Biologia della cellula e Dna

Le molecole di interesse biologico: la biologia cellulare

La cellula e i suoi componenti

La cellula è l’unità fondamentale di tutti gli organi viventi. Nel corpo umano, essa è composta da diversi elementi tra cui: H – C – O in grande quantità e N- Ca- Mg- Na- K- P in minor quantità.

→ L’idrogeno è il componente principale dell'Universo ed è il più semplice degli elementi chimici. Il suo atomo è costituito da un nucleo formato da un protone, particella di carica elettrica positiva, attorno a cui si muove un elettrone, con carica di uguale intensità ma negativa.

→ L’acqua (H₂O) è il costituente fondamentale delle cellule e rappresenta il 70% della cellula ed esiste un solo tipo di molecola d’acqua.

→ Il 26% è formato da macromolecole (proteine, acidi nucleici e polisaccaridi) e ci sono circa 3000 tipi di macromolecole.

I legami chimici

I legami chimici possono essere di due tipi:

• Legami covalenti: gli atomi che costituiscono le molecole sono tenuti insieme da legami covalenti in cui coppie di elettroni sono condivise da coppie di atomi.
• Legami non covalenti: le interazioni fra le molecole dipendono da un insieme di legami deboli noti come legami non covalenti, che includono:
• Legami ionici – attrazione fra atomi provvisti di carica
• Legami idrogeno
• Interazioni idrofobiche
• Forze di van der Waals

Zuccheri, grassi, amminoacidi e nucleotidi

→ Zuccheri monosaccaridi si uniscono in polisaccaridi e raggiungono grandi dimensioni. La loro funzione è quella di gelificare, gonfiarsi di acqua. Es. acido ialuronico (botox).

→ Acidi grassi formano: i grassi, lipidi, membrane.

→ Amminoacidi, molecole piccole, formano le proteine con forme e funzioni diverse e sono gli effettori delle molecole ovvero svolgono le funzioni delle molecole.

→ Nucleotidi formano gli acidi nucleici dell’RNA e DNA.

→ I glicidi sono sostanze ternarie composte di carbonio idrogeno ossigeno dette anche carboidrati perché molte di esse contengono idrogeno e ossigeno nelle stesse proporzioni dell'acqua. Dove l'acqua viene liberata è detta di condensazione; invece, dove l’acqua viene consumata è detta idrolisi. Con queste due reazioni si ha la formazione dei disaccaridi.

I lipidi e la membrana cellulare

→ Lipidi: sono costituiti prevalentemente da atomi di carbonio e di idrogeno uniti tra loro con legami covalenti scarsamente polari e disposti simmetricamente. La catena carboniosa è lineare, molto semplice ma molto lunga, con un gruppo idrossile da un’estremità e un CH₃ nell’altra, formando un acido grasso che può essere saturo o insaturo.

Si trovano come mattoni per formare le membrane biologiche sotto forma di fosfolipidi con coda e testa detta bipolare. La testa è formata da un gruppo polare fosfolipide e glicerolo invece la coda è formata da grassi idrofobi. Essi costituiscono la principale sostanza di cui è composta la membrana.

→ Gli amminoacidi sono molecole organiche che nella loro struttura recano sia il gruppo funzionale amminico che il gruppo funzionale carbossilico. Gli amminoacidi sono le molecole di base che costituiscono le proteine. Sono formati da un atomo di carbonio unito da un gruppo amminico, un gruppo carbossilico, un'acca e un gruppo R che differenzia ogni amminoacido.

I gruppi possono essere idrofobici o idrofili.

I nucleotidi e il DNA

→ I nucleotidi sono molecole organiche che compongono gli acidi nucleici del DNA o RNA. Tutti presentano una struttura generale comprensiva di tre elementi molecolari: un gruppo fosfato, uno pentoso (zucchero con 5 atomi di carbonio) e una base azotata. Due nucleotidi sono tenuti insieme da un legame fosfodierico che lega il ribosio al fosfato.

La cellula batterica

La composizione della cellula batterica è simile a quella batterica. Le macromolecole si assemblano assieme e formano i macchinari molecolari. Ogni molecola ha il suo specifico enzima che può essere catabolico (distrugge) oppure anabolico (sintetizza).

