Cellula eucariotica

CELLULA: eucariote animale (umana)

Caratteristiche basilari della cellula

animale:

 Nucleo aperto, per far leggere il

proprio DNA per la duplicazione

 Dimensioni maggiori rispetto ad

altre cellule (10-20 micron).

 Non presenta: cloroplasti, parete

cellulare e vacuoli (come nelle

cellule vegetali).

 Il nucleo è rivestito da una

membrana nucleare, che protegge

la cellula dalle numerose reazioni chimiche prodotte dal DNA, che possono danneggiarla.

 La cellula è rivestita da una membrana cellulare e presenta uno spazio acquoso al suo interno detto

citoplasma, spazio molto affollato, che presenta degli spazi molto piccoli per la fase solubile di esso

stesso, detto citosol.

 Si dividono per mitosi.

 Nel caso in cui sono presenti dei componenti cistoplasmatici danneggiati, si verifica un’azione di

autofagia, dove vengono isolati i pezzi errati attraverso una vescicola.

 Tale cellula è formata da vari elementi, che le conferiscono la peculiarità che si definisce

compartimentazione: nucleo e nucleolo, RER e REL, perossisoma, vescicole, citosol, mitocondri,

apparate del Golgi, lisosomi, membrana plasmatica, citoscheletro, centriolo.

 A volte presenta in oltre delle ciglia e flagelli.

 Per vedere se una cellula è morta basta controllare se è fuoriuscita all’esterno la fosfatildiserina.

1-MEMBRANA PLASMATICA: struttura e funzioni

La loro funzione principale è quello di rivestimento della cellula e dei vare elementi che la formano.

Vi sono differenti tipi di membrane ma presentano la stessa struttura di base, i cui componenti sono

tenuti insieme in un strato sottile da legami covalenti, esse sono formate da:

 50% proteine = ancoraggio, trasduzione del segnale, riconoscimento cellulare (eliminare gli

estranei), giunzione inter-cellulare, trasporto (attivo e passivo), attività enzimatica,

riconoscimento cellulare, trasferimento elettroni durante la fotosintesi o respirazione

=costituiscono nelle attività specializzate di quel tipo cellulare. Vi sono diversi tipi di proteine

come quelle strutturali e funzionali (= pompe, canali, enzimi, recettori e trasduttori del segnale).

Alcune proteine sono “fissate” in alcune zone della membrana perché ancorate al citoscheletro.

Sono gli esecutori di quasi tutte le attività della membrana.

Le proteine di membrana possono essere suddivise in relazione all’attività dei loro rapporti con

il doppio strato lipidico:

1. Proteine integrali: sono proteine trans-membrana (attraversano la membrana), sono

bersagli di agenti farmacologici. Queste attraversano il doppio strato lipidico

affacciandosi con le estremità dalle due facce della membrana; inoltre non possono

essere rilasciate con procedimenti di estrazione, in quanto trattenute da un legame

particolarmente forte (=interazioni idrofobiche).

2. Proteine periferiche: si legano alla superficie tramite legami non covalenti

(=elettrostatici deboli e legami idrogeno) e sono situate all’esterno del doppio strato o

sulla superficie extracellulare o citiplasmatica. Vanno a formare una rete fibrillare che

agisce come uno “scheletro” di membrana, fornendo un supporto meccanico e siti di

ancoraggio. Altre agiscono come enzimi, rivestimenti specializzati o come fattori che

trasmettono segnali transmembrana. Hanno una relazione dinamica con la membrana.

3. Proteine ancorate ai lipidi: sono all’esterno dl doppio strato sul versante extracellulare o

citoplasmatico, e sono legate con un legame covalente ad una molecola lipidica del

doppio strato. Ve ne sono diversi tipi, quelle presenti sulla membrana vi si legano

attraverso dei corti e complessi oligosaccaridi legati ad una molecola di

fosfatidilinositolo e vengono chiamate proteine ancorate al GPI. Un altro tipo di

proteine (sul versante citosolico) è ancorato alla membrana da lunghe catene

idrocarburiche

 30/40% lipidi = contenenti regioni idrofile ed idrofobiche, e ve ne sono di 3

tipi: fosfolipidi (= molecole anfipatiche), sfingolipidi e colesterolo (=zattera

lipidica); i lipidi di membrana sono i precursori di messaggeri chimici. I lipidi di

membrana si assemblano spontaneamente in doppio strato se posti in acqua.

