Riassunto esame Biologia, prof. Maione, libro consigliato Il mondo della cellula, Becker

Eubatteri e Archebatteri

Procarioti (unicellulari) –

DNA circolare senza membrana nucleare localizzato nel nucleoide; poche membrane interne: funzioni cellulari nel

citoplasma o a livello della membrana plasmatica (tranne cianobatteri)

Eucarioti

Unicellulari protisti

–

• Uni o pluricellulari Funghi

–

• Pluricellulari Piante e animali

–

•

Dna lineare nel nucleo; nucleolo; organelli

Dimensioni cellulari microscopiche per adeguato rapporto superficie/volume. Serve superficie per scambi efficaci con

l’esterno e ridotto volume per rapida diffusione.

Organismi usati come modelli:

E.Coli (genoma piccolo e divisione ogni 20 min) meccanismi di replicazione ed espressione genica.

–

• Lievito Saccharomyces cerevisiae (eucariote, genoma relativamente piccolo in 16 cromosomi, divisione ogni 2

• ore, presenza organelli eucarioti) divisione in eucarioti.

–

Moscerino Drosophila Melanogaster (4 coppie di cromosomi giganti, riproduzione in 2 settimane, elevata

• produttività) sviluppo dall’uovo all’adulto.

–

Verme nematode Caenorhabditis elegans (facile allevamento, multicellulare semplice, si conosce numero

• esatto di cellule somatiche) meccanismi di regolazione morte programmata.

–

Topo sviluppo mammiferi e malattie genetiche umane.

–

•

MEMBRANE CELLULARI

Funzioni di

Compartimentazione

- Trasporto

- Interazioni con l’ambiente

- Organizzazione e localizzazione di attività enzimatiche

-

Composizione

Nella maggior parte delle membrane: 50% lipidi e 50% proteine

Nella membrana mitocondriale: 25% lipidi e 75% proteine

Nella membrana mielinica: 90% lipidi e 10% proteine

(distribuiti asimmetricamente nella membrana e presenti in proporzioni diverse in membrane cellulari diverse)

1_Lipidi

Fosfolipidi (soprattutto fosfogliceridi). Testa polare: gruppo R+ fosfato+ glicerolo. Code apolari: acidi grassi.

- Principali fosolipodi: fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina, fosfatidilcolina, sfingomielina.

Glicolipidi. Grassi+ gruppo carboidratico (D­glucosio, D­galattosio, N­acetil­D­galattosamina)

- Steroli (colesterolo nelle animali, fitosteroli nelle piante)

-

2_Proteine

Integrali o intrinseche: proteine che attraversano la membrana, sono immerse nel doppio strato o sono legate

- covalentemente a componenti della membrana. Per separarle vengono usati agenti chimici o detergenti.

Periferiche o estrinseche: proteine legate ad altre proteine mediante legami non covalenti. Per separarle

- bastano trattamenti blandi (esposizione a soluzioni ad alta forza ionica o pH estremi).

Funzioni delle proteine di membrana:

Trasporto di molecole idrofiliche

- Riconoscimento ed adesione tra cellule

- Trasduzione di segnali extracellulari

- Ancoraggio della membrana alla matrice extracellulare e al citoscheletro

- Attività enzimatiche

-

Fluidità della membrana

Indica la libertà delle molecole (sia lipidi che proteine) di muoversi all’interno della membrana.

Perch importante?

é è

Le membrane funzionano correttamente allo stato fluido, che permette: cambiamenti di forma, accrescimento, movimenti

cellulari, fusione tra membrane, spostamento e cambiamento di conformazione delle proteine di membrana*.

*Fondendo (per fusione indotta da virus) due cellule con proteine di membrana diverse (es. umana e murina) marcate

con anticorpi fluorescenti, dopo 40 min le proteine di membrana sono completamente mescolate. Questo dimostra la

dissufione delle proteine nella membrana.

Non tutte le proteine possono muoversi liberamente: alcune sono confinate in siti specifici (es. proteine del

“superficiali”

lume intestinale). La libertà di movimento può essere limitata per assembleggio delle proteine in grossi aggregati, per

interazione con il citoscheletro, con la matrice extracellulare e con la superficie di un’altra cellula.

Tipi di movimento: diffusione trasversale (da uno strato all’altro) molto lenta; diffusione laterale e rotazione della

molecola veloci.

Transizione di fase: passaggio della membrana da stato fluido (maggiore temperatura) a cristallino (minore temperatura)

e viceversa superata una temperatura di transizione (Tm)

Cosa influenza la fluidità?

