La cellula eucariote

LA CELLULA EUCARIOTE
PSICOBIOLOGIA – LEZIONE NR. 7
Fig. 4.1
Fig. 4.2
Le cellule procariote sono contraddistinte dall’assenza di un nucleo differenziato. Di norma
posseggono un singolo cromosoma di forma circolare, posizionato in una zona centrale del
citoplasma denominata nucleoide. Sono inoltre prive delle strutture citoscheletriche e quindi
possono duplicarsi molto velocemente (cloni).
Fig. 4.3 e 4.4
Le cellule eucariote posseggono un nucleo differenziato
ed una enorme complessità strutturale, inoltre le loro
dimensioni possono variare enormemente.
Microtubuli
Microtubuli
Il nucleo e la cromatina
Fig. 4.5
Il nucleo è l’organulo di maggiori dimensioni
della cellula, è separato dal resto del
citoplasma da una sistema di doppia
membrana definita membrana nucleare.
Sulla parte interna della membrana nucleare
è presente una matrice proteica filamentosa
denominata lamina nucleare che fornisce
rigidità strutturale a tutto il nucleo.
La superficie di questa lamina nucleare non è
chiusa ma contiene diverse aperture
chiamate pori nucleari per trasportare
molecole sia in entrata che in uscita.
La funzione del nucleo è di ospitare il DNA
sotto forma di cromosomi
Il nucleo e la cromatina
Negli eucarioti il DNA è sempre associato a
delle proteine sferiche denominate istoni che
permettono la formazione di avvolgimenti
regolari ed il compattamento di tutto il
materiale cromosomico che altrimenti non
potrebbe essere contenuto nel nucleo (2m).
Il complesso DNA + istoni prende il nome di
cromatina.
Gli istoni si associano fra loro a gruppi di 8
formando il cosiddetto complesso
ottamerico.
Attorno ad ogni ottamero si avvolge il DNA
che forma con esso il nucleosoma.
Il nucleo e la cromatina
Fig. 4.7
A seconda delle varie fasi cellulari, la
cromatina nel nucleo può essere più o meno
condensata.
Tipicamente nell’interfase (il periodo che
intercorre fra una divisione e la successiva) la
cromatina è distribuita nel nucleo in gruppi
meno densi chiamati eucromatina e gruppi
più densi chiamati eterocromatina.
L’eucromatina comprende regioni dove vi
sono geni trascrizionalmente ATTIVI
L’eterocromatina comprende regioni
cromosomiche non trascritte o sequenze
ripetitive come quelle contenute nei
centromeri e nei telomeri
Microtubuli
Le membrane cellulari
Le membrane cellulari sono un insieme complesso di strutture membranose che pur avendo tutte la
stessa struttura di base, presentano morfologia e funzioni specifiche a seconda dei distretti cellulari
che caratterizzano assumendo la connotazione di veri e propri organuli fra loro distinti.
Fig. 4.26
Le membrane cellulari
Indipendentemente dalla posizione all’interno della cellula, tutte le membrane
sono contraddistinte da una struttura definita a mosaico fluido. Mosaico perché
tutte le membrane sono formate da singole molecole di fosfolipidi disposte in un
doppio strato. Tuttavia il doppio strato è in genere attraversato da proteine che si
affacciano sull’uno o l’altro versante (o entrambi) della membrana. Queste
proteine chiamate proteine di membrana sono classificate in:
• Integrali: possono essere separate dalla membrana solo
attraverso la distruzione della struttura fosfolipidica.
Comprendono le proteine trans-membrana e le proteine
ancorate a lipidi di membrana
• Periferiche: possono essere separate dalla mebrana
cttraverso trattamenti con sostanze polari o soluzioni saline
che non disgregano la struttura fosfolipidica.
Comprendono proteine con un contatto marginale con
ca membrana o proteine legate a proteine integrali
Fig. 4.27
Le membrane cellulari
La membrana esterna è chiamata membrana plasmatica ed è in continuità diretta con un sistema
complesso di membrane chiamato reticolo endoplasmatico (RE)
Il reticolo endoplasmatico giunge sino al nucleo dove egli stesso si differenzia in parete nucleare,
mentre in sede perinucleare il RE è in continuità funzionale con l’apparato del Golgi. Un altro
organulo consistente in cisterne membranose, importante durante i processi di secrezione.
Fig. 4.25
Le membrane cellulari
Il reticolo endoplasmatico
Il RE è un insieme di tubuli e sacchi appiattiti che si estende dalla membrana plasmatica sino al nucleo. La membrana
del reticolo è chiusa e forma delle cisterne il cui spazio interno è definito lume del reticolo.
Il RE è diviso in:
RE liscio sintesi di lipidi di membrana
RE rugoso  sulla cui superficie vi sono i ribosomi che sintetizzano le proteine di membrana e proteine di secrezione
(destinate ad abbandonare la cellula)
RE di transizione  nel quale si creano vescicole membranose di trasporto che viaggiano verso l’apparato del Golgi.
