Riassunto di Biologia molecolare

Biologia molecolare (parte della Fiaschi)

Prima di parlare dei vari processi incontrati in questo corso, è doveroso prima reintrodurre il concetto di “Cellula”. Per cellula intendiamo l'unità fondamentale della vita e rappresenta di fatto la più piccola struttura vitale che esista. Il nome “cellula” deriva dal suo scopritore (Robert Hook), che per primo osservò con il microscopio ottico una serie di unità ripetitive che legate fra loro componevano il sughero. Tali unità ripetitive avevano una forma molto simile a delle celle, ed è da qui che nacque il nome cellula. Gli organismi sulla base del numero di cellule della quale è composta, vengono classificati in: Unicellulari (costituiti da una singola cellula) e Pluricellulari (costituiti da più cellule).

Le cellule procariote

Le cellule procariote sono cellule molto semplici che caratterizzano generalmente organismi unicellulari come i batteri e gli archea. Generalmente tali cellule sono costituite strutturalmente parlando da:

• Parete cellulare e membrana cellulare (analoga a quella descritta successivamente nelle cellule eucariote)
• Citoplasma nella quale sono immersi i ribosomi
• Strutture deputate al movimento come i flagelli o le fimbrie
• Strutture deputate alla riproduzione come i pili sessuali
• Genoma a DNA, non protetto da nessuna membrana nucleare (non c'è un nucleo!!). Infatti il genoma si trova in una regione specifica del citoplasma chiamata “Nucleoide”
• Può esserci anche la presenza di alcune strutture accessorie di rivestimento chiamata “Capsula”
• Non vi è una compartimentazione della cellula e si riproducono per scissione binaria

Le cellule eucariote

Le cellule eucariote sono cellule molto complesse che caratterizzano generalmente sia organismi unicellulari che organismi pluricellulari. Generalmente tali cellule sono costituite strutturalmente parlando da:

• Membrana cellulare, è una struttura cellulare di spessore 7,5 nanometri, di fondamentale importanza. Essa delimita la cellula separandola dall'ambiente extra-cellulare e media gli scambi di materia ed i rapporti di segnalazione dall'interno all'esterno della cellula e viceversa regolando l'omeostasi cellulare. La sua composizione è di natura pressoché lipidica, ma abbiamo anche in minor parte di proteine e zuccheri.
  • La componente lipidica è la più abbondante in assoluto ed è composta dai trigliceridi, i fosfolipidi, gli sfingolipidi, il colesterolo, gli steroidi e gli acidi grassi a lunga catena (omega-3 e omega-6). I trigliceridi fanno parte della famiglia dei gliceridi di cui fanno parte anche monogliceridi e digliceridi.
  • I trigliceridi si trovano prevalentemente negli adipociti del tessuto adiposo, sotto forma di goccioline lipidiche. Si trovano allo stato liquido perché alla temperatura corporea i trigliceridi passano allo stato liquido. Esse sono molecole importantissime soprattutto a scopo energetico, in quanto rappresentano una delle riserve di energia più grandi del nostro organismo. I trigliceridi strutturalmente parlando sono costituiti da 3 acidi grassi (a lunga o media catena) ed una molecola di glicerolo.
  • Gli acidi grassi che compongono i trigliceridi sono costituiti, salvo qualche eccezione, da un numero pari di atomi di carbonio compreso da 1 a 22. Se il numero di atomi di carbonio varia da 1 a 12 si dicano a acidi grassi a catena media-corta, se il numero di atomi di carbonio è maggiore di 12 si dicano acidi grassi a catena media-lunga. Queste catene carboniose presentano anche un'estremità caratterizzata da un gruppo carbossilico (che fa da testa polare). Gli acidi grassi in natura si possono trovare sotto forma satura (se non presentano doppi legami sulla coda carboniosa) o insatura (se invece presentano uno o più doppi legami, e si chiamano rispettivamente mono insaturi e poli insaturi. In natura i legami presenti negli acidi grassi insaturi sono tutti in conformazione “cis”).
  • Il glicerolo invece è molto semplicemente un alcool trivalente costituito da una catena di 3 atomi di carbonio legati a tre gruppi ossidrili (OH). L'unione tra il glicerolo ed i 3 acidi grassi avviene fra il gruppo ossidrile del glicerolo ed il gruppo carbossilico presente nella estremità dell'acido grasso, ed avviene tramite una reazione di condensazione.
  • I fosfolipidi rappresentano la componente principale a livello quantitativo della membrana cellulare e sono lunghi circa 1-2 nanometri. Essi sono molecole “Anfipatiche”, ossia costituiti da una testa idrofila polare carica (affine con l'acqua) e una coda idrofoba apolare non carica (che non è affine con l'acqua e tende a starci il più lontano possibile). Oltre ad essere molecole anfipatiche, sono anche molecole asimmetriche, in quanto la coda è notevolmente più grande rispetto alla testa. Strutturalmente parlando la coda dei fosfolipidi è costituita prevalentemente da acidi grassi e da molecole di sfingosina, mentre la testa è costituita dal gruppo fosfato che quasi sempre è legato ad altre molecole. Sulla base del tipo di molecola che si lega al gruppo fosfato si vengono a formare tipi di fosfolipidi differenti, ad esempio:
• Se la testa è composta solo dal gruppo fosfato allora si parla di fosfogliceride (quasi assente nelle membrane cellulari)
• Se il gruppo fosfato è legato ad un alcool (come ad esempio la colina) si parla di fosfatidilcolina
• Se il gruppo fosfato è legato ad un gruppo amminico si parla di fosfatidilammina
• Se il gruppo fosfato è legato ad uno zucchero si forma un glicosfingolipide
• Se il gruppo fosfato è legato all'inositolo si forma un fosfatil-inositolo
• Se il gruppo fosfato è legato ad una serina si forma un fosfatil-serina