Tali lipidi sono suddivisi in 2 settori: una Testa polare (idrofila) situata

all’esterno e 2 Code apolari (idrofobiche) situate all’interno ma non in

contatto con l’acqua. I fosfolipidi possono muoversi attraverso l’aiuto delle

proteine =Flip-flop. Il Colesterolo è un altro lipide costituente delle membrane

eucariotiche, e le suo molecole sono orientate con il loro gruppo idrofilo

verso la superficie di membrana e la loro coda idrofoba è inclusa nel doppio

strato lipidico.

Si viene a parlare di Zattere Lipidiche quando i lipidi di membrana vengo

estratti dalle cellule, per preparare doppi strati lipidici artificiali, il colesterolo e gli sfingolipidi

tendono a causa di ciò ad auto-assemblarsi in microdomini che a causa delle loro proprietà

fisiche distintive, si trovano a “galleggiare” all’interno dell’ambiente più fluido e disordinato del

doppio strato artificiale.

 Circa 10% carboidrati = si aggiungono nel Golgi alle proteine che vanno verso l’esterno, e tale

sostanza le aiuta a sopravvivere nell’ambiente esterno (= ambiente molto duro) dato che sono

rivolti verso l’ambiente extracellulare. Si trovano attaccati alla superficie esterna della

membrana, attraverso una catena breve e sono definiti oligosaccaridi, i quali formano le

glicoproteine (= oligosaccaridi legati a proteine di membrana). Un altro tipo di carboidrati

presenti sono i glicolipidi, i quali sono unità polisaccaridi legati a lipidi di membrana e di solito

sporgono all’esterno. Hanno un ruolo molto importante nel riconoscimento di specifiche

molecole che possono essere ormoni o proteine nella capsula dei virus. Gli oligosaccaridi

possono essere uniti a numerosi amminoacidi, attraverso 2 principali tipi di legami.

La parte centrale della membrana consiste in un

foglietto lipidico organizzato in un doppio strato, il

quale funge da scheletro strutturale e costituisce la

membrana che impedisce i movimenti casuali delle

molecole idrosolubili. Grazie al fatto che le catene

idrocarburiche del doppio strato lipidico non sono mai

esposte all’ambiente acquoso circostante, fa si che non vi sia un margine libero, ma sono strutture continue.

Inoltre grazie alla sua flessibilità (doppio strato lipidico) le membrane sono deformabili e la loro forma può

cambiare, è in grado di chiudersi su se stesso formando dei Comportamenti Stagni. Si pensa che il doppio

strato lipidico faciliti la fusione o la gemmazione delle membrane ( durante la secrezione). Mantiene inoltre

l’appropriata composizione interna della cellula ed è importante anche per la sua capacità di

autoassemblamento. Ma vi sono mai estremità libere. Occorre notare che il doppio strato lipidico non è

stabile, di fatti le molecole fosfolipidiche possono spostarsi da una zona all’altra e passare attraverso altri

strati.

Il doppio strato lipidico è formato da 2 foglietti: interno (=fosfatidiletanolammina, fosfatidilinositolo,

fosfadilserina) ed esterno (=glicolipidi).

La fluidità della membrana fornisce un perfetto compromesso fra una struttura rigida e ordinaria ed un

liquido non viscoso completamente fluido. Tale fluidità permette l’avvenire delle interazioni all’interno di

essa, come l’assemblaggio di gruppi di proteine di membrana in punti particolari. Ma è anche fondamentale

nell’assemblaggio della membrana stessa.

Occorre fare una distinzione tra le membrane presenti nella cellula: la membrana plasmatica racchiude

il contenuto dell’intera cellula, invece le membrane nucleari e citoplasmatiche delimitano differenti

spazi intracellulari.

Funzioni:

 Compartimento, dove si formano vari spazi ben divisi, che permettono alla sostanze specifiche

di svolgere attività specifiche senza l’intromissione di interferenze esterne

 Supporto fisico per attività biochimiche, grazie alla loro struttura forniscono alla cellula

un’ampia impalcatura

 Barriera con permeabilità selettiva, le membrane impediscono il libero scambio di molecole,

ma forniscono unaì mezzo di comunicazione tra i compartimenti che separano

 Trasporto di soluti, occorre notare che la membrana plasmatica contiene i “meccanismi”

necessari per il trasferimento fisico di sostanze e consentendone l’accumulamento, e si occupa

inoltre del trasporto di ioni specifici

 Risposta a segnali esterni, la membrana plasmatica svolge un ruolo fondamentale nella risposta

di una cellula agli stimoli esterni: Trasduzione del segnale. Le membrane contegno dei recettori

che si legano ai ligandi (molecole specifiche) per rispondere a tali stimoli

 Interazione intercellulari, la membrana plasmatica media le interazioni tra cellule e gli

permette di riconoscersi fra loro, di aderire e di scambiarsi materiali ed informazioni

 Trasferimento di energia, le membrane sono collegate al processo di conversione dell’energia

( trasferimento di energia). Un esempio di tale di trasferimento è la fotosintesi, ed inoltre le

membrane sono implicate nel trasferimento dell’energia chimica dai carboidrati e dai grassi

all’ATP

MODELLO A MOSAICO FLUIDO (1972):

è un esperimento che venne svolto per comprendere la composizione all’interno della cellula, in quanto le

molecole si trovano in uno stato acquoso.

