Basi cellulari della medicina

BASI CELLULARI DELLA MEDICINA

ANNO DI CORSO 2015/16

UNIVERSITÀ DI MEDICINA E CHIRURGIA

SAN LUIGI GONZAGA DI ORBASSANO 1

Sommario

STRUTTURA E ARCHITETTURA DELLA CELLULA E DEI COMPARTIMENTI INTRACELLULARI............................... 3

COMPARTIMENTI DELLA CELLULA ................................................................................................................... 12

TRASPORTO DI IONI E MOLECOLE ATTRAVERSO LE MEMBRANE ................................................................... 19

CONVERSIONE DI ENERGIA .............................................................................................................................. 28

COMUNICAZIONE INTERCELLULARE: TRASDUZIONE DEI SEGNALI ................................................................. 32

IL CITOSCHELETRO ........................................................................................................................................... 44

RIGENERAZIONE DEI COMPARTIMENTI CELLULARI ......................................................................................... 60

PROCESSI DI ENDOCITOSI E FAGOCITOSI ........................................................................................................ 74

ADESIONE INTERCELLULAE E CELLULA-SUBSTRATO ........................................................................................ 77

DUPLICAZIONE CELULARE E CONTROLLO DEL CICLO CELLULARE ................................................................... 82

LA MORTE CELLULARE ..................................................................................................................................... 89

IL DIFFERENZIAMENTO CELLULARE ................................................................................................................. 93

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LA CELLULA

STRUTTURA E ARCHITETTURA DELLA CELLULA E DEI COMPARTIMENTI INTRACELLULARI

Varietà morfologica delle cellule eucariotiche

La cellula eucariotica ha una morfologia variabile: le cellule umane non sono tutte uguali, sono simili e

uguali solo nella struttura di base. I fibroblasti, quando vengono isolati su una piastra di plastica tendono ad

aderire per formare strutture allungate. I leucociti hanno anch’essi una forma allungata, ma la loro

morfologia può variare. La forma che le cellule assumono varia in base alla loro funzione; i neuroni hanno

un assone molto lungo, in cui la membrana plasmatica origina dal nucleo, si allunga e arriva in basso dove

trova ramificazioni della membrana stessa, ramificazioni che possono anche esserci dall’altro lato della

cellula. I neuroni formano interazioni con altre cellule (neuroni o altri tipi di cellule). Il linfocita è una cellula

relativamente piccola, ma non così più piccola del neurone (che sembra molto più grande perché la

membrana si estende, ma il suo volume in assenza completa di ossigeno è in realtà molto minore); il

neurone è il doppio o il triplo del linfocita, non di più. Cellule sono anche gli occhi, in cui ci sono più cellule,

dalle quali deriva la forma degli occhi. Le cellule uovo generalmente sono più grandi, anche perché le

cellule uovo vanno in contro a divisioni cellulari e in questo modo diventano sempre più piccole.

La cellula eucariotica

Tutte le cellule eucariotiche sono formate da una serie di compartimenti, circondati da membrana. Tutte le

cellule eucariotiche, dal protozoo più semplice a quella umana, hanno stessa struttura, stessi

compartimenti; le uniche differenze riguardano le cellule vegetali, le quali hanno anche un altro

compartimento, quello dei cloroplasti, assente nelle cellule animali.

Differisce dalla cellula procariotica (batteri); le nostre conoscenze derivano dallo studio di organismi più

semplici (per esempio lo studio su proteine, DNA ecc è avvenuto sui batteri, chiamati organismi modello,

come l’e.coli, su cui sono stati effettuati studi di DNA, come duplicazione, replicazione ecc). Sul sito dell’NIH

si trovano gli organismi modello accettati a livello mondiale. I procarioti differiscono per vari aspetti:

- Dimensione: in media sono più piccoli (ma ci sono alcuni che sono più grandi di alcune cellule

umane). In media il batterio è grande 1 micron, ma ce ne sono alcuni che arrivano anche a 10 µm,

dimensione media degli eucarioti, i quali arrivano fino a 100µm

- Morfologia più semplice

- Mancano dei compartimenti intercellulari

- Assenza di citoscheletro nei procarioti, ma nei procarioti esistono alcune proteine che assomigliano

sia all’actina che alla tubulina che possono andare in contro a polimerizzazione (si può quindi

parlare di citoscheletro rudimentale)

- Quando la cellula si divide dà origine all’apparato mitotico, che serve per la separazione dei

cromosomi. Questa struttura manca nei procarioti, benché anche in questi ci sia la separazione del

cromosoma (ce n’è solo uno di forma circolare) che dà origine a due cellule figlie procariotiche

- Il genoma dei procarioti è in media molto più piccolo rispetto agli eucarioti (fino a 10 alla 10

kilobasi); i genomi più grandi, negli eucarioti, appartengono a certi vegetali, ma non ai mammiferi.

