Appunti di zoologia

Corso integrato di biologia animale e vegetale

Modulo di zoologia - la cellula

Le cellule possono essere distinte in due grandi categorie:

• Procariote
• Eucariote

La differenza lampante sta nella dimensione, dato che la cellula procariote è assai più piccola di quella eucariote (con un diametro generalmente compreso fra 1 e 5 µm), ma la differenza biologicamente più rilevante tra queste due cellule sta nel fatto che i procarioti presentano il materiale genetico libero nel citoplasma in una zona non ben circoscritta detta nucleoide, mentre negli eucarioti il materiale genetico si trova segregato all’interno di un nucleo circondato da membrana. Questa differenza strutturale comporta anche variazioni nei processi di trascrizione e traduzione; negli eucarioti la trascrizione del DNA in mRNA avviene nel nucleo, poi le molecole di mRNA vengono traslocate nel citoplasma, dove ha luogo la sintesi delle proteine. Nei procarioti tutto avviene nel citoplasma.

Le cellule procariote hanno una struttura interna molto più semplice rispetto alle eucariote, sono prive di organuli, ad eccezione dei ribosomi, preposti alla sintesi delle proteine.

Le cellule eucariote presentano un’organizzazione più complessa e sono molto più grandi (solitamente il loro asse maggiore è compreso fra i 10 e i 50 µm). Le cellule eucariote si distinguono nettamente da quelle procariote per la presenza di organuli cellulari, che svolgono funzioni separate fisicamente in modo che esse si svolgano indipendentemente le une dalle altre. Ciò conferisce alle cellule eucariote la possibilità di svolgere, contemporaneamente, più funzioni, anche se incompatibili tra di loro.

La membrana plasmatica

La membrana plasmatica preserva l’individualità della cellula mantenendola separata dall’ambiente circostante, controlla il flusso di informazioni tra cellula e ambiente o cellula e cellula. Tramite la proprietà di permeabilità selettiva controlla il transito di molecole e ioni. I sistemi membranosi avvengono i processi di conversione energetica (fotosintesi e fosforilazione ossidativa). Sono costituiti da lipidi, proteine e carboidrati. I primi sono fosfolipidi, molecole anfipatiche, disposte a formare una doppio strato asimmetrico, fluido e privo di legami covalenti. Le proteine si dividono in integrali, inserite nello spessore della membrana, oppure periferiche se adese sulla superficie dello strato interno o esterno.

Le proteine che vanno a situarsi nella membrana interna sono prodotte dai ribosomi liberi e viaggiano nel citoplasma. Le proteine che vanno nella membrana esterna sono prodotte dai ribosomi del RER, poi una porzione va nel lume del RER dove viene glicosilata. Questa stessa porzione viene trasferita nel lume del Golgi dove viene modificata nella porzione glucidica. Questa stessa porzione glicoproteica rimane all’interno delle membrane delle vescicole secretorie e, quando la vescicola secretoria si fonde con la membrana, la porzione glucidica si disporrà all’esterno della superficie cellulare.

La fluidità dipende da molti fattori: con l’aumento della temperatura, delle proteine, delle insaturazioni, aumenta la fluidità, mentre con l’aumento di colesterolo e lunghezza delle catene aciliche la fluidità diminuisce.

Il nucleo

Il nucleo è circondato da un involucro nucleare costituito da due membrane (esterna ed interna) che si fondono formando i pori nucleari. Questi pori nucleari regolano in modo selettivo il passaggio di sostanze da nucleo a citoplasma e viceversa. Contiene il DNA, costituente dei geni, che viene trascritto in mRNA che va nel citoplasma dove viene tradotto in proteine. Il DNA con le proteine istoniche forma la cromatina che durante la divisione cellulare si condensa in cromosomi, in numero caratteristico a seconda della specie (uomo: 2N=46). Nel nucleo si trovano uno o più nucleoli (non circondati da membrane) contenenti un organizzatore nucleolare, geni preposti alla sintesi degli RNA ribosomali. Le proteine ribosomali sono sintetizzate a livello citoplasmatico, vengono trasportate nel nucleolo, assemblate in subunità ribosomali che escono dai pori nucleari.

I ribosomi

I ribosomi sono gli organelli deputati alla sintesi proteica, costituiti da RNA e proteine. Quelli eucariotici (80S) sono fatti da 3 rRNA + 75 proteine. Sono costituiti da due subunità e sono liberi nel citosol o associati alle membrane (RE rugoso). Hanno gli enzimi per formare il legame peptidico. I ribosomi liberi sono presenti soprattutto nelle cellule in attiva proliferazione: linfociti, eritroblasti, reticolociti, nelle fibre muscolari, nei batteri. Sono sede di sintesi delle proteine strutturali ed enzimatiche destinate a rimanere nella cellula, come ad esempio: le citoplasmatiche, le nucleari, le mitocondriali, quelle dei perossisomi.

