Lezione giovedì 13 ottobre 2016 File
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Dott.ssa Monica Benincasa Ed. Q – Via Giorgieri 5 [email protected] Tel. 040 5588703 Testi consigliati: “Elementi di biologia e genetica” (Vol. 1) Sadava D., Heller H.C., Orians G.H., Purves W.K., Hillis D.M. Zanichelli Ed. “Biologia cellulare” – “Genetica e biologia molecolare” Raven P.H., Johnson G.B. Piccin Ed. “Biologia: l’essenziale” Sylvia S. Mader Piccin Ed. Biologia: Studio degli organismi viventi e dei loro rapporti con l’ambiente che li circonda Che cosa significa “vita”? • Capacità di riprodursi • Capacità di trasformare la materia (attività metabolica) • Capacità di adattarsi • Capacità di rispondere a stimoli • Capacità di evolvere La teoria cellulare La cellula è la più piccola forma di vita Tutte le forme di vita sono costituite da una o più cellule Le cellule derivano solo da cellule preesistenti tutte le cellule hanno una membrana cellulare che separa il caos fuori da una cellula da un alto grado di organizzazione all’interno di essa. tutta la vita cellulare contiene DNA come materiale genetico. Tutte le cellule contengono alcune varietà di molecole di RNA e proteine, molte delle quali sono enzimi. tutte le cellule sono composte della stessa chimica di base: carboidrati, proteine, acidi nucleici, minerali, lipidi e vitamine. Tutte le cellule regolano il flusso di nutrienti e cataboliti che entrano e lasciano la cellula. Tutte le cellule si riproducono e sono il risultato della riproduzione. Tutte le cellule richiedono un supplemento di energia. Tutte le cellule sono regolate da un elaborato sistema sensoriale che le consente di essere consapevoli di ogni reazione che avviene all’interno e attorno ad esse. Le cellule hanno piccole dimensioni Le cellule sono piccole per ottimizzare il rapporto superficie/volume; ciò consente alla cellula di ottenere una superficie di scambio con l’esterno adeguata per il passaggio di nutrienti e scarti. Numero e misure dei cubi Area totale Volume totale Rapporto area/volume per ogni cubo 1 cubo, 4 cm di lato 96 cm2 64 cm3 1,5/1 8 cubi, 2 cm di lato 192 cm2 64 cm3 3/1 64 cubi, 1 cm di lato 384 cm2 64 cm3 6/1 Volumi ridotti Superfici più ampie Le cellule hanno piccole dimensioni Lo strumento che ci consente di osservare le cellule più piccole di 0,1 mm è il microscopio. 1 µm 10 µm 100 µm Tutti gli organismi viventi hanno un’organizzazione cellulare, che è di due tipi fondamentali: • Procarioti: organismi unicellulari; le cellule non hanno compartimenti interni • Eucarioti: organismi unicellulari e pluricellulari; le cellule sono compartimentalizzate • Virus e batteriofagi: forme di vita non cellulari composti unicamente da un acido nucleico e un capside proteico Esistono degli organismi “viventi” che non sono cellule: i VIRUS Essi tuttavia per rispondere alle caratteristiche che abbiamo assegnato alla “vita” hanno bisogno di cellule. Una particella virale (HIV) Le cellule possono essere procariotiche o eucariotiche Le cellule procariotiche ed eucariotiche possiedono due strutture comuni: •la membrana plasmatica •il citoplasma Le cellule procariotiche sono molto più piