Il motto della cellula Eucariote: organizzare il lavoro
Se mai l’evoluzione avesse una direzione o un motivo ispiratore, potremmo dire che quello che ha
guidato la nascita e lo sviluppo della cellula eucariote è quello del suddividere il lavoro, confinandolo in
spazi ben precisi, in strutture appositamente progettate, in modo da ottimizzarne l’efficienza.
La cellula è una fabbrica di proteine
Lezione 5: L’organizzazione della cellula animale
Biologia e Genetica
aa 2014/2015
LA MEMBRANA
CELLULARE
Definisce i contorni della cellula e ne mantiene il contenuto
Doppio strato (bilayer) fosfolipidico
Proteine e glicoproteine di membrana
2 membrane cellulari di 2 cellule affiancate (TEM)
IL NUCLEO
Il nucleo è il centro di controllo della cellula
Innestando i piedi di due
specie di alghe a cui era stato
rimosso il cappello, si forma
un’alga con forma del cappello
intermedia
Acetabularia
(alga unicellulare)
Dopo aver rimosso i cappelli,
se si invertono gli steli,
all’inizio si rigenerano cappelli
caratteristici della specie che
ha donato lo stelo. La seconda
rigenerazione produce però
cappelli caratteristici della
specie che ha donato il piede.
Trapiantando il nucleo di
una specie in un individuo
di una seconda specie a
cui è stato rimosso il
cappello, si rigenera un
cappello tipico del
donatore del nucleo
Fattori citoplasmatici
presenti nello stelo?
Comunque la capacità
finale di controllo sta
nel piede
Il nucleo è il centro di
controllo della cellula
ed è la fonte del
«messaggero» che
esercita un controllo
temporaneo (il futuro
mRNA)
I nuclei sono totipotenti
L’esperimento di Gurdon sulla totipotenza dei nuclei:
Nuclei di cellule intestinali trapiantati in una cellula uovo sono in grado di far
sviluppare un organismo normale
Gurdon J.B. «The developmental capacity of nuclei taken from intestinal epithelium cells of feeding tadpoles». Journal
of Embryology and Experimental Morphology Vol 10, Dec 1962
Come è fatto il nucleo
La maggior parte
del DNA cellulare
è all’interno del
nucleo
- Involucro nucleare: doppia membrana
- Pori nucleari
- Lamina nucleare: rete di filamenti proteici che
sostiene la membrana interna
- Cromatina/cromosomi: DNA associato a RNA e
proteine a formare la
- Nucleoli con organizzatore nucleolare (regioni
dei cromosomi che sintetizzano rRNA + proteine
ribosomali importate dal citoplasma)
IL CITOPLASMA
Porzione interna della cellula che non
è occupata dal nucleo
Citosol
Sostanza semifluida in cui sono dispersi gli
organelli
È permeato da un’intricata struttura
tridimensionale di filamenti proteici
interconnessi (citoscheletro) che
conferisce tipiche proprietà meccaniche.
Nel citosol avvengono numerose reazioni
cellulari come la sintesi di proteine e lipidi
e le prime tappe del rilascio di energia
dagli zuccheri
Organuli cellulari
Strutture
endocellulari rivestite
da membrana e con
specifiche funzioni
GLI ORGANULI CITOPLASMATICI
I ribosomi
Non sono veri e propri organuli (no membrana)
Piccole particelle di 12x25 nm
Sono il sito della sintesi proteica
Composti da proteine e RNA ribosomale (rRNA)
Composti da 2 subunità (maggiore e minore)
Subunità minore ha affinità per mRNA e tRNA
Alcuni rRNA della subunità maggiore sono ribozimi
(catalizzano formazione del legame peptidico)
60S (50S nei batteri)
40S (30S nei batteri)
Il sistema endomembranoso è un gruppo di organuli collegati
-Reticolo endoplasmatico liscio (REL)
-Reticolo endoplasmatico rugoso (RER)
-Apparato di Golgi
-Lisosomi
Ultrastruttura della cellula (TEM)
Il sistema di endomembrane
occupa gran parte del citoplasma
Il reticolo endoplasmatico (RE)
Membrane sacciformi appiattite
che danno origine a
compartimenti interconnessi.
Lume di tubuli e vescicole del RE
in comunicazione con la cisterna
nucleare
Membrane e lume del RE
contengono svariati enzimi che
catalizzano innumerevoli
reazioni biochimiche
Si distinguono
REL (Reticolo endoplasmatico liscio)
RER (Reticolo endoplasmatico rugoso)
Il Reticolo endoplasmatico liscio (REL)
È sede della sintesi di numerosi lipidi e carboidrati
Sede primaria per la sintesi di fosfolipidi e colesterolo
Sintesi di ormoni steroidei
Immagazzina ioni calcio
Nelle cellule del fegato (epatociti) soprattutto
Degrada sostanze tossiche (cancerogeni, alcol e droghe)
Degrada il glicogeno di riserva
RER
Il Reticolo endoplasmatico rugoso (RER)
Grande quantità di ribosomi adesi alla superficie
esterna della membrana
Proteine sintetizzate sulla superficie e destinate ad altri
comparti cellulari (membrana, lisosomi), entrano nel
lume delle cisterne
All’interno del lume le proteine possono essere
modificate (assunzione struttura terziaria, aggiunta di
lipidi o carboidrati)
Proteine processate correttamente trasportate verso
altri comparti tramite vescicole che gemmano dal RER
Cellule sintetizzano abbondanti proteine da esportare hanno
RER molto sviluppato.
