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Biologia generale e cellulare Appunti scolastici Premium

Appunti del corso tenuto dalla professoressa e ricercatrice Elena Battaglioli. Gli argomenti trattati sono: caratteristiche degli esseri viventi e organizzazione biologica, molecole organiche (lipidi, carboidrati, proteine e acidi nucleici), DNA (struttura, cromatina e replicazione), processi di trascrizione, maturazione, traduzione delle proteine, struttura della cellula (nucleo, mitocondri, apparato... Vedi di più

Esame di Biologia generale e cellulare docente Prof. E. Battaglioli

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ESTRATTO DOCUMENTO

Il CROMOSOMA MITOTICO, composto da 2 cromatidi fratelli composti ciascuno da una sola

elica, è la forma più compatta assunta dal DNA.

Ogni cromosoma ha dimensioni molto eterogenee e il DNA del genoma umano aploide è suddiviso

in 23 cromosomi di cui 2 sessuali e 21 autosomici.

Durante la vita della cellula, i cromosomi, e quindi il DNA, assume stati più o meno compattati.

CROMATINA

Il DNA è organizzato in una struttura detta CROMATINA. Essa assume forme molto diverse nelle

varie fasi del ciclo cellulare.

DEF. Cromatina = complesso costituito dalla molecola del DNA,

da proteine istoniche, cioè piccole proteine basiche che formano

la struttura attorno alla quale si avvolge il DNA, e proteine non

istoniche, cioè le proteine che formano la struttura di supporto.

DEF. Nucleosoma = complesso composto da 8 proteine

istoniche e 147 paia di basi.

(Nell'immagine è chiamato “DNA a matassa su istoni”)

Tutti i livelli di organizzazione della cromatina hanno lo scopo di

accorciare e organizzare la molecola del DNA.

Nella struttura a “collana di perle”, è evidente come tra un

nucleosoma ed un altro ci sia dello spazio; questo tratto è detto

DNA DI CONNESSIONE ed è lungo circa 200 nucleotidi.

N.B. Le Dnasi sono enzimi in grado di rompere i legami

fosfodiesterici della molecola del DNA; se usati in certe

condizioni, posso recidere solo i legami del DNA nudo, cioè

quello di connessione. In questo modo è possibile isolare una

particella nucleosomica.

Questa particella può essere dissociata, con alte concentrazioni di sale, nelle sue componenti,

ovvero:

- un FILAMENTO DI DNA a doppia elica lungo 147 coppie nucleotidiche;

- un CORPO ISTONICO OTTAMETICO composto da 4 coppie di proteine globulari istoniche

(H2A, H2B, H3 e H4) che hanno una coda amino-terminale che protrude verso l'esterno.

I nucleosomi sono compattati insieme all'ISTONE H1 a formare una fibra di 30nm, cioè la

cromatina; essa può essere: - più rilassata → EUCROMATINA.

- più compatta →ETEROCROMATINA.

N.B. La forma più rilassata della cromatina,

permette la trascrizione del DNA, mentre la

forma più compatta viene assunta durante la

mitosi per ridurre il rischio di perdere

materiale genetico.

Dunque, ciascuna cellula avrà delle regioni di eucromatina e altre di eterocromatina, e sono proprio

le code amino-terminali delle proteine istoniche che permettono l'apertura o la chiusura della

cromatina.

Questo meccanismo è reso possibile grazie a dei particolari enzimi in grado di modificare,

aggiungendo o eliminando alcuni gruppi chimici, determinati aminoacidi delle code amino-

terminali, stabilendo così la possibilità di una regione di DNA di essere trascritta o no.

Ecco perché tutte le cellule di un organismo hanno lo stesso DNA, ma sono specializzate proprio

grazie a queste modificazioni che permettono una specifica espressione genica. In altre parole,

questo sistema è alla base della DIFFERENZIAZIONE CELLULARE.

Perciò è lecito parlare di GENI UBIQUITARI, espressi in ogni cellula, e GENI TESSUTO-

SPECIFICI, espressi solo in certe cellule. L'istone H1, invece, si inserisce nel punto di uscita

del DNA dal nucleosoma; rende più salda

l'interazione tra il DNA e l'ottetto istonico, però si

stacca facilmente.

DEF. Epigenetica = scienza che studia la possibilità

di immagazzinare informazioni al di sopra della

molecola del DNA.

N.B. L'epigenoma è ciò di diverso tra le varie cellule.

REPLICAZIONE

Modello di Watson e Crick:

i due filamenti della doppia elica parentale si srotolano generando

ciascuno un filamento figlio secondo le regole dell'appaiamento.

I due scienziati non dimostrarono mai questa loro TEORIA SEMI-

CONSERVATIVA; a farlo furono Meselson e Stahl nel 1958.

(Il loro esperimento sarà oggetto di esercitazione in aula.)

DEF. DNA polimerasi = enzima responsabile della sintesi del nuovo

filamento di DNA. Funziona in direzione 5'-3' e fondamentalmente lavora in due fasi:

1) sceglie il nucleotide trifosfato da legare a

seconda di quello presente sul filamento

parentale e li appaia;

2) forma il legame fosfodiesterico che sfrutta

l'energia di rottura di uno dei legami tra i

gruppi fosfati del nucleotide scelto.

N.B. Usa sempre nucleotidi trifosfati che poi,

dopo la formazione del legame, perdono due

gruppi fosfati e diventano monofosfati.

Negli eucarioti la duplicazione del DNA avviene a partire da punti diversi, in momenti diversi e

procede in entrambe le direzioni sulla lunghezza del filamento.

Si avrà dunque un filamento precoce e uno tardivo, ciò è determinato dalla diversa sequenza

nucleotidica presente e anche dallo stato (compatto o rilassato) della cromatina.

Le due bolle rappresentate in figura, si uniranno a formare il filamento di DNA completo.

Per ogni bolla, vi sono due forcelle di replicazione: una a destra e una a sinistra.

Si prenda ora in considerazione la forcella di destra, ricordando però che il processo avverrà in

modo speculare anche a sinistra.

Approfondimento replicazione cromosoma

batterico

Il DNA batterico è circolare, quindi non esistono

estremità libere e la duplicazione avviene a

partire da un punto preciso, detto origine di

duplicazione, con caratteristiche particolari. Il

processo di replicazione procede in entrambi in

sensi dell'anello batterico, quindi è molto veloce. Filamento anticipato: sintesi

continua in direzione 5'-3'.

Frammenti di Okazaki: sintesi

discontinua in direzione 5'-3'.

PROTEINE COINVOLTE:

1) DNA polimerasi (per definizione vedi prima).

2) Topoisomerasi:

enzima che taglia uno dei due filamenti del DNA (o entrambi) in modo da allentare la tensione

causata dal superavvolgimento a valle della forcella di duplicazione.

Esso rompe un legame fosfodiesterico e lo riunisce dall'altra parte.

3) SSBP (Single-strand binding protein):

proteina che si lega ai singoli filamenti di DNA, stabilizzandoli in attesa che siano duplicati.

Impedisce dunque alla doppia elica di riunirsi.

4) DNA elicasi:

enzima che si inserisce tra i due filamenti, divarica i legami idrogeno e apre la doppia elica; subito

dopo intervengono le SSBP.

5) Proteine iniziatrici:

sono in grado, in particolari momenti del ciclo cellulare, di riconoscere le sequenze nucleotidiche

che sono caratteristiche dell'origine di duplicazione e di innescare il meccanismo richiamando altre

proteine.

N.B. Vi è una interazione tra proteine e acidi nucleici e poi tra proteine e proteine.

6) Primasi:

enzima con il compito di formare un innesco di RNA, lungo circa 20 ribonucleotidi, che darà inizio

al processo di duplicazione vero e proprio compiuto dalla DNA polimerasi III.

Tale frammento di RNA verrà poi sostituito dalla DNA polimerasi I.

7) DNA ligasi:

enzima in grado di legare tra loro due frammenti di Okazaki adiacenti.

Dopo che le proteine iniziatrici hanno richiamato tutte le altre proteine necessarie, la duplicazione

vera e propria ha inizio con l'enzima elicasi, che apre la doppia elica di DNA, e con il successivo

intervento delle SSBP che stabilizzano la bolla di replicazione appena formata.

A questo punto, entrano in gioco le primasi che formano gli inneschi di RNA necessari per far si che

la DNA polimerasi III possa iniziare con il processo di allungamento del filamento nuovo.

Quindi si avrà il filamento anticipato, sintetizzato in modo continuo, e il filamento tardivo.

Quest'ultimo utilizza le medesime proteine di quello anticipato, però con frequenza diversa. Infatti,

sia la primasi che la DNA polimerasi possono intervenire sul filamento tardivo solo quando vi è un

filamento singolo di DNA sufficientemente lungo (almeno un centinaio di nucleotidi), mentre su

quello anticipato sono sufficienti 2-3 nucleotidi spaiati.

Proprio per questo motivo, un filamento è più lento dell'altro.

