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Cellule: unità fondamentali della vita Tutti gli esseri viventi sono costituiti da cellule ovvero piccole unità racchiuse da una membrana e piene di una soluzione acquosa concentrata di sostanze chimiche, dotate della capacità di creare copie di se stesse crescendo e successivamente dividendosi in due. Ogni animale o pianta è costituito da un’immensa colonia di singole cellule che compiono funzioni specializzate, regolate tramite un sistema di comunicazione cellula-cellula. Le cellule sono dunque le unità fondamentali della vita ed è alla biologia cellulare (studio delle cellule, delle loro strutture e funzioni e comportamento) che si deve chiedere che cosa sia la vita e come funzioni. Le cellule sono diverse per aspetto, dimensioni e funzioni , sostanze di cui necessitano. La chimica di base è simile in tutte le cellule viventi : in tutti gli organismi viventi le istruzioni genetiche i geni , sono contenute in molecole di DNA. Ogni cellula ha quindi lunghe catene polimeriche di DNA costituite da 4 monomeri identici detti nucleotidi , legati insieme in varie sequenze per trasportare informazioni, lette e trascritte da RNA, molecola a sua volta tradotta in un altro tipo di polimeri detti proteine. Il flusso di queste informazioni dal DNA all’RNA alla proteina è definito il dogma centrale della biologia.
L’aspetto e il comportamento di una cellula sono fondamentalmente determinati dalle sue molecole proteiche, che agiscono da strutture di supporto , da catalizzatori per le sue reazioni chimiche, da motori molecolari per il suo movimento ecc.. Si ritiene che tutte le cellule attuali si siano evolute da un progenitore comune: la cellula x riprodursi replica il suo DNA e poi si divide in due, passando una copia delle istruzioni geniche codificate nel DNA a ognuna delle sue cellule figlie, per questo somigliano alla cellula madre. Tuttavia il processo di copiatura non è sempre perfetto e si possono incontrare mutazioni che modificano il DNA, di conseguenza le cellule figlie non sono sempre IDENTICHE alla cellula madre. Le mutazioni possono dar luogo a una progenie modificata in peggio cioè con ridotte capacità di sopravvivenza e riproduzione oppure modificata in meglio con capacità di sopravvivenza e replicazione migliori oppure equivalente sul piano vitale ma geneticamente diversa. La lotta per la sopravvivenza eliminerà i mutanti del primo caso mentre favorirà i secondi e sarà neutra per i terzi. Questi meccanismi viventi stanno alla base dell’ evoluzione. Le cellule attuali sono tanto simili per le caratteristiche di base : hanno ereditato le istruzioni genetiche dallo stesso progenitore comune. Si è stimato che la cellula ancestrale sia esistita 3,5 e 3,8 miliardi di anni fa. Attraverso un lungo processo di mutazione e selezione naturale, i discendenti di tale cellula hanno cominciato a divergere gradualmente , popolando tutti gli habitat della terra. Il genoma cellulare (cioè l’intera sequenza di nucleotidi di DNA ) racchiude il programma genetico che indica alla cellula come comportarsi. Cellule diverse esprimono geni diversi. Nel caso di cellule vegetali e di embrioni animali, il genoma fornisce info su crescita e sviluppo di un organismo adulto , formato da centinaia di cellule diverse. Tutti questi tipi di cellule differenziate si generano durante lo sviluppo embrionale da un unico uovo fecondato e possiedono tutte una copia identica di DNA della specie. La varietà di caratteri deriva dal modo in cui ogni cellula utilizza le proprie istruzioni genetiche , utilizzando i propri geni per produrre certe PROTEINE e non ALTRE, a seconda della loro condizione interna e delle indicazioni che i progenitori hanno ricevuto dall’ambiente.
Alcuni sono aerobi ( usano ossigeno per ossidare le molecole degli alimenti ) altri sono anaerobi obbligati (muoiono alla minima esposizione all’ossigeno). I procarioti sono distinti in due domini: quello dei batteri ( si incontrano nella vita di tutti i giorni, abitano il suolo o causano malattie) e quello degli archeobatteri ( si trovano non solo in questi habitat ma anche in quelli più ostili per le cellule: salamoia concentrata, sorgenti vulcaniche in ebollizione, sedimenti privi di aria dei fondali marini, fanghi dei depuratori fognari, pozze coperte di ghiaccio dell’Antartide, stomaco dei ruminanti (ambiente acido e privo diO2, dove digeriscono la cellulosa e producono gas metano)) , (molti di questi ambienti estremi ripropongono le dure condizioni che devono essere esistite sulla terra primitiva, quando ancora l’atmosfera non era ricca di ossigeno e si evolvano le prime forme di vita. Organismo modello : Escherichia coli ( cellula a forma di bastoncino che vive nell’intestino umano e di altri vertebrati, cresce facilmente in provetta, in un brodo di coltura semplice; dagli studi su questo batterio proviene gran parte di quanto sappiamo su replicazione del DNA, decodifica delle istruzioni geniche per sintetizzare proteine). La cellula eucariotica (eu= preciso, Kayon=nucleo; dotate di nucleo ) (5-50 micrometri) ( animali e vegetali). cellula animale: prive di parete cellulare , secernono all’esterno con rivestimento glicoproteico (matrice extracellulare che da supporto e rivestimento). c.