La polarità della testa e la apolarità della coda fanno sì che i fosfolipidi si dispongano in un doppio strato, chiamato appunto doppio strato fosfolipidico. Infatti in questo modo le code stanno nella parte interna della membrana, lontano dall'acqua che invece andrà a contatto con le teste disposte esternamente alla membrana. Oltre a tutto ciò dobbiamo anche dire che i fosfolipidi vivono nel nostro organismo, dove ci sono circa 36-37 gradi centigradi. A questa temperatura la coda dei fosfolipidi (rappresentata dagli acidi grassi) si trova in fase semi-solida (consistenza gelatinosa) e questo è alla base della fluidità di membrana, ossia la membrana non è fissa ma in continuo movimento.

Il colesterolo è uno steroide. Una molecola del tutto apolare formata da quattro anelli condensati fra loro, tre dei quali esagonali e uno pentagonale. Il colesterolo per introdursi all'interno del doppio strato fosfolipidico sfrutta il proprio gruppo ossidrile. Infatti tale gruppo polare si lega ai fosfolipidi di membrana e permette di fatto al colesterolo di prendere parte alla membrana cellulare. Il colesterolo una volta insinuato all'interno del doppio strato fosfolipidico è in grado di influenzare la fluidità di membrana per via delle sue grandi dimensioni che, per ingombro sterico, limitano i movimenti di inter-membrana come il flip-flop, flessione o rotazione, in cui i fosfolipidi passano da uno strato fosfolipidico all'altro, si muovono lateralmente lungo il solito strato fosfolipidico oppure ruotano su stessi. Oltre a ciò il colesterolo a volte si addensa in zone specifiche della membrana, portando ad un irrigidimento di quest'ultima. Tale porzione di membrana prende il nome di “Raft Lipidico” e può svilupparsi linearmente o formare delle vere e proprie invaginazioni intra-membrana. Quando si sviluppano invaginazioni si ha la formazione delle cosiddette “Caveole”, in cui si addensano proteine chiamate “Caveoline” o altre particolari proteine che servono alla trasduzione dei segnali intra ed extra-cellulari. Quando i raft lipidici si sviluppano linearmente, invece, si formano dei veri e propri ponti di passaggio che interconnettono il versante extra-cellulare col versante intra-cellulare della membrana cellulare. Questo “ponte di connessione” è importantissimo perché permette a molecole molto grandi, come gli anticorpi, di passare da una parte all'altra della membrana cellulare, giungendo quindi all'interno della cellula.

La componente proteica presente nelle membrane è fondamentale per moltissimi aspetti chimico-fisici della membrana stessa. Infatti le proteine svolgono molte funzioni tra cui: enzimatica, trasportatrice, recettrice e di adesione. Tutte le componenti che sono presenti a livello della membrana cellulare vengano definite proteine di membrana. Le proteine di membrana vengono sintetizzate a partire dal RER che forma proteine, successivamente glicosilate in glico-proteine. Quest'ultime raggiungono la faccia trans dell'apparato del Golgi, vengono assorbite e vengono spedite dal Golgi alle membrane cellulari tramite delle specifiche vescicole. Tali proteine possono essere di due tipi a seconda di dove si trovino nella membrana: estrinseche o intrinseche.