Durante tutto il processo di duplicazione, lavorano le topoisomerasi per impedire il

superavvolgimento della doppia elica di DNA non ancora duplicata.

Alla fine del processo, i vari frammenti di Okazaki sono ancora separati e hanno tutti un innesco di

RNA, Dunque intervengono le DNA polimerasi I che

rimuovono i ribonucleotidi e li sostituiscono con

desossiribonucleotidi. I vari frammenti di Okazaki sono poi

uniti grazie all'intervento della DNA ligasi.

L'ultima reazione che avviene, è la rimozione dell'innesco

di RNA all'inizio del filamento anticipato. Questo piccolo

frammento, però, non è sostituito ed è molto instabile,

quindi si perde e l'estremità si trova così un po' accorciata.

Ma a furia di accorciarsi, perché non abbiamo dei “mini-

cromosomi”? E perché le generazioni successive ricevono

un corredo cromosomico completo?

Le risposte arrivarono con la scoperta dei TELOMERI.

Le cellule somatiche del nostro organismo, infatti, hanno le estremità cromosomiche (chiamate

appunto telomeri) che si accorciano dopo ogni replicazione determinando l'invecchiamento di una

cellula, mentre a livello della linea germinale è presente l'enzima TELOMERASI che è in grado di

riallungare in modo corretto le estremità che si sono perse con la replicazione.

COME?

In fondo ai telomeri, vi sono delle sequenze ripetute più volte in modo identico, quindi, anche se

vengono perse, non codificano o comunque, pur ipotizzando che lo facciano, sarebbero ripetute. A

livello di queste sequenze ripetute, interviene la telomerasi, un enzima tessuto-specifico (presente in

molti tumori), che al suo interno ha un piccolo frammento di RNA, costituito da nucleotidi

complementari a quelli presenti all'estremità del cromosoma.

L'enzima, allora, utilizza il suo RNA per allungare la parte del filamento che protrudeva; in questo

modo, permette la sintesi di un nuovo frammento di Okazaki che, una volta unito al resto del

filamento, ripristina la porzione che era mancante e preserva la lunghezza del cromosoma.

Approfondimento DNA polimerasi Bisogna specificare che, nonostante un errore e, perciò, va in direzione

Le DNA polimerasi sono 5, tutte la sua attività esonucleasica, è 3'-5'.

con la stessa capacità di aggiungere comunque in grado di aggiungere Un errore nelle basi nucleotidiche

nucleotidi in direzione 5'-3'. desossiribonucleotidi, solo con può portare a gravi mutazioni.

La differenza tra esse è meno efficienza di una DNA Se l'errore è esteso ad una porzione

nell'efficienza con cui svolgono polimerasi III. nel filamento, la cellula può

alcune funzioni, per esempio la più Entrambe questi enzimi riconoscerla, rimuoverla e

efficiente ad allungare una catena di intervengono nella replicazione. ripolimerizzare quel tratto grazie

nucleotidi è la DNA polimerasi III La DNA polimerasi III ha attività alla DNA polimerasi II, IV e V.

(velocità di circa 250-1000 esonucleasica, però in direzione 3'-

nucleotidi/s). 5': interviene nei casi di errori nella N.B. Danni eccessivi possono non

La DNA polimerasi I, invece, ha sequenza nucleotidica catalizzando essere riparabili.

alta ATTIVITÀ ESONUCLEASICA il distacco della base errata (può

in direzione 5'-3', cioè è in grado di essere introdotta circa ogni 10-100

rimuovere i frammenti di RNA milioni di nucleotidi). In altre

iniziali dei frammenti di Okazaki. parole, “torna indietro” a correggere

TRASCRIZIONE

Processo per cui alcune porzioni del genoma vengono trascritte in

Ricorda molecole di RNA.

Fasi della trascrizione:

- legame Non tutti i geni vengono espressi in tutte le cellule: ci sono geni, detti

- inizio ubiquitari, espressi in ogni cellula, e ci sono geni tessuto-specifici,

- allungamento (direzione sviluppo-specifici o espressi in risposta a stimoli esterni. Tutto

5'-3') dipende dallo stato della cromatina.

- terminazione RNA

La molecola fondamentale è l'RNA. Essa si può ripiegare in strutture Ricorda

specifiche grazie ad appaiamenti convenzionali e “non convenzionali” di RNA:

basi azotate. Queste permettono alla molecola di strutturarsi - composto da ribosio (zucchero

tridimensionalmente a seconda della sua sequenza nucleotidica. pentoso);

Tutto ciò è finalizzato ad arrivare al più alto grado di STABILITÀ - ha l'uracile al posto della

possibile. timina;

- la maggior parte è a singolo

Un batterio contiene circa 0.05-0.10 pg di RNA, equivalenti circa al 6% filamento.

del peso totale.

Una cellula di mammifero contiene circa 20-30 pg di RNA, cioè circa

l'1% del peso totale.

N.B. Il contenuto di RNA cambia a seconda dello stato metabolico della cellula stessa. Ad esempio,

se la cellula si sta duplicando, allora aumenta la quantità di RNA presente.

RNA TOTALE RNA NON

RNA CODIFICANTE: CODIFICANTE:

- 4% - 96%

- PRE-mRNA (*) - PRE-tRNA

- mRNA maturo - tRNA

- classe di RNA più - PRE-rRNA

eterogenera - rRNA.

- snoRNA (*)

- scRNA (*)

-snRNA (*)

- tmRNA e altri

(*)= solo gli eucarioti RNA Funzione

mRNA RNA messaggeri, codificano per proteine

tRNA RNA transfer., centrali nella sintesi proteica

come adattatori tra mRNA e amminoacidi

rRNA RNA ribosomiali, formano la struttura base deu

ribosomi e catalizzano la sintesi proteica

snRNA Piccoli RNA nucleari, agiscono in una varietà di

processi nucleari, compreso lo splicing dei PRE-

mRNA

snoRNA Piccoli RNA nucleolari, usati per processare e

modificare chimicamente gli rRNA

Altri RNA non codificanti Agiscono in diversi processi cellulari, compresi

la sintesi dei telomeri, inattivazione del

cromosoma X e trasporto di proteine nel RE

DEF. Trascrittoma =componente specifica dell'RNA che viene continuamente rinnovata attraverso

il cambiamento del profilo di trascrizione del genoma.

N.B. Gli mRNA hanno vita breve e vengono degradati poco tempo dopo la loro sintesi (crica 1 ora

dopo negli eucarioti e pochi minuti dopo nei batteri).

GENE

DEF. Gene = intera sequenza di DNA che contiene tutte le informazioni necessarie per la corretta

espressione di una proteina, di un tRNA o di un rRNA.

Ogni gene contiene informazioni riguardo cosa deve essere trascritto, in quale quantità , con quale

velocità e a da dove a dove deve essere trascritto.

N.B. I geni eucarioti possono avere al loro interno delle porzioni di DNA non codificanti, chiamate

introni; esse vengono trascritte, ma non tradotte.

Ogni introne si trova SEMPRE tra due esoni.

Come mostrato dall'immagine, nel gene vi sono:

- regione del PROMOTORE, sequenza di DNA situata a monte del gene e alla quale si lega l'RNA

polimerasi per iniziare la trascrizione. Contiene informazioni che determinano quale dei due

filamenti di DNA deve essere trascritto e il sito da cui iniziare il processo.

- NUCLEOTIDE +1, è il primo nucleotide del gene ad essere trascritto.

- regione del TERMINATORE, sequenza di regolazione, localizzata all'estremità distale di un gene,

che segnala la fine della trascrizione.

- ESONI, porzioni di DNA codificanti.

- INTRONI, porzioni di DNA non codificanti.

PROCESSO

Per il corretto svolgimento della trascrizione, ci vogliono essenzialmente 3 elementi:

il sito promotore, il sito terminatore e la RNA polimerasi.

Per iniziare il processo, è necessario che la doppia elica di DNA si apra ed esponga le sue basi

azotate, in modo tale che possano essere trascritte (lette e appaiate alle basi complementari) dalla

RNA polimerasi che così può procedere a sintetizzare il filamento di PRE-mRNA.

La sintesi avviene in direzione 5'-3' e il filamento stampo utilizzato è quello in direzione

antiparallela, cioè il 3'-5'.

Per identificare più agevolmente il filamento trascritto, si fa una distinzione:

- FILAMENTO SENSO: filamento di DNA (5'-3') identico al filamento di RNA sintetizzato.

-FILAMENTO ANTISENSO: filamento di DNA (3'-5') complementare al filamento di RNA

sintetizzato.

La RNA polimerasi è in grado di:

1) Capire quando iniziare (e in che direzione) e quand terminare la trascrizione di un gene.

2) Divaricare la doppia elica rompendo alcuni legami idrogeno che, successivamente, si

riformeranno spontaneamente appena il complesso enzimatico si allontana.

3) Sintetizzare il filamento di mRNA primario, scegliendo i corretti nucleotidi trifosfati in base al

filamento stampo di DNA e poi formando tra loro legami fosfodiesterici utilizzando l'energia

derivata dalla lisi del legame tra 2 gruppi fosfati del ribonucleotide.

