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bisogna solo cercare le sequenze di lettura aperte (ORF) che costituiscono il gene e che iniziano e terminano con

appositi codoni. Per le cellule eucariotiche è invece particolarmente complesso cercare i geni perché bisogna

determinare anche le sequenze regolatrici e i tratti di connessione tra introni ed esoni: un aiuto è fornito dalla

comparazione tra genomi di specie con antenati comuni dove i geni funzionali hanno tratti di genoma conservato.

Analizzare lo stadio di espressione genetica o le mutazioni che portano allo sviluppo di una patologia è un obiettivo

dell’ingegneria genetica: il metodo più comunemente utilizzato si basa sulla capacità del filamento di DNA di

associarsi tramite legami idrogeno a filamenti la cui sequenza nucleotidica è complementare. I legami idrogeno si

possono rompere, tra due filamenti già associati ad alte temperature o con pH alterati ma, per tendenza naturale,

si possono riformare (anche con filamento diverso da quello originale) nel processo noto come ibridazione.

Questa tecnica permette di identificare se un feto è portatore di patologie di natura genetica: viene prelevato il

DNA da una cellula del feto e viene fatto ibridare con il frammento del DNA (sano e mutato) costruito in

laboratorio (sonde a DNA).

Le tecniche più recenti permettono di porre diverse sonde a DNA su un vetrino (microarray) sul quale poi viene

disposto il DNA di un organismo al fine di valutare diverse geni contemporaneamente. E’ possibile studiare anche

l’espressione dei geni prelevando dalla cellula dell’organismo l’mRNA e facendone una copia complementare a DNA

che poi verrà posta sul microarray al fine di valutare qual era il gene in via di codifica.

E’ possibile anche non estrarre il DNA dalla cellula, evitando possibili modifiche e perdita di informazioni, e

iniettare all’interno di essa le sonde marcate con coloranti fluorescenti (dopo una variazioni di pH tale da far

dissociare i filamenti complementari all’interno del nucleo cellulare).

Clonaggio del DNA

Recentemente è stato possibile creare in laboratorio DNA ricombinanti semplicemente dalla frammentazione del

DNA (grazie alle nucleasi) e alla riassociazione di frammenti di DNA in origine non contigui, grazie al lavoro delle

DNA ligasi. Questa tecnica permette di ottenere tratti di DNA prima non esistenti, che la cellula riconosce come

veri (perché sono legati) e che possono essere introdotti in un genoma reale.

Per clonare un gene o un frammento di DNA solitamente si inserisce questo all’interno del genoma di un batterio

(fenomeno che avviene già in natura, dove il batterio nell’evento detto trasformazione introduce nel suo genoma

pezzi di DNA di batteri già morti) che si replica velocemente: se nel genoma del batterio è stato introdotto un

frammento di DNA ricombinante (creato in laboratorio) che sarà duplicato insieme al genoma reale del batterio.

Il DNA ricombinante che si vuole clonare, tuttavia, non viene inserito nel genoma del batterio ma viene posto nel

plasmide, una singola molecola di DNA piccola e circolare che nei batteri contiene geni che resistono agli antibiotici

(questi plasmidi si possono “trasportare” per trasferimento orizzontale, da un batterio all’altro per aumentare la

resistenza agli antibiotici). I plasmidi nei quali viene inserita la molecola di DNA ricombinante sono molto semplici

e solitamente contengono una sola origine di replicazione (necessaria per dare origine alla replicazione), un tratto

che può essere tagliato da una nucleasi (necessario per inserire il DNA ricombinante) e un gene che resiste ad un

antibiotico specifico che permette di identificare, nella coltura, i batteri in cui è stato inserito il DNA. Il plasmide

viene inserito in un batterio che si duplica in coltura, dopo un tot. di tempo il batterio viene lisato e da esso si

preleva il plasmide che contiene numerose copie del DNA ricombinante di interesse.

Le recenti metodologie prevedono di sequenziare l’intero genoma umano e inserirlo pezzo per pezzo in diversi

plasmidi che vengono fatti duplicare inserendoli a loro volta all’interno di batteri come E. Coli (e ottenendo una

genoteca). Una volta ottenute milioni di copie dell’interno genoma umano si può procedere con l’ibridazione del

DNA per trovare il tratto di genoma di interesse (presente in moltissime copie). Se non si conosce il tratto di DNA

per creare la sonda è necessario partire dall’identificazione della sequenza amminoacidica dell’elemento che

vogliamo avere clonato, dalla determinazione quindi di una piccola porzione dell’mRNA e dell’DNA complementare

(un processo inverso) al fine di poter poi creare la sonda e trovare il gene clonato all’interno dell’interno genoma

umano.

Volendo ottenere una sequenza di un gene libera dagli introni è possibile ottenere una genotica di cDNA (DNA

complementare) che si ottiene a partire dalla raccolta e dal sequenziamento dell’mRNA espresso in un tessuto e

poi trascritto in DNA con la trascrittasi inversa: rispetto al DNA genomico (quello che origina direttamente dal DNA

dei cromosomi) il cDNA contiene solo gli esoni e il cDNA ottenuto da un tessuto è diverso rispetto a quello ottenuto

da un altro tessuto (perché ogni tessuto esprime componenti proteiche diverse), d’altro canto il cDNA non contiene

le informazioni sulla differenziazione della cellula né le sequenze regolatrici (pertanto se necessitiamo il clonaggio

di queste porzioni è meglio affidarsi al DNA genomico).

PCR (Reazione polimerasica a catena) Metodo che permette di clonare parti di genoma conoscendo l’intera

sequenza del genoma di un organismo. Questo metodo permette all’enzima DNA polimerasi di creare innumerevoli

copie di un tratto di DNA perché viene guidata a replicare un preciso tratto da inneschi primer sintetizzati in

laboratorio (che indicano l’inizio e la fine della sequenza da replicare) e che ibridano con la catena di DNA o cDNA.

La tecnica della PCR è molto usata anche a livello clinico perché permette alla DNA polimerasi di arrivare anche a

singoli tratti di DNA virali (inseriti nel genoma umano) che vanno replicando, di moltiplicarli e di permetterne

l’individuazione da parte del tecnico di laboratorio.

Nel caso sia necessario produrre una proteina particolarmente rara (per ricerca od uso clinico) si usa un vettore

(tipo plasmide) che contiene anche le sequenze di regolazione: in questo modo è possibile regolare l’espressione

nella trascrizione dell’mRNA e quindi nella sintesi proteica.

Un compito della tecnologia genetica è quella di capire anche la funzione di proteine codificabili la cui funzione non

ha è ancora nota: è possibile capire quando vengono espresse e in che quantità semplicemente inducendo la

sequenza regolatrice della proteina con funzione non nota a stimolare un gene che produce una proteina il cui

ruolo è facilmente osservabile.

Con le tecniche sopra descritte di manipolazione del DNA è possibile studiare l’effetto che un gene mutato ha su un

organismo in quanto è possibile, per ricombinazione o per aggiunta di un gene mutato alle cellule della linea

germinale, aggiungere un gene alterato o silente (knockout) ad un organismo reale e complesso. Un metodo usato

per inattivare un gene, invece, consiste nell’iniettare una sequenza di RNA a doppio filamento nella cellula che si

ibrida con l’mRNA e lo degrada rendendo impossibile la sintesi del prodotto finale (tecnica dell’ibridazione a RNA).

Struttura delle MEMBRANE

La cellula è circondata dalla membrana plasmatica, costituita da tante molecole lipidiche, che cresce con il crescere

della cellula e che contiene proteine recettore/segnale. Anche alcuni organelli interni (RE, Golgi, mitocondri, etc.)

hanno delle membrane che separazioni le reazioni interne all’organello e lo spazio intracellulare: differiscono dalla

membrana plasmatica per le proteine di membrana che contengono.

La membrana plasmatica è costituita da un DOPPIO STRATO LIPIDICO composto principalmente da molecole di

fosfolipidi che hanno due code idrofobiche (idrocarburi) e una testa idrofilica (solitamente la colina – la molecola si

chiama fosfatidilcolina) associate mediante un gruppo fosfato. Le molecole che hanno una porzione idrofobica e

una idrofilica (anche altri lipidi di membrana hanno questa caratteristica) sono dette anfipatiche: la testa idrofilica

interagisce bene con le molecole polari di acqua (perché anch’essa è polare) mentre le code idrofobiche rifuggono

dall’acqua e se la molecola è interamente idrofobica tende ad assumere una forma sferica che riduce al minimo la

superficie di contatto con le molecole polari di acqua.

Le molecole anfipatiche hanno una parte della molecola che interagisce con l’acqua e l’altra che la rifugge,

pertanto, assumendo il doppio strato fosfolipidico (le teste a contatto con gli ambienti extra-intracellulari e le code

internamente a contatto) riducono di molto il livello energetico e creano uno strato continuo che racchiude

l’ambiente intracellulare.

Nella membrana cellulare, nonostante la teste rimangano sempre a stretto contatto con l’acqua e le code a

contatto tra loro, le molecole di fosfolipidi hanno movimenti rotatori (intorno al proprio asse centrale), di

traslocazione (all’interno dello stesso strato – spostamento verso dx o sx) o spostamento (da uno strato all’altro –

evento molto raro): la membrana non è composta da elementi statici ma ha caratteristiche di fluidità oltre che di

flessibilità. Abbassamenti della temperatura riducono gli spostamenti termici delle molecole.

La fluidità del doppio strato dipende principalmente da quanto fittamente sono disposte le code di idrocarburi:

tanto più sono lunghe tanto più interagiscono tra loro e riducono la mobilità delle molecole e le code insature

(quelle che contengono doppi legami e hanno un numero minore di atomi di H rispetto alle code sature) formano

degli angoli a livello delle code che, impedendo la stretta interazione tra code idrofobiche aumentano la fluidità

della membrana.

Il colesterolo (uno sterolo della membrana, è un lipide) è presente nella membrana e ha code corte e rigide che

riempiono i buchi lasciati liberi dagli steroidi e irrigidiscono la membrana plasmatica.

La mobilità della membrana è importante per lo spostamento delle proteine che contiene e per la divisione

cellulare oltre che per la redistribuzione di nuove molecole lipidiche sintetizzate all’interno della cellula e portate in

una parte precisa della membrana.

Il doppio strato lipidico presenta asimmetria perché i fosfolipidi e i glicolipidi presenti sono disposti in quantità

diversa nei 2 strati. La membrana con la sua asimmetria è sviluppata nella membrana del RE da parte di appositi

enzimi che catalizzano l’aggiunta di fosfolipidi sul lato citosolico (quello che non guarda nel lume del RE) della

membrana del RE: degli enzimi detti flippasi hanno poi il compito di capovolgere alcuni fosfolipidi in modo da

regolare la formazione della membrana plasmatica. La membrana del RE presenta già una faccia citosolica e una

non citosolica e questo orientamento sarà conservato anche dopo che, per gemmazione, una parte della

membrana del RE si sarà spostata a livello della membrana plasmatica. Sempre a livello del RE alcuni enzimi

catalizzano l’aggiunta di glicolipidi e altri elementi della membrana, che sono già inseriti nel lato citosolico o in

quello non citosolico (e per queste molecole non esistono flippasi che possano capovolgerle): in questo modo

alcune molecole, come i glicolipidi si concentrano nel versante extracellulare della membrana e altre, come gli

inositol fosfolipidi (che sono coinvolti nella trasmissione del segnale) si concentrano sul versante intracellulare.

Proteine di membrana

Le proteine costituiscono il 50% della membrana plasmatica e sono responsabili di molte funzioni importanti come

il passaggio di ioni e piccole molecole dentro e fuori la cellula e la trasmissione del segnale.

Le proteine possono essere:

 Transmembrana: Attraversano tutta la membrana plasmatica e presentano parti idrofiliche e

idrofobiche.

 Associate alla membrana: Proteine parzialmente dentro al citosol con un’elica α che entra a contatto

direttamente con i fosfolipidi della membrana

 Legate a lipidi: Proteine legate alla membrana tramite legami covalenti con alcuni lipidi di membrana.

 Legate a proteine: Proteine legate ad altre proteine trasmembrana che possono collocarsi sia fuori che

dentro il doppio strato.

Le proteine che in qualche modo sono direttamente collegate al doppio strato (le prime 3) sono dette proteine

integrali di membrana, quelle che sono legate al doppio strato tramite altre proteine sono dette proteine

periferiche di membrana.

Le proteine transmembrana collegano i domini idrofili ai lati della membrana da un dominio centrale che presenta

aminoacidi idrofobici che riescono a interagire con le code idrocarburiche idrofobiche. La struttura tipica del

dominio centrale è dovuta al legame peptidico che risulta essere polare e consente la formazione di legame

idrogeno tra i vari punti dell’ossatura e crea un’elica α con una porzione rivolta verso i lipidi idrofobica e una rivolta

verso l’ossatura peptidica: quando la proteina è costituita da una sola elica α solitamente assume un ruolo di

recettore (proteina allosterica che cambia conformazione quando lega il recettore), mentre quando la p.

transmembrana è costituita da molte eliche α queste creano un canale che rivolge il lato idrofobico vs il doppio

strato lipidico e il lato idrofilico all’interno del lume del canale. Le proteine transmembrana possono anche avere il

dominio centrale costituito dal piano β, che forma un ampio canale (perché oltre un tot. non può curvarsi) dove

passano piccole molecole o ioni (es. porine).

Per studiare le proteine di membrana bisogna separare queste ultime dalla membrana plasmatica e questo è

possibile con l’uso di detergenti, che, con una sola coda idrofobica e una testa idrofilica riescono a separare la

proteina dalla membrana che viene rilevata in quanto forma un complesso detergente-proteina.

Le proteine di membrana la cui forma è stata studiata sono la batteriorodopsina e il centro di reazione della

fotosintesi: la forma è stata studiata mediante cristallografia a raggi X.

La batteriorodopsina è una proteina costituita da 7 eliche α che, al suo interno, presenta una molecola non

proteica di retinale che, quando assorbe un fotone causa un cambiamento conformazionale della proteina che

libera uno ione H+ dall’interno all’esterno della cellula. Il centro di reazione della fotosintesi è un complesso

multiproteico (4 proteine) che produce elettroni quando riceve l’energia solare della clorofilla.

La membrana plasmatica è solitamente irrobustita da proteine che formano lo strato corticale (cortex) che si

legano alle proteine transmembrana: è stata studiata la spettrina che costituisce lo strato corticale dell’eritrocita.

I lipidi e le proteine di membrana, inoltre, sono associati a zuccheri che sono legati nella faccia non citosolica della

corteccia: se alla proteina è legato un oligosaccaride si ha una glicoproteina, se invece si trova un polisaccaride si

ha un proteoglicano. Glicolipidi, glicoproteine e proteoglicani costituiscono, nell’insieme il glicocalice che circonda la

cellula e la rende lubrificata e scivolosa. Il glicocalice, oltre a garantire alla cellula lubrificazione e resistenza

meccanica, è responsabile anche del riconoscimento di componenti extracellulari: infatti le catene oligosaccaridiche

hanno una varietà incredibile. Questo metodo permette di riconoscere segnali esterni ma anche di marcare la

cellula che è predestinata ad una determinata attività e pertanto è necessario che la cellula possegga alcuni

metodi per confinare proteine specifiche in domini di membrana (regioni specifiche della membrana).

Trasporto di membrana

A causa dell’idrofobicità del doppio strato lipidico per transitare alcuni elementi necessari alla cellula dentro e fuori

da essa esistono le proteine di trasporto di membrana. Principalmente questa classe di proteine è divisa in

proteine vettore, che, a causa di modifiche allosteriche permette il passaggio di molecole organiche e ioni e i canali

ionici, che, creano un canale idrosolubile nella membrana permettono il passaggio di ioni dentro e fuori la cellula.

Concentrazioni ioniche intra ed extra-cellulari Le concentrazioni devono essere bilanciate e preservate per

+ -

garantire il funzionamento della cellula. All’esterno si trovano abbondanti quantità di Na e Cl e dentro la cellula si

+

trovano ioni K e anioni di vario tipo.

La membrana lipidica è permeabile a piccole molecole apolari e a molecole polari senza carica netta ad uno dei due

lati ma risulta completamente impermeabile dagli ioni e da tutte le molecole con carica netta verso un lato della

molecole, come aminoacidi e zuccheri che, tuttavia, sono molto importanti per il nutrimento della cellula.

Ogni proteina di membrana è altamente specifica per la classe e anche il tipo di molecole che trasporta dentro e

fuori la cellula e sono tutte PROTEINE TRANSMEMBRANA con catene peptidiche che passano più volte dentro il

doppio strato fosfolipidico.

I canali ionici selezionano le molecole cui è consentito il passaggio sulla base di carica elettrica e dimensioni,

mentre le proteine vettore permettono il passaggio solo alle molecole perfettamente complementari al sito attivo

delle proteine transmembrana.

Il trasporto dentro e fuori la cellula può essere passivo o attivo: il trasporto passivo, mediato dalla maggior parte

delle proteine di trasporto, muove le molecole verso regioni a concentrazioni più basse del soluto ed essendo un

processo favorito energeticamente avviene spontaneamente (se esiste un canale per il passaggio!), il trasporto

attivo, invece, porta i soluti contro gradiente di concentrazione e richiede energia per avvenire; per quest’ultimo

tipo di trasporto esistono speciali proteine vettore che accoppiano il consumo di energia al trasporto.

Il corredo di proteine di membrana dipende dalle specifiche necessità della cellula o dell’organello membranoso.