Fig. 4.28
Le membrane cellulari
Il ruolo del RE rugoso: sintesi delle proteine di secrezione
Costituito da amminoacidi idrofobi, indirizza il ribosoma al
REr
Particella di riconoscimento del segnale
(proteine+RNA)
Ribosomi
Fig. 4.31
Peptidasi
del segnale
Le membrane cellulari
Il ruolo del RE rugoso: sintesi delle proteine di membrana
Fig. 4.32
Le membrane cellulari
Il ruolo del RE rugoso: sintesi delle proteine di membrana
Fig. 4.33
Le membrane cellulari
Il ruolo del RE rugoso
All’interno del RE rugoso, sia per le proteine di secrezione che per le proteine di membrana sono
completati i processi di ripiegamento (struttura terziaria) che l’assemblaggio di sub-unità (struttura
quaternaria) che i processi di glicosilazione (aggiunta di oligosaccaridi, glicoproteine) che
andranno però incontro ad ulteriori modifiche nell’apparato del Golgi.
Le membrane cellulari
La via secretoria
Fig. 4.30
Le membrane cellulari
I’apparato del Golgi
L’apparato del Golgi è un organulo formato anch’esso da cisterne appiattite ed è caratterizzato da una polarità
morfo-funzionale ben definita. Infatti vi è una faccia convessa rivolta verso il nucleo ed il RE denominata faccia cis ed
una faccia concava opposta alla prima denominata faccia trans. Tutto il materiale biologico sintetizzato nel RE giunge
dentro delle vescicole di trasporto sul lato cis e dopo una serie di modifiche apportate dall’apparato del Golgi uscirà
dal lato trans per poi raggiungere il proprio specifico sito di azione.
Fig. 4.34
Le membrane cellulari
Il ruolo dell’apparato del Golgi
Le membrane cellulari
La via secretoria
Fig. 4.30
Le membrane cellulari
Fig. 4.34
La formazione delle vescicole che conducono le proteine dall’apparato del
Golgi ai loro siti di azione è resa possibile dal contemporaneo
coinvolgimento di proteine strutturali di rivestimento (clatrina) che
avvolgono le proteine da trasportare (endocitosi), proteine adattatrici,
proteine che legano il GTP e piccole proteine G.
In particolare queste proteine G appartengono alla famiglia Rab e sono
coinvolte sia nella gemmazione delle vescicole che nella fusione con la
membrana plasmatica (esocitosi)
Fig. 4.35
Microtubuli
I mitocondri
I mitocondri possiedono una
membrana esterna ed una
membrana interna fortemente
ripiegata (creste mitocondriali). E
quindi due distinti compartimenti:
I mitocondri sono organuli che ricoprono un ruolo cruciale nei processi di
produzione energetica all’interno delle cellule eucariote.
Nei mitocondri, l’energia contenuta in varie molecole (carboidrati,
amminoacidi e lipidi) è convertita in ATP mediante:
• Ciclo di Krebs
• Fosforilazione ossidativa
La matrice mitocondriale
La camera mitocondriale esterna
All’interno della matrice
mitocondriale è inoltre contenuto un
singolo cromosoma, indipendente
dal DNA nucleare che codifica
l’rRNA e un tRNA propri
dell’organulo.
Fig. 4.36
I mitocondri
L’origine dei mitocondri, teoria endosimbiontica
Prima della comparsa dell’ossigeno sulla terra, ATP prodotto mediante
glicolisi (2 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio degradata ad
acido lattico)
Dopo la comparsa dell’ossigeno, gli organismi aerobici producevano ATP
degradando glucosio in CO2 e H2O (36-38 molecole di ATP per ogni
molecola di glucosio)
I mitocondri
Fig. 4.37
Le fasi iniziali della degradazione del glucosio ha inizio
nel citoplasma dove viene trasformato in piruvato e
quindi trasportato insieme con gli acidi grassi nei
mitocondri. Qui vengono utilizzati per formare molecole
di acetilcoenzima A (acetilCoA) che entrerà nel ciclo di
Krebs che lo trasformerà in CO2. Durante le complesse
fasi di questo ciclo gli elettroni liberati nella ossidazione
di acetilCoA in CO2 sono catturati da molecole come la
nicotinammide-adenina-dinucleotide (NAD) e la
flavina-adenina-dinucleotide (FAD). Queste due
molecole che hanno il solo ruolo di raccogliere elettroni
provenienti dalle reazioni chimiche di ossido-riduzione
sono presenti all’interno della matrice mitocondriale in
due diverse conformazioni:
• Ossidata (NAD+ e FAD)
• Ridotta (NADH e FADH2)
I mitocondri
Tutti gli elettroni raccolti dalle molecole NAD e FAD sono successivamente spinti attraverso delle proteine di trasporto (citocromi)
verso la camera mitocondriale esterna. Durante questo trasporto gli elettroni rilasciano energia libera che sarà a sua volta
utilizzata da altre proteine per spingere un gran numero di protoni H+ dalla matrice mitocondriale alla camera mitocondriale
esterna. Quando la concentrazione di questi H+ nella camera esterna sarà più alta di quelli presente all’interno, per gradiente gli
H+ proveranno a rientrare nella matrice, ma la membrana impedirà solo il passaggio che potrà avvenire solo attraverso una
proteina/enzima chiamata ATPsintasi che sfrutterà il loro passaggio per sintetizzare ATP partendo dall’ADP. Questo processo è
chiamato fosforilazione ossidativa
Fig. 4.38
I mitocondri
Ruolo dei mitocondri nei processi di apoptosi (morte cellulare programmata)
Il mitocondrio funziona da centrale d'integrazione degli stimoli apoptotici. Essi possono essere di molteplice natura e
sono in grado di determinare l'apertura di un complesso poliproteico chiamato poro di transizione mitocondriale
localizzato in alcuni punti di contatto tra le due membrane mitocondriali. Quest'evento fa cadere la differenza di
potenziale, per uscita dei protoni, ed ingresso di molecole prima interdette all'ingresso. Come risultato finale, il
mitocondrio si riempie di liquido e la membrana esterna scoppia liberando nel citoplasma fattori stimolanti l'apoptosi
che è in grado di raggiungere il nucleo ed attiva una via indipendente dalle caspasi in grado di degradare il DNA, ed il
citocromo c che si lega alle proteine Apaf-1 (apoptotic protease activating factor) e caspasi 9 ed una molecola di ATP
formando un complesso definito apoptosoma. La caspasi 9 presente diviene in grado di attivare altre caspasi che
danno il via ad una cascata molecolare che si conclude con la degradazione del DNA ad opera di fattori nucleari.
