Biologia cellulare, appunti

Come le cellule traggono energia dal cibo

Concetti essenziali

• Il glucosio e le altre molecole nutritive vengono demoliti attraverso un processo di ossidazione graduale e controllato che genera energia chimica utile sotto forma di trasportatori attivati, ATP e NADH.

• Gli zuccheri derivati dal cibo vengono demoliti attraverso serie di reazioni distinte: la glicolisi (avviene nel citoplasma), il ciclo dell’acido citrico (nella matrice mitocondriale) e la fosforilazione ossidativa (nella membrana mitocondriale interna).

• Le reazioni della glicolisi demoliscono lo zucchero glucosio a sei atomi di carbonio in due molecole di zucchero piruvato a tre atomi di carbonio, producendo una piccola quantità di ATP e NADH.

• In presenza di ossigeno, il piruvato viene convertito in acetil CoA più CO₂. In seguito, il ciclo dell’acido citrico trasforma il gruppo acetile dell’acetil CoA in CO₂ e H₂O. La maggior parte dell’energia liberata da queste reazioni di ossidazione si accumula sotto forma di elettroni ad alta energia nei trasportatori attivati NADH e FADH₂. Nelle cellule eucariotiche, tutte queste reazioni avvengono nei mitocondri.

• I grassi sono l’altra fonte principale di energia nel cibo. Gli acidi grassi, che derivano dalla digestione dei grassi, sono importati nei mitocondri e convertiti in molecole di acetil CoA. Queste molecole poi si ossidano ulteriormente tramite il ciclo dell’acido citrico, producendo NADH e FADH₂, proprio come l’acetil CoA proveniente dal piruvato.

• Il NADH e FADH₂ trasferiscono i loro elettroni ad alta energia a una catena di trasporto degli elettroni che si trova nella membrana mitocondriale interna. Gli elettroni, cedendo progressivamente la loro energia, alimentano la formazione di ATP. La maggior parte dell’energia recuperabile dalle molecole nutritive viene catturata in questo processo, detto fosforilazione ossidativa.

• Il cibo che mangiamo non è solo una fonte di energia metabolica, ma anche di materie prime necessarie per la biosintesi. Molti intermedi della glicolisi e del ciclo dell’acido citrico sono punti di partenza per le vie che portano alla sintesi di proteine, acidi nucleici e molte altre molecole specializzate della cellula.

• Le reazioni diverse che avvengono contemporaneamente in una cellula sono perfettamente coordinate e le permettono di continuare a funzionare, adattandosi a molte situazioni esterne.

• Durante i periodi di digiuno, la regolazione dell’attività di enzimi chiave permette alla cellula di passare dalla demolizione del glucosio alla sua biosintesi (gluconeogenesi).

• Le cellule accumulano le molecole nutritive in speciali depositi. Il glucosio si conserva sotto forma di subunità del glicogeno nelle cellule animali e nell’amido in quelle vegetali; sia gli animali sia le piante accumulano gli acidi grassi sotto forma di grasso. Le riserve di sostanze nutritive conservate nei vegetali costituiscono una delle fonti principali di cibo per gli animali.

Comparti intracellulari e trasporto

Organelle delimitati da membrana

• Le cellule eucariotiche presentano una complessa divisione realizzata da membrane interne.

• Organelli circondati da citosol racchiuso nella membrana plasmatica.

• Nucleo: avvolto da una doppia membrana, l’involucro nucleare, e comunica col citosol attraverso i pori nucleari, che attraversano l’involucro.

• Reticolo endoplasmatico: sistema di elementi sacciformi e tubulari; principale sede di sintesi delle membrane cellulari;

  • Alcune regioni presentano ribosomi (r.e. ruvido), i ribosomi sintetizzano proteine che vengono trasferite al lume o alla membrana del r.e.;

  • Il r.e. liscio è privo di ribosomi, in poche cellule è molto sviluppato e ha diverse funzioni.

• Apparato di Golgi: situato nei pressi del nucleo, riceve proteine e lipidi dall’re, li modifica e li invia verso altre destinazioni.

• Lisosomi: sono sacchetti di enzimi digestivi che degradano organelli logorati, cioè macromolecole e particelle assunte per endocitosi.

• Endosomi: selezionano nel materiale ingerito (quello diretto ai lisosomi) alcune molecole da riciclare nella membrana plasmatica.

