Biologia cellulare

Cellula

È la più piccola unità strutturale della materia vivente, capace di esistenza indipendente. Tutte le cellule del nostro corpo hanno lo stesso patrimonio genetico. Il termine cellula è stato coniato da R. Hook nel 1665, osservando una sezione di sughero al microscopio di allora, vide tante cellette che lo componevano. Alla fine dell’800, la cellula venne vista come base della vita con Leewenhoek, Schleiden, Schwann. “Ogni cellula deriva da un’altra cellula preesistente ” → Teoria cellulare nel 1859:

• L’informazione genetica è trasmessa da una generazione all’altra
• Tutta la materia vivente è composta da cellule
• Ogni cellula deriva da un’altra cellula
• Le reazioni chimiche che costituiscono il metabolismo avvengono all’interno delle cellule, mediante consumo di energia ATP
• Le cellule dello stesso tipo si organizzano in tessuti, in organi
• Le cellule interagiscono tra loro per svolgere svariate funzioni

Dimensioni della cellula

- 1 metro = 1000 millimetri (mm)

- 1 millimetro = 1000 micrometri (μm)

- 1 micrometro = 1000 nanometri (nm)

Le cellule sono così piccole, per favorire la vita delle cellule, velocizzare il loro metabolismo e quindi le reazioni chimiche che avvengono all’interno di esse e per rendere più efficace la diffusione e la ricezione dei segnali da cellula a cellula.

Origine delle molecole organiche

Esperimento di Miller e Urey

Per dimostrare che le molecole organiche si possono formare spontaneamente a partire da sostanze inorganiche più semplici. Miller ricreò determinate condizioni ambientali che si pensava fossero presenti nella Terra primordiale. Partì dal presupposto che in quell'atmosfera non ci fosse ossigeno libero, quanto piuttosto abbondasse idrogeno, l'elemento più diffuso nell'universo, e altri gas quali metano (CH₄) e ammoniaca (NH₃), oltre ad acqua (H₂O). Con queste condizioni ed in presenza di una fonte di energia, come i fulmini o la radiazione solare, si sarebbero potute originare molecole più complesse.

Per l'esperimento Miller e il suo professore si servirono dei gas elencati precedentemente contenuti in un sistema sterile costituito da due sfere contenenti l'una acqua allo stato liquido e l'altra due elettrodi, collegate tra loro da un sistema di tubi sigillati. L'acqua veniva scaldata per indurre la formazione di vapore acqueo mentre i due elettrodi venivano utilizzati per fornire scariche elettriche che simulavano fulmini in presenza di quella miscela gassosa. Il tutto veniva poi raffreddato cosicché l'acqua potesse ricondensare e ricadere nella prima sfera per ripetere il ciclo.

Dopo circa una settimana ininterrotta in cui le condizioni erano mantenute costanti, Miller osservò che circa il 15% del carbonio era andato a formare composti organici, tra cui alcuni amminoacidi ed altri potenziali costituenti biologici.

Tessuti viventi

Sono formati dal 70% di acqua e dal 30% da macromolecole (componenti della cellula) → proteine, acidi nucleici, carboidrati, lipidi.

Macromolecole

Sono composte da polimeri → insieme di monomeri (mattoncini uguali o di tipo diverso)

Funzioni:

• Strutturali
• Deposito di energia (come zuccheri/carboidrati) → Glicogeno da mattoncini di glucosio
• Catalisi
• Trasporto
• Difesa
• Regolazione
• Movimento
• Deposito di informazioni

Componenti delle macromolecole

Monomero: amminoacido, nucleotide, monosaccaride
Polimero semplice: peptide, oligonucleotide, oligosaccaride
Macromolecola: polipeptide → proteina, acido nucleico (DNA, RNA), polisaccaride → carboidrato

↓ Reazione di condensazione: lega fra loro monomeri con un legame covalente, a formare un polimero con l’eliminazione di una molecola d’acqua.

≠ Reazione di idrolisi: rompe i legami tra monomeri (da polimeri a monomeri).

Lipidi

Sono idrofobici, ovvero molecole insolubili in acqua. Sono i maggiori componenti delle membrane cellulari. Ruoli: riserva di energia, costituenti di pigmenti e ormoni (testosterone e estrogeno), protezione, isolante termico, impermeabilità (cute, epidermide). Il colesterolo è essenziale nella composizione della membrana cellulare, l’85% del colesterolo libero va a costituire la membrana e ne diminuisce la fluidità, aspetto importantissimo. Sono esteri di alcoli con acidi grassi.