Trasporto passivo Un vettore, come il vettore trasportatore del glucosio, può assumere due conformazioni

diverse (è una proteina allosterica) causalmente e permette di trasportare il soluto dentro e fuori dalla cellula in

base alla concentrazioni del soluto stesso: se questo abbonda fuori dalla cellula, come il glucosio dopo i pasti,

molte molecole si soluto si legheranno ai vettori con il sito attivo rivolto esternamente e, quando cambia la sua

conformazione, porta il soluto dentro la cellula; quando il soluto abbonda dentro la cellula, come il glucosio a

digiuno, molte molecole di soluto si legheranno ai vettori con il sito attivo rivolto internamente e lo trasporteranno

fuori. Il passaggio delle molecole, in questo caso, è dettato unicamente dal gradiente di concentrazione ed essendo

solo una la molecola trasportata si definisce questo trasporto uniporto.

Gradiente elettrochimico: Il trasporto attivo per i soluti ionici tiene conto, oltre che del gradiente di

concentrazione, anche del potenziale di membrana, ovvero una differenza di potenziale ai lati della cellula che

attira ioni positivi verso la zona con maggiore carica negativa (solitamente l’ambiente intracellulare è più

negativo). 

Trasporto attivo I vettori che trasporto le molecole contro il gradiente di concentrazione sono di 3 tipologie:

traportatori accoppiati, che associano il passaggio di una molecole contro gradiente ad una secondo gradiente,

pompe ad ATP, che associano il consumo dell’energia dell’ATP al trasporto contro gradiente, e le pompe

fotoalimentate, che assorbendo energia luminosa permettono il trasporto attivo.

Il trasporto contro gradiente porta una molecola a “monte” che poi, naturalmente e secondo gradiente torna a

“valle”.

Pompe ad ATP: La pompa SODIO-POTASSIO è la pompa responsabile dell’economia energetica della cellula. La

pompa associa il consumo dell’energia ricavata dall’idrolisi di ATP in ADP (la pompa stessa è un ATPasi) per

+ +

portare Na fuori dalla cellula (contro gradiente chimico ed elettrico) e K dentro la cellula (contro gradiente

chimico e secondo gradiente elettrico) alfine di regolare il potenziale di membrana ai lati della cellula: il ruolo della

+

pompa sodio-potassio è importantissimo perché il ritorno a “valle” delle molecole trasportate (principalmente Na

che ha i due gradienti nella stessa direzione) si accoppia con l’entrata nella cellula di altre sostanze.

+

Processo Na si lega all’interno del vettore e induce l’idrolisi di ATP: il gruppo fosfato liberato si lega +

covalentemente alla proteina vettore e causa un cambiamento conformazionale della stessa, che libera Na fuori

+

dalla cellula. In questa II conformazione la proteina lega K esternamente e questa associazione induce la

+

defosforilazione della proteina che torna alla conformazione I liberando K nel citosol.

Trasportatori accoppiati: Usano l’energia del trasporto secondo gradiente di uno ione/soluto (come il passaggio di

+

Na dentro la cellula secondo gradiente sia chimico che elettrico) per trasportare un altro soluto contro gradiente:

se il trasporto delle 2 molecole è nella stessa direzione si parla di simporto, se è in due direzioni diversi si parla di

+

antiporto. Un esempio di questo tipo di trasporto è quello del simporto N -glucosio delle cellule epiteliali

+

dell’intestino: questo simporto usa il trasporto secondo gradiente di Na per portare glucosio anche quando

l’ambiente intracellulare è abbondante di questa molecola e il glucosio esce dalla cellula per il trasporto passivo

sopra descritto ma in parti diverse della membrana (cioè nelle parti laterali dove il glucosio fluisce verso altre

cellule).

La pompa sodio-potassio è molto importante perché, garantendo il mantenimento di un potenziale di membrana,

impedisce l’alterazione dell’equilibrio osmotico. Se la pompa sodio-potassio smettesse di funzionare, entrerebbero

dentro la cellula ioni che solitamente sono localizzati fuori da essa e la cosa varierebbe il potenziale di membrana e

la concentrazione di soluti dentro e fuori la cellula: questo porterebbe l’acqua ad entrare nella cellula secondo

gradiente (zona dove i soluti sono più concentrati) e la cellula esploderebbe.

Le cellule vegetali, grazie al robusto rivestimento cellulare di cui sono fornite, possono sopportare valori maggiori

di pressione osmotica perché contro essa è garantita la pressione del rivestimento cellulare che limita l’entrata di

acqua in sovrabbondanza: la pressione esercitata dalla parete cellulare vegetale è detta pressione di turgore.

2+ 2+ 2+

Pompa per Ca : I livelli intracellulari di Ca devono essere mantenuti bassi perché l’ingresso di Ca dentro la

cellula consente l’attivazione di diversi processi tra cui la trasmissione del segnale intracellulare e la contrazione

2+

della miosina nelle cellule muscolari; per questo motivo meno il Ca è concentrato dentro la cellula più questa

risulta sensibile al suo ingresso che governa le varie attività. La concentrazione di questo ione è garantito da una

2+ 2+

pompa per Ca che, essendo un ATPasi, usa l’energia dell’idrolisi di ATP per portare il Ca fuori dalla cellula.

+

Pompe protoniche: Molte cellule mancano della pompa sodio-potassio ma usano il simporto H per trasportare

+

materiale all’interno della cellula. Le pompe che portano H fuori dalla cellula sono dette protoniche e oltre a

causare una maggiore concentrazione di protoni fuori dalla cellula causano un’acidificazione dell’ambiente

+

extracellulare. Il gradiente di H è importante anche per organelli come i lisosomi che necessitano di un ambiente

+

acido all’interno, garantito da pompe che trasportano H dentro l’organello, per espletare le loro attività.

Proteine canale

Le molecole possono entrare e uscire dalla cellula anche da proteine transmembrana che attraversano la

membrana lipidica formando un poro idrofilico: ci sono pori grandi che collegano due cellule contigue, giunzioni

canalari e porine, che tuttavia non possono connettere il citosol con l’ambiente extracellulare perché sono poco

selettive. Per il passaggio di elementi dentro e fuori dalla cellula esistono le proteine canale, dette anche canali

ionici, perché permettono il passaggio selettivo di ioni.

I canali ionici consentono la selettiva per il passaggio degli ioni sulla base delle dimensioni dello ione (dipende dal

n° di elettroni che circondano l’atomo) e della carica dello ione, infatti, il canale ionico possiede alcuni aminoacidi

polari nel poro idrofilico, e, in esso, possono passare solo ioni con carica opposta perché, temporaneamente,

instaurano interazione elettrostatica con gli aminoacidi polari (liberandosi della sfera di idratazione che li circonda

nell’ambiente extra e intracellulare). I canali ionici possiedono, inoltre, una conformazione aperta e una chiusa in

risposta a specifici stimoli: quando il canale aperto gli ioni che esso può accogliere fluiscono secondo gradiente

elettrochimico molto rapidamente inducendo una variazione del potenziale di membrana e creando una scarica

dentro o fuori dalla cellula; questa scarica può servire come segnale cellulare e indurre l’apertura di altri canali.

Metodo patch-clamp Metodo che consente di studiare il potenziale di membrana e la corrente che passa per un

canale ionico. Questo metodo consente di prelevare un piccolo pezzo della membrana plasmatica contente uno o

più canali ionico tramite una pipetta piena di acqua. Il pezzo di membrana “tappa” la punta della pipetta e nella

parte alta di questa viene inserito un filo metallico connesso con uno strumento di misura: nel filo metallico passa

la corrente trasmessa (nell’acqua) dai canali ionici, supera lo strumento di misura e torna nel liquido in cui è

immersa la membrana. In questo modo si può studiare qual è il tipo di corrente che passa nel canale ionico e la

differenza di potenziale.

E’ stato osservato che i canali ionici cambiano conformazione anche a causa dell’agitazione termica ma possono

indurre uno stato aperto o chiuso sulla base di: (1) variazioni di potenziale, (2) a controllo di ligando con il canale,

(3) a controllo meccanico - come per le cilia nella coclea.

La probabilità di trovare la cellula con la conformazione aperta o chiusa dipende dalle variazioni del potenziale di

membrana. Queste proteine canale hanno un dominio che rileva anche piccole variazioni del potenziale elettrico.

Questo metodo di apertura è responsabile del potenziale d’azione.

Potenziale di membrana a riposo Ai due lati della membrana plasmatica vi sono piccole variazioni mantenute

costanti che generano due diverse cariche elettriche. Questo stato è principalmente dovuto alla concentrazione di

+

K che si trova in abbondanti concentrazioni dentro la cellula (per controbilanciare gli anioni citosolici) ma che

+

fuoriescono dalla cellula per l’apertura, completamente causale, dei canali ionici per K (leak channel),

controbilanciato dal potenziale di membrana perché vi è una maggiore concentrazioni di cationi fuori dalla cellula e

di anioni dentro. Il potenziale di membrana a riposo ha, quindi, valori compresi tra -20 mV e -200 mV, perché

all’interno della cellula vi è una prevalenza di carica negativa. L’equazione di Nernst serve a misurare il potenziale

di membrana esternamente e internamente alla cellula.

Le variazioni del potenziale di membrana (che da -60 mV diventa, a volte, positivo) sono dovute ad un’improvvisa

apertura di canali ionici per altri componenti ionici dentro e fuori la cellula.

Neuroni Cellule nervose composte da un corpo cellulare (contenente il nucleo), un assone per la trasmissione

del segnale che alla fine si ramifica in tante terminazioni nervose, e tanti dendriti che ricevono il segnale. Il

segnale nervoso viene trasmesso tramite da variazioni del potenziale di membrana, rinnovanti lungo dendriti e

cellule dall’apertura di nuovi canali ionici in risposta alle variazioni del potenziale elettrico: questa propagazione è

nota come potenziale d’azione.

Il potenziale d’azione è principalmente dovuto alla depolarizzazione (il pot. di membrana diventa meno negativo)

+

della membrana a causa dell’arrivo dei neurotrasmettitori. La depolarizzazione induce l’apertura di canali Na che

+

causa un’ulteriore depolarizzazione della membrana e l’apertura dei canali per Na continua fino a che il potenziale

+

di membrana non ha ottenuto un valore di +40mV. L’apertura dei canali per Na non continua infinitamente ma,

quando il potenziale di membrana è al suo massimo (cioè a +40mV) questi canali si chiudono rimanendo in una

forma inattiva, che impedisce la riapertura del canale fino a che il potenziale non è tornato al suo livello a riposo a

-60 mV. Il ritorno del potenziale di membrana a -60 mV è garantito dall’apertura, sempre a causa della

+ +

depolarizzazione, dei canali ionici per K che, si aprono in un tempo successivo rispetto ai canali per Na ma, in

+

confronto, restano aperti e lasciano defluire K fuori dalla cellula fino a che non è ristabilito il potenziale di riposo.

A livello della terminazione nervosa si trova la sinapsi, una piccola fessura tra le membrana presinaptica (di un

assone) e quella postsinaptica (di un dendrite): il segnale elettrico non è capace di attraversare la fessura

sinaptica e a questo servono i neurotrasmettitori, piccole molecole, che sono conservate nella terminazione

2+

presinaptica. Quando arriva il potenziale d’azione alla fine dell’assone causa un’apertura dei canali per Ca che

entrano rapidamente dentro la cellula causando l’esocitosi delle vescicole che contengono i neurotrasmettitori, che,

in ultima analisi, vengono liberati dentro la fessura sinaptica.

Quando il neurotrasmettitore viene liberato nella fessura sinaptica, esso si lega alla superficie dei canali ionici a

controllo di ligando (in questo caso il ligando è un neurotrasmettitore) e causa una modificazione di questo canale

ionico che induce l’ingresso di ioni dentro la cellula e, se i canali ionici aperti sono sufficienti, una prosecuzione del

potenziale nervoso nella nuova cellula. I neurotrasmettitori vengono poi degradati da appositi enzimi o riassorbiti

dal terminale presinaptico per evitare una depolarizzazione continua.

A livello del terminale postsinaptico esistono recettori per neurotrasmettitori eccitatori (glutammato e AcH) e per

+ 2+

neurotrasmettitori inibitori (GABA e glicina) che rispettivamente aprono l’uno i canali per Na e Ca causando una

+ -

depolarizzazione della membrana e l’altro apre i canali per Na ma anche per Cl che quindi contrasta la

depolarizzazione non consente alla membrana di depolarizzarsi sufficientemente.

I farmaci per le malattie psichiatriche solitamente agiscono sui neurotrasmettitori, incentivando l’apertura, ad

esempio, i canali ionici recettori per il GABA (e quindi le risposte inibitorie) nel caso di tranquillanti o causando la

maggiore permanenza della serotonina (eccitatori) dentro alla fessura sinaptica, inducendo una maggiore attività

eccitatoria, nel caso di farmaci antidepressivi.

METABOLISMO CELLULARE – Processi catabolici

Il processo catabolico inizia con la digestione: in questa fase iniziale le grosse macromolecole nutritive (proteine,

polisaccaridi e grassi) vengono spezzate nei loro monomeri costituenti grazie ad enzimi deputati alla digestione;

questo processo avviene o in sede extracellulare o dentro ai lisosomi in modo da evitare la degradazione delle

macromolecole utili alla vita cellulare.

L’energia per la cellula origina tutta dall’ossidazione del glucosio, che produce, in ultima analisi, 30 ATP.

Nella glicolisi il glucosio viene ossidato in 2 molecole di piruvato (se viene ossidato qualcosa di diverso dal glucosio

prima si ottiene un intermedio della glicolisi e poi il piruvato).

Formazione dell’ATP (glicolisi)

1. Piruvato diventa CO + CH COOH (gruppo acetile)

2 3

2. Si lega al coenzima A e forma acetil CoA.

3. Il gruppo acetile si unisce all’ossalacetato (molecola a 4 atomi di C) ed entra nel ciclo dell’acido citrico.

4. Gruppo acetile viene quindi ossidato a CO e si produce NADH (trasportatore di elettroni, nei mitocondri)

2

5. L’energia di permette la formazione di trasformare ADP+Pi in ATP con la fosforilazione ossidativa.

Glicolisi Ossidazione di glucosio a 2 molecole di piruvato (a 3 atomi di C) con il consumo di 2 molecole di ATP e

la produzione di 4 molecole di ATP (netto +2 ATP). Questo processo non necessita di O e avviene nel citosol. La

2

+

glicolisi avviene in 10 fasi nelle quali l’energia viene immagazzinata da NAD che diventa NADH (acquista elettroni

– si ottengono 2 NADH): l’energia ottenuta dall’ossidazione in parte serve per la produzione di ATP il resto è

immagazzinata da NADH. Alla fine del processo gli elettroni (H) dell’NADH si spostano su O formano 2 H O.

2 2

I. Glucosio viene fosforilato (aggiunta di Pi) e assume carica negativa (non può superare la m. plasmatica)

II. Il glucosio si apre nella forma aperta (senza semiacetale), il gruppo carbonile (C=O) passa da C1 a C2 e

forma un chetoso (fruttosio)

III. Il nuovo ossidrile (OH) sul C1 si fosforila (e quindi sia OH in C1 che OH in C6 sono fosforilati).

IV. Il glucosio difosfato viene separato per idrolisi in 2 componenti a 3 carboni l’una e si ottengono una

gliceraldeide e un di-idrossiacetone

V. Il di-idrossiacetone isomerizza per diventare anch’esso una gliceraldeide.

VI. Le due gliceraldeidi vengono ossidate (l’H del gruppo aldeidico viene sostituita da un O) e all’O si lega un P

+

con un legame ad alta energia. L’H passa al NAD . -

VII. Il P legato con legame ad alta energia ad O si separa (e lascia O ) e si lega ad un ADP che diventa ATP

VIII. Il P sul carbonio 3 si sposta sul C2 (e l’H sul C2 si sposta su C3) formano un 2-fosfoglicerato.

IX. Si elimina una molecola di acqua (un H viene da C2 e OH da C3) e si forma fosfoenolpiruvato

X. Si elimina l’ultimo P (che crea un altro ATP) e si ottiene il piruvato.

La glicolisi, per gli organismi anaerobi, è l’unica fonte di ATP. Per gli organismi animali il piruvato va incontro ad

ulteriore ossidazione (con intervento di O ): se manca O il piruvato viene trasformato in prodotti che vengono

2 2

secreti dalla cellula come etanolo e CO per i lieviti e lattato per il muscolo scheletrico (acido lattico).

2

Nel passaggio VI della glicolisi si può osservare il meccanismo delle reazioni accoppiate: tramite due diversi

enzimi, il gliceraldeide 3-fosfato lega il suo -CHO temporaneamente e covalentemente ad un enzima che permette

l’ossidazione; si sposta l’enzima e si forma un legame ad alta energia tra O e Pi e poi un altro enzima, usando

-

l’energia del legame ad alta energia sposta Pi da O (lasciando O ) e forma ATP da ADP.

2

Il piruvato viene poi ossidato ad acetil CoA tramite un grosso complesso enzimatico noto come complesso della

piruvato deidrogenasi e questo avviene nel mitocondrio (dove si osserva la maggior parte di produzione di ATP);

anche la scissione di acidi grassi (dei lipidi, altra fonte energetica) in molecole a 2 atomi di carbonio produce, in

+

ogni tappa, una molecola di acetil CoA (+ NADH, + FADH ).

Ciclo dell’acido citrico – Ciclo di Krebs +

Processo in cui è necessaria la presenza di O (perché l’NADH deve liberare i suoi H per tornare NAD e continuare

2

la sua attività nella glicolisi). Il prodotto finale del ciclo di Krebs sono CO e NADH.

