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Reticolo endoplasmatico (RE)

È un organulo in continuità con l’involucro nucleare. Ha una struttura a

cisterne, sacculi e tubuli anastomizzate tra loro, e ognuno di questi

elementi membranosi delimita, al proprio interno, uno spazio che

costituisce il lume delle singole strutture.

Si divide in:

Reticolo endoplasmatico liscio (SER)

È costituito da membrane sottoforma di tubuli privi di ribosomi. Nelle

membrane sono inclusi enzimi che intervengono nella sintesi di steroidi,

fosfolipidi, glicolipidi. Inoltre ha anche una gunzione di detossificazione

da farmaci (xenobiotici) che vengono resi meno pericolosi attraverso

idrossilazione, e anche ha una funzione di deposito di Ca , infatti il SER

2+

sequestra CA dal citosol, detto anche secondo messaggio.

2+

È molto abbondante nei tessuti, soprattutto nei muscoli (per la necessità di accumulare e rilasciare Ca , e

2+

si chiama reticolo sarcoplastico), nelle cellule endocrine che producono ormoni steroidei e nel fegato.

Reticolo endoplasmatico ruvido (RER).

È costituito da una serie di cisterne appiattite, interconnesse e ricoperte da ribosomi. Infatti la principale

funzione è quella di sintesi delle proteine e rielaborazione delle stesse, rendendole glicoproteine. Inoltre

accelera la formazione della struttura terziaria delle proteine e ponti di solfuro.

Le modificazioni che possono essere:

N-glicosilazione, ovvero l’aggiunta di un’oligosaccaride preformato, trasferito in blocco sull’NH della

 2

asparagina, grazie all’oligosaccaride transferasi;

O-glicosilazione, ovvero l’aggiunta di un olisaccaride ai gruppi OH di serina o treonina;

 Ponti di solfuro, per esempio l'insulina. Questa viene prodotta in una forma immatura detta

 preproinsulina ed è fatta da varie parti: una coda N-terminale (detta sequenza segnale), un tratto

peptidico, un tratto di peptide C e subito dopo un tratto C-terminale. Nel RE viene tagliata la parte

relativa al N-terminale, e il prodotto assume il nome di proinsulina, in cui vengono a formarsi dei punti di

solfuro tra il tratto peptidico e il tratto C-terminale. Si dice che ha subito un taglio proteolitico, ovvero la

rimozione di una parte della proteina rompendo il legame peptidico. Quando la proteina formata

passa nell’apparato di Golgi, abbiamo un nuovo taglio in corrispondenza dei due tratti e, grazie ai

ponti di solfuro, i peptidi rimangono uniti e formano l’insulina, con eliminazione del peptide C.

Ancoraggio delle proteine a glicolipidi (ovvero formato da una parte lipidica che lo fa rimanere

 attaccato alla membrana, e una parte glucidica, vale a dire gli zuccheri). La proteina che rimane

attaccata alla membrana, viene tagliata e successivamente

ancorata ad un glicolipide, il glicosilfosfatadil inositolo (GPI).

Le proteine sintetizzate dai ribosomi liberi sono destinate al RE, al nucleo,

ai perossomi e ai mitocondri mentre le proteine sintetizzate al RER,

possono andare al RE, all’apparato di Golgi, ai lisosomi, alla membrana

plasmatica o extracellulare (proteine secretorie).

Le proteine sintetizzate al RER partono dal citoplasma, ad un certo

punto della sintesi si avrà una specifica sequenza (detta segnale) a cui

si legherà SRP (particella del riconoscimento segnale) che farà fermare

la sintesi. Dopodiché il ribosoma con la catena polipeptidica si sposterà

sul RER e, ben ancorato, finirà la sintesi iniziata. Il RER è molto

abbondante nelle cellule che producono ormoni proteici.

Il reticolo endoplasmatico è in continua comunicazione con l'apparato

di Golgi, perché emergono vescicole di trasporto, e queste contengono il materiale prodotto nel RE

(qualsiasi cosa che viene prodotta dal RE non viene mai messo libero nel citoplasma).

Dall'apparato di Golgi si originano le vescicole che vanno ad altre destinazione: extracellulare, a formare

lisosomi, possono anche dirigersi verso membrana plasmatica e così, le proteine del RE diventano proteine

di membrana.

Meccanismo generale origi nazione delle vescicole (Comunicazione compartimento all'altro). L'organulo è

fatto da membrane, che nel lume contengono delle proteine solubili, la membrana inizia a fare delle

estroflessioni, sempre più marcate fino a creare una strozzatura è da questa si staccherà la vescicola, che

avrà all’interno le proteine solubili (ovvero il materiale prodotto). Per prendere contatto con apparato di

Golgi, la membrana della vescicola si fonderà con la membrana dell'altro organulo e quindi permette il

passaggio del materiale. 15

Apparato di Golgi.

È formato da delle cisterne delimitate da una membrana, che si estendono per un certo tratto del

citoplasma e si dirigono verso la membrana citoplasmatica. A differenza del SE ogni cisterna è separata

fisicamente l'una dall'altra, ma tra ogni cisterna c'è comunicazione tramite vescicole.

L’apparato di Golgi ha due facce diverse: quella rivolta verso il RE è chiamata faccia cis, mentre la parte

rivolta alla membrana plasmatica si chiama faccia trans, mentre la parte intermedia è detta mediale.

L’apparato svolge la funzione di o-glicosidazione, continuo rimaneggiamento della parte glucidica

sintetizzata a livello del RE.

Ci sono particolari proteine, detti enzimi lisosomiali, che passano dal RE all’apparato di Golgi e che

vengono glicosilati al livello del RE (diventando glicoproteine) a cui viene attaccato al mannosio, al livello

del Golgi, un gruppo fosfato, che non è altro che un’etichettatura, è un modo per riconoscerlo e non far

modificare il mannosio (detto poi mannosio-6-fosfato)

Nel RE si formano proteine solubili e trasmembranali e le vescicole che devono trasportarle avranno

all’interno si l'una che l'altra. Questa vescicola prenderà contatto con l'apparato di Golgi, a questo punto,

dopo delle modificazioni, dalla cisterna del Golgi si ricreerà un’altra vescicola che arriverà ad emergere

dal lato trans ed avrà entrambe le vescicole.

Quando questa si fonderà con la membrana plasmatica, avremmo che le proteine solubili vengono

rilasciate all'esterno, mentre le trasmembranali rimangono nella membrana con il lato dello zucchero rivolto

verso l’esterno.

Questo meccanismo che riguarda il rilascio all'esterno di materiale, viene chiamata secrezione. Ne esistono

due tipi: costitutiva (è una via classica, costante, che avviene sempre) e regolata (avviene soltanto in

risposta ad un certo segnale ormonale che proviene dall'esterno verso la cellula).

Tutte le vescicole sono rivestite da proteine, per esempio dal RE

all’apparato di Golgi le vescicole sono rivestite da proteine che

si chiamano COPII, mentre quelle che vanno dall’apparato di

Golgi al RE si chiamano COPI.

(Se la proteina ha l'estremo NH verso il lume della vescicola,

quando è fusa nella membrana plasmatica ha l'estremo NH

rivolta verso l'extracellulare, e viceversa.)

Lisosomi

Dal l'apparato di Golgi possono originarsi delle vescicole

(inattive) che si chiamano lisosomi primari che contengono gli

enzimi lisosomiali. Gli enzimi lisosomiali (detti idrolasi acide) sono

degli enzimi idrolitici, ovvero che scindono i legami covalenti di

macromolecole (nelle proteine peptidico, negli acidi nucleici

fosfodiesterico, negli zuccheri glicosidici). Questi enzimi entrano

in gioco quando un materiale, presente nell’extracellulare come un batterio, viene circondato dalla

membrana citoplasmatica per formare una vescicola che lo contiene. Quando questa vescicola si fonde

con un lisosoma primario, si forma il lisosoma secondario.

Gli enzimi lisosomiali sono di tanti tipi diversi, e si chiamano proteasi, nucleasi, glicosidasi, lipasi... C'è ne sono

circa 40 tipi diversi ognuno deputato a rompere determinate macromolecole.

Questa è detta via fagocitosi e la vescicola si chiama fagosoma, ed è un meccanismo esclusivo solo di

alcune cellule, quindi solo quelle deputate alla difesa.

Gli enzimi lisosomiali funzionano con una massima affinità a pH acido, infatti dentro al lisosoma c'è un'alta

concentrazione di H (circa pH 5) e per mantenere un pH così alto, sulla membrana del lisosoma c'è una

+

proteina che si chiama pompa protonica, che prende gli H dal citoplasma (circa pH 7,4) e li spinge verso il

+

gradiente elettrochimico, utilizzando energia che deriva dall'idrolisi dell’ATP.

Esistono tre tipi di vie degradative:

Fagocitosi (quella vista adesso) che non fanno tutte le cellule;

 Autofagia: dentro alle cellule può succedere che un organulo subisca dei danneggiamenti che non

 sono riparabili (come un mitocondrio) allora viene circondato dalla membrana proveniente dal RE, e la

vescicola che si viene a formare si chiamerà autofagosoma, a cui si uniscono i lisosomi primari.

