Biologia della cellula ferrari

Biologia cellulare

Albero filogenetico e teoria di Darwin

Tutti gli organismi viventi possono essere divisi in base se sono formati da cellule procariote o cellule eucariote. Sono entrambe caratterizzate da un citosol racchiuso da una membrana citoplasmatica che attraverso choc termico, osmotico o variazione di pressione può essere rotto formando un lisato dove le reazioni biochimiche continuano ad avvenire. Inoltre, sono accomunate dal conservare l’informazione genica in DNA per dare proteine mediante RNA. Gli eucarioti hanno un nucleo cellulare e diversi organuli cellulari.

Teoria cellulare

Essa dice che tutti gli organismi viventi sono formati da cellule, unità fondamentale della vita.

Teoria endosimbionta/fagocitosi

La cellula eucariote deriva da una cellula procariote ancestrale apparsa sulla terra 4.1 miliardi di anni fa. Si è formata per simbiosi di un eubatterio e un archeobatterio attraverso fusione della membrana cellulare o invaginazione e fagocitosi. Questa teoria è accreditata dalla presenza di cardiolipina, un fosfolipide dei procarioti, nelle membrane di cloroplasti e mitocondri.

Membrana cellulare

Le membrane biologiche sono formate di un doppio strato lipidico (bilayer). I lipidi che ne fanno parte hanno natura anfipatica, ovvero hanno una parte idrofobica e un’idrofilia. La maggior parte è formata da fosfolipidi formati da l-glicerolo tre fosfato legato a due acidi grassi insaturi (cis). I fosfolipidi hanno la capacità di associarsi automaticamente in micelle o in doppi strati, in modo da isolare la parte idrofobica dall’acqua. Le cellule hanno la capacità di autosigillarsi dopo uno strappo e di essere fluidi, dove attraverso un meccanismo di flip-flop i lipidi si spostano e cambiano monostrato attraverso flippasi e carrier (traslocatori dei fosfolipidi).

La membrana eucariotiche contiene anche colesterolo e glicolipidi che irrigidiscono le strutture e modificano la permeabilità. I fosfolipidi che si trovano in maggior quantità sono: fosfatidilserina, fosfatidiletanolammina, fosfatidilinositolo nella membrana interna, fosfatidilcolina e sfingomielina nella membrane esterna. Questo fa sì che la distribuzione di cariche (la serina + negativa) sia diversa e che le due membrane siano asimmetriche. Questo permette l’ancoraggio di proteine diverse: ad esempio, la PKC si lega nello strato citosolico della fosfatidilserina che lo attiva, il fosfatidilinositolo è fosforilato per attaccare diverse proteine. Le glicoproteine poste sulla faccia extracellulare sono glicosilate, in altre parole, presentano carboidrati legati a esse che formano legami deboli tra di loro. Le cellule eucariotiche animali presentano inoltre una notevole concentrazione di colesterolo che diminuisce la permeabilità del doppio strato alle molecole d’acqua.

Proteine di membrana

Le quantità e i tipi di proteine associate alla membrana determinano la funzione della membrana stessa, tuttavia la maggior parte delle cellule possiede circa il 50% di proteine. Esistono diversi tipi di proteine:

• Proteine integrali di membrana (transmembrana), sono proteine che attraversano lo strato di fosfolipidi, hanno natura anfipatica e funzionano da ambo le parti della membrana fungendo da trasduttori di segnali o proteine di trasporto. La parte che attraversa la membrana è formata da aminoacidi con catene R non polari che formano α eliche. Possono essere monopass o multipass in base a quante volte attraversano il doppio strato lipidico. Possono avere diverse forme: possono avere un alfa elica che li collega alla membrana e la restante parte è tutta nel citosol, oppure essere formati da beta-foglietti che formano un barile (classica delle porine canale). Esempio la banda tre del globuli rossi come multipass o la glicoforina come monopass o tutte le proteine g, mentre il traslocone come proteina canale o il poro nucleare.
• Proteine periferiche di membrana sono proteine connesse o con altre proteine transmembrana o con porzioni lipidiche che connettono la parte del g. ammidico alla membrana o ancora attraverso il collegamento con un fosfatidilinositolo. Esse servono come ancoraggio e recezione dei segnali.

Le proteine di membrana possono essere solubilizzate attraverso l’impiego di detergenti e poi studiate mediante elettroforesi su gel di poliacrilamide in SDS.