4) Spostarsi sull'elica di DNA per permettere la chiusura della porzione già trascritta e l'apertura

della porzione ancora da trascrivere. In questo modo, solo un piccolo tratto di DNA resta a singolo

filamento per un breve lasso di tempo e non è necessario l'intervento di proteine, come le SSBP, che

stabilizzino l'elica aperta.

5) Iniziare la trascrizione senza bisogno di altri enzimi, come la primasi nel caso della duplicazione.

L'immagine sopra riportata permette una chiara comprensione del processo di trascrizione e del

ruolo fondamentale svolto dalla RNA polimerasi.

Approfondimento RNA polimerasi

Nei PROCARIOTI una sola RNA polimerasi trascrive mRNA, tRNA e rRNA.

Negli EUCARIORI, invece, vi sono 3 tipi di RNA polimerasi.

- RNA polimerasi I: trascrive la maggior parte dei tipi di rRNA (rRNA 28S, 18S e 5.8s).

- RNA polimerasi II: trascrive mRNA e snRNA (la maggior parte).

- RNA polimerasi III: trascrive tRNA, piccoli mRNA (mRNA 5S), snRNA e scRNA.

È importante specificare che l'aggancio della RNA polimerasi al sito promotore, non avviene

casualmente.

Vi sono delle proteine, tra cui la prima è la TFIID, che hanno la funzione di “leggere” le sequenze

nucleotidiche e, in corrispondenza di un punto particolare all'interno del promotore, ad esempio il

TATA BOX, si agganciano.

A mano a mano che si agganciano, richiamano altre proteine e altri fattori.

Quando tutti i fattori sono presenti sul promotore, formano un COMPLESSO DI INIZIO in grado di

reclutare la RNA polimerasi che può legarsi al sito promotore e iniziare la trascrizione.

MATURAZIONE Ricorda

La maturazione di un mRNA

CONFRONTO PROCARIORI-EUCARIOTI consiste in 3 fasi:

Nei procarioti, quando l'mRNA è prodotto, viene - CAPPING

immediatamente legato ai ribosomi che iniziano la sintesi della - SPLICING

proteina. Quindi i processi di trascrizione di traduzione - POLIADENILAZIONE

avvengono contemporaneamente.

Negli eucarioti, invece, trascrizione e maturazione avvengono nel

NUCLEO, solo successivamente l'mRNA maturo verrà trasportato nel citosol per essere tradotto.

Prima di affrontare la maturazione, bisogna specificare che le porzioni iniziali e terminali

dell'mRNA maturo si chiamano 5'UTR e 3'UTR (= untranslated regions) e sono sequenze che non

verranno tradotte. Questo è per permettere al ribosoma un corretto reclutamento e per dare

maggiore stabilità all'mRNA. CAPPING

Al 5'UTR libero viene aggiunto un “cappuccio” per

essere più stabile e per evitare di essere degradato prima

del tempo da rnasi o nucleasi.

Tale cappuccio è costituito da 7-metilguanosina e si lega

al nucleotide dell'RNA grazie ad un PONTE

TRIFOSFATO 5'-5'.

N.B. È proprio la particolarità di questo legame che

impedisce la degradazione precoce dell'mRNA.

SPLICING

Processo per il quale si ha la rimozione degli introni e la fusione tra esoni contigui.

Lo splicing avviene grazie allo SPLICEOSOMA,

un groppo complesso enzimatico costituito da più

di 150 proteine e sRNA.

L'enzima ha il compito di rimuovere gli introni

(molto più lunghi degli esoni) e unire tra loro gli

esoni.

Il processo di splicing, permette di generare da un

unico trascritto, proteine diverse. Questo grazie

alla presenza degli introni che possono essere

rimossi da soli o con ancora un esone affianco.

Per questo motivo, si parla anche di SPLICING

ALTERNATIVO. POLIADENILAZIONE

Aggiunta di una “coda” di Poli(A) all'estremità del 3'UTR dell'mRNA.

La sequenza consensus AAUAAA è detta di segnale di poliadenilazione.

L'intero processo è catalizzato dall'enzima POLI(A) POLIMERASI che sfrutta la lisi tra i legami

fosfati dei ribonucleotidi ATP per ricavare energia.

Questa coda di adenina ha il compito di proteggere l'mRNA e favorisce l'esportazione dal nucleo.

CONCLUSIONE

Una volta maturo, l'mRNA può uscire dal nucleo attraverso i PORI NUCLEARI, per arrivare al

citosol ed essere tradotto dai ribosomi. TRADUZIONE

CODICE GENETICO

Bisogna effettuare un passaggio da un codice a 4 lettere (ATCG) ad un

codice a 20 lettere (amminoacidi). Ricorda

Il codice genetico è:

Per codificare un amminoacido, servono 3 nucleotidi, cioè il numero - a triplette

minimo di nucleotidi per poter comprendere tutti e 20 gli amminoacidi. - universale

Infatti, se ne servisse solo uno, vi sarebbero solo 4 possibilità; se ne - ridondante

2

servissero 2, vi sarebbero 4 = 16 possibilità, anch'esse non sufficienti a (degenerato)

codificare per tutti gli amminoacidi. - lineare

3

Utilizzando triplette di nucleotidi, invece, si ottengono 4 = 64 possibilità

diverse.

Dato che gli amminoacidi sono 20 e le possibili combinazioni sono 64, allora vi saranno alcuni

amminoacidi codificati da più di una tripletta. => RIDONDANTE

Ad esempio la leucina è codificata da 6 triplette, mentre la metionina solo da una.

Bisogna specificare, però, che delle 64 triplette di nucleotidi, solo 61 sono effettivamente

codificanti: le rimanenti 3 sono i CODONI DI STOP, ovvero particolari sequenze che indicano la

fine della traduzione.

Anche se un amminoacido può essere codificato da più triplette, ad ogni tripletta corrisponde uno e

un solo amminoacido. => UNIVOCO

Spesso i codoni che codificano per lo stesso amminoacido, variano solo per l'ultimo nucleotide,

questo facilita la traduzione e rende i primi due nucleotidi più sensibili a mutazioni.

La griglia di lettura (o reading frame) determina qual è il modulo di lettura corretto dell'mRNA.

Il RIBOSOMA svolge proprio questa funzione, ovvero trova sul filamento di mRNA il CODON DI

START da cui iniziare la traduzione.

In conclusione, è importante notare come il codice genetico sia degenerato a triplette non

sovrapposte, cioè ogni nucleotide viene letto una volta sola nella sua particolare tripletta.

tRNA

Ha la funzione di decodificare le triplette nucleotidiche dell'mRNA associando ad ognuna il

rispettivo amminoacido.

Inizialmente i tRNA sono lineari, ma, grazie alle interazioni tra basi complementari, assume una

tipica struttura tridimensionale a forma di quadrifoglio che gli permette di ottenere maggiore

stabilità. Tale struttura ha:

- regioni a doppia elica, formate grazie a legami idrogeno tra basi azotate.

- 3 loop, ovvero regioni di tRNA a singolo filamento.

Uno di questi loop è l'ANTICODON LOOP con basi libere che serviranno a riconoscere la tripletta

sull'mRNA che codifica per l'amminoacido trasportato dal tRNA carico.

L'amminoacido si lega al tRNA corrispondente tramite un LEGAME ESTERICO che si forma tra il

gruppo carbossilico del primo e il gruppo -OH del carbonio 3' del tRNA.

L'amminoacido associato all'RNA di trasporto è quello che verrà codificato dalla tripletta

complementare all'anticodone del tRNA stesso.

Questa associazione aa-tRNA avviene grazie ad un enzima che attiva gli amminoacidi legandoli al

tRNA, detto AMINOACIL-tRNA SINTETASI.

Tale enzima possiede: un sito per l'amminoacido, un sito per l'ATP e un sito per il tRNA.

Inizialmente l'aminoacil-tRNA sintetasi si lega ad un amminoacido specifico e con una molecola di

ATP. Successivamente, con la lisi

dei legami altamente energetici tra i

gruppi fosfati dell'ATP, l'enzima

attiva l'amminoacido che è in grado

di richiamare il tRNA specifico per

lui.

Infine, forma un legame esterico e

libera il tRNA carico.

Ognuna delle 20 aminoacil-tRNA

sintetasi può legare più tRNA

recanti anticodoni diversi, ma

codificanti per lo stesso

amminoacido.

N.B. Esistono 20 aminoacil-tRNA

sintetasi diversi.

VACILLAMENTO APPAIAMENTO CODONE-ANTICODONE

I primi due nucleotidi di una tripletta devono avere un appaiamento univoco, sono “obbligati” a

rispettare la ferrea regola dell'appaiamento delle basi.

L'UNICA eccezione a questa regola può avvenire SOLO a livello dell'appaiamento tra il nucleotide

a

della 3 posizione del codone con il primo dell'anticodone.

