CELLULE STAMINALI Al microscopio cellule differenziate diverse sono riconoscibili, perch ogni cellula differenziata, ossia specializzata, ha caratteristiche morfologiche che rispecchiano la sua funzionalit. La presenza di vari tipi di cellule differenziate in un organismo implica che i diversi tipi cellulari abbiano un diverso profilo trascrizionale, cio esprimano geni diversi. Il profilo trascrizionale di una cellula l'insieme dei geni che quella cellula esprime. Se prendo tre cellule diverse differenziate e vado ad analizzare il loro profilo trascrizionale mi accorgo che ciascuna cellula esprime geni diversi perch deve fare proteine diverse per svolgere funzioni diverse, ma a livello genomico le tre cellule sono identiche perch i geni presenti nei loro nuclei sono gli stessi in quanto derivano tutte dallo zigote. In tutte e tre le cellule saranno espressi i soliti geni costitutivi, ossia i geni che sono espressi da tutte le cellule sempre; mentre ogni cellula esprimer particolari geni regolatori perch ci sono fattori trascrizionali regolatori che sono espressi in determinate cellule e in altre no (modello combinatorio dell'espressione genica). Questo implica che una cellula differenziata esprima solo una piccola percentuale dei geni contenuti nel suo genoma, cio una cellula differenziata ha attivi solo quei geni che le servono per adempiere alle sue funzioni precise. La formazione di etero cromatina un meccanismo con cui si spegne l'espressione di geni che non servono pi per cui una cellula differenziata avr zone di etero cromatina in corrispondenza di regioni che contengono geni che codificano per proteine che alla cellula non servono e quindi geni che la cellula non deve esprimere. Nonostante i profili trascrizionali siano diversi, si parla di equivalenza dei genomi, cio il genoma di tutte le cellule differenziate di un organismo uguale perch tutte le cellule derivano dallo zigote. Esperimento di Gurdon o esperimento dell'equivalenza dei genomi Prese un'ovocita non fecondato, vi rimosse il nucleo e poi inser in questo ovocita enucleato il nucleo prelevato dalla cellula somatica di un girino. Se il genoma equivalente anche il genoma di una cellula differenziata inserito nel giusto contesto dovrebbe essere in grado di produrre tutte le cellule, cio tornare da una situazione di etero cromatina a una situazione di eucromatina e ricominciare a trascrivere e tradurre proteine che prima non produceva pi. Quando l'ovocita enucleato e impiantato con l'altro nucleo fu messo nelle condizioni di svilupparsi, si form effettivamente un embrione che dette origine a una rana. Significa che all'interno dell'ovocita ci sono le informazioni necessarie per riprogrammare il nucleo di una cellula differenziata, cio un nucleo che ha smesso di esprimere tutti i geni ma che esprime solo i geni che servono a quella cellula differenziata. Una cellula differenziata una cellula che ha un nucleo equivalente a un'altra cellula differenziata ma che per un meccanismo di controllo dell'espressione genica ha silenziato una parte del genoma per esprimere solo determinati geni. Se inserisco questo nucleo differenziato in un giusto contesto biologico questo nucleo si pu riprogrammare. Da questo ovocita enucleato quando viene inserito un nucleo diploide nelle giuste condizioni si pu ottenere un embrione. Questo alla base della clonazione, infatti per clonare la pecora Dolly venne sostanzialmente ripetuto l'esperimento di Gurdon. Si scelsero due pecore di due razze facilmente distinguibili: fu prelevato ed enucleato un'ovocita da una pecora donatrice, mentre furono prelevate e messe in coltura cellule differenziate dalla mammella dell'altra pecora. Da queste cellule in fase G1 fu poi prelevato il nucleo e impiantato nell'ovocita precedentemente enucleato. Dopo aver indotto la fusione in vitro, allo stadio di blastocisti fu trapiantato l'embrione nell'utero della pecora donatrice. La pecora nata, Dolly, non c'entrava niente n con la pecora che la aveva portata in grembo n con la pecora donatrice dell'ovocita. L'ovocita ha fatto solo da incubatore delle molecole necessarie a riprogrammare il nucleo somatico della cellula donatrice del nucleo. Quindi nel giusto contesto biologico i nuclei differenziati si possono riprogrammare, ci significa che il nucleo di una cellula differenziata mantiene la potenzialit di esprimere tutti i geni e dare origine a tutti i tipi cellulari. Il differenziamento uno spengimento progressivo di parti del genoma. Le cellule differenziate si formano a partire da cellule non specializzate definite cellule staminali. Una cellula staminale una cellula che ha un nucleo eucromatico; una cellula indifferenziata; capace di auto rinnovarsi, cio capace di dare origine ad altre cellule staminali, e capace di dare origine a una progenie di cellule figlie capaci di intraprendere almeno un percorso differenziativo. Indifferenziata vuol dire che se vado al microscopio non sono in grado di distinguere una cellula staminale dall'altra perch sono tutte uguali, sono tutte cellule con un grosso nucleo eucromatico, perch devono esprimere tutto, e con poco citoplasma. Devono essere in grado di auto rinnovarsi mediante una divisione mitotica asimmetrica e la loro progenie deve dividersi dando origine a cellule che cominceranno un percorso differenziativo che deve portare almeno a una cellula differenziata. Tra lo stadio di cellula staminale e di cellula differenziata ci sono tanti tipi di cellule intermedie che hanno una capacit proliferativa e una potenzialit differenziativa sempre pi ridotte. Le cellule staminali mantengono queste potenzialit grazie a fattori interni, come proteine endogene, ma anche fattori esterni che sono rilasciati dal microambiente. I fattori interni sono fattori di trascrizione, mentre quelli esterni sono rilasciati dalle cellule differenziate che circondano le cellule staminali, che prendono il nome di microambiente o nicchia. La nicchia l'insieme delle cellule differenziate che costituiscono il microambiente che controlla la biologia della cellula staminale rilasciando determinati segnali. Le cellule staminali possono andare incontro a due tipi diversi di mitosi, dette asimmetriche o simmetriche: la mitosi simmetrica quella classica, per cui da una cellula staminale ottengo due cellule staminali che continuano entrambe a prendere contatto con la nicchia mediante giunzioni con la membrana basale, dunque servono per mantenere la popolazione di cellule staminali. Nella divisione asimmetrica invece una cellula si allontana dal microambiente e non ha pi contatto con la nicchia: la cellula che rimane attaccata continua a essere cellula staminale, mentre la cellula che perde ilcontatto con il microambiente e non pi adesa intraprender un percorso differenziativo perch ha perso i segnali che le permettono di mantenere la condizione di staminalit. Tuttavia questa cellula ancora morfologicamente identica alla cellula staminale, ma cambiata da un punto di vista biologico perch non pi in contatto con la nicchia quindi diversa da un punto di vista di segnalazione e assetto molecolare e si dice che questa cellula determinata (committed), perch ha iniziato a intraprendere un percorso differenziativo. Il primo passaggio in questo processo di differenziamento la perdita del contatto con la nicchia che si attua in seguito a una divisione asimmetrica. Questa cellula poi soggetta ad altre divisioni mitotiche perch c' una fase di amplificazione in cui si formano cellule progenitrici intermedie che non sono pi staminali, ma sono determinate e in seguito a modificazioni dell'espressione genica inizieranno a silenziare parti del genoma e mantenerne attive solo alcune, arrivando piano piano alla cellula differenziata. Le cellule staminali non si dividono tanto e le loro divisioni rappresentano cicli poco frequenti; chi fa tante mitosi sono invece le cellule progenitrici, dette anche popolazione di amplificazione, che si differenziano progressivamente fino ad arrivare alla cellula specializzata. Le cellule staminali devono dividersi con attenzione perch non hanno i checkpoint attivi e devono stare attente a non commettere errori: per esempio in seguito a un danno non c' riparazione, ma la cellula muore per non rischiare di avere mutazioni. Le cellule staminali vengono classificate sulla base della loro potenzialit differenziativa. Per definizione devono dare origine almeno a una progenie di cellule differenziate, ma ci sono anche cellule staminali che danno origine a tutte le possibili cellule. La cellula staminale totipotente quella cellula che ha il potenziale di generare tutte le cellule dell'embrione e tutte le strutture in grado di garantire e supportare lo sviluppo embrionale, dunque l'unica cellula totipotente lo zigote. Quelle pluripotenti sono le cellule staminali embrionali che danno origine a tutte le cellule dell'embrione, ma non alle strutture che ne supportano lo sviluppo. Le cellule staminali unipotenti o multipotenti sono cellule staminali adulte che si trovano negli organismi adulti e hanno una potenzialit differenziativa ridotta perch le unipotenti danno origine solo a un tipo di cellula differenziata, mentre le multipotenti a pi tipi di cellule differenziate. Tutte mantengono le tre caratteristiche fondamentali delle cellule staminali, ma cambiano nella potenzialit differenziativa. Le cellule pluripotenti sono quelle che derivano dallo stadio dello sviluppo embrionale detto blastocisti: se a questo stadio le cellule dell'embrione vengono prelevate e messa in coltura, nelle condizioni adeguate possono dare origine a tutti i tipi di cellule differenziate. Le cellule staminali embrionali che originano dalla blastocisti hanno un cariotipo normale; mancano del checkpoint G1 e hanno una fase S molto attiva. Le cellule staminali adulte sono state trovate in quasi tutti i tessuti, ma sono difficili da studiare perch sono disperse all'interno del tessuto e hanno la funzione di riprodurre cellule differenziate che si sono perse perch non pi funzionanti o perch vecchie ed eliminate. Per cui le cellule staminali adulte sono coinvolte nell'omeostasi tissutale, cio sono quelle che proliferano per dare origine a una cellula differenziata che si persa. Un esempio di cellula staminale adulta multipotente la cellula emopoietica che d origine a tutte le cellule del sangue (che per appartengono allo stesso foglietto embrionale, quindi non pluripotente); le cellule staminali unipotenti sono invece gli spermatogoni e gli ovogoni, che danno origine allo spermatidio e agli ovociti, cio danno origine solo a un tipo di cellula differenziata. Le cellule staminali sono utilizzate in terapia cellulare. Posso fare in vitro foglietti di tessuti per poi applicarli in vivo, per esempio a livello delle ustioni. Il problema la risorsa delle cellule staminali: quelle adulte sono difficili da prelevare dal tessuto perch sono sparse, mentre quelle embrionali sollevano problemi di natura etica. Un modo alternativo quello delle cellule IPSC prodotte a partire da fibroblasti, cio cellule differenziate, andando a forzare l'espressione di fattori endogeni. La biologia delle cellule staminali controllata da fattori di trascrizione endogeni e da fattori esterni del