2

Il ciclo dell’acido citrico avviene in 8 fasi in cui i gruppi acetili passano da acetil CoA all’ossalacetato creando un

acido tricarbossilico che viene gradualmente ossidato sino ad ottenere CO 3 molecole di NADH, una di FADH e un

2, 2

GTP. Il prodotto finale del ciclo di Krebs è CO e l’ossigeno di questo prodotto deriva da molecole di H O e non

2 2

dall’O atmosferico (questo serve solo a riformare l’H O). Il tutto avviene dentro al mitocondrio e alcuni intermedi

2 2

del ciclo di Krebs escono da esso per costituire parte dei processi anabolici cellulari.

+

I. L’enzima CoA toglie un H dal CH dell’acetile (legato al CoA) formando CH a carica negativa che si lega

3 2

alla molecola di ossalacetato. L’enzima CoA si stacca dall’ossalacatato e forma l’acido citrico. -

II. Una reazione di isomerizzazione (con intermedio) sposta un gruppo OH(L) da C4 a C3 (che a D ha COO ).

+

III. C4 con il gruppo OH diventa C=O trasformando un NAD in NADH + un H che serve poi a liberare C3 dal

-

COO (in CO ) e a sostituirlo con H formando un α-chetoglutarato

2 -

IV. L’ossidazione di α-chetoglutarato fa si che COO del C6 si lega al CoA liberando CO e producendo 1 NADH

2

-

V. C4 con C=O si lega temporaneamente a Pi e grazie anche a 1 H O diventa COO producendo un GTP

2

VI. Si crea FADH dalla rimozione di un H da C3 e un H da C2 e producendo il fumarato

2

VII. Il fumarato reagisce con H O e sul C2 si colloca un OH.

2

VIII. Il C2 per ossidazione passa dal gruppo ossidrile al gruppo carbonile (C=O) e si riforma l’ossalacetato.

I prodotti finali del ciclo di Krebs spostano i loro elettroni (H) nella catena di trasporto degli elettroni che portano

+

H dall’interno all’esterno della membrana, generando un gradiente la cui energia viene usata per la fosforilazione

-

ossidativa di ADP ad ATP. Gli atomi di H rimasti si combinano con O per formare H O (molecola stabile dove gli e

2 2

hanno energia molto bassa).

Riserve energetiche

Dato che le molecole nutritive non arrivano di continuo ci sono diversi sistemi per immagazzinare l’energia. Gli

zuccheri sono conservati in lunghi polimeri di monomeri di glucosio noti come glicogeno che si trova nell’ambiente

del citosol a formare piccoli granuli e, quando necessario, vengono idrolizzati a glucosio per iniziare la glicolisi.

Le riserve energetiche più importanti sono, tuttavia, conservate in piccole molecole lipidiche: i grassi occupano

meno spazio degli zuccheri e forniscono molta più energia, sono conservati nel tessuto adiposo e passano nel

circolo per spostarsi dove vi è necessità energetica. La notte, senza assunzione di alimenti, porta già

all’ottenimento di energia da parte dei grassi.

Dopo un pasto parte delle molecole nutritive vengono utilizzate per trarre energia altre vengono immagazzinate in

glicogeno (amido nelle piante) e grassi (infatti la cellula è capace di trasformare zuccheri in grassi).

Tutto l’energia, tuttavia, deriva dal processo fotosintetico nel quale, dentro ai cloroplasti vengono prodotti NADH e

ATP che servono alla produzione di zuccheri che dai cloroplasti passano ai mitocondri dove andranno incontri a

glicolisi e ciclo di Krebs.

Mitocondri e cloroplasti

Una piccola quantità di ATP viene prodotta con la glicolisi mentre la maggior parte deriva da un processo basato su

membrane. Il processo di formazione di ATP si basa su due fasi principali: la prima prevede il trasporto degli

+

elettroni che, nella catena di trasporto degli elettroni, causano uno spostamento di H all’esterno della membrana

+

(trasporto attivo); la seconda fase, nella quale gli H tornano fuori dalla membrana secondo gradiente, si usa

l’energia del movimento protonico per far funzionare un complesso proteico noto come ATP sintetasi che lega Pi ad

ADP. Questi due processi contraddistinguono l’accoppiamento chemiosmotico: gli organelli dove avviene la

produzione di ATP e si completa l’ossidazione del glucosio sono i mitocondri, organelli estremamente specializzati e

rivestiti da 2 membrane che permettono di arrivare a 30 molecole di ATP ogni glucosio ossidato.

I mitocondri sono variabili in forma e dimensioni e si possono localizzare sparsi nel citosol, associati al

citoscheletro o in zone precise (come nel caso dell’assone) dove è maggiore la necessità di energia: hanno un

sistema proprio di DNA e RNA oltre che di sintesi e traduzione. Il mitocondrio è formato da 2 membrane: una

membrana interna, che delimita la matrice, e permette il passaggio SOLO a elementi estremamente selezionati

che passano solo per trasporto specifico e la membrana esterna, che delimita lo spazio intermembrana, che

contiene canali acquosi (porine) che permettono il passaggio a molecole e proteine di piccole dimensioni.

Membrana interna Ha specifici vettori che trasportano molecole specifiche (come il piruvato) nella matrice e ha

molte proteine che costituiscono la catena di trasporto degli elettroni, oltre che proteine che costituiscono l’ATP

sintetasi, che serve per produrre ATP. A causa della sua importantissima funzione di produzione di ATP la

membrana si ripiega in creste, in modo tale da aumentare la superficie stessa della membrana.

All’interno della membrana mitocondriale interna arrivano gli acidi grassi (dei lipidi) e il piruvato (derivato dal

glucosio) che sono trasformati, grazie al lavoro enzimatico, in acetil CoA, i cui gruppi carbossilici vengono

ulteriormente ossidati, nel ciclo di Krebs, a CO e elettroni ad alta energia temporaneamente conservati nei vettori

2

-

NADH e FADH, che liberano gli e nella catena di trasporto degli elettroni.

-

Una volta liberati gli e nella catena, questi vanno a reagire con l’O finale per produrre H O. L’energia prodotta

2 2

dallo spostamento degli elettroni permette il passaggio di protoni dalla matrice allo spazio intermembrana e

l’energia dello spostamento protonico alimenta la formazione di ATP da ADP.

L’intero processo consuma O per produrre ATP e per tale motivo è noto come Fosforilazione ossidativa.

2

Catena di trasporto degli elettroni

Nella membrana mitocondriale interna sono disposte, nel doppio strato lipidico (e si possono studiare solo se

inserite nella membrana) o legato a questo da proteine transmembrana, una serie di proteine suddivisibili in 3

complessi macroproteici detti complessi enzimatici respiratori: il complesso della NADH deidrogenasi, il complesso

del citocromo b/c e il complesso della citocromo ossidasi.

- + -

Il primo complesso rileva l’H di NADH e lo trasforma in H e 2e , che sono trasportati (perdendo man mano

energia) fino alla citocromo ossidasi dove si legano con O . Il passaggio degli elettroni avviene perché essi passano

2

da molecole a bassa affinità elettronica a molecole con maggiore affinità elettronica: l’energia liberata da questa

reazione viene associata al trasferimento attivo per i protoni, che sono prelevati dall’H O presente all’interno della

2

matrice mitocondriale.

L’accumulo di protoni nello spazio intermembrana è un trasporto attivo e contro gradiente e causa un pH più acido

nello s. intermembrana rispetto alla matrice e un potenziale di membrana (negativo per la membrana interna

+

rivolta vs la matrice): sia il pH meno acido che il gradiente elettrochimico spingono H a tornare rapidamente

all’interno della matrice.

Sintesi di ATP grazie al flusso protonico

I protoni tornano secondo gradiente dentro alla matrice attraverso l’ATP sintetasi, un grosso enzima costituito da 2

unità: una porzione trans-membrana dove passano i protoni modificano la conformazione stessa delle subunità

transmembrana ed una parte rivolta all’interno della matrice, la cui modificazione è una conseguenza del

movimento dell’altra parte dell’enzima che, muovendosi meccanicamente, produce lavoro utile che è trasformabile

in energia per produrre ATP. L’ATP sintetasi funziona anche nell’altro senso e può usare l’idrolisi dell’ATP (prodotto

dalla glicolisi) per pompare fuori protoni e avere energia utile per trasportare dentro la matrice elementi necessari

per l’ulteriore produzione di ATP (piruvato e altri): il piruvato, gli acidi grassi e il gruppo fosfato entrano nella

+

matrice per cotrasporto del passaggio passivo di H all’interno della matrice mentre l’ATP quando esce dalla

membrana permette l’ingresso di ADP (perché anche l’ATP ha un gradiente negativo che porta all’esterno).

Con semplici calcoli è stato possibile determinare che dalla completa ossidazione di una molecola di glucosio

emergono 30 molecole totali di ATP (di cui 28 derivano dalla fosforilazione ossidativa).

L’ATP e l’ADP entrano ed escono costantemente dal mitocondrio in modo che le quantità totali di ATP rimangano

costanti e, a volte, il mitocondrio stesso consuma l’energia dell’ATP per la sua stessa replicazione.

* Il cianuro causa la morte cellulare perché blocca il trasporto di elettroni nella membrana mitocondriale interna

che quindi non produce più ATP con conseguente impossibilità di fare qualsiasi reazione anabolica.

+ -

Il trasferimento di elettroni avviene grazie allo spostamento di H che serve a neutralizzarne la carica, quando l’e

passa nella membrana (formando un atomo neutro di H) e si dissocia dall’altro lato in protone+elettrone. Come,

+

all’interno della cellula, esistono coppie acido-base che si scambiano H , in essa esistono anche coppie redox come

+ + -

NADH che esiste legato ad H e non. La reazione redox è: NADH NAD + H + 2e .

NADH è un potente donatore di elettroni perché ha bassa affinità per gli elettroni e perché la variazioni di energia

libera, quando passa da una forma all’altra, è piccola: per tale motivo tende a cedere facilmente gli elettroni ad

altre coppie con maggiore potenziale redox (differenza di ∆E° maggiore). Una coppia con forte affinità elettronica è

+

O /H O (con potenziale +820 mV, rispetto ai -360 del NADH/NAD ). Il passaggio totale di elettroni dalla coppia

2 2 +

NADH/NAD a H O/O ha una variazioni di ∆G di -54 kcal/mole e fornisce energia sufficiente per sintetizzare molte

2 2

molecole di ATP.

Il passaggio di elettroni, tuttavia, è graduale, per permettere alla cellula di rilevare l’energia liberatasi dal

passaggio da una coppia redox con basso potenziale a uno con potenziale più alto. Il passaggio di elettroni avviene

da coppie che gradualmente salgono di potenziale redox e lo fanno legandosi ad atomi metallici (presenti

all’interno delle proteine che costituiscono i complessi enzimatici respiratori) o facendosi trasportare da apposite

molecole idrofobiche che possono spostarsi nel doppio strato lipidico (ubichinone).

Complesso dell’NADH deidrogenasi : Gli elettroni passano da un gruppo flavinico a centri ferro-zolfo con

. potenziale redox crescente (ma sempre molto basso rispetto all’affinità di O )

2

Complesso della citocromo b-c : I citocromi sono proteine che presentano vari gruppi eme con all’interno

. 1

un atomo di ferro che subisce variazioni del numero di ossidazione quando è legato ad un elettrone.

Complesso della citocromo ossidasi: Qui gli elettroni si legano ad un atomo di ferro e rame strettamente

. associati alla proteina. Quest’ultimo complesso è particolarmente importante perché il citocromo c (quello

verso lo spazio intermembrana) riduce l’ossigeno molecolare (presente all’interno) associandovi i suoi 4

elettroni e 4 protoni (presi dal citosol) e creando 2 moli di H O: oltre questo vi è anche un ulteriore

2

passaggio di 4 protoni nello spazio intermembrana grazie al flusso elettrochimico di elettroni vs l’esterno.

La citocromo ossidasi ha l’importante compito di trattenere l’O al suo interno fino a che non è stato

2 -

associato a 4 elettroni perché se libera l’O dopo un solo legame con e si crea un radicale superossido che

2

danneggia le cellule. All’interno di quest’ultimo complesso si consuma tutto l’O che respiriamo. Molte

2

sostanze velenose si legano alla citocromo ossidasi impedendo l’associazione di O con gli elettroni. La

2 -

forza necessaria per traslocare 4 protoni all’esterno deriva dall’energia del legame tra e e O .

2

Generalmente, quando ogni molecola o complesso enzimatico si legano agli elettroni si associano anche a dei

protoni che, alla fine del “trasporto” dell’elettrone, viene liberato nello spazio intermembrana, permettendo così il

riciclo delle stesso molecole/complessi enzimatici per una nuova fase di trasporto di elettroni.

Tutta l’energia degli organismi viventi, tuttavia, deriva dall’energia solare e dalla CO atmosferica che alcuni

2

speciali batteri e le piante (munite di cloroplasti) trasformano in O .

2

I cloroplasti originano da batteri precedentemente fagocitati dalle cellule e sono più grandi dei mitocondri: come

essi possiedono una membrana esterna poco selettiva e una membrana interna più selettiva che delimita un

compartimento detto stroma. All’interno dello stroma, a differenza del mitocondrio, troviamo un’altra serie di

membrane, dette tilacoidi, che formano delle sacche appiattite, tilacoidi, che si raggruppano in file dette grani. La

membrana tilacoide racchiude un ulteriore dipartimento all’interno del cloroplasto.

Attività dei cloroplasti per la formazione di zuccheri e ATP

La luce è composta da radiazioni elettromagnetiche che si propaga per “pacchetti” di energia detti fotoni (che

hanno lunghezze d’onda diversi a seconda del colore assorbito). La clorofilla, un pigmento verde presente

all’interno dei cloroplasti, assorbe la luce solare i cui fotoni interagiscono con gli elettroni della clorofilla che

salgono di livello energetico.

Le molecole di clorofilla sono disposte su un grande complesso proteico noto come fotosistema (nell’antenna del

fotosistema) presente nella membrana tilacoide: gli elettroni delle clorofille si spostano da una molecola di

clorofilla all’altra fino ad arrivare ad una speciale coppia ci clorofille, situata sull’importante CENTRO DI REAZIONE,

che sposta irreversibilmente l’elettrone in un’altra molecola che lo stabilizza elettricamente. In questo processo

-

una clorofilla ha perso un e ma lo riacquista velocemente da un apposito donatore.

Lo scopo del cloro, tuttavia, è quello di produrre molecole organiche a partire da CO : per questo necessita sia di

2

energia ATP sia di potere riducente di NADPH; queste 2 molecole si producono da sintesi organica.

Un primo sistema proteico (fotosistema II) capta un fotone che eccita un elettrone che spostandosi

 -

giunge sino ad un altro fotosistema. Muovendosi, l’e , causa un gradiente di protoni verso lo stroma e

questo gradiente di protoni è usato dall’ATP sintetasi della membrana tilacoide per produrre ATP.

- -

Il secondo fotosistema (fotosistema I) accoglie l’e che arriva dal fotosistema II perché un e ha

 -

liberato un apposito spazio. L’e che ha lasciato il fotosistema I ha un altissimo livello energetico e può

+

ridurre NADP a NADPH.

L’elettrone che è stato perso dalla clorofilla è reintegrato da un donatore di elettroni come l’acqua.

 -

L’ossigeno dell’acqua viene catturato dal fotosistema II che gli preleva 4 e (con 4 diversi fotoni) e che

lo libera nella soluzione circostante come O .

2

La produzione di zuccheri a partire da CO è un processo che consuma molta energia ed è energeticamente

2

sfavorito: la reazione è nota come fissazione del carbonio e avviene nello stroma del cloroplasto. In esso un

apposito enzima, ribulosio-bifosfato-carbossilasi, unisce uno zucchero a 5 atomi di carbonio (legato a 2 fosfati) al

CO creando due 2-fosfoglicerati. Questa azione è possibile perché lo zucchero 1-3 ribosio bifosfato è sempre

2

presente nello stroma e ogni 3 CO consumati si produce un gliceraldeide 3-fosfato (base per molte sintesi) grazie

2

al consumo di 3 molecole di ATP e 2 di NADPH.

La gliceraldeide viene poi convertita in saccarosio (da usare) e come riserva in polimeri di glucosio (amido).

Compartimenti intracellulari e trasporto

Le reazioni cellulari avvengono in modo organizzato in modo che elementi di una via metabolica non interferiscano

con componenti di altre reazioni: questo avviene grazie agli organelli delimitati da membrana nei quali vi è uno

specifico insieme proteico in relazione alle funzioni espletate dall’organello stesso.

La cellula possiede un buon numero di organelli rivestiti da membrana: il più importante è il nucleo, che comunica

con il citosol per mezzo dei pori nucleari, segue il reticolo endoplasmatico (liscio e rugoso a seconda della presenza

o meno dei ribosomi sulla sua superficie citosolica) che sintetizza proteine per il suo interno, troviamo poi

l’apparato del Golgi che modifica e dirige proteine verso diversi compartimenti cellulari. Vi sono poi i lisosomi che

contengono enzimi digestivi, i perossisomi che degradano lipidi e molecole tossiche derivate dai radicali dell’O

2

(non hanno però attività endocitica e non contengono enzimi idrolitici) e gli endosomi che rilevano qualche

composto da molecole destinate ad esocitosi. Molti di questi organelli rivestiti da membrana probabilmente

originano da invaginazioni della membrana plasmatica che ha racchiuso in specifici comportamenti proteine con un

ruolo particolare. Anche mitocondri e cloroplasti fanno parte degli organelli rivestiti da membrana ma, avendo una

membrana doppia ed RNA e DNA propri si pensa siano originati da fagocitosi di batteri in epoche lontane.