Endocitosi mediata da recettori: permette la internalizzazione di materiale proveniente dall'ambiente

 extra cellulare. Si forma una vescicola, chiamata endosoma precoce, poi diventerà endosoma tardivo

e si unirà al lisosoma primario. In questo caso non è giusto dire che è una “via degradativa” che,

appunto, serve a distruggere qualcosa, ma una via che permette alla cellula di utilizzare, in maniera

costruttiva, quello che si forma nel lisosoma secondario, e quindi liberare nella cellula delle molecole

che devono essere utilizzate dalla stessa. 16

Sulla membrana plasmatica ci possono essere delle proteine che sono dei recettori, dette proteine

trasmembranali, e possono interagire specificatamente con molecole extramembranali. Un esempio

sono le LDL che sono lipoproteine che trasportano il colesterolo nel sangue. Queste particelle prendono

contatto con i loro recettori che sporgono dalla membrana, vengono riconosciute.

Si forma l’invaginazione e della membrana da origine al lisosoma. Dentro al lisosoma inizia ad

aumentare il pH, e questa variazione fa sì che la proteina si stacchi dal recettore e questi, tramite

vescicole vengono riportati sulla membrana (questo processo è detto riciclaggio). Al lisosoma tardivo

arriva i lisosomi primari che rilasciano gli enzimi e il complesso lisosoma tardivo (come LDL) e lisosomi

primari è detto lisosoma secondario. Qui lo scopo è usare il colesterolo e quindi rilasciarlo nel

citoplasma della cellula (oltre ad amminoacidi, lipidi che fanno parte della proteina trasportatrice).

Le vescicole dei lisosomi sono vescicole rivestite il cui rivestimento è una proteina chiamata clatrina, ha la

forma di tre bracci e, quando si assembla a tante altre proteine, forma un canestro intorno alla vescicola.

Perossisomi

Sono degli organuli delimitati da una membrana che contengono un materiale detta matrice granulare.

Contengono degli enzimi (più di 50) che servono per scomporre in molecole più piccole gli acidi grassi (per

poi produrre energia) chiamata β-ossidazione.

Contengono anche degli enzimi che, durante specifiche reazioni, possono dare origine ad un composto

che è tossico per la cellula, ovvero H O , degradandolo con l’enzima catalasi in H O.

2 2 2

Le proteine che servono ai perossisomi sono sintetizzate sui ribosomi liberi nel citoplasma, e vengono dirette

nel lume dei perossisomi perché hanno l’N o C terminale una specifica sequenza (serina-leucina-serina)

chiamata segnale 1 e 2 di targeting per i perossisomi.

Mitocondri

Sono considerati la centrale energetica della cellula, perchè producono grandi quantitativi di ATP.

La loro funzione non è solo questa, ma sono deputati anche alla sintesi dell’eme (che è il costituente

centrale dell’emoglobina, ma presente anche in altre proteine, in particolare quelle che trasportano gli

elettroni). In realtà partecipa alla sintesi, perché alcune parti continuano nel citoplasma e ritornano poi al

mitocondrio.

Un altro processo in cui sono coinvolti è la sintesi degli steroidi, che inizia nei mitocondri e poi continua nel

SER, in particolare il mitocondrio, per iniziare la sintesi, prende il colesterolo dal citoplasma e inizia una serie

di reazioni che portano alla formazione alcune molecole steroidee che poi vengono portate nel SER e

trasformate nei vari steroidi.

Un altro processo è l’innesco della morte programmata della cellula (apoptosi).

I mitocondri sono presenti in tutte le cellule eucariotiche, hanno una struttura identica, una dimensione

simile ad un batterio (0,5-3µm). Il numero varia a seconda delle necessità energetica della cellula.

Hanno, come il nucleo, due membrane separate tra loro da uno spazio intermembrana:

Membrana interna: forma delle invaginazioni perché ha

 una superficie superiore rispetto alla membrana esterna,

e vengono chiamate creste mitocondriali, il lume è

chiamata matrice mitocondriale, che ha un’alta

concentrazione di proteine al suo interno, soprattutto di

enzimi.

La membrana interna è costituita per il 70% da proteine

che intervengono nella fosforilazione ossidativa

(processo che porta alla formazione di ATP), manca il

colesterolo, ma è presente la cardiolipina. Questo la fa

assomigliare alla membrana plasmatica dei batteri e

che rende la membrana altamente impermeabile.

Membrana esterna ha il colesterolo, è costituita dal 50%

 di proteine ed è più permeabile rispetto alla membrana

interna. C'è un complesso chiamato porina che forma

un poro e permette il passaggio di molecole dall'interno all'esterno. Attraverso questo poro passano

molecole intorno ai 5kDa.

Dentro la matrice ci sono il DNA (DNA mitocondriale) e tutto l'apparato che sintetizza le proteine (ribosomi),

quindi il mitocondrio è in grado di sintetizzare le proteine.

Il DNA mitocondriale ha una struttura circolare (come quello dei batteri) ed è presente in un certo numero

(5-6 nel caso dell’uomo) di copie esattamente identiche tra loro. Inoltre non è associato agli istoni, per

17

questo detto DNA nudo. Questo DNA contiene alcuni geni per il rRNA, tRNA e alcuni per mRNA, per le

proteine implicate nella fosforilazione ossidativa.

L'universalità del codice genetico, fa eccezione il mitocondrio: la tripletta di stop UGA nel mitocondrio è

codificante per il triptofano. Inoltre gli mRNA prodotti dentro al mitocondrio formano i trascritti primari

policistronici.

Si dice che il mitocondrio è un organulo semiautonomo, perché molte proteine di cui ha bisogno se le

produce da solo, la maggior parte però derivano dalla cellula che vengono sintetizzate dal DNA nucleare

(detto genoma nucleare).

I mitocondri, inoltre, possono dividersi e crearne altri tramite scissione (caratteristico dei batteri)

Per la produzione di energia, inizia tutto nel citoplasma, dove avvengono delle reazioni che vanno sotto il

nome di glicolisi in cui il glucosio si forma una molecola che si chiama piruvato, viene portato dentro al

mitocondrio e ci sono vari fenomeni che iniziano con il ciclo di Krebs fino ad arrivare alla fosforilazione

ossidativa (utilizzo ossigeno molecolare) e mediante questo processo si ha produzione di alti livelli di ATP.

Tutto fa pensare che il mitocondrio derivi da un batterio dalla teoria endosimbiotica.

La cellula eucariotica che milioni di anni fa, era ancestrale eucariotica, produceva ATP fermandosi alla

glicolisi (non usava ossigeno), quindi un metabolismo anaerobico. Ad un certo punto ha fagocitato un

batterio ancestrale, che aveva la capacità di produrre ATP in presenza di ossigeno (metabolismo

aerobico). Questo batterio non è stato distrutto, ma è rimasto nella cellula ed è andato incontro a delle

mutazioni del DNA (quindi un’incapacità di vivere una vita autonoma) è diventato così il mitocondrio.

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TRAFFICO INTRACELLULARE

La membrana plasmatica funge da vera e propria barriera tra il citoplasma e l’ambiente extra cellulare

perché risulta selettivamente permeabile, ovvero può essere più o meno facilmente attraversata da

metaboliti. Di solito le molecole di piccole dimensioni e liposolubili passano nella membrana senza

problemi, mentre per altre molecole con carica netta o più grandi, la cellula adopera varie strategie.

In generale il passaggio delle molecole serve, alla cellula, per assumere sostanze essenziali (come il

glucosio, che è la molecola elettiva per produrre ATP), per eliminazione di metaboliti di rifiuto, ma anche

per mantenere, in maniera ben definita, la concentrazione di sostanze ioniche, come Na , Ca , H , Cl , K ..

+ 2+ + - +

Esistono due tipi di trasporto: il trasporto passivo (con rilascio di energia → esoergonico), quando non

necessitano di energia perché spontanea e sono diffusione semplice e la diffusione facilitata, e il trasporto

attivo (endoergonico), quando necessita di energia perché effettuato contro il gradiente di

concentrazione.

Osmosi

È un tipo di diffusione che avviene quando due soluzioni contenenti quantità diverse di soluto, sono

separate da una membrana semipermeabile che permette il passaggio del solvente (ma non al soluto). Il

solvente inizia a passare dalla soluzione meno concentrata alla soluzione più concentrata, fino a quando

non avranno la stessa concentrazione (soluzioni isotoniche).

Se la cellula che effettua l’osmosi si trova in un ambiente molto concentrato rispetto al suo citoplasma,

l’acqua tenderà ad abbandonare la cellula fino a che questa non si rimpicciolisce/raggrinzisce (soluzione

ipertonica), viceversa se la concentrazione dell’ambiente è minore l’acqua tenderà ad entrare nella

cellula fino a che questa non scoppia (soluzione ipotonica).

Per evitare questi casi la cellula deve stare in un ambiente isotonico e regolare la concentrazione delle

sostanze ai lati con una pompa Na /K .

+ +

Diffusione semplice.

È analoga all’osmosi, solo che la membrana in questione è permeabile al soluto, quindi è proprio questo

che si sposta dalla soluzione a concentrazione più alta alla soluzione concentrazione più bassa. Si dice che

la diffusione avviene secondo il gradiente di concentrazione.