Infatti, uno stesso anticodone può riconoscere più di un codone che specifica uno stesso

amminoacido.

Ad esempio, l'anticodone AAU riconosce sia il codone UUA che il codone UUG, entrambi

codificanti per la leucina.

Basi codone Basi anticodone

U A

G C

A o G U

C o U G

U, C o A I (inosina)

RIBOSOMI

I ribosomi eucariotici sono strutturalmente simili a quelli procariotici, ovvero sono entrambi formati

da una sub-unità maggiore e da una sub-unità minore.

La differenza sta nella composizione di tali sub-unità:

Sub-unità Sub-unità minore Numero proteine Numero geni

maggiore

Ribosoma 5S + 23S 16S 34 (L1-L34) 3

procariotico 21 (S1-S21)

(70S)

Ribosoma 5S + 28S + 5.8S 18S 49 (S. mag) 4

eucariotico (80S) 33 (S. min)

Un ribosoma è costituito da rRNA e proteine ribosomiali,

assemblati a formare la struttura finale nel NUCLEOLO.

Approfondimento “S”

S = coefficiente di sedimentazione di Svedberg. E' un numero adimensionale che misura il

rapporto tra la velocità di sedimentazione idi un corpo ideale (sfera) e quella del corpo in esame,

a parità di condizione di riferimento.

La somma dei coefficienti di ciascuna sub-unità ribosomiale è maggiore del coefficiente effettivo

del ribosoma assemblato, infatti: 30S + 50S > 80S.

Perché?

Ciò accade perché unendo le due sub-unità ribosomiali si riduce la superficie esposta, quindi il

complesso ha ingombro sterico minore. Perciò la velocità del ribosoma assemblato è maggiore

della somma delle due parti, di conseguenza il coefficiente è minore.

N.B. Solo quando è presente l'mRNA da tradurre, le due sub-unità del ribosoma si associano. Per il

resto del tempo sono libere.

La sub-unità maggiore presenta 3 siti:

Sito A per il tRNA carico

– Sito P per la formazione del legame peptidico

– Sito E per l'uscita del tRNA libero

La sub-unità minore del ribosoma lega il filamento di mRNA da tradurre.

La sub-unità maggiore, invece, ha il compito di far entrare il tRNA carico, permettere la formazione

del legame peptidico e l'uscita del tRNA libero.

Le due sub-unità si assembleranno solo dopo che il primo tRNA si è legato al codone di inizio.

INIZIO

La sub-unità minore del ribosoma

si lega al sito di riconoscimento

dell'mRNA e scorre fino a trovare

la prima tripletta da cui far partire

la sintesi proteica.

(In questo momento si stabilisce il

frame di lettura.)

Successivamente il tRNA caricato

con la metionina si lega al codone

di inizio AUG, completando la

formazione del COMPLESSO DI

INIZIO.

La sub-unità ribosomiale

maggiore, a questo punto, si

unisce al complesso di inizio, in

modo tale che il tRNA portante la

metionina occupi il SITO P. ALLUNGAMENTO

L'anticodone di un tRNA, portante un secondo

amminoacido, si lega al rispettivo codone nel SITO A.

Si forma ora un legame peptidico tra il gruppo

carbossilico dell'amminoacido del tRNA nel sito P (che

quindi perde il suo aa) e il gruppo amminico

dell'amminoacido del tRNA nel sito A.

Subito dopo, dal sito P si stacca il tRNA libero, che ha

appena “ceduto” il proprio amminoacido al tRNA nel

sito A, ed esce dal SITO E.

Intanto il ribosoma si sposta di un codone lungo

l'mRNA e il peptide in via di formazione si sposta sul

sito P. Così facendo, il sito A espone la tripletta da tradurre e il processo prosegue fino al

raggiungimento del codone di STOP.

N.B. L'allungamento è mediato da fattori di allungamento (EF = elongation factors), quali EFT e

EFG, che non sono altro che proteine che collaborano alla traduzione idrolizzando i legami fosfati

della GTP e quindi producendo l'energia necessaria al ribosoma per muoversi lungo il filamento di

mRNA. TERMINE

Il ribosoma ricopre una delle 3 possibili

triplette di STOP.

Il sito A rimane dunque esposto e non

interagisce con nessun tRNA carico.

A questo punto interviene il FATTORE DI

LIBERAZIONE che si lega al sito A,

determinando non solo il distacco del tRNA

dal sito P, ma anche il distacco della proteina

neo-sintetizzata e la separazione delle due sub-

unità ribosomiali.

N.B. Intervengono fattori di rilascio (RF =

releasing factors), quali RF1, RF2 e RF3. CONCLUSIONI

Finché è presente, il filamento di mRNA continuerà ad essere tradotto, molto spesso anche da più

ribosomi contemporaneamente.

Nel momento stesso in cui una proteina è sintetizzata, inizia già ad assumere una certa struttura

tridimensionale, che non è detto sia quella corretta.

Alcuni antibiotici inibiscono il processo di traduzione solo nei batteri, agendo sul loro tipo di

ribosoma e non sul tipo eucariotico.

STRUTTURA DELLA CELLULA

TEORIA CELLULARE

1) Tutti gli esseri viventi sono costituiti da cellule.

2) Le cellule sono le unità funzionali.

3) Le cellule si originano per divisione di cellule pre-esistenti.

Le cellule si dividono in PROCARIOTICHE ed EUCARIOTICHE (animali o vegetali).

Gli organismi si dicono in MONOCELLULARI e PLURICELLULARI.

Un esempio di organismo monocellulare eucariotico è il saccaromyces cerevisiae.

Le cellule vegetali sono le più grandi (20x30μm), seguite da quella animali (20μm) e infine le più

piccole sono quelle batteriche (1x2μm).

Una cellula molto grande, però, ha un rapporto superficie-volume poco vantaggioso (molto basso)

rispetto ad una piccola cellula con un rapporto molto alto.

L'entrata e l'uscita delle molecole dalla membrana della cellula grande ha, quindi, a disposizione

una superficie minore.

Il “problema” è risolto grazie alla COMPARTIMENTAZIONE del grande interno della cellula che

può dunque avere elevate concentrazioni di determinate molecole in spazi specializzati.

I vari organelli svolgono funzioni diverse perché dentro ciascuno ci sono specifiche proteine che lo

permettono.

I principali componenti di una cellula sono:

1) membrana

2) nucleo

3) organelli (reticolo endoplasmatico liscio e rugoso, apparato di golgi, lisosomi, perossisomi e

mitocondri) NUCLEO

Ha funzione di separare il DNA dal citosol e di separare i processi di trascrizione e traduzione. Nei

procarioti, infatti, privi di nucleo, la traduzione dell’mRNA avviene contemporaneamente alla sua

trascrizione, mentre negli eucarioti deve avvenire la maturazione dell’mRNA.

Il nucleo è caratterizzato dalla presenza di una membrana esterne, una membrana interna, dei pori

nucleari e un nucleolo.

Non viene considerato un organello per il tipo di

membrana che lo delimita.

Tutti gli altri organelli, infatti, hanno una

membrana cellulare continua, mentre la

membrana nucleare presenta delle discontinuità

(i pori nucleari).

Involucro nucleare

Parte della membrana del reticolo endoplasmatico rugoso si estroflette e crea una sorta di involucro

appiattito che delimita una porzione della membrana nucleare stessa. La medesima operazione si

ripete fino a formare tutta la membrana esterne che, a sua volta, risulta essere in continuità con

quella interna.

Si hanno dei punti di discontinuità, detti PORI NUCLEARI, in cui la membrana esterna si ripiega e

dà origine a quella interna.

Il nucleo, dunque, si trova delimitato da 2 membrane in continuità tra loro e in continuità con il

reticolo endoplasmatico rugoso.

N.B. I ribosomi sono associati sia al reticolo endoplasmatico rugoso, che alla membrana nucleare

esterna.

Tutta la struttura nucleare mantiene la sua forma e la sua rigidità grazie alla LAMINA

NUCLEARE, ovvero un insieme di proteine citoscheletriche associate alla membrana interna del

nucleo.

N.B. Le lamine nucleari aiutano la cromatina (presente all’interno del nucleo) a mantenere il suo

stato di organizzazione e di compatezza,

Nucleolo

Zona del nucleo in cui sono concentrati tutti i geni che codificano per gli rRNA e in cui avviene la

loro trascrizione grazie alla RNA polimerasi I.

Le proteine ribosomiali, dopo essere state sintetizzate nel citosol, vengono trasportate nel nucleo

attraverso i pori nucleari e da qui sono condotte nel nucleolo per associarsi ai vari rRNA per

formare le de sub-unità del ribosoma.

Una volta assemblate, le due sub-unità sono trasportate all’esterno del nucleo.

Spazio perinucleolare

Spazio tra membrana esterna e membrana interna del nucleo, in continuità con il lume del reticolo

endoplasmatico rugoso.

Pori nucleari

Una cellula ne può avere 3000-4000, tutti con le stesse

dimensioni (0,25μm) e con la stessa struttura.