Esempio: cellule ghiandolari che secernono enzimi digestivi;
globuli bianchi che secernono anticorpi.
REL
Camillo Golgi (1843-1926)
Premio Nobel per
la medicina nel
1906 (primo
Italiano)
Corteno Golgi
Adamello
L’apparato (o complesso) di Golgi
Descritto per la prima volta da Camillo
Golgi nel 1898
Rielabora e smista proteine verso
destinazioni finali (intra o
extracellulari)
Aggiunge o modifica carboidrati uniti
alle proteine
Sistema di endomembrane costituito da sacche appiattite (cisterne) impilate e da vescicole
Regioni distinte contenenti diversi enzimi
-cis (vicina al nucleo o a RER) riceve vescicole con proteine dal RER
-intermedia
-trans (verso la membrana plasmatica) si staccano vescicole dirette alla membrana
plasmatica o ai lisosomi
Il Golgi sintetizza i lisosomi
il viaggio delle proteine
I lisosomi… e la digestione cellulare
-Vescicole con enzimi litici (pH ca 5)
-Lisosomi I gemmano dal Golgi
-Lisosomi II dopo fusione on fagosoma
-Distruzione programmata di
componenti cellulari - autofagia
I perossisomi
Organuli rivestiti da membrana, derivano dal REL
Ossidazione degli acidi grassi
Attività enzimatica dei perossisomi produce H2O2 (tossica)
Elevato contenuto di catalasi che scinde H2O2 in H2O e O2 (detossificazione)
I mitocondri: organuli della respirazione cellulare
Funzione: accumulare energia chimica estratta
dalle molecole (glucosio) in una forma
utilizzabile dalle cellule - ATP
Molecole
+ O2
combustibili
ATP
Respirazione cellulare
Dimensioni 1-1,5 x 2-8 µm
Possono dividersi indipendentemente dal nucleo
Doppia membrana – interna sollevata in creste, sede di
complessi enzimatici
Matrice mitocondriale contenente ribosomi e DNA
Importanza dei mitocondri
-respirazione aerobica
-morte cellulare programmata (apoptosi)
-tossicità e invecchiamento per perdita di elettroni che
formano radicali liberi
-mutazioni del DNA mitocondriale sono più frequenti e
sono associate a malattie genetiche
I cloroplasti: organuli della fotosintesi
Appartengono a gruppo di organuli chiamati plastidi (es. amiloplasti, cromoplasti…)
Contengono clorofilla (pigmento fotosintetico) sulle membrane dei tilacoidi
Clorofilla intrappola energia luminosa necessaria per la fotosintesi (produzione di ATP)
I mitocondri e i cloroplasti trasformano l’energia
Origine endosimbiontica di mitocondri e cloroplasti
Malattie legate a organuli citoplasmatici
Patologie da ereditarietà materna dei mitocondri
Alla fecondazione partecipano l’oocito (che contiene circa
2000 mitocondri) e lo spermatozoo (i cui mitocondri non
entrano nell’ovocito). In genere la popolazione mitocondriale
materna è mista (alcuni con anomalie genomiche, altri no), di
conseguenza alcuni tessuti possono ereditare mitocondri
alterati, altri meno.
Quasi tute le malattie associate a difetti mitocondriali sono a
carico del tessuto muscolare e nervoso.
Note almeno 35 miopatie e una varietà di disturbi del sistema
nevoso.
Esempi: encefalomiopatia mitocondriale e cardiomiopatia
ipertrofica dovute a difetti nei tRNA per gli aminoacidi leucina
e isoleucina rispettivamente. tRNA sintetizzati dal mtDNA
I disturbi mitocondriali mostrano quindi ereditarietà materna
Mitocondri, apoptosi e patologie mitocondriali
A seguito di stress cellulari i mitocondri rilasciano citocromo c
(un trasportatore di elettroni), che nel citoplasma attiva le
caspasi (enzimi proteolitici che agiscono anche sul nucleo),
provocando apoptosi. Molti meccanismi patogenetici possono
dipendere da aumentata suscettibilità dei mitocondri a stress
apoptotici
Lisosomi
Si conoscono più di 40 malattie da accumulo lisosomiale, dovute a
mancata espressione di enzimi idrolitici lisosomiali. Risultato: accumulo
di cataboliti all’interno della cellula con progressiva degenerazione
tissutale, particolarmente grave quando colpisce il sistema nervoso
Esempio: Malattia di Tay-Sachs, in omozigosi manca un enzima per la
degradazione di un normale lipide (ganglioside) nelle cellule cerebrali –
ritardo mentale, cecità e morte entro i 4 anni di età nella forma
infantile.
Ereditarietà autosomica recessiva
Malattie dell’involucro nucleare
Alterazioni geniche che determinano l’alterazione di proteine di membrana
dell’involucro nucleare e della lamina nucleare provocano svariate malattie
caratterizzate da distrofia muscolare, lipodistrofia, demielinizzazione dei nervi
periferici, invecchiamento precoce
Malattie dei perossisomi
La sindrome di Zellweger è una malattia dovuta all’alterazione di numerosi geni legati
alla biogenesi di perossisomi, che risultano quindi alterati o non sufficienti nelle
cellule di fegato, reni e cervello. È una malattia genetica a trasmissione autosomica
recessiva
Rsultato è l'alterazione della funzione perossisomiale e la conseguente incapacità di
metabolizzare gli acidi grassi a catena lunga, con accumulo di metaboliti tossici.
Grave compromissione dell’attività neurologia, epatica e renale. La sindrome è fatale
in genere entro i primi 6 mesi di vita.