La diffusione semplice è influenzata dalle dimensioni e dell’idrofobicità delle molecole, infatti le molecole

che passano liberamente dalla membrana sono quelle di piccole dimensioni, idrofobiche oppure apolari

(ma molto piccole). Gli ioni e gli amminoacidi non passano per diffusione semplice perché portano delle

cariche nette.

Diffusione facilitata.

Molecole di grandi dimensioni oppure che possiedono una carica netta (quindi ioni) attraversano la

membrana plasmatica con questo tipo di diffusione, e viene attuato grazie a delle proteine di trasporto

che sono inglobate nella membrana plasmatica. Ci sono due diversi tipi di proteine di trasporto:

Proteine trasportatrici: generalmente hanno un sito di legame per la molecola che devono trasportare.

 Quando questa vi si lega, la proteina trasportatrice cambia la sua conformazione permettendo così il

rilascio del soluto dall’altra parte della membrana, verso la soluzione meno concentrata.

Proteine canali: si trovano in tutti i tipi di cellule e sono delle sofisticate macchine molecolari in grado di

 condurre molti ioni al secondo con specifica selettività. I canali ionici fluttuano da uno stato chiuso ad

uno stato aperto che può essere regolata da:

Cambiamento di voltaggio attraverso la membrana: inizialmente il canale è chiuso. Sul lato

o della membrana ci saranno delle cariche positive mentre nella parte opposta della membrana

ci saranno delle cariche negative. Questa differenza di potenziale esterno ed interno si dice

potenziale di membrana. Se il potenziale di membrana varia, questo permette l’apertura o la

chiusura del canale. Il potenziale di membrana è zero quando il numero di cariche positive e

negative si equipara su ciascun lato della membrana, se non sono uguali ovvero c’è un

eccesso di cariche (positive o negative) su un lato si genera un potenziale di membrana diverso

da zero. A riposo, la membrana ha un potenziale di -70mV.

Attacco di un ligando (o neurotrasmettitore): inizialmente il canale è chiuso, ma se viene a

o contatto con un neurotrasmettitore che vi si lega nel sito di collegamento, ne provoca un

cambiamento conformazionale che fa passare la molecola. Il potenziale di membrana,

quando il numero di cariche positive e negative sei equipara su

19

Se la molecola che deve essere trasporta è una sola, che passa attraverso una proteina in una direzione, si

parla di uniporto. Ci sono casi in cui si parla di cotrasporto in cui due molecole passano dalla solita proteina

trasmembranale che, se vanno nella stessa direzione si parla di simporto, se invece passano da parti

opposte si parla di antiporto.

Il trasporto facilitato arriva ad una saturazione, perché la proteina deve interagire con la molecola

trasportata e le proteine trasportatrici sono in un numero limitato (un po’ come gli enzimi).

Trasporto attivo

L’ambiente intracellulare e extracellulare sono caratterizzati da una distribuzione ineguale di specie ioniche

quali Na , K , Ca , H ; Na per esempio ha una concentrazione molto alta all’esterno della cellula, mentre

+ + 2+ + +

K ha una concentrazione molto alta all’interno della cellula. Per mantenere queste concentrazioni, la

+

cellula attua il trasporto attivo. Il trasporto attivo è un trasporto che richiede energia, poiché la molecola

passa da una soluzione meno concentrata ad una soluzione più concentrata, infatti spontaneamente

questo passaggio non può avvenire. Si dice che la molecola viene trasportata contro il gradiente di

concentrazione (o contro il proprio gradiente elettrochimico. Le proteine che effettuano questo tipo di

trasporto vengono definite pompe ATP-dipendenti o ATPasi.

Esistono due tipi di trasporto attivo: trasporto attivo diretto e il trasporto attivo indiretto

Trasporto attivo diretto (o primario)

 È detto diretto perchè l’energia che deriva dall’idrolisi di ATP è direttamente utilizzata dalla pompa

per il trasporto dei soluti. Un esempio è la pompa Na /K .

+ +

Il trasporto prevede il trasferimento di 3 Na all’esterno della cellula (dove è molto più concentrato)

+

e 2 K all’interno (dove è molto più concentrato) per ogni molecola di ATP idrolizzata.

+

La proteina lega verso il lato intracellulare i 3 Na e, tramite fosforilazione, lega anche un gruppo

+

fosfato. In questo modo la proteina cambia la sua conformazione (aprendosi verso l'esterno) e

trasporta così fuori dalla cellula il soluto. Successivamente lega i gruppi K e, tramite idrolisi del

+

gruppo fosfato, li fa spostare verso l’interno della cellula.

Questa pompa (di tipo ubiquitario, ovvero che si trova in tutte le nostre cellule) mantiene alta la

concentrazione di Na e K (contribuendo a mantenere il potenziale di membrana), mantiene

+ +

l’equilibrio osmotico, infatti se questa pompa viene bloccata dalla ouabaina (un inibitore), le cellule

si rigonfiano d'acqua fino a scoppiare.

Trasporto attivo indiretto (o secondario)

 Il trasporto attivo di molecole organiche è spesso associato ad un cotrasporto di ioni. Infatti, in

questo tipo di trasporto indiretto l’energia necessaria al trasporto delle molecole non è fornita

direttamente dall’idrolisi di ATP, ma grazie all’esistenza di un gradiente elettrochimico prodotto da

un trasporto attivo primario.

Un esempio si ha con la cellula che fa parte dell’epitelio intestinale, che hanno delle giunzioni

strette che rendono impermeabile la cellula.

Il glucosio è più concentrato nella cellula perché lo spazio è più ristretto, viene trasportato insieme a

Na che è più concentrato fuori dalla cellula. Per fare questo tipo di trasporto è però necessario

+

che la concentrazione di Na all'interno della cellula rimanga bassa, per questo c'è la pompa

+

Na /K . Il glucosio a questo punto, può essere trasportato fuori dalla cellula, grazie ad un trasporto

+ +

facilitato.

Trasporto vescicolare

Un altro tipo di trasporto è il trasporto vescicolare, ovvero quello di molecole di grandi dimensioni (come

proteine) che avviene tramite l'uso delle vescicole:

Endocitosi

 Fagocitosi

o Endocitosi mediata dai recettori

o Pinocitosi internazionalizzazione di materiale fluido

o

Esocitosi, dall'interno della cellula verso l'esterno

 20

DIVISIONE CELLULARE

Scopo della moltiplicazione cellulare

L’essere umano è formato da miliardi di cellule diverse che svolgono funzioni specifiche e derivano tutte da

un’unica cellula, ovvero lo zigote. Queste cellule, nell’adulto, con il tempo vanno incontro ad usura e

devono continuamente essere rigenerate.

Quando una cellula è specializzata non è più in grado di dividersi e moltiplicarsi, ma queste proprietà sono

caratteristiche delle cellule staminali, che infatti:

Replicano loro stesse

 Si differenziano poi in diversi tipi di tessuti

Questo tipo di divisione è detta asimmetrica, poiché la cellula staminale quando si divide forma un’altra

cellula staminale e una cellula “destinata” che poi si differenzierà seguendo dei percorsi ben precisi.

Cellule staminali

Nel nostro organismo si vengono a formare particolari tipi di cellule staminali, che sono:

Totipotenti: in grado di generare tutti i tipi di tessuti del nostro organismo (zigote). Lo stadio di

 totipotenza della cellula staminale non è limitata allo zigote, ma continua per un certo numero di

divisione cellulare, fino alla blastocisti.

Pluripotenti: possono generare qualsiasi tessuto, ma non un intero organismo. Quando l'embrione va

 avanti nello sviluppo (~ 6 settimane) perde la totipotenza ma può formare alcuni tipi specializzati di

tessuti in base a dove vengono prese queste cellule.

Multipotenti: possono differenziarsi in tipi cellulari diversi, ma con precursori comuni. Ad un certo

 punto dello sviluppo embrionale si ha una struttura formata da cellule che hanno dei foglietti

germinativi (o embrionali), che sono suddivisi in ectoderma, hanno la capacità di diventare solo

cellule del tessuto nervoso, epidermide e suoi derivati; mesoderma, lo strato intermedio si originano i

tessuti che formano lo scheletro, la muscolatura, il tessuto connettivo, apparato circolatorio e

urinario; endoderma, si formano il tubo digerente, pancreas, vescica, uretra, timo.

Unipotenti: si differenziano in un solo tipo cellulare. Dopo le cellule staminali allo stato di feto (dette

 staminali fetali) perdono la capacità di generare tessuti diversi arrivando alla multipotenticità,

ovvero alla possibilità di formare un numero limitato di tessuti, fino a diventare cellule staminali

adulte. Negli adulti le cellule staminali sono rilegate in certi tipi di tessuti e sono localizzate nella

retina, nel fegato, nell’intestino, nella pelle, nel midollo osseo (si dividono in ematopoietiche che

possono dare origine a cellule del sangue, globuli rossi, globuli bianchi e piastrine; e in mesechimali

che danno origine al tessuto adiposo, osteoblasti e condrociti) e nel cervello (nell’ippocampo e

ventricoli). Le cellule mesenchimali possono differenziarle a piacere, aggiungendo delle sostanze e

viene chiamato trans differenziamento.