Organuli cellulari

Citoscheletro

Il citoscheletro è una struttura dinamica che serve come supporto meccanico, ancoraggio per gli organuli e per dar forma alla cellula animale. È formato da microfilamenti di actina che formano un reticolo tridimensionale detto cortex che mantiene la forma cellulare e conferisce l’aspetto gelatinoso. Inoltre, è presenta anche la miosina che serve per il movimento ameboidi. I filamenti intermedi hanno dimensioni e forma varia e servono per ancorare gli organuli cellulari nelle loro sedi. I microtubuli sono strutture cilindriche cave formati da tubulina e servono per legare i centromeri dei cromosomi durante la divisione cellulare.

Membrana nucleare

La membrana nucleare è formata da due membrane sovrapposte, una interna e una esterna, separate da uno spazio perinucleare. La membrana nucleare esterna è in continuità con il reticolo endoplasmatico. Tutta la membrana è costellata da pori nucleari che mettono in comunicazione nucleo e citoplasma. Questo poro è formato da una simmetria ottagonale a canestro formata da nuceoporine. Le molecole piccole lo attraversano facilmente, quelle più grandi hanno bisogno di trasportatori attivi ovvero ATP dipendenti. Durante la replicazione la membrana nucleare si smonta. All’interno del nucleo vi è un nucleolo, dove avviene la trascrizione e maturazione del rRNA e assemblaggio dei ribosomi. È formato da due zone, la componente fibrillare (DNA) e la componente granulare (RNA associato a proteine). La componente fibrillare è formata da zone altamente ripetute che determinano i domini cromosomici. Inoltre, il DNA è diviso in eucromatina ed eterocromatina.

Reticolo endoplasmatico

È un reticolo di tuboli e sacchi racchiusi da una membrana e formare delle strutture che ricordano delle strutture appiattite. È formato da due parti, il reticolo plasmatico liscio e quello rugoso (ricoperto da ribosomi). Il REL serve per la sintesi dei lipidi, mentre RER è legato alla sintesi delle proteine. Qui infatti avviene il ripiegamento delle proteine, la formazione di legami disolfuro fra le catene laterali dei residui di cisteine, grazie alla proteine disolfuro isomerasi. Inoltre, avviene la glicosilazione di tipo N dei residui di asparagina. Nel RE avviene la sintesi dei fosfolipidi di membrana, colesterolo e glicosfingolipidi che attraverso le flippasi vengono esposte sulla membrana esterna.

Apparato del Golgi

È formato da una serie di cisterne e formano vescicole che servono a trasportare le proteine sintetizzate nel reticolo plasmatico in tutta la cellula. Ha due facce: una cis (formazione) e una trans (maturazione), la parte in mezzo è detta regione mediale. Vi sono due tipologie di trasporto:

• Trasporto anterogrado (RER→Golgi→esterno)
• Trasporto retrogrado (esterno→Golgi→RER)

Nel Golgi avviene la glicosilazione in O e viene sintetizzata la sfingomielina.

Mitocondri

Sono gli organuli più importanti in quanto producono ATP attraverso la catena respiratoria e al loro interno avviene la sintesi di molte macromolecole. È formato da due membrane: una interna e una esterna con uno spazio intermenbranoso. Nella membrana interna sono situate tutti gli enzimi e le pompe protoniche. Il mitocondrio come il cloroplasto è dotato di un genoma circolare proprio che codifica per alcune proteine.

Perossisomi

Sono piccoli organuli racchiusi da membrane che contengono enzimi del metabolismo ossidativo che porta alla formazione di acqua ossigenata che attraverso la catalasi è convertita ad acqua e idrogeno. Inoltre, partecipano alla biosintesi del colesterolo e del dolicolo.

Lisosomi

Svolgono una funzione primaria nella fagocitosi, sono vescicole contenenti enzimi idrolitici in grado di aggredire e scindere le macromolecole attraverso un pH 4/5 mantenuto dalle innumerevoli pompe protoniche delle sua membrana.

Proteosoma

È un complesso multiproteico che serve per degradare le proteine a piccoli peptidi, sono strutture cilindriche cave a forma di barilotto. L’unità centrale è dotata di attività proteasica. Sono in grado di riconoscere l’ubiquitina che è legata alle proteine che devono essere degradate.

Ribosomi

Sono riboproteine, ovvero RNA legato a proteine che servono per la sintesi proteica, sono ancorate al reticolo endoplasmatico rugoso e sono formate da due subunità (60S e 40S negli eucarioti).

La membrana dei globuli rossi

Gli eritrociti sono gli elementi figurati del sangue più abbondanti, quando sono maturati, sono privi di organuli e nucleo per questo vivono circa 120 giorni. La membrana dei globuli rossi può essere ottenuta attraverso lisi in una soluzione ipotonica (emolisi). È formata da un doppio strato lipidico e da un sottostante citoscheletro proteico che determina funzionalità e forma a queste cellule. Attraverso lo studio con elettroforesi è possibile individuare 15 bande proteiche principali, le più importanti sono: la banda 3, actina, banda4.1, anchirina, spettrina beta e spettrina alfa e la glicoforina.