Inoltre il genoma dei procarioti è formato da un’unica molecola circolare, mentre negli eucarioti è

formato da più molecole lineari di DNA associate a istoni (assenti nei procarioti); nel DNA le

estremità 5’ 3’ (assenti nei procarioti, essendo il genoma circolare) sono protette contro le

esonucleasi attraverso i telomeri. Ci sono una serie di proteine che aderiscono al DNA e a cui il DNA

si lega: queste sono gli istoni; una volta che il DNA è avvolto intorno agli istoni forma i nucleosomi;

quando i singoli nucleosomi aderiscono l’uno con l’altro iniziano a vedersi i cromosomi, uniti a

livello del centromero (sono visibili nella metafase-anafase, quando i nucleosomi sono condensati

tra di loro). Tutti gli istoni iniziano con l’H; l’H1 permette la condensazione dei cromosomi. Ci sono 3

proteine legate al DNA che regolano la duplicazione, che possono essere presenti anche nei

procarioti

- Una buona parte delle proteine nelle cellule eucariotiche sono glicosilate, cioè portano catene di

zucchero, che possono essere singoli zuccheri o molteplici condensati. Queste proteine

(glicoproteine) mancano nei procarioti

- I procarioti hanno una variabilità maggiore degli eucarioti: alcuni procarioti sono in grado di fissare

l’azoto (cioè di trasformare l’azoto atmosferico in ammoniaca e nitrati, che sono la base delle

proteine), competenza estranea agli eucarioti: la fissazione dell’azoto è propria solo dei

cianobatteri, spesso associati a piante, le quali assorbono l’azoto e in questo modo possono

lavorarlo in processi poi utili al nostro organismo. Il processo di fotosintesi per trasformare CO2 in

zuccheri è propria di alcuni batteri e di cellule vegetali, non delle cellule eucariotiche animali. Ci

sono alcuni meccanismi di trasporto usati nella nutrizione: alcuni batteri sintetizzano azoto, atri lo

trasportano all’interno, così come fanno per il maltosio e il galattosio; questo processo è comune

anche degli eucarioti. Gli eucarioti tuttavia svolgono anche processi di endo/fagocitosi, che non è

propria dei procarioti in quanto questi non hanno membrana interna/nucleare

- Gli eucarioti si distinguono in protozoi (unicellulari) e metazoi (pluricellulari); nei metazoi abbiamo

la formazione di organismi pluricellulari dove le cellule si differenziano e specializzano in funzioni

diverse. Nei procarioti non abbiamo pluricellularità e c’è al contrario un differenziamento molto

limitato. I metazoi invece si differenziano nella forma, nella struttura, nel tipo di proteine che

vengono sintetizzate e nella funzione

- I protozoi possono vivere in ambienti molto diversi per temperatura (molto alte, come i batteri che

vivono nei vulcani, o molto basse) per condizioni (livelli di pH nei quali l’eucariote non può

sopravvivere; sono batteri acidofili o basofili); i procarioti sono molto più adattati all’ambiente

esterno. Fenomeni più o meno catastrofici portano alla distruzione di eucarioti, con la

sopravvivenza dei procarioti. Questa caratteristica si definisce biotopo

- Membrana nucleare: procarion fa riferimento alla membrana del nucleo: non hanno una

membrana (eucarion: membrana nucleare perfetta). Spesso si parla di nucleoide: il DNA, essendo

una struttura formata da un’unica molecola avvolta su sé stessa dà origine a una specie di nucleo,

ma non c’è nessuna membrana nucleare. Ci possono essere dei compartimenti transitori: la

membrana plasmatica che circonda l’intero batterio (la membrana plasmatica è diversa dalla

parete cellulare, formata da lipopolisaccaridi, più rigida e che manca nelle cellule animali ma è

presente in quelle vegetali) può dare origine ad alcuni settori nel momento in cui si ripiega

all’interno, ma ciò accade solo per brevi periodi (invaginazioni). Molti batteri hanno un flagello che

permette al batterio di muoversi. Oltre al flagello possono esserci lateralmente delle cilia che

permettono anch’esse il movimento del batterio stesso. La forma del batterio può variare e il loro

nome deriva da questa forma (es tutti quelli circolari sono stati chiamati cocchi, poi in base al tipo

di specie viene cambiato la parte iniziale del nome; quelli di forma allungata sono chiamati coli, ma