vegetale: accumulo di vescicole provenienti dal golfi(fragnoplasto)-> si interpone tra le 2 cellule di nuova generazione e le separa(nuova parete cellulare) fibrille di cellulosa immerse in una matrice (resistenza + flessibilità alla parete) Plasmodesmi: canali presenti sulle pareti cellulari delle cellule vegetali e permettono lo scambio di acqua e molecole. Di soluto il nucleo è l’organello più cospicuo della cellula eucariotica, è delimitato D 2 membrane concentriche che costituiscono l’involucro nucleare , e contiene molecole di DNA. (Al microscopio ottico queste molecole gigantesche di DNA divengono visibili in cromosomi di forma compatta prima della divisione in2 cellule figlie). ORGANISMO UNICELLULARE = UNA SOLA CELLULA ORG. PLURICELLULARE= DOTATO DI PIU’ CELLULE EUCARIOTI UNICELLULARI : PROTOZOI (microrganismi ottimi nuotatori che conducono vita autonoma es. Didinium è un prozotoo carnivoro di 150 micrometri di diametro e presenta due festoni di ciglia e la faccia anteriore piatta, nuova velocissimo battendo le ciglia in modo coordinato, quando incontra una preda lancia dal muso dardi paralizzanti e attaccandosi all’altra cellula li divora, appallottolandosi intorno alla vittima, talvolta anche grande come lui E LIEVITI ( es. Saccaromyces cerevisiae , lievito di birra , è un piccolo fungo unicellulare che ha una parentela sia con animali che piante ; come altri funghi ha una parete cellulare rigida , è relativamente immobile e possiede mitocondri ma non cloroplasti , quando l’alimento abbonda, esso si riproduce molto velocemente quasi come un batterio, portando a termine funzioni necessarie a una cellula eucariotica; gli studi condotti sui lieviti hanno avuto una importanza grande per chiarire i meccanismi propri degli eucarioti tra cui il ciclo della divisione cellulare, la catena che porta i componenti a duplicarsi e distribuirsi in due cellule figlie.) EUCARIOTI PLURICELLULARI: FUNGHI, METAFITI, METAZOI. VIRUS : entità biologica, parassita obbligato (ha bisogno di un ospite ) che infetta la cellula ospite che sintetizza le proteine necessarie per duplicarsi. (10-450 micrometri). Costituito da Capside ( involucro proteico al cui interno risiede il genoma)+ Genoma ( DNA o RNA ) + Envelope (rivestimento esterno lipoproteico, glicoproteine di ancoraggio che permettono di legarsi alla cellula ospite)
PRIONI: agente infettivo proteico responsabile di malattie neurologiche, sono versioni di proteina normali della cellula però ripiegata male; se incontra altre proteine le induce a ripegarsi male anch’esse. (alzhaimer, screpie). Le proteine Gli amminoacidi sono legati tra loro dal legame peptidico
Nelle proteine si trovano 20 amminoacidi diversi Un fattore importante per il ripiegamento della proteina è dovuto alla distribuzione degli amminoacidi polari e non polari Le molecole idrofobiche tendono ad avvicinarsi per evitare il contatto con acqua, formando un nucleo idrofobico con atomi schermati dalla acqua; le molecole polari tendono a sistemarsi verso l’esterno della molecola dove stabiliscono legami a H con acqua e altre molecole polari. La struttura finale che assume la proteina è detta CONFORMAZIONE. Struttura e funzioni delle proteine: Le cellule sono formate da proteine che costituiscono la maggior parte della loro massa, esclusa l’acqua. Esse danno forma e struttura alla cellula e svolgono anche numerose funzioni che dipendono dalla loro forma assunta. Gli amminoacidi sono le subunità delle proteine, possiedono tutti un gruppo acido carbossilico( COOH ) ( estremità C-terminale o carbosssiterminale o dominio carbossilico ) e un gruppo amminico( NH2 ) ( estremità N-terminale o amminoterminale o dominio amminico ), entrambi legati allo stesso carbonio α (questa differenza nelle 2 estremità conferisce al polipetide una precisa direzionalità, cioè una polarità strutturale) ; ogni amminoacido possiede una catena laterale ( R ) , anch’essa legata al carbonio (Cα), l’identità di questa catena permette di distinguere un amminoacido da un altro.
