cellula

DOTT.SSA CRISTIANA CARELLI ALINOVI
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•ORGANIZZAZIONE E FUNZIONI DELLE CELLULE E DEI VIRUS
•IL CICLO CELLULARE E LA RIPRODUZIONE
•REPLICAZIONE E RIPARAZIONE DEL DNA
•BIOSINTESI DELLE PROTEINE E REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA
•LA TRASMISSIONE DEI CARATTERI EREDITARI
•ALIMENTAZIONE E PATOLOGIE
La cellula è la più piccola parte di ogni organismo vivente,
dotata delle proprietà degli esseri viventi; essa infatti respira,
scambia materiali con l’esterno, reagisce agli stimoli e si
riproduce.
CLASSIFICAZIONE DEGLI ORGANISMI VIVENTI IN
BASE ALL’ORGANIZZAZIONE CELLULARE
PROCARIOTI = CELLULE SENZA NUCLEO
EUCARIOTI =
CELLULE CON NUCLEO
(separazione fisica dei processi di replicazione del DNA,
sintesi dell’RNA e traduzione)
La Membrana Cellulare
La membrana cellulare racchiude il protoplasma e lo separa dall’ambiente esterno,
extracellulare.
La sua funzione principale è quella di consentire e regolare gli scambi tra l’interno e
l’esterno della cellula, ossia l’assorbimento (dall’esterno verso l’interno) e
l’escrezione (dall’interno verso l’esterno).
Non tutte le sostanze sono in grado di attraversare la membrana cellulare
Il Nucleo
Il nucleo è la porzione di protoplasma racchiusa all’interno della membrana nucleare.
Contiene i cromosomi, filamenti di DNA che si evidenziano durante la divisione
cellulare.
Nel DNA dei cromosomi è racchiusa l’informazione genetica per la trasmissione dei
caratteri ereditari.
Il DNA può copiare se stesso, cioè può auto-duplicarsi. Da una molecola di DNA se ne
ottengono due perfettamente uguali alla prima.
La duplicazione del DNA è il fenomeno che precede e consente la duplicazione o
divisione cellulare.
Il Citoplasma
Il citoplasma è la sede delle varie attività della cellula: al suo interno avvengono le
reazioni chimiche che consentono alla cellula di vivere.
Il Citoplasma ha anche il compito di immagazzinare materiali di riserva. È costituito
da un materiale viscoso, fluido in continuo movimento: il citosol.
È formato prevalentemente da acqua , nella quale sono disciolte numerose
sostanze. Nel citoplasma sono riconoscibili: la sostanza fondamentale, i vari organi
cellulari e gli inclusi.
DIMENSONI CELLULARI
Quali sono i regni degli esseri viventi?
I regni degli esseri viventi sono 5: Monere,Protisti, Funghi, Piante, Animali.
Monere : sono organismi microscopici, unicellulari, procarioti (privi cioè di un nucleo) in altre parole tutti i
tipi di batteri
Protisti: sono un gruppo eterogeneo di organismi unicellulari, con caratteristiche nutrizionali simili a quelle
delle piante (protisti autotrofi, come le alghe rosse e le alghe verdi), o a quelle di funghi e animali (protisti
eterotrofi, tra cui sono annoverate le amebe, i foraminiferi, i radiolari). La principale caratteristica che
differenzia i protisti dalle monere è il fatto di essere organismi eucarioti
Funghi: sono organismi eucarioti, unicellulari - come i lieviti - o più frequentemente pluricellulari, formati
da filamenti (ife) più o meno strettamente ammassati in una struttura complessivamente chiamata micelio.
Piante: sono organismi eucarioti, pluricellulari, autotrofi
Animali: sono organismi eucarioti, pluricellulari, eterotrofi
Cronologicamente, le prime osservazioni si fanno risalire ad Aristotele, che già nel IV secolo a.C. aveva distinto
gli organismi viventi in due regni: Animali e Piante.
Nel diciottesimo secolo Carlo Linneo pubblicava Systema naturae proponendo una suddivisione in
categorie:Regno,Classe,Ordine,Famiglia,Genere e Specie.
POSSIBILI CLASSIFICAZIONI
organismi autotrofi: in grado di sintetizzare gli zuccheri necessari a partire da anidride carbonica e acqua
impiegando la luce solare come energia (fotosintesi clorofilliana). Erano rappresentati da organismi fissi sul
terreno ed altri organismi unicellulari come batteri, alghe e funghi.
organismi chemiotrofi: in grado di ottenere l’energia dall’ossidazione di sostanze chimiche, come alcuni
procarioti, protisti, funghi e animali
organismi eterotrofi: in grado di nutrirsi soltanto di sostanze già elaborate e capaci di movimento. Negli animali
così intesi erano compresi anche i Protozoi.
Un ulteriore distinzione degli esseri viventi si può avere in base alla capacità di vivere in presenza (aerobi) o in
assenza (anaerobi) di ossigeno
L’avvento del microscopio, in particolare di quello elettronico, ha rivoluzionato questa suddivisione e ha permesso
di identificare e classificare gli organismi viventi osservando come sono organizzate le cellule che li costituiscono.
In base alla loro organizzazione interna, le cellule possono essere distinte in due grandi categorie:
cellula procariota, priva di nucleo ben differenziato
cellula eucariota, con nucleo ben definito e isolato dal resto della cellula tramite, l’involucro
nucleare nel quale è racchiuso la maggior parte del materiale genetico, il DNA.