microambiente. Nel 2006 uscito un lavoro su Cell dove forzando l'espressione di quattro fattori di trascrizione in un fibroblasto, cio una cellula specializzata, io ottengo uno sdifferenziamento delle cellule e l'acquisizione di una pluripotenza. Se trasferto queste cellule, ossia se inserisco nel fibroblasto vettori che esprimono questi fattori di trascrizione regolatori tipici delle cellule staminali e che non ci sarebbero pi nel fibroblasto (oct-4, socs2, klf4, myc), la presenza di questi fattori sufficiente e necessaria per la riprogrammazione del fibroblasto che diventa cellula staminale pluripotente. Molti studi si stanno indirizzando in questo senso per ovviare ai problemi di natura etica e per poter usare queste cellule staminali come fonte di cellule staminali da applicare in terapia. In vitro cambiando i fattori possibile ottenere facilmente processo di trans differenziamento, cio se espongo la cellula staminale adulta a microambienti diversi pu generare cellule differenziate diverse. Prendendo una cellula che normalmente in vivo si differenzia nella cellula A, se messa in vitro nel giusto contesto ambientale pu dare anche la cellule differenziata B e C. Questi processi di trans differenziamento in vivo sono rare. Se riesco ad avere tipi di cellule differenziate diverse a partire dalla solita staminale giocando sul microambiente posso avere fonti diverse di cellule staminali da utilizzare il terapia. L'idea poi di creare tessuti e organoidi da poter trapiantare.Codice genetico Se il materiale genetico coincide con il DNA (le cui propriet sono quella autocatalitica, cio di autoriproduzione, e quella di determinazione del fenotipo), il codice genetico l'insieme di regole secondo le quali le sequenze nucleotidiche del DNA, trascritte nell' mRNA, codificano gli amminoacidi. Furono compiuti studi in tal senso a partire dagli anni 60 del Novecento. Si not che, se i nucleotidi erano letti a uno a uno, si avevano solo quattro combinazioni diverse; se erano letti a due a due (ad esempio: CC, GC, CG etc) le combinazioni possibili erano 16, cio 42; se erano letti a tre a tre, cio in triplette, le combinazioni diventavano invece 64. Ci significa che una tripletta codifica per un amminoacido, e diverse triplette possono codificare per lo stesso amminoacido. Con "propriet" del codice genetico si intende l'insieme di regole che determinano quali nucleotidi dell'mRNA corrispondono a ciascun amminoacido. Un primo esperimento che dimostrava che il codice genetico scritto in triplette, cio che un codone (tre nucleotidi) codifica per un amminoacido, venne fatto da Crick e Brenner con l'uso del ceppo r+ del batteriofago T4 (che, infettando l'E. coli, produce margini sfumati). A partire da questo, loro ottennero batteriofagi mutageni rII (che infettando lo stesso batterio danno margini netti) grazie all'uso di acridina (anche nota come proflavina, composta da tre anelli benzenici e si pu inserire tra due coppie di basi portando un'azione mutagena). L'acridina causa l'inserzione o la delezione di una coppia di nucleotidi nel DNA, quindi una modificazione di tipo frameshift, cio scivolamento della cornice di lettura. Se il fenotipo mutato era dovuto a inserzione di una coppia di nucleotidi, la trasformazione si poteva revertire con una delezione. Il codice genetico quindi continuo e scritto in triplette (perch aggiungendo o togliendo una tripletta con acridina il codice genetico torna in fase. Il codice genetico, inoltre, non sovrapposto. Ci stato dimostrato da altri esperimenti. Considerando: 5'ACCACCACC3' questo d H2NThrThrThrCOOH Causando una mutazione che provoca la sostituzione di una coppia di basi, la sequenza diventa: 5'ACCGCCACC3' Se il codice fosse stato sovrapposto, allora la modificazione avrebbe dovuto interessare tre amminoacidi perch letto tre volte, cio ACCGCC, ACCGCC, ACCGCC. La modificazione riguarda invece un solo aa: H2NThrAlaThrCOOH Decifrazione La relazione esatta che lega i 64 codoni ai 20 aa stata determinata dall'equipe Niremberg, da quella americana di Khorana e da quella svizzera di Ochoa. Ochoa aveva usato la polinucleotide fosfatasi (oggi noto come enzima di Ochoa) per sintetizzare in vitro mRNA senza DNA. Se in vivo avviene: RNA+Pi> nucleosidi difosfato (GDP, ADP, CDP e UDP) In vitro (in vivo non avviene perch la concentrazione dei prodotti troppo bassa) egli ottenne l'inverso: nucleosidi difosfato> RNA+Pi L'RNA cos ottenuto, per, caotico e non ha alcun significato biologico. Tuttavia, ci port a nuovi esperimenti: utilizzando come nucleoside difosfato un solo nucleoside alla volta, si vide che si otteneva prima una coda di poliU (nel caso dell'UDP), che codificava per la Phe, poi una di poliA (ADP), codificante per la Lys e infine una di poliC (CDP), codificante per Pro. Il GDP non dava invece informazioni. Aggiungendo in uguali quantit due nucleosidi difosfato, ad es. A e C, le otto combinazioni possibili (CCC, CCA, CAC, CAA, ACC, ACA, AAC, AAA) si verificavano casualmente con uguale probabilit. Si posero allora A:C=5:1 e si vide che la sintesi di AAA si verificava 125 volte (probabilit: 5x5x5 dai rapporti), quella di CCC una volta (1x1x1). Questa strada non era per percorribile per triplette tipo CCA, CAC etc. poich erano presenti con la stessa probabilit e non si capiva da quale di queste derivasse l'amminoacido. La decifrazione del codice si deve a Niremberg e Leder nel 1964. Essi misero cellfree ribosomi, 20 amminoacidi in uguale concentrazione, tRNA, GTP, ATP e una sola tripletta per provetta. In ogni provetta la composizione era uguale eccetto che per un amminoacido radioattivo. Attraverso filtrazione gli aa scivolavano e rimaneva solo quello radioattivo complementare al codone (ad esempio Phe per UUU); la tripletta richiama infatti lo specifico tRNA con il corrispettivo amminoacido. Nel filtro in cui presente il legame tRNAaa corrispondente c' la radioattivit. Secondo questo esperimento, UAA, UAG e UGA non corrispondono a nessun amminoacido; si parla di triplette nonsense, cio codoni di stop. Alcune triplette, inoltre, codificano per uno stesso amminoacido, perci si parler di triplette degenerate. Il codice genetico, quindi, ha queste propriet: a triplette continuo non sovrapposto degenerato (eccetto AUG metionina e UGG triptofano) ha dei segnali di inizio (AUG) e di fine (UAG, UAA, UGA) l'anticodone vacilla Vacillamento Dato che il numero di tRNA maggiore del numero di amminoacidi ma minore del numero di triplette, Crick ha proposto l'ipotesi del vacillamento, secondo cui il tRNA pu legarsi a diverse triplette. La base al 5' terminale dell'anticodone complementare al 3' del codone non sottoposta a restrizioni e molto spesso al suo posto si trova l'ipoxantina, che pu legare A, U e C; pu dunque accoppiarsi a pi di una base al 3'. Per i codoni di stop, inoltre, non ci sono tRNA. La selenocisteina codificata dalla tripletta UGA quando nell'mRNA dei batteri a valle dell'UGA c' una forcina. Viene allora riconosciuta da un tRNA e si sintetizza l'amminoacido. Negli eucarioti la forcina si trova invece all'estremit 3' UTR ed chiamata SECIS (SelenoCystein Insertion Sequence). La pirrolisina codificata a partire dall'UAG se a valle si trova una struttura a forcina detta PYLIS (Pyrrolysine Insertion Sequence)La biologia la scienza che studia gli esseri viventi e il loro rapporto con l'ambiente in cui vivono. E' un termine che deriva dal greco bios ( = vita) e logos (= parola). L'atomo la pi piccola unit di un elemento chimico che ne conserva tutte le propriet. E' costituito da particelle subatomiche: i protoni ( con carica elettrica positiva) e i neutroni (privi di carica) che si trovano nel nucleo e gli elettroni ( con carica negativa) che ruotano su orbitali attorno al nucleo senza mai occupare una posizione fissa. La molecola un unit strutturale di atomi tenuti insieme da legami chimici, per es. l'anidride carbonica formata da un atomi di carbonio e due di ossigeno. Una macromolecola una molecola di grosse dimensioni. La cellula l'unit fondamentale della materia vivente. Un tessuto un insieme di cellule che svolgono funzioni simili. Un organo un insieme di tessuti che assolvono alla stessa funzione. Un sistema di organi un insieme di organi che lavorano in modo coordinato per la sopravvivenza dell'organismo. Gli esseri viventi si organizzano in: _ popolazioni: insiemi di individui che vivono un uno stesso luogo e appartengono alla stessa specie; _ comunit: insiemi di popolazioni differenti che convivono in uno stesso luogo. Le caratteristiche fondamentali della materia vivente sono: _ complessit specificamente determinata: ciascun organismo ha delle caratteristiche che rimangono costanti nel tempo e nello spazio. Affinch ci sia possibile necessario che questi organismi possiedano delle macromolecole informazionali: molecole in grado di contenere all'interno elevate quantit di informazione genetica. Tali molecole sono date dal DNA. Il DNA contenuto all'interno di una cellula rappresenta il suo genoma. _ capacit di accrescimento: ciascun organismo si accresce durante il corso della sua vita, con il termine accrescimento si fa riferimento allo sviluppo di tutti i caratteri di un organismo. Tale processo pu durare, a seconda dell'organismo considerato, per tutta la vita oppure terminare quando esso raggiunge le tipiche dimensioni dell'et adulta; pu essere uniforme o interessare particolarmente alcune parti dell'organismo ( nell'essere umano con lo sviluppo si assiste ad un cambiamento delle proporzioni del corpo). L'accrescimento pu comprendere un aumento del numero di cellule o delle loro dimensioni. Affinch un organismo possa accrescersi deve essere in grado di trasformare i composti organici in inorganici e deve riuscire a trarre energia dalla materia. A tal proposito vi sono delle specifiche proteine dette enzimi che catalizzano specifiche reazioni chimiche, in ogni organismo vengono prodotte solo quelle reazioni per le quali esso in grado di produrre il corrispondente enzima. Gran parte dell'informazione genetica contenuta in un organismo comprende proprio le informazioni necessarie a codificare gli enzimi.. _ capacit di autoriprodursi: gli essere viventi possono riprodursi in due modi: Riproduzione asessuata: comporta la produzione di cellule identiche tra loro e a quella di partenza Riproduzione sessuata: porta alla creazione di individui differenti dai genitori perch il loro patrimonio genetico deriva da due individui diversi. Questo tipo di riproduzione implica il coinvolgimento di cellule specializzate: gli spermatozoi e le cellule uovo che unendosi danno origine all'uovo fecondato, lo zigote. Si tratta di una riproduzione che contribuisce alla variabilit genetica all'interno di una specie che alla base della sua stessa evoluzione e dello sviluppo della capacit di adattamento. Affinch un organismo possa riprodursi sono necessari dei meccanismi che permettano di conservare e trasmettere l'informazione genetica. Inoltre la moltiplicazione delle cellule deve avvenire solo dopo che sono state raggiunte dimensioni adeguate e che il materiale genetico stato duplicato. Per questo esiste un meccanismo di replicazione del Dna che assicura la conservazione del patrimonio genetico, due meccanismi