Replicazione del DNA

Una cellula, prima di generare due cellule figlie, replica il suo DNA creando due copie identiche del

patrimonio genetico. Ma la replicazione è di tipo semiconservativo, infatti ciascuna cellula figlia avrà il DNA

formato da un filamento vecchio appartenente al DNA della cellula madre (che servirà da stampo per

farne altri di nuova sintesi) e un filamento nuovo di nuova sintesi. La complementarietà delle basi

garantisce la fedeltà della trasmissione dell'informazione genetica.

Tutto inizia quando si aprono degli occhielli (detti “bolle di replicazione”) nell'elica dove i due filamenti di

“scollano”. Questa forcella di duplicazione ha una direzione nel suo movimento, cioè quando si apre, il

DNA si rompe man a mano nei legami ad idrogeno che vanno in direzione 5’→3’. L'enzima che catalizza la

formazione del legame fosfodiesterico utilizza un nucleotide trifosfato, rompe il legame del fosfato tra α e β

e lo attacca.

La DNA-polimerasi non è capace di iniziare la sintesi ex novo, ma per poter iniziare la sintesi necessità di un

primer di innesco: c'è un enzima detto primasi che prende contatto con il DNA stampo e inizia a

sintetizzare in maniera complementare al DNA stampo l’RNA, infatti lo “stampo” è formato da

ribonucleotidi. A questo punto, la DNA-polimerasi riesce ad attaccarsi al filamento di RNA duplicato perché

si trova davanti ad un’estremità 3’, ma da quel momento inizierà a sintetizzare il vero e proprio DNA.

Il filamento sintetizzato 5’→3’ viene sintetizzato in maniera continua, viene detto filamento anticipato ed è il

filamento sintetizzato man a mano che la forcella si apre. Invece, nella direzione opposta la DNA polimerasi

non riesce a sintetizzare in direzione 3’→5’, quindi man mano che si apre la forcella vengono sintetizzati dei

frammenti del DNA in direzione 5’→3’ detti frammenti di Okazaki, ed è detto filamento ritardato.

21

Dopo è necessario che da ogni frammento sia eliminato il primer a RNA e ciò avviene grazie al DNA

polimerasi1 (negli eucarioti) che si dice abbia un’attività esonucleasica 5’→3’. Il tratto di RNA eliminato

deve essere rimpiazzato da DNA, perché altrimenti rimarrebbe un “buco” in cui mancano nucleotidi. Per

rimpiazzare i nucleotidi che mancano la DNA polimerasi si attacca all'estremità 3’ che è disponibile nei

frammenti di Okazaki.

Quando sono aggiunti i pezzi mancanti, la DNA polimerasi non è in grado di formare il legame covalente,

allora arriva in soccorso un enzima detto ligasi che è in grado di formare il legame tra l'ultimo nucleotide

aggiunto dalla DNA polimerasi e il nucleotide del frammento di Okazaki.

Un altro enzima coinvolto nella duplicazione è l’enzima elicasi che, utilizzando ATP, serve per rompere

legami ad idrogeno e creare la forcella di replicazione; inoltre al DNA che è già stato denaturato, si

attaccano delle proteine leganti.

LA DNA polimerasi 3 è l'enzima principale dei procarioti, e sta attaccata ad un’altra che sta sull’altro

filamento, creando un dimero, il DNA deve fare un’ansa per andare in direzione 5’→3’ e visto che sta

attaccata all'altra (uno è più lento dell'altro).

Negli eucarioti, la DNA polimerasi 3 si chiama ∆, la DNA polimerasi 1 si chiama ma ci sono tante DNA

α,

polimerasi (circa una 15) perché ce ne sono alcune che sono nei mitocondri e alcune per la riparazione

del DNA.

Nei nostri cromosomi (molecole di tipo lineare) hanno il così detto problema della replicazione dei terminali

(o problema dell’accorciamento dei telomeri). Tutte le volte che avviene una duplicazione di DNA, il

telomero perde una parte dell’estremità, quindi una parte di sequenze nucleotidiche. Questo fenomeno

porta alla morte cellulare, che è un fenomeno irreversibile.

Le cellule hanno ovviato al problema con un enzima in grado di riallungare queste estremità soprattutto

delle cellule altamente proliferanti (cellule staminali). L’enzima in questione è la telomerasi.

L’attività della telomerasi è detta retrotrascrittasi, e per definizione è un enzima che riesce a formare DNA a

partire da uno stampo a RNA (come fanno i retrovirus). L’enzima è costituito da un “core” composto da

una proteina (TERT) e un piccolo RNA (TERC) complementare alle sequenze altamente ripetute dei

telomeri, quali TTAGGG (i telomeri umani consistono di alcune centinaia di copie di una sequenza 5'-

TTAGGG-3' ripetuta in tandem all'estremità di ciascun cromosoma).

Il meccanismo di allungamento dei telomeri prevede una fase di sintesi ed una fase di traslocazione in cui il

filamento appena sintetizzato retrocede lasciando disponibile lo stampo per la sintesi della parte

successiva.

Sintesi: la telomerasi è formata da una componente di RNA che ha una sequenza di basi

 complementare all'unità ripetuta dei telomeri. Quindi, la telomerasi si lega specificamente alla

sequenza ripetute telomerica che sporge alla fine del cromosoma, e catalizza la sintesi di 3 nucleotidi di

nuovo DNA (TTG) usando appunto l'RNA come stampo.

Traslocazione: la telomerasi slitta verso la fine del cromosoma in modo che il suo AAC all'estremità 3'

 dell'RNA stampo possa appaiarsi con il TTG neosintetizzato nella fase precedente sul DNA.

La telomerasi poi sintetizza la restante parte ripetuta TTGGGG. Il processo viene ripetuto per aggiungere

più ripetizioni telomeriche, in modo da allungare l'estremità del cromosoma.

22

Le attività che può avere una DNA polimerasi.

Polimerizza i nucleotidi e crea i legami fosfordiesterici (catalizza allungamento della catena 5’→3’), ha

anche attività esonucleasica 5’→3’ perché rimuove il RNA primer dei frammenti, ma anche l'attività

esonucleasica 3’→5’ che è definita come attività di correttore di bozze (proofreading) in pratica è

un’attività che mette in atto durante il processo di sintesi, incorporando un nucleotide sbagliato e

sostituendolo con uno giusto.

Nella replicazione si dice che l’enzima DNA polimerasi sbaglia con una frequenza molto bassa, a differenza

della RNA polimerasi che se sbaglia non si corregge neanche. L'accuratezza della replicazione del DNA è

fondamentale per la corretta trasmissione dell'informazione genetica: se la RNA polimerasi dovesse

sbagliare, avremmo una cellula somatica ha un DNA mutato, di conseguenza le sue cellule figlie avranno

lo stesso DNA; ma queste cellule sono limitate ad un tessuto e la mutazione è limitata ad un certo numero

di cellule, inoltre l’RNA poi è destinato ad essere distrutto. Se invece, la DNA polimerasi dovesse sbagliare

senza correggersi, avremmo una mutazione nei gameti e questa mutazione, dopo il processo di

fecondazione per formare lo zigote, sarà ereditata da tutte le cellule del nostro organismo.

La replicazione bidirezionale nei procarioti.

Negli eucarioti la bolla di replicazione bidirezionale avviene in tre siti di origine, lo scopo è di avere

contemporaneamente su una molecola lunga di DNA più punti di inizio sintesi e quindi velocizzare la sintesi

del cromosoma. 23

Divisione cellulare

È diversa: nei procarioti avviene per scissione (la cellula si ingrossa, duplica il proprio patrimonio genetico e

poi si divide in due cellule figlie ~30 minuti), mentre negli eucarioti è più complicata e si divide in meiosi e

mitosi.

Ogni essere umano è composto da 22 coppie di autosomi e una coppia di eterosomi (o cromosomi

sessuali) che determinano il sesso: XX ♀, XY♂. In tutto quindi 46 cromosomi di cui 23 ereditati dal padre e 23

ereditati dalla madre ed è detto cariotipo diploide 2n.

Mitosi.

Grazie alla mitosi la cellula si divide dando origine a due nuove cellule. Questo processo di divisione

cellulare interessa sia le cellule somatiche sia quelle germinali (sessuali). È un processo fluido senza

interruzioni ma viene diviso in fasi:

Profase: inizia il compattamento dei cromosomi, in modo da facilitare e garantire la corretta

 distribuzione degli stessi nelle cellule figlie. I cromatidi fratelli si trovano attaccati lungo tutta la loro

lunghezza grazie ad una proteina “collante”, ovvero la coesina. Inizia, inoltre, a formarsi in fuso mitotico

a partire dai centrioli, che non è altro che una struttura formata principalmente da microtubuli che

creano l’impalcatura e guida per il trasporto dei cromosomi ai due poli della cellula.

Prometafase: inizia la frammentazione in piccole vescicole dell’involucro nucleare (quando le lamine

 sono fosforilate non possono creare la rete per costruire la lamina nucleare), continua l’attività di

polimerizzazione dei microtubuli e si inizia a intravedere la forma finale del fuso mitotico. Esso è formato

da tipi diversi di microtubuli:

Fibre del cinetocore: costituiscono la maggior parte del fuso mitotico, essi interagiscono con i

o cromosomi legandosi ad una placca di proteine denominata cinetocore.