• Perossisomi: piccoli organelli delimitati da una membrana, contengono enzimi per reazioni ossidative di demolizione dei lipidi e distruggono molecole tossiche.

• Mitocondri: circondati da membrana doppia, sedi della fosforilazione ossidativa, contengono membrane specializzate nella produzione di ATP.

Molti organelli delimitati da membrana sono collegati al citoscheletro (microtubuli) che li stabilizza e si occupa del trasporto di organelli (tramite proteine motrici: chinesine e dineine).

Lo smistamento delle proteine

Le proteine sono indispensabili per la cellula, sia quando essa si sta dividendo (proteine transmembrana, proteine solubili) che non (proteine secrete all’esterno, proteine di sostituzione).

La sintesi proteica avviene sui ribosomi del citosol. Il suo scopo dipende dalla sequenza amminoacidica: la sequenza può comprendere un segnale di smistamento che indirizza la proteina all’organello giusto. Le proteine prive di tale segnale restano nel citosol.

Gli organelli devono permettere alle proteine di superare la propria membrana; ciò avviene in modi diversi, a seconda dell’organello:

• Nucleo: mediante pori nucleari (barriere selettive) (se AA caratterizzati da carica + saranno importati nel nucleo);
• R.E., mitocondri, cloroplasti: attraversano la membrana per mezzo di traslocatori proteici situati nella membrana. La proteina deve perdere il suo avvolgimento per poter penetrare.

• Da compartimento endomembranoso all’altro: mediante vescicole di trasporto, che gemmano, si distaccano e imbarcano proteine; infine depositano il carico in un altro compartimento, fondendosi con la sua membrana (trasferiti così anche proteine di membrana e lipidi).

Sequenze segnale

• Sono sequenze che specificano la destinazione delle proteine;

• Sono lunghe 15-60 amminoacidi;

• Importanza delle proprietà fisiche degli AA (idrofobicità, posizione degli AA con carica) rispetto alla sequenza;

• La sequenza segnale è spesso rimossa una volta giunta a destinazione.

Le proteine entrano nel nucleo attraverso i pori nucleari

L’involucro nucleare, che racchiude il DNA, è composto da due membrane:

• Membrana nucleare interna: contiene proteine con siti di legame per cromosomi e offre ancoraggio alla lamina nucleare, una rete di filamenti proteici interna alla membrana che funge da sostegno all’involucro.

• Membrana nucleare esterna: somiglia a quella del R.E., nella quale si continua.

L’involucro nucleare di tutte le cellule eucariotiche è traforato da pori nucleari, attraverso i quali le molecole entrano ed escono dal nucleo; sono attraversati ambo i sensi:

• Da citosol giungono proteine nuove destinate al nucleo;
• Dal nucleo vengono esportate molecole di RNA e subunità ribosomiche nel citosol.

Il trasporto nucleare è la tappa finale del controllo di qualità della sintesi e maturazione dell’mRNA.

Struttura del poro

• Grande e complessa;
• Costituita da 30 tipi di proteine diverse;
• Contiene passaggi acquosi per scambio di molecole idrosolubili tra nucleo e citosol;
• Reticolato proteico nel lume impedisce passaggio di macromolecole;
• Proteine, RNA e macromolecole devono avere una sequenza segnale particolare: segnale di localizzazione nucleare (sequenze contengono molti residui di arginina e lisina, con carica positiva, che attrae quella negativa del nucleo);
• Questo segnale presente sulle proteine destinate al nucleo, si lega a proteine del citosol dette recettori per il trasporto nucleare, che indirizzano le proteine verso i pori nucleari, grazie a interazione con le fibrille (tentacoli) del poro (lato citosolico);
• Consegnata la proteina questi recettori tornano nel citosol;
• Processo che richiede energia → idrolisi GTP;
• Le proteine attraversano i pori nella conformazione nativa.

Per entrare nei mitocondri le proteine devono svolgersi

Mitocondri e cloroplasti dotati di membrana (int. ed ext.) e specializzati nella sintesi di ATP. Proteine mitocondriali dotate di una sequenza segnale all’estremità amminica, che permette loro di entrare in organelli specifici.

• Queste proteine sono traslocate attraverso membrana int ed ext, in siti appositi dove le membrane entrano in contatto tra loro;

• Durante il passaggio ogni proteina si distende e, trasferita, la sequenza segnale viene eliminata.

• Gli chaperones dei mitocondri trainano la proteina attraverso due membrane e le fanno recuperare la conformazione nativa una volta entrata.

Per il supporto di questi organelli è necessario anche un apporto di lipidi, fosfolipidi da RE, importati grazie a proteine idrosolubili che estraggono una molecola fosfolipidica da una membrana (RE) e la inseriscono in un’altra (mitocondrio).

Le proteine entrano nel RE durante la loro sintesi

Oltre a ricevere le proprie proteine, fa da ingresso per proteine di altri organelli (Golgi, endosomi, lisosomi, superficie cellulare). Le molecole proteiche, una volta entrate nel RE, non tornano più nel citosol, ma vengono trasportate da apposite vescicole in determinati organelli, membrane o all’esterno della cellula.

Due tipi di proteine da citosol a RE:

• Proteine idrosolubili, attraversano RE e sono liberate nel suo lume; destinate alla secrezione;

• Proteine transmembrana, restano inserite nella membrana; destinate a sostare nella membrana (RE, altri organelli o plasmatica).

Queste proteine sono dirette all’RE tramite una sequenza segnale per l’RE: sequenza di otto o più AA idrofobi che partecipa alla traslocazione attraverso la membrana dell’RE. Le proteine entranti nell’RE iniziano a entrare nella membrana prima che la sintesi proteica sia completa → conseguenza → il ribosoma che sintetizza il polipeptide è attaccato alla membrana dell’RE → zone chiamate reticolo endoplasmatico ruvido (ribosomi rivestono l’RE).

Nel citosol due tipi di ribosomi:

• Ribosomi legati a membrane: aderiscono al lato citosolico dell’RE (e membrana nucleare esterna) e sono impegnati nella sintesi proteica da traslocare nell’RE;

• Ribosomi liberi: producono le altre proteine codificate dal DNA.

Unica differenza tra i due riguarda le proteine sintetizzate. Quando sintetizzano proteine citosoliche i ribosomi restano liberi nel citoplasma. Nel caso di proteine destinate all’RE, una sequenza segnale indirizza il ribosoma alla membrana del RE. Ad un mRNA si combinano più ribosomi a formare un poliribosoma. Conclusa la sintesi proteica, le subunità del ribosoma si liberano e tornano a far parte del fondo comune di ribosomi liberi nel citosol.

Proteine solubili si liberano nel lume del RE

Sequenza segnale del RE guidata alla membrana da componenti proteici:

• Complesso citosolico detto particella di riconoscimento del segnale (SRP), che si lega alla sequenza del RE;
• Un recettore della SRP immerso nella membrana del RE, che riconosce la SRP.

Proteine transmembrana nel doppio strato lipidico

Un solo segmento nel doppio strato:

• Seq. segnale estremità amminica dà inizio alla traslocazione (come proteine solubili);
• Seq. di AA idrofobi, sequenza di arresto, arresta il trasferimento;
• Preciso orientamento della proteina traslocata: estremità amminica su lume RE ed estremità COOH su citosol;

Altre proteine transmembrana:

• Seq. segnale all’interno: sequenza di avvio del trasferimento (mai eliminata);
• Seq. segnale lavorano a coppie: seq. interna fa iniziare la traslocazione, che procede fino ad una seq. di arresto.

Trasporto vescicolare

Via di secrezione (diretta verso l’esterno): sintesi proteica su membrana RE, ingresso nel lume RE e conduce a superficie cellulare passando per il Golgi, da cui parte una via che conduce a lisosomi passando per endosomi.

Via endocitica (diretta verso l’interno): trasferisce materiali dalla membrana plasmatica ai lisosomi, passando per endosomi (ingestione e degradazione molecole extracellulari).

Vescicole rivestite: gemmano dalle membrane e possiedono un rivestimento proteico su fronte citosolico.

• Gemmazione dall’organello d’origine
• Perdita rivestimento
• Fusione membrane

Funzioni rivestimento

• Assunzione forma a gemma della membrana;
• Raccolta molecole

Composizione principale

• Clatrina

• Vescicole rivestite di clatrina gemmano nel Golgi (direz. esterno) e nella memb. plasmatica (direz. interno).

• Molecole di clatrina si aggregano in una rete a forma di canestro su lato citosolico (formazione vescicola).

• Dinamina

• Proteina capace di legare GTP;

• Si aggregano in un anello attorno a strozzatura della vescicola;

• Essa fa contrarre l’anello e staccare la vescicola dalla membrana.

• Adattine

• Assicurano il rivestimento di clatrina alla membrana della vescicola;

• Contribuiscono alla scelta delle molecole da trasportare (molecole hanno segnali di trasporto riconosciuti da recettori di carico di una membrana di un compartimento).

Le vie di secrezione

Proteine subiscono modificazioni covalenti nell’RE

• Le proteine che entrano nell’RE subiscono modificazioni chimiche. Un enzima del lume dell’RE catalizza formazione di ponti disolfuro, ossidando coppie di catene laterali di cisteina. Questi legami stabilizzano la struttura di proteine, che all’esterno della cellula, potrebbero trovare enzimi degradativi (ponti non si formano nel citosol perché ambiente riducente).

• Proteine che entrano nel lume o membrana dell’RE vengono convertite in glicoproteine (glicosilazione, enzimi glicosilanti) tramite aggiunge di catene laterali oligosaccaridiche. Funzioni: protezione, trattenere proteine nell’RE in attesa del ripiegamento corretto o guidarla all’organello giusto fungendo da segnale di trasporto.

Controllo di qualità delle proteine nell’RE

Le proteine fabbricate nell’RE restano in esso a svolgere la propria funzione (se possiedono il segnale di ritenzione nell’RE, sequenza COOH-terminale di 4 aa). Le altre proteine che entrano nell’RE sono destinate ad altre sedi: vengono confezionate in vescicole che gemmano dall’RE e si fondono con il Golgi.

• Proteine selezionate per uscire dall’RE:

• Proteine mal conformate o non assemblate correttamente sono trattenute nell’RE dal legame con chaperones;

• Intervento chaperones per ripiegamento corretto;

• Proteine che non riescono a ripiegarsi sono inviate al citosol per essere degradate.

Apparato di Golgi: proteine modificate e smistate

Il Golgi consiste di un insieme di sacche appiattite delimitate da membrana (cisterne) disposte in pila (ognuna da 3 a 20 cisterne). Ogni pila ha due versanti:

• Cis: di ingresso, adiacente al RE;
• Trans: di uscita, rivolto verso la membrana plasmatica.

• Le proteine solubili accedono al reticolo cis del Golgi tramite vescicole provenienti dall’RE. Le proteine si spostano da una all’altra delle successive cisterne per mezzo di vescicole di trasporto che gemmano da una cisterna e si fondono con quella successiva.

• Infine esse escono dal reticolo trans del Golgi entro vescicole di trasporto destinate alla superficie cellulare o un altro compartimento cellulare.

• Sia reticolo cis che trans sono importanti per lo smistamento delle proteine: le proteine in ingresso al cis proseguono lungo le cisterne (o riportate all’RE se hanno segnale di ritenzione); le proteine che escono dal trans vengono smistate verso lisosomi o superficie cellulare.

• Molti gruppi oligosaccaridici aggiunti alle proteine nell’RE subiscono modifiche nel Golgi:

• Formazione catene oligosaccaridiche complesse.

Proteine secrete si liberano per esocitosi

• Flusso continuo di vescicole che gemmano dal reticolo trans e vanno a fondersi con la membrana plasmatica: via dell’esocitosi costitutiva, sempre attiva e fornisce lipidi e proteine alla membrana plasmatica (accrescimento cellulare).

• La via costituitiva pratica la secrezione (portare alla superficie molecole da riversare all’esterno). Questa via non richiede sequenze segnale (non è selettiva) e viene detta via di default.

• Esiste una via dell’esocitosi regolata attiva in cellule specializzate nella secrezione. Cellule secretrici producono muco, ormoni ed enzimi digestivi, immagazzinati nelle vescicole di secrezione, che gemmano dal reticolo trans. In seguito ad uno stimolo esse si fonderanno con la membrana plasmatica.

• Proteine destinate a secrezione regolata scelte e confezionate nel reticolo trans.

Vie endocitiche

Pinocitosi

• Indigestione di macromolecole e liquidi;
• Vescicole rivestite di clatrina (diametro 150nm), dopo distacco da memb. plasmatica si spogliano dell’involucro e si fondono con endosoma;
• Invio ad endosomi e lisosomi;
• I metaboliti prodotti dalla digestione sono utilizzati dalla cellula.

Fagocitosi

Indigestione di particelle solide e microrganismi, consentendo alle cellule di acquisire nutrienti e difendersi da infezioni.