Secondo il modello a mosaico fluido, la struttura delle membrane è costituita da un doppio strato di

molecole lipidiche (con spessore di 7-8 nm). I lipidi del doppio strato sono anfipatici, cioè sono molecole con

caratteristiche sia idrofobiche che idrofile. Le regioni idrofobiche, concentrate nella parte interna delle

membrane, costituiscono una barriera che impedisce il libero movimento delle molecole polari attraverso la

membrana. Le parti idrofile, invece, sono rivolte verso l’ambiente idrofilo ai due lati della membrana. In

condizioni fisiologiche il doppio strato è fluido, nel senso che le molecole lipidiche sono libere di cambiare

posizione e di effettuare determinati movimenti.

Il questo caso le membrane cellulari sono considerate come strutture dinamiche, le cui componenti sono

mobili e capaci di entrare in contatto per partecipare ai vari tipi di interazioni transitorie o semipermanenti.

La membrana non deve essere troppo fluida, e per questo viene in “aiuto” il colesterolo ( punto di partenza

per diverse reazioni liquide), il quale si inserisce nella membrana per impedire la troppa fluidità, ma in certi

casi può anche impedire le attività delle membrane.

Le proteine di membrana galleggiano nel doppio strato lipidico. La suddivisione della membrana in regioni

distinte, alcune occupate da proteine, altre da lipidi, giustifica l’uso del termine “mosaico”. Tali proteine

permettono il passaggio di sostanze e/o molecole, ma anche di catturare e trasformare le informazioni, per

trasferirle al nucleo. Vengono individuati 2 tipi di proteine: Integrali e periferiche, a seconda della loro

modalità di associazione con i doppi strati lipidici.

1. INTEGRALI (intrinseche)= sono inserite in profondità nel doppio strato e tenute insieme in

posizione da interazioni non polari con i lipidi di membrana. La capacità di stare sospese nel doppio

strato dipende alla duplice solubilità delle proteine di membrana. In corrispondenza della superficie

polare delle membrane, le molecole proteiche si ripiegano in modo da esporre solo le catene

laterali di aminoacidi idrofili. Le catene laterali di aminoacidi apolari sono invece esposte in quelle

parti della proteina che si affacciano verso le regioni interne, idrofobiche, della membrana e

vengono tenute in posizione mediante l’associazione con le catene aciliche apolari dei lipidi di

membrana. Le proteine integrali rimangono in sospensione stabile nel doppio strato in quanto, al

pari dei lipidi, qualsiasi alterazione del loro orientamento esporrebbe le loro regioni idrofobiche

all’ambiente idrofilo circostante. A causa della loro stretta associazione con l’ambiente interno

apolare, le proteine integrali possono essere rimosse dalla membrana solo mediante trattamento

con detergenti o solventi apolari che disperdono il doppio strato.

=attraversano il doppio strato dei fosfolipidi, grazie alla loro natura chimica (amminoacidi) e con il

citoscheletro mantengono compatta la membrana.

2. PERIFERICHE (estrinseche)= sono molecole idrofile che si legano in modo non covalente alle

superfici polari delle membrane. Alcune proteine periferiche sono ancorate ad un’estremità della

membrana mediante fosfolipidi, catene di acidi grassi o altri gruppi idrocarburici apolari. Il gruppo di

ancoraggio lega covalentemente un aminoacido della catena laterale all’estremità N-terminale della

proteina. Possono essere estratte mediante trattamenti relativamente blandi che non disturbano il

doppio strato lipidico, ad esempio variazioni del pH.

= non attraversano lo strato dei fosfolipidi.

CELL TRANSPORT:

Tutte le comunicazioni tra la cellula e l’ambiente extracellulare devono essere mediate dalla membrana

plasmatica, la quale ha doppia funzione: deve trattenere le molecole in soluzione nella cellula ma anche

consentire i necessari scambi di sostanze verso l’interno e verso l’esterno della cellula. Il doppio strato è

adatto per evitare la perdita di soluti polari e dotati di carica. Per questo la cellula prende di provvedimenti

per permettere il movimento verso l’interno e verso l’esterno della cellula.