Fibre astrali: si dirigono a partire da ciascun polo alla membrana plasmatica. Hanno la funzione

o di allungare il fuso e trascinare i cromosomi verso la periferia della cellula.

Fibre interpolari: si dirigono da un polo del fuso verso il polo opposto, prendendo contatto tra di

o loro (soprattutto lungo la piastra equatoriale). Non vengono mai a contatto con i cromosomi.

Hanno la funzione di allontanare i due poli, contribuendo al movimento dei cromosomi verso la

periferia.

Metafase: si verifica l’allineamento dei cromosomi in posizione mediana rispetto ai due poli, detta

 anche piastra metafasica. I microtubuli e i cromosomi sono venuti a contatto e quest’ultimi sono

soggetti a forze che tendono a strattonarli. Ciò è impedito dalle coesine che tengono uniti i cromatidi

fratelli. Durante questa fase agisce il check-point mitotico (punto di controllo) che verifica il giusto

allineamento dei cromosomi sulla piastra metafasica, la formazione del fuso mitotico e decide anche

se attivare il complesso APC (Anaphase Promoting Complex) che permette la distruzione delle coesine.

Anafase: attivata dalla degradazione delle coesine ad opera del APC. I cromatidi fratelli migrano ai

 poli opposti guidati dalle fibre del cinetocore e termina quando tutti i cromosomi hanno raggiunto i

poli. Questa migrazione consente che il patrimonio cromosomico sia ripartito in modo identico ai due

poli dove si origineranno le cellule figlie.

Telofase: è lo stadio finale della mitosi. Si riforma l’involucro nucleare, i cromosomi si decompattano e gli

 organuli cellulari iniziano a riformarsi ma le cellule non sono ancora divise. Si torna ad avere una cellula

caratteristica in interfase.

Citodieresi o citochinesi: perché la mitosi si possa concludere del tutto, si deve verificare la divisione del

 citoplasma in due cellule simili. Questo avviene a livello del fuso mitotico (perpendicolarmente all’asse

che separa i due poli del fuso) un’introflessione a cui si legano filamenti di miosina e actina che

formano un anello contrattile che applicherà un’azione contrattile dividendo il citoplasma.

24

Meiosi

È un processo di due divisioni successive (definite meiosi I e meiosi II) che interessano le cellule della linea

germinale riducendo il numero di cromosomi da diploide (2n) ad aploide (n). Infatti si ha una fusione del

patrimonio maschile e femminile aumentando la variabilità genetica. La meiosi può durare decenni.

Meiosi I: In sintesi, nella prima divisione meiotica si evidenziano i cromosomi, ciascuno costituito da due

 cromatidi. Questi cromosomi (metà di origine paterna e metà di origine materna), dopo aver subito

alcuni processi durante la profase (in particolare il crossing-over), si portano al piano equatoriale della

cellula. Qui, senza dividersi nei due cromatidi, si attaccano alle fibre del fuso per migrare verso i due

poli in modo tale che, di ogni coppia di cromosomi omologhi, una si dirige verso un polo e l'altra al polo

opposto. A conclusione della prima divisione meiotica, si hanno così due cellule, ciascuna con la metà

esatta dei cromosomi omologhi.

Profase I: è divisa in varie parti (leptotene, zigotene, pachitene, diplotene e diacinesi). La

o cromatina si condensa in cromosomi. Ciascun cromosoma appare a forma di X, poiché è

formato da due cromatidi fratelli, uniti in un punto detto centromero (leptotene). I cromatidi

derivano da un processo di duplicazione del DNA; pertanto, ciascuno è geneticamente

identico all’altro. In questa fase, una volta che i due cromosomi omologhi sono uniti tra di loro

perché devono formare un corredo aploide (zigotene), possono avvenire scambi incrociati di

parti più o meno lunghe di cromatidi omologhi (fenomeno di crossing-over) grazie al complesso

sinaptonemale che ne favorisce lo scambio (pachitene). Dopodiché il complesso

sinaptonemale scompare (diplotene) e i cromosomi omologhi restano uniti in punti detti

chiasmi, ovvero i punti dove è avvenuto il crossing-over. La membrana che avvolge il nucleo si

disgrega. Si forma un fascio di microtubuli proteici, che si estende da un polo all’altro della

cellula e le cui due estremità fanno capo a due coppie di organuli, detti centrioli (diacinesi)

Metafase I: Le tetradi omologhe si dispongono simmetricamente lungo una linea immaginaria,

o trasversale rispetto al fuso. In tal modo, ognuna è rivolta verso uno dei due poli della cellula.

Anafase I: Le fibre del fuso prendono contatto con i centromeri: un solo microtubulo per ogni

o cromatidio fratello; ciascuna tetrade migra verso un polo della cellula.

Telofase I: Ai due poli della cellula madre si formano due agglomerati di cromosomi aploidi, in

o cui è presente un solo cromosoma per ciascun tipo. I cromosomi sono ancora allo stadio della

tetrade. Il citoplasma delle due cellule si ripartisce e avviene la citodieresi, ossia la vera e

propria divisione della cellula originaria in due cellule figlie distinte (in alcuni casi, la ripartizione

può essere incompleta). Le fibre del fuso si disgregano; i cromosomi si despiralizzano.

Meiosi II: è molto simile alla meiosi (ha le stesse fasi). La seconda divisione meiotica non è preceduta da

 alcuna duplicazione del DNA. I cromosomi, costituiti da due cromatidi, si portano all'equatore e si

attaccano alle fibre del fuso; i due cromatidi di ciascun cromosoma si separano migrando ai poli. Si

formano così quattro cellule, ciascuna con un corredo aploide di cromosomi e con un diverso

assortimento dei cromosomi di origine materna e paterna. Durante questa separazione vi è una

distribuzione indipendente dei cromosomi paterni e materni per cui, alla fine, vi sarà un diverso

assortimento dei cromosomi nelle quattro cellule figlie.

Mancata disgiunzione

Durante il processo di duplicazione dei gameti (duplicogenesi) si hanno dei difetti durante il processo

meiotico. Può verificarsi un fenomeno detto mancanza di disgiunzione alla prima divisione meiotica,

25

ovvero che durante la prima divisione non si ha separazione degli omologhi, una coppia si ritrova solo in un

gamete mentre dall’altra ce n’è uno in meno. Dopo i gameti separati avranno (n+1) e gli altri avranno (n-

1)

Durante la meiosi non avviene una disgiunzione di una coppia di omologhi, tutti i gameti che si originano

hanno un numero non corretto di omologhi. (100%)

Quando il difetto alla seconda divisione meiotica, succede che alla prima divisione si formano due cellule

normali perché tutte le coppie si sono separate, ma in questo caso i gameti che originano, se non avviene

la separazione cromatidi fratelli questo presenterà una situazione chiamata (n+1).

La non disgiunzione dei cromosomi genera gameti che dopo la fecondazione causano aneuploidie → il

gamete con n-1 genera un gamete con 2n-1 = 45 cromosomi, è una situazione patologica viene detta

monosomia: una determinata coppia di omologhi ha un cromosoma in meno.

Il caso contrario, presenta l’individuo un cromosoma in più (2n+1), quando si forma l’individuo ne ha 47,

viene detto trisomia.

Questo difetto o eccesso di cromosomi alterati viene detto aneuploidia che comporta uno sbilanciamento

dei geni contenuti nei nostri cromosomi. Queste situazioni possono verificarsi per tutte le coppie di

omologhi, però soltanto alcune di queste sono compatibili con la vita. Le situazioni in cui abbiamo casi di

aneuploidie possono riguardare autosomi autosomici (danno origine ad aborti spontanei), pochi trisomici

autosomici sopravvivono (21.18.13) o sessuali (XXY, XYY, XXX, XXXX e XXXXX possono non essere letali; la

monosomia è incompatibile con la vita tranne XO).

Anaploudie cromosomi autosomici

Trisomia 21 o sindrome di Down.

Questi individui hanno ritardi nello sviluppo, presentano problemi cardiaci, immunitari, alla vista,

all’udito e problemi respiratori.

Uno dei due gameti al posto di avere un solo cromosoma 21 ne ha due al momento della

fecondazione.

Questa sindrome può essere causata anche dalla traslocazione robertsoniana. È un tipo di meccanismo

che coinvolge cromosomi acrocentrici, e consiste nella formazione di un cromosoma che presenta dopo

la traslocazione un pezzo del cromosoma 21 fuso con un cromosoma 14. Quello che si forma è un

cromosoma ha delle sequenze del 14 e quasi tutto il cromosoma 21, come l’altro. Si ha nel crossing-over

ma tra cromosomi omologhi, non tra due cromosomi diversi (infatti non dovrebbe succedere). L’individui

che portano questa traslocazione hanno fenotipo normale però possono generare dei gameti che hanno

cromosomi fusi tra loro quindi comporta la possibilità di dare figli con disturbi genetici (cromosomi 13, 14, 15,

21, 22) Trisomia 13 o sindrome di Patau. Caratterizzata da una piccola testa (microcefalia), occhi

piccoli (microftalamia) o addirittura occhi assenti, palatoschisi (o labbro leporino), dita

soprannumerarie, difetti cardiaci.