Per tenere aperti i pori, intervengono una serie di

PROTEINE (più di 100 tipi diversi) di diametro di circa

9 nm e di struttura a ruota con simmetria ottagonale.

Per far si che ci sia interazione tra le proteine e la

membrana nucleare, devono esserci delle proteine in

grado di interagire sia con la membrana che con altre

proteine.

Sono le PROTEINE DI ANCORAGGIO che, infatti, hanno una porzione idrofoba per stare dentro

la membrana fosfolipidica, dentro lo spazio perinucleolare, e una porzione in grado di entrare in

contatto con altre proteine e permette loro di restare ferme nel punto corretto.

N.B. Le proteine di ancoraggio sono proteine cis-trans membrana.

Import ed export dal nucleolo

I pori nucleari servono per regolare l'entrata e l'uscita di diverse molecole.

Ad esempio:

Escono: rRNA, tRNA, mRNA e sub-unità ribosomiali (circa 2000 sub-unità al minuto totali).

Entrano: proteine ribosomiali, enzimi per la trascrizione, proteine istoniche (circa 100 istoni al

minuto per poro) e altre proteine.

RETICOLO ENDOPLASMATICO

Il reticolo endoplasmatico (RE) può essere di due tipi: rugoso (se è

associato a ribosomi in traduzione) o liscio.

I due reticoli, in continuità tra loro, svolgono funzioni diverse e hanno

strutture diverse. Sono uguali in ogni loro parte, cioè ogni porzione di

RE (di uno dei due tipi) svolge la medesima funzione di un'altra

porzione del medesimo tipo.

RER REL

Funzioni - Sintesi di proteine - Sintesi dei lipidi.

secretorie, cioè che - Metabolismo dei

devono andare in carboidrati.

ambiene - Immagazzinamento di ioni

2+

extracellulare. Ca (soprattutto il reticolo

- Sintesi di proteine di sarcoplasmatico del

membrana. muscolo).

- Detossificazione

(soprattutto il REL delle

cellule epatiche)

Struttura Grosse sacche Tubulare

appiattite in continuità

con la membrana

nucleare. APPARATO DI GOLGI

È presente in tutte le cellule animali e vegetali.

È sempre posizionato molto vicino al nucleo e ha una struttura di cisterne appiattite con vescicole

intorno.

È un centro di raccolta, maturazione e smistamento di proteine che arrivano dal reticolo

endoplasmatico rugoso.

Ha una POLARITÀ FUNZIONALE, ovvero le sue porzioni non svolgono le stesse funzioni, bensì

si possono distinguere tre regioni diverse: 1) CIS-GOLGI

2) MEDIAL-GOLGI

3) TRANS-GOLGI

Ogni regione contiene un diverso set di enzimi che compartecipano alla modifica SEQUENZIALE

della proteina (o del glicolipide o della glicoproteina) che può essere, ad esempio:

- glicosidata

- acetilata

- deamminificata

- decarbossilata

- solfata

Il passaggio di una proteina dal reticolo

endoplasmatico rugoso all'apparato di Golgi, avviene

grazie a delle VESCICOLE:

1) Per protrusione della membrana del RER, si

formano delle vescicole contenenti le proteine da

trasportare all'apparato di Golgi, in particolare alla

regione del cis-Golgi.

2) La vescicola si fonde con il cis-Golgi ed entra in contatto con il Lume del Golgi dove inizierà la

sua sequenziale maturazione atta dagli enzimi specifici di ogni regione.

3) La proteina in via di maturazione si sposta da una cisterna dell'apparato all'altra, fino ad arrivare

alla regione del trans-Golgi.

4) Alla fine, grazie alla gemmazione di vescicole dalla membrana del trans-Golgi, la proteina uscirà

dall'apparato e verrà portata alla sua destinazione finale che può essere cellulare o extra-cellulare.

N.B. Grazie a particolari reazioni anticorpali è possibile stabilire la presenza o meno di vari enzimi

in determinati compartimenti cellulari. In questo modo si è potuta stabilire la presenza di enzimi

diversi per ciascuna regione dell'apparato di Golgi.

LISOSOMI

Sono tra gli ultimi organelli che sono stati identificati.

Sono vescicole ricche di enzimi idrolitici (IDROLASI

ACIDE) attivi a pH acido (intorno a 5), ottenuto grazie a

POMPE PROTONICHE disposte sulla membrana del

lisosoma stesso che impedisce anche la fuoriuscita di enzimi

litici nel citoplasma.

I lisosomi possono essere PROTEASI, GLICOSIDASI,

LIPASI, PEPTIDASI o NUCLEASI a seconda del tipo di

molecola che degradano.

Il processo di degradazione, inoltre, può avvenire per:

1) FAGOCITOSI, quindi per difesa (ad esempio quando

entrano virus o batteri).

2) ENDOCITOSI, quindi per nutrimento (ad esempio quando

degradano zuccheri).

3) AUTOFAGIA, quindi per rinnovamento cellulare (ad

esempio degradano alcuni organelli che devono essere sostituiti da altri più “giovani”).

Si definisce LISOSOMA PRIMARIO un lisosoma in stato di quiete, mentre LISOSOMA

SECONDARIO quando il lisosoma sta degradando un corpo, che può essere un batterio, una

macromolecola o un organello. PEROSSISOMI

Servono a localizzare in particolari regioni sub-cellulari delle particolari funzioni associate a

particolari enzimi.

Sono limitati da una sola membrana.

Nei perossisomi avvengono molte delle reazioni chimiche che producono H O , catalizzate da

2 2

enzimi chiamati PEROSSIDASI.

I perossisomi sono organelli particolarmente importanti per la degradazione degli acidi grassi e per

la detossificazione.

Dato che l’acqua ossigenata è altamente tossica, viene si prodotta (come scarto) nei perossisomi,

però sempre al loro interno viene anche degradata grazie agli enzimi CATALASI che la trasformano

in acqua.

Questo processo rende ancora una volta evidente l’importanza della COMPARTIMENTAZIONE in

una cellula complessa. MITOCONDRI

Sono presenti in tutte le cellule eucariotiche e sono particolarmente numerose in quelle muscolari in

quanto zona che richiede un alto apporto energetico.

Sono la sede della RESPIRAZIONE CELLULARE tramite la quale producono energia sotto forma

di ATP, completando l’ossidazione del glucosio, iniziata precedentemente con la glicolisi nel

citoplasma.

(È l’ultimo passaggio del metabolismo aerobio)

Hanno una struttura composta da:

- Membrana esterna

- Spazio intermembranoso

- Membrana interna con creste per

aumentare la superficie

- Matrice mitocondriale con all’interno del

DNA circolare e dei ribosomi

Sulla superficie delle creste sono distribuite

proteine essenziali per la 2a fase del

metabolismo cellulare.

Il DNA mitocondriale deriva

esclusivamente dalla cellula uovo

(materno).

Infatti, l’unico mitocondrio (spiralizzato)

presente nello spermatozoo viene perso con il resto del corpo del gamete durante la fecondazione,

processo durante cui solo la testa entra nella cellula uovo.

La presenza di un anello di DNA avvalora la TEORIA ENDOSIMBIOTICA secondo cui una

cellula eucariotica ancestrale (priva di mitocondri), che prima ricava energia solo tramite la

glicolisi, ha fagocitato un batterio, probabilmente con lo scopo di nutrirsene, e sia entrata in

simbiosi con esso. Il batterio, infatti portava alla cellula un notevole vantaggio energetico, a parità

di glucosio, e, in cambio, otteneva protezione dalla questa.

Il mitocondrio ha mantenuto il DNA del batterio, ma ha perso tutti i geni necessari ad avere una vita

indipendente.

Il DNA mitocondriale è stato successivamente sequenziato e si sono trovati in totale 37 geni:

- 13 geni che codificano per proteine necessarie ai processi di fosforilazione ossidativa,

trasporto di elettroni e sintesi dell’ATP (ovvero tutti enzimi necessari per la respirazione

cellulare).

- 22 geni necessari alla codifica di tRNA.

- 2 geni necessari alla codifica di rRNA.

- Altre porzioni di DNA non codificanti.

Il mitocondrio, dunque, è in grado di produrre da solo i suoi ribosomi e fare una sua sintesi proteica,

ma tutti gli enzimi necessari per la sua sopravvivenza derivano dalla trascrizione e traduzione del

DNA cellulare.

La teoria endosimbiotica, in conclusione, spiega la presenza del DNA e la presenza della doppia

membrana nel mitocondrio.

Allo stesso modo si spiega la presenza di un anello di DNA nello stroma dei cloroplasti, presenti

nelle cellule vegetali, e la loro doppia membrana sulla quale avviene la fotosintesi.

A proposito della respirazione cellulare, invece, bisogna specificare dove effettivamente avvengono

le varie fasi:

- GLICOLISI: avviene nel citoplasma e produce 2 molecole di acido piruvico (3C) e 2

molecole di ATP.