Le proteine vengono sintetizzate, solitamente, sui ribosomi del RE e possono entrarvi (come entrano direttamente

anche nei mitocondri, nei cloroplasti e nei perossisomi) o restare confinate nel citosol e questo dipende dal segnale

su dove devono dirigersi che posseggono. Quelle entrate nel RE possono restarvi o spostarsi ad altri organelli.

Il passaggio delle proteine dal citosol all’organello con membrana avviene secondo 3 metodi: il passaggio

attraverso i pori nucleari (nel nucleo), la traslocazione dentro proteine traslocatori (la proteina deve svolgersi) o il

trasporto nelle vescicole di membrana. La destinazione della proteina è dovuto ad una sequenza segnale, ovvero

una sequenza di 60 aminoacidi, presente al momento della sintesi della proteina ed elisa da questa una volta che è

arriva a destinazione.

Trasporto nucleare

Il nucleo è avvolto da 2 membrane: la membrana interna ha siti di legame per i cromosomi e per la lamina

nucleare (complesso di fibre che sostiene il nucleo internamente) e quella esterna è simile a quella del RE.

Le membrane possiedono PORI NUCLEARI che permettono a molecole di entrare dentro e fuori dal nucleo (nel

poro avviene il trasporto in ambo i sensi): i pori sono proteine con canali acquosi dove passano liberamente

piccole molecole idrosolubili e invece risultano selettivi per molecole più grandi.

Le macromolecole che entrano nel nucleo (entrano proteine già sintetizzate ed esce mRNA e complessi ribosomici

montati nel nucleo) devono possedere un segnale di localizzazione nucleare (con molte lisine e arginine) che viene

rilevato nel citosol da recettori di importazione nucleare che si associano al segnale di localizzazione, portano la

proteina fino alle fibrille proteiche che costituiscono il poro, vi fanno entrare la proteina (il foro permette il

passaggio SOLO della proteina e non si allarga ulteriormente), vi si dissociano e tornano nel citosol.

Trasporto dentro mitocondri e cloroplasti

Mitocondri e cloroplasti sintetizzano da soli parte delle proteine necessarie alla sopravvivenza e altre devono

entrarvi dall’esterno. Le proteine del citosol dirette in mit. e clor. possiedono una sequenza segnale specifica che li

dirige all’interno degli organelli: le proteine entrano attraverso parti dove si congiungono la membrana interna ed

esterna dell’organello e per passare devono districarsi dalla strutture secondarie e terziarie per formare una catena

aminoacidica; quando passa, ci sono proteine che tagliano la sequenza segnale della proteina appena arrivata e ci

sono chaperon molecolari che aiutano la proteina a tornare alla conformazione tridimensionale all’interno

dell’organello.

Trasporto nel RE

Nel RE arrivano tutte le proteine che andranno a costituire la membrana plasmatica o la membrana di qualsiasi

altro organello (entrano parzialmente nella membrana del RE) o proteine che entrano nel lume del RE e sono

destinate a restarvi, ad andare nella cavità di qualche altro organello o ad essere secrete. Le proteine che entrano

nel RE hanno una sequenza segnale di circa 8 aminoacidi idrofobici (per passare nella membrana). L’entrata

dentro al RE avviene ancora prima che sia conclusa la sintesi della nuova proteina a partire dal ribosoma legato al

RE (esistono i ribosomi fissati a membrane che sintetizzano proteine destinate al RE e ribosomi liberi che

sintetizzano altre proteine).

La sequenza segnale della proteina diretta al RE viene “catturata” da una particella di riconoscimento del segnale

(SRP) che si lega alla sequenza segnale e inibisce la sintesi della proteina fin tanto che SRP stesso non si lega al

recettore per SRP situato sulla membrana del RE: quando la catena polipeptidica in formazione ha trovato

l’ingresso nel canale di traslocazione (in cui passa a filo) che collega il citosol con il lume del RE. Una volta che la

catena peptidica in formazione trova l’ingresso nel canale di traslocazione la SRP si separa dalla sequenza segnale

che si installa all’interno del canale di traslocazione: continua la proteino-sintesi e la catena aminoacidica forma

un’ansa all’interno del lume del RE e continua ad accumularsi in esso sino a che una peptidasi non elimina la

sequenza segnale che fa si che, appena arriva COOH della proteina, finisce la sintesi proteica.

Nel caso di proteine che devono restare inserite nella membrana del RE (e non entrare interamente nel lume) si

osserva una sequenza di inizio della traslocazione all’N-terminale che si fissa nel canale di traslocazione e ad un

certo punto si osserva, nel polipeptide in formazione, una una sequenza di arresto del trasferimento che si fissa

all’altro lato del canale di traslocazione e fa si che la sequenza di inizio si sposti dal canale di traslocazione: in

questo modo rimane una proteina per metà nel lato citosolico e per metà nel lume con la sequenza di arresto

fissata nel canale di traslocazione. Nel caso di proteine che hanno più anse nella membrana la sequenza di inizio di

traslocazione non si trova all’estremità N-terminale ma occorre dopo un po’ dall’inizio della sintesi, si sistema nel

canale transmembrana e così anche per la sequenza di arresto del trasferimento (che questa volta non sposta la

sequenza di inizio dal canale di traslocazione): se sono più di 2 le eliche che attraversano la membrana, dopo la

seq. di arresto, arriverà un’altra sequenza di inizio e così via. A causa di questo delicato processo di orientamento

della proteina ai lati della membrana, quando poi queste proteine si spostano ad altre membrane l’orientamento di

queste verrà conservato.

Trasporto vescicolare

Il passaggio dal RE al Golgi e dal Golgi agli altri organelli dotati di membrana avviene per gemmazione e fusione

delle vescicole di trasporto. Le vescicole di trasporto portano proteine specifiche lungo una via ESOCITICA o

ENDOCITICA. Le vescicole portano proteine specifiche dirette verso un luogo specifico e la destinazione è indicata

da proteine che restano associata alla membrana della vescicola di trasporto.

Le vescicole si formano per gemmazione dalla membrana dell’organello da cui provengono e sono rivestite (dal

lato citosolico) da proteine specifiche (il rivestimento viene perso quando la naviga nella cellula).

Le vescicole più studiate sono quelle con un rivestimento di clatrina: sono vescicole che vanno dal Golgi alla

membrana plasmatica o seguono la via endocitica. Si formano a partire da un’invaginazione della membrana che

presenta un rivestimento (sulla faccia citosolica) di clatrine: la separazione della vescicola avviene quando la

dinamina, una proteina, si lega alla base dell’invaginazione e fa contrarre la membrana in modo da permettere la

separazione della vescicola (usando energia da idrolisi di GTP).

La scelta del contenuto della vescicola avviene grazie alle adaptine, proteine che legano le clatrine di rivestimento

ad un recettore di carico legato a sua volta alla molecola/proteina da trasportare dentro la vescicola).

La vescicola si può dunque spostare all’interno della cellula lungo le fibre del citoscheletro ed è in grado di

riconoscere il suo organello bersaglio grazie ad una famiglia di proteine SNARE: le v-SNARE sono proteine

transmembrana che si trovano sulla vescicola e ne indentificano il contenuto e le t-SNARE sono recettori per le v-

SNARE all’interno della membrana bersaglio.

Quando la vescicola e l’organello di destinazione si trovano in prossimità il contenuto della vescicola è riversato nel

lume dell’organello e la membrana della vescicola si fonde con quella dell’organello grazie ad un’associazione tra

v-SNARE e t-SNARE che escludono l’acqua dal luogo dove le membrane si fondono.

ESOCITOSI

Nel percorso che portano molecole dall’interno all’esterno della cellula le molecole stesse attraversano diversi

organelli e subiscono alcune modifiche.

RE Sono presenti enzimi che catalizzano la creazioni di ponti disolfuro (ossidando catene laterali di cisteina) e

enzimi glicosilanti che aggiungono catene di oligosaccaridi alle proteine, nel processo noto come glicosilazione

creando delle glicoproteine. Le glicoproteine possono funzionare come segnali di riconoscimento (se esposti su

membrane o per segnalazioni cellulari).

L’oligosaccaride, in origine, è legato ad dolicolo (lipide associato alla membrana del RE) e tramite un enzima viene

attaccato alla catena laterale di un’asparagina della catena di aminoacidi (che ha intorno una sequenza specifica

che contrassegna l’asparagina come sito di glicosilazione). L’oligosaccaride non è legato monosaccaride per

monosaccaride ma viene attaccato in un blocco unico di 14 monosaccaridi e quando viene legato all’N-terminale

dell’asparagina si chiama oligosaccaride legato a N.

Molte proteine sono trattenute poi nel RE (magari dopo essere passate per il Golgi) grazie ad un segnale di

ritenzione nel RE che ha un suo recettore a livello della membrana del RE rivolta verso il Golgi. La maggior parte

delle proteine, tuttavia, viene trasportata, mediante vescicole verso altri organelli, primo fra i quali il Golgi: per

poter passare nel Golgi c’è una selezione basata sull’aggregazione della proteina, ovvero, se la proteina non ha

completato la sua conformazione tridimensionale, ci sono gli chaperon che trattengono la p. dentro il RE dove

“maturano” o vanno incontro a degradazione se difettose.

Golgi L’apparato del Golgi è formato da una serie di sacche membranose, dette cisterne, appiattite le une sulle

altre a formare delle pile (il n° di sacche varia da cellula a cellula) e il lato rivolto verso il RE è detto cis mentre

quello rivolta vs la membrana plasmatica è detto trans: le proteine entrano nel lato cis e proseguono di cisterna in

cisterna per gemmazione di vescicole (tranne quelle che tornano nel RE per mezzo dell’apposita sequenza) e

all’interno di esse subiscono ulteriori modifiche soprattutto a livello degli oligosaccaridi aggiunti; alla fine giungono

nel lato trans dove per gemmazioni vengono dirette vs i lisosomi o verso la membrana plasmatica.

Secrezione Le vescicole che lasciano il Golgi trans possono seguire due vie di esocitosi: l’esocitosi

costitutiva/default e l’esocitosi regolata. Nel primo caso le proteine nel lume del Golgi, per gemmazione, si

dirigono vs la membrana plasmatica e andranno a collocarsi come lipidi o proteine dentro esse o secrete nello

spazio extracellulare; nel caso dell’esocitosi regolata, invece, le proteine si accumulano nel Golgi trans e vengono

immagazzinate nelle vescicole secretorie (delle cellule secretrici) che si accumulano sul lato citosolico della

membrana plasmatica e fuoriescono nello spazio extracellulare solo dopo apposito segnale cellulare.

Vie endocitiche

Le cellule hanno bisogno di incorporare materiale che serviranno poi al metabolismo cellulare o composti che

devono andare incontro a distruzione e questo è possibile per la via endocitica. Esistono 2 vie endocitiche.

Fagocitosi Cellule specializzate, i fagociti, sono in grado di inglobare intere cellule o macromolecole che vanno

incontro a distruzione: il composto da inglobare si approssima alla membrana plasmatica che lo riconosce come

elemento da fagocitare (come nel caso degli anticorpi, legati all’microorganismo invasore e riconosciuti da appositi

recettori sulla membrana delle cellule fagocitarie) e allunga la sua membrana a formare dei pesudopodi che

avvolgono il microorganismo e poi lo inglobano nella vescicola detta fagosoma, che poi si dirige verso il lisosoma,

vi fonde la membrana (formando fagolisomi) e in esso avverranno le reazioni digestive o distruttive.

Pinocitosi La membrana plasmatica e fluidi sono costantemente inglobati per pinocitosi, ovvero formazione di

fossette rivestite (come vescicole rivestite da clatrina) che accerchiano fluido extracellulare e sue componenti e si

dirigono (dopo aver perso il rivestimento di clatrina) verso l’endosoma che rileva le molecole utili prima che esse

vengano degradate dal lisosoma. La pinocitosi non è un sistema selettivo e se vi è necessita di selezionare

molecole specifiche che devono entrare nella cellula l’inglobamento di queste è garantito dalle recettori che legano

alcune precise molecole che verranno poi racchiuse nelle vescicole rivestite da clatrina.

* Colesterolo: Il colesterolo è completamente insolubile in acqua e viaggia negli spazi extracellulari legato a

proteine dette lipoproteine a bassa densità (LDL). Le LDL, legate a colesterolo, arrivano alla membrana plasmatica

e si legano ad appositi recettori che permettono la pinocitosi del colesterole; le vescicole che lo contengono si

dirigono vs gli endosomi che con pH più acido rispetto al citosol causano la dissociazione del LDL dal recettore (che

viene riutilizzato) e poi la LDL, per gemmazione, giunge al lisosoma dove il colesterolo è degradato nelle unità

costituenti e utilizzato per sintetizzare nuova membrana. Se manca il recettore si è facilmente colpiti da

aterosclerosi perché le LDL non sono inglobate nella cellula. Molti componenti, come B12 e ferro sono inglobati

nella cellula per pinocitosi. +

Endosomi: Organelli con pH acido mantenuto da una pompa che porta H dentro l’organello (consumando ATP)

che ha il compito di separare i recettori dalle molecole bersaglio appena inglobate. Esistono due tipi di endosomi:

quelli precoci, situati subito sotto la membrana plasmatica, che poi a forza di inglobare vescicole della pinocitosi,

diventano grandi endosomi tardivi (con più vescicole all’interno) posti in prossimità del nucleo. I recettori liberati

dal bersaglio possono poi tornare alla stessa o a diverse zone della membrana plasmatica di origine o andare

incontro a degradazione nei lisosomi.

Lisosomi: Organelli a pH acido (sempre grazie ad una pompa protonica) che contiene molti enzimi in grado di

idrolizzare i diversi componenti che vi arrivano. La membrana dell’organello è particolare perché ha il compito di

trasportare gli elementi degradati nel citosol, di proteggere il citosol dal pH acido dell’organello ed è composto da

oligosaccaridi con gli zuccheri rivolti nel lume dell’organello per evitare l’autodigestione della membrana da parte

di enzimi appositi. Gli enzimi idrolitici sono sintetizzati nel RE e poi passano nel Golgi e fintanto che non arrivano

nel lisosoma sono muniti di un cappuccio di uno zucchero fosforilato (mannosio 6-fosfato) che si lega, a livello dl

Golgi trans, ad un recettore per il mannosio che indirizza gli enzimi digestivi vs il lisosoma. I lisosomi oltre a

ricevere il materiale sono anche capaci di inglobare altri organelli (rivestendoli di una doppia membrana) e di

digerirli nel processo di autofagocitosi.

Comunicazione cellulare

La comunicazione cellulare si basa principalmente sulla trasduzione del segnale, nella quale una cellula

segnalatrice invia una molecola segnale che viene captata dal recettore di una cellula bersaglio che, in base

all’”informazione portata dalla molecola segnale, varia il suo comportamento intracellulare.

Esistono 4 tipi di segnalazione cellulare:

 Endocrina: tramite la secrezione di ormoni dalle cellule endocrine il segnale viene trasmesso diffusamente

in tutto l’organismo

 Paracrina: Il messaggio viene trasmesso solo localmente tramite lo spostamento della molecola segnale

che funge da mediatore locale (es. risposta locale alle infezioni)

 Neuronica: Il segnale è trasmesso in zone ove sono prossime le due cellule ma grazie agli assoni e ai

dendriti percorre molta distanza

 Contatto-dipendente: La molecola bersaglio si trova nella membrana della cellula segnale e agisce sul suo

recettore posto nella membrana della cellula bersaglio

La cellula organizza il suo comportamento intracellulare sulla base dei recettori che predispone per la “ricezione”

delle molecole bersaglio: ogni cellula avrà da 10 a 100 recettori che regolano parte della sua attività interna

quando arriva la molecola segnale in quanto stimolano risposte e variazioni di mediatori intramolecolari.

Il meccanismo più comune di comunicazione cellulare è la SEGNALAZIONE A CASCATA: in questo fenomeno si

osserva una molecola segnale che arriva al recettore che, con la trasduzione primaria, evoca un segnale

intracellulare che sarà via via trasmesso modificandone la forma sino ad arrivare alla risposta cellulare.

Le caratteristiche del segnale a cascata sono quella della trasduzione del messaggio da una forma all’altra, della

trasmissione del segnale, dell’amplificazione del segnale (in modo che con pochi passaggi si ottenga un’ampia

risposta), di distribuzione del segnale (anche in parallelo) e di modifica per co-fattori dell’informazione.

Esistono 2 categorie di molecole segnale: le prime sono troppo grandi per superare le membrana plasmatica e

necessitano di recettori per influenzare qualche attività intracellulare, le altre sono piccole e possono diffondere

nella membrana.

E’ quest’ultimo il caso del NO (ossido nitrico) che entra nella cellula e attività qualche attività enzimatica (nel

tessuto endoteliale causa il rilassamento delle pareti dei vasi) come la produzione di GMP ciclico (guanilato ciclasi)

a partire dal nucleotide GTP; può agire solo come mediatore locale perché viene velocemente trasformato in altri

composti con l’azoto e l’acqua.

Un altro caso di recettori che superano la membrana plasmatica è quello degli ormoni steroidei (cortisolo,

estradiolo e testosterone) e ormoni tiroidei (tiroxina) che, una volta entrati nella cellula si legano a specifici

recettori citosolici o prossimi al nucleo che causano la modifica dell’espressione genetica. Solitamente vi è un

recettore specifico per ogni ormone e la mancanza dei recettori ha gravi conseguenze per lo sviluppo.