Tipo di acidi grassi delle molecole: i grassi saturi si impacchettano bene nella membrana non avendo siti di

- insaturazione, quindi limitano la fluidità; i grassi insaturi sono più brevi a causa dei siti di insaturazione e si

impacchettano di meno, permettendo maggiore fluidità.

Quantità di colesterolo: a temperature alte, che generalmente permettono maggiore fluidità, il colesterolo,

- legato alle catene idrocarburiche, tende ad immobilizzarle; a temperature basse, invece, la sua presenza

impedisce alle catene idrocarburiche di cristallizzare, permettendo maggiore fluidità

SUPERFICIE CELLULARE

Eucarioti

Glicocalice (rivestimento di zuccheri).

Serve per protezione ed adesione tra cellule (viene riconosciuto lo specifico carboidrato da proteine di membrana)

Procarioti

Strutture fondamentali:

Membrana

- Parete

- Composta principalmente da peptidoglicano (amminozuccheri)

Funzioni di protezione (da sollecitazioni meccaniche e rigonfiamento osmotico), forma, processo di divisione.

I batteri Gram­positivi hanno (colorati di blu o viola dopo colorazione Gram) hanno parete più spessa e membrana

plasmatica singola, i Gram­negativi hanno parete cellulare e membrana esterna alla parete in aggiunta.

Strutture accessorie:

Flagelli subunità proteiche ancorate alla membrana, implicati nella motilità.

–

- Pili implicati nell’adesione tra cellule (riconosciuti da recettori) e nella coniugazione (scambio di materiale

–

- genetico)

Capsula ­ strato polisaccaridico viscoso, che circonda alcuni batteri gam+ e gram­. Costituisce un fattore di

- patogenicità. Funzioni di adesione, resistenza all’essiccamento, riserva nutrizionale, deposito di sostanze di

rifiuto.

TRASPORTO ATTRAVERSO MEMBRANA

Fattori che controllano la permeabilità:

Polarità. La membrana più permeabile alle molecole polari.

è

- Dimensioni. La membrana più permeabile alle molecole di piccole dimensioni.

è

- Carica. La membrana impermeabile agli ioni.

è

- Trasporto

passivo

(process

Diffusion Diffusion

o

e e

spontan

semplic facilitata

eo)

e (mediata

Attraver Attraver

da

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proteine

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)

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energ

GRADIENTE ELETTROCHIMICO= forza che deriva dalla combinazione di gradiente di concentrazione e potenziale di

protei

o) (indir

ia)

ne

membrana.

etto)

1_Trasporto passivo

Il trasporto passivo avviene secondo gradiente, fino ad un raggiungimento dell’equilibrio tra le concentrazioni del soluto

ai due lati della membrana

Dissuasione semplice e facilitata seguono due cinetiche diverse:

nella diffusione semplice la velocità di movimento del soluto direttamente proporzionale al gradiente di

è

- concentrazione

nella diffusione facilitata la cinetica di tipo saturazione”, con Vmax quando tutte le proteine carrier sono

è “a

- saturate

Proteine canale

Proteine

canale

Canali Porine Acquap Giunzio

ionici orine ni gap

Canali ionici.

Proteine trans membrana che permettono il passaggio rapido di ioni specifici.

Conformazione: disposte intorno ad un canale centrale, che rivolgono le catene laterali idrofobiche verso

α­eliche

l’esterno (cioè l’interno della membrana) e le catene idrofili che verso l’interno del canale.

Sono altamente selettivi. La selettività può essere dovuta a dimensioni (ad esempio il canale per il Na+ permette il

passaggio della molecola legata ad una molecola di acqua, ma non a molecole più grandi, come il K+ legato a H2O) e

ad interazioni tra canale e molecola (ad esempio il canale per il K+ rivestito internamente da ossigeno carbonilico, che

è

permette la separazione di K+ dall’acqua in quanto questo abbastanza grande da formare legami con gli ossigeni. Il

è

Na+, invece, non abbastanza grande da interagire con gli ossigeni da solo e rimane legato all’acqua in un complesso

è

troppo grande).

I canali ionici possono essere aperti o chiusi. Nelle cellule animali l’apertura regolata da: variazione del potenziale di

è

membrana (canali a controllo di voltaggio); legame della proteina canale a sostanze specifiche (canali a controllo di

ligando); forze meccaniche che agiscono sulla membrana (canali a controllo meccanico).

Porine.

Proteine trans membrana che permettono il passaggio veloce di diversi soluti.

Conformazione a barile β.

Le porine permettono il passaggio di ioni e sostanze idrofili che, ma non di sostanze idrofobiche.

Acquaporine.

Canali trans membrana che permettono il passaggio veloce di acqua.

Struttura ad che si dispongono a formare un canale.