che assicurano un' equa ripartizione del materiale genetico tra le cellule figlie (mitosi e meiosi) e meccanismi che controllano la divisione cellulare in funzione della crescita della cellula e della replicazione del materiale genetico. _ capacit di adattamento all'ambiente: si tratta di una caratteristica che sta alla base della sopravvivenza e dell'evoluzione della specie perch permette agli organismi viventi di sopravvivere in un ambiente soggetto a continui cambiamenti. L'adattamento pu avvenire a seguito di modificazioni anatomofisiologiche o comportamentali o di un insieme di queste ( per es. la rana ha sviluppato una lingua lunga e flessibile che le permette di catturare gli insetti con maggiore facilit). Affinch ci si possa verificare oltre alla necessit di un meccanismo di replicazione e trasmissione dell'informazione genetica, si rende necessario un meccanismo di evoluzione per selezione naturale su fenotipi generati dall'insorgenza di mutazioni casuali. Un esempio di adattamento per selezione naturale quello della farfalla Biston Betularia , esemplare che era solito posarsi su alberi e rocce ricoperti da licheni dove la sua pigmentazione chiara le consentiva di mimetizzarsi. Al tempo se pur in numero minore esistevano anche farfalle dello stesso tipo di colore nero. Con l'industrializzazione, le particelle di inquinamento arrivarono ad uccidere i licheni e a far diventare scuri i tronchi degli alberi e le rocce. A seguito di queste mutate condizioni ambientali la pigmentazione nera delle farfalle rappresentava un fenotipo che permetteva loro di sopravvivere con maggior facilit grazie al fatto che consentiva la mimetizzazione e quindi il nascondersi dai predatori. Il numero di farfalle nere aument sensibilmente rispetto a quelle bianche, ma dato che le farfalle nere erano sempre esistite, si trattava di un cambiamento per selezione naturale che portava le farfalle bianche a essere un pi facile bersaglio dei predatori e quindi ad avere un minor successo riproduttivo. _ capacit di rispondere agli stimoli e di movimento: tutte le forme di vita sono in grado di rispondere agli stimoli, cio a cambiamenti fisici e chimici dell'ambiente interno ed esterno. Gli organismi pi semplici, come quelli unicellulari, rispondono agli stimoli con l'intero corpo, per es. contraendosi in risposta ad una luce molto intensa. Altri esseri viventi una volta raggiunta l'et adulta perdono la capacit di muoversi che possedevano durante lo stadio larvale ( si tratta di coralli, ostriche, piante acquatiche). Sono individui sessili che pur rimanendo ancorati alla superficie, possono trarre a sil nutrimento necessario spostando l'acqua con l'ausilio di ciglia e flagelli. Anche le piante sono in grado di rispondere agli stimoli, per es. dirigono le loro foglie in direzione della luce solare per potersi accrescere; la Venere Acchiappamosche in grado di cogliere la presenza di un insetto sulle sue foglie cos da chiuderne le estremit e impedire all'insetto di scappare per ucciderlo e digerirlo tramite la secrezione di enzimi digestivi. Gli animali pi complessi possiedono cellule altamente specializzate che consentono loro di rispondere a specifici stimoli ( come i coni e i bastoncelli nella retina). Le capacit di muoversi e di rispondere agli stimoli sono tra loro strettamente correlate perch la risposta a stimoli implica sempre un movimento anche se non necessariamente esso coincide con la locomozione. Teoria cellulare di Rudolfh Wirchow, 1858 1. La cellula l'unit fondamentale della meteria vivente 2. Le cellule possono derivare solo dalla divisione di altre cellule 3. Qualsiasi organismo vivente costituito da cellule Le cellule possono essere distinte sulla base della loro forma ( l'adipocito appare come una cellula grossa e tonda, il neurone presenta varie ramificazioni, l'eritrocita un discetto privo di nucleo...) e per le dimensioni ( vanno dalla cellula pi piccola: il batteriofago di soli 2 nm, alla pi grande:la cellula nervosa umana: 100 micrometri) Unit di misura in biologia: metro m=100 cm = 100 mm Centimetro cm = 10 alla meno 2 m Millimetro mm = 10 alla meno 3 m = 10 alla meno 1 cm Micrometro um = 10 alla meno 6 m = 10 alla meno 3 mm Nanometro nm = 10 alla meno 9 m = 10 alla meno 3 um L'APPROCCIO RIDUZIONISTA in biologia sostiene che l'intera biologia sia riducibile alle propriet della materia e dell'energia e che qualsiasi organismo vivente sia dato dalla somma delle propriet delle sue parti componenti. L'APPROCCIO OLISTA ritiene al contrario che esistano delle propriet emergenti a ciascun livello di organizzazione non prevedibili dai livelli di organizzazione inferiori. Per es il cervello costituito da milioni di neuroni che, se considerati singolarmente, non sono in grado de svolgere le complesse attivit di pensiero di cui il cervello capace. E' necessario che i neuroni formino specifiche connessioni sinaptiche. Il tutto qualcosa di pi della semplice somma delle parti. La CELLULA PROCARIOTICA: non ha nucleo e l'informazione ereditaria dispersa nel citoplasma; ha nucleolo; ha membrana e parete cellulare costituita da peptidoglicano; non ha re, apparato del Golgi, mitocondri, vacuoli, cloroplasti, citocheletro, lisosomi; possiede un solo crosomosoma di DNA con struttura circolare, i flagelli e le ciglia sono formate da flagellina; compie respirazione sia aerobica che anaerobica, si riproduce per scissione binaria; ha ribosomi 60S e dimensioni di 0,3-2 um. La CELLULA EUCARIOTICA: ha un nucleo all'interno del quale contenuta l'informazione genetica; non ha nucleolo; la parete cellulare assente nelle cellule animali e presente in quelle vegetali (formata da cellulosa) e nei funghi (formata da chitina), la membrana cellulare sempre presente; ha re, apparato del Golgi, mitocondri, vacuoli, cloroplasti (solo nelle cellule vegetali), citoscheletro, lisosomi; possiede pi cromosomi di struttura lineare; i flagelli e le ciglia sono formati da microtubuli, ha solo metabolismo aerobico, si riproduce per mitosi e meiosi; ha ribosomi 70S e dimensioni di 2-25 um. Gli ORGANISMI UNICELLULARI sono costituiti da una sola cellula che contiene tutta l'informazione genetica ad essa necessaria. Gli ORGANISMI PURICELLULARI sono costituiti da un elevato numero di cellule all'interno di ciacuna delle quali contenuta tutta l'informazione genetica, ci che varia l'espressione genica: a seconda del tipo di cellula alcuni geni vengono espressi ed altri no. Gli organismi pluricellulari sono caratterizzati da cellule che svolgono compiti limitati e specifici cos da poterli svolgere al meglio e che cooperano per la sopravvivenza dell'intero organismo (vi un vantaggio selettivo rispetto agli organismi unicellulari. Sistema di classificazione a tre domini e sei regni I sistematici hanno costruito un albero della vita (albero genealogico) che mostra le correlazioni tra i diversi organismi viventi sulla base delle loro similarit a livello molecolare. Oggi quasi tutti i biologi concordano nel suddividere gli organismi viventi in 3 domini e 6 regni discendente da un progenitore comune. I 3 domini sono batteri, archea e eucarioti. I primi due sono entrambi procarioti ma si distinguono per la composizione dei loro rna ribosomial. Il dominio dei batteri da origine al regno degli eubatteri, quello degli archea agli archeobatteri. Degli eucarioti fanno parte le piante ( organismi pluricellulari complessi in grado di svolgere la fotosintesi clorofilliana), i protisti (organismi unicellulari e pluricellulari semplici come alghe,muffe,protozoi), funghi (organismi pluricellulari non foto sintetici che traggono nutrimento dal cibo predigerito o dalla secrezione di enzimi digestivi), animali (organismi pluricellulari complessi che si nutrono di altro organismi). I batteri: eubatteri e archeobateri. Possono essere distinti per la forma in cocchi, spirilli e bacilli. La cellula batterica costituita da un unico compartimento dove si trova l'unica molecola di DNA a struttura circolare che essa possiede, l'RNA e le proteine. La parete cellulare che riveste la cellula costituita da una fitta rete di macromolecole fatta di peptidoglicano. La parete una struttura rigida che assicura la forma e la protezione della cellula batterica ma che pu essere lisa dall'enzima lisozima. I batteri si riproducono per scissione binaria: la molecola di Dna della cellula si divide in due, le due nuove molecole migrano ai poli opposti della cellula, al centro della quale, si crea un'invaginazione detta setto che divide la cellula dando origine a due nuove cellule identiche tra loro e a quella originaria. I batteri si muovono tramite l'ausilio di flagelli (che hanno movimento a frusta). Le cellule batteriche sono formate per il 70% da acqua e per il 30% da altre sostanze chimiche tra cui Dna, Rna, proteine, ioni e piccole molecole,polisaccaridi,fosfolipidi. Gli archeobatteri sono organismi unicellulari diversi sia da dagli eubatteri che dagli eucariotii: come i primi non hanno nucleo e l'informazione genetica si trova dispersa nel citoplasma,ma utilizzano meccanismi di replicazione e trasmissione similia quelli degli eucarioti. Sono in grado di vivere in condizioni estreme di temperatura (termofili) che superano anche i 100, come le sorgenti vulcaniche, di salinit (alofili) come quelli che vivono nei fondali oceanici, alcuni possono produrre metano (metano geni) e altri sono in grado di ficazare energia dai composti di zolfi (sulfobatteri). I composti chimici che costituiscono la cellula possono essere organici ( acqua e ioni minerali) o inorganici. I bioelementi pi comuni sono: idrogeno, ossigeno, azoto ( N), carbonio; mentre i meno comuni sono: cloro, zolfo, sodio, potassio, magnesio, fosforo e calcio. Gli elementi sono sostanze non riducibili in sostanze pi semplici tramite reazioni chimiche ordinarie. I Legami Chimici: gli atomi si combinano tra loro a formare molecole grazie a forze attrattive che li tengono uniti dette legami chimici. Ogni legame chimico contiene una certa quantit di energia potenziale detta energia di legame, che anche l'energia necessaria a romperlo. Ci sono due tipi principali di legami chimici: Legami covalenti: si formano tra atomi che hanno la stessa elettronegativit e che quindi condividono i propri elettroni. Si possono distinguere in: - polari: se la nuvola elettronica spostata pi verso un atomo che verso gli altri che costituiscono la molecola, come nel caso dell'acqua (gli elettroni sono pi spostati verso l'ossigeno perci si dice che esso ha parziale carica negativa); - puri: se la nuvola elettronica distribuita in modo equo tra tutti gli atomi che costituiscono la molecola, come nel caso dell'ossigeno. Legami ionici: si formano tra atomi con diversa elettronegativit per cui vi un donatore che cede gli elettroni ad un accettore che li acquista. Il donatore diviene carico positivamente (catione) perch il numero di elettroni sugli orbitali diviene minore rispetto al numero dei protoni nel nucleo; l'accettore diviene carico negativamente (anione) per via del maggior numeri di elettroni rispetto ai protoni. L'ACQUA L'acqua fondamentale per la vita, ci dimostrato dal fatto che la vita ha avuto origine nell'acqua e che questa ha permesso agli esseri viventi di