Nel 1959 veniva proposta da Whittaker una suddivisione degli organismi viventi in 5 Regni:
•Regno animale (eucarioti pluricellulari a nutrizione eterotrofa, per ingestione)
•Regno vegetale (autotrofi pluricellulari a nutrizione autotrofa)
•Regno dei funghi (eucarioti pluricellulari a nutrizione eterotrofa, per
assorbimento)
•Regno dei protisti (eucarioti unicellulari, a nutrizione mista)
•Regno delle monere (archeobatteri, eubatteri ed alghe azzurre)
La cellula procariota
•
•
•
•
•
•
E’ caratterizzata soprattutto dalla mancanza
di organuli delimitati da membrane
Le reazioni biochimiche avvengono su
pieghe del plasmalemma.
Il DNA è rappresentato da una struttura a
forma di anello (nucleoide) o anche da
frammenti più piccoli (plasmidi).
La parete cellulare negli eubatteri è
costituita in genere da peptidoglicani
(polimeri di carboidrati con corte catene di
aminoacidi) associati a proteine.
Quasi sempre la parete è avvolta da un
rivestimento di polisaccaridi o proteine
(capsula o glicocalice), che dà protezione
alla cellula e la fa aderire al substrato. Ha in
genere dimensioni dell’ordine di pochi
micron.
I batteri possono formare cellule quiescenti
di resistenza, con pareti ispessite (spore),
che possono resistere alla bollitura e
restare dormienti.
Parete cellulare
Struttura rigida che conferisce alla cellula la sua forma.
Strato uniforme denso e spesso
È essenziale all’accrescimento ed alla divisione cellulare.
Si visualizza al microscopio mediante colorazioni specifiche.
Protezione da danni di tipo meccanico ed osmotico.
Dalla parete dipendono molte caratteristiche tassonomiche dei batteri:
la forma, la suddivisione in Gram-positivi e Gram-negativi, la specificità
antigenica.
Struttura del peptidoglicano
I peptidoglicani sono polimeri molto grandi, formati
da tre tipi di unità costitutive: acetiglucosammina
(AGA), acido acetil muramico (AMA) ed un peptide
costituito da 4 o 5 aminoacidi.
Costituenti principali del peptidoglicano
Composizione delle subunità del peptidoglicano
I PROCARIOTI
•
•
•
•
•
Sono di gran lunga i viventi più numerosi e diffusi sulla terra
Vivono in ogni tipo di ambiente, anche in quelli più estremi (all’interno delle rocce, sotto il
permafrost, nel fondo degli oceani, nei deserti, in sorgenti di acqua bollente, in soluzioni con pH
1-2, …)
Sono organismi unicellulari privi di organuli delimitati da membrane e provvisti di un singolo
cromosoma che contiene tutto il loro DNA.
Possiedono i PLASMIDI, DNA extracromosomico che conferisce la resistenza agli antibiotici e
alle tosssine.
Alcuni batteri hanno la capacità di formare ENDOSPORE quando sono in presenza di condizioni
ambientali sfavorevoli
VENGONO SUDDIVISI IN:
•ARCHEOBATTERI
•EUBATTERI
Differenze tra i 2 domini
Principali
caratteristiche
Eubatteri
Archeobatteri
Sequenze di RNA
molte sono specifiche
degli eubatteri
molte sono uguali a
quelle eucariote
RNA polimerasi
relativamente piccola
e semplice
complessa; simile agli
eucarioti
Introni
assenti
presenti in alcuni geni
Peptidoglicani nella
parete
presente
assente
Lipidi di membrana
catene di C non
ramificate
catene di C ramificate
Archeobatteri
• Sono i più antichi organismi viventi sulla terra.
• Vivono in condizioni estreme
• Si dividono in 3 phyla:
– Metanobatteri (producono energia convertendo H2 e
CO2 in metano)
– Alofili (vivono in luoghi con un alto contenuto di sali)
– Termoacidofili (vivono in luoghi con temperature
elevate e con pH inferiore a 2)
Eubatteri
• Sono più complessi e comuni degli archeobatteri
• Si dividono nei seguenti phyla:
– Cianobatteri (sono fotosintetici)
– Spirochete (sono gram -, a forma di spirale e eterotrofi. Una
specie causa la sifilide)
– Batteri gram + (comprendono batteri utili come i lattobacilli e
altri che causano malattie come la scarlattina)
– Proteobatteri (comprendono gli azotofissatori, i batteri enterici
e i chemioautotrofi)
– Chlamidie
Classificazione
• Gli eubatteri possono essere classificati in
base:
– Alla forma
– Ai raggruppamenti
– Alla respirazione
– Alla colorazione gram
… in base alla forma e al
raggruppamento
•
•
•
Cocchi di forma sferica
Bacilli con forma a bastoncino
Spirilli con forma ondulata
•
•
•
Diplo se raggruppati in due
Strepto se formano una catena
Stafilo se formano una colonia
… in base alla respirazione
• Batteri aerobi: utilizzano ossigeno
libero come accettore di elettroni nella
respirazione.
• Batteri anaerobi: non necessitano
della presenza di ossigeno. Svolgono
la fermentazione. Possono essere
anaerobi obbligati (che vengono
uccisi dall'ossigeno) o facoltativi.