Lipidi semplici

Formati da Carbonio, Idrogeno e Ossigeno → Gliceridi, Ceridi e Steridi

- Trigliceridi: sono esteri in cui l’alcool, il glicerolo, è esterificato con tre molecole di acido grasso la molecola è chiamata triacilglicerolo.

 L’idrolisi in ambiente acido dei trigliceridi porta alla formazione di glicerolo e le tre molecole di acido grasso.

L’idrolisi in ambiente basico → saponificazione: formazione di glicerolo e tre molecole di sale dell’acido grasso → sapone.

Distinti in:

• Oli: da acidi grassi insaturi
• Grassi: da acidi grassi saturi
• Cere: sono esteri di alcoli a lunga catena con acidi grassi a lunga catena.
• Steridi: l’alcool caratteristico è lo sterolo. Il più abbondante sterolo nelle cellule animali è il colesterolo, componente delle membrane delle cellule animali e precursore per la sintesi di numerosi ormoni steroidei, come testosterone, progesterone ed estrogeni.

Lipidi complessi

Formati anche da fosforo e azoto → Glicolipidi e Fosfolipidi

- Glicolipidi: uno zucchero è legato in modo covalente ad un lipide.

- Fosfolipidi: costituenti delle membrane biologiche. Presentano una parte polare, la testa, e una coda apolare. La molecola assomiglia ad un trigliceride, ma ha solo due acidi grassi invece di tre, è un diacilglicerolo.

Proteine

Sono polimeri in cui i monomeri sono gli amminoacidi → perché costituiti da un gruppo acido e un gruppo amminico H₂N. Nelle proteine generalmente ci sono 20 differenti amminoacidi. Con 20 unità costitutive, il numero di differenti polipeptidi che si possono formare è 20ⁿ, dove n è il numero di amminoacidi nella catena.

• Da 2 a 20 aminoacidi: Oligopeptidi
• Da 20 a 100 aminoacidi: Peptidi
• Più di 100 aminoacidi: Polipeptidi

Sono i veri esecutori del DNA. Responsabili delle proprietà delle cellule.

Struttura delle proteine

Tutti gli amminoacidi hanno un gruppo carbossilico e un gruppo amminico, separati fra loro da un singolo atomo di carbonio. Ogni amminoacido si unisce ad altri due per formare una catena polipeptidica; gli amminoacidi sono uniti da legami peptidici che si formano dall’unione del gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico dell’amminoacido contiguo, con l’eliminazione di una molecola d’acqua.

R: Side Chain → Glicina: gruppo laterale molto semplice

Funzioni delle proteine

• Strutturale (collagene che forma i tendini)
• Adesione cellulare (tessuti)
• Trasporto sostanze (mediante legame proteina - ligando)
• Catalizzatori (enzima = proteina)
• Macchine multiproteiche (copia molecola di DNA o RNA e ne duplicano il contenuto)
• Comunicano → attraverso il rilascio di sostanze → ormoni e trasmettono segnali
• Effettori risposta immunitaria → anticorpi
• Deposito → come la ferritina (proteina) che lega il ferro nel fegato
• Motilità → actina e miosina
• Regolazione dell’espressione genetica

Conformazione delle proteine

Dipende dalla sequenza di amminoacidi da cui è formata (anche solo un amminoacido può stravolgere una proteina) → quando la proteina perde la sua conformazione si denatura.

1. Struttura primaria: è la sequenza lineare specifica degli amminoacidi che compongono la catena.
2. Struttura secondaria: è la forma tridimensionale che ha nello spazio. Queste proteine hanno una conformazione tale, da consentire l’instaurarsi di legami idrogeno tra gli amminoacidi.α- ad alfa elica: lo scheletro del polipeptide assume la forma di un'aspirale avvolta e delimitata da un cilindro.β- a foglietto : conformazione pieghettata.
3. Struttura terziaria: mentre la struttura secondaria è stabilizzata da legami idrogeno tra atomi; la struttura terziaria è stabilizzata da una serie di legami non covalenti tra le diverse catene laterali di una proteina.
4. Struttura quaternaria: molte proteine sono costituite da un’unica catena polipeptidica; molte altre sono costituite da più catene polipeptidiche, che prendono il nome di subunità. Le proteine costituite da subunità, sono dotate di una struttura quaternaria.

Carboidrati / Zuccheri

Contengono atomi di C legati ad atomi di H e a gruppi ossidrile -OH. Formula minima: CH₂O. Funzione: deposito di energia.