Le molecole segnali grandi necessitano di recettori sulla membrana della cellula bersaglio che, quando legata alla

molecola segnale, inducono una variazione a livello intracellulare. Esistono 3 categorie di recettori molecolari: i

recettori annessi a canali ionici, i recettori accoppiati a proteine G e i recettori legati ad enzimi.

Recettori annessi a canali ionici Sono recettori che mediano una risposta molto rapida che, legandosi alla

molecola segnale, esposta sul lato extracellulare del recettore, subiscono un cambiamento conformazionale che

apre o chiude il canale ionico permettono ad un tipo specifico di ione di entrare o uscire dalla cellula secondo

gradiente di concentrazione: questo spostamento di ioni genera una corrente elettrica che evoca una variazione

2+

del potenziale di membrana e sviluppa un potenziale d’azione o altri effetti se lo ione entrante è Ca .

Molecole segnale Sono molecole che si legano a recettori legati a enzimi o a recettori accoppiati a proteine G.

Questi due tipi di recettori, quando ricevono la molecola segnale evocano principalmente l’attivazione o la

deattivazione di qualche proteina che modificano la sua attività evoca modifiche nelle proteine della via di

comunicazione del segnale. Le principali proteine che fanno parte della via di comunicazione del segnale sono

proteine che tramite fosforilazione o defosforilazione (aggiunta di un gruppo fosfato) si attivano o deattivano

causando variazioni in altre proteine (sono proteine che spesso sono esse stesse delle protein chinasi che, se

fosforilate, inducono la fosforilazione della proteina successiva) o proteine che si attivano o deattivano a seconda

che leghino GTP a GDP.

Recettori accoppiati a proteine G

Sono recettori costituiti da una proteine transmembrana che passa 7 volte a/r per la membrana plasmatica.

Quando legano il segnale extracellulare (ne legano numerosi tipi) cambiano conformazione e interagiscono con

una proteina G posta sul lato citosolico della membrana.

Esistono tante tipologie di proteine G in base al recettore con il quale interagiscono ma la struttura è pressoché

simile: sono composte da 3 unità α,β e γ e due di queste subunità sono collegate alla membrana plasmatica per

mezzo di piccole code di lipidi.

Funzionamento proteina G La proteina G si trova spesso legata a GDP che rende inattivata la proteina G.

Quando il recettore lega la molecola segnale e interagisce con la proteina G, la subunità α lega GTP e si separa

dalle altre subunità che andranno a formare un complesso βγ: le due subunità separate influenzano bersagli

diversi posti sulla membrana plasmatica fintanto che non ritornano nella forma associata; la subunità α ha

capacità di idrolisi di GTP che quindi torna in forma GDP relativamente presto, causando la riassociazione della

proteina G che torna nello stato inattivo. Molti batteri/patologie causano l’incapacità della subunità α di associarsi a

GTP o ad idrolizzarlo causando un’informazione assente o troppo prolungata.

Influenza di canali ionici: Come sopra affermato, sia la subunità α che la subunità βγ possono andare a influenzare

l’attività di bersagli intracellulari come nel caso della subunità βγ che se attività dal recettore che lega Ach nelle

cellule del miocardio induce un cambiamento conformazionale di un canale ionico (legandosi al lato citosolico del

+

canale ionico) e permettendo un’uscita di K dalla cellula che inibisce l’attività del miocardio.

Influenza di enzimi: Le proteine G possono andare a stimolare l’attività di vari enzimi di cui i più importanti sono

l’adelinato ciclasi e la fosfolipasi C che producono piccole molecole dette secondi messaggeri come l’AMP ciclico e

l’inositol trifosfato/diacilglicerolo che diffondono rapidamente all’interno della cellula.

 Stimolazione dell’adenilato ciclasi (che produce AMP ciclico): La subunità α della proteina G induce una

s

variazione dell’attività dell’adenilato ciclasi che si trova a produrre in abbondanti quantità (se l’enzima è

attivo) di AMP ciclico a partire da ATP. Esiste poi l’AMP ciclico fosfodiesterasi che ha il compito di degradare

AMP ciclico ad AMP semplice (la caffeina induce una fortissima attività nel lavoro dell’adenilato ciclasi).

Sono diverse le risposte che conseguono all’aumento della concentrazione di cAMP dentro la cellula ma,

solitamente, il cAMP interagisce con un enzima detto protein-chinasi cAMP dipendente che può fosforilare

serina e treonina di enzimi diversi inducendo diverse risposte a livello intracellulare. La risposta

all’aumento di cAMP può essere sia lenta che veloce.

 Stimolazione della fosfolipasi C: la proteina G stimola l’attività dell’enzima fosfolipasi C che taglia una

molecola di inositol fosfolipide (inserito nella membrana plasmatica e composto da un fosfolipide +

zucchero), precisamente la testa fosfoglucidica della molecola, creando due diversi secondi messaggeri che

sono l’inisotol 1,3,5, trifosfato (IP3) e il diacilglicerolo (DAG). L’IP3 è una zucchero+fosfato che sono

idrofilici e diffondo nel citoso, il DAG è la parte lipidica dell’ex inositol fosfolipide e resta dentro la

membrana plasmatica. 2+

L’IP3 diffonde nel citosol e va a stimolare l’apertura dei canali per Ca del RE con uscita dello ione nel

citosol, il DAG recluta una protein chinasi, PKC, in prossimità della membrana plasmatica che funziona se

2+

stimolata dal Ca che è in grado di produrre diverse modifiche a livello intracellulare (in base al tessuto).

2+ -7

Ca : Le concentrazioni del calcio nel citosol sono molto basse (10 ) grazie al lavoro di pompe che portano questo

2+

ione fuori dalla cellula o dentro al RE. L’aumento di Ca per mezzo di diversi segnali permette a questo ione di

legarsi a molte proteine sensibili che incrementano la loro attività solitamente nulla (come la secrezione di

neurotrasmettitore da parte del terminale assonico). Il calcio non influenza direttamente l’attività proteica

2+

responsabile delle modifiche intracellulari ma si associa a proteine che legano lo ione Ca (la più comune è la

2+

calmodulina) che a loro volta, quando sono associate al Ca si associano ad altre proteine bersaglio note come

2+

protein chinasi Ca /calmodulina dipendenti che fosforilano altre proteine.

Recettori legati a enzimi

Sono recettori che hanno da sé attività enzimatica o sono legati a proteine che hanno attività enzimatica: la

risposta può essere molto lenta, come quella che porta alla modificazione dell’espressione genetica o veloce, come

quella per la modifica del citoscheletro (solitamente la proteina segnale è situata sulla parete/cellula su cui la

cellula bersaglio si muove). La classe più nota di questi recettori ha il dominio citoplasmatico che ha attività di

tirosin chinasi, che fosforila catene laterali di tirosina di diversi tipi cellulari.

I recettori tirosin chinasici sono composti da una sola elica α che attraversa la membrana che non è sufficiente a

determinare un cambio conformazionale della molecola: perché si abbia l’inizio dell’attività enzimatica due

recettori si avvicinano (quando arriva una sola molecola segnale) e si uniscono le loro code a livello intracellulare

che si fosforilano a vicenda (la tirosina presente nelle code). Quando si osserva la fosforilazione delle due code

queste diventano siti di legame per molte molecole che, associati alla coda del recettore tirosin-chinasico, hanno

attività che modificano diversi comportamenti intracellulari. Il recettore possiede anche un enzima, detto protein-

tirosin-fosfatasi, che defosforila le code fosforilate che si separano dai ligandi proteici intracellulari. Sono

moltissime le molecole che si legano alle code del recettore fosforilate e una delle più frequenti è un enzima noto

come fosfatidil insitol 3-chinasi che fosforila l’inositol fosfolipide (quello nella membrana plasmatica che diventa

PI3 e DAG) che, se fosforilato, diventa sito di attacco per la protein chinasi B (PKB) che a sua volta fosforila serine

e treonine di altre cellule.

La via di segnalazione più nota di questi recettori porta al nucleo ed è causa della proliferazione cellulare

incontrollata del tumore. I recettori tirosin chinasici solitamente hanno un ruolo nell’aggregare composti

multiproteici e tra questi un ruolo molto importante è svolto dalla proteina RAS (quasi tutti i recettori proteici

attivano RAS) che lega GTP. La proteina RAS è attivata da una proteina attivatrice di RAS legata indirettamente

(per mezzo di altre proteine) al recettore legato alla molecola segnale. Quando RAS viene attivata e si lega a GTP,

parte la cascata MAPchinasica induce una serie di fosforilazioni a cascata che finiscono con al fosforilazione di una

MAP chinasi (fosforilata da una MAP chinasi-chinasi e così via) che a sua volta fosforila serine e treonine di

proteine regolatrici di geni che influenzano l’espressione genica inducendo la divisione cellulare e dunque la

proliferazione di alcune cellule.

Un’altra via di segnalazione prevede che i recettori non sono enzimi e che il loro legame con molecole segnale note

come citochine induca delle tirosin chinasi del citoplasma associate ai recettori (JAK) a fosforilarsi e a fosforilare a

loro volta delle proteine STAT che direttamente, senza intermediari, vanno a modificare l’attività delle proteine che

regolano l’espressione genetica. La fine del segnale avviene quando una protein-fosfatasi toglie il fosfato dalle JAK.

Un’altra famiglia di recettori con attività enzimatica diretta sono i recettori del GTF β che, una volta legata la

molecola segnale si fosforilano a vicenda e reclutano l’avvicinamento di enzimi che direttamente regolano il

segnale che poi si associano tra loro e migrano nel nucleo a modificare l’attività delle proteine regolatrici.

Sono 4 le principali vie di segnalazione cellulare (e ve ne sono altri minori) e la complessità della trasmissione del

segnale è anche dovuta al fatto che le diverse protein-chinasi che fosforilano altre chinasi della via di segnalazione

contribuiscano anche a influenzare segnali di altre vie rendendo completo il sistema di segnalazione.

Citoscheletro

Il citoscheletro è lo scheletro della cellula, costituito da 3 tipologie di filamenti proteici diversi che si diramano

lungo tutta la cellula, la sostengono e le permettono di muoversi e di contrarsi.

I tre filamenti sono i microtubuli, i filamenti intermedi e i filamenti di actina.

Filamenti di actina

Di dimensioni intermedie rispetto agli altri filamenti garantiscono alla cellula resistenza alla trazione e

costituiscono, oltre che parte dello scheletro cellulare, la lamina nucleare. Sono proteine fibrose allungate

composte da una testa N-terminale e una coda C-terminale: il centro è un dominio proteico molto allungato. I

domini centrali di due filamenti di actina si avvolgono tra loro in una spirale ritorta e due dimeri di actina si

uniscono per legami non covalenti in una struttura falsata che a sua volta si unisce ad un’altra struttura per

formare il filamento di actina. Le teste e le code sono molto importanti per le interazioni tra questi filamenti e altri

elementi cellulari.

Svolgono il loro compito allungandosi e ridistribuendo le forze applicate localmente, impedendo lo stiramento della

cellula.

Esistono 4 tipologie di filamento in base alla subunità che polimerizza a formare il filamento: filamenti di cheratina,

f. di vimentina e proteine vimentina omologhe (in glia, cellule del connettivo e nervose), neurofilamenti, lamina

nucleare. I più importanti sono i filamenti di cheratina, composti da diversi tipi di cheratina e localizzati nelle

cellule epiteliali, attraversano tutto lo spazio cellulare e collegano tra loro le cellule in zone dette desmosomi (i

filamenti si ancorano ai desmosomi che collegano le cellule) e servono a garantire la resistenza alla trazione della

pelle. Ai filamenti di actina, spesso, si trovano ancorate delle proteine che aumentano la resistenza alla trazione

del filamento e lo uniscono agli altri filamenti e ai desmosomi (la pectina è una di queste).

Lamina nucleare I filamenti sono composti dalla subunità lamine e non costituiscono un robusto strato

meccanismo ma formano uno strato bidimesionale che costantemente si polimerizza e depolimerizza in base alla

fosforilazione (che fa disaggregare i filamenti della lamina nucleare) o defosforilazione.

Microtubuli

Sono cavi molto lunghi che dipartono da un centro prossimo al nucleo e si diramano per tutta la cellula.

Garantiscono lo spostamento delle vescicole di trasporto e ancorano gli organelli con membrana in posizioni fisse;

inoltre costituiscono il fuso mitotico (molto importante nelle divisioni cellulari) e sono elementi costituenti di ciglia

e flagelli dove garantiscono capacità motorie alla cellula.

Un microtubulo è costituito da 13 filamenti allineati (a formare un lume centrale) che presentano un’alternanza

delle proteine glomerulari tubulina α e tubulina β: a causa di questa alternanza di proteine il microtubulo ha una

sua polarità con un’estremità α (meno) e un’estremità β (più) che serve ad orientare il trasporto e garantisce

funzionalità diverse alle 2 cellule.

I microtubuli si sviluppano tutti a partire dal centrosoma, strutture poste in prossimità del nucleo che si disfano

quando la cellula si trova in mitosi: i centrosomi sono costituiti da numerosi anelli di tubulina γ e ognuna di queste

tubuline fa da centro di nucleazione per l’attacco di un dimero αβ che cresce solo in direzione dell’estremità più

(senza questi i dimeri non potrebbero allungarsi, anche se polimerizzano spontaneamente, perché le

concentrazioni di αβ sono troppo basse) . All’interno dei centrosoma si osservano delle piccole strutture di tubuline

molto corte con forma cilindrica che non costituiscono sito di nucleazione e non si sa a cosa servano.

Nei microtubuli si osserva il fenomeno dell’instabilità dinamica, ovvero il microtubulo in un momento cresce e nel

momento successivo si accorcia rapidamente fino anche a riformarsi da zero questo perché ogni dimero è

associato a GTP ma è anche capace di idrolizzare GTP a GDP: quando si aggiungono tubuline senza idrolizzare GTP

(l’idrolisi avviene spontaneamente) il microtubulo è stabile, se mentre cresce idrolizza GTP il microtubulo è

instabile e tenderà, rapidamente, a decrescere (anche quando si crea un microtubulo di solo dimeri-GTP può

decrescere perché prima o poi GTP verrà idrolizzato e il dimero tenderà alla dissociazione); quando il dimero

decresce rende disponibili nel citosol le tubuline per altri microtubuli. La dissociazione del microtubulo può essere

impedita se il microtubulo si aggancia, nel terminale più, ad una struttura che impedisce la disaggregazione del

microtubulo: ci sono sostanze, usate in terapie antitumorali, che impediscono la polimerizzazione o

depolimerizzazione del microtubulo che, in particolar modo, non riesce a costituirsi formando il microtubulo e porta

alla morte della cellula in fase di divisione.

I microtubuli, quando una cellula è matura e differenziata, sopprimo l’instabilità dinamica aggregando i microtubuli

a proteine di sostengono che impediscono il cresce e decrescere del microtubulo: in tal modo si possono creare,

all’interno della cellula delle strutture permanenti per ancorare organelli o per permettere vie di trasporto

vescicolare.

Attaccati a microtubuli e fil. di actina troviamo delle proteine motrici che, con un movimento saltatorio, dovuto ad

idrolisi di ATP, percorrono il citoscheletro legando a loro altri componenti cellulari. Nei microtubuli osserviamo le

chinesine (che si muovono in direzioni più) e le dineine (direzione meno): entrambe hanno due teste globulari

legate al microtubulo e con capacità di idrolisi di ATP, grazie alla quale ricevono energia per spostarsi, e una coda

che lega qualche specifico componente cellulare. La posizione degli organelli con membrana dentro al citoplasma è

dovuto al fatto che le dineine o le citochine, percorrendo i microtubuli, tirano in direzione centrifuga o centripeta le

membrane di questi organelli (che hanno recettori per queste proteine) rendendo stabile la loro posizione.

Ciglia Le ciglia sono estroflessioni della cellula, ricoperte da membrana plasmatica, che all’interno sono

costituite da un fascio di microtubuli con alla base un corpuscolo basale, come centro organizzatore, che

permettono alla cellula di spostarsi in un fluido o di sospingere particelle della matrice extracellulare in una precisa

direzione: questo è possibile per il movimento di natura ondulatoria del ciglio e solitamente, si trovano molte cilia

in poco spazio.

Flagello Il flagello ha la stessa struttura del cilio ma è più lungo e ha un movimento ondulante nel senso della

lunghezza e permette all’intera cellula di spostarsi (come nel caso dello spermatozoo)

* Cilia e flagelli hanno microtubuli organizzati diversamente: si osserva una struttura cava composta da 9 coppie

di microtubuli associati tra loro tramite apposite proteine (nexine) e una coppia di microtubuli centrali nella cavità;

i due microtubuli centrali si spostano uno sull’altro grazie alla dineina ciliare e il movimento viene propagato lungo

le altre coppie di microtubuli in modo da garantire il movimento ondulatorio di cilia e flagelli.

Filamenti di actina

Sono strutture versatili composte da actina associati a proteine che legano actina e che, nella cellula, si trovano

come estroflessioni per il movimento, villi intestinali o nell’anello di strozzatura nella mitosi.

Sono composti da proteine di actina associate da loro sempre nella stessa direzione (quindi vi è polarità) e

costituiscono catene robuste e numerose. L’associazione di questi filamenti è simile a quella dei microtubuli: ogni

monomero è legato ad ATP e ha capacità idrolitiche e, se idrolizza ATP ad ADP il filamento perde in stabilità e

tende a dissociarsi; è importante questa instabilità per permettere il movimento cellulare. La percentuale di

monomeri di actina all’interno della cellula è molto alta e per questo motivo ci sono apposite proteine, timosina e

profilina, che si legano all’actina impedendole di polimerizzare a caso; ci sono anche tante altre proteine che

legano actina e che la rendono capace di asservire diverse funzionalità.