La banda 3 è una proteina trasmembrana formata da un dominio idrofobico formata da 14 passaggi trasmembrana che nella parte extracellulare legano oligosaccaridi responsabili dei gruppi sanguinei, mentre nella parte carbossi terminale nel lato citoplasmatico lega l’anidrasi carbonica un enzima indispensabile per il trasporto anionico di CO₂. Nel dominio idrofilico posto sul N terminale sempre nel lato citoplasmatico, si lega l’anchirina, la banda 4.2 e enzimi per la glicolisi come l’aldolasi. L’anchirina permette di connettere la banda 3 a tetramero di spettrina alfa-beta. La spettrina è un bastoncino flessibile lungo 100μm formato da un eterodimero di spettrina alfa e spettrina beta che si legano anti parallelamente e hanno dominio ripetuti di 106 aa. L’etrotetamero di spettrina si connette alla banda 4.1 attraverso il legame con actina che collega anche tutti i componenti citoscheletrici come tropomodulina, tropomiosina adducina p55 e banda 4.9. La banda 4.1 è analoga alla banda 3 tuttavia non funge da trasportatore anionico, ma connette la glicoforina c. Quest’ultima ha N terminale esposto nel lato extracellulare che serve per il trasporto di oligosaccaridi.

Come funziona il trasporto anionico?

Nei tessuti dove la concentrazione di CO₂ è elevata, essa tende ad entrare nella cellula, viene subito convertita a acido carbonico dalla anidrasi carbonica legata al c terminale della banda 3 che l’idrata. L’acido carbonico ossidato esce dalla cellula e resta in soluzione. Nei polmoni dove la concentrazione di CO₂ è bassa, farà in modo che il bicarbonato rientri nella cellula e sia riconvertito a CO₂ dalla anidrasi carbonica che la disidrata. Se l’actina non si lega possono insorgere malattie geniche monofattoriali come ellissocitosi o sforocitosi. Si può risalire al gene mutato facendo un test genetico. Ovvero si prende una cellula del sangue (o anche altre) si estrae il DNA e lo si sequenzia e poi lo si confronta con quello di un individuo sano. Un'altra malattia dovuta al mal funzionamento di una proteina del citoscheletro è anemia di Falconi dove vi è un fenomeno di acontocitosi con produzione di specie reattive del ossigeno (ROS) e la conseguente produzione di lesioni alle membrane.

Meccanismi di trasporto di membrana

Esistono tre meccanismi di trasporto attraverso la membrana: diffusione semplice, diffusione facilitata e trasporto attivo.

Diffusione semplice (passiva)

Piccole molecole apolari possono passare attraverso la diffusione secondo gradiente da una concentrazione più bassa a una più alta. Sfruttano questo principio piccole molecole idrofobiche come ossigeno, azoto, anidride carbonica, piccole molecole polari senza carica come acqua, glicerolo ed etanolo. Questo passaggio non richiede energia né proteine di membrana e funziona fino a quando non si raggiunge l’equilibrio. Questo è possibile perché la membrana plasmatica è semipermeabile e permette l’esistenza dell'osmosi. La soluzione fisiologica è 0.15 mol, se immergiamo una cellula in una soluzione ipertonica (concentrazione più elevata), l’acqua tenderà ad uscire e a far raggrinzire la cellula, invece se poniamo la cellula in una soluzione ipotonica (concentrazione più bassa) l’acqua tenderà ad entrare nella cellula e a farla scoppiare.

Diffusione facilitata

Vengono impiegate proteine canale che agevolano il passaggio di macromolecole di grosse dimensioni in base al peso e alla carica. Spesso sono delle permeasi semplici ATP indipendenti. Un esempio sono le permeasi GLUT1/GLUT4 formate da 12 pass con i due estremi nella porzione intracellulare e recettore esterno per il glucosio, modulato dall'insulina. O anche il trasportatore che usa il simporto (nella stessa parte) di sodio e glucosio. Il cotrasporto di ioni è molto usato nella diffusione facilitata e segue sia il gradiente elettronico che quello della concentrazione.

Trasporto attivo

Avviene il passaggio di macromolecole contro gradiente attraverso il dispendio di ATP. Usa canali ionici dette pompe protoniche che servono a mantenere il giusto pH nei vari compartimenti cellulari.

