatica. Sono associate alla membrana mediante legami elettrostatici deboli. Possono essere solubilizzate in soluzione ad alta concentrazione salina. Hanno una relazione dinamica con la membrana e agiscono da:
  • Enzimi
  • Fattori che trasmettono segnali transmembrana.
• Proteine ancorate ai lipidi: si localizzano all'esterno del doppio strato lipidico, sul versante extracellulare o su quello citoplasmatico. Sono legate covalentemente a una molecola lipidica situata nel doppio strato. Numerose proteine presenti sulla superficie esterna della membrana plasmatica si legano alla membrana mediante un corto e complesso oligosaccaride legato ad una molecola di fosfatidilinositolo (proteine ancorate al GPI).

Fluidità di membrana

La fluidità di membrana fornisce un perfetto compromesso fra una struttura rigida e ordinata, in cui la mobilità sarebbe assente, ed un liquido non viscoso completamente fluido, in cui i componenti della membrana non potrebbero essere orientati e l'organizzazione strutturale risulterebbe inefficace.