Trisomia 18 o sindrome di Edwards. Ha una bassa frequenza di sopravvivenza con anomalità

cardiache, malformazione reni e ad altri organi.

26

Anapoloidie di cromosomi sessuali

Più numerose perché sono meglio tollerate, ci sono più cromosomi X di quelli normali, tutti quelli in eccesso

tranne uno vengono tollerati. Comunque tutte queste sindromi causano problemi nello sviluppo sessuale e

fertilità, ritardi sessuali e spesso sono evidenziabili durante la pubertà.

Sindrome di Klinefelter 47 cromosomi, XXY.

Mancano dello sviluppo dei caratteri sessuali secondari hanno una microrchidia o

aspermatogenesi (testicoli interni o mancanza) che non sono fertili, tendenza all’alta statura,

deficit di androgeni, 10% di probabilità di ritardo mentale, ridotto sviluppo nel linguaggio con

problemi di espressività, immaturi, insicuri e timidi.

Sindrome di Turner 45 cromosomi XO

Oltre alle aneuploidie ci sono anche altri 2 tipi di situazioni in cui abbiamo anomalie numeriche:

poliploidia (al posto di avere genotipo 2n, abbiamo 3n, 4n…, tutti i cromosomi omologhi sono in

eccesso), è molto rara e di solito si ha aborto spontaneo, ma è frequente nelle cellule tumorali e

mosacismo 27

MECCANISMI DI SEGNAL AZIONE CELLULARE

Le cellule, per poter comunicare tra di loro, devono produrre delle molecole chiamate molecole segnale,

inviate ad una cellula che deve risponde a questi segnali. Ci sono delle cellule che possono rispondere ad

un messaggio (target) in vario modo, in generale la risposta può essere un differenziamento cellulare,

oppure una crescita o divisione (quindi va incontro a mitosi), oppure a vita o morte (apoptosi), oppure in

generale un coordinamento di tutte le attività delle cellule.

Le principali molecole responsabili dello scambio di informazioni fra le cellule sono fattori solubili, come

neurotrasmettitori (natura amminoacidica), ormoni, fattori di crescita o citochine (natura proteica e

lipidica). A seconda del raggio di azione dei fattori solubili, ci sono vari tipi di strategie per poter

comunicare:

Comunicazione paracrina: la cellula secernente produce molecole segnale (detta mediatore chimico)

 che possono interagire con molecole bersaglio nelle immediate vicinanze (corto raggio). Per esempio

l’ossido d’azoto che controlla la pressione sanguigna.

Comunicazione autocrina: è un tipo particolare di comunicazione paracrina in cui la molecola segnale

 (mediatore chimico) agisce sulla stessa cellula che l’ha prodotta perché è quella che ha il recettore

(frequente nel sistema nervoso centrale).

Comunicazione endocrina: la molecola segnare è detta ormone e viene rilasciata nel sangue fino a

 quando non arrivano a molecole target (anche molto distanti dalle cellule secernenti). Gli ormoni nel

sangue vengono molto diluiti e perché possano determinare una risposta nella cellula target (essendo

a così bassa concentrazione) devono interagire con i recettori che hanno nei loro confronti un’altissima

affinità di legame. Infatti si dice che gli ormoni agiscono a bassa concentrazione (10 µM).

Comunicazione sinaptica: in questo caso si ha che la cellula secernente è il neurone. Questo ha una

 “testa” detta soma, al cui interno si trova il nucleo, e una “coda” con dei prolungamenti, detto assone.

A livello del l'assone vengono rilasciate molecole dette neurotrasmettitori: sono molecole che agiscono

a corto raggio a livello delle sinapsi. La sinapsi è la zona di contatto che si instaura tra un neurone

portante il messaggio (presinaptico) e un neurone ricevente il messaggio (postsinaptico) che sono

distanziati tra loro da una zona detta spazio o vallo sinaptico. Il neurone presinaptico rilascia i

neurotrasmettitori nel vallo sinaptico (spazio molto ristretto), che causa un aumento della

concentrazione degli ioni calcio. Quindi i recettori hanno una bassa affinità di legame verso le

molecole (visto che ce ne sono molte) e i neurotrasmettitori agiscono ad alta concentrazione (500 µM)

Comunicazione di contatto: due cellule possono comunicare molto velocemente tra loro mettendo in

 comunicazione diretta (detta appunto “comunicazione diretta”) il loro citoplasma, tramite un canale

che permette passaggio di molecole. Ovviamente, il canale (detto connessore) non fa passare tutte le

molecole, perché lo spazio è davvero ridotto (passano molecole come AMP ciclico, detto cAMP), e

non è sempre aperto, si apre con un segnale. La segnalazione è detta giunzione stretta (gap Junction).

La molecola segnale, una volta giunta sulla cellula bersaglio esercita la propria azione attraverso specifici

recettori cellulari. I recettori sono proteine che, legandosi con la molecola segnale (detta ligando) che

provoca un cambiamento conformazionale ai recettori stessi che quindi funzionano come “interruttori”

molecolari, determinando l’accensione di una cascata di eventi che determinano una risposta cellulare.

28

Il recettore e il suo ligando si riconoscono attraverso la complementarietà tra la struttura tridimensionale del

ligando e il sito di legame del recettore (detta specificità sterica) che si legano in modo reversibile tramite

legami deboli. Inoltre il legame sarà più o meno affine, dipende dalla concentrazione del ligando: più è

alta, maggiore sarà l’affinità (detta affinità di legame).

La maggior parte dei ligandi non è in grado di passare direttamente attraverso la membrana cellulare

(sono molecole idrosolubili, di tipo polare), quindi i loro recettori devono essere intermembranali (o recettori

di membrana). Tra queste molecole ci sono i neurotrasmettitori, la maggior part degli ormoni e mediatori

chimici. Questi recettori sono divisi in tre zone: una regione extracellulare, dove si lega il ligando, una

regione intermembranale e una regione interna rivolta verso il citoplasma della cellula che quando

“acceso” (grazie all’interazione di un ligando con il recettore che si trova sulla membrana esterna) attiva

una cascata di eventi all’interno della cellula tramite proprio questa porzione interna.

Altre molecole come gli ormoni steroidei e tiroidei (sono molecole liposolubili, di tipo apolare) non possono

invece attraversare la membrana plasmatica liberamente per diffusione semplice, e la cellula bersaglio

deve quindi avere un recettore all’interno della cellula (recettori intracellulari) che non ha posizione ben

definita, ma si può trovare dentro al citoplasma o dentro al nucleo.

Quasi tutti i recettori proteici di superficie (quindi quelli di membrana) appartengono ad una questa grandi

famiglie: recettori associati a canali ionici, recettori con attività enzimatica e recettori accoppiati a

proteine G.

Recettori accoppiati a proteine G.

Sono la classe di recettori più numerosi, costituiscono 80% di tutti i recettori. Hanno una struttura

caratteristica: hanno una catena polipeptidica unica che attraversa sette volte avanti e indietro il doppio

strato lipidico, quindi costituite da sette domini trasmembranali con l’NH rivolto verso l'esterno e il COOH

2

rivolto verso il citoplasma. Questi domini sono legati da dei loop extra ed intracellulari.

I recettori, appunto, sono accoppiati fisicamente ad una proteina G (detta G Protein Coupled Receptor),

queste composte da 3 subunità proteiche, di cui la più grande è la α, β e γ in cui le ultime due sono

strettamente legate, infatti le si chiamano complesso βγ. Prima dell’attivazione, la subunità a porta legato

un nucleotide difosfato (GDP) che rende la proteina G inattiva.

(i recettori per molti neurotrasmettitori sono le GPCR per la serotonina, dopamina, adenosina, adrenalina;

pere gli ormoni invece sono glucagone)

La proteina G può essere attivata quando al posto del GDP subentra il GTP e quindi il complesso βγ si

dissocia. La proteina può tornare inattiva perché ha un'attività idrolitica intrinseca, tende poi ad idrolizzare

il terzo gruppo fosfato per riportarsi nella situazione iniziale, appunto riportandosi da GTP a GDP.

Meccanismo di attivazione della proteina G.

La proteina è in uno stato inattivo, perché legata al GDP. Il contatto con la molecola segnale induce un

cambiamento conformazionale del recettore. Questo cambiamento è l'evento che fa sì che la proteina G

sia attivata, poiché lei stessa cambia la sua conformazione causando la riduzione dell’affinità della

subunità a del GDP, che viene sostituito dal GTP (inoltre all'interno della cellula è molto più concentrato il

GTP rispetto al GDP). Questo evento induce la proteina G a frammentarsi: una subunità a attiva con il GTP

attaccato, e complesso βγ libre di diffondersi lungo la membrana.

La durata della “separazione” delle subunità dipende dalla subunità a: essa ha infatti un'attività GTP-

idrolitica intrinseca e dopo un certo intervallo idrolizza il suo GTP a GDP e si riassocia al complesso βγ.

La subunità a (come il complesso βγ) quando è attiva è libera di muoversi sulla membrana ed è capace di

interagire con bersagli situati sulla membrana plasmatica, che a loro volta possono trasmettere il segnale

ad altri destinatari, infatti attiva degli effettori come adenilati ciclasi, fosfolipasi C e canali ionici.