Pompa sodio potassio

È presente in quasi tutte le cellule, è formato da un canale ionico atp dipendente formato da un tetramero (2 alfa e 2 beta). Porta 6 ioni sodio fuori dalla cellula e 4 ioni potassio all’interno. Dipende dall’autofosforilazione dove il gruppo fosfato di una molecola di ATP viene ceduto al residuo dell'acido aspartico che apre il canale all’esterno rilasciando sodio e catturando potassio, a questo punto viene defosforilato e si richiude il canale verso l’interno liberando il potassio e catturando il sodio.

Pompa calcio

È presente nel reticolo sarcoplasmatico dei muscoli. Il calcio viene pompato fuori dove viene legato alla calmodulina che lo porta nelle vescicole del calcio, che viene nuovamente liberato ad un nuovo impulso di contrazione muscolare.

Famiglie trasportatori di ABC (ATP-binding cassette)

Hanno due domini conservati che legano ATP detti domini NBD, i quali rappresentano il motore dei trasportatori ABC, dal momento che questi favoriscono la traslocazione del substrato grazie al legame e l’idrolisi dell’ATP. Sono perciò ATPasi. Il core di un tipico trasportatore ABC è composto da due domini NBD e da due domini TMD. Ciascun domino TMD nella maggior parte dei casi possiede cinque o sei segmenti trans membrana (TMS) ad alfa-elica. Le proteine leganti il substrato (SBP) sono componenti accessori dei sistemi ABC di assorbimento, che si sono evolute per segnalare la disponibilità di substrato all’ATPasi, dopo il legame ai domini TMD del complesso SBP-substrato.

Mdr (multi drag resistant)

È una pompa scoperta dagli oncologi facente parte delle ABC, si forma quando i pazienti non rispondono più alla terapia. Essi portano all’esterno il farmaco, considerandolo nocivo, lo rigettano. Sono anche detti trasportatori detossificanti.

Polarità delle cellule

Le cellule epatiche sono dotate di polarità in modo che il trasporto avvenga solo in una direzione. Se questa polarità viene meno si hanno gastriti e ulcere gastriche in quanto si acidifica il sangue e l’acido cloridrico entra in funzione nelle cellule (gap junction).

Trasferimento delle proteine nelle membrane e negli organelli

Tutti gli mRNA codificati nel nucleo sono tradotti sui ribosomi citosolici. La sintesi delle proteine che mancano di una sequenza segnale per il RE è completata sui ribosomi liberi. Quelle proteine che non contengono sequenza segnale di indirizzamento sono rilasciate nel citosol dove rimangono (enzimi per glicolisi). Le proteine con una sequenza segnale d’indirizzamento specifico per un organello, inizialmente sono rilasciate nel citosol, ma successivamente vengono importate nei mitocondri, nei cloroplasti, nei perossisomi o nel nucleo.

Le proteine destinate ai mitocondri e ai cloroplasti passano di norma attraverso la membrana esterna ed interna per entrare, rispettivamente, nella matrice o nello stroma (citocromo c). Altre proteine sono indirizzate verso sub compartimenti di questi organelli attraverso tappe di smistamento supplementari. Le proteine nucleari entrano ed escono attraverso pori visibili presenti sull’involucro nucleare (DNA polimerasi, fattori trascrizionali, ecc.). I ribosomi che sintetizzano le proteine nascenti nella via secretoria, sono diretti verso il reticolo endoplasmatico rugoso da una sequenza segnale. Dopo che la traduzione si è completata nel reticolo endoplasmatico, queste proteine si possono spostare attraverso vescicole di trasporto al complesso di Golgi. Un ulteriore smistamento recapita le proteine alla membrana plasmatica (recettori, proteine trasportatrici, ecc.) e ai lisosomi (fagocitosi di batteri).

Vie d’importazione al nucleo

Le macromolecole che devono passare il poro nucleare hanno un motivo della sequenza segnale corto segmento ricco di residui di lisina e arginina. Oppure da due segnali basici di 5 aminoacidi separati da 10 aminoacidi carichi negativamente. Queste sequenze segnale vengono divise in due categorie: segnale di localizzazione nucleare (NLS) o NES segnale di esportazione nucleare. Queste proteine devono prendere contatto con il complesso del poro nucleare (NPC), formato da copie di 30 nucleoporine che formano una struttura esagonale a canestro direttamente in contatto con la lamina nucleare grazie alla presenza di filamenti intermedi di laminina. Per il trasporto al nucleo sono necessarie tre proteine: l’importina α, l’importina β e la ran. La ran è una proteina G monomerica legata in forma attiva al GTP e in forma inattiva al GDP. Le due importine formano un eterodimero dove l’importina α ha il ruolo di riconoscere la sequenza segnale NLS, mentre l’importina β si può legare al NPC attraverso una sequenza idrofobica con fenilalanina, glicina permettendo il passaggio.

Nel citoplasma l’importina si lega al suo...