… in base alla colorazione gram
• Tecnica
– Cellule su un vetrino sono colorate
con un colorante viola (cristalvioletto)
– Le cellule sono lavate con acqua
– Una soluzione di ioduro è applicata
sulle cellule
– Il vetrino è lavato con alcol
– Infine le cellule sono ricolorate con un
colorante rosa (safranina)
Risultati
- Gram + appaiono viola perché hanno
trattenuto il cristalvioletto
- Gram – appaiono rosa perché hanno
trattenuto il colorante rosa
La colorazione dipende dalla
struttura della parete cellulare
Gram-positivi
a) membrana citoplasmatica (membrana interna
simile a quella dei gram-negativi)
b) spesso strato di peptidoglicano (è sottile nei
gram-negativi)
c) strato superficiale non sempre presente detto
capsula (simile nei gram-negativi)
Gram-negativi
a) membrana citoplasmatica (membrana interna
simile a quella dei gram-positivi)
b) spazio periplasmatico
c) sottile strato di peptidoglicano
d) membrana esterna (non presente nei grampositivi)
e) strato superficiale non sempre presente detto
capsula (simile nei gram-positivi)
I batteri gram positivi hanno uno strato di peptidi spesso che trattiene il cristalvioletto, i gram negativi
hanno uno strato di peptidi sottile.
Dalla membrana esterna dei batteri si estendono strutture filamentose chiamate PILI che servono per
l’adesione alla superficie di altre cellule.
Alcuni batteri possiedono anche uno o più FLAGELLI: strutture filamentose che servono per lo
spostamento.
La parete dei Gram+ è formata da:
spesso strato di peptidoglicano;
acidi teicoici.
La parete dei Gram- invece è più semplice ma formata da più unità:
sottile strato di peptidoglicano;
fosfolipidi;
LPS (Lipopolisaccaride).
GRAM+
GRAM-
LIPOPOLISACCARIDE
Il lipopolisaccaride (o LPS) è uno dei componenti
della parete esterna dei batteri gram negativi
(esterno al peptidoglicano).
E’ costituito da tre regioni principali: una porzione
glicolipidica, chiamata lipide A, un core
oligosaccaridico e una O-Specific Chain, una
catena polisaccaridica costituita da 20-40 unità
ripetitive che generalmente possono contenere
fino ad otto zuccheri.
Il lipopolisaccaride è tossico e attiva il sistema
immunitario.
Lipide A: è la vera e propria componente tossica; si trova inserita nella faccia esterna della
membrana esterna dei Gram-negativi, al posto dei lipidi classici, ed è costituita da acidi uniti ad
un disaccaride.
Core: la regione centrale del lipopolisaccaride Si tratta di una porzione polisaccaridica
genere specifica (che rimane costante all'interno dello stesso genere).
Antigene O: è la regione estrema del lipopolisaccaride, costituito da unità di ripetizione di
zuccheri. I blocchi di zuccheri che costituiscono l'antigene somatico O possono raggiungere un
numero di quattro ripetizioni; questa regione ha funzioni antigeniche, ed è specie specifica.
METABOLISMO
•
•
•
•
•
•
Batteri aerobi: utilizzano ossigeno libero come accettore di elettroni nella
respirazione.
Batteri anaerobi: non necessitano della presenza di ossigeno. Svolgono la
fermentazione. Possono essere anaerobi obbligati (che vengono uccisi dall'ossigeno)
o facoltativi.
Batteri eterotrofi: incapaci di sintetizzare zuccheri a partire dalla CO2 Comprendono
batteri in massima parte saprofiti (decompositori), ma anche parassiti (compresi i
patogeni) e simbionti.
Batteri autotrofi fotosintetici: utilizzano energia luminosa per ridurre la CO2 a
carboidrati. Comprendono batteri che usano H2O come fonte di elettroni e producono
O2 e batteri sulfurei e verdi che usano in genere H2S come fonte di elettroni e
producono S.
Batteri autotrofi chemiosintetici: utilizzano l’energia derivante dall’ossidazione di
composti inorganici per ridurre la CO2. Comprendono i batteri nitrosanti e nitrificanti,
che mineralizzano l’N della sostanza organica decomposta, ossidandolo da NH4+ a
nitrito (NO2-) e nitrato (NO3-). Comprendono anche ferro-batteri che ossidano ferro,
solfo-batteri che ossidano S, idrogeno-batteri che ossidano H, e altri (chemiosintetici
che ossidano rame, molibdeno, arsenico, ecc.).
Batteri azotofissatori: fissano l’N2 atmosferico. Azotofissatori si trovano nei più
diversi gruppi di microrganismi: batteri liberi nel substrato (sia aerobi che anaerobi) e
batteri simbionti (noduli radicali di piante leguminose simbionti).
RIPRODUZIONE
• Le cellule batteriche si moltiplicano per
scissione binaria: il materiale genetico si
duplica e si distribuisce ai due poli della cellula
batterica, la quale si allunga e alla fine si divide
in due cellule figlie identiche alla cellula
madre. Alcuni batteri si riproducono ogni 20-40
minuti.
RICOMBINAZIONE GENETICA
I batteri possono scambiare geni mediante:
– coniugazione: i plasmidi possono essere
trasferiti da un batterio a un altro attraverso
un contatto tra due cellule.
– trasduzione: il DNA viene trasferito dai virus
batterici o batteriofagi
– trasformazione: il DNA viene inglobato nella
cellula batterica direttamente dall'ambiente
esterno.
BATTERI E MALATTIE
• Sono note circa 200 specie di batteri patogeni,
responsabili di numerose malattie dell'uomo. Il
grado di patogenicità può variare a seconda
della virulenza della specie batterica e delle
condizioni generali dell'organismo ospite. Fra le
malattie batteriche più gravi vi sono colera,
tetano, gangrena gassosa, lebbra, peste,
dissenteria, tubercolosi, sifilide, febbre
tifoide, difterite, brucellosi e polmonite.