- CICLO DI KREBS: avviene nella matrice del mitocondrio, dopo che l’acido piruvico è stato

acetilato ed è diventato acetilCoA (2C), perdendo così

una molecola di biossido di carbonio. L’energia

prodotta dal ciclo di Krebs è sotto forma di ATP e

potere riducente.

- CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI:

avviene nella membrana interna del mitocondrio (sulle

creste), l’energia viene ora convertita in gradiente

protonico tra le due membrane, si crea quindi un’alta

concentrazione di ioni idrogeno.

- ATP SINTETASI: avviene sulle creste mitocondriali, è

un enzima che sfrutta il flusso di ioni idrogeno per

trasformare l’ADP in ATP. CITOSCHELETRO

Ha la funzione di dare forma, struttura e rigidità alla cellula.

È costituito da proteine, in particolare da 3 tipi di proteine filamentose:

1) MICROFILAMENTI (sub-unità di astina):

Sono costituiti da catene filamentose della proteina ACTINA.

Possono presentarsi singolarmente in fascetti o costituire reti tridimensionali.

Sono responsabili delle variazioni della forma cellulare e determinano i movimenti cellulari, tipo:

- correnti citoplasmatiche.

- la divisione in due delle cellule in divisione (CITODIERISI).

- contrazione muscolare.

Dei monomeri di actina G polimerizzano in lunghi filamenti di actina F. L'aggiunta di ogni

monomero è normalmente accompagnata o seguita da idrolisi della molecola di ATP ad esso

associata, sebbene non sia una reazione richiesta per polimerizzare.

2) FILAMENTI INTERMEDI (sub-unità fibrose):

Sono costituiti da sub-unità fibrillari molto varie che si assemblano in strutture intrecciate, molto

resistenti dal punto di vista meccanico.

Hanno la funzione di STABILIZZARE la forma della cellula, costituire la LAMINA NUCLEARE e

permettere la COMUNICAZIONE tra cellule, formando alcune giunzioni cellulari (vedi dopo).

I filamenti intermedi si possono dividere in NUCLEARI, come quelli che formano la lamina

nucleare presente in tutte le cellule, e in CITOPLASMATICI, che comprendono le cheratine

(presenti nelle cellule epiteliali), la vimentina e i vimentino-simili (presenti nelle cellule del tessuto

connettivo, muscolare e neuroglia) e i neurofilamenti (presenti nelle cellule nervose).

La peculiarità dei filamenti intermedi citoplasmatici, è il fatto che sono TESSUTO-SPECIFICI.

N.B. I filamenti intermedi danno struttura e rigidità alle cellule, ma anche struttura e funzione agli

organi. 3) MICROTUBULI (sub-unità tubulina):

Sono strutture cilindriche cave, costituite da tubulina.

Sono in grado di aumentare o diminuire di lunghezza per aggiunta o eliminazione di dimeri di

tubulina (vedi dopo).

È la struttura citoscheletrica che permette la corretta segregazione dei cromosomi durante i processi

di mitosi e meiosi, grazie alla formazione del FUSO MITOTICO.

Inoltre, costituiscono delle “piste molecolari” lungo le quali le vescicole si possono muovere

all’interno della cellula.

Sono, dunque, implicati nel movimento di cromosomi, delle cellule tramite ciglia e flagelli e di

alcuni componenti cellulari.

PROCESSO DI ASSEMBLAGGIO DEI MICROTUBOLI in vitro

Il processo di assemblaggio avviene gradualmente, a partire da singole molecole di tubulina di tipo

alpha e beta, fino ad arrivare al vero e proprio microtubulo:

- la tubulina alpha e quella beta si associano a formare un DIMERO di tubulina

- 2 dimeri si associano a formare OLIGOMERI (associazione alpha-beta)

- più oligomeri insieme formano i

PROTOFILAMENTI

- questi ultimi si associano e formano dei FOGLIETTI

DI PROTOFILAMENTI (associazione alpha-alpha e

beta-beta)

- tali foglietti inizieranno a chiudersi spontaneamente

(MICORTUBULO IN CHIUSURA) per formare una

struttura sempre più stabile, ovvero il

MICROTUBULO ASSEMBLATO.

Questi filamenti hanno una loro POLARITÀ e, a seconda di

essa, verranno allungati in una estremità, quella positiva, e

accorciati nell’altra estremità, quella negativa.

Entrambi i processi avvengono per POLIMERIZZAZIONE.

N.B. La polarità delle estremità dipende dal tipo di tubulina che la compone, se alpha o beta.

CINETICA DI ASSEMBLAGGIO DEI MICROTUBULI in vitro

L'assemblaggio dei microtubuli avviene fondamentalmente in 3 fasi:

1) FASE INIZIALE (lenta):

è la fase di NUCLEAZIONE in cui da dimeri di alpha-beta

tubulina si generano micortubuli.

2) FASE DI ALLUNGAMENTO:

è la fase della POLIMERIZZAZIONE in cui il

microtubulo è in crescita. In particolare cresce molto

velocemente all'estremità positiva, mentre all'estremità

negativa vengono aggiunte poche coppie di tubulina.

3) FASE DI PLATEAU:

è la fase in cui il microtubulo è in equilibrio, ovvero il

numero di sub-unità in uscita è uguale al numero di sub-

unità in entrata.

N.B. Tanto più alpha-beta tubulina è presente inizialmente nel campione, tanto più il microtubulo

sarà lungo. ORGANIZZAZIONE MICROTUBULI

I microtubuli si originano da centri di organizzazione,

detti CENTROSOMA (O MTOC). Essi sono sede di

NUCLEAZIONE: se non ci fosse una regione in cui

possa avvenire questo processo, allora questo sarebbe

altamente inefficiente.

L'estremità negativa del microtubulo è rivolta (ma non

associata) al centrosoma, mentre quella positiva viene

polimerizzata in direzione opposta.

La depolimerizzazione avviene presso l'estremità

negativa del microtubulo.

Il centrosoma è costituito da due CENTRIOLI, disposti perpendicolarmente, circondati da materiale

pericentrionale.

Ogni centriolo è costituito da microtubuli disposti a formare un CORPO BASALE di 9 triplette

periferiche che costituisce la base del flagelli o delle ciglia ed è alla base della formazione del flusso

mitotico.

Nel caso del centriolo, il corpo basale è a forma di cilindro e si trova nel citoplasma.

N.B. I microtubuli sono organizzati in modo da dare STRUTTURA e FORMA SPECIFICA di ogni

cellula. PISTE MOLECOLARI

Le vescicole, contenenti, ad esempio, proteine o neurotrasmettitori

(OPPURE POSSONO ESSERE VUOTE!!!), sono trasportate nel

luogo di destinazione grazie a delle piste molecolari create dai

microtubuli.

La CHINESINA e la DINEINA sono proteine che svolgono 2

fondamentali compiti:

1) AGGANCIANO la vescicola da trasportare.

2) Si SPOSTANO sul microtubulo tramite la formazione e la rottura

consecutiva di legami con esso, utilizzando l'energia fornitagli dalla

lisi di una molecola di ATP in ADP + P .

i

La direzione di trasporto varia a seconda della proteina utilizzata:

la chinesina si muove verso il polo positivo, mentre la dineina

verso il polo negativo.

Le vescicole selezionano la direzione da prendere grazie

all'interazione tra delle proteine di membrana (diverse a seconda

del carico trasposportato) e la proteina trasportatrice.

CURIOSITÀ

Esistono delle sostanze in grado di impedire la mitosi,

interagendo con la formazione del fuso mitotico (FARMACI

ANTI-MITOTICI).

Altre sostanze naturali, invece, impediscono la corretta

polimerizzazione (colchicina) o la corretta depolarizzazione

(tassolo), quindi conferiscono poca stabilità o troppa stabilità al

microtubulo.

GIUNZIONI CELLULARI

Sono diverse a seconda della funzione che devono svolgere le cellule, ad esempio possono servire a

separare porzioni diverse o a dare forma ai tessuti.

Ci sono 3 tipologie di giuzioni:

1) GIUNZIONI OCCLUDENTI (o tight junctions)

Hanno lo scopo di creare una barrire impermeabile tra due cellule adiacenti, in modo da impedire il

passaggio di sostanze nel lume.

Quindi SEPARANO ambienti diversi, permettendo il passaggio di sostanze SOLO ATTRAVERSO

cellule specifiche, e non tra due di esse.

Si formano grazie all'interazione tra proteine di cellule

adiacenti che si ancorano permettendo la chiusura dello

spazio extra-cellulare.

Sono proteine particolari, in grado di interagire con:

- il citosol

- la membrana cellulare

- l'ambiente extra-cellulare

- l'altra proteina N.B. Le giunzioni occludenti non sono MAI

isolate, ma sono sempre una vicino all'altra,

tutte concentrate in un'unica porzione

particolare della membrana cellulare.

2) GIUNZIONI ANCORANTI

Sono interazioni tra componenti diverse a seconda del tipo di complesso proteico che entra in gioco:

- GIUNZIONI ADERENTI

permettono l'associazione cellula-ambiente esterno

(come ad esempio le cellule tumurali ILA viste in laboratorio il 11\11 che si legano alla plastica).