Le proteine di membrana estrinseche sono collocate sulla periferia della membrana. Esse si legano alle teste dei fosfolipidi tramite legami covalenti e non covalenti. Se si legano tramite legami covalenti si parla di proteine estrinseche ancorate, poiché si ancorano alla testa dei fosfolipidi (ad esempio l'ancora GPI). Quando invece le proteine estrinseche si legano alle teste dei fosfolipidi tramite legami non covalenti (legami prevalentemente a ponte a idrogeno) si chiamano proteine estrinseche di membrana e sono situate all'esterno della membrana. Questo tipo di proteina serve soprattutto come recettore di membrana e può essere estratto dalle membrane tramite soluzioni basiche come il carbonato (pH 11)

Le proteine di membrana intrinseche sono transmembrana ossia al suo interno (proteine integrali). Le proteine intrinseche all'interno della membrana possono stare statiche oppure mobili ed attraversare una o più volte il doppio strato fosfolipidico. Sulla base di ciò vengono ovviamente classificate in:

• Monotopiche, se sono associate ad un solo lato della membrana
• Monopasso, se attraversano la membrana una sola volta
• Multipasso, se attraversano la membrana più volte
• Monomeriche, se sono costituite da più subunità proteiche contemporaneamente. Sono generalmente statiche, come nel caso del recettore inter-membrana dell'insulina posto nelle cellule epatiche e non solo.

La componente glucidica si trova genericamente nella parte esterna della membrana ed è caratterizzata principalmente dagli esosi e l'acido sialico. Questi glucidi sono generalmente costituiti da oligosaccaridi legati a proteine o lipidi, che formano rispettivamente le glico-proteine e i glico-lipidi. In entrambi i casi la componente glucidica si trova sempre sulla parte esterna della membrana costituendo il cosiddetto rivestimento cellulare, detto in termini più appropriati “Glicocalice”. Il Glicocalice è la parte più esterna della membrana cellulare e si insinua praticamente fra un microvillo e l'altro attuando molteplici funzioni fra cui: riconoscimento cellulare e riconoscimento antigenico, associa le cellule a formare i tessuti, protegge la cellula da interazioni con altre cellule ed infine adsorbe sostanze enzimatiche vicine.

• Citoplasma, è una matrice fluida e densa in cui sono immersi tutti gli organuli cellulari ed il citoscheletro.
• Citoscheletro, rappresenta la componente strutturale e di integrità della cellula. Tale struttura è costituita da proteine di varia natura dette: microfilamenti, filamenti intermedi e microtubuli.
  • I microfilamenti sono costituiti da monomeri di actina, che si uniscono fra loro al fine di formare questo corto filamento di 5-6 nanometri di spessore, che prende il nome di microfilamento actinico. Tale microfilamento è polarizzato, quindi presenta un'estremità negativa detta “pointed end” ed un'estremità positiva detta “barbed end”. La formazione di questo microfilamento è stabilita in due fasi, la prima detta “steady point” e la seconda detta “treadmilling”. Nella fase di steady point i monomeri di actina piano piano si legano a formare una lunga catena polimerica di qualche decina di actine. Il legame avviene all'estremità barbed end. Successivamente avviene una fase di stabilizzazione in cui ci sono monomeri di actina che continuano a legarsi all'estremità barbed end, mentre ci sono monomeri di actina che invece vengono eliminati dall'estremità pointed end. La fase di treadmilling viene raggiunta quando la velocità di polimerizzazione del microfilamento actinico è analoga alla fase di depolimerizzazione del microfilamento actinico. In tal modo non vi è né un aumento della lunghezza né una riduzione della lunghezza del microfilamento, che ha quindi raggiunto una stabilità ed è pronto per poter essere utilizzato all'interno del citoscheletro cellulare.
  • I filamenti intermedi sono definiti così per via del loro spessore intermedio fra i microfilamenti ed i microtubuli. Infatti questi filamenti sono spessi circa 10 nanometri e sono costituiti da proteine che si associano fra loro a formare dimeri, tetrameri, e così via quant'altro fino a che non si sono formati complessi lineari di circa 32 monomeri proteici. Tali filamenti non sono polarizzati, e quindi sono sicuramente per tanto, fra le componenti citoscheletriche più stabili in assoluto. Alcuni microfilamenti sono le lamine, le vimentine, le desmine o le periferine.
  • I microtubuli sono la componente proteica più grande del citoscheletro, con dimensioni di spessore che si aggirano attorno a 25 nanometri. Essi sono costituiti da eterodimeri proteici chiamati α-tubulina e β-tubulina che si legano grazie a delle proteine di innesco chiamate proteine gamma. Dal legame fra le tubuline si formano dei protofilamenti che pian piano vanno a comporre il microtubulo. Ogni microtubulo è una struttura polarizzata e quindi ha un versante positivo ed uno negativo, per tanto sono poco stabili nonostante le loro dimensioni.