• Alcuni batteri causano malattie producendo
sostanze velenose dette tossine
TOSSINE
• Le esotossine sono costituite da proteine
prodotte dai batteri gram + e secrete
nell’ambiente circostante. Ad es. il tetano è una
malattia causata da una esotossina
• Le endotossine sono costituite da lipidi e
carboidrati associati alla parte esterna della
membrana dei batteri gram – e non sono
rilasciate finché il batterio muore. Causano
febbre, debolezza, dolori,…
DETERIORAMENTO DEI CIBI
• Alcuni batteri sono responsabili del
deterioramento di cibi come la carne, il vino, la
verdura, il latte e i latticini. L'azione di questi
microrganismi produce un'alterazione delle
caratteristiche chimiche dell'alimento, il quale in
alcuni casi presenta semplicemente una
variazione di aspetto o di gusto, mentre in altri
casi può causare gravi forme di avvelenamento
alimentare, come ad es. nel botulismo
BATTERI UTILI
• Alcuni batteri svolgono ruoli importanti in numerosi
processi industriali, come nella fermentazione
necessaria alla produzione di formaggi e yogurt.
• I batteri della flora intestinale svolgono la funzione di
mantenere l'integrità della mucosa intestinale, di favorire
la protezione verso fattori patogeni,di favorire i processi
digestivi e l’assorbimento dei nutrienti.
ANTIBIOTICI
Diversi microrganismi, tra cui alcune specie di
funghi e batteri, producono sostanze chimiche in
grado di interferire con i processi vitali di
determinati ceppi batterici. Queste sostanze, che
comprendono la pennicillina e la streptomicina,
sono chiamate antibiotici e possono uccidere i
batteri o impedire loro di crescere e di riprodursi.
Cellula procariote
Cellula eucariote
Organismi tipici
Batteri ed archeobatteri
Protisti, funghi, piante ed animali
Dimensioni tipiche
~ 1-10 µm
~ 10-100 µm (con poche eccezioni, come gli
spermatozoi)
Tipo di nucleo cellulare
Nucleoide: nessun nucleo davvero definito
Nucleo racchiuso da doppia membrana
DNA
Solitamente circolare
Molecole lineari (cromosomi) complessate da
istoni
Sintesi di RNA e proteine
Accoppiate nel citoplasma
Sintesi dell'RNA nel nucleo e delle proteine nel
citoplasma
Ribosomi
50S+30S
60S+40S
Strutture citoplasmatiche
Poche strutture
Numerose strutture racchiuse da membrane e
citoscheletro
Movimento cellulare
Flagelli composti di flagellina
Flagelli e ciglia composte di tubulina
Mitocondri
Nessuno
Da uno a diverse migliaia (con alcune eccezioni)
Cloroplasti
Nessuno
Nelle alghe e nelle piante
Parete cellulare
Presente
Presente nelle piante
Organizzazione
Solitamente unicellulare
Unicellulare, a colonie e in organismi
pluricellulari (contenenti cellule specializzate)
Divisione cellulare
Fissione binaria
Mitosi (fissione o gemmazione) e meiosi
Dai procarioti agli eucarioti
Gli eucarioti sono apparsi circa 1,8 miliardi di anni
fa. Queste prime cellule si sono evolute da cellule
procariote dopo che la membrana plasmatica si è
ripiegata e ha formato organuli delimitati da
membrana. Cloroplasti e mitocondri probabilmente
si sono evoluti da procarioti fotoautotrofi e
chemioautotrofi inglobati dalle prime cellule
eucariote (teoria dell’endosimbiosi)
Confronto fra cellule archeobatteriche, eubatteriche ed eucariotiche
Eubatteri
Archeobatteri
Eucarioti
Numero cromosomi
Uno
Uno
Più di uno
Membrana nucleare
Assente
Assente
Presente
Nucleolo
Assente
Assente
Presente
Apparato mitotico
Assente
Assente
Presente
Microtuboli
Assente
Assente
Presente
Steroli di membrana
Raro
Raro
Quasi universale
Peptidoglicano
Presente
Assente
assente
Introni nei geni
Assenti
Rari
comuni
Trascrizione accoppiata
con traslazione
Si
?
no
mRNA poligenico
Si
?
no
Poliadenilazione
terminale di mRNA
Assente
Presente
presente
Forme delle subunità
ribosomiche
30S,50S
30S,50S
40S,60S
Amminoacido
trasportato dall’iniziatore
tRNA
formilmetionina
Metionina
Metionina
membrana dipendente
membrana dipendente
nei mitocondri
Comportamenti
strutturali
Struttura, trascrizione e
traslazione genetica
Processi metabolici
Fosforilazione ossidativa
CELLULA EUCARIOTA
Tutte le CELLULE EUCARIOTA sono caratterizzate da tre elementi costitutivi:
nucleo è delimitato da due membrane e contiene il materiale genetico, cioè il DNA, esso
rappresenta la centrale operativa della cellula.
membrana plasmatica racchiude il materiale cellulare, delimita la cellula e ne regola gli
scambi con l'esterno.
citoplasma è un fluido costituito per l'85% da acqua (citosol), da un'impalcatura di sostegno
(citoscheletro) e da numerosi organelli deputati alle varie funzioni.
I principali organelli contenuti nel citoplasma sono:
mitocondri, sede del metabolismo ossidativo o respirazione cellulare.
lisosomi sede della demolizione delle vecchie molecole cellulari per il riciclo dei materiali
reticolo endoplasmatico che si divide in rugoso (porta numerosi ribosomi attaccati che gli
conferiscono un aspetto granuloso ) sede della sintesi delle proteine e liscio sede della
sintesi degli acidi grassi, dei trigliceridi e del colesterolo.
Apparato di Golgi, formazioni membranose associate al reticolo endoplasmatico e alla
membrana citoplasmatica. Serve per la modificazione delle sostanze elaborate dal reticolo
endoplasmatico, destinandole alla secrezione esterna mediante il rilascio di vescicole.
Citoscheletro: supporto meccanico. Costituito da microtubuli e microfilamenti
Nelle cellule vegetali sono presenti anche:
cloroplasti, per la fotosintesi clorofilliana
grandi vacuoli, per l'accumulo di acqua e biomolecole
parete cellulare, che conferisce rigidità alle cellule
Le dimensioni della cellula eucariote vanno da 10 a 30 (talora 100) mm di diametro. Tali
dimensioni garantiscono un rapporto superficie/volume ottimale per gli scambi fra la cellula e
l'ambiente circostante.
MEMBRANA CELLULARE
•Ha uno spessore di 5nm (50 Angstrom)
•Delimita la cellula in tutti gli organismi viventi, la separa con l'ambiente esterno e ne regola gli
scambi con questo.
•E’ un "doppio strato fosfolipidico". Nella componente lipidica si vanno a collocare, con importanti
funzioni fisiologiche, proteine e una piccola percentuale di glucidi, in forma di glicoproteine e
glicolipidi, e di molecole di colesterolo che la stabilizzano.
presiede all‘ omeostasi cellulare, grazie alla sua permeabilità selettiva.
partecipa a funzioni complesse: esocitosi (secrezione), endocitosi (ingestione di sostanze esterne
mediante la formazione di vescicole), adesione e movimento cellulare ameboide (es. leucociti).
Per la sua posizione di interfaccia, la membrana plasmatica, oltre alla
funzione strutturale, svolge tre funzioni essenziali:
la funzione di filtro selettivo, che lascia passare alcune sostanze piuttosto
che altre, assicurando così l'integrità biochimica del citoplasma;
la funzione di superficie di comunicazione, permettendo sia lo scambio di
informazioni tra l'ambiente intra- ed extracellulare, sia l'interazione
fisica con le strutture extracellulari circostanti.
la funzione di superficie catalitica, dato l'abbondante numero di enzimi ad
essa legati, in gran parte coinvolti nella produzione di messaggeri
intracellulari, come le fosfolipasi e la sfingomielasi, che idrolizzano i
fosfolipidi di membrana, e l’adenilciclasi, che sintetizza AMP ciclico.
MODELLO A MOSAICO FLUIDO
Le cellule, necessitano di comunicare con l’ambiente extracellulare, in
modo da organizzare al loro interno le attività molecolari che possono
regolare un determinato processo o evento biochimico. Tale
comunicazione può avvenire tramite segnali molecolari, che vengono
trasportati da molecole segnale specifiche come ormoni o proteine.
Sulla faccia esterna della membrana cellulare sono presenti numerose
proteine che svolgono la funzione di recettore, affinché queste
molecole segnale vengano riconosciute della cellula. Ogni recettore,
ha una conformazione particolare e specifica, capace di accogliere e
di stabilire dei legami solo con una determinata molecola segnale.
Struttura dei Fosfolipidi
gruppo di testa
polare
(idrofilico)
testa
code
code non
polari
(idrofobiche)
doppio
legame cis
Il modello a mosaico fluido è un modello della struttura della membrana cellulare. Proposto nel
1972 da Singer e Nicolson, detto anche modello Singer-Nicolson, ipotizza che la membrana
cellulare sia composta da un doppio strato lipidico nel quale sono immerse le proteine che
svolgono la gran parte delle funzioni tipiche della membrana. Tali proteine presentano un
notevole grado di mobilità. all'interno del doppio strato lipidico fluido esistono zone rese meno
fluide dalla presenza di sfingolipidi e colesterolo che agirebbero come piattaforme per la genesi
di segnali intracellulari concentrandovi proteine specifiche. La mobilità delle proteine può essere
inoltre ulteriormente ristretta sia dai legami proteina-proteina o proteina-lipidi, sia dalle
interazioni delle proteine con il citoscheletro, con la matrice extracellulare o con cellule
adiacenti.
Le membrane biologiche sono composte di…
1. Lipidi – il doppio strato lipidico crea una barriera idrofobica
Per la maggior parte fosfolipidi ma anche glicolipidi e
colesterolo
2. Proteine – conferiscono specificità alle funzioni svolte dalla
membrana
a. Proteine di membrana periferiche legate alla superficie della
membrana
b. Proteine di membrana integrali – contengono domini
idrofobici e idrofilici anfipatiche
c. Glicoproteine (integrali) – contengono molecole glucidiche
recettori di superficie
Classi di Proteine di Membrana
ancorate
periferiche
superfice
extracell.
integrali
Superfice
citosolica
ancorate
La membrana plasmatica è una barriera selettiva
Molecole nutritizie
desiderabili
Componenti
intracellulari
Molecole nutritizie
Prodotti metabolici inutili
Molecole indesiderabili,
microorganismi ecc.
Proprietà della membrana
1. Barriera Selettiva - Circondare la cellula per mantenere organelli, enzimi,
metaboliti e certi ioni all’interno
2. Contenere sistemi enzimatici – metabolismo energetico ecc. (mitocondrio)
3. Contenere sistemi di trasporto – portare molecole nutritizie all’interno e
mantenere le concentrazioni degli ioni
4. Contenere siti specifici di riconoscimento – scambio di informazione
Permeabilità del bilayer lipidico
• I gas diffondono
rapidamente
gas
piccole
• Col tempo, piccole molecole
molecole
polari non cariche diffondono polari non
attraverso un bilayer lipidico cariche
• Molecole solubili nei lipidi
tendono a diffondere
• Grosse molecole polari non
cariche, molecole polari
cariche e ioni non permeano
O2
CO2
N2
glicerolo
etanolo
molecole
lipofile
ormoni
steroidei
grosse
molecole
polari
cariche
amino acidi
glucosio
nucleotidi
ioni
H+,Na+,
HCO3-,K+
Ca2+,Cl, Mg2+
bilayer
lipidico
Transporto attraverso la membrana
• Il bilayer lipidico
molecole idrofile
è
practicamente
impermeabile
alle
• Le cellule richiedono di importare nutrimenti solubili in
acqua (zuccheri, aminoacidi, etc), eliminare prodotti di
degradazione e controllare la concentrazione ionica (H+,
Na+, K+, Ca2+, etc)
• Ciò richiede proteine di trasporto per facilitare
l’ingresso/uscita attraverso la membrana di molecole
specifiche
• Ciascun tipo di membrana ha un set caratteristico di
proteine di trasporto che determinano il tipo di soluti che
possono entrare/uscire dalla cellula
bilayer lipidico
artificiale
senza proteine
membrane
cellulare
Proteine di trasporto
2 principali classi di proteine di trasporto:
Proteine Carrier
Legano il soluto da un lato
della
membrana
e
lo
trasportano dall’altro lato con
un
cambiamento
di
conformazione della proteina
Proteine Canale
Formano pori idrofilici nella
membrana
attraverso
cui
certi ioni possono diffondere
soluto
ione
bilayer
lipidico
sito di legame del soluto
poro idrofilo
Caratteristiche dei trasporti mediati
I carriers sono dotati di specificità
Sono soggetti a saturazione
Possono essere bloccati dagli inibitori competitivi
Hanno un’elevata dipendenza termica e dal Ph
I carriers agiscono cataliticamente come gli enzimi
Legano selettivamente il loro substrato, cioè la molecola che deve essere
trasportata
Cambiano di conformazione per rilasciare il substrato dall’altro lato
Ritornano alla conformazione originale per legare un’altra molecola di substrato
TRASPORTO DI MEMBRANA
Permette l'ingressoe/o l’uscita di acqua e ioni dalle cellule.
Deve mantenere l’omeostasi cellulare
Il trasporto può essere attivo o passivo a seconda se necessita o meno di ATP. Il trasporto é
passivo quando avviene per diffusione secondo gradiente di concentrazione;
attivo quando si avviene con dispendio di energia contro gradiente di concentrazione.
Non è pensabile che lo ione, anche se piccolo, possa attraversare direttamente il doppio strato lipidico, in
quanto e’ rappresentato da un ambiente idrofobico. Infatti, tale passaggio è mediato dalla componente
proteica della membrana, in particolare dalle "PROTEINE CANALE",arrangiate in modo da esporre il
versante idrofilico verso l'interno e quello idrofobico verso i fosfolipidi.
TRASPORTO PASSIVO
Trasporto passivo: consiste nel passaggio di molecole secondo gradiente. Per tale passaggio non è
richiesto l’utilizzo di energia biochimica (come ATP). Esso può essere mediato da proteine di membrana.
Diffusione semplice: è un tipo di trasporto che non necessita di nessun sistema proteico. È
definito semplice perché le molecole che sfruttano questo trasporto sono tutte apolari, cioè capaci di
diffondere attraverso il doppio strato lipidico (anch’esso apolare). Tali molecole hanno solitamente le
caratteristiche dei lipidi. In questo tipo di trasporto, il gradiente di concentrazione è favorevole. Non c'è
pertanto una spesa energetica in termini di ATP per spingere la molecola dall’altra parte della membrana
Diffusione facilitata: differisce da quella semplice perché sono presenti delle proteine
trasportatrici, proteine di membrana che facilitano ed aumentano la velocità del passaggio di una
determinata molecola, attraverso la formazione di legami deboli, necessari per facilitare il rilascio della
molecola dall’altra parte della membrana. In questo tipo di trasporto, il gradiente di concentrazione è
favorevole, ed è di segno positivo, pertanto non c’è una spesa energetica (in termini di ATP) per spingere
la molecola dall’altra parte della membrana.
Osmosi: rappresenta un tipo particolare di diffusione facilitata. Indica la diffusione del solvente
attraverso una membrana semipermeabile dal compartimento a maggior potenziale idrico (concentrazione
minore di soluto) verso il compartimento a minor potenziale idrico (concentrazione maggiore di soluto),
quindi secondo il gradiente di concentrazione .
L'osmosi è un processo fisico spontaneo, vale a dire senza apporto esterno di energia, che tende a diluire
la soluzione più concentrata, e a ridurre la differenza di concentrazione.
TRASPORTO ATTIVO
ll trasporto attivo permette il passaggio di soluti contro gradiente di concentrazione. Tale passaggio è mediato da proteine di
membrana che richiedono l’utilizzo di energia biochimica (ATP).
Trasporto attivo primario: mediato da proteine di membrana trasportatrici di soluti. Si occupa di trasferire molecole contro
un gradiente di concentrazione, richiedendo la presenza di ATP (si verifica quindi una spesa energetica). Il trasporto attivo
primario è in grado di generare un gradiente di concentrazione ed un gradiente elettrico a cavallo della membrana cellulare
(come avviene, ad esempio, quando vengono traspostati degli ioni). Lo spostamento di un soluto dall’altra parte della
membrana, ad opera della proteina di membrana, è strettamente legato alla reazione esoergonica della conversione dell’ATP
in ADP e fosfato inorganico..
Trasporto attivo secondario Si parla di trasporto attivo secondario quando il trasporto di una molecola (A) contro gradiente è
permesso dal gradiente di un'altra molecola (B) precedentemente creato da un trasporto attivo primario. Infatti è necessario che si
verifichi prima il trasporto endoergonico (che cioè richiede energia) di B, affinché si accumuli da un lato della membrana.
Successivamente si verifica il trasporto esoergonico di B nella direzione del gradiente, creato precedentemente dal trasporto attivo
primario. Tale trasporto esoergonico è solitamente accoppiato al trasporto contro gradiente di A. Tale accoppiamento è definito
cotrasporto ed è realizzato da proteine intrinseche della membrana cellulare capaci di riconoscere le molecole A e B. Solitamente B è
uno ione, sodio o protone, che viene chiamato ione trainante (driver).
Esistono due tipi di cotrasporto:
SIMPORTO
ANTIPORTO
Tra i trasporti secondari :
Na+/glucosio simporto;
Na+/amminoacidi simporto;
Na+/Ca2+ antiporto;
Na+/H+ antiporto.
Alcune definizioni
molecola trasportata
ione co-transportato
ione controtransportato
Uniporto
Simporto
Antiporto
Trasporti accoppiati
Trasporti Attivi
Il trasporto di un soluto contro un gradiente elettrochimico
richiede l’utilizzo di energia
Due strategie sono adottate dalle cellule animali:
Pompe ATP-dipendenti
Trasporti accoppiati
Gradiente
elettrochimico
Trasporto in salita
accoppiato direttamente
all’idrolisi dell’ATP
Trasporto in salita di una
molecola
accoppiato
al trasporto in discesa di
un’altra
Trasporti passivi e attivi a confronto
molecola trasportata
proteina
carrier
gradiente di
concentraz.
bilayer
lipidico
diffusione
semplice
mediata
da canale
mediata da
carrier
trasporto
passivo
trasporto
attivo
Molecole di grandi dimensioni possono penetrare all’interno delle celllule
attraverso il meccanismo dell’ENDOCITOSI.
Una porzione della membrana tende ad invaginarsi verso il
citoplasma, includendo la sostanza da trasportare. La
vescicola che si forma si distacca dalla membrana stessa.
ESOCITOSI: vescicole citoplasmatiche contenenti materiale
da espellere si fondono con la membrana
NUCLEO
Il nucleo contiene il materiale genetico, cioè l’acido desossiribonucleico (DNA), che determina le caratteristiche
morfologiche e biochimiche specifiche di ciascun tipo cellulare e ne controlla le attività metaboliche. . Il DNA non
si trova libero nel nucleo ma è combinato con proteine strutturali a formare la cromatina. Nelle cellule che si
stanno dividendo la cromatina si condensa a costituire formazioni intensamente colorabili denominate
cromosomi, che sono presenti in numero costante nelle cellule degli individui di una stessa specie Nel nucleo
avvengono attività biosintetiche come la replicazione e la riparazione del DNA, la trascrizione e la modificazione di
DNA e RNA
Oltre alla cromatina il nucleo contiene uno o più evidenti nucleoli; questi sono corpi tondeggianti che si colorano
intensamente per il loro contenuto in acido ribonucleico (RNA).
Il nucleo compie due funzioni cruciali per la cellula:
•contiene l'informazione ereditaria.
•dirige le attività della cellula, assicurando che le molecole
complesse che la cellula richiede, siano nel numero e del tipo
necessario.
CARIOTIPO
Con il termine cariotipo si indica, la costituzione del patrimonio cromosomico di una specie dal
punto di vista morfologico. L'analisi del cariotipo è una rappresentazione ordinata del corredo
cromosomico di un individuo
L’uomo ha 23 coppie di
cromosomi. Le coppie di
cromosomi possono essere
numerate da 1 a 22.
L’ultima coppia è invece
particolare: essa determina il
sesso dell’essere umano. Per
questa ragione questi due
cromosomi sono chiamati
“cromosomi sessuali”. Nelle
femmine questa coppia è
formata da due cromosomi
“X”, mentre nei maschi la
coppia è formata da un
cromosoma “X” e da uno “Y”.
RIBOSOMI
I ribosomi sono particelle compatte, costituite da ribonucleoproteine, più o meno
ancorate al versante esterno delle membrane del reticolo endoplasmatico oppure
possono trovarsi libere nel citoplasma.
Formano i poliribosomi
Sono presenti in tutte le cellule procariotiche ed eucariotiche.
Assicurano la sintesi delle proteine assemblando gli aminoacidi in una sequenza
predeterminata.
Essi sono indispensabili per questi processi, dato che è solo nello spazio compreso tra
le due subunità ribosomiali che le interazioni tra mRNA, tRNA e aminoacidi possono
aver luogo, in modo da consentire la precisa disposizione spaziale degli aminoacidi nel
formare la proteina, la cui sequenza è codificata a livello della sequenza nucleotidica
dell’mRNA.
