Citologia - parte 1

La cellula - Introduzione

La cellula

La cellula è l'unità strutturale e funzionale dell'organismo. È una singola entità che si riproduce per creare copie identiche di sé. Ogni cellula proviene da un'altra cellula preesistente. Dalla sua morfologia dipende la sua funzione.

• Game: "singole cellule, ciascuna in punto di morte; ma con la loro unione si forma un individuo ringiovanito, che costituisce un anello dell'eterno processo della vita".
• Zigote: prima cellula di ogni embrione e unica cellula totipotente.

Tipi di organismi

Un organismo può essere:

• Unicellulare: la stessa cellula è un organismo capace di riprodursi e vivere in ambienti diversi (es. estremi).
• Pluricellulare: insieme di cellule.

Due domande: come funziona una cellula? Le cellule collaborano tra di loro? Sì.

Negli organismi pluricellulari le diverse cellule sono specializzate per svolgere funzioni diverse e si associano e comunicano tra di loro attraverso le giunzioni cellulari.

Possiamo dire che cellule di organismi unicellulari e pluricellulari possiedono una propria "intelligenza". All'interno dell'organismo non tutte le cellule sanno riprodursi, mentre l'intero organismo ha la capacità di riprodursi.

Cellule procarioti

Organismi:

• Archea: alofili (elevata salinità), termofili, metanogeni (producono metano).
• Bacteria: tutti gli altri procarioti (es. micoplasmi).

Caratteristiche:

• Capsula
• Parete cellulare
• Membrana plasmatica
• Ribosomi
• Plasmidi
• Nucleoide: regione in cui si trova il DNA
• Pili e flagello

Cellule eucarioti

Organismi:

• Protisti
• Funghi
• Piante
• Animali

Caratteristiche:

• Parete cellulare (cellula vegetale)
• Membrana plasmatica
• Nucleo e nucleolo
• Citoscheletro
• RER e REL
• Apparato di Golgi
• Ribosomi
• Mitocondri
• Centrosoma
• Lisosomi
• Perossisomi

Dimensioni

Le dimensioni sono correlate alle loro funzioni:

• Cellula procariote: 1-5 μm
• Cellula eucariote: 10-100 μm
• Cellula eucariote animale: 10-30 μm

Le cellule hanno uno specifico rapporto superficie/volume: la superficie aumenta in unità al quadrato, il volume in unità al cubo. Come fa la cellula ad aumentare la propria superficie? Nella cellula eucariote la superficie viene aumentata con espansioni digitiformi della membrana plasmatica (es. microvilli e ciglia). Il rapporto nucleo/citoplasma è 1:2, le cellule smetteranno di dividersi quando avranno ripristinato il rapporto nucleo/citoplasma.

Le cellule possono avere dimensioni e forme diverse.

Tipi cellulari e dimensioni

• Batteri: 0,2 μm
• Micoplasma Pneumoniae (provoca polmonite)
• Cellula del lievito: 6 μm (S. cerevisiae)
• Fibroblasto: 20 μm (capace di sintetizzare la matrice cellulare)
• Cellula nervosa: 20 μm diametro, 10 μm lunghezza
• Cellula vegetale: 50 μm

Le cellule possono vivere in soluzione, adese ad un substrato, comunicare tra loro o aggredirsi reciprocamente.

Cellule HeLa

• 1951
• Henrietta Lacks
• Linea cellulare isolata da un cancro della cervice uterina
• Sono state le prime cellule umane immortalizzate
• Possiedono caratteristiche uniche
• Numero di cromosomi anomalo rispetto alle cellule somatiche: 4 copie del cromosoma 12 e 3 copie dei cromosomi 6, 8 e 17
• Dovute ad una mutazione indotta dal Papilloma virus

L'ultrastruttura della cellula eucariote, ovvero la struttura submicroscopica che ha dimensioni inferiori a 0,2 μm, fu scoperta tramite l'utilizzo del microscopio elettronico, costruito per la prima volta nel 1931 da Ernst Ruska e Max Knoll.

Compartimenti membranosi

Il pH dei compartimenti cellulari è diverso:

Caratteristiche del sistema membranoso: non c'è il passaggio libero di ioni.

Negli organismi pluricellulari le cellule si suddividono il lavoro. Le cellule specializzate sono dipendenti da altre cellule. Pluricellularità = differenziamento.

Microscopio

Uno dei primi microscopi fu ideato da Robert Hooke (1635-1703), osservò con il microscopio una sottile sfoglia di sughero nel 1665.