sopravvivere e di riprodursi. Il 70% del peso corporeo umano dato dall'acqua e la composizione di acqua arriva fino al 95% nelle meduse. Ancora oggi molti organismi vivono nelle acque di mari, fiumi, laghi, stagni e anche coloro che non vivono nell'acqua hanno sviluppato meccanismi che permettono di ridurne le perdite o di sfruttarne le propriet a proprio vantaggio. L'acqua una molecola polare, perch le cariche elettriche non sono distribuite equamente tra gli atomi che la compongono. Per questo motivo le molecola d'acqua possiedono un'estremit con una parziale carica positiva e una con parziale carica negativa. Le molecole d'acqua non sono isolate nell'ambiente n quando essa allo stato solido, n quando in quello liquido. Le molecole d'acqua tendono a formare tra loro dei legami a idrogeno. Essi si vengono a costituire tra l'idrogeno e l'ossigeno, che avendo una parziale carica negativa attrae gli atomi di idrogeno delle molecole di acqua vicine. Ogni molecola d'acqua pu formare un massimo di 4 legami a idrogeno con altre molecole circostanti. In generale un legame a idrogeno pu formarsi tra l'idrogeno legato covalentemente a un atomo negativo e un altro atomo elettronegativo. Ogni legame a idrogeno se considerato singolarmente debole: pu formarsi e rompersi facilemente, ma nell'insieme i legami a idrogeno sono molto forti. Tra le propriet dell'acqua vi sono: La polarit: dovuta a una disuguale distribuzione di cariche elettriche tra gli atomi che la compongono. La polarit dell'acqua fa s che essa sia un ottimo solvente per le sostanze idrofili (che reagiscono velocemente con l'acqua), per es. il sale da cucina o lo zucchero si sciolgono rapidamente nell'acqua. Non tutte le sostanze che compongono gli organismi sono, per, polari, molte sono apolari e ci permette la formazione di strutture che non si sciolgono a contatto con l'acqua. Le sostanze apolari tengono a raggrupparsi tra loro per via della formazione di legami a idrogeno tra quelle polari che tendono a escludere tutto ci che non lo . La coesione: dovuta alla formazione di forti legami a idrogeno tra le molecole d'acqua e spiega l'elevata tensione superficiale della stessa e l'elevato calore di ebollizione. La tensione superficiale quella propriet che permette a molti insetti di camminare sull'acqua ed dovuta al fatto che, le molecole d'acqua, formano tra loro uno strato molto pi resistente di quello che si forma tra l'acqua e le molecole presenti nell'aria. L'adesione: dovuta alla formazione di legami a idrogeno tra le molecole d'acqua e le altre sostanze polari e spiega come l'acqua possa bagnare le superfici. La coesione e l'adesione sono alla base della forza capillare dell'acqua che permette alla stessa di risalire in tubi molto stretti anche contro la forza di gravit. L'elevato calore specifico: il calore specifico la quantit di calore necessaria a innalzare di un grado centigrado la temperatura di un grammo di sostanza. L'elevato calore specifico fa s che l'acqua permetta agli esseri viventi di mantenere relativamente costante la propria temperatura interna ed dovuto alla formazione di legami a idrogeno tra le molecole d'acqua. L'elevato calore di evaporazione: il calore di evaporazione la quantit di calore necessaria a far evaporare un grammo di liquido. Il fatto che esso sia elevato fa s che l'acqua evaporando porto con s alte quantit di calore. In questo modo gli esseri viventi facendo evaporare l'acqua dalla pelle sottoforma di sudore possono far fuoriuscire l'eccessivo calore accumulatosi al loro interno. L'elevatp calore di evaporazione dovuto alla formazione di legami a idrogeno tra le molecole d'acqua. La tendenza a dissociarsi: attraverso un processo dinamico che tende all'equilibrio ogni molecola d'acqua tende a dissociarsi in uno ione idrogeno e uno ione idrossido. Dato che il primo ha carica elettrica positiva e il secondo negativa e che nell'acqua pura essi sono presenti in uguali concentrazioni, l'acqua pura ha ph neutro ( = 7). Ilph l'indice di acidit di una sostanza, quando la concentrazione di ioni positivi e negativi la stessa la sostanza non n acida, n basica ma neutra e il ph uguale a 7. Se gli ioni positivi sono pi numerosi la sostanza acida e il ph compreso tra 0 e 7, se sono pi numerosi gli ioni negativi la sostanza basica e il ph compreso tra 7 e 14. Il ph della maggior parte delle cellule animali e vegetali compreso tra 7,2 e 7,4. L'acidit di una soluzione definita in relazione alla concentrazione di ioni idrogeno che possiede. Per convenzione si utilizza una scala logaritmica del ph, in cui il ph definito come il logaritmo negativo in base 10 della concentrazione di ioni idrogeno, espressa in molo su litro. Nell'acqua la concentrazione di ioni idrogeno di 10 alla meno sette e quindi anche quella di ioni idrossido tale. MOLECOLE ORGANICHE PRESENTI NELLA CELLULA Nella cellula ci sono 4 principali classi di molecole organiche: pi monomeri di zuccheri formano polimeri di polisaccaridi; pi monomeri di acidi grassi formano polimeri di lipidi; pi monomeri di nucleotidi formano polimeri di acidi nucleici; pi monomeri di amminoacidi formano polimeri di proteine. I polimeri possono essere degradati nei monomeri da cui sono composti tramite reazioni di idrolisi in cui gli atomi di una molecola d'acqua si legano a monomeri tra loro adiacenti rompendo il legame. La reazione di sintesi di polimeri a partire da monomeri invece detta reazione di sintesi per disidratazione o reazione di condensazione: consiste nell'eliminazione di una molecola d'acqua ma non l'opposto dell'idrolisi perch implica l'intervento di un enzima diverso e richiede energia. I CARBOIDRATI o glucidi, o saccaridi I carboidrati sono costituiti da carbonio, idrogeno e ossigeno in un rapporto di un atomo di carbonio, per due di idrogeno e uno di ossigeno. Il termine "idrato di carbonio" riflette proprio il rapporto idrogeno ossigeno. I carboidrati possono contenere: un solo monomero (monosaccaridi), due monomeri (disaccaridi), dai 3 ai 10 monomeri (oligosaccaridi), pi di 10 monomeri (polisaccaridi). I monosaccaridi: sono formati dai 3 ai 7 atomi di carbonio, a ognuno dei quali legato un gruppo ossidrilico, tranne a uno che legato con un doppio legame, a un atomo di ossigeno per formare un gruppo carbonilico ( C=O). Se il gruppo carbonilico si trova al termine della catena il monosaccaride detto aldeide, altrimenti detto chetone. I monosaccaridi si possono classificare in base al numero di atomi di carbonio che contengono in: triosi ( 3 atomi di carbonio, come il gliceraldeide), tetrosi ( 4 atomi di carbonio, come l'eritrosio), pentosi ( 5 atomi di carbonio, come il ribosio e il desossiribosio), esosi ( 6 atomi di carbonio) come il galattosio, il fruttosio e il glucosio), eptosi ( 7 atomi di carbonio). Il glucosio il monosaccaride pi abbondante nelle cellule, viene utilizzato come fonte di energia dalla maggior parte degli esseri viventi durante la respirazione cellulare e viene prodotto dalle piante a partire da anidride carbonica durante la fotosintesi. Il glucosio e il fruttosio sono isomeri: hanno la stessa formula molecolare ma struttura diversa perci anche propriet diverse, il glucosio un aldeide, il fruttosio un chetone. In soluzione i monosaccaridi non sono lineari ma si chiudono ad anello. I disaccaridi sono formati da 2 monosaccaridi ad anello legati tra loro tramite un legame glicosidico ( un atomo di ossigeno si lega covalentemente a due atomi di carbonio, uno per anello). Tra i disaccaridi ci sono: il saccarosio ( formato da un'unit di glucosio e una di fruttosio), il maltosio ( formato da 2 unit di glucosio) e il lattosio ( formato da un'unit di glucosio e una di galattosio) I polissaccaridi sono i carboidrati pi abbondanti in natura, un polisaccaride una macromolecola formata da unit ripetute di uno zucchero semplice, in genere il glucosio. Un polisaccaride pu essere costituito da una lunga catena lineare o ramificata. I polisaccaridi hanno funzione di riserva( come l'amido nelle cellule vegetali e il glicogeno in quelle animali)o di sostegno ( come la cellulosa nella parete cellulare delle cellule vegetali o la chitina nell'esoscheletro di insetti, crostacei e altri invertebrati). Il glicogeno si trova nelle cellule animali, ha funzione di riserva e si accumula soprattutto nel fegato e nelle cellule muscolari. L'amido ha funzione di riserva nelle cellule vegetali, dove contenuto in speciali organelli detti amiloplasti. La cellulosa il pi abbondantr tra i carboidrati, rappresenta il 50% del carbonio vegetale ed insolubile. Glicogeno, cellulosa e amido sono tutti polimeri di glucosio. I legami che tengono insieme le molecole di glucosio nell'amido sono gli stessi di quelli del glicogeno, ma sono diversi da quelli presenti nella cellulosa. Di conseguenza la cellulosa non pu essere idrolizzata tramite gli stessi enzimi che idrolizzano il glicogeno e l'amido perci gli esseri umani non sono in grado di digerirla. I carboidrati sono fonte di energia e di riserva energetica, sono il materiale di partenza per la sintesi di altri costituenti cellulari, fanno da sostegno e possono funzionare da segnali di identificazione ( come per il gruppo sanguigno (ABO). I LIPIDI Sono un gruppo eterogeneo di composti, che hanno in comune la caratteristica di essere insolubili in acqua e solubili nei solventi apolari. Tale caratteristica dovuta al fatto che i lipidi sono poveri di ossigeno che il principale costituente delle molecole polari. I lipidi hanno funzione di riserva energetica, strutturale ( sono i principali costituenti delle membrane cellulari), alcuni sono messaggeri chimici all'interno della cellula (secondi messaggeri) o tra cellule diverse (ormoni), altri sono vitamine ( A, K, E, D). Acidi grassi: sono catene non ramificate di idrocarburi con un gruppo carbossilico a un' estremit ( COOH). Nei lipidi ci sono 30 diversi acidi grassi con un numero pari di atomi di carbonio ( 16-18). Tutti gli acidi grassi hanno una testa polare ( gruppo COOH) e unacoda apolare (catena idrocarburica), per questo sono dette sostanze antipatiche. Gli acidi grassi si dividono in: - acidi grassi saturi: si impacchettano bene nella membrana, sono formati dal numero maggiore possibile di atomi di idrogeno e caratterizzati da legami covalenti tra gli atomi di carbonio; - acidi grassi insaturi: sono formati da atomi di carbonio legato tra loro da un doppio legame, perci non sono completamente saturati con l'idrogeno non si impacchettano bene nella membrana. Gli acidi grassi insaturi con un solo doppio legame sono detti moninsaturi, quelli con pi di un doppio legame polinsaturi. Lipidi semplici: sono i pi abbondanti negli esseri viventi e costituiscono una riserva di energia molto economica perch forniscono pi del doppio di energia per grammo, rispetto a un grammo di carboidrati. I trigliceridi sono formati da glicerolo legato a tre acidi grassi. Il glicerolo un alcol a tre atomi di carbonio, ognuno dei quali contiene un gruppo chimico OH che permette il legame con un acido grasso. Ogni molecola di trigliceride si ferma tramite una serie di 3 reazione di condensazione, nelle quali un acido grasso si lega al glicerolo tramite un legame covalente detto esterico. Nella prima reazione si forma