I ribosomi associati al RER sono presenti soprattutto: nelle cellule ghiandolari, nelle plasmacellule, nelle cellule nervose. Sono sede di sintesi delle proteine di secrezione, di membrana e lisosomiali.

Il reticolo endoplasmatico

Il reticolo endoplasmatico è il labirinto di membrane interne che circondano il nucleo formando sacche appiattite che originano, nel citoplasma, compartimenti connessi tra di loro. Le due membrane del RE delimitano uno spazio (LUME) che è in comunicazione con lo spazio delimitato dalle membrane nucleari interna ed esterna. Sulle membrane del R.E. si trovano sistemi enzimatici che intervengono in reazioni a catena, altri enzimi sono localizzati nel lume.

Il reticolo endoplasmatico rugoso presenta ribosomi attaccati alla membrana. Nel ribosoma si forma un tunnel che lo collega ad un poro del RE (Translocone). Le proteine sintetizzate dal ribosoma attraverso il poro giungono nel lume del RE dove vengono glicosilate o sommate a lipidi e riarrangiate in strutture tridimensionali dagli Chaperone molecolari. Tramite le vescicole di trasporto le proteine migrano verso gli altri compartimenti.

Il reticolo endoplasmatico liscio, privo di ribosomi, è la sede del metabolismo di fosfolipidi, steroidi ed acidi grassi. È molto abbondante nelle cellule epatiche deputate alla sintesi di steroidi e lipidi. Inoltre, gli enzimi del RE liscio degradano sostanze tossiche trasformandole in composti idrosolubili atti all’escrezione.

Complesso o apparato del Golgi

Il complesso o apparato del Golgi è costituito da pile di sacche membranose (cisterne) che presentano un lume interno. Ogni complesso ha una superficie CIS, vicino al nucleo che riceve le vescicole di trasporto del RE, una regione mediale e una superficie TRANS vicina alla membrana plasmatica che forma delle vescicole secretorie che trasportano le molecole fuori dal Golgi. Le cellule vegetali ne hanno diversi e sono deputati alla sintesi dei polisaccaridi extracellulari, componenti della parete cellulare.

Processa, seleziona, modifica le proteine e nella regione trans vengono prodotte le vescicole secretorie che possono fondersi con la membrana plasmatica (secrezione delle glicoproteine), immagazzinare le glicoproteine oppure allestire i lisosomi (nelle cellule animali).

I lisosomi

I lisosomi si formano prima dei lisosomi primari per gemmazione dal complesso del Golgi. Questi si fondono con le vescicole fatte dalla membrana plasmatica contenenti il materiale estraneo, ed originano il lisosoma secondario. Gli enzimi lisosomiali, sintetizzati nel RE, sono attivi a pH5 e sono confinati all’interno della membrana lisosomiale fino al loro intervento in processi degradativi normali delle cellule.

I perossisomi

I perossisomi sono organuli rivestiti da membrane che contengono la catalasi, enzima in grado di degradare il perossido di idrogeno. Si trovano nelle cellule che sintetizzano, immagazzinano o degradano i lipidi e nelle cellule epatiche e renali hanno l’alcool deidrogenasi che degrada l’alcool.

I vacuoli

I vacuoli sono strutture tipiche delle cellule vegetali, ma presenti anche nelle cellule animali e nei protisti unicellulari. Svolgono le funzioni dei lisosomi, sono costituiti da un sacco membranoso delimitato da membrana (tonoplasto) che si forma per fusione di vescicole più piccole. Svolgono un ruolo importante nello sviluppo e crescita delle piante, le cellule giovani hanno molti piccoli vacuoli, quelle adulte hanno un grosso vacuolo centrale ricco di acqua e sostanze di riserva, sali, pigmenti, rifiuti. Servono anche a mantenere il turgore della cellula vegetale.

Mitocondri e cloroplasti

Mitocondri e cloroplasti sono i trasduttori di energia chimica (degli alimenti) o luminosa (del sole) in energia utilizzabile dalla cellula (ATP). Questo avviene nel citosol, nei mitocondri e nei cloroplasti, organuli che hanno DNA e si accrescono e si riproducono autonomamente. I Mitocondri sono gli organuli deputati alla respirazione cellulare aerobica. Si trovano in tutte le cellule eucaristiche ma sono più numerosi nelle cellule metabolicamente attive. Si replicano per divisione. Hanno membrana esterna, liscia, permeabile alle sostanze piccole e membrana interna, selettivamente permeabile. Tra le due membrane c’è lo spazio intermembranoso. Nella matrice si trovano gli enzimi che degradano le molecole alimentari, nelle creste l’energia chimica delle molecole alimentari viene trasformata in ATP.