Cortex cellulare I filamenti di actina sono particolarmente concentrati sotto la membrana plasmatica per

garantire sostengono ad essa e resistenza meccanica oltre che a garantire proprietà meccaniche.

Movimento cellulare Il cortex cellulare può rapidamente allungare i filamenti di actina e creare estroflessioni

della membrana che possono essere composte da una rete di filamenti di actina (lamellipodi) o da un fascio

organizzato di filamenti (filipodi) che si allungano sul margine guida della cellula senza rompere la membrana

plasmatica. Una famiglia di proteine che lega actina (ARP) permettono di creare allungamenti dei filamenti di

actina del cortex cellulare per formare la rete necessaria per filipodi e lamellipodi e, altre proteine, “smontano” la

rete dal lato opposto del margine guida per fare avanzare la cellula.

Lamellipodi e filipodi, quando trovano un terreno extracellulare adatto, vi si ancorano grazie a delle proteine

transmembrana, integrine, che si legano alle molecole extracellulari e ai filamenti di actina intracellulari

garantendo anche la contrazione della cellula (anche grazie alla proteina motrice miosina) che dunque si sposta.

Tutte le proteine motrici che legano actina sono le MIOSINE: la miosina I, quella più semplice, è formata da una

testa che si lega al filamento di actina (grazie all’idrolisi di ATP) e una coda che lega vari componenti cellulari.

Le proteine accessorie che legano actina sono influenzate da segnali extracellulari che si legano a specifici recettori

proteici posti sulla membrana plasmatica. Una grande famiglia di proteine che influenza il comportamento dei

filamenti di actina sono le proteine Rho, associate a GTP in forma attiva e GDP in forma inattiva, di cui ne esistono

diverse tipologie: se si attiva la proteina Cdc42 i filamenti di actina tenderanno a nucleare a livello del complesso

ARP e a creare filipodi, se si attiva Rac si creeranno lamellipodi eliminando i cappucci a GTP dell’actina.

Contrazione muscolare Tutti i movimenti di contrazione sia muscolare sia per il movimento sono garantiti

dall’interazione tra actina e miosina II. La miosina II è costuita da un dimero di molecole che si avvolge unendo le

teste da un lato e le code (a spirale ritorta) dall’altro; due dimeri si uniscono con le teste in direzione opposta in

modo tale che un fascio di miosine presenti 2 teste ad ogni lato e una parte centrale di code intrecciate: 2 teste da

un lato si legano a un filamento actinico, 2 teste dall’altro ad un altro filamenti actinico e, grazie a forza ATPasica, i

due filamenti di actina scorrono tra loro accorciandosi e allungandosi grazie alla miosina II.

Le cellule del muscolo scheletrico si sviluppano dalla fusione di tante cellule e quindi esistono cellule plurinucleate

con i nuclei posti in prossimità della membrana plasmatica. Il citosol è prevalentemente costituito da elementi

contrattili dette miofibrille, ognuna costituita dall’unità contrattile del sarcomero.

Il sarcomero è composto da linee Z alle estremità cui sono ancorati i filamenti di actina e una zona scura centrale

in cui sono presenti i filamenti di miosina II (in parte sovrapposti alle actine). Quando si osserva la contrazione del

muscolo ci sono i sarcomeri che si contraggono perché le teste di miosina, per idrolisi di ATP, “camminano” sui

filamenti di actina tirandoli verso il centro e causando quindi un loro avvicinamento.

 La miosina è legata all’actina in RIGOR (dal rigor mortis, casuato dal blocco in questa posizione)

 Arriva ATP che si lega al solco maggiore della miosina causando un piccolo cambiamento in conformazione

che separa i due filamenti.

 Si idrolizza l’ATP e dentro la miosina rimane ADP + Pi che sposta la miosina in avanti

 La testa della miosina si lega prima debolmente poi più strettamente e questo causa la dissociazione

dell’ADP

La contrazione del muscolo scheletrico è garantita da terminazioni nervose che avvolgono le cellule del muscolo

scheletrico. Quando arriva il potenziale d’azione questo invade tutta la membrana plasmatica delle cellule dello

scheletrico e si propaga grazie a dei tubi di membrana detti tubuli a T che, circondano le miofibrille e avvolgono il

2+

reticolo sarcoplasmatico (un RE molto specializzato e pieno di Ca ): quando il RE sarcoplasmatico riceve il p.

2+

d’azione rilascia immediatamente ioni Ca che inducono la contrazione. Solitamente, ai filamenti di actina, è

legata la tropomiosina, che impedisce ai filamenti di associarsi ai f. di miosina: quando aumenta la concentrazione

2+

di calcio intracellulare la troponina (proteina sensibile al Ca ) scosta la tropomiosina e permette ai f. di actina e di

2+

miosina di associarsi e iniziare la contrazione. Terminato il p. d’azione la concentrazione di Ca cala e la

tropomiosina si riassocia all’actina impedendo l’attacco con la miosina.

Nei muscoli lisci la contrazione è garantita da enzimi che fosforilano/defosforilano direttamente la miosina.

Controllo del ciclo cellulare e apoptosi

Il ciclo cellulare è diviso in 5 fasi racchiuse nelle due principali categorie di FASE M e INTERFASE.

Nel corso della fase M si ha la duplicazione del nucleo e la divisione della cellula in due cellule figlie (citochinesi).

Nell’interfase si osservano 3 momenti: G1 (la cellula cresce, divide gli organelli, controlla il suo stato interno), la

fase S (sintesi del DNA) e G2 (simile a G1). Le fasi G1 e G2 sono momenti di accrescimento cellulare e di controllo

e costituiscono il tempo maggiore del ciclo cellulare (nel caso delle divisioni di segmentazione in cellule embrionali

che da 1 uovo formano la blastocisti –molte cellule più piccole – le fasi G1 e G2 durano pochissimo in modo da non

permettere troppo aumento della circonferenza cellulare) e, la fase G2 inizia con il compattamento di cromosomi.

Nelle fasi di G1 e G2 sono presenti punti di controllo nei quali la cellula si arresta (sono segnalazioni feedback della

realtà intracellulare) se qualche fase del procedimento non è andato a buon fine o non è terminato: nel punto di

controllo G1 la cellula vede se l’ambiente extracellulare è favorevole all’avanzamento alle fasi successive (tramite

molecole segnale) e se il DNA è pronto per entrare nella fase di sintesi, nella fase G2 si controlla se il DNA ha

terminato la replicazione e può iniziare la suddivisione dei cromosomi. Se nei punti di controllo la cellula vede che

qualche fenomeno non è andato a buon termine essa entra nella fase di quiescenza detta G0.

Nella divisione cellulare intervengono due “macchine”: quella che duplica le componenti cellulari e quella che le

divide nelle cellule figlie. Queste macchine hanno l’attività regolata dal complesso proteico del sistema di controllo

del ciclo cellulare.

Le proteine che regolano il ciclo cellulare e inducono la cellula ad entrare in una fase piuttosto che l’altra sono delle

protein chinasi che fosforilano o defosforilano altre proteine coinvolte in una fase o nell’altra. La concentrazione di

queste protein-chinasi è sempre presente ma la loro attività è regolata, a monte, da alcune proteine note come

CICLINE, con concentrazioni diverse a seconda della fase del ciclo cellulare, che attivano o deattivano le protein

chinasi: per tale motivo queste ultime sono note come protein-chinasi ciclina dipendente (Cdk).

E’ dunque il legame ciclina-Cdk che determina l’avanzare del ciclo cellulare.

Funzionamento delle cicline Le cicline che determinano l’ingresso nella fase M vengono sintetizzate a partire

dall’inizio di G1 e, accumulandosi, fanno sì che dopo G2 abbia inizio la fase M, grazie a M-Cdk. Nel corso della fase

M si ha una degradazione rapidissima delle cicline M, in quanto le stesse cicline promuovono l’attivazione di un

aggregato proteico noto come APC (complesso promotore dell’anafase) che lega le cicline alle ubiquitine che a loro

volta portano le cicline nei proteasomi, macchine proteiche che degradano le proteine. Una volta degradate le

cicline M, le Cdk non hanno la ciclina M cui legarsi e non promuoveranno l’ingresso in fase M fino a che le cicline M

non si saranno riaccumulate.

L’attivazione del complesso Cdk alle fine di G2 e non prima è dovuto all’aggiunta di un fosfato attivatore (da

protein chinasi) e alla rimozione di un fosfato inibitore (da protein fosfatasi) che permettono al complesso ciclina-

Cdk di attivarsi e promuovere l’attività di proteine coinvolte direttamente nella fase M (proteine che inducono il

compattamento di cromosomi, che inducono la dissoluzione dell’involucro nucleare e via dicendo).

Esistono varie cicline e vari complessi Cdk che legandosi e funzionando bene o male come M-Cdk inducono il

passaggio a fasi diverse del ciclo cellulare.

S-Cdk: Complesso ciclina-Cdk che controlla l’avvio e la conclusione della replicazione. La replicazione inizia grazie

a complessi proteici che si aggregano nel pt di origine della replicazione: in questo punto del DNA si lega ORC

(complesso di riconoscimento dell’origine) che, richiamando altre proteine tra le quali Cdc6 (la cui concentrazione

aumenta solo alla fine di G1) forma un complesso pre-replicativo che sarà poi attivato da S-Cdk.

S-Cdk ha anche il compito di garantire che la replicazione avvenga solo una volta e lo fa perché, iniziata la fase S,

fosforila Cdc6 che si separa da ORC: il complesso prereplicativo si disintegra e Cdc6 va incontro a disintegrazione

perché marcata da ubiquitina.

Una volta che la cellula ha terminato la mitosi e sia le cicline S che le cicline M sono state degradate dall’ubiquitina

le Cdk rimangono inattivate da proteine inattivatrici delle Cdk fino a che non aumenti la concentrazione della

ciclina G1; in tal modo le Cdk restano inattive per tutto l’accrescimento della fase G1.

Nel ciclo cellulare ci sono alcuni complessi proteici che fungono da freno molecolare se vi è qualche problema nel

corso delle fasi: alcuni di questi freni si basano sulle proteine inattivatrici della Cdk che impediscono il legame tra

la ciclina e le Cdk. Se, per esempio, il DNA è danneggiato, la proteina regolatrice di geni p53 attiva il gene p21 che

sintetizza la proteina p21 che impedisce al complesso S-Cdk già formatosi di entrare nella fase S fintanto che il

DNA viene riparato. Altri punti di controllo esistono in altre fasi (come nella mitosi che non inizia se i cromosomi

non sono ben adesi al fuso mitotico).

Ci sono cellule che necessitano di diversi una volta all’anno o anche meno e in questo caso non restano

eternamente in G1 ma si “bloccano” temporaneamente o permanentemente nella fase G0 (una G1 modificata) e

attendono segnali extracellulari per superare lo Start di G1 e iniziare il ciclo di divisione (una volta superato Start il

ciclo procede sino alla fine!).

Apoptosi

Nel corso della vita di un individuo molte cellule, anche sane, vanno incontro a morte programmata perché non

sono più utili o perché sono danneggiate. Se il danneggiamento è grave la cellula esplode, nella necrosi cellulare,

riversando il suo contenuto all’esterno (cosa che fa partire una pericolosa risposta infiammatoria), nella maggior

parte dei casi, invece la cellula va incontro ad apoptosi: si addensa, l’involucro nucleare sparisce, il citoscheletro si

disintegra, il DNA si frammenta il tutto accade con la membrana plasmatica che richiama i macrofagi che

“inghiottono” la cellula che fa apoptosi.

L’apoptosi è un fenomeno garantito da una famiglia di enzimi proteolitici dette caspasi, che si sviluppano a partire

da attività proteolitica e restano inattive in una forma procaspasica sino a che non si attivano attivando a loro

volta altre proteasi e disintegrando elementi cellulari in un fenomeno a cascata che se inizia non si arresta più.

Le proteine che trasformano le procaspasi in caspasi attive sono proteine della famiglia Bcl-2: due proteine, Bak e

Bax inducono indirettamente l’attivazione delle caspasi perché liberano il citocromo c (uno dei complessi proteici

della catena di elettroni) che esce dal mitocondrio e, legando un altro complesso proteico, induce l’attivazione delle

caspasi. Bax e Bak sono attivate da altre proteine della famiglia Blc-2: in questa famiglia alcune proteine

inibiscono l’attività di Bax e Bak (per esempio la proteina Blc-2) e altre incentivano la loro attivazione.

I processi sopra descritti dipendono, in gran parte, da segnali extracellulari che provengono da proteine segnale

poste sulle membrane di altre cellule o presenti nella matrice extracellulare. Rientrano in 4 catergorie:

Mitogeni (stimolatore): Sono sostanze secrete da altre cellule che arrivano al recettore della cellula che

 deve dividersi ed entrare in fase S. Un mitogeno importante è quello che attiva protein chinasi che

fosforilano Rb (proteina del retinoblastoma, regolatrice di geni) inducendone un cambiamento di

conformazione (se attaccata al DNA impedisce la trascrizione e quindi la divisione); altro mitogeno è il

fattore di crescita piastrinico (PDGF) che stimola la proliferazione cellulare delle cellule vicine alla ferita (in

modo da ricostituire il tessuto dove c’è il coagulo).

Fattori di crescita cellulari: La crescita (aumento volumetrico) della cellula non dipende dai fattori di

 controllo della divisione, pertanto, perché la cellula aumenti di circonferenza è necessario che i fattori di

crescita (nella matrice o secreti da altre cellule) si leghino ai recettori sulla membrana plasmatica della

cellula che deve cresce e inducono effetti intracellulari che causano un aumento della sintesi proteica e una

diminuzione della degradazione proteica, in modo da permettere l’accrescimento della cellula.

Fattori di sopravvivenza: Per non andare incontro ad apoptosi la cellula necessita di segnali che la tengano

 in vita. Esistono i fattori di sopravvivenza che si legano alla membrana plasmatica e inducono una serie di

reazioni intracellulari che agiscono sulla famiglia di proteine Bcl-2 (quelle che regolano l’apoptosi)

inducendole a non fare entrare la cellula in apoptosi (es. i neuroni dopo la maxi proliferazione nel neonato

se non incontrano fattori di sopravvivenza vanno incontro a soppressione).

Fattori di inibizione: Fattori che inibiscono la divisione o la crescita cellulare come la miostatina che inibisce

 la crescita dei mioblasti (cellule del muscolo scheletrico). Se mancano non c’è controllo inibitorio ed è facile

sviluppare tumori.

Divisione cellulare

Dopo la replicazione del DNA le 2 copie identiche, CROMATIDI FRATELLI,restano legate tra loro (quindi sono unite

le 2 eliche neoformate, ognuna costituita da un fil. parentale e un filamento nuovo) grazie alle coesine. Alla fine

della fase G2, prima di entrare nella fase M, il complesso M-Cdk fosforila alcune parti del DNA permettendo alle

condensine di associarsi al DNA in modo da compattarlo a formare il CROMOSOMA (2 cromatidi fratelli uniti).

Ciclo del centrosoma: Prima dell’inizio della mitosi le M-Cdk fanno sì che i centrosomi, centri organizzatori dei

microtubuli, si duplichino restando, inizialmente associati. Quando inizia la fase M i 2 centrosomi si separano in 2

ASTER che migrano ai lati opposti della membrana nucleare. Quando, all’inizio della mitosi svanisce la membrana

nucleare, dai due aster dipartono microtubuli che legano i cromatidi fratelli tirandoli in direzioni opposte. Alla fine

della mitosi, quando si ricrea la membrana nucleare e avviene la divisione della cellula, ogni cellula figlia riceve un

centrosoma.

I microtubuli “normali” della cellula sono lunghi e stabilizzati da proteine associate ai microtubuli (MAP): quando

inizia la fase M le M-Cdk fosforilano alcune di queste proteine e permettono l’agganciamento delle catastrofine ai

microtubuli che si disaggregano rapidamente a formare gli aster del fuso mitotico da cui dipartono numerosissimi

microtubuli molto corti.

La mitosi è suddivisa in 6 momenti principali (l’ultimo, la citochinesi inizia nel 4 stadio e termina nel 6):

1. PROFASE: Gli aster migrano ai poli opposti del fuso mitotico e da essi dipartono numerosi microtubuli. I

microtubuli polimerizzano e depolimerizzano nel fuso e, quando si incontrano 2 microtubuli di aster diversi

assumono una configurazione stabile che è alla base del fuso mitotico: in questo momento gli aster

costituiscono i poli del fuso e i microtubuli sono detti microtubuli interpolari (connessi anche

parallelamente da proteine motrici annesse ai microtubuli). Nelle cellule vegetali senza centrosoma i

microtubuli, grazie alle proteine motrici, dipartono direttamente dai cromosomi.

2. PROMETAFASE: La membrana nucleare svanisce perché la lamina nucleare (composta da filamenti

intermedi) viene fosforilata e si disgrega nei suoi elementi costitutivi, causando il collasso della membrana

plasmatica. I microtubuli che dipartono dagli aster possono quindi legarsi ai cromosomi a livello di centri

proteici specifici detti cinetocore (che si legano ai cromosomi compatti alla fine della profase) che si legano

nella strozzatura dei cromatidi fratelli detta centromero (si lega un cinetocoro per ogni cromatide fratello).