Microtubuli
Il citoscheletro
Il citoscheletro è un elemento che determina generalmente la morfologia cellulare ed è formato da un insieme di
strutture proteiche. Tali strutture sono molto dinamiche e possono essere assemblate e riassemblate per venire
incontro ai cambiamenti conformazionali della cellula. Oltre alla morfologia le strutture citoscheletriche sono
importanti per le funzioni di motilità e di divisione cellulare oltre che per il trasporto di molecole intra/extracellulari.
Il citoscheletro è formato da:
• Microfilamenti
• Filamenti intermedi
• Microtubuli
Il citoscheletro: i microfilamenti
Sono fibrille costituite da filamenti avvolti a spirale fra loro, e sono formati dall’assemblaggio di una proteina
chiamata actina F, a sua volte polimerizzata da monomeri di actina G. I filamenti possiedono la capacità di
allungarsi in entrambe le direzioni…sebbene l’allungamento lungo un estremità (positiva) sia più veloce.
Questi filamenti sono di norma concentrati alla periferia delle cellule dove formano una rete (cortex) al di sotto della
membrana plasmatica con la quale prende contatti grazie alla proteina di membrana.
La rete svolge un ruolo in molte attività cellulare ed è responsabile della conformazione del pavimento o delle pareti
cellulari.
Fig. 4.39
Il citoscheletro: i filamenti intermedi
Sono fibrille costituite da proteine eterogenee,
sono distribuite sia nel nucleo (dove formano la
lamina nucleare) che nel citosol. E servono a
conferire integrità strutturale alle cellule.
Nello specifico i filamenti intermedi sono
formati da proteine diverse che però si
associano sempre nello stesso modo a formare
un dimero che insieme ad un secondo dimero,
forma un tetramero che insieme ad altri 2
forma un protofilamento che andrà poi a
formare il filamento vero e proprio.
Fig. 4.42
Il citoscheletro: i microtubuli
Sono tubi cavi, formati dalla polimerizzazione di un dimero formato da due proteine alpha-tubulina e betatubulina. Vengono assemblati dalla gamma-tubulina nel centrosoma, attraverso l’associazione di 13 protofilamenti
che si richiudono a cilindro.
Contribuiscono a determinare l’architettura cellulare e possono servire come «binari» per il trasporto di materiale
lungo la cellula. Interagiscono con 3 classi di proteine:
• MAP-1, MAP-2, proteina Tau, +TIPs… proteine che stabilizzano i microtubuli
• Proteine che destabilizzano e disgregano i microtubuli
• Chinesina e Dineina…proteine motrici
Fig. 4.45 e Fig. 4.46
Il ciclo cellulare
Sebbene i neuroni siano una cellula incapace di dividersi, è bene aver chiaro
il ciclo vitale di una cellula che normalmente si svolge fra una divisione
cellulare e la successiva (interfase).
Fase G1 (gap)  intensa attività trascrizionale e traduzionale che portano
all’accrescimento della cellula
Fase S (synthesis)  replicazione di tutto il materiale genetico
Fase G2 (gap)  completamento dei processi di sintesi macromolecolari
necessari allo svolgimento della divisione
Fase di divisione:
• Mitosi divisione equazionale nella quale i cromosomi (23 coppie,
diploidi) sono ripartiti tra le cellule figlie
• Meiosi riguarda solo le cellule germinali (gameti) divisione riduzionale,
riduce il numero dei cromosomi a metà delle cellule somatiche (23
cromosomi, aploidi)
Le varie fasi del ciclo cellulare è controllata attraverso delle tappe di
controllo e mediata da proteine chiamate cicline.
Fig. 4.47
Il ciclo cellulare