un monogliceride, nella seconda un di gliceride e nella terza un trigliceride. I grassi comunemente usati in cucina ( burro, margarina, olio di oliva) contengono trigliceridi. Dato che i lipidi non sono solubili in acqua si trovano nelle cellule animali sottoforma di piccole gocce e sono particolarmente abbondanti nel tessuto adiposo. I lipidi complessi comprendono: - fosfolipidi -glicolipidi e steroidi. I fosfolipidi sono antipatici e sono formati da una molecola di glicerolo legata a un'estremit a 2 acidi grassa e all'altra ad un gruppo fosfato, a sua volta legato ad un composto organico che in genere contiene azoto, come la colina. La testa polare data dall'estremit contenente il composto organico e la coda apolare dall'estremit contenente gli acidi grassi. Proprio per la loro caratteristica antipatica i fosfolipidi sono particolarmente adatti per formare le membrane biologiche. I glicolipidi sono abbondanti nelle membrane cellulari delle cellule nervose, si dividono in: Cerebrosidi: sono formati da un acido grasso, una sfinghiosina e uno zucchero monosaccaride; Gangliosidi: sono formati da un acido grasso, una sfinghiosina e uno zucchero polisaccaride. Steroidi: tra di essi vi il colesterolo: formato da atomi di carbonio disposti in 4 anelli uniti tra loro, tre di questi sono a 6 atomi di carbonio e uno a 5. Il colesterolo un importante componente delle membrane biologiche, ma un suo eccesso nel sangue pu portare alla formazione di placche nelle arterie, cosa che aumenta il rischio di contrarre malattie cardiovascolari. Nei lipidi insaturi gli spazi vuoti presenti nella membrana possono venire occupati dal colesterolo che rende la membrana pi rigida maggiormente soggetta alla rottura. Il colesterolo un precursore degli ormoni steroidei, tra cui quelli sessuali. LE PROTEINE Sono macromolecole costituite da amminoacidi, ve ne sono di diversi tipi: - Enzimi: catalizzano specifiche reazioni chimiche ( es. DNA polimerasi) - Proteine strutturali: forniscono sostegno alla cellula e ai tessuti ( es. collagene) - Proteine di deposito: costituiscono una riserva di nutrienti ( es. albumina nelle uova e zeina nei semi) - Proteine di trasporto: trasportano specifiche sostanze tra le cellule ( es. emoglobina trasporta l'ossigeno nei globuli rossi), permettono il passaggio di specifiche sostanze attraverso le membrane (proteina trasportatrice del glucosio), funzionano come pompe e canali ionici. - Proteine regolatorie: sono ormoni, fattori di crescita o regolano l'espressione genica - Proteine contrattili: partecipano ai movimenti cellulari ( come actina e miosina) - Proteine di protezione: difendono l'organismo dagli agenti invasori ( anticorpi). Le cellule che provengono da tessuti differenti di uno stesso organismo e che quindi svolgono funzioni diverse contengono in parte le stesse proteine e in parte proteine diverse. Ci sono quindi proteine presenti in tutti i tessuti ( housekeeping ). Le cellule che provengono dallo stesso tessuto di organismi diversi possiedono le stesse proteine con struttura lievemente diversa. Si parla in tal caso di polimorfismo proteico, esso contribuisce a rendere diverso ogni individuo. Le proteine sono formate da amminoacidi, caratterizzati da un gruppo amminico ( - NH2) e da un gruppo carbossilico (COOH) legati allo stesso atomo di carbonio asimmetrico:il carbonio alfa. Se il gruppo amminico so trova a sinistra si parla di L-amminoacido, se si trova a destra di D-amminoacido. Questi 2 amminoacidi sono stereoisomeri di un amminoacido. Gli stereoisomeri sono un particolare tipo di isomero e sono caratterizzati da strutture speculari per le quali non possono in alcun modo essere sovrapposti. Gli stereoisomeri hanno propriet chimiche simili e propriet fisiche identiche, ma le cellule sono in grado di distinguerli. In genere solo uno dei due presente nell'organismo, di fatto i D-amminoacidi vengono sintetizzati artificialmente. Gli amminoacidi possono essere suddivisi sulla base delle propriet delle loro catene laterali in - polari: sono idrofilici. Gli aminoacidi polari non carichi hanno parziale carica, quelli carichi hanno una netta carica positiva o negativa. non polari: sono idrofobici, non hanno carica e il loro residuo laterale dato da carbonio o idrogeno. Gli aminoacidi si combinano tra loro a formare dei legami peptidici: il gruppo carbossilico di un amminoacido si lega al gruppo amminico del successivo. Quando si combinano 2 amminoacidi si forma un dipeptide, se si combinano pi di 2 amminoacidi si forma un polipeptide. Ogni polipeptide pu contenere centinaia di amminoacidi disposti in un ordine lineare specifico. Una proteina formata da una o pi catene polipeptidi che. Le catene polipeptidi che che formano una proteina possono essere attorcigliate o ripiegate per conferire alla proteina una conformazione tridimensionale che in stretta relazione con la sua funzione. Ci sono 4 diversi livelli di organizzazione delle molecole proteiche: - - Struttura primaria: data da una sequenza lineare di amminoacidi specificata da un apposito gene. Da essa dipendono tutte le altre strutture Struttura secondaria: data dal ripiegamento di una struttura primaria e si divide in: Alfa elica:si ha quando una catena polipeptidica forma un avvolgimento elicoidale uniforme .Tale struttura mantenuta dalla presenza di legami a idrogeno tra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico del quarto amminoacido successivo della catena. Ci conferisce elasticit alla struttura Beta foglietto: si ha quando pi catene polipeptidi che o parti diverse di una stessa catena polipeptidica si ripiegano su se stesse. Tale struttura dovuta alla presenza di legami a idrogeno che tengono uniti il gruppo amminico e quello carbossilico di legami peptidici che si trovano in segmenti diversi della catena Alcuni amminoacidi come leucina, metionina e glutammato sono forti formatori di elica; l'isoleucina la valina e la fenilalanina sono forti formatori di foglietti; la prolina e la glicina sono distruttori di elica . Struttura terziaria: la conformazione tridimensionale della proteina, dipende dalla struttura primaria ed data dall'insieme delle strutture secondarie. E' determinata da legami non covalenti tra i gruppi r degli amminoacidi, che possono trovarsi anche molto lontani nella sequenza primaria. - Struttura quaternaria: pu formarsi solo nelle proteine costituite da pi catene polipeptidi che e dipende dalla disposizione tridimensionale di quest'ultima. L'emoglibina una proteina globulare a struttura quaternaria formata da due catene polipeptidi che alfa identiche e due catene polipeptidi che beta identiche. Le proteine vengono prodotte in forma inattiva ed attivate solo quando la cellula ne ha bisogno, tale processo detto regolazione e pu avvenire in 4 diversi modi: o o o Modificazione covalente della proteina: avviene per fosforilazione, cio trasferimento di un gruppo fosfati dall'ATP al gruppo alcolico ( OH) presente sulla superficie della proteina. Si tratta di una reazione che avviene ad opera della proteinchinasi. La reazione opposta e la de fosforilazione e consiste nell'eliminazione del gruppo fosfato mediante idrolisi dell'estere.Tale reazione catalizzata dalla proteinfosfatasi Regolazione allosterica: l'attivit della proteina viene modificata dal legame con un attivatore o un inibitore. Un enzima soggetto ad attivazione allosterica inattivo nella forma non complessata, il legame con l'attivatore lo stabilizza nella sua forma ad alta affinit, attivandolo; il legame con l'inibitore stabilizza l'enzima nella sua forma a bassa affinit inattivandolo. Attiivazione proteolica: es. taglio proteolico e maturazione dell'insulina. L'ormone insulina viene sintetizzato sottoforma del suo precursore che viene tagliato da enzimi proteolici dopo che la catena polipeptidica ha assunto una specifica forma. La rimozione di una parte del polipeptide originario porta l'insulina nella sua forma attiva. GLI ACIDI NUCLEICI Gli acidi nucleici trasmettono l'informazione ereditaria e determinano quali proteine debbano essere sintetizzate dalla cellula. Le cellule contengono due tipi di acidi nucleici: l'acido desossiribonucleico nel Dna e l'acido ribonucleico nel RNA. Il Dna costituisce il materiale ereditario e contiene tutte le istruzioni necessarie alla cellula per sintetizzare le proteine e l'Rna. L'Rna interviene nel processo in cui gli amminoacidi engono legati tra loro per formare i polipeptidi. Gli acidi nucleici sono cotituiiti da nucleotidi: unita molecolari formate da uno zucchero atomi a 5 atomi di carbonio, uno o pi gruppi fosfato che conferiscono acidit alla molecola, una base azotata che pu essere: a doppio anello: purina ( adenina e guanina) o a singolo anello a 6 atomi di carbonio: pirimidina ( citosina, timina o uracile). Il DNA una doppia elica formata da due catene appaiate di nucleotidi tenute insieme da legami a idrogeno. Le coppie di basi che si formano nella parte interna della doppia elica sono quelle che conferiscono al Dna la struttura pi stabile possibile. Ogni purina pu accoppiarsi solo con una pirimidina perci la loro quantit sempre uguale. L'adenina e la timina si appaiano tra loro mediante 2 legami a idrogeno, la citosina e la guanina si appaiano mediante 3 legami a idrogeno. Nell'elica si forma un legame fosfodiesterico tra il gruppo ossidrilico dello zucchero 3' e il gruppo fosfato dello zucchero in 5' del successivo nucleotide. Lo scheletro zucchero-fosfato costituisce la parte esterna dell'elica. I due filamenti nucleotidici che costituiscono la doppia elica sono detti antiparalleli perch hanno andamento opposto: dalla parte in cui uno presenta libera l'estremit 5', l'altro presenta la 3'. Il Dna una molecola piuttosto lunga perch contiene tutta l'informazione genetica e il suo zucchero costituente il desossiribosio. L'Rna pi corto perch contiene solo una parte delle informazioni presenti nel Dna, non a doppia elica ma a singolo filamento. Esistono vari tipi di Rna che svolgono diversi ruoli strutturali e catalitici e che contengono tutti il ribosio. I tipi di Rna: I tipi di Rna sono: Rna messaggiero: codifica per le proteine Rna ribosomiale: forma la struttura dei ribosomi Rna transfert: traduce i codoni dell' mRNA in amminoacidi Small nuclear Rna: entra nella struttura dello spliceosoma Small nucleolar Rna: usato per modificare chimicamente la struttura dell'mRna Small cytoplasmic Rna: trasporta le proteine nel re Micro Rna: si occupa del controlla post trascrizionale LE CELLULE EUCARIOTICHE Sono strutture altamente specializzate provviste di un sistema interno di membrane che delimitano i compartimenti con diversa struttura e funzione. Questo permette di evitare che composti particolarmente attivi entrino in contatto con parti della cellula che verrebbero per questo danneggiate, di far s che specifiche reazioni abbiano luogo in una data sede e che si verifichino contemporaneamente pi reazioni. La membrana plasmatica non fa parte del sistema di endomembrane ma un complesso di lipidi, proteine e carboidrati che delimita la cellula e controlla gli scambi con l'ambiente interno ed esterno oltre che contenere sistemi di tasporto e segnalazione. Tra i compartimenti delimitati da membrana vi sono: il citosol: permette lo svolgimento dei processi metabolici e della sintesi proteica il nucleo: permette di trasferire le informaziona dal Dna all'Rna e specifica le proteine cellulari il re: la sede della sintesi dei lipidi e delle proteine l'apparato del Golgi: permette lo smistamento e la modificazione delle proteine i lisosomi: si occupano della degradazione intracellulare i perossisosomi: si occupano di detossificare le molecole tossiche i mitocondri: sono la sede delciclo di Krebs e della sintesi di ATP Le membrane biologiche sono strutture che sono state fondamentali per l'evoluzione degli organismi complessi, nelle cellule eucariotiche vi sono anche le membrane degli organelli. I lipidi che costituiscono le membrane biologiche sono costituiti da una testa polare idrofilica e da una coda apolare idrofobica. I fosfolipidi sono i principali responsabili delle propriet chimiche delle membrane biologiche. La membrana plasmatica costituita da un doppio strato fosfolipidico grazie al fatto che le teste polari di tali molecole si rivolgono verso gli ambienti acquosi interni ed esterni, mentre le code apolari idrofobiche sono rivolte verso l'interno della membrana. Nella membrana vi sono proteine di diversa forma e dimensione associate al doppio strato fosfolipidico che costituiscono il modello a mosaico fluido, all'interno del quale le proteine non occupano una posizione fissa ma hanno la possibilit di muoversi. Il colesterolo influenza la fluidit della membrana perch si inserisce negli spazi lasciati vuoti dai grassi insaturi e rende la membrana pi rigida. Tra le proteine che costituiscono la membrana vi sono: - Proteine transmembrana o intrinseche: possono attraversare la membrana anche pi volte, si estendono completamente al suo interno. Tali proteine costituiscono i canali ionici. - - Periferiche o estrinseche: si appoggiano sulla superficie interna o esterna della membrana plasmatica. Dato che non fanno parte del doppio strato fosfolipidico possono essere rimosse senza che esso venga alterato. Proteine ancorate ai lipidi o alle proteine trans membrana: si legano ai lipidi o alle proteine tramite legami esterni alla membrana. La posizione delle proteine sulla membrana dipende dagli amminoacidi dalle quali sono costituite. Ci sono tre movimenti che caratterizzano i componenti della membrana: - Movimento laterale: spostamento del componente sulla stessa faccia della membrana, implica l'intervento di forze fisiche. Movimento trasversale o "flip flop": il componente passa sa uno strato all'altro della membrana, si tratta di un movimento piuttosto raro. Tali movimenti sono importanti perch comportano un'asimmetria della membrana: ineguale distribuzione sei suoi componenti sui due lati. Tra le funzioni delle membrane biologiche vi sono: delimitare i compartimenti che svolgono funzioni diverse, proteggere la cellula che rivestono, impedire il passaggio di alcune sostanze grazie alla permeabilit selettiva e alla presenza di canali e pompe ioniche, permettere la comunicazione tra le cellule grazie ala presenza di proteine recettoriali, permettere che la cellula venga riconosciuta dalle altre. TRASPORTO ATTRAVERSO LE MEMBRANE BIOLOGICHE Il doppio strato fosfolipidico fa da barriera al passaggio di piccole molecole polari, in questo modo al'interno della cellula viene mantenuta una diversa concentrazione di soluti rispetto all'esterno: gradiente di concentrazione. Il lato interno della membrana ha carica elettrica pi negativa . Nonostante l'acqua sia una molecola polare ha la possibilit di attraversare, se pur lentamente il doppio strato lipidico, pech sufficientemente piccola. Il glucosio, gli amminoacidi e la maggior parte delle altre componenti necessarie per le attivit metaboliche possono attraversare la membrana liberamente. L'impermeabilit della membrana evita che esse diffondano all'esterno. Ci sono 2 tipi di trasporto: Passivo: si verifica senza dispendio di energia metabolica e aviene sempre secondo gradiente di concentrazione: le molecole diffondono da una regione in cui sono presenti ad alta concentrazione ad una in cui lo sono meno. La diffusione avviene rapidamente e la sua velocit varia sulla base della dimensione delle molecole, della loro carica elettrica, della forma e della temperatura. Quanto pi le molecole sono piccole e la loro temperatura elevata tanto pi diffondono rapidamente. La diffusione un processo che tende all'equilibrio, cio a raggiungere una distribuzione uniforme delle particelle. In tal caso la diffusione diventa pi lenta e le particelle si muovono in entrambi i sensi alla stessa velocit. Durante la Diffusione Semplice le molecola apolari si muovono attraverso la membrana secondo gradiente di concentrazione. Tanto pi il soluto concentrato e tanto pi piccole sono le molecole, tanto pi rapida sar la diffusione. Le molecole cariche, anche se piccole come gli ioni, non diffondono attraverso la membrana. L' osmosi un particolare tipo di diffusione che comporta un passaggio netto di cariche elettriche attraverso la membrana secondo gradiente di concentrazione. Sebbene l'acqua sia una sostanza polare pu attraversare il doppio strato fosfolipidico grazie a delle proteine transmembrana dette acquaporine che formano un canale attraverso il quale l'acqua pu passare. Se la cellula viene immersa in una soluzione che ha la stessa concentrazione di soluti del suo citoplasma essa si dice isotonica, in tal caso non accade nulla, non si ha un netto passaggio di acqua n verso l'interno, n verso l'esterno. Se la cellula viene immersa in una soluzione che ha una maggiore concentrazione di soluti rispetto al citoplasma, tale soluzione si dice ipertonica, in tal caso si avr un netto passaggio di acqua verso l'esterno e la cellula si raggrinzisce. Se la cellula viene immersa in una soluzione che ha minore concentrazione di soluti rispetto al citoplasma, tale soluzione si dice ipotonica, in tal caso l'acqua diffonde verso l'interno della cellula. Se la differenza di concentrazione eccessivamente elevata, la cellula si gonfia fino a scoppiare. Nella diffusione facilitata uno specifico soluto pu essere trasportato dall'interno all'esterno della cellula o viceversa secondo gradiente di concentrazione. La diffusione facilitata pu avvenire attraverso canali ionici o proteine carrier (legano la sostanza da trasportare). Le proteine canale formano dei canali che trasportano specifici ioni secondo gradiente di concentrazione, si parla di canali controllati perch possono essere aperti o chiusi e sono specifici. Lo stato di apertura o chiusura del canale controllata da: Canali a controllo di ligando: normalmente il canale chiuso e si apre quando il ligando vi si lega Canali a controllo di potenziale: un cambiamento di carica elettrica determina l'apertura o la chiusura del canale Canali a controllo meccanico: il canale si apre a seguito di uno stimolo Il trasporto tramite proteine carrier pi lento, la proteina lega una o pi molecole di soluto sul lato esterno della membrana, poi subisce un cambiamento di conformazione chedetermina lo spostamento del soluto sull'altro lato della membrana. Per esempio il glucosio viene trasportato dalla proteina GLUT1 all'interno dei globuli rossi. Dato che il glucosio ha concentrazione maggiore nel plasma, tende a fluire secondo gradiente di concentrazione all'interno degli eritrociti, ma grazie alla proteina carrier diffonde pi rapidamente. Dopo che il glucosio stato rilasciato nel citoplasma, la proteina torna alla sua struttura originaria ed pronta per legare un'altra molecola di glucosio. La proteina satura quando il glucosio presente ad elevata concentrazione, questo avviene perch c' un numero definito di proteine carrier che operano ad una velocit massima definita. Attivo: avviene contro gradiente di concentrazione perch molte sostanze sono richieste all'interno della cellula in quantit maggiori rispetto alle concentrazioni esterne. Mentre nel trasporto passivo l'energia per il trasporto delle particelle viene ricavata da quella contenuta nel gradiente di concentrazione, in questo caso necessaria energia metabolica perch il sistema lavora contro il sistema. Tale energia viene ricavata dall'idrolisi dell'ATP e all'accoppiamento, da parte delle pompe, del trasferimento con una reazione che ceda energia. La pompa sodio-potassio presente in tutte le cellule animali, si occupa di trasportare 2 ioni potassio all'interno della cellula, ogni 3 ioni sodio che fa uscire. Dato che entrambi questi ioni hanno carica positiva, oltre che un gradiente di concentrazione, ci provoca un gradiente elettrico. La pompa permette quindi di mantenere il potenziale di membrana: differenza di carica elettrica tra interno ed esterno della cellula. Per scambiare il potassio con il sodio la pompa subisce due cambiamenti conformazionali, uno dei quali richiede l'energia data dall'ATP. Le pompe ioniche permettono anche di equilibrare la pressione osmotica del citoplasma della cellula sulla base dell'ambiente esterno. Se ci non avvenisse la cellula diventerebbe ipertonica e si gonfierebbe fino a scoppiare. Alcune proteine carrier trasportano un solo tipo di sostanza in una sola direzione ( processo uniporto), altre 2 sostanze nella stessa direzione ( processo simporto) e altre due sostanze in due direzioni opposte ( processo antiporto). Il cotrasporto muove i soluti mediante trasporto attivo indiretto: vengono trasportati contemporaneamente 2 soluti, uno secondo gradiente e l'altro contro. L'energia ricavata dal trasporto delle particelle secondo gradiente, viene usata per trsprtare le altre contro gradiente, ma comunque necessaria l'energia ricavata dall'idrolisi dell' ATP per alimentare la pompa. TRASPORTO ATTRAVERSO LE MEMBRANE BIOLOGICHE Le macromolecole, come le particelle di cibo vengono trasportate all'esterno della cellula per esocitosi e all'interno per endocitosi. Nell'ESOCITOSI le macromolecole che devono essere trasportate all'esterno vengono delimitate da membrana che forma una vescicola, questa si fonde con la membrana plasmatica e il contenuto della vescicola viene cos riversato all'esterno. Con questo meccanismo vengono secreti ormoni, neurotrasmettitori, muco, enzimi ... Ci sono 3 tipi di endocitosi: ENDOCITOSI MEDIATA DA RECETTORE: un processo altamente specifico che permette di trasportare solo quelle molecole dette ligandi che vengono riconosciute da uno specifico recettore situato sulla membrana plasmatica. I ligandi si accumulano nelle fossette rivestite, il cui rivestimento situato dal lato del citosol ed formato da due proteine:la clatrina e la proteina adattatrice. Il colesterolo viene assorbito dalle cellule tramite questo processo e viene trasportato nel sangue all'interno delle LDL. Quando una cellula ha bisogno di colesterolo produce i recettori delle LDL. Questi recettori si trovano in fossette rivestite da clatrina. Dato che la LDL un ligando si lega al recettore, che per endocitosi da origine ad una vescicola rivestita.Quando la vescicola entra nel citoplasma il rivestimento si stacca e il suo contenuto viene riversato in compartimenti detti endosomi. La LDL si stacca dal recettore e viene degradata dai lisosomi, mentre il colesterolo all'interno della cellula pu essere utilizzato. I