Struttura dei carboidrati

Ciascuno degli atomi di carbonio dello scheletro lega un singolo gruppo ossidrilico ( -OH), ad eccezione di uno che lega il gruppo carbonilico ( C = O). Se il gruppo carbonilico è situato all’interno della molecola, lo zucchero è detto chetosio, come il fruttosio; se invece è situato all’estremità dello zucchero allora è detto aldoso, come il glucosio. A causa del loro alto numero di gruppi ossidrilici, gli zuccheri tendono ad essere molto solubili in acqua.

Legame fra gli zuccheri

Gli zuccheri possono essere uniti fra loro per costruire molecole più grandi, tramite legami glicosidici.

Classificazione:

• Monosaccaridi → da un’unica unità
• Disaccaridi → da due monosaccaridi - Più noti: Saccarosio (Glu + Fruttosio), Maltosio e Lattosio (Glu + Galattosio)
• Oligosaccaridi → da tre a venti monosaccaridi
• Polisaccaridi → più di 20 monosaccaridi - Più noti: Glicogeno, Amido, Cellulosa

(Glucosio: C₆H₁₂O₆)

↓ Glicogeno: polimero di unità di zucchero (glucosio) unite con legami glicosidici.

Cellulosa: composta di monomeri di solo glucosio come nel glicogeno e nell’amido.

GAG (glicosamminoglicani): il GAG meglio studiato è l’eparina che inibisce la coagulazione del sangue.

Acidi nucleici

Da polimeri in cui l’unità → Nucleotide

↓ Zucchero pentoso (a 5 atomi di carbonio): ribosio o desossiribosio

Una base azotata → C, T, U, A, o G (A - T e G - C U )

Un gruppo fosfato: Il fosfato è legato al carbonio 5’ e la base azotata è legata al carbonio 1’ dello zucchero. I nucleotidi di un filamento sono legati da ponti zucchero-fosfato che sono descritti come legami 3’ – 5’ fosfodiesterici, perché l’atomo di fosforo è esterificato con due atomi di ossigeno presenti su ciascuno dei due zuccheri adiacenti.

Un filamento di DNA o (RNA), contiene 4 tipi differenti di nucleotidi, che si distinguono per la loro base azotata:

• Pirimidine: citosina e timina (uracile per l’RNA), sono molecole più piccole costituite da un solo anello
• Purine: adenina e guanina, sono molecole più grandi e costituite da due anelli.

I filamenti di DNA sono uniti mediante legami idrogeno tra le basi:

• Tra A – T: doppio legame H
• Tra G – C: triplo legame H

I nucleotidi non sono soltanto importanti in quanto unità costitutive degli acidi nucleici; ma svolgono anche altre importanti funzioni: la maggior parte dell’energia utilizzata dagli organismi deriva dal nucleotide adenosintrifosfato (ATP); il guanosintrifosfato (GTP) è un altro nucleotide di enorme importanza nelle attività cellulari.

RNA: struttura a simil doppia elica → riesce a ripiegarsi.

Struttura della cellula

Citoplasma

Sostanza acquosa che contiene gli organelli ≠ da citosol: solo parte acquosa

Membrana cellulare

Regola gli scambi e la comunicazione cellulare. Adesione cellulare: si devono alle proteine di membrana che fungono da attacco per le altre cellule.

Nucleo

Anch’esso ha la sua membrana → membrana nucleare. All’interno del nucleo vi è depositato il DNA che è avvolto, in modo compatto (se molecole DNA è srotolata è lunga 1,5 metri.) La cellula deve poter accedere al DNA nel nucleo, quindi vi sono gate di uscita chiamati pori nucleari. All’interno del nucleo si trova il nucleolo dove vi sono i ribosomi, che vengono esportati da nucleo, per assemblare le proteine.

Organelli

Ribosomi

Sintetizzano le proteine (sintesi proteica). Formati da due subunità: una maggiore e una minore.

Dove si trovano:

• Immersi nel citoplasma
• Ancorati al RER
• Contenuti in altri organuli → mitocondri e cloroplasti

Funzione dei ribosomi nella sintesi proteica: leggere le informazioni contenute nell’mRNA → tra le due subunità si trova un canale dove al cui interno scorre l’RNA messaggero. Le proteine vengono sintetizzate nel citosol → alcune rimangono nel citosol altre vengono secrete e inserite in un organello.

Reticolo endoplasmatico e Golgi

Vicini per il passaggio delle proteine. Proteine maturano nel Reticolo Endoplasmatico Rugoso e nel Golgi → dove aggiunta etichetta finale della proteina, aggiungendo uno zucchero che la destinerà alla sua funzione.