I microtubuli che partono dai poli del fuso, polimerizzando, trovano un cinetocoro e vi si associano

diventando microtubuli del cinetocoro (i cinetocori guardano in direzioni opposte dunque si legheranno a

microtubuli di poli opposti) ed i microtubuli che restano connessi tra loro restano m. interpolari.

3. METAFASE: I cromosomi si uniscono a livello dell’equatore del fuso mitotico a causa della polimerizzazione

e depolimerizzazione continua dei microtubuli (necessaria per la loro attività) e continuano a muoversi

anche quando sono allineati nella piastra metafasica perché sono particolarmente in tensione.

4. ANAFASE: L’APC (complesso promotore dell’anafase) elimina una parte proteica da un complesso

enzimatico che, in conseguenza, va a recidere le coesine che tengono uniti i due cromatidi fratelli.

L’anafase è costituita da 2 fenomeni principali che avvengono in simultanea: nell’anafase A fa sì che i

microtubuli depolimerizzino (perdono unità di tubulina dal polo più –quello associato al cinetocoro- per

lavoro idrolitico di ATP di una catastrofina) tirando ai poli opposti i cromosomi anche grazie al lavoro di

proteine motrici che fanno scorrere i microtubuli interpolari tra loro per allungarli e ai microtubuli dell’aster

che si allungano i direzioni opposte; nell’anafase B i poli del fuso si allontanano accentuando la

separazione tra i cromosomi figli separati.

5. TELOFASE: I due cromosomi sono separati ai lati opposti del fuso mitotico. Si avvicinano delle vescicole di

membrana nucleare che si uniscono attorno ad ogni cromosoma figlio. Ricreatasi la membrana e la

laminanucleare si creano anche i pori che pompano all’interno del nucleo proteine nucleari e il nucleo si

accresce. La mitosi è terminata. Le cellule figlie ereditano gli organelli perché questi originano solo da

organelli preesistenti: mitocondri e cloroplasti segregano nelle cellule figlie, Golgi e RE si dividono in tante

vescicolette che poi segregano nelle cellule figlie grazie all’associazione con i microtubuli del fuso.

6. CITOCHINESI: Ultima fase della mitosi che inizia già nel corso dell’anafase. Si crea un solco perpendicolare

all’asse maggiore del fuso mitotico che mostra un’invaginazione sempre più profonda e procede a separare

le 2 cellule figlie quando la membrana nucleare si è formata. L’anello contrattile è composto da filamenti di

actina e miosina che, scorrendo tra loro, causano la “strozzatura” e la separazione delle 2 cellule figlie. Nel

corso dell’anafase si forma sotto la membrana plasmatica perché i filamenti di actina e miosina si legano

proteine della membrana. Nel corso della mitosi si allentano i legami che la cellula ha con le pareti

circostanti e la cellula, spesso, si divide in forma sferica.

Nelle cellule vegetali, con parete cellulare rigida, la divisione avviene per autocreazione, a partire dai microtubuli

interpolari, di parti della parete rigida nel frangosoma (a metà del fuso mitotico) e, verso questa struttura, si

aggregano vescicole di membrana trasportate dai microtubuli.

Genetica, meiosi e basi dell’ereditarietà

La riproduzione sessuata avviene per fusione dei gameti che contengono un corredo aploide e si formano per

meiosi. L’organismo che origina dalla riproduzione sessuata possiede un genoma che per metà origina dal padre e

per metà dalla madre (con corredo, dunque, diploide).

Gli organismo diploidi hanno, nel corredo diploide, due cromosomi che esprimono lo stesso gene (anche in varianti

diverse ma il gene è lo stesso) e quindi in totale 46 cromosomi. Le cellule che sono coinvolte nella riproduzione

contengono un corredo apolide, con solo 22 cromosomi autosomici + 1 cromosoma sessuale.

Nelle specie animali esistono 2 tipologie di gameti: l’uovo e lo spermatozoo che si formano per meiosi e

costituiscono le cellule della linea germinale (diversa dalla linea somatica che forma le cellule che andranno a

costituire l’intero organismo pluricellulare). I gameti, unendosi nella riproduzione sessuata, formano lo zigote con

corredo diploide nuovo originato dall’unione dei corredi aploidi dei genitori. La riproduzione sessuata, generando

figli diversi dai genitori, garantisce la variabilità genetica.

MEIOSI

Processo che porta alla formazione dei gameti con corredo aploide: si osservano 2 momenti di divisione cellulare

ma il DNA viene replicato solo una volta. La produzione dei gameti origina da cellule diploidi specializzate a

produrre cellule della linea germinale: le cellule diploidi specializzate si trovano in testicoli e ovaie e contengono 2

copie di ogni cromosoma (un cromosoma di origine paterno e uno di origine materna). La meiosi porta alla

produzione di 4 cellule figlie geneticamente diverse dalle cellule parentali da cui originano.

Le cellule diploidi contengono un corredo doppio di cromosomi che sono definiti

omologhi in quanto posseggono 2 copie di ogni cromosoma simili: contengono

diverse versioni degli stessi geni. Prima di mitosi e meiosi si osserva la replicazione

del corredo genetico con la formazione di cromatidi fratelli.

Nella mitosi i cromatidi fratelli si allineano nella piastra metafasica e poi vengono

separati nelle cellule figlie creando un corredo cromosomico assolutamente identico

alle cellule parentali.

Nella mitosi si osservano due momenti di divisione cellulare: la I e al II divisione

meiotica.

Nella I divisione meiotica, rispetto alla mitosi, i cromosomi omologhi (duplicati –

quindi i due cromatidi fratelli sono uniti!) paterno e materno si riconoscono e, al

posto di sistemarsi verticalmente nella piastra metafasica, si dispongono

orizzontalmente (ogni coppia materna e paterna occupa una linea orizzontale come

nella seconda figura!) in modo da creare un tetramero perché ci sono 4 cromatidi

fratelli uniti due a due e restano uniti nel corso della profase. I cromosomi omologhi

restano uniti grazie al complesso sinaptonemico che permette il crossing-over.

Nel crossing-over si ha una mescolamento tra i cromatidi fratelli appartenenti all’omologo paterno e a quello

materno che si uniscono in alcuni punti detti chiasma (rompendo i filamenti di DNA e collegandosi con i filamenti

del cromosoma omologo) ed è il fenomeno che maggiormente garantisce variabilità genetica.

Le regioni chiasmatiche resistono alla trazione generata dai microtubuli del fuso. Nella I divisione meiotica i

chiasmi cedono e vengono tirati ai poli opposti del fuso i cromosomi omologhi che, quindi, si separano (restano

uniti i cromatidi fratelli). Il risultato della I divisione meiotica sono 2 cellule diploidi con cromosomi parzialmente

materni e paterni. Terminata la I divisione meiotica inizia la II divisione meiotica che, procedendo normalmente

come la mitosi, e separando i cromatidi fratelli (ma ci sarà solo una copia del cromosoma non 2 come nella mitosi)

produrrà cellule aploidi.

Il meccanismo di meiosi è altamente funzionale ma può capitare che i cromosomi non segreghino

indipendentemente e si ottengano 4 cellule aploidi di cui 2 con corredo aploide, uno con un intero cromosoma

(diploide) e un terzo con nessun corredo genetico: la fecondazione di un gamete con 2 copie del cromosoma 21 e

un altro gamete aploide che produrranno un organismo con 3 copie del cromosoma 21 affetto dalla sindrome di

Down.

La fecondazione è l’ultimo evento che porta due gameti a fondersi e a formare nuovamente la cellula diploide: lo

spermatozoo raggiunge l’uovo, attraversa la zona pellucida (zona sopra la membrana plasmatica dell’uovo) e

2+

supera la membrana plasmatica, inducendo un rilascio di Ca che causa l’indurimento della zona pellucida che

non permette il passaggio ulteriore di spermatozoi. I due nuclei aploidi (pronuclei) si fondo e si ottiene una cellula

diploide.

Fasi della meiosi

 Profase I: E’ suddivisa in diverse sottofasi

Profase precoce (leptonema) – I cromosomi si rendono più visibili e si addensano

o Profase precoce/mediana (zigonema) – I cromosomi si accorciano e gli omologhi si cercano e si

o dispongono a coppie su un piano orizzontale unendosi mediante una struttura a cerniera detta

sinapsi (complesso sinaptinemale). Sembra siano i telomeri, associati alla membrana nucleare, a

garantire la formazione del complesso sinaptinemale

Profase mediana (panchinema) – La sinapsi si è formata e si osserva una struttura tetramerica

o formata da 4 cromatidi (a due a due uniti dal centromero, la coppia unita dalla sinapsi) e si

osserva il meccanismo del crossing over responsabile della ricombinazione genetica (avviene anche

nel panchinema maschile tra i cromosomi sessuali X e Y e può portare a infertilità se viene tolto il

braccio corto di Y)

Profase mediana/tardiva (diplonema) – Si osserva la coppia, unita dal complesso sinaptinemale,

o unita dal chiasma che è la regione dove è avvenuto il crossing-over (ogni cromatido può formare

un chiasma con il cromatidio contiguo)

Profase tardiva (diacinesi) – I cromosomi si addensano ancora di più.

o

 Prometafase I– La membrana nucleare si dissolve e i microtubuli dell’aster si allungano andando a

formare il cinetocore.

 Metafase I – I microtubuli portano le coppie ad allinearsi nella piastra metafasica (in COPPIA non singoli

come nel caso della mitosi normale). Il cromosoma materno e paterno della coppia si allineano

casualmente a destra o sinistra contribuendo alla variabilità genetica. (n-1)

Il numero di possibili combinazioni cromosomiche a livello della piastra metafasica è 2 dove n è il

numero di cromosomi (per l’uomo il risultato è >4 mln), considerando anche il fenomeno del crossing over

è praticamente impossibile che esistano e siano mai esistiti 2 genomi uguali (esclusi i gemelli identici).

 Anafase I – La coppia di cromosomi è separata dai microtubuli dell’aster che si accorciano. Si forma

dunque un complesso aploide (con un solo cromosoma e non più una coppia) ma i cromatidi fratelli sono

ancora uniti tra loro.

 Telofase I – Si riformano (non sempre) le membrane nucleari e si ha citocinesi

La seconda divisione meiotica è uguale alla mitosi normale solo che, non osservando la replicazione del corredo

aploide, alla fine, quando i microtubuli separeranno i cromatidi fratelli, si otterranno 4 cellule figlie ognuna

contenente un cromatidio aploide, ovvero un gamete, che nella fecondazione, andrà a fondersi con l’altro gamete

costituendo nuovamente un corredo diploide.

Tessuti e cancro

I tessuti sono composti da cellule che secernono nell’ambiente extracellula diverse molecole che costituiscono la

matrice extracellulare: da vegetali ad animali e da tessuto a tessuto varia la composizione della matrice.

Le cellule vegetali sono racchiuse dalla parete cellulare, secreta dalle cellule stesse, che dona resistenza meccanica

e protegge la fragile cellula vegetale che non possiede i filamenti intermedi che sostengono la cellula stessa. La

parete cellulare è robusta ma non rigida perché esso è mantenuto in tensione dall’acqua interna alla cellula (se

manca acqua alle piante la foglia appassisce perché crolla la parete cellulare. Le cellule vegetali producono,

appena create, una parete cellulare primaria abbastanza sottile che si espande a causa dell’ingresso di solvente

dentro la cellula (per diversa osmolarità tra l’ambiente e la cellula) nel fenomeno di pressione di turgore: quando

la cellula raggiunge equilibrio osmotico si ispessisce la parete primaria che diventa parete c. secondaria.

La parete cellulare è composta da CELLULOSA polimeri di saccarosio (glucosio+fruttosio) che viene prodotto da

enzimi che si trovano sulla superficie della membrana della cellula. La cellulosa costituisce spesse fibre orientate in

modo da costituire una “prosecuzione” dei microtubuli interni alla cellula; pertanto la cellula potrà cresce solo in

direzione opposta alla fibre che risultano particolarmente resistenti alla trazione (se le fibre sono poste

verticalmente la cellula cresce orizzontalmente)

Tessuto connettivo Diverso dagli altri tessuti per la quantità di matrice extracellulare. Esistono tessuti connettivi

diversi con varie caratteristiche a causa delle varie tipologie di proteina fibrosa (COLLAGENE) che garantisce la

resistenza meccanica della matrice stessa.

Nei mammiferi esistono 20 geni che codificano per proteine collagene (infatti esistono tante varianti del collagene)

e la molecola ha una forma tipica nella quale 3 catene proteiche si uniscono in una treccia, diverse trecce si

uniscono a formare le fibrille di collagene e diverse fibrille costituiscono la fibra di collagene (sulla superficie ci

saranno altre molecole di collagene che associano più fibre insieme).

Le cellule del connettivo che secernono le fibre di collageno e altre componenti della matrice sono detti per l’osso

osteoblasti e per la pelle e altri tessuti fibroblasti. Le cellule per evitare che il collagene si aggreghi al suo interno

lo secernono come protocollageno composto dal collageno più peptidi aggiuntivi che un enzima extracellulare

(collagenasi) rimuove quando la molecola viene secreta in modo da permetterne l’aggregazione. Le cellule che

secernono i componenti extracellulari sono anche capaci di produrre proteasi della matrice che degradano i

componenti della matrice in modo da permettere, ad esempio, il passaggio di altre molecole oltre la barriera di

collagene (anche cellule cancerose).

La disposizione delle fibre di collagene all’interno dei tessuti umani compone una sorta di grata intrecciata in modo

da resistere a varie tipologie di sforzo (nei tendini, sempre composti da connettivo, la direzione delle fibre è unica

in modo da resistere alla fortissima trazione) e la direzione delle fibre è decisa dai fibroblasti stessi che hanno il

compito di secernere e poi modellare la forma assunta dalle fibre.

I fibroblasti riescono a legarsi alle fibre di collageno grazie alla fibronectina (proteina della matrice) che si lega alla

proteina transmembrana integrina che a sua volta è indirettamente collegata al filamento di actina: in questo

modo grosse applicazioni meccaniche non strappano la cellula dalla matrice ma si irradiano nel citoscheletro della

cellula (anche le cellule del muscolo scheletrico si uniscono in un modo simile). Le integrine hanno anche il

compito di trasmettere segnale extracellulari all’interno della cellula.

Nella matrice del tessuto connettivo troviamo anche altre proteine come i glicosamminoglicani (GAG – famiglia dei

proteoglicani) che costituiscono un riempitivo ed impediscono lo schiacciamento: le molecole di GAG si osservano

attaccate a proteine a loro volta attaccate a una grande molecola di GAG centrale. Le molecole sono idrofiliche e si

distendono benissimo nell’ambiente extracellulare.

Se un tessuto è molto resistente sarà prevalentemente composto da fibre collageno con qualche GAG; se il tessuto

+

sarà più acquoso sarà composto da molti GAG (che con carica negativa richiamo ioni Na che richiama acqua) e

poche fibre collageno. Le GAG sono anche importanti mezzi di influenza del comportamento cellulare (anche delle

cellule secernenti i GAG stessi) e probabilmente sono coinvolti nel differenziamento cellulare.

Tessuto epiteliale

La maggior parte dell’organismo è composta da epiteli, ovvero da tessuti dove si osserva un grande addensamento

di cellule (e poca matrice extracellulare). Esistono tanti tipi di tessuti: stratificati, con più cellule impilate e

semplici, con un solo strato di cellule; tessuti con cellule cubiche, cilindriche o squamose (appiattite); tessuti con

funzione esocrina o endocrina e via dicendo…

Il tessuto epiteliale presenta una polarità (che si riflette anche nelle cellule): la parte esposta ad aria o soluzione

acquosa è la parte apicale, quella esposta ad un tessuto sottostante (solitamente il connettivo) è la parte basale,

separata dal connettivo per mezzo della lamina basale, densa matrice extracellulare che contiene la proteina

laminina che collega le integrine di cellule diverse. La polarità è molto importante per le funzioni svolte dal tessuto

come nel caso dell’epitelio semplice dell’intestino che sul lato apicale ha sostanze che importano molecole

dell’intestino (grazie a specifiche proteine di membrana) e le secernono vs i tessuti sottostanti (con altre proteine)

e sul lato basale presenta cellule secernenti muco in una sola direzione.

Metodi di collegamento tra cellule

 

Giunzioni occludenti Tengono adese le cellule tra loro ma impediscono il passaggio di materiale tra una

cellula e l’altra e tra tessuti diversi. Sono costituite da claudine e occludine che formano strati fibrosi in

prossimità della giunzione tra le due cellule. Queste giunzioni sono molto importanti per le funzioni

esocrine ed endocrine e sono responsabili della polarità delle cellule epiteliali.

 

Giunzioni aderenti Garantiscono resistenza meccanica alla trazione e collegano cellule vicine creando

una sorta di prosecuzione dei filamenti citoscheletrici. Sono costituite da proteine della famiglia delle

caderine, proteine transmembrana che si estendono nella matrice extracellulare andando a congiungersi

strettamente. In questo caso le caderine sono connesse ai filamenti di actina intracellulari e creano una

“fascia di adesione” poco sotto la parte apicale della cellula: questo serve per permettere una connessione

tra cellule che segua il movimento dei filamenti di actina in modo che più cellule seguano un percorso

definito (esempio possono formare un canale ad U dove vi sono cellule con lati apicali di varie dimensioni).

 

Desmosomi Sempre costituiti da caderine che però sono legate ai filamenti intermedi della cellula (per la

c. epiteliale i fil. intermedi sono composti da cheratina) e creano grossi fasci per resistere alla trazione.

 

Emidesmosomi Laminina che collega le integrine, sulla membrana plasmatica delle cellule dell’epitelio,

alle cellule sottostanti in una struttura che richiama un mezzo desmosoma.