Nucleo, ha la funzione di proteggere il materiale genetico della cellula (DNA) che si trova generalmente complessato in cromatina. Sulla membrana nucleare vi sono dei pori, detti pori nucleari. Essi hanno la funzione di far transitare svariate molecole dal citoplasma al nucleo o viceversa. Infatti ad esempio nel citoplasma vengono sintetizzate determinate proteine come gli istoni e le DNA-polimerasi, fondamentali al nucleo per permettere determinati processi biologici. Esse passano dal citoplasma al nucleo attraverso i pori nucleari. Invece durante la fase di maturazione del DNA, quest'ultimo viene trasformato in RNA-messaggero, il quale deve giungere fuori dal nucleo per poter essere tradotto in proteine. Per poter giungere nel citoplasma, l'RNA-messaggero decorre nei pori nucleari.

Reticolo endoplasmatico, è caratterizzato da una serie di canali allineati ed interconnessi fra loro situato all'interno del citoplasma. Questi canali assumano successivamente varie forme, tra cui quella a cisterna, tubulare o vescicolare. Sulla superficie di questi canali possono esserci o non esserci i ribosomi. Se vi sono i ribosomi la superficie del reticolo endoplasmatico appare più ruvida, ecco che si forma di fatto il RER, che sta per reticolo endoplasmatico ruvido. Se non vi sono i ribosomi la superficie appare liscia e si forma di fatto il REL, che sta per reticolo endoplasmatico liscio.

Il RER, presentando sulla propria superficie i ribosomi, ha come funzione principale quella di:

• Stoccare le proteine prodotte dai ribosomi all'interno delle proprie cisterne
• Glicosilare le proteine prodotte dai ribosomi con degli zuccheri, formando delle glico-proteine
• È funzionalmente attivo nello smaltimento delle proteine, che vengono di fatto denaturate
• Ha la funzione anche di permettere il Targeting, processo in cui alcune vescicole del RER vengono trasportare dal reticolo endoplasmatico all'apparato del Golgi o viceversa

Il REL, non presentando sulla propria superficie i ribosomi, ha come funzione principale quella di:

• Sintetizzare sostanze di natura lipidica come: ormoni steroidei, fosfolipidi e colesterolo
• Favorisce il metabolismo dei carboidrati, grazie alla presenza sulla propria superficie della Glucosio-6P

L'apparato del Golgi, è caratterizzato da due parti, una parte “CIS” dove arrivano ed entrano le varie sostanze e molecole, ed una faccia “TRANS” dove queste sostanze e molecole vengono trasportate dal Golgi alle altre strutture cellulari. Più dettagliatamente l'apparato del Golgi è costituito da:

• Una serie di cisterne appiattite impilate una sull'altra a formare i corpi golgiani, aventi un'attività di sintesi nel formare glico-lipidi e glico-proteine
• Da una serie di vescicole esocitotiche e secretorie aventi il compito di trasportare sostanze di varia natura dal Golgi alle altre strutture intracellulari o viceversa
• Una serie di vacuoli che tendono a condensarsi per formare delle macrovescicole secretorie, aventi il compito di riversare il proprio contenuto fuori dalla cellula nell'ambiente extra-cellulare. La secrezione può avvenire in maniera regolata o costitutiva, a seconda che la cellula necessiti di espellere questa sostanza in maniera continua (costitutiva) o alternata a seconda delle necessità (regolata)

Lisosoma, è una grossa vescicola immersa nel citoplasma, e rappresenta di fatto il sistema digerente della cellula. Esso è in grado di degradare e digerire le molecole ingerite dalla cellula. È in grado anche di eliminare molecole no-self, riconosciute di fatto come estranee per la cellula. La digestione è resa possibile dal fatto che il lisosoma è rivestito da una serie di membrane lisosomali di rivestimento atte a proteggere il contenuto del lisosoma, evitando che esso vada a contatto con l'ambiente cellulare. Questo è fondamentale, poiché all'interno del lisosoma vi è un liquido enzimat...