Il citoscheletro

Il citoscheletro determina la forma e la capacità di muoversi delle cellule, serve come supporto meccanico, per il trasporto dei materiali e interviene nella divisione cellulare. È costituito da:

• Microtubuli: diametro di 25 nm. Ruolo strutturale nella formazione del citoscheletro e nel movimento dei cromosomi lungo il fuso mitotico. Sono costituiti da dimeri di alfa e beta tubulina. Si allungano dall’estremità più e si disassemblano dall’estremità meno. Sono ancorati alla cellula grazie al Micro Tuble Organizing Center (MTOC) che nelle cellule animali è nel centrosoma. Il centrosoma contiene due centrioli con struttura 9x3 (9 triplette di microtubuli che formano un cilindro cavo). Possiedono delle proteine dette associate ai microtubuli (MAP): -MAP strutturali: servono all’assemblaggio dei microtubuli e ancorano i microtubuli al citoscheletro; -MAP motorie: utilizzano ATP per generare movimento; -Chinesina è una proteina che muove gli organuli cellulari verso il lato più dei microtubuli; -Dineina è una proteina che effettua il trasporto retrogrado degli organuli;
• Microfilamenti: diametro di 7 nm. Sono costituiti da due catene di molecole di actina intrecciate fra di loro. Sono supporto meccanico per le strutture cellulari e di per sé non possono contrarsi, ma si possono assemblare-disassemblare. Nelle cellule muscolari si associano alla miosina formando strutture contrattili coinvolte anche nella divisione delle due cellule figlie durante la telofase. Sono coinvolti nella esocitosi.
• Filamenti intermedi: diametro di 8-10 nm. Sono costituiti da fibre polipeptidiche resistenti, di dimensione e composizione variabile. Fortificano il citoscheletro e stabilizzano la forma della cellula. Tramite proteine sono connessi agli altri filamenti. Sono loro che formano la lamina nucleare, sotto l’involucro nucleare e regolano la disorganizzazione-riorganizzazione del nucleo durante la divisione cellulare.

Il glicocalice

Il glicocalice circonda le cellule eucaristiche. Composto da catene polisaccaridiche dei lipidi e delle proteine di membrana. Ha funzione nel riconoscimento cellulare, nelle interazioni fra le cellule, nella resistenza meccanica di alcuni tessuti.

Il trasporto di membrana

Le membrane hanno permeabilità selettiva: solo alcune molecole possono attraversare la membrana. Il trasporto si divide in:

• Passivo: le sostanze diffondono spontaneamente seguendo il gradiente di concentrazione senza spesa di energia da parte della cellula.
  • Diffusione semplice: movimento spontaneo di un soluto da una regione in cui la concentrazione è più elevata ad una in cui è più bassa. È limitata alle piccole molecole apolari.
  • Diffusione facilitata: le sostanze idrofile, compresa l’acqua, attraversano la membrana con l’ausilio di proteine di trasporto che possono essere proteine trasportatrici (carrier o permeasi). Si legano al soluto specifico e subiscono cambiamenti di conformazione per trasferire il soluto legato attraverso la membrana. Proteine canali, formano un poro idrofilo per il passaggio del soluto nel doppio strato lipidico.
• Attivo: alcune proteine di trasporto agiscono come pompe, trasportando sostanze attraverso la membrana contro gradiente di concentrazione. L’energia necessaria è normalmente fornita dall’ATP.

Osmosi: movimento passivo di acqua attraverso la membrana. L’H₂O è polare senza carica e si muove in risposta alle differenze di concentrazione del soluto. I movimenti dell’acqua nella cellula sono sempre in funzione dell’energia potenziale in essa contenuta detta anche potenziale idrico (differenza di pressione idrostatica che esiste tra l’esterno e l’interno della cellula). Si sposta da una regione dove il potenziale idrico è maggiore a una dove è più basso. La differenza di energia potenziale fra lo stato iniziale e quello finale è convertita in altre forme di energia (cinetica, termica, meccanica). Il potenziale idrico è misurato in termini di pressione richiesta per fermare il movimento d’acqua. Nelle soluzioni il potenziale idrico dipende dalla concentrazione dei soluti:

• Maggiore è la concentrazione dei soluti, minore è il potenziale idrico dell’acqua.
• Minore è la concentrazione dei soluti, maggiore è il potenziale idrico dell’acqua.