Composizione chimica delle cellule

Dei 92 elementi esistenti in natura solo 4 specie atomiche costituiscono il 96,5% del peso corporeo di un organismo: idrogeno, carbonio, ossigeno. In piccola percentuale sono invece presenti N, Na, Mg, P, Si, Cl, K, Ca.

Le macromolecole - Introduzione

Le macromolecole

Le macromolecole sono polimeri. Ogni macromolecola è costituita da un numero limitato di unità monomeriche che si ripetono. I polimeri sono sintetizzati mediante reazioni di condensazione con formazione di legami covalenti tra i monomeri a partire da informazione ed energia. I polimeri sintetizzati si ripiegano spontaneamente in forme tridimensionali stabili. Queste macromolecole si associano in modo gerarchico per dare origine a livelli superiori di complessità strutturale. Le macromolecole possiedono proprietà assenti nei monomeri costitutivi.

Polimeri

I polimeri possono essere distinti in:

• Informazionali: acidi nucleici e proteine. Sono eteropolimeri con ordine non casuale dei monomeri, significativo per la loro funzione.
• Acidi nucleici: la sequenza dei monomeri ha una funzione codificante.
• Proteine: la sequenza dei monomeri determina la struttura tridimensionale quindi la funzione della proteina.
• Deposito: polisaccaridi. Es: amido e glicogeno. Sono omopolimeri.
• Strutturali: polisaccaridi. Es: cellulosa. Sono omopolimeri.

Sintesi dei polimeri

Tutti i polimeri sono costruiti con la medesima strategia:

• Monomeri-trasportatore-enzimi-ATP
• I monomeri sono attivati per accoppiamento con un trasportatore, il quale poi trasferisce il monomero all'estremità terminale della macromolecola in fase di allungamento.
• I monomeri attivati si legano al polimero con una reazione di condensazione. I processi di polimerizzazione regolano la formazione dei polimeri.
• Depolimerizzazione: reazione di idrolisi con aggiunta di H₂O.

Acidi nucleici

Sono polimeri informazionali di grande importanza nel mondo biologico. Regolano i processi vitali e dirigono la costruzione di tutta la cellula.

• DNA molecola in grado di:
  • Autoduplicarsi
  • Depositario delle informazioni per la sintesi di tutte le proteine di un organismo.
• RNA svolgono ruoli diversi nel processo di traduzione.

Un nucleotide è formato da:

• Un gruppo fosfato
• Uno zucchero ribosio o deossiribosio. Entrambi pentosi.
• Una base azotata purine (adenina o guanina) o pirimidine (timina, uracile o citosina).

Differenza tra ribosio e deossiribosio:

• Ribosio nell'RNA. Possiede un atomo di -H legato al carbonio 2.
• Deossiribosio nel DNA. Possiede un gruppo ossidrile -OH legato al carbonio 2.

Nucleotide: GR. FOSFATO + ZUCCHERO + BASE AZOTATA

Nucleoside: ZUCCHERO + BASE AZOTATA

I monomeri degli acidi nucleici sono i nucleotidi. Due nucleotidi si legano tra di loro tramite legame fosfodiesterico (se ne va una molecola di H₂O -O del gruppo fosfato e -OH dello zucchero pentoso). È una reazione di condensazione. Gli acidi nucleici informazione sono polimeri lineari: si forma una catena lineare con direzionalità intrinseca. Per far questo è richiesta energia: da dove arriva? Dalla rottura dei 2 legami fosfo-anidridici dei gruppi fosfato (2 legami fosfo-anidridici equivalgono a 3 gruppi fosfato, i nucleosidi sono tri-fosfati). L'idrolisi di questi legami libera 2 o 3 volte più energia di un legame fosfoestere. I nucleosidi trifosfato possono funzionare da vettori temporanei di energia chimica.

Com'è fatto il DNA?

Il DNA è una molecola con struttura elicoidale, costituita da 2 filamenti polinucleotidici definiti: antiparalleli e complementari.

• 2 catene orientate in direzione opposta
• Lo scheletro della catena è costituito da zucchero alternato al fosfato
• Zone idrofile: parte esterna della molecola dove massimizzano il contatto con l'H₂O.
• Basi azotate: composti aromatici con minor affinità per l'H₂O orientate verso l'interno dove si appaiano.

L'appaiamento delle basi è energeticamente favorito da:

• Ingombro sterico costante (1 purina si lega sempre con 1 pirimidina).
• Formazione del maggior numero di legami a idrogeno tra le basi: 2 legami H tra timina e adenina, 3 legami H tra citosina e guanina.