La cellula: unità fondamentale

→ La cellula è l’unità fondamentale di tutti gli organismi viventi. Ogni cellula può essere definita come un'entità chiusa ed autosufficiente (vero, ma in un organismo pluricellulare non tutte le cellule hanno le stesse funzioni). Essa è in grado di assumere nutrienti, comunicare, convertirli in energia, svolgere funzioni specializzate e riprodursi se necessario.

N.B= è una forma vivente a differenza del virus che trasporta informazioni.

Cellula procariote vs. cellula eucariote

La membrana plasmatica

→ La membrana cellulare o membrana plasmatica è un sottile rivestimento di 5 nm che delimita la cellula, la separa dall’ambiente e regola gli scambi con l’esterno. Essa è composta principalmente da proteine e una piccola percentuale di glicidi, in forma di glicoproteine e glicolipidi, e di molecole di colesterolo che la stabilizzano. La membrana ha funzioni strutturali e funzionali.

→ Ha fluidità (permette la mobilità), essa è data dalle proteine. Si trova allo stato liquido-cristallino.

Fosfolipide

→ È fatto da una testa idrofila polare, idrosolubile, e una coda idrofoba non polare e non idrosolubile. Si organizzano in questo modo creando una struttura termodinamicamente stabile.

Acidi grassi

→ Sono acidi monicarbossilici alifatici e sono lipidi complessi dei grassi vegetali e animali. Si classificano a seconda della loro lunghezza e del numero dei C:

• Da 1 a 4 atomi di C: catena corta
• Da 8 a 14 atomi di C: catena media
• Da 16 a 36 atomi di C: catena lunga

Noi abbiamo una catena medio-lunga.

→ Possono essere saturi (se non hanno doppi legami) o insaturi (se hanno doppi legami, e presentano una curvatura sul doppio legame).

Glicerolo

Il glicerolo è un alcool trivalente in grado di legarsi ai gruppi carbossilici degli acidi grassi formando i trigliceridi, cioè i "lipidi semplici" più comuni. I fosfolipidi sono lipidi contenenti fosfato.

→ Le molecole di questa classe di composti organici presentano una testa polare idrosolubile (cioè solubile in acqua e non solubile nei solventi apolari) a base di fosfato e una coda apolare non idrosolubile (cioè non solubile in acqua e solubile nei solventi apolari). Glicerolo testa + 3 code di acidi grassi.

Colesterolo

→ È uno sterolo ovvero una molecola costituita da 4 anelli polialifatici e una coda alifatica, oltre ad eventuali gruppi funzionali come ossidrile, che si fa che il composto sia un alcool cicloalifatico. La struttura policiclica di base prende il nome di: Ciclopentanoperidrofenantrene. Molecola bipolare come il fosfolipide anche se la molecola è molto più piccola.

→ Funzione: adattatore molecolare ovvero rafforza le interazioni idrofobiche che mantengono insieme i fosfolipidi nella membrana e si trova tra le molecole di fosfolipidi. Il colesterolo è un costituente essenziale della membrana cellulare di tutte le cellule animali: si inserisce fra i due strati di fosfolipidi orientandosi con il gruppo -OH vicino alle teste polari dei fosfolipidi, diminuendo così la fluidità del mosaico, ma aumentando la stabilità meccanica e la flessibilità delle cellule.

Micelle e liposomi

→ Micelle: sono celle di fosfolipidi in grado di muoversi in un ambiente acquoso. All’interno di esse si possono piccolissime quantità di farmaci non solubili in acqua. Dimensione nm.

→ Liposoma: cavità interna acquosa.

→ Membrane nere: due contenitori legati insieme attraverso un piccolo foro nel quale ci sono dei fosfolipidi e versiamo acqua, in questo modo i fosfolipidi creeranno un doppio strato fosfolipide artificiale. In questo modo si possono fare esperimenti.

La fluidità della membrana

→ Una membrana semipermeabile: permette il passaggio solo di certe molecole. Fluidità di membrana: le molecole possono fare due determinati tipi di movimenti:

• Diffusione laterale: prendere il posto di chi mi sta accanto, massimo grado di spostarsi
• Flip-flop: movimento raro, cambia il foglietto da superiore a inferiore a meno che non intervengano enzimi o proteine
• Rotazione sul proprio asse
• Flessione: minimi movimenti di flessione (allargo/stringo)

Cosa sarà limitante alla diffusione laterale? La si inibisce attraverso un cambiamento della temperatura, se la abbassiamo cristallizziamo il movimento laterale, a 0 gradi non c'è più movimento. In più il colesterolo modera la rigidità della membrana e gli acidi grassi si dividono in saturi e insaturi. Questo fa sì che ogni membrana ha il proprio tipo di fluidità in base alla loro funzione.

→ In una membrana ci sono determinati fosfolipidi che si rivolgono verso il mondo esterno e altri differenti rivolti verso il citoplasma. Ogni lato detto foglietto: interno o esterno della cellula e non sono simmetrici. Nel foglietto esterno troviamo glicofosfolipidi ovvero fosfolipidi che contengono uno o più glucidi. Nella membrana ci sono proteine che possono interagire o no con l’acqua. Se facciamo interagire una proteina con il doppio stato fosfolipide, ho bisogno di amminoacidi di cui il gruppo laterale è idrofobico. Le proteine formano canali che creano un canale acquoso attraversabile da molecole idrosolubili. Le proteine sono ancorate allo strato fosfolipide ma hanno anche un pezzo di proteina che si sporge nel citoplasma e mondo esterno:

• Dominio intracellulare: parte che sta all’interno dello strato fosfolipide.
• Dominio extracellulare: sta al di fuori della membrana.

Zattere proteiche: sono gruppi di proteine che tengono insieme proteine di membrana e servono per interagire con il mondo esterno o altre proteine. Ovvero sono i “recettori” proteici.

Compartimenti cellulari

Si trovano solo nella cellula eucariote, in cui possiamo dividere le zone che sono riconducibili. L’interno della cellula è riempito dal citoplasma, una matrice acquosa colloidale che contiene gli organuli e alcuni sistemi di membrane. L’acqua costituisce circa il 70-80% delle sostanze contenute nel citoplasma. Il citoplasma occupa circa la metà del volume totale della cellula e vi si trovano disperse tutte le sostanze chimiche vitali tra cui sali, ioni, zuccheri, una grande quantità di enzimi e proteine e la maggior parte dell’RNA. Le cellule hanno una forma? SI.

Nelle cellule eucariote, il citoplasma contiene un’intelaiatura formata da una complessa rete di filamenti costituiti da proteine fibrose che costituiscono il citoscheletro. Il citoscheletro conferisce alla cellula la sua forma caratteristica, rende possibili gli spostamenti degli organuli cellulari e coordina funzioni biologiche fondamentali, come la divisione cellulare.

Il ruolo del citoplasma

→ I filamenti proteici che formano il citoscheletro si possono dividere, sulla base delle loro dimensioni, in tre tipi principali:

• Microfilamenti
• Filamenti intermedi
• Microtubuli

Il ruolo che rende il citosol importante, oltre al fatto che esso costituisce il 50% del volume di una cellula, è che al suo interno ha luogo la maggior parte del metabolismo cellulare: dalla demolizione degli zuccheri alla sintesi dei grassi, dei nucleotidi, degli zuccheri e delle proteine.

Nel citosol si accumulano le sostanze di deposito, per esempio, il glicogeno (la forma di immagazzinamento dei carboidrati) o le gocciole lipidiche (la forma di accumulo dei trigliceridi). Negli adipociti questi ultimi si presentano come un’unica goccia che può occupare quasi completamente il citosol.

Citoplasma: consistenza gelatinosa con matrice acquosa colloidale.

N.B= Pancreas endocrino e esocrino: il primo produce insulina, produce enzimi digestivi ovvero proteine.

Esempio: nella cellula del fegato e quella del pancreas: la superficie della membrana cambia. Questo vale per ogni compartimento. Ogni cellula ha funzioni e la percentuale delle funzioni cambia. Il fegato ha bisogno di più energia rispetto al pancreas e per questo cambia la concentrazione dei mitocondri. Come si sono evolute le cellule?

Es. da una cellula procariote senza “protezione” del nucleo, la formazione di esso può aver portato a un’evoluzione. Oppure un evento di simbiosi ovvero una cellula aerobica si sarebbe inserita nella cellula e si sarebbero evoluti insieme per formare i nostri mitocondri.