α­eliche

Le acquaporine agiscono favorendo enormemente la permeabilità osmotica delle cellule, essendo permeabili all’acqua,

ma non agli ioni. In questo modo regolano l’idratazione dei tessuti, il volume cellulare, produzione e riassorbimento di

fluidi nell’organismo.

Giunzioni gap.

Canali che permettono il passaggio diretto di piccole molecole da una cellula all’altra.

Formate da connessina.

Proteine trasportatrici (anche dette carrier, proteine vettore o permeasi)

Sono proteine allosteriche che si alternano tra due stati conformazionali, uno accessibile dall’esterno della cellula e

l’altro dall’interno.

Le proteine trasportatrici sono altamente specifiche, principalmente per zuccheri e aminoacidi. Possono esserlo per un

piccolo gruppo di composti, per un singolo composto o addirittura per un singolo stereoisomero (esempio­ GLUT1,

trasportatore del glucosio negli eritrociti. stereospecifico per la conformazione D del glucosio).

È

Possono trasportare un singolo soluto (uniporto), o due soluti, che devono necessariamente essere trasportati

contemporaneamente (trasporto accoppiato). In questo caso si parla di simporto se i soluti sono trasportati nella stessa

direzione, di antiporto se sono trasportati in direzioni opposte.

2_Trasporto attivo

Il trasporto attivo avviene contro gradiente: può quindi permettere l’assorbimento di sostanze nutritive dall’ambiente

anche quando le concentrazioni esterne sono più basse e lo smaltimento di sostanze di rifiuto anche se la

concentrazione esterna più elevata. Inoltre permette la creazione ed il mantenimento di gradienti ionici (quindi

è

differenze di potenziale, fondamentali per la vita).

Anche per il trasporto attivo si parla di uniporto e cotrasporto (simporto, antiporto)

Il trasporto attivo richiede sempre energia, cioè sempre endoergonico.

è

Si considerano, in base alla fonte di energia utilizzata, trasporto attivo diretto (primario) e trasporto attivo indiretto

(secondario).

Trasporto attivo diretto

Accoppia il trasporto ad una reazione esoergonica, in genere l’idrolisi di ATP, per ottenere energia.

Le proteine sono dette ATPasi di trasporto o pompe ATPasi.

(P = fosforilazione). Contengono un residuo di acido aspartico (aminoacido acido) che viene

1_ATPasi di tipo P.

fosforilato dall’ATP nella trasformazione in ADP. Le pompe P trasportano cationi (H+, K+, Na+, Ca2+)

Importante: la pompa sodio/potassio fa parte di questa categoria.

(V = vescicola). Pompano protoni (H+) all’interno organelli quali vescicole, vacuoli e lisosomi

2_ATPasi di tipo V

per mantenere basso il pH, che attiva gli enzimi idrolitici.

Sono composte da una parte integrale ed una parte periferica, che ha attività ATPasica.

(F = fattore). Trasportatrice di protoni (H+), composta da una parte integrale ed una periferica,

3_ATPasi di tipo F

che contiene il sito di legame all’ATP. Queste pompe possono utilizzare l’energia derivante dall’ATP per pompare protoni

contro gradiente, oppure utilizzare il gradiente elettrochimico per produrre ATP! (in questo caso sono chiamate ATP

sintetasi). Composte da 4 domini: 2 altamente idrofobici immersi nella membrana e 2 periferici sul lato

4_ATPasi di tipo ABC.

citoplasmatico della membrana, che legano l’ATP.

Trasportano una grande varietà di soluti (oltre a ioni, anche zuccheri, carboidrati, aminoacidi e proteine).

Esempi

• Pompa sodio/potassio

ATPasi di tipo P, che pompa 2 K+ dentro e 3 Na+ fuori.

Formata da due subunità e due (che si trovano ai lati delle e sono glicosilate conoligosaccaridi). Due

α β α

conformazioni: E1 aperta verso l’interno, E2 verso l’esterno.

Processo:

inizio in E1. Legame con 3 ioni sodio provoca la fosforilazione della subunità da parte dell’ATP, che porta ad un

α

cambiamento di conformazione da E1 a E2. E2 non ha affinità con il sodio, quindi lo libera verso l’esterno, mentre

ha affinità con il potassio. 2 ioni potassio si legano alle subunità in conformazione E2, provocando la

α

defosforilazione ed il ritorno ad E1, che rilascia gli ioni K+ all’interno.

(multidrug resistence: proteina di trasporto per la resistenza a più farmaci)

• MDR

ATPasi di tipo ABC presenti in alte concentrazioni nelle cellule di alcuni tumori molto resistenti a farmaci. Infatti le

MDR pompano verso l’esterno una vasta gamma di farmaci chemioterapici, riducendone la concentrazione

citoplasmatica e quindi l’efficacia nell’arrestare la crescita tumorale.