Il movimento può avvenire in maniera passiva, per diffusione o attiva, per mezzo di un processo di trasporto

che richiede energia. Entrambi portano ad un flusso netto (= il movimento verso l’interno e quello verso

l’esterno non sono in equilibrio, ma che uno è maggiore dell’altro) di un particolare ione o composto.

Il libero passaggio transmembrana può avvenire per piccoli molecole idrofobiche e per piccole molecole

polari senza carica, tale passaggio avviene per diffusione semplice che non richiede proteine di membrana,

energia, segue il gradiente di concentrazione e procede fino all’equilibrio. Invece il passaggio deve essere

mediato da trasportatori per grosse molecole polari senza carica ed ioni, tale passaggio non può avvenire

senza la presenza di proteine di membrana che effettuano il trasporto passivo (o diffusione facilitata) o il

trasporto attivo, che richiede energia.

A. Trasporto passivo: (=secondo gradiente, senza dispendio di energia, la proteina porta la

molecola dove ve ne sono di più).

Diffusione: è un processo spontaneo nel quale una sostanza si muove da una regione ad

 elevata concentrazione ad una a bassa concentrazione, annullando la differenza di

concentrazione. Dipende dall’agitazione termica casuale dei soluti ed è un processo

esoenergetico guidato da un aumento di entropia.

= gradiente di concentrazione, molecole molto piccole che passano senza scorta.

Diffusione facilitata: è il movimento di molecole attraverso la membrana cellulare

 tramite particolari proteine di trasporto che formano dei canali e sono integrate nella

membrana cellulare.

= la sostanza che deve diffondere si lega prima selettivamente ad una proteina che

attraversa la membrana, che agevola il processo di diffusione. Si ritiene che provochi un

cambiamento conformazionale della proteina.

È simile per alcuni aspetti ad una reazione catalizzata da un enzima. I trasportatori

facilitati sono specifici per le molecole che trasportano e la loro attività può essere

regolata. È importante nel mediare l’entrata e l’uscita di soluti polari che non possono

penetrare nel doppio strato lipidico.

Osmosi: diffusione di un solvente attraverso una membrana verso una regione ad alta

 concentrazione di soluto. A muoversi è il solvente e non il soluto. Negli organismi

viventi il solvente è l'acqua e la maggior parte delle membrane cellulari è permeabile

all'acqua.

B. Trasporto attivo: dipende da proteine integrali di membrana capaci di legare in modo selettivo

un particolare soluto e di spostarlo attraverso la membrana in seguito a modificazioni

conformazionali della proteina. È il trasporto di molecole attraverso la membrana plasmatica

mediato da una proteina trans-membrana detta trasportatore di membrana. A differenza di

quanto avviene nel trasporto passivo, nel trasporto attivo è richiesta una spesa energetica ed è

sempre necessaria la mediazione di un trasportatore. In questa forma di trasporto le molecole

si muovono contro un gradiente elettrico, chimico o elettrochimico.

Le proteine che effettuano un trasporto attivo primario vengono chiamate spesso “pompe”,

invece nel secondario si parla di “co-trasportatori”.

Nel trasporto primario, il trasporto è accoppiato da direttamente ad una reazione esoergonica.

L’energia viene fornita direttamente dall’idrolisi di una molecola di ATP, che creano intermedi ad

alta energia permettendo lo spostamento di ioni e molecole. Un esempio è la pompa sodio-

potassio = fa uscire 3 ioni sodio ed entrano 2 ioni potassio con l’utilizzo delle ATP.

Il trasporto secondario avviene quando il trasporto endoergonico di un soluto è accompagnato

da un flusso esoergonico di un altro soluto che era stato accumulato in precedenza. È un

fenomeno che consente il trasporto di sostanze contro gradiente di concentrazione sfruttando il

movimento di una seconda sostanza che si muove, invece, secondo gradiente di

concentrazione.

Nel trasporto secondario non viene speso direttamente ATP, ma viene sfruttata la differenza di

potenziale elettrochimico creata dai meccanismi di trasporto attivo primario (=con la spinta

utilizzata con la prima molecola, si crea l’energia necessaria per “spedire” le altre).

Anche il trasporto secondario, essendo comunque un trasporto attivo, si basa sul consumo di

molecole di ATP ma l’idrolisi non è direttamente collegata con il trasporto ma è fondamen