Le proteine sono polimeri di amminoacidi uniti da testa a coda in una lunga catena che poi si ripiega in una struttura tridimensionale peculiare per ogni tipo di proteina. Il legame covalente tra due amminoacidi adiacenti nella proteina si chiama legame peptidico e quindi la catena di amminoacidi viene chiamata polipeptide. I legami peptidici si formano per reazione di condensazione che avvengono tra un amminoacido e il successivo. Caratteristiche che distinguono le proteine sono:
- Tutte le proteine legano almeno un ligando
- Tutte le proteine svolgono almeno una funzione. Nelle proteine si trovano 20 tipi di amminoacidi. Tutti gli amminoacidi tranne la glicina : , si presentano sotto forma di due isomeri ottici (le forme D e L), ma solo le forme L si trovano nelle proteine (eccezione d-amminoacidi nelle pareti batteriche e in alcuni antibiotici e la D-serina viene usata come molecola segnale nel cervello). Le proteine si ottengono principalmente assemblando 20 tipi di amminoacidi, ciascuno con proprietà chimiche differenti. Una molecola di proteina è composta da una lunga catena di questi amminoacidi ciascuno unito a quello adiacente da un legame peptidico covalenti. L’ordine degli amminoacidi detto sequenza amminoacidica è unico per ogni proteina. Ogni catena polipeptidica consta di un ossatura base, a supporto delle catene laterali dei vari amminoacidi. Questa ossatura polipeptidica è costituita da una sequenza ripetuta di atomi base (- N-C-C-) caratteristica di ogni amminoacido. Dall’ossatura polipeptidica si dipartono le catene laterali degli amminoacidi stessi, cioè le parti della molecola amminoacidica che non sono coinvolte nella formazione del legame peptidico, che conferiscono le proprietà particolari a ogni amminoacido.
Una proteina può essere denaturata attraverso solventi capaci di eliminare le interazioni non covalenti che tendono a mantenere ripiegata la catena; la proteina diventa così priva della sua forma naturale(stato nativo)(proteina ridistesa) In condizioni adatte, eliminando l’agente denaturante la proteina spesso torna alla conformazione originaria tramite un processo detto rinaturazione. (Dogma di Anfisen) Normalmente una proteina ha solo una conformazione stabile ; tuttavia spesso cambia leggermente interagendo con altre molecole cellulari , tali cambiamenti di forma hanno impatto fondamentale sulle sue funzionalità. Se le proteine si ripiegano in modo errato , possono formare aggregati capaci di danneggiare cellule e persino tessuti interi. Si ritiene che proprio questi aggregati proteici anomali siano responsabili di varie malattie neurodegenerative tra cui il morbo di Alzheimer e il morbo di Huntington. PRIONI : particelle proteiche ripiegate in modo errato, capaci di danneggiare cellule, tessuti ; in grado di “infettare” , se incontra altre proteine ben ripiegate, le induce a ripiegarsi erroneamente. ( encefalopatia spongiforme bovina BSE o morbo delle mucca pazza , o la sindrome di Creutzfeldt- Jacob CJD nell’uomo). Chaperoni molecolari: proteine specializzate che assistono il ripiegamento delle proteine. (rendono il processo più sicuro ed efficace).
Alcune di queste molecole si legano già alla catena parzialmente conformata e l’aiutano a procedere lungo il corso favorito a livello energetico. Altre formano “camere di isolamento” in cui le singole catene polipeptidiche possono ripiegarsi senza rischio di formare aggregati nelle condizioni di grande affollamento nel citoplasma. La proteina presenta 3-4 livelli di struttura: S. primaria : consiste nel n e sequenza di amminoacidi che formano la catena polipeptidica. (definisce livelli sup.); S. secondaria : indica modalità di ripiegamento regolari e ripetute della catena:
- Elica alfa ( nella proteina cheratina che abbonda in pelle, peli, unghie, corna) È una struttura piuttosto comune che somiglia ad una scala a chiocciola, è formata da molte sottounità simili posizionate una vicino all’altra. Poiché è raro che le sottounità si uniscano il linea retta, si sfalseranno disponendosi ad elica, a seconda del verso di rotazione si parla di elica destrorsa o sinistrorsa : il verso di rotazione si inverte riflettendola allo specchio. Brevi regioni ad alfa elica sono abbondanti nelle proteine situate nella membrana cellulare come i trasportatori e i recettori. Nell’ elica α l’ossatura polipeptidica (idrofila) interagisce con sé stessa tramite legami H, mentre le catene laterali (non polari) che sporgono all’esterno, la schermano dall’ambiente lipidico idrofobo della membrana.
S. terziaria : struttura legata alla funzione, conformazione complessiva tridimensionale di tutta la catena polipeptidica (comprese alfa elica, beta fogliettini, avvolgimenti casuali, anse, pieghe comprese tra N-terminale e C- teminale) ; S. quaternaria: quando con la s. terziaria non si è raggiunta la funzionalità,molecola proteica composta da più catene polipeptidiche ( 4 subunità o dominio proteico da 40 a 350 amm.)
DOMINIO PROTEICO : qualunque parte di catena polipeptidica che può ripiegarsi indipendentemente in una struttura compatta e stabile; unità modulare di proteine di grandi dimensioni, i vari domani sono associati a funzione. Es. la proteina CAP ( catabolite activator protein) di origine batterica ha 2 domini: quello più piccolo lega il DNA molecola segnale intracellulare), il dominio maggiore lega l’AMP ciclico una molecola segnale intracellulare. Legando l’AMP ciclico, il dominio maggiore induce un cambiamento conformazionale nella proteina e consente al dominio minore di legare una sequenza specifica del DNA promuovendo l’espressione di un gene adiacente. Molte proteine contengono tratti non strutturati! (sequenze intrinsecamente disordinate) (30+ amm. di lunghezza) Le sequenze non strutturate svolgono una serie di funzioni
- vista la loro capacità di piegarsi e flettersi, sono in grado di avvolgersi intorno una proteina bersaglio, legandosi sia ad alta che bassa affinità
- Sono in grado di conferire flessibilità aumentando al contempo il numeri dei punti di contatto tra i domini ;
- Possono aiutare le proteine scaffold (di impalcatura) a raccogliere le proteine lungo una via di segnalazione intracellulare, facilitando le interazioni;
- Conferiscono a proteine quali l’elastina la capacità di formare fibre simili al caucciù che permettono a pelle e tendini di ritornare alle dimensioni iniziali dopo l’allungamento;
- Sono il substrato ideale per l’aggiunta di gruppi chimici che controllano il comportamento di molte proteine. SITO DI LEGAME: zona della superficie proteica che entra in contatto/rapporto con un'altra molecola attraverso interazioni non covalenti. PONTI DI SOLFURO (S—S): consolidano la disposizione spaziale più favorevole. In generale per un polipeptide lungo n amminoacidi sono possibili 20 n^ catene diverse. FAMIGLIA DI PROTEINE: proteine dotate di sequenza e conformazione simile. Un’ importante divisione delle proteine è quella in globulari e fibrose.
- Proteine globulari: forma pressoché sferica e superficie irregolare (enzimi ma anche alcune proteine strutturali)
- Fibrose: forma allungata (fibroina nella seta, cheratina di capelli e lana, collagene in tendini e pelle, elastina nei legamenti e vasi sanguigni), sono strutture durevoli e stabili, presenti nei filamenti intermedi (nel citoscheletro). Si trovano all’interno della cellula ma soprattutto fuori nella matrice extracellulare. Queste proteine, (costituiscono la matrice extr. gelatinosa che tiene unite le cellule in tessuti,) e vengono secrete dalle cellule e all’esterno si aggregano a formare robuste fibre
I trasportatori del glucosio La pompa del Ca2+ elimina dal citosol della cellula muscolare (una volta innescata la contrazione muscolare a opera degli ioni). 4.Riserva (accumulo) ( immagazzina amminoacidi e ioni) Es. Ferro nel fegato grazie a ferritina; Embrione di pollo grazie a ovoalbumina dell’albume si approvvigiona di amminoacidi nel corso dello sviluppo; La caseina del latte assicura una fonte di amminoacidi ai piccoli di mammifero 5.Attacco ( tossine batteriche, veleno serpenti)
- Difesa (immunoglobine= anticorpi)
- Ormoni e fattori di crescita (p. di segnalazione) , trasferiscono segnali da una cellula all’altra: es. Insulina controlla glucosio nel sangue; Netrina attrae gli assoni delle cellule nervose in punti precisi della colonna vertebrale in via di sviluppo Fattori di crescita dei nervi (NGF) stimola alcuni tipi di cellule nervose a sviluppare l’assone F. c. dell’epidermide (EGF) stimola divisione e crescita di cellule epiteliali.
- Recettoriale : (rivelare segnali e trasmetterli ai dispositivi di risposta cellulari) Es. Rodopsina della retina rivela la luce; Recettore acetilcolinico sulla membrana della cellula viene attivato dall’acetilcolinico rilasciata da una terminazione nervosa; Recettore insulinico consente alla cellula epatica di rispondere all’ormone insulina assumendo il glucosio.
- Enzimi ( catalizzatori rottura/formazione di legami covalenti) Es. Pepsina demolisce proteine alimentari nello stomaco. CATALISI (Ea abbassata)
La cellula