Informazione del DNA

L'informazione del DNA si trova nelle basi azotate:

• Rosalind Franklin e Maurice Wilkins: effettuarono studi di cristallografia del DNA e ne determinarono alcune caratteristiche.
• Molecola lunga e sottile con elementi che si ripetono.
• Molecola ha una forma ad elica ed è formata da 2 filamenti.
• Forma B del DNA: zuccheri e gruppi fosfato disposti all'esterno e le basi azotate all'interno.

Chargaff: dimostrò che la concentrazione dell'adenina era sempre uguale a quella della timina.

REGOLA DI CHARGAFF: [A] = [T], [C] = [G], [A] + [T] = [G] + [C].

Watson e Crick: intuirono complementarità tra due catene e legami H tra le basi. Nel 1957 Crick propose il dogma centrale della biologia molecolare fissando le relazioni tra DNA, RNA e proteine. Nel 1962 vinsero il Nobel per la Medicina.

Meselson e Stahl nel 1958 dimostrarono la replicazione semiconservativa.

Kornberg nel 1961 dimostrò l'antiparallelismo delle 2 catene.

Crick dimostrò che il codice genetico è basato su triplette di basi non sovrapposte.

Khorana, Holley e Nirenberg decifrarono il codice genetico e vinsero il Premio Nobel per la medicina nel 1968.

Nel 1961 Nirenberg e Ochoa scoprirono che ogni tripletta di nucleotidi codifica per uno specifico amminoacido.

Il DNA possiede un solco minore e un solco maggiore. Le proteine si legano al solco maggiore. Se consideriamo un filamento, una determinata sequenza di nucleotidi identifica il gene che specifica la struttura primaria di una catena polipeptidica.

0,34 nm tra 2 nucleotidi. 3,4 nm (passo dell'elica) pari a 10 coppie di basi.

Ruolo biologico dei nucleotidi

• Immagazzinare e rendere disponibile l'informazione biologica per la formazione di catene polinucleotidiche.
• DNA funge da stampo e i nucleotidi vengono inseriti rispettando il concetto di complementarietà tra le basi.
• Sintesi (trascrizione) degli RNA per codificare i polipeptidi.

Proteine

Le proteine costituiscono il 50% del peso secco delle cellule. Le proteine sono macromolecole la cui struttura è legata alle funzioni che svolgono. Le proteine sono eteropolimeri costruiti a partire da 20 amminoacidi diversi. Una proteina è formata da un polipeptide o un complesso di due o più polipeptidi che ha raggiunto una conformazione tridimensionale. In base alle proprietà dei gruppi R (catene laterali) sono suddivisi in:

• Polari carichi idrofili
• Polari non carichi idrofili
• Non polari idrofobici

Il legame peptidico si realizza tra il -COOH di un amminoacido e -NH dell'amminoacido seguente, con perdita di una molecola di H₂O. Un polimero presenta una polarità intrinseca. La catena polipeptidica si ripiega su se stessa acquisendo una forma tridimensionale definita conformazione (solitamente è quella di energia minima), che è in stretta relazione con la sua funzione. Una proteina è un polipeptide o un complesso di due o più polipeptidi che ha raggiunto una conformazione tridimensionale stabile. Il ripiegamento iniziale è favorito dalle interazioni e può essere guidato da proteine chaperone.

• Le chaperonine possono legarsi a un polipeptide anche mentre viene sintetizzato da un ribosoma, contribuendo in tal modo a impedirne un ripiegamento errato irreversibile.
• Dopo che un polipeptide è stato sintetizzato, le chaperonine contribuiscono al ripiegamento in una conformazione funzionale stabile: la forma nativa.
• In alcuni casi le chaperonine formano grandi complessi chiamati microgabbie, nei quali i polipeptidi possono entrare, così da essere aiutati a ripiegarsi correttamente.

Livelli di strutturazione delle proteine

Nella formazione della struttura tridimensionale di una proteina ci sono 3 livelli di architettura con complessità crescente.

1. Struttura primaria: sequenza degli amminoacidi dipende dall'informazione del gene corrispondente e determina la sua attività biologica. Tutte le proteine hanno una struttura primaria.
2. Struttura secondaria: scoperta da Pauling e Corey nel 1951. Nella conformazione di una proteina alcuni tratti si trovano avvolti o ripiegati ripetutamente secondo due modalità: α-elica e β-foglietto.
3. Struttura terziaria: è un livello di organizzazione superiore. Ripiegamento guidato da interazioni deboli e covalenti tra le catene laterali degli amminoacidi. Gli amminoacidi con gruppi R apolari si associano nel nucleo interno della proteina; mutua esclusione dal contatto con l'H₂O mantiene tali catene laterali in reciproco contatto.