è così anche il virione del colera; i microplasmi sono cellule piccolissime; batteri di forma allungata

o spiralizzata, come il treponema palidum)

I virus non sono considerati cellule perché non hanno vita autonoma: i procarioti possono duplicarsi in

modo autonomo, i virus invece devono infettare cellule procariotiche o eucariotiche, quindi non sono

considerati vitali al 100%. Manca la membrana, i compartimenti, sono in genere molto più piccoli (in media

sono più piccoli di 0.2 µm, ma esistono anche virus “giganti”, che inizialmente sono stati scambiati per

batteri). Hanno un capside proteico, al cui interno c’è una molecola di DNA e a volte una di RNA (si parla di

virus a DNA e virus a RNA); i virus a RNA (o retrovirus, come quello dell’HIV) per duplicarsi trasformano la

molecola di RNA in DNA, dal quale riforma RNA per produrre proteine. Hanno proteine proprie, ma sono

dipendenti da cellule vegetali, animali o da batteri (i virus che vivono nei batteri sono i batteriofagi); una

caratteristica è che i virus che vivono nelle cellule vegetali stanno solo in quelle e raramente possono 4

infettare un’altra specie. I virus giganti (mimi-virus, mama-virus e pandoravirus che arriva fino a 1µm) sono

per lo più parassiti di acque dolci o marine, non si sa se arrechino malattie a livello umano

(http://en.wikipedia.org/wiki/Mamavirus, Mimivirus in acathamoeba polyfaga, Pubmed)

Membrana plasmatica

Le cellule eucariotiche hanno una membrana non rigida ma plastica, che può avere dei prolungamenti,

cambiando così la propria morfologia. I prolungamenti possono essere

- Filopodi, di lunghezza variabile, in cui il diametro è molto limitato: il citoscheletro dell’actina

polimerizza dall’interno verso l’esterno

- Se oltre a polimerizzare verso l’esterno l’actina polimerizza verso altri filamenti si forma un reticolo

di actina, quindi la membrana viene spostata verso l’esterno non più con singoli filopodi ma con

pseudopodi

Le cellule eucariotiche posseggono compartimenti al proprio interno; i compartimenti non sono camere

stagne e infatti ognuno dei compartimenti ha una funzione particolare, e per poter svolgere questa

funzione ha bisogno si condizioni fisiche particolari, di enzimi, di substrati. I compartimenti hanno quindi la

funzione di delimitare una regione all’interno della cellula, ma hanno soprattutto la funzione di mettere in

relazione quel compartimento con quelli circostanti. Ogni compartimento svolge singole funzioni e perché

svolga queste funzioni deve avere un ambiente chimico-fisico ottimale e un corredo particolare di enzimi.

Questo comporta che la membrana abbia particolari caratteristiche:

- Deve mantenere la struttura stabile in un ambiente acquoso interno ed esterno

- Deve essere permeabile in modo selettivo a ioni e substrati: non può essere generalizzata

- I compartimenti devono poter comunicare tra loro: così come la cellula comunica con l’ambiente

esterno, così deve poterlo fare al suo interno, affinché ogni compartimento sappia ciò che fa l’altro

- Deve autorigenerarsi: la cellula e i compartimenti hanno una vita media, le proteine possono

durare ore, i lipidi sono un po’ più stabili, ma la membrana non può generarsi dal nulla: deriva da

una membrana preesistente, quindi la membrana si accresce per poi dividersi

I compartimenti hanno elementi in comune, hanno la stessa struttura di base: tutte le membrane (non solo

quella plasmatica) hanno un‘impalcatura lipidica (fosfolipidi) che garantisce la proprietà di essere stabile in

H2O: i lipidi sono idrofobici. Le membrane hanno uno spessore di circa 5nm di media, di cui 2nm sono lo

spazio intermedio più chiaro; questo spazio è formato da code lipidiche lineari che si proiettano verso

l’interno, mentre le regioni più scure sono le regioni più esterne dove ci sono i gruppi idrofilici (gruppi

fosfato). Nel momento in cui i due strati vengono separati l’uno dall’altro si vede una struttura omogenea e

dei globuli sopra di essa: la parte omogenea sono i fosfolipidi, mentre i globuli sono le proteine, che sono

immerse nel doppio strato fosfolipidico, esse possono uscire, attraversare questo stato ma non sono

omogenee. La membrana è fluida e plastica: siamo in un ambiente acquoso e quindi la sua fluidità è la

capacità di cambiare forma, dovuta all’ambiente esterno [video membrana e laser]; se non c’è ricovery vuol

dire che quella parte di membrana era rigida (se il citoscheletro lega le proteine, nel momento in cui le

proteine sono trattate con il laser, queste non possono più muoversi passivamente).