Poiché l’acqua si sposta da una regione dove il potenziale idrico è maggiore a una dove è più basso, nelle soluzioni le molecole di acqua si spostano da zone a minore concentrazione di soluto a quelle a maggiore concentrazioni di soluto.

Osmolarità: concentrazione di una soluzione che sottolinea il numero di particelle di soluto presenti nella soluzione stessa. L'osmolarità esprime il numero di osmoli di soluto contenute in un litro di soluzione, dove il numero di osmoli si calcola moltiplicando il numero di moli di molecole in soluzione, derivanti dalla dissociazione, per il coefficiente i (Van’t Hoff).

Questi fenomeni sono ben osservabili inserendo un globulo rosso in soluzione ipotonica, isotonica e ipertonica. Nel primo caso l’acqua si sposterà dalla soluzione all’interno del globulo fino a farlo scoppiare, nel secondo l’acqua entrerà e uscirà in egual misura, nell’ultimo caso l’acqua dall’interno del globulo passerà nella soluzione facendo avvizzire la sua membrana.

Esocitosi

Esocitosi consiste nello spostamento di vescicole tramite microtubuli verso la membrana per poter riversare il contenuto all’esterno. Il movimento si blocca con la colchicina che impedisce l’assemblaggio dei microtubuli e anche il calcio è coinvolto nella liberazione delle vescicole. Si può avere:

• Secrezione costitutiva: liberazione continua di vescicole, indipendente da segnali extracellulari, ad esempio il rilascio di muco. Fino a poco tempo fa si pensava che la secrezione avvenisse di default in mancanza di segnali di localizzazione, recentemente sono state trovate sequenze segnale. Processo importante per la formazione della matrice extracellulare e della membrana plasmatica.
• Secrezione regolata: liberazione in risposta a segnali, ad esempio il rilascio di neurotrasmettitori e di insulina dalle isole pancreatiche.

Endocitosi

• Fagocitosi: la sostanza entra in contatto con un appropriato bersaglio, l’actina polimerizza ed si ha l’emissione di pseudopodi che “abbracciano” la sostanza formando il vacuolo fagocitino.
• Macropinocitosi: tramite protrusioni della membrana, causate dal rimodellamento del citoscheletro di actina, che si fondono con la membrana formando vescicole endocitiche. Sembra essere indotto da fattori di crescita.
• Endocitosi mediata da caveoline: nelle cellule endoteliali è diffusa per portare materiale dal sangue ai tessuti. Si formano grazie alla caveolina che determina invaginazioni a livello di microdomini della membrana ricchi di colesterolo.
• Endocitosi clatrina dipendente: via per concentrare e ingerire molecole extracellulari come ormoni, fattori di crescita, anticorpi, proteine del siero, enzimi.

Il DNA

Il DNA è un eteropolimero lineare composto da nucleotidi (desossiribosio + base azotata + gruppo fosfato). Le molecole di desossiribosio sono legate mediante legami fosfodiesterici tra il carbonio 5’ di uno zucchero e il carbonio 3’ dello zucchero successivo. Questo orientamento è necessario per comprendere la natura antiparallela delle 2 catene polinucleotidiche, caratteristica chiave della doppia elica. Una catena dell’elica è orientata 5’-3’, e l’altra in direzione opposta. Solitamente le sequenze di DNA sono scritte in orientamento 5’-3’. Questo significa che un DNA a singolo filamento inizia con un gruppo fosfato libero legato al carbonio 5’ dello zucchero. I successivi nucleotidi sono aggiunti al filamento mediante legami fosfodiesterici, che uniscono il gruppo ossidrilico al carbonio 3’ di uno zucchero con il fosfato legato al carbonio 5’ di uno zucchero adiacente.

Proprietà del DNA

• La molecola di DNA è una doppia elica destrorsa dal diametro di 2 nm;
• Le due catene sono antiparallele;
• Gli scheletri di zucchero-fosfato si trovano all’esterno e le basi all’interno;
• Le basi sono unite da legami a idrogeno;
• Si formano solchi maggiori e solchi minori dove entrano le proteine;
• Il DNA si può denaturare e rinaturare;
• La doppia elica è una struttura stabile.

Cromatina

La cromatina è un complesso di DNA e proteine cromosomiche che costituiscono il cromosoma. Le proteine associate al DNA nella cromatina sono:

• Proteine istoniche: le più abbondanti associate ai cromosomi. Sono piccole proteine basiche, con una carica netta positiva che facilita il loro legame al DNA. Sono 5 tipi: H1, H2A, H2B, H3, H4. Le quantità e proporzioni degli istoni rispetto al DNA sono costanti in tutte le cellule di tutti gli organismi eucarioti.