Adenilato ciclasi: è un enzima presente sul lato citoplasmatico, ma interagisce con la membrana

 plasmatica. Questa proteina e in grado di produrre, a partire da ATP un altro tipo di dinucleotide,

ovvero il cAMP. L’adenilato ciclasi idrolizza due fosfati dell’ATP in posizione β e γ, e ciclizza il fosfato in a

legato al carbonio 5’ del ribosio impegnandolo con un secondo legame con il carbonio 3’ dello stesso

29

ribosio (quindi il fosfato è legato sia in 5’ che in 3’ sul ribosio generando una struttura ciclica). Il cAMP è

formato nel citoplasma ed è capace di muoversi liberamente perché solubile nell’ambiente e si

comporta da secondo messaggero poiché va ad attivare una proteina che si chiama proteina chinasi

cAMP dipendente (PKA). La PKA è formata da 4 subunità: due hanno funzione regolatoria e sono

capaci di legare il cAMP, le altre due possiedono l’attività catalitica e quando queste 4 subunità sono

unite in un tetramero la PKA è inattiva. Il legame con il cAMP causa un cambiamento di struttura nella

PKA e la successiva dissociazione delle subunità catalitiche che ora sono attive e quindi in grado di

fosforilare proteine bersaglio, definita come amplificazione del segnale.

Fosfolipasi C: detta PLC, viene attivata dalla proteina G (anch’essa attiva). La PLC attiva scinde un

 particolare fosfolipide che si trova al livello della membrana citoplasmatica nello strato rivolto verso il

citoplasma, ovvero l’inositolo bisfosfato chiamato PIP , e lo taglia tra fosfato e glicerolo. A questo punto

2

il PIP è diviso in due parti: una “testa” che rimane inserita nella membrana plasmatica chiamata

2

diacilglicerolo (DAG), ed una “coda”, ovvero l’inositolo trifosfato (IP ) che invece viene liberato nel

3

citoplasma ed è libero di muoversi. IP si lega alle proteine canali presenti sulla membrana del reticolo

3

endoplasmatico liscio per far liberare il Ca presenti all’interno, determinando quindi l’apertura dei

2+

canali che faranno uscire gli ioni nel citoplasma. Il Ca aumenta enormemente di concentrazione,

2+

quando questa normalmente viene mantenuta bassa perché il Ca è considerato un secondo

2+

messaggero. A sua volta, il Ca può andare ad attivare una chinasi di membrana che si chiama PKC

2+

che ha bisogno sia degli ioni sia del DAG per essere attivata.

I recettori accoppiati a proteine G possono attivare anche canali ionici.

Recettori associati a canali ionici: parleremo del recettore GABA, neurotrasmettitore inibitorio. La molecola

segnale si lega al recettore che si trova in prossimità di un canale ionico. Una volta attivato il recettore, il

canale ionico si apre e lascia passare ioni (in questo caso) Cl . In base all’entrata o all’uscita degli ioni, la

-

membrana cellulare può andare incontro ad una depolarizzazione o iperpolarizzazione. In questo caso si

ha una iperpolarizzazione, poiché il passaggio di ioni Cl- quando si trovano molto concentrati dentro la

cellula, fa sì che il potenziale di membrana diventi ancora più negativo di quello a riposo, provocando un

innalzamento della soglia per poter innescare il potenziale di azione, la membrana viene inibita è la cellula

viene disattivata.

Recettori ad attività enzimatica intrinseca: recettori tirosin chinasici

Un’altra classe di recettori di membrana sono quelli legati ad enzimi, quali i tirosin chinasici.

Questi recettori sono proteine integrali di membrana e hanno tre domini: un dominio che fuoriesce nel lato

extracellulare capace di legare la molecola segnale, un dominio trasmembranale idrofobico e un dominio

citoplasmatico dove è localizzata la regione responsabile dell’attività chinasica.

Due recettori tirosin chinasici si trovano vicini e vengono entrambi (contemporaneamente) attivati da una

molecola segnale che si lega al sito del recettore e ne causano un cambiamento conformazionale. Una

volta attivati si ha un’autofosforilazione delle tirosine, ovvero i due recettori si trovano sufficientemente vicini

da potersi fosforilare a vicenda.

L’aggiunta di gruppi fosfato ai residui di tirosina

comporta la formazione di siti di aggancio per

proteine (per esempio Grb2) che hanno domini

detti SH2 e che permettono l’attivazione della

cascata di segnalazione intracellulare.

La proteina Grb2 ha anche domini SH3 che

interagiscono con la proteina SOS che viene

portata in prossimità della membrana, dove

prende contatto con la proteina RAS.

Quest’ultima ha legato un GDP che la rende

inattiva, ma dopo il suo contatto con la SOS si

trasforma in GTP e si attiva. La RAS attiva la RAF,

che è una serina treonina chinasi, va a

fosforilare proteine bersaglio quali MEK che poi

andranno ad attivare le proteine MAPK che

andranno poi a fosforilare delle proteine che

stanno nel nucleo, ovvero i fattori di crescita.

Questa cascata di eventi porta all’attività dell’espressione genetica. Sono proteine che attivano la

proliferazione cellulare. Implicati nella generalizzazione processi pro vita, che permettono la sopravvivenza

cellulare, che stimolano la formazione di vasi sanguigni (angiogenesi), favoriscono la chemiotassi, o il

movimento di cellule che fanno parte del sistema immunitario.

30

Recettori intracellulari

Sono per ormoni steroidei, tiroidei e vitamina D3. Sono apolari e quindi possono passare la membrana

plasmatica. Quando sono nel citoplasma vanno a reagire con pochi recettori, che sono inattivati

normalmente grazie alla presenza di una proteina chaperone. Quando la molecola segnale si lega al

recettore, la proteina chaperone si stacca e l’altra subunità ora è attiva e può passare nel nucleo dove va

ad iniziare la trascrizione dei geni.

Controllo della progressione del ciclo cellulare

Nel ciclo cellulare ci sono dei veri e propri “controlli di qualità”, infatti il passaggio da una fase all’altra è

sottoposto a continue verifiche per essere sicuri che le procedure caratteristiche di ogni fase siano

completate, e se così fosse passare nella fase successiva. Queste verifiche sono denominate checkpoint o

punti di controllo (negli eucarioti inferiori detto comunemente START mentre negli eucarioti superiori è detto

PUNTO DI RESTRIZIONE).

 Checkpoint che controlla l’ingresso nella fase S (transizione G → S): controlla che il DNA sia integro,

1

che non sia danneggiato, la disponibilità di sostanze nutritive (negli eucarioti inferiori dette sostanze

nutritive, negli eucarioti superiori fattori di crescita), la dimensione della cellula sia giusta. Se così non

fosse la cellula esce dal ciclo e rimane in uno stadio di quiescenza (fase G ) dove è ancora

0

metabolicamente attiva e in cui si prepara, finché non ha i requisiti necessari per poter continuare la

mitosi. La fase di quiescenza può durare anni.

 Checkpoint che controlla l’ingresso nella fase M (transizione G → M): controlla che il DNA non abbia

2

subito danni o mutazioni, e impedisce alla cellula che non ha completato la sintesi del DNA di

continuare la mitosi. La cellula si blocca e aspetta che si sia duplicato o che sia riparato il DNA.

 Checkpoint che controlla il completamento della fase M (metafase → citodieresi): controlla la

progressione della mitosi e verifica l’interazione tra fuso mitotico e cromosomi e il loro corretto

allineamento nella zona equatoriale della cellula.

Ci sono stati tre approcci sperimentali, fatti quasi in contemporanea da gruppi di scienziati diversi, che

sono riusciti a spiegare quali molecole controllano il ciclo cellulare.

1) Alcuni scienziati hanno utilizzato degli oociti di rana, che sono un modello molto utilizzato per seguire lo

sviluppo embrionale, perchè quando si fecondano, l'embrione che si forma si può seguire con un

microscopio ottico. Gli oociti quando non sono fecondati, sono in uno stato di blocco in G2: alcuni

vengono stimolati con ormoni (progesterone) e quindi entrano nella fase M della mitosi, ad altri invece

viene iniettato un po’ di citoplasma degli oociti stimolati, notando che anch’essi entrano nella fase M.

Hanno ipotizzato che dentro al citoplasma ci potesse essere un fattore solubile in grado di far scattare

la transizione da G2 a M, chiamandolo fattore che promuove la maturazione (MPF).

2) Lo scienziato Hartweel ha utilizzato dei lieviti perché hanno un genoma più semplice e crescono

facilmente in laboratorio. I lieviti in questione sono Saccharomyces cereviseae e Schizosaccaromyces

pombe, che erano stati studiati ed individuati dei ceppi che manifestavano difetti nella divisione

cellulare, chiamati mutanti del ciclo cellulare (cdc), che quindi impedivano ai lieviti che li contenevano

di dividersi e proliferare. Gli scienziati hanno ipotizzato che questi ceppi avessero delle mutazioni, dette

temperature sensibili, che impedivano la sintesi di una proteina, poiché a temperature basse

(temperature permissive) questi organismi “mutanti” andavano avanti nella progressione del ciclo

cellulare mentre ad alte temperature (temperature restrittive), questi organismi si bloccavano nella fase

G1. Nel caso dei cereviseae il gene mutante è chiamato Cdc28, si blocca in G1 e la proteina che non

“funziona” e che era necessaria per farli superare la fase G1 è chiamata proteina cdc28; mentre nel

caso dei pombe il gene mutante è Cdc2, si blocca in G2 e la proteina che non “funziona” è detta

proteina cdc2. Isolando questi geni si sono resi conto che sono molto simili, se non identici e gli hanno

chiamati con un unico nome, ovvero cdc2.