Fosfolipidi

La struttura di base delle membrane è fatta da fosfolipidi; tutti i lipidi delle membrane biologiche sono

formate con una struttura simile: due catene aciliche, cioè lunghe catene che sono collegate in alto con un

legame carbossilico tra la catena acilica e una molecola di glicerolo (CH2, se fosse glicerolo isolato sarebbe

CH2OHCHOHCH2OH); il glicerolo modificato a seguito del legame con le catene aciliche ha il primo OH che

è servito per formare il legame carbossilico tra il COOH terminale di un acido grasso (catena acilica ricorda

l’acido grasso e tutti gli acidi grassi hanno un terminale COOH); il gruppo COOH serve quindi per formare il 5

legame tra la catena acilica e il glicerolo. Quando due catene aciliche sono collegate al glicerolo e il terzo

carbonio del glicerolo porta legato un fosfato si ha l’acido fosfatidico, la base di tutti i fosfolipidi delle

membrane. È sufficiente che l’O del fosfato sia modificato per aggiunta di un’altra catena per avere i

fosfolipidi in senso stretto; in base a cosa si sostituisce al gruppo R si avranno diversi tipi di fosfolipidi.

Esempio di acidi grassi sono l’acido oleico (olio di oliva), l’acido palmidico (olio di palma)… tutti gli acidi

grassi sono formati da lunghe catene idrocarburiche di misura variabile che hanno un gruppo COOH.

Quando l’acido grasso è legato alla molecola di glicerolo allora è una catena acilica, mantiene il doppio

legame ed essendo legato tutta la regione è idrofobica (l’unica regione idrofilica è la zona COOH che quindi

può interagire con l’acqua, ma nel caso dei fosfolipidi anche questa regione non interagisce con l’acqua).

Gli acidi grassi si dividono in saturi (no doppi legami tra atomi di carbonio) e insaturi (doppio legame tra C).

la presenza di doppi legami all’interno della catena acilica fa sì che l’acido grasso in quel punto non sia più

lineare: all’interno della membrana plasmatica crea dunque una regione dove c’è minore rigidità e ciò si

riflette sull’intera membrana (la membrana diventa più rigida alle basse temperature, alle alte temperatura

diventa più instabile). A livello del glicerolo, l’unica regione non idrofobica è il fosfato o ciò che è legato al

fosfato (etanolamina, serina, colina o inositolo). Senza i gruppi fosfato l’inositolo, pur essendo neutro, è

idrofilico, mentre serina, etanolamina e colina hanno carica (-,+,+) quindi possono interagire con l’acqua.

Quindi una membrana plasmatica formata da queste strutture avrà catene aciliche idrofobiche e una

regione esterna idrofilica.

La molecola di acqua ha la caratteristica di essere un dipolo: le molecole di acqua hanno tutte una leggera

carica negativa e una leggera carica positiva, quindi le molecole di acqua interagiscono tra di loro formando

ponti H. Le cellule sono piene di acqua e sono immerse in ambiente acquoso. Le molecole idrofiliche sono

solubili in acqua (formano legami elettrostatici di tipo ionico, legami H); molecole idrofobiche sono

insolubili in acqua (non possono formare interazioni elettrostatiche); molecole anfipatiche hanno regioni

idrofiliche e regioni idrofobiche.

Fosfolipidi immersi in acqua possono dare luogo a micelle, cioè piccole goccioline formate da molecole

anfipatiche (tipo fosfolipidi) immerse in acqua; questo è dovuto al fatto che regioni idrofobiche tendono a

espellere acqua e a stare all’interno, mentre regioni idrofiliche interagiscono con l’acqua e stanno

all’esterno. Questa struttura non può crescere all’infinito: c’è una concentrazione critica al di sotto della

quale non si può formare questa struttura rotondeggiante e una concentrazione critica micellare al di sopra

della quale la micella si forma spontaneamente. Quando la concentrazione critica è al di sopra della

concentrazione critica micellare si possono formare i doppi strati lipidici: nel doppio strato lipidico entrambi

gli