 

Gap junction Canali che mettono in comunicazione i citoplasmi di due cellule contigue. Si osservano le

membrane plasmatiche che decorrono parallele e ad un certo punto le due cellule sono collegate

direttamente da complessi proteici detti connessoni: queste proteine consentono uno scambio di ioni e

piccole molecole idrosolubili e garantiscono attività coordinata in cellule vicine. Possono anche essere

aperti o chiusi in base a segnali extracellulari come avviene in alcuni neuroni.

Nelle cellule vegetali non ci sono tipi di giunzione e si osservano solo i plasmodesmi che uniscono due citoplasmi di

cellula vegetali con un’unione di membrane plasmatiche di cellule contingue.

I tessuti sono un insieme combinato di più tipologie di cellule che arrivano al tessuto in fase embrionale o

costantemente per tutta la durata della vita: il fatto di essere composti da una grande varietà di tipi cellulari è

importante per garantire la specializzazione funzionale al tessuto.

Le specializzazioni di ogni tessuto sono possibili soltanto grazie alla comunicazione cellulare che consente a cellule

di comunicare tra loro e di regolare l’ambiente extracellulare, all’adesione selettiva di cellule con altri tipi precisi di

cellule (uguali o diverse) che permettono di espletare alcune funzioni e non altre e grazie alla memoria cellulare

nell’espressione genica che rende possibile che una cellula di un determinato tessuto, una volta specializzata, si

duplichi formando cellule che espletano le stesse funzioni.

Alcuni tessuti vanno costantemente incontro a sostituzione come nel caso dell’epitelio intestinale che rinnova

costantemente le sue cellule ogni 2 giorni permettendo ai macrofagi di fagocitare quelle vecchie. Le cellule arrivate

all’ultimo stadio di differenziazione non sono capaci di dividersi e per rinnovare il tessuto sono presenti un piccolo

gruppo di cellule precursori che derivano direttamente dalle cellule staminali. I precursori sono capaci di generare

nuove cellule di un tipo specifico.

Le staminali sono cellule che non sono arrivate agli ultimi stadi di differenziazione e per tutta la vita di un

organismo vanno incontro a divisione cellulare: dopo la divisione le cellule figlie possono decidere se specializzarsi

o rimanere staminali indifferenziate. Le staminali presenti nei tessuti, tuttavia, sono parzialmente differenziate e

possono generare solo un numero ristretto di tipi cellulari.

La disposizione delle cellule staminali in relazione al tessuto di riferimento varia da tessuto a tessuto in base anche

alla velocità di rinnovamento (alla base dei villi per l’epitelio intestinale; verso la lamina basale nella pelle).

Le cellule staminali possono servire per riparare tessuti danneggiati e permettono la ripopolazione di un tipo

particolare di tessuto.

Una classe particolare di cellule staminali sono le cellule staminali embrionali (ES) presenti solo nell’embrione che,

essendo assolutamente indifferenziate, come nel caso delle prime cellule che si osservano nell’embrione, si

possono differenziare in qualsiasi tipo di tessuto (nervoso compreso). E’ possibile un trapianto di staminali da un

paziente affetto da patologie gravi ma vi è la possibilità di rigetto di cellule con un genoma diverso dal proprio.

Per evitare il rigetto è possibile la tecnica, ancora in fase sperimentale, della clonazione terapeutica nella quale si

prende una cellula uovo non fecondata e la si enuclea inserendovi, in un secondo momento, un nucleo diploide di

una cellula adulta: in casi fortunati da questa composizione si sviluppa un embrione, geneticamente identico al

donatore del nucleo diploide (il paziente) e questo, viene messo in coltura per potervi prelevare staminali ES da

usare per la rigenerazioni di tessuti distrutti anche da gravi patologie neurodegenerative.

Cancro

Le cellule devono dividersi in momenti precisi, quando è richiesto e dove è richiesto. Nel cancro una cellula

mutante inizia a proliferare senza sosta anche in tessuti dove il tipo cellulare non è richiesto e compromettendo

l’equilibrio dell’organismo. I tumori sviluppati da cellule che proliferano senza spostarsi dal tessuto di origine sono

tumori benigni, quelli in cui si osservano le cellule che colonizzano, per via linfatica o sanguigna altri tessuti si

definiscono maligni e, a partire dal I tumore se ne creeranno altri detti metastasi.

Le cause del tumore sono sia di origine organica che ambientale: alcuni tumori insorgono a causa di infezioni virali

(il tumore all’epitelio del collo dell’utero), obesità e fumo di sigaretta sono responsabili di alcune forme di tumore.

La causa principale dell’insorgenza di un tumore sono gli errori che incorrono nella replicazione del DNA che, dopo

un certo periodo temporale, mostrerà diverse mutazioni a suo carico (in un organismo si stima le mutazioni siano

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10 per ogni singolo gene nel corso di tutta la sua vita): le mutazioni occorrono spontaneamente o a causa di

sostanze mutagene che inducono variazioni del DNA.

Il tumore è una malattia di tarda età perché insorge con l’accumulo di mutazioni nel DNA: la cellula mostra

instabilità genetica dovuta all’accumularsi di mutazioni che portano alla sintesi di proteine che regolano la

replicazione, la riparazione o la rottura di cromosomi.

Caratteristiche cellule cancerose che hanno un vantaggio selettivo nella crescita all’interno dell’organismo che,

solitamente, preferisce le cellule che si dividono con più discendenza:

Cellule con mutazioni a carico di componenti della via di segnalazione cellulare (ras)

 Cellule con mutazioni a carico delle proteine che regolano l’apoptosi (come p53)

 Mutazioni all’enzima telomerasi che impedisce l’accorciamento dei telomeri che, normalmente, dopo un

 tot. numero di divisioni si accorciano impedendo ulteriori divisioni.

Cellule con instabilità genetica che si osserva come un alto tasso di mutazione

 Cellule che invadono i tessuti circostanti perché mancano di proteine di adesione cellulare

Le mutazioni genetiche responsabili del cancro formano geni che si organizzano in due categorie: oncogeni e

oncosoppressori.

I proto-oncogeni sono geni normalmente funzionanti che, a seguita di una sola mutazioni ad un singolo allele,

diventano oncogeni e iniziano a proliferare senza sosta, questa mutazione è dominante.

Gli oncosoppressori sono geni che devono essere disattivati per una mutazione a carico di entrambi gli alleli che

compongono il gene (mutazione recessiva) per sviluppare il comportamento canceroso: se un individuo eredita

una mutazione su uno degli alleli vi è familiarità per l’insorgenza del tumore.

Oncogeni e oncosoppressori sono geni che normalmente regolano diverse funzioni cellulari.

Un tumore particolarmente studiato è il tumore colorettale: normalmente insorgenze, senza cause ereditarie, in

pazienti anziani ma, in alcuni casi ha familiarità e insorge anche nel giovane adulto nel quale si osservano, a livello

dell’epitelio intestinale, delle escrescenze tumorali dette polipi. I polipi si formano a causa di mutazioni del gene

APC (poliposi adenomatosa del colon) che, per sviluppare queste escrescenze deve essere inattivato nei suoi due

alleli: il gene è quindi un oncosoppressore e normalmente limita la via di segnalazione cellulare Wnt.

Non esiste una terapia univoca del cancro dato che le cellule mutanti possono essere di innumerevoli varietà. La

via chirurgica risulta un metodo efficace quando la massa tumorale non ha ancora metastatizzato, in altri casi la

radioterapie e la chemioterapia inducono danneggiamenti al DNA che, occorrendo in simultanea con la presenza di

oncogeni o oncosoppressori, eliminano il bersaglio ultimo della mutazione (cioè il DNA stesso) e la cellula va,

infine, incontro a necrosi. Le ultime ricerche in oncologia si concentrano sulla possibilità di eliminare la

proliferazione di vasi che invade la massa tumorale portandovi nutrimento o produrre enzimi che, legandosi a

recettori presenti sulla cellula cancerosa, producono tossine e portano la cellula a morire.

Sistema immunitario e immunoglobuline

L’immunità è lo stato di resistenza ad un elemento patogeno.

La risposta immunitaria è suddivisa in due categorie: innata (fagociti e altre cellule) e acquisita (linfociti e

immunoglobuline). Le cellule responsabili della risposta immunitaria si localizzano negli organi linfoidi o si spostano

all’interno dell’organismo.

Immunità innata Risposta aspecifica e rapida, non dipende da una prima esposizione all’agente patogeno.

Questa risposta è mediata da:

Fagociti: Ne sono un esempio i macrofagi che sulla membrana espongono recettori per diversi anticorpi e

 quando ricevono l’anticorpo procedono alla secrezione di mediatori dell’infiammazione e a fagocitare

l’antigene che sarà poi degradato nel lisosoma.

Cellule NK: Cellule di grandi dimensioni che contribuiscono a degradare, sempre per fagocitosi, cellule

 infettate da virus e cellule tumorali

Immunità acquisita Risposta specifica e lenta che dipende da una prima esposizione all’agente patogeno. Questo

tipo di immunità di suddivide ulteriormente in due sottocategorie: l’immunità umorale, mediata da linfociti B che

secernono anticorpi contro gli antigeni e l’immunità cellulo-mediata, mediata da linfociti T che agiscono

direttamente contro gli antigeni. Partecipano alla risposta immunitaria anche cellule che presentano antigeni

(APC), come i macrofagi, sulla superficie plasmatica in modo da consentire la produzione anticorpale

precedentemente all’attacco infettivo.

Immunità umorale – Il linfocita B produce, anche sul lungo raggio, in risposta ad uno specifico antigene,

o degli anticorpi che si legano all’antigene permettendo a proteine del complemento di riconoscere il

complesso antigene-anticorpo, di degradare l’involucro proteico e di indirizzare il complesso verso il

fagocita.

Immunità cellulo-mediata – La cellula T riconosce direttamente l’antigene o parti di esso esposte sulla

o superficie plasmatica di cellule, come i macrofagi, che hanno reso immune l’antigene stesso. Il linfocita T

induce l’apoptosi della cellula bersaglio rilasciando perforina all’interno della cellula bersaglio o legandosi a

recettori Fas: queste due segnalazioni extracellulari stimolano l’attivazione delle caspasi che inducono

apoptosi nella cellula bersaglio.

Anticorpi(Immunoglobuline) Hanno il compito di legarsi all’antigene che ha stimolato la produzione anticorpale da

parte del linfocita B. Ogni cellula linfocitaria presenta sulla superficie uno specifico

anticorpo (anche senza precedente esposizione all’antigene) e, quando l’antigene si

lega all’anticorpo (che funge da recettore), il linfocita B, nel fenomeno di selezione

clonale, è indotto a clonare un ampio numero dell’anticorpo legato.

Gli anticorpi costituiscono la famiglia delle immunoglobuline (Ig): ogni Ig è composta

da due catene pesanti (H) e due catene leggere (L – esterne) tenute insieme da una

serie di ponti S-S, l’Ig espone 2 siti di legame per l’antigene tra l’associazione tra una

catene H e una catena L.

Ogni catena pesante e leggera è composta da una regione variabile (in termini di

sequenze aminoacidiche), che comprende il sito di legame per l’antigene, e una

regione costante che svolge un ruolo effettore. All’interno della regione variabile ci sono brevi tratti aminoacidici

ipervariabili che consentono la formazione di siti di legame per gli antigeni estremamente variabili.

I mammiferi possiedono 5 classi diverse di anticorpi: IgG, IgM, IgE, IgA e IgD.

Le IgG sono presenti in sangue e plasma e sono le immunoglobuline più abbondanti, sono importanti nella risposta

immunitaria secondaria e vengono riconosciute dai macrofagi che procedono alla fagocitosi.

Determinazione genica degli anticorpi per la risposta a specifici antigeni Esistono moltissimi anticorpi diversi e

un primo metodo per creare tutta la diversità anticorpale è sita nella produzione di linfociti diversi a partire dalla

stessa cellula staminale.

La produzione di anticorpi diversi inizia nel corso della maturazione dei linfociti B, nel fenomeno della

ricombinazione somatica, per il quale parti diversi di segmenti genici (v e J) si uniscono per formare un gene

codificante per una catena leggera k e altri segmenti genici (sempre v e J) si uniscono a formare un gene

codificante per una catena leggera λ. Insieme λ e k formano una catena leggera. Nello stesso modo diversi

segmenti genici si uniscono a formare un gene per la catena pesante. Ulteriore variabilità è data da legami da

segmenti genici che si uniscono in modo diverso e da molte mutazioni.

Nel corso dello sviluppo di cellule B gli anticorpi possono differenziarsi e passare da una specifica immunoglobulina

ad un’altra a causa di splicing alternativi nel momento della maturazione dell’mRNA.

Un fenomeno importante nel corso della divisione cellulare è che la cellula figlia che eredita alleli sia paterni che

materni, nel momento della formazione di anticorpi, in un fenomeno di esclusione allelica, esprime o l’allele

materno o quello paterno in modo da poter sintetizzare solo un tipo di catena pensate e leggera in modo da avere

solo un tipo di anticorpo sulla superficie plasmatica e meglio rispondere all’attacco di un antigene.

I linfociti T che non producono anticorpi ma agiscono essi stessi contro gli antigeni mostrano recettori per gli

antigeni paragonabili alle immunoglobuline, per lo meno nel sito di legame, detti loci α e β.

CANCRO

Una complessa rete di segnali extracellulari indica alla cellula se sopravvivere o se andare incontro ad apoptosi.

Apoptosi Morte regolata e organizzata dalla cellula stessa che non prevede uno spargimento del suo contenuto

all’esterno perché esso è prima frammentato in piccoli pezzi e poi fagocitato da altre cellule, non causa

infiammazione ed è fisiologico.

Necrosi Morte della cellula dovuta ad avvelenamento o agente patogeno che porta alla lisi della cellula e allo

spargimento del suo contenuto all’interno, non è un evento attivato dalla cellula stesso ma è una conseguenza

passiva. Lo spargimento del contenuto influenza le altre cellule e solitamente è causa di infiammazione.

L’apoptosi è un evento fisiologico che si verifica normalmente durante lo sviluppo embrionale (eliminazione della

mano palmata e della coda nella rana) ed è anche un meccanismo di difesa contro errori nella replicazione del DNA

o errori in contenuti proteici interni alla cellula. Garantisce l’omeostasi del tessuto e il ricambio dello stesso

Meccanismo apoptotico: La cromatina inizia ad addensarsi e il citoplasma si raggrinzisce, il nucleo si frammenta e

il DNA è digerito insieme ai componenti citoplasmatici ed infine i residui della cellula, suddivisa in tanti piccoli

frammenti vescicolari, sono fagocitati da apposite cellule.

Un segnale che indica alla cellula di andare incontro ad apoptosi è l’esposizione della fosfatidil serina sul lato

extracellulare (solitamente è sul versante intracellulare) e il legame di questo con appositi recettori.

Il segnale più importante per questo fenomeno cellulare è dato dalla famiglia delle CASPASI, proteine che

solitamente si trovano inattivate come procaspasi che quando viene rimosso loro (da altre caspasi) un frammento

si attivano. Una volta che una caspasi si è attivata questa attiva a sua volta altre caspasi e si osserva una cascata

caspasica.

Cosa fanno le caspasi?

Le caspasi agiscono su altre proteine che contribuiscono alla frammentazione della cellula: attivano le DNasi

(togliendo l’inibitore ICAD), frammento il citoscheletro, i suoi componenti e la lamina nucleare e inducono una

frammentazione del Golgi.

Le caspasi, inizialmente sono attivate secondo una via esogena (segnali extracellulari come TNF) o una via

endogena.

Vie estrinseche - Una via comune di attivazione si costituisce quando la cellula espone il recettore Fas sulla

membrana cellulare e i linfociti T citotossici che presentano il ligando per Fas si legano alla molecola e ne inducono

la degradazione tramite attivazione delle caspasi intracellulari.

Vie intrinseche – La cellula internamente si dirige verso l’apoptosi per stress cellulare e avvelenamento o per

semplice sviluppo. Un segnale apoptotico attiva le proteine Bak e Bax che inducono la liberazione del citocromo C

che, associandosi ad altre proteine, si legano con le procaspasi che inducono l’attivazione della cascata di caspasi.

L’apoptosi intracellualre può anche essere indotta dalla mancanza di fattori di sopravvivenza, come accade nel

momento che segue la finestra di plasticità sinpatica.

A livello intracellulare sono le proteine della famiglia Bcl2 (Bak, Bad e Bax pro-apotosi/Bcl2 bloccano l’apoptosi)

che portano il mitocondrio a rilasciare o a ritenere il citocromo C.

A livello extracellulare l’apoptosi viene bloccata perché fattori di sopravvivenza inducono una maggiore produzione

di Bcl2 (tramite regolazione di geni) o inducono il blocco nella sintesi di Bad/Bax/Bak.

Induttori di apoptosi Perdita di adesione intracellulare, attivazione di molecole pro-apoptosi, batteri e linfociti T

citotossici, oncogeni e agenti farmacologici.

Riduttori di apoptosi Herpesvirus, adenovirus, papillomavirus, ormoni, fattori di crescita.

Una ridotta apoptosi può avere come conseguenza iperplasia, patologie autoimmuni e cancro, per tale motivo è

molto importante una perfetta regolazione omeostatica tra cellule che muoiono e cellule che proliferano.


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Lydia90

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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in scienze e tecniche psicologiche
SSD:
A.A.: 2011-2012

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Lydia90 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Biologia molecolare della cellula e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Vita Salute San Raffaele - Unisr o del prof Martino Gianvito.

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