Reticolo endoplasmatico liscio SER

Non presenta i ribosomi sulla sua superficie. Funzione:

• Produzione di lipidi e steroidi (colesterolo)
• Sequestra gli ioni Ca → Ioni Ca abbondanti nel corpo ma accumulati e sequestrati dal SER → per poi essere usati

Reticolo endoplasmatico rugoso RER

Presenta i ribosomi sulla sua superficie. Funzione: maturazione proteine.

Apparato di Golgi

Formato da canali, vescicole, cavità vicine l’una alle altre. Continua l’opera di maturazione delle proteine, ovvero l’aggiunta dell’oligosaccaride / zucchero che la destinerà alla sua funzione. Proteine entrano nella faccia SIS del Golgi e dopo la maturazione escono dalla TRANS e caricate in vescicole verso il loro destino.

Crea un altro organello → il lisosoma.

Lisosoma

Sono piccole vescicole che lasciano il Golgi per diventare una specie di cestino → digestione enzimatica di molecole vecchie e le ricicla (turnover).

Perossisomi

Sono organelli piccoli. Detossificano i radicali liberi, che sono entità molecolari molto reattive che avvengono ogni secondo nella cellula e sono responsabili dell’invecchiamento. Deputati all’ossidazione di acidi grassi per produrre energia per la cellula.

Mitocondri

1 -2 μm, 1/10 della grandezza della cellula. Sono le centrali energetiche della cellula in cui avviene la respirazione cellulare. Brucia glucosio per generare ATP. Dentro al mitocondrio prodotta ATP (adenosin trifosfato).

Nota bene: contengono DNA (mtDNA) → un DNA circolare (come quello dei batteri). Ns DNA è lineare.

Origine mitocondri: (teoria endosimbiotica) dai batteri perchè:

• Hanno DNA circolare
• Contengono ribosomi con sequenze proprie
• La membrana più simile a quella dei batteri
• Sono indipendenti come organelli (vita propria come i batteri)

Citoscheletro

Impalcatura formata da tre tipi di proteine: - Filamenti di Actina, Microtubuli, Filamenti Intermedi → danno forma e consistenza alla cellula → le permettono di muoversi. Ad esempio, i Microtubuli fungono da binario per il destino delle proteine dopo essere uscite dal Golgi.

Membrana plasmatica

Funzioni

• Barriera con permeabilità selettiva: impediscono il libero scambio di molecole da un versante all’altro.
• Trasporto di soluti: la membrana plasmatica contiene i meccanismi necessari per il trasporto fisico di sostanze da un suo versante all’altro, spesso da una regione in cui il soluto è presente in concentrazione minore verso una in cui è molto più concentrato.
• Risposta ai segnali esterni: ruolo fondamentale nella risposta di una cellula agli stimoli esterni, processo noto come trasduzione del segnale. Le membrane contengono dei recettori, che si combinano con molecole specifiche, ligandi. L’interazione di un recettore della membrana con un ligando extracellulare, può determinare la generazione da parte della membrana di un segnale intracellulare che inibisce o stimola le attività interne.
• Interazioni intercellulari: la membrana plasmatica permette alle cellule di riconoscersi tra loro, di aderire quando è il caso e di scambiarsi materiali ed informazioni

Composizione della membrana

È costituita da lipidi, proteine e carboidrati.

Modello a Mosaico fluido: strato di lipidi in cui sono immerse le proteine, le proteine si muovono e si spostano all’interno della membrana (immerse in un mare di lipidi).

Lipidi di membrana

• Fosfogliceridi (fosfolipidi)
• Sfingolipidi
• Colesterolo

È formata da un doppio strato lipidico: da FOSFOLIPIDI:

• Una parte di acido grasso idrofobo → CODA APOLARE
• Colina legata a un gruppo fosfato e un ponte di glicerolo → TESTA POLARE

Si assemblano spontaneamente se posti in acqua → in una conformazione specifica → con le teste all’esterno nell’ambiente acquoso e con le code all’interno.

Movimento di FLIP FLOP: fosfolipidi che riescono a spostarsi da uno strato all’altro.

Fluidità della membrana: È un aspetto anche pericoloso perché potrebbe fare entrare troppe sostanze. Per questo c’è il colesterolo che dà solidità alla membrana (prodotto dal fegato e introdotto mediante alimentazione).

Proteine di membrana

Sono gli esecutori di tutte le attività della membrana.