Il DNA fornisce le informazioni necessarie alla sistemazione di un aminoacido in
posizione corretta nel concatenamento polipeptidico, ma l’acido nucleico si trova nel
nucleo, mentre la sintesi proteica avviene nel citoplasma con l’intervento dei ribosomi
che associano gli aminoacidi tra loro.
È dunque indispensabile che l’informazione genetica si trasferisca dal nucleo al
ribosoma. Tale trasferimento avviene grazie a una molecola di mRNA che funge da
messaggero. Le informazioni contenute nel DNA vengono trascritte sotto forma di
RNA. La trascrizione è la sintesi di una copia complementare di un filamento di DNA
sotto forma di una molecola di mRNA, che porta l’informazione genetica del DNA.
Il ribosoma ha come funzione essenziale quella di leggere il messaggio proveniente dal
DNA e di tradurlo, e la traduzione consiste nella sintesi di proteine. L’informazione
genetica è sotto forma di codice, un codice genetico, basato sul fatto che ogni
filamento di acido desossiribonucleico è costituito da sequenze di adenina, citosina,
guanina e timina (A, C, G, T).
MITOCONDRI
•Forma generalmente allungata (reniforme )
•Presenti nel citoplasma di tutte le cellule animali a metabolismo aerobico
•Organelli addetti alla respirazione cellulare
La respirazione cellulare è il
meccanismo attraverso cui la cellula, in
presenza di ossigeno, è in grado di
ricavare energia utilizzabile nei processi
vitali dai legami chimici dei substrati che
internalizza.
È delimitato da una doppia membrana: quella esterna
permette il passaggio di piccole molecole, quella interna è
selettivamente permeabile e ripiegata in estroflessioni
chiamate creste mitocondriali che ne aumentano la
superficie. Questo permette di disporre di un numero
maggiore di complessi di ATP sintetasi e di fornire
pertanto maggiore energia.Le due membrane identificano
due differenti regioni: lo spazio intermembrana cioè quello
interposto tra la la membrana esterna e quella interna, e la
matrice, spazio circoscritto dalla membrana interna.
E’ la centrale energetica della cellula: infatti esso ricava energia, dalle sostanze di nutrimento attraverso il
processo denominato respirazione cellulare. L'energia ricavata viene accumulata “dentro a molecole”, di
rifornimento che costituiscono la valuta energetica" della cellula.
Sono organelli mobili e tendono a localizzarsi nei siti di massima richiesta energetica. Il loro
numero nelle cellule è molto variabile: le cellule epatiche contengono circa 2000 mitocondri,
mentre le cellule inattive ne contengono molto pochi
DNA mitocondriale: e’sotto forma di molecole circolari, non legate a proteine, agganciate alla
membrana delle creste mitocondriali.
Il genoma mitocondriale comprende:
1)Geni per gli mRNA dei mitocondri
2)Geni per 25 tRNA
3)Geni per una proteina della subunità ribosomiale maggiore
CELLULA VEGETALE
parete cellulare costituita da cellulosa, un polimero la cui
unità elementare è il glucosio, proteine ed, a seguito di
modificazioni, da lignina
plasmodesmi, canali nella parete cellulare grazie ai quali le
cellule della pianta sono in comunicazione fra loro.
plastidi, e specialmente i cloroplasti che, grazie alla
clorofilla permettono alle cellule vegetali di produrre
monomeri di zucchero (glucosio) e ossigeno a partire dalla
CO2 sfruttando l‘ energia solare, detto processo viene
definito come fotosintesi clorofilliana.
vacuoli (non organuli ma cavità endocellulari, avvolti da una
membrana, detta tonoplasto) che occupano gran parte della
cellula e la cui funzione principale è quella di mantenere il
turgore cellulare. Sono implicati nel controllo del passaggio
di molecole dalla linfa al citosol, nel mantenimento del pH
ottimale del citosol, e svolgono funzioni di riserva di varie
sostanze.
PARETE CELLULARE
CLOROPLASTO
CLOROPLASTO
Il cloroplasto è un tipo di organulo presente nelle cellule delle piante e nelle alghe eucariotiche.
All’interno di questi organuli si svolge il processo della fotosintesi: l’energia luminosa viene catturata
dai pigmenti di clorofilla e viene convertita in energia chimica (ATP e NADPH).
I cloroplasti si presentano generalmente come dischi piatti. Sono delimitati da due
membrane; la membrana esterna è permeabile per la maggior parte delle molecole,
mentre quella interna è decisamente più selettiva ed è attraversata da proteine di
trasporto specifiche. I due doppi strati lipidici sono separati da uno spazio
intermembrana.
Il fluido interno al cloroplasto è chiamato stroma: esso contiene molti enzimi
coinvolti nel metabolismo dell’organulo, granuli di amido, il DNA circolare e i
ribosomi. I ribosomi del cloroplasto sono del tutto simili a quelli presenti nei
batteri. La presenza di un genoma e dei ribosomi consentono all’organello di
sintetizzare alcune delle proteine che gli sono necessarie, ma non tutte: molte
proteine del cloroplasto sono codificate da geni presenti nel nucleo della cellula,
tradotte nel citoplasma e poi indirizzate al cloroplasto.
All’interno dello stroma si trovano le membrane tilacoidali o tilacoidi, dove
avvengono le prime fasi della fotosintesi. Lo spazio interno ai tilacoidi si chiama
lumen.