3) Lo scienziato Hunt usò il riccio di mare per un nuovo modello, poiché lo zigote va incontro a diverse

divisioni cellulari consecutive: dopo la fase S segue subito la mitosi (in assenza di fasi G1 e G2 ben

distinte). Scoprì che due proteine si accumulavano durante l’interfase e poi si degradavano

rapidamente durante la mitosi, con un andamento periodico. Queste proteine vennero chiamate

ciclina A e ciclina B.

Nel frattempo gli studiosi hanno scoperto che MPF è un complesso formato da due subunità: una

catalitica, con attività serina-treonina chinasica omologa a cdc2; ed una regolativa richiesta per l’attività

enzimatica che si accumula durante il ciclo cellulare. Quindi MPF è il motore che controlla il ciclo cellulare.

E

Le cicline come vengono degradate? Il principale strumento per la degradazione delle cicline è il sistema

ubiquitina-proteasoma. Il proteasoma è un complesso multiproteico che ha una struttura cilindrica dove

31

risiedono le proteasi (che formano una camera degradativa) e due zone regolative (che controllano che

solo le proteine marchiate entrino nella camera proteolitica).

Tutti inizia con degli enzimi, detti ligasi E1, E2 ed E3 (quest’ultimo detto ubiquitina ligasi) che trasferiscono

sulla proteina bersaglio un piccolo peptide chiamato ubiquitina. Questa proteina viene detta ubiquinata

ed indica al proteasoma che quella proteina deve essere degradata. Questa entra quindi nella camera

proteolitica del proteasoma e i prodotti saranno dei peptidi (derivanti dalla proteina degradata) e

ubiquitina che sarà riciclata per un altro ciclo.

Le proteine che controllano la progressione del ciclo cellulare sono: le cicline, che si accumulano durante

le fasi del ciclo cellulare ma che sono soggette a degradazione, e la proteina chinasi ciclina dipendente

(Cdk) che fosforilano proteine bersaglio e perché possano funzionare si devono associare alla ciclina.

I bersagli di questi complessi sono delle proteine che vengono fosforilate, o attivate o inibite in base alla

proteina trattata.

Adesso ci chiediamo quali siano i bersagli di MPF (MPF promuove il passaggio dalla fase G2 alla fase

M fosforilando diverse proteine necessarie durante la mitosi): una è sicuramente la fosforilazione delle

lamine nucleari che provoca la depolimerizzazione della stessa lamina e il disassemblamento dell’involucro

nucleare in tante piccole vescicole per rendere disponibili i cromosomi con l’interazione dei microtubuli. I fili

della lamina sono il risultato di assemblamenti di lamine che formavano tetrameri quindi disassembla

questa rete poiché essendo fosforilate non riescono a formare i tetrameri. È possibile tornare alla situazione

“normale” con le lamine in tetrameri semplicemente con una de-fosforilazione. Un altro bersaglio è la

condensazione della cromatina, la formazione del fuso mitotico e l'attivazione del complesso APC, la

frammentazione del Golgi, dei mitocondri e del RER in piccole vescicole per garantire l’equa distribuzione

degli stessi tra le cellule figlie.

L'altro target è APC, sigla per anaphasen promothing complex, è responsabile della transizione dalla

metafase all’anafase che contiene un E3 ligasi e quindi in grado di degradare la ciclina e anche altre

proteine necessarie per l’entrata in anafase, ovvero la securina.

L’APC è in grado di attaccare l’ubiquitina ad una proteina, appunto per il fatto che contiene una E3 ligasi,

e la attacca alla struttura della securina. Questa proteina è l’inibitore della separasi, una volta ubiquitinato

la securina la separasi viene liberata ed è in grado di tagliare le coesine che univano i cromatidi fratelli al

livello del centromero. In questo modo permette la migrazione verso i poli del fuso dei cromatidi fratelli.

Diversamente dai mammiferi, negli eucarioti inferiori esiste un solo tipo di Cdk capace di controllare la

progressione del ciclo cellulare, e questo Cdk lega delle cicline diverse in base alla fase del ciclo. Si

riconoscono diverse cicline, quali:

Cicline G1 si legano a Cdk all’inizio della fase G1 ed agiscono in prossimità di START.

 Cicline S legano la Cdk durante la fase S e regolano la replicazione del DNA

 Cicline M legano la Cdk con l’approssimarsi di mitosi.

In generale, una cellula come fa a sapere quando deve andare avanti nel suo ciclo cellulare verso la fase

di sintesi di DNA? Qual è il segnale? Il punto principale è il punto di restrizione G1, ci sono dei fattori che

influenzano questa produzione e sono i fattori di nutrizione, in questo caso sono i fattori di crescita, proteine

che quando vanno a interagire con un recettore tirosinchinatico e lo attivano o disattivano.

32

Meccanismi di adesione cellulare

Tutte le cellule comunicano tra di loro sempre, anche direttamente

quando fanno i loro contatti cellula-cellula. Le cellule di un tessuto si

riconoscono tra loro per formare degli aggregati, infatti se prendiamo un

tessuto A fatto di un certo tipo di cellule, e un tessuto B diverso, rompiamo

le interazioni tra cellule di entrambi i tessuti formando cellule indipendenti e

le mettiamo insieme, inizialmente si ha la formazione di una riaggregazione

tessutale, poco dopo le cellule del tessuto A cercano di comunicare tra

loro (come quelle del tessuto B). C’è un sistema quindi che permette il

riconoscimento di una cellula con una sua simile, rispetto ad una cellula

che proviene da un altro tessuto. La capacità di riconoscimento e di aggregazione cellulare dipendono

dall’interazione tra proteine specifiche, poste sulla membrana e definite recettori adesivi.

Ci sono tre diversi meccanismi molecolari di legame cellula-cellula:

Interazione omofilica: legame tra un recettore di una cellula con uno identico sulla cellula adiacente

 Interazione eterofilica: legame tra recettori di tipo diverso

 Interazione mediata da una molecola bifunzionale che fa da ponte sui due recettori.

Esistono due super famiglie di recettori adesivi: le caderine (Ca aderine) che per poter funzionare

2+

richiedono la presenza di Ca , e le CAM (cell adhesion molecules) provenienti dalla superfamiglia degli

2+

anticorpi (immunoglobuline)che non hanno bisogno di calcio per mediare

l’adesione.

Le caderine: mediano i rapporti omofilici cellula-cellula e la famiglia comprende

 una dozzina di molecole distinte in base alla loro espressione nei tessuti. Le

caderine sono glicoproteine (hanno attaccate anche parti glucidiche)

trasmembrana che hanno una parte extracellulare, caratterizzata da cinque

domini ripetuti stabilizzati dagli Ca , poiché il calcio è richiesto per l’integrità dei

2+

tessuti perché modifica la conformazione delle caderine; inoltre alle estremità

amminoterminale della proteina ci sono una sequenza di tre amminoacidi

(istidina, alanina, valina)che permettono il processo di riconoscimento omofilico

tra caderine ed è quindi essenziale per la funzione adesiva di questi recettori.

Hanno anche una parte intracellulare che è fondamentale per generare

un’adesione stabile. Infatti questa parte della caderina interagisce con i

filamenti di actina del citoscheletro mediante tre proteine dette catenine (α, β,

γ). Le caderine possono dare origine a giunzioni specializzate tra cellule (per

riuscire a rimanere attaccate) come giunzioni aderenti e desmosomi.

Le CAM: sono molecole della famiglia delle immunoglobuline e non necessitano

 dello ione Ca per mediare il riconoscimento e l’adesione delle cellule. La

2+

principale di queste proteine è quella chiamata N-CAM, espressa in molti tipi di

cellule ma principalmente si trova nelle cellule nervose (da cui N) e mediano le

interazioni omolifiche. Esistono però altri membri della superfamiglia che mediano le

interazioni eterolifiche, come ICAM-1 e VCAM, cellule endoteliali dei vasi.

Le proteine N-CAM sono una grande famiglia di isoforme, perché ce ne sono molte

e sono simili tra loro nella struttura degli amminoacidi perché derivano tutte dallo

splicing alternativo di un singolo gene. Parlando di struttura, ne hanno simile agli

anticorpi, sporge quasi completamente dalla cellula e possono essere glicosilati. Le

CAM, a differenza delle caderine, non si organizzano in giunzioni specializzate, ma

fanno contatti diffusi su tutta la membrana.

Esistono tre tipi di giunzioni cellula-cellula. Si chiamano giunzioni strette (o tight junctions

o occludenti), giunzioni adesive (aderenti, desmosomi, emidesmosomi) e giunzioni

comunicanti (gap junction). 33


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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in chimica e tecnologie farmaceutiche
SSD:
Università: Pisa - Unipi
A.A.: 2016-2017

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher swanyleonardi di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Biologia animale e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Pisa - Unipi o del prof Costa Barbara.

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