recettori per le LDL vengono riciclati. FAGOCITOSI: consiste nell'incorporazione di grossi frammenti di cellule o di aggregati insolubili. Nel corpo umano la fagocitosi avviene solo ad opera dei fagociti e serve come meccanismo di difesa dagli agenti invasori. Alcuni animali inferiori come i platelminti utilizzano la fagocitosi anche per nutrirsi. I ligandi contenuti nel materiale da inglobare vengono riconosciuti dai recettori di membrana quando la particella vi entra in contatto. Attorno alla particella si forma un sacco membranoso detto vacuolo fagocitico o fagosoma si fonde con i lisosomi primari a formare i secondari e il suo contenuto viene digerito. PINOCITOSI: processo attraverso il quale la cellula assorbe materiale liquido. Le goccioline di liquido vengono circondate dalla membrana che si stacca sotto forma di piccole vescicole i cui liquidi vengono trasferiti nel citosol. IL NUCLEO CELLULARE La maggior parte delle cellule eucariotiche ha un nucleo anche se vi sono eccezioni, quali i globuli rossi. Il nucleo la parte pi evidente della cellula, ha forma sferica ed circondato dall'involucro nucleare. Esso formato da 2 membrane che entrano in contatto in alcuni punti ma tra le quali vi uno spazio detto intermembrana. Queste si occupano di dividere ci che si trova nel nucleo dal citoplasma circostante, la membrana pi vicina al nucleo detta membrana nucleare interna, quella pi esterna membrana nucleare esterna, quest'ultima comunica con il RE. Il rivestimento interno della membrana nucleare dato dalla lamina nucleare interna, rete fibrosa di filamenti proteici che stabilizza la morfologia del nucleo. Sull'involucro nucleare vi sono i pori nucleari: complessi di proteine che formano delle aperture lungo le quali il materiale pu passare se di piccole dimensioni. Ogni cellula contiene circa 3000-4000 pori nucleari, ciascuno delimitato da 8 proteine. Si tratta di strutture molto grandi che funzionano da "guardiani". La maggior parte del DNA della cellula si trova nel nucleo, esso controlla la sintesi proteica trascrivendo l'informazione del DNA nel mRNA. Il DNA si associa alle proteine per formare la cromatina. Ci sono due tipi di cromatina: _eucromatina: costituita da DNA trascrizionalmente attivo, rilasciata, replica precocemente e contiene la maggior parte dei geni; _ eterocromatina: costituita da DNA non trascrizionalmente attivo o silenziato perch non serve in quel momento, fortemente addensata, replica tardivamente e contiene pochi geni.Si divide in: costitutiva ( sempre inattiva), facoltativa (il suo statodi attivazione regolato sulla base della necessit della cellula). I cromosomi sono dispersi nel nucleoplasma e sono formati da DNA e cromatina, durante la divisione cellulare diventano visibili come strutture filiformi distinte. La cromatina si organizza attorno alla matrice nucleare. Il DNA si lega a : proteine istoniche ( formano la struttura attorno alla quale si avvolge il DNA) e proteine non istoniche ( formano la struttura di supporto). Ogni specie ha un proprio numero di cromosomi (46 nell'uomo, 20 nel mais) Le cellule che possiedono 2 coppie di cromosomi omologhi si dicono diploidi, tutte le cellule somatiche lo sono tranne i gameti. Le cellule che possiedono una sola copia di ciacun cromosoma si dicono aploidi. Nella condizione di aploidia una copia di materiale genetico ripartita in 3 cromosomi non omologhi, nella condizione di diploidia due copie di materiale genetico sono ripartite in tre coppie di cromosomi omologhi. Nell'uomo i cromosomi sono a coppie: uno deriva dalla madre e l'altro dal padre. I cromosomi X e Y sono detti sessuali perch determinano il sesso dell'individuo, non sono completamente omologhi perch non hanno la stessa forma, dimensione e non contengono gli stessi geni. I cromosomi non sessuali sono detti autosomi. Il genoma umano presente nel nucleo di una cellula formato da 3 per 10 alla meno 9 paia di basi divise in 23 molecole. Dato che queste molecole in totale sono lunghe 93 cm e il nucleo molto pi piccolo devono essere compattate. Durante il processo di compattamento le molecole di DNA vengono avvolte da istoni e quindi si origina un elevato numero di nucleo somi che formano le perline infilate sul filamento di DNA. I nucleo somi provvedono alla spiralizzazione del DNA fino a dare origine a cromatina superavvolta. Le spirali di DNA si ripiegano a formare i cromosomi. La maggior parte dei nuclei possiede una o pi strutture compatte dette nucleoli, questi hanno forma sferica. IL nucleolo non circondato da membrana e possiede un organizzatore nucleolare formato da cromosomi che contengono le istruzioni per la sintesi di diversi tipi di RNA ribosomiali. L'RNA e le proteine vengono sintetizzate nel nucleolo dal quale escono tramite i pori nucleari. Le piccole molecole possono passare liberamente attraverso i pori nucleari, la loro velocit di diffusione inversamente proporzionale alla grandezza del loro diametro. Le molecole pi grandi del poro possono attraversarlo solo se possiedono specifiche sequenze di amminoacidi segnale. Dal nucleo escono le molecole di RNA e i ribosomi, mentre entrano le proteine, gli enzimi e gli istoni. RE: un labirinto di membrane appiattite e interconnesse, in continuit con l'involucro nucleare. Lo spazio interno detto lume, costituito da un unico compartimento interno che comunica con lo spazio presente tra le membrane nucleari interna ed esterna. Le membrane del RE e il lume contengono numerosi enzimi che catalizzano diverse reazioni chimiche. Il RE si divide in liscio e rugoso. Il RE liscio non presenta ribosomi sulla sua superficie, la sede della sintesi dei fosfolipidi e degli ormoni steroidei, ha un ruolo importante nella degradazione del glicogeno di riserva, gli enzimi presenti nel RE delle cellule del fegato sono in grado di degradare sostanze chimiche tossiche. Il RE rugoso presenta ribosomi sulla sua superficie esterna, ha un ruolo fondamentale nella sintesi e nell'assemblaggio delle proteine. All'interno del ribosoma si forma un tunnel collegato a un poro del RE, tramite il quale le proteine vengono trasportate nel lume dove vengono modificate. Nel lume ci sono enzimi detti chaperoni molecolari che catalizzano l'arrangiamento tridimensionale delle proteine: quelle non correttamente sintetizzate vengono trasportate nel citosol dove vengono degradate da complessi proteici detti proteasomi; quelle correttamente processate vengono trasferite dalle vescicole di trasporto ad altri compartimenti che si fondono con la membrana dei bersagli. COMPLESSO DEL GLOGI E' formato da cisterne appiattite impilate dette dittiosomi che possono sembrare rigonfie perch sono piene di prodotti cellulari. Ogni cisterna ha uno spazio interno detto lume. A differenza del RE le cisterne del complesso del Golgi non sono tra loro in continuit e il trasporto avviene mediante vescicole. Ogni dittiosoma possiede: Un'area cis: si trova vicino al nucleo e riceve i materiali che provengono dal RE Un'area trans: si trova vicino alla membrana plasmatica e impacchetta le molecole che devono essere trasportate fuori dall'apparato del Golgi Un'area intermedia: situata in mezzo alle altre due. Il complesso del Golgi immagazzina,smista e modifica le proteine. Le modificazioni consistono nell'aggiunta di gruppi chimici con l'obiettivo di etichettarle per poterle esportare nei diversi distretti cellulari. Le modificazioni sono: _ glicosilazione: aggiunta di zuccheri _ solfatazione: aggiunta di gruppi solfato _ fosforilazione: aggiunta di gruppi fosfato Le vescicole che contengono le proteine vengono trasferite per gemmazione dal Re rugoso all'apparato del Golgi, dove si fondono con la regione cis del dittiosoma. Nel lume l'apparato del Golgi modifica chimicamente le proteine etichettandole in modo che pervengano alla corretta destinazione. Le proteine modificate vengono impachettate nelle regioni trans, che si staccano dalla membrana del Golgi e trasportano il loro contenuto a destinazioni specifiche. I LISOSOMI Sono stati scoperti verso il 1950 dal biochimico Christian De Duve, che ha per questo vinto il premio nobel. I lisosomi sono piccole sacche delimitate da membrana che contengono enzimi idrolitici capaci di demolire: proteine, carboidrati, acidi nucleici, lipidi. Sono dispersi nel citoplasma della maggior parte delle cellule eucariotiche, ve ne sono pi di 40 che contengono enzimi idrolitici diversi e lavorano a ph acido ( = 5 ). Per mantenere tale ph vi l'azione di pompe protoniche che pompano attivamente ioni idrogeno all'interno. Gli enzimi lisosomiali degradano molecole complesse di batteri e frammenti ingeriti dalle " cellule spazzine". La compartizione degli enzimi evita l'autodigestione da parte della cellula. Gli enzimi lisosomi ali si formano nell'apparato del Golgi. Si possono distinguere: Lisosomi primari: si formano per gemmazione dal complesso di Golgi e sono costituiti solo da enzimi lisosomiali, dato che si sono appena formati non sono attivi Lisosomi secondari: si formano per lafusione dei lisosomi primari con vescicole circondate da membrana e hanno un contenuto eterogeneo, cio enzimi lisosomi ali e molecole da degradare. I lisosomi si occupano quindi di degradare materiale tramite: - Eterofagia: digestione di corpi estranei tramite fagocitosi o di macromolecole assorbite dall'esterno della cellula per endocitosi Autofagia: digestione di parti proprie della cellula Con l'invecchiamento vi sono alcuni danni tissutali dovuti alla perdita di enzimi da parte dei lisosomi. Per es. l'artrite reumatoide un danno alle giunture delle cellule cartilaginee, causato dal rilascio di enzimi lisosomiali. In alcune malattie genetiche come la malattia di Tay sachs: malattia autosomica recessiva, vi la mancanza dell'enzima lisosomiale esosaminidasi A , che dovrebbe degradare i gangliosidi. A causa della sua assenza nelle cellule cerebrali i gangliosimi si accumulano e si ha un progressivo deterioramento del sn, fino al sopraggiungere della morte entro i primi anni di vita. I PEROSSISOSOMI I perossisosomi sono organuli delimitati da una sola membrana, simili per l'aspetto ai lisosomi, contengono enzimi detossificanti. La loro funzione ancora in parte sconosciuta. Sicuramente sono in grado di detossificare la cellula da molecole tossiche quali l'acqua ossigenata ( perossido di idrogeno) che viene scissa in acqua e ossigeno, cos da diventare innocua. I perossisosomi possono anche degradare gli acidi grassi e di sintetizzare alcuni fosfolipidi che compongono la guaina mielinica dei neuroni, motivo per cui alcune malattie da carenza di funzione perossisomale sono associate a ritardo mentale. I perossisosomi delle cellule epatiche e renali detossificano composti tossici come l'etanolo. I MITOCONDRI Sono la sede della respirazione cellulare o aerobica: processo che trasforma l'energia chimica presente nello zucchero in ATP. Durante la respirazione cellulare l'ossigeno e il carbonio vengono rimossi dalle molecole di cibo, come il glucosio e vengono convertiti in anidride carbonica. L'ATP viene usato dalla cellula per svolgere diverse funzioni chimiche perci i mitocondri sono pi numerosi nelle cellule molto attive. Ogni mitocondrio circondato da una doppia membrana che da