Ponte disolfuro: legame covalente tra due cisteine, che contribuisce alla stabilizzazione della struttura terziaria. Le cisteine sono abbastanza distanti tra loro nella sequenza amminoacidica.

Struttura quaternaria: è il livello di strutturazione che deriva dall'interazione di 2 o più catene polipeptidiche e dal loro assemblaggio. Le subunità possono essere identiche o diverse. I legami e le forze che stabilizzano la struttura quaternaria sono gli stessi della struttura terziaria.

La prima proteina di cui è stata determinata la sequenza è l'insulina Sanger, premio Nobel 1956.

In generale, in base alla loro struttura tridimensionale, le proteine possono essere suddivise in 2 categorie:

• Proteine globulari: molecole compatte di forma approssimativamente sferica. Es: enzimi, ormoni.
• Proteine fibrose: struttura tridimensionale allungata. Es: proteine strutturali (collageno, elastina, actina filamentosa, cheratina).

Anfinsen 1961: svolse esperimenti di denaturazione con la proteina Ribonucleasi A e vinse il Nobel per la chimica nel 1972.

• La conformazione nativa della proteina ribonucleasi A contiene legami covalenti (legami disolfuro) tra amminoacidi cisteina.
• Quando vengono aggiunti agenti chimici 2-mercaptoetanolo e urea, la proteina si dispiega (denatura) e i legami disolfuro si rompono.
• Quando vengono rimossi gli agenti chimici, la proteina ritorna alla sua conformazione nativa, compreso il ripristino dei legami disolfuro.

Grazie a questo esperimento Anfinsen capì che l'informazione necessaria alla proteina per ripiegarsi è intrinsecamente contenuta nella struttura primaria della proteina.

Modificazioni nella struttura primaria

Un cambiamento della struttura primaria di una proteina può cambiare la sua conformazione e quindi la sua funzionalità. Esempio: emoglobina che possiede una mutazione puntiforme, sostituzione di Adenina con Uracile, GAG GUG. L'emoglobina falciforme (con base azotata sostituita) possiede una ridotta capacità di legare O₂.

Emoglobina normale - Emoglobina falciforme

Questa modifica nella struttura primaria di una proteina causa l'anemia falciforme:

• Caratterizzata da una morfologia falciforme degli eritrociti in condizioni di ipossia (carenza di ossigeno).
• La sostituzione di un aa idrofilo con uno idrofobico abbassa la solubilità della proteina, l'emoglobina tende a formare fibrille, precipita e i globuli rossi in presenza di bassa tensione di ossigeno o durante la circolazione nei capillari diventano falciformi.
• Eritrociti falciformi hanno un'emivita più breve rispetto agli eritrociti normali, vanno incontro a demolisi splenica ad opera dei macrofagi.
• Zone in cui si manifesta: Africa centro-orientale, India, sud dell'Arabia, popolazioni del mediterraneo (Italia, Spagna e Grecia).
• Plasmodium falciparum: agente eziologico della malaria. Ha un ciclo di vita molto lungo e complesso, incapace di riprodursi negli eritrociti dei soggetti affetti da talassemia.

Carboidrati

Gli zuccheri di importanza biologica appartengono a 3 classi: monosaccaridi, disaccaridi, polisaccaridi. Costituiti da carbonio C, idrogeno H e ossigeno O, presenti nelle molecole in questo rapporto: C_nH_2nO_n.

Monosaccaridi (zuccheri semplici)

Criteri di classificazione degli zuccheri:

• Gruppo aldeidico o gruppo chetonico
• Lunghezza scheletro carbonioso (3-7 atomi C).
• Come si formano gli anelli? In soluzione acquosa il gruppo aldeidico o chetonico dello zucchero tende a reagire con un gruppo ossidrilico con formazione di un anello.

Gli zuccheri possono essere:

• Pentosi: ribosio e desossiribosio. Per costruire i nucleotidi e ATP.
• Esosi: glucosio, galattosio, fruttosio. Per produrre:
  • ATP
  • Fonte di atomi di carbonio per la biosintesi di altre molecole organiche.
  • Monomeri per la costruzione di disaccaridi o polisaccaridi di riserva o strutturali.