- EMIDESMOSOMI:

permettono l'associazione cellula-matrice extra-cellulare.

La matrice è composta da proteine che riempiono lo spazio tra una cellula e l'altra e gli

emidesmosomi si legano proprio ad esse per ancorare la cellula.

- DESMOSOMI:

permette un'associazione cellula-cellula, ovvero connettono in modo permeabile due cellule tramite

la formazione di un PONTE PROTEICO tra il citoscheletro di una cellula e il citoscheletro di quella

adicente. In questo modo il tessuto assume forma e funzione e resta permeabile al passaggio di

molecole grazie alla struttura del desmosoma stesso e alla sua disposizione isolata rispetto agli altri.

3) GIUNZIONI COMUNICANTI Ricorda

Mettono in comunicazione i citoplasmi di due cellule adiacenti, sono SONO L'UNICO

presenti, ad esempio, nelle cellule del miocardio e in pochi altri tessuti. CASO DI

CONTATTO

I CONNESSONI sono strutture proteiche che si giustappongono tra loro, DIRETTO TRA

permettendo così la formazione di un PORO (di circa 3nm di diametro) che CITOPLASMI

permette il passaggio di DI CELLULE

ioni e piccole molecole. DIVERSE!!!!

Se i due connessoni non

fossero perfettamente allineati, le molecole non

potrebbero passare da un citoplasma all'altro.

Esistono dunque delle deboli interazioni tra le

proteine costituenti che permettono la corretta

corrispondenza tra i due pori.

I connessoni possono essere in conformazione

chiusa o aperta a seconda delle necessità di una

cellula.

TRAFFICO DELLE PROTEINE

Lo smistamento intracellulare delle proteine si è sviluppato insieme alla compartimentazione delle

cellule complesse.

Dopo l'inizio della traduzione nel CITOSOL, una proteina può avere due diversi destini:

1) Continuare ad essere sintetizzata da ribosomi liberi.

2) Continuare ad essere sintetizzata da ribosomi associati al reticolo endoplasmatico rugoso.

CASO 1: RIBOSOMI LIBERI

Le cellule sintetizzate nel citosol possono o restare in esso, oppure essere importate in alcuni

organelli, quali NUCLEO, MITOCONDRI, PEROSSISOMI e CLOROPLASTI.

Ricorda

Lo smistamento avviene a seconda delle sequenze di amminoacidi CASO DI

presenti nella struttura primaria della proteina. IMPORTAZIONE

Se vi sono delle sequenze specifiche e ripetitive, queste verranno POST-

riconosciute da delle proteine presenti sull'organello di destinazione. TRADUZIONALE!!

Nel CASO DEL NUCLEO, la sequenza di amminoacidi specifica è

detta NLS (nuclear localization signal) e una delle categorie di proteine che permettono il suo

riconoscimento è quella delle IMPORTINE.

Nel CASO DI MITOCONDRI e CLOROPLASTI, un proteina recettrice associata alla membrana

(ha una porzione extra-cellulare e una porzione immersa nella membrana, ma non la attraversa da

parte a parte) riconosce dei segnali caratteristici presenti sulla proteina da importare e permette il

suo passaggio attraverso un poro proteico associato al recettore stesso.

CASO 2: RIBOSOMI ASSOCIATI AL RER

È il caso di proteine: Ricorda

- di membrana (non solo quella cellulare) CASO DI

- di trans-membrana IMPORTAZIONE

- che devono raggiungere il lume del lisosoma CO-

- che devono essere secrete TRADUZIONALE!!

Quelle elencate, sono sia proteine SOLUBILI che INSOLUBILI.

IMPORTAZIONE CO-TRADUZIONALE: Dopo la sintesi di un pezzetto abbastanza lungo di

proteina, detto SEQUENZA SEGNALE, il

polipeptide in via di formazione si associa alla

proteina SRP che, dopo essere stata riconosciuta da

un recettore di membrana, si associa al reticolo

endoplasmatico rugoso.

La proteina SRP fa quindi da ponte tra la sequenza

segnale, e di conseguenza il ribosoma ad essa

associato, e il reticolo endoplasmatico rugoso

dentro il quale verrà conclusa a sintesi della

proteina.

Il peptide viene poi legato ad una proteina del poro nel quale viene inserita la sequenza segnale.

Grazie all'idrolisi di GTP e grazie all'enzima PEPTIDASI DEL SEGNALE, la sequenza segnale e la

SRP ad essa associata vengono tagliate dal resto della proteina, che intanto prosegue la sua sintesi

all'interno del lume del reticolo endoplasmatico rugoso.

La proteina solubile appena sintetizzata verrà poi trasportata all'esterno grazie ad una vescicola,

generata per GEMMAZIONE dal RER stesso, e sarà condotta verso l'apparato di Golgi, verso

organelli oppure verso l'esterno della cellula.

INSERZIONE CO-TRADUZIONALE:

Come nel caso della importazione, il peptide in via di formazione è stato associato ad un poro grazie

ad una serie di proteine e la sequenza segnale è stata rimossa.

La sequenza di nucleotidi, però, ha una porzione particolarmente idrofobica che determina l'arresto

della traslocazione della proteina attraverso la membrana del reticolo endoplasmatico rugoso.

La sintesi della proteina si concluderà con il gruppo amino-terminale nel lume del reticolo e il

gruppo carbossi-terminale nel citosol.

Questa disposizione può anche invertirsi, ma poi resterà immutata anche quando verrà trasportata,

tramite vescicole, ad un'altra membrana dove verrà endocitata e disposta nel luogo di destinazione

finale.

Ricorda

Una glicoproteina è sintetizzata co-traduzionalmente nella membrana del reticolo endoplasmatico,

poi viene trasferita all'apparato di Golgi per essere glicosidata tramite l'aggiunta di catene

polisaccaride e solo successivamente sarà funzionante e potrà essere inserita nella membrana

cellulare. La parte della glicoproteina che nel reticolo endoplasmatico era rivolta verso il lume,

sarà glicosidata e, una volta assemblata con la membrana, sarà rivolta verso l'ambiente extra-

cellulare.

Questo sottolinea come una proteina che non deve mai entrare in contatto con il citosol della

cellula, non lo farà neanche dopo essere stata modificata, mentre la parte a contatto con esso, lo

sarà anche successivamente. LA MATRICE EXTRA-CELLULARE

La matrice extra-cellulare contribuisce a determinare la forma e le proprietà meccaniche dei tessuti

e degli organi. Per questo motivo, la percentuale dei suoi principali componenti proteici varia a

seconda del tipo di tessuto coinvolto.

Ad esempio, nel tessuto cartilagineo è particolarmente presente la componente proteoglicanica,

mentre nei legamenti quella collagenosa.

È composta prevalentemente di proteine prodotte dalle cellule stesse, in particolare quelle più

abbondanti sono: - COLLAGENE ed ELASTINA (componente proteica fibrosa)

- PROTEOGLICANI. COLLAGENE

La fibra di collagene è caratterizzata da una resistenza straordinaria alle azioni meccaniche.

Basti pensare che serve una forza pari a 9kg per riuscire a spezzare una fibra di diametro 1mm.

La sua formazione passa attraverso diversi stadi in cui il polipeptide è prima tradotto come singolo,

poi associato ad altre catene, secreto, modificato e solo alla fine è associato con altre strutture a

formare la fibra.

La prima parte del processo, ovvero la

sintesi della CATENA ALPHA precursore,

avviene nel lume del reticolo

endoplasmatico rugoso. Sempre qui,

avviene l'avvolgimento di 3 catene alpha

che formano una tripla elica con estremità

non strutturate, detta

PROTOCOLLAGENE.

A questo punto avviene la secrezione del

polipeptide in struttura quaternaria e la

rimozione delle estremità non strutturate,

grazie alla PEPTIDASI del protocollagene che effettua un taglio protolitico. Si forma così la

MOLECOLA DI COLLAGENE che, sempre dopo la secrezione, si assembla con altre molecole a

formare la FIBRA DI COLLAGENE che a sua volta si assocerà ad altre fibre, a formare il prodotto

finale, ovvero la FIBRA DI COLLAGENE (spessore: 0,1-0,2μm).

ELASTINA

É particolarmente abbondante nei tessuti che hanno bisogno di molta elasticità, quali quelli di

polmoni, cuore, arterie, cute e intestino.

Le molecole di elastina sono polipeptidi assemblati singolarmente,

però successivamente si legano tra loro mediante legami covalenti,

creatisi tra lisine presenti nella sequenza di amminoacidi.

Questi legami sono detti LEGAMI CROCIATI e la loro presenza (o

assenza) determina l'elasticità del tessuto. In particolare, con l'avanzare

dell'età, la presenza di questi legami aumenta e questo causa una

perdita di elasticità.

I gruppi di molecole di elastina possono trovarsi RILASSATI, con le

molecole di elastina agglomerate e riavvolte, oppure STIRATI, con le

molecole distese. PROTEOGLICANI

Sono macromolecole composte da un ASSE PROTEICO (core) a cui sono unite, in modo covalente,

lunghe catene di disaccaridi o glicosamminoglicani (GAG). Il processo di maturazione, cioè la

glicosidazione, avviene nell'apparato di Golgi e solo dopo questo processo, la molecola sarà

funzionante.

Sono particolarmente presenti nella CARTILAGINE e hanno la funzione di creare la matrice in cui

sono immersi collagene ed elastina. In questo modo riescono ad intrappolare moltissima acqua,

anche 50 volte il loro peso. LE MEMBRANE BIOLOGICHE

Svolgono diverse funzioni a seconda della componente proteica presente nelle diverse membrane.

Alcune tra le FUNZIONI più frequenti sono:

- comunicazione tra cellule

- protezione

- delimitazione sia della cellula in sé, ma anche degli organelli con diverse funzioni

- regolazione del trasporto di molecole sia verso l'interno che verso l'esterno

- rilevamento e\o trasduzione si segnali

Tutte le membrane biologiche hanno uno SPESSORE REGOLARE e un aspetto a “binario”, ovvero

sono costituite da 3 BANDE (scura-chiara-scura) di spessore di circa 25A ciascuna, per un totale di

75A.

N.B. Questo aspetto è una ulteriore conferma della presenza di un DOPPIO STRATO

FOSFOLIPIDICO, dentro il quale sono ancorate in modi differenti diverse tipologie di proteine.

A seconda della membrana analizzata, è possibile riscontrare una variazione di composizione

chimica dei tre componenti principali: CARBOIDRATI, LIPIDI e PROTEINE.

Ad esempio, la membrana del mitocondrio è particolarmente ricca di proteine.

Ricorda

La componente lipidica è costituita da:

- FOSFOLIPI (glicerolo + 2 acidi grassi + gruppo fosfato)

- COLESTEROLO (mantiene il corretto stato di fluidità della membrana)

Entrambe queste molecole, hanno una loro POLARITÀ.

MODELLI DI STRUTTURA PROPOSTI

- Fine '800: Overton

comprende la natura lipidica della membrana, osservando che era

trapassata solo da molecole (piccole) apolari.

- Inizio '900: Langmuir

ipotizza la presenza di un monostrato fosfolipidico

- 1925: Gorter e Grendel

dimostrano la presenza di un doppio strato fosfolipidico Ipotesi di Gorter e Grendel

- Circa 1930: Davison e Danielli

propongono un modello a Sandwich in cui il doppio strato fosfolipidico

era compreso tra due strati, uno superiore e uno inferiore, di proteine.

- 1972: SINGER E NICOLSON

propongono il MODELLO A MOSAICO FLUIDO, partendo

dall'osservazione dello spessore regolare della membrana, reso possibile

dagli sviluppi in campo di microscopia.

Secondo questo modello, ancora oggi in vigore, le proteine di membrana

sono immerse o associate al doppio strato fosfolipidico. Ipotesi Davison e Nicolson

Approfondimento esperimento Gorter e Grendel

I due scienziati hanno dimostrato la presenza del doppio strato fosfolipidico partendo da una

semplice ipotesi:

- CASO 1: la superficie della cellula è uguale a quella totale formata da un monostrato di fosfolipidi

(S = S ) => la membrana è costituita da un unico strato.

f e

- CASO 2: la superficie della cellula è la metà di quella totale formata da un monostrato di

fosfolipidi (S = 2S ) => la membrana è costituita da un doppio strato.

f e

Per verificare quale delle due ipotesi fosse quella corretta, hanno utilizzato un numero noto di

eritrociti, di cui hanno stimato la superficie.

Successivamente hanno strato con l'acetone tutti i fosfolipidi presenti in ciascun eritrocita e li hanno

fatti disporre a monostrato su una superficie acquosa.

Una volta evaporato il liquido, hanno stimato la superficie totale occupata dai fosfolipidi.

Dato che hanno trovato S = 2S , hanno dimostrato la presenza del doppio strato fosfolipidico.

f e

In realtà, Gorter e Grendel hanno commesso 2 errori, che però si sono compensati generando

comunque il risultato corretto, ovvero: 2 2.

- hanno sottostimato la superficie degli eritrociti, ipotizzando fosse 100μm invece di 145μm .

- non hanno tenuto conto delle proteine di membrana che aumentano la superficie della membrana.

MODELLO A MOSAICO FLUIDO

Il modello proposto da Singer e Nicolson prevede un doppio strato fosfolipidico al quale sono

ancorate o immerse proteine e lipidi (come il costerolo).

La regione immersa nel doppio strato è IDROFOBICA, mentre le regioni esposte verso i versanti

citoplasmarico e extra-cellulare sono IDROFILE.

Le proteine associate alla membrana possono essere:

- ESTRINSECHE: se sono situate sulle superfici esterna o interna della membrana. Possono essere

più o meno ancorate ad un lipide, ad altre proteine o associate direttamente alla membrana.

- INTRISECHE: attraversano da parte a parte il doppio strato lipidico, sono proteine

transmembrana.

Questo modello è caratterizzato da:

- ASIMMETRIA: è data dalla distribuzione ineguale dei lipidi e delle proteine lungo la superficie

della membrana.

Basti pensare che i glicolipidi si trovano solo sul lato extra-cellulare e che la composizione di

fosfolipidi dei due lati è differente, tale per cui si assemblano cariche negative sul lato citosolico.

Inoltre, le glicoproteine presentano i residui saccaridici solo sul lato esterno della membrana.

- FLUIDITÀ: è data dalla presenza di una certa percentuale di acidi grassi insaturi e colesterolo.

I primi interrompono la regolarità del doppio strato fosfolipidico, mentre il secondo assicura il

corretto stato di liquidità. La membrana, infatti, non deve né diventare troppo rigida alle basse

temperature, né deve disgregarsi completamente alle alte temperature.

I movimenti permessi sono di rotazione introno al proprio asse, di diffusione laterale e, nel caso dei

fosfolipidi, anche di ribaltamento, permesso però dall'enzima FLIPPASI solo in casi specifici.

Approfondimento dimostrazione fluidità

L'approccio sperimentale usato per dimostrare la fluidità della membrana, è stato quello di

dimostrare il movimento laterale delle proteine di membrana.

Le proteine scelte erano specie-specifiche, facilmente marcabili e identificabili univocamente.

FASE 1: Marcatura di proteine di membrana di topo e di uomo: le prime marcate con la

RODAMMINA e le seconde con la FLUORESCINA, tramite reazione anticorpale.

FASE 2: creazione di un ETEROCARIONTE, cioè una cellula ibrida binucleata, ottenuta grazie alla

fusione di altre due cellule, sempre una di topo e una di uomo, e marcatura delle proteine di

membrana, con i marcatori sopra citati.

FASE 3: incubazione a 37°C di un eterocarionte (diverso da quello della fase 2) e, dopo 40 minuti,

marcatura delle stesse proteine prese in considerazione negli altri casi.

CONCLUSIONE: Fu confrontata la disposizione assunta dalle proteine nelle fasi 2 e 3, dopo averle

osservate ciascuna nella propria membrana iniziale grazie alla fase 1.

Si osservò che nella fase 2 le proteine erano disposte in modo ordinato, ciascuna nella propria

membrana, mentre nella fase 3 erano mescolate in modo disordinato.

Si dimostrò così che alle proteine era permesso un certo movimento trasversale e che quindi la

membrana aveva una certa fluidità.


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DESCRIZIONE APPUNTO

Appunti del corso tenuto dalla professoressa e ricercatrice Elena Battaglioli. Gli argomenti trattati sono: caratteristiche degli esseri viventi e organizzazione biologica, molecole organiche (lipidi, carboidrati, proteine e acidi nucleici), DNA (struttura, cromatina e replicazione), processi di trascrizione, maturazione, traduzione delle proteine, struttura della cellula (nucleo, mitocondri, apparato di Golgi, reticolo endoplasmatico, lisosomi, perossisomi, citoscheletro), tipologie di giunzioni cellulari, processo di smistamento delle proteine, matrice extra-cellulare, membrane biologiche (modelli storici, modello a mosaico fluido), trasporto attraverso le membrane (diffusione semplice, diffusione facilitata, trasporto attivo primario e secondario, osmosi), trasporto macromolecole (esocitosi, endocitosi, endocitosi mediata da recettore, fagocitosi), comunicazione cellulare (recettori accoppiati a proteine G, recettori tirosin-chinasici. recettori nucleari), breve classificazione degli esseri viventi, enzimi (catalisi enzimatica e regolazione), ciclo cellulare (varie fasi del ciclo e regolazione/controllo), mitosi, meiosi e apoptosi.


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in biotecnologie mediche
SSD:
Università: Milano - Unimi
A.A.: 2016-2017

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher giulia.mari di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Biologia generale e cellulare e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Milano - Unimi o del prof Battaglioli Elena.

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