origine a due compartimenti distinti: _ lo spazio intermembrana: si forma tra la membrana interna( pu essere attraversata solo da alcuni tipi di molecole perch selettivamente permeabile) ed esterna( liscia e pu essere attraversata da piccole molecole); _ la matrice: un compartimento circondato dalla membrana interna che contiene gli enzimi che degradano il cibo e convertono la loro energia in altre forme di energia chimica. La membrana interna del mitocondrio ripiegata per formare delle estroflessioni dette creste mitocondriali che aumentano la superficie in cui avvengono le reazioni necessarie a produrre ATP. La membrana interna contiene tutte le proteine necessarie per queste reazioni. Ogni mitocondrio contiene DNA e RNA propri che codificano per alcune proteine, ma alcune proteine necessarie al mitocondrio vengono importate. Le mutazioni del DNA mitocondriale sono state associate ad alcune malattie genetiche che includono una forma giovanile di cecit e vari tipi di degenerazione muscolare. I mitocondri hanno un ruolo importante nell'apoptosi: morte programmata delle cellule. Si tratta di un processo che si sviluppa durante lo sviluppo normale e serve a bilanciare il numero di cellule. Per es. le cellule del tessuto epiteliale esterno e della parete intestinale vengono continuamente sostituite. I mitocondri possono indurre la morte delle cellule interferendo con il loro metabolismo o attivando enzimi che mediano la distruzione cellulare. Quando un mitocondrio viene danneggiato nel citoplasma viene rilasciato citocromo C, proteina che induce l'apoptosi attivando un complesso enzimatico detto caspasi, che degrada le parti vitali della cellula. L'attivazione non corretta dell'apoptosi o la sua inibizione pu portare allo sviluppo di patologie come cancro, Alzheimer, aids. Secondo l'ipotesi endosimbiotica sull'origine dei mitocondri questi si sarebbero originati a partire da organismi procarioti che si stabilirono all'interno di cellule pi grandi perdendo la loro capacit di vivere autonomamente. IL CITOSCHELETRO E' costituito da una densa rete di fibre proteiche. Serve per il trasporto di materiali all'interno della cellula ed coinvolto nella divisione cellulare, contribuisce al sostegno del citoplasma e al mantenimento della forma della cellula oltre che ai suoi movimenti. Il citoscheletro cambia continuamente ed formato da filamenti proteici di tre tipi: o o I microtubuli: sono i filamenti pi spessi del citoscheletro, hanno forma cilindrica e sono costituiti da due proteine molto simili, l'alfa e la beta tubulina. Queste proteine si combinano tra loro per formare un dimero. I microtubuli si formano per addizione di dimeri di tubulina all'estremit del microtubulo. I microtubuli possono essere anche di assemblati rimuovendo i dimeri di tubulina. Infatti ,i protofilamenti di tubulina legati a GDP, sono instabili e si staccano facilmente dal microtubulo. I microtubuli sono polari e le loro estremit vengono denominate pi o meno.L'estremit pi si allunga pi rapidamente grazie all'azione di una proteina detta chinesina. La dineina trasporta invece gli organuli nella direzione opposta. E' necessaria anche la dinactina: proteina adattatrice che lega la dineina al microtubulo e all'organulo. I microtubuli sono implicati: nel movimeto dei cromosomi durante la divisione cellulare, in quello delle cellule perch sono i principali componenti di ciglia e flagelli e nel movimento dei componenti cellulari. Sulla superficie di molte cellule si proiettano strutture sottili e mobili importanti per il movimento cellulare. Se tali appendici sono molto numerose e corte si chiamano ciglia, se sono poco numerose e lunghe prendono il nome di flagelli. Le ciglia sono strutture filiformi rivestite da membrana, che si protendono sulla superficie di molti tipi di cellule eucariote. In genere si trovano sulle cellule che rivestono i dotti interni dell'organismo, come le vie aeree. Sono formate da microtubuli riuniti in uncorpo basale e possiedono un corpo propulsore che si muove rapido in una direzione e torna lentamente in quella di partenza. Hanno la funzione di muovere i liquidi e le particelle che ricoprono la cellula o di permetterne il movimento in ambienti acquosi. Le ciglia si muovono alternando movimenti e tempi di recupero ed esercitando una forza parallela alla direzione superficie della cellula. I flagelli sono i propulsori degli spermatozoi e di molte cellule procariote, spostano l'intera cellula con un movimentosimile a quello di un serpente. Ciglia e flagelli hanno la stessa struttura: sono formati da 9 serie di tre microtubuli disposte in un cilindro. Il loro accrescimento avviene per addizione di dimeri di tubulina ad un'estremit. Sui microtubuli si possono muovere diverse proteine motrici che trasportano vari organelli e si muovono in entrambe le direzioni. Le principali proteine motrici sono le chinesine e le dineine, per questo movimento viene utilizzata l'energia ricavata dall'idrolisi dell'ATP. I flagelli si muovono come una frusta esercitando una forza perpendicolare alla direzione della superficie della cellula. I filamenti intermedi: sono resistenti e flessibili, la loro unit costitutiva il monomero, formato da due teste alle estremit e da una regione lineare nel mezzo. I filamenti intermedi forniscono sostegno alla cellula, sono molto numerosi soprattutto nelle cellule sottoposte a elevate pressioni meccaniche ed evitano che esse si deformino eccessivamente. I filamenti intermedi delle cellule eucariote variano per la composizione proteica a seconda del tipo di cellula e di organismo. Si possono distinguere: Filamenti citoplasmatici: _ cheratine ( si trovano nelle cellule epiteliali); _ vimentino e vimentino-simili ( si trovano nel tessuto connettivo, muscolare e neuro gangliare);_ neuro filamenti( si trovano nelle cellule nervose, nella sclerosi amiotrofica laterale ci sono o neurofilamenti anormali delle cellule nervose che controllano i muscoli, ci provoca degenerazione delle cellule nervose, alle quali non arrivano i materiali necessari). Filamenti nucleari: lamine nucleari, si trovano in tutte le cellule animali. I microfilamenti: sono presenti in tutte le cellule eucariotiche. Sono fibre flessibili e solide di 7nm di diametro. Ogni microfilamento costituito da 2 filamenti di actina intrecciati che possono essere presenti singolarmente, in fasci o in reti tridimensionali. Essi hanno un ruolo di sostegno e concorrono ai movimenti cellulari, tra cui le correnti citoplasmatiche, la formazione del solco di divisione durante la citodieresi. I filamenti di actina da soli non possono contrarsi, ma possono generare movimento assemblandosi e diassemblandosi. Nelle cellule muscolari l'actina associata alla miosina per formare le fibre della contrazione muscolare. In assenza di ATP actina e miosina sono tra loro strettamente associate,;quando l'ATP si lega alla miosina, fornisce l'energia necessaria alla contrazione muscolare perch riduce la sua affinit per l'actina. Dopo l'idrolisi dell'ATP ad ADP la miosina e l'actina determinano lo scivolamento del microfilamento, pi microfilamenti che scivolano l'uno sull'altro danno luogo alla contrazione muscolare. I microfilamenti possono anche formare i microvilli, cio estroflessioni citoplasmatiche che amplificano l'area attraverso la quale avviene l'assorbimento intestinale delle sostanze nutritive. Ogni microvillo possiede una calotta di proteine applicata all'estremit distale dei microfilamenti. Questi ultimi sono legati all'actina e percorrono l'intera lunghezza del microvillo consolidandone la struttura. Le molecole di actina uniscono i microtubuli tra loro e alla membrana plasmatica. I microtubuli dei microvilli si protraggono o si ritraggono sulla base della polimerizzazione o della depolimerizzazione dei filamenti di actina che contengono. LA MATRICE EXTRACELLULARE Ha funzione di impalcatura, protezione e supporto, presente in quantit diversa nei differenti tessuti, per es. ridotta nel tessuto nervoso e abbondante in quelli di sostegno, come quello osseo e quello e cartilagineo. La matrice extracellulare formata da: Collagene: il suo principale componente ed costituita da 3 catene polipeptidiche ricche di glicina e prolina, avolte in una tripla elica ad alta resistenza Elastina: alcuni tessuti come quello dei polmoni e delle arterie devono essere elastici per potersi espandere e rilassare. Altri devono essere flessibili, cio devono poter cambiare la propria forma ( il caso della cute e dell'intestino). Le fibre di elastina forniscono elasticit e flessibilit ai tessuti). Nel corso dell'invecchiamento la rigidit del collagene aumenta e diminuiscono le molecole di elastina. Questo il motivo per cui si formano le rughe e le ossa e le articolazioni sono meno flessibili. Complessi di proteine e polisaccaridi detti proteoglicani: sono formati da proteine e GAG, cio unit di disaccaride ripetute. In genere uno degli zuccheri il galattosio e l'altro la N-acetilglucosamina. Le mucoproteine sono molto resistenti alla pressione e possono funzionare come spugne in grado di assorbire grandi quantit di acqua. Proteine adesive come la fibronectina ( presente in quasi tutti i tessuti, una molecola ponte che ancora le cellule alla matrice) e la lamina, presente solo nella lamina basale; sottile strato di matrice che separa le cellule del tessuto connettivo da quello epiteliale. GIUNZIONI CELLULARI Di solito le cellule che si trovano a stretto contatto tra loro sviluppano giunzioni intercellulari specializzate, che permettono di legare saldamente le cellule tra loro, di comunicare e impediscono il passaggio di materiali. Giunzioni serrate: impediscono il passaggio di sostanze tra una cellula e l'altra, grazie alla fusione parziale di uno dei due foglietti fosfolipidici. Formano delle regioni di saldatura tra le cellule che rivestono le cavit corporee. Per es. impediscono alle sostanze che si trovano nell'intestino di entrare nel circolo sanguigno e formano la barriera ematoencefalica che impedisce a varie sostanze si passare dal sangue al cervello. Giunzioni ancoranti o adesive: tengono le cellule saldamente unite tra loro, tanto che per separarle sono necessarie forti pressioni meccaniche. Si dividono in: Desmosomi: sono punti di attacco tra le cellule che lasciano spazi tramite i quali possono passare alcune sostanze. I desmosomi creano un legame tra i filamenti intermedi di una cellula e quelli della cellula adiacente unendole meccanicamente. Questo tipo di giunzione prsente nelle cellule del tessuto epiteliale. Emidesmosomi: ancorano i filamenti intermedi di una cellula alla lamina basilare Giunzioni aderenti: cementano le cellule tra loro unendo i fasci di actina di una cellula con quelli di un'altra Giunzioni comunicanti: permettono il passaggio di molecole inorganiche di piccole dimensioni e di alcune molecole di regolazione, attraverso dei canali che permettono la comunicazione tra cellule adiacenti. Sono costituite da una proteina integrale di membrana: la contessina, sei molecole di contessina formano un canale detto connessone che pu essere aperto o chiuso. Le giunzioni comunicanti permettono alle cellule di stabilire comunicazioni chimiche e elettriche molto rapide e sitrovan