Cariotipo e cromosomi

→ Cariotipo: rappresentazione cromosomi di una cellula. Cromosomi: ovvero materiale genetico che si trova nel nucleo, un grande organelli che contiene il materiale genetico.

→ Nucleolo: zona funzionale attiva del nucleo in cui convergono le anse del DNA.

Il nucleo e il suo involucro

Tornando al nucleo: c’è involucro nucleare, una struttura complessa dove ci sono proteine che formano la lamina nucleare che costruiscono la fortezza del nucleo, fatta di fibre proteiche.

→ Sistema di membrana: doppio strato di membrana che delimita una struttura detta spazio nucleare o cisterna nucleare.

→ Membrane nucleare: zona specializzata della membrana. Involucro nucleare è bucato da pori nucleari che permettono il passaggio di sostanze tra nucleo e citoplasma, può transitare solo delle sostanze specifiche.

Ad esempio: piccole molecole (ioni, amminoacidi…) possono transitare sempre, invece per quanto riguarda le macromolecole come proteine devono essere riconosciute per essere ammesse, come proteine citoplasmatiche, ormoni steroidei. Se stratifichiamo le membrane abbiamo una grande superficie e molti organelli per le funzioni es. mitocondri.

Reticolo endoplasmatico

Il reticolo endoplasmatico è una complessa rete di tubuli, sacchi e canali comunicanti, che si aprono a livello della membrana nucleare. Il reticolo endoplasmatico è di due tipi:

• Il tipo ruvido è un proseguimento della membrana nucleare e porta sulla superficie esterna milioni di minuscoli granuli, detti ribosomi, legati alla sintesi delle proteine;
• Il tipo liscio è privo di ribosomi ed è responsabile della sintesi dei lipidi.

Lo spazio compreso tra le membrane ripiegate di entrambi i tipi di reticolo endoplasmatico è infine utilizzato per immagazzinare e trasferire molecole da un punto all'altro della cellula. Non è una struttura fissa, si può allargare o comprimere.

Nel retricolo endoplasmatico ruvido i ribosomi possono essere associati a membrane o essere liberi nel citoplasma.

Poliribosomi: sono un certo numero di ribosomi che si trovano su un RNA messaggero e tutti lo possono codificare.

Apparato di Golgi

L'apparato di Golgi è costituito da cisterne/tubuli appiattiti al centro e rigonfi alle estremità, impilati l'uno sull'altro e terminanti a fondo cieco, dove vengono modificati e accumulati materiali vari (ormoni, proteine, lipidi), che verranno trasportati in altre parti della cellula o espulsi. A questo scopo, dalle estremità delle sacche appiattite si staccano piccole vescicole che migrano verso la membrana plasmatica e si fondono con essa; il contenuto delle vescicole viene così riversato all'esterno.

→ L’apparato dei golgi non è in continuità fisica col reticolo ma in continuità funzionale. Essi sono messi in contatto mediante vescicole che trasportano il materiale da uno scompartimento all’altro.

Faccia trans: guarda il nucleo. Faccia cis: guarda il reticolo endoplasmatico.

Cosa succede all’interno dei Golgi? Arrivano proteine trasportate attraverso vescicole, o meglio glicoproteine, viene modificata fino a quando non è maturata con una struttura (funzione) maturate e vengono indirizzate e possono essere lisosomi ovvero vescicole che sono deputate a digerire ciò che viene trasportato dal mondo esterno, oppure di distaccano vescicole secretori.

Trasporto di piccole molecole attraverso la membrana

Componenti all’interno e esterno della cellula cambiano.

• ES= Na⁺: all’interno 5-15 molare e esterno 145 molare. K⁺: 140 interno e 5 esterno. Questo è dato dalla pompa sodio-potassio.

Si può fare una classificazione di ciò che passa e ciò che non passa:

Considerando una membrana nera senza proteine:

• Molecole idrofobiche passano liberamente: come ossigeno, carbonio… molecole essenziali per non consumare troppa energia, vitali per noi.
• Uguale per piccole molecole non cariche polari come acqua, glicerolo.
• Invece se parliamo di grandi molecole non cariche polari: come glucosio esse rimbalzano se si trovano da sole, esso come gli ioni che non riescono ad entrare se non con l’aiuto di proteine.
• Gradiente di concentrazione: determina la direzione del flusso della molecola che entra nella membrana.