(regolatore della conduttanza trans membrana nella fibrosi cistica)

• CFTR

ATPasi di tipo ABC delle cellule che tappezzano le vie aeree.

Funzionano come canali per il cloro secondo gradiente, quindi passivi. Hanno però bisogno di ATP per l’apertura,

quindi sono considerate ATPasi. L’uscita del Cl­ dalla cellula porta all’uscita di acqua dai tessuti, che va ad idratare

il muco delle vie aeree.

Gli individui malati di fibrosi cistica mancano di queste proteine per un difetto genetico. Per questo motivo, l’acqua

non va ad idratare lo strato mucoso, che essendo disidratato non viene rimosso per eliminare i batteri.

In un individuo sano, invece, lo strato mucoso viene idratato dall’uscita di acqua che accompagna gli anioni cloro e

viene rimosso insieme ai batteri intrappolati.

Un tipo di trasporto attivo diretto che non utilizza l’idrolisi dell’ATP come fonte energetica la batteriorodopsina. Questa

è

una pompa protonica (H+) attivata dalla luce presente sulla membrana dell’Halobacterium (colore purpureo­ cresce ad

è

alte concentrazioni di sale). La proteina contiene un retinale, che, eccitato da un fotone, innesca una serie di

cambiamenti conformazionali che portano al trasferimento del protone all’interno.

Trasporto attivo indiretto

Prevede il trasporto contemporaneo di due soluti: uno secondo gradiente (generalmente uno ione come H+ o Na+), che

attiva il trasporto dell’altro, che si muove contro gradiente (monosaccaride o aminoacido). L’accoppiamento dei due

processi (uno spontaneo ed uno non spontaneo) porta ad un totale negativo, quindi favorevole. Questo processo

ΔG

può prevedere il movimento in una stessa direzione (simporto) che in direzioni opposte (antiporto).

Esempi: nelle cellule epiteliali dell’intestino.

• Simporto sodio/glucosio

Questo meccanismo viene accoppiato alla pompa sodio/potassio, in quanto il passaggio di glucosio dal lume intestinale

all’interno della cellula (contro gradiente: la concentrazione interna della cellula più alta) permette l’entrata del sodio,

è

mentre l’uscita dalla cellula del glucosio (per la liberazione nei tessuti) secondo gradiente, quindi mediata da una

è

proteina carrier. Per l’uscita, quindi, il sodio viene pompato fuori dalla pompa sodio/potassio.

per la regolazione del pH intracellulare.

• Antiporto Na+/H+

La membrana plasmatica dell’eritrocita fornisce molti esempi di meccanismi di trasporto.

Importante: passaggio di CO2 e O2 secondo gradiente per diffusione semplice e di HCO3­ (ione bicarbonato) per

diffusione facilitata in antiporto con il Cl­. La direzione di passaggio attraverso la membrana di CO2, O2 e HCO3­

dipende dal luogo del corpo in cui si trova l’eritrocita, in quanto si tratta di trasporti secondo gradiente.

Reazione : CO2 + H2O HCO3­ + H+ catalizzata da enzima anidrasi carbonica

↔

Nei capillari dei tessuti entra CO2 ed esce O2, la reazione si sposta verso i prodotti e HCO3­ viene eliminato.

Nei capillari degli alveoli polmonari entra O2, esce CO2 e la reazione si sposta verso i reagenti, facendo entrare HCO3­

PROPRIETA’ ELETTRICHE DELLE MEMBRANE

Tutte le cellule presentano una differenza di potenziale elettrico sui due lati della membrana, con carica negativa

addensata sul lato citosolico. La differenza di potenziale non dovuta ad uno squilibrio totale di cariche (che in totale

è

sono in equilibrio tra interno ed esterno), ma ad un sottile strato di ioni prossimo alla membrana.

Il potenziale dipende dai gradienti ionici e dalla permeabilità agli ioni. I gradienti ionici più importanti sono quelli di K+ e

Na+, regolati dalla pompa sodio/potassio e dai canali di fuga per il potassio.

Le cellule eccitabili (neuroni, cellule muscolari, ecc) rispondono ad alcuni stimoli con drammatiche modificazioni del loro

potenziale di membrana.

Meccanismo di trasmissione dell’impulso nervoso

1_Stato di riposo: canali di Na+ e K+ chiusi. Potenziale a circa ­60 mV.

2_ Prima depolarizzazione: i neurotrasmettitori si legano a canali ionici regolati da ligandi, facendoli aprire ed inducendo

quindi l’entrata di cationi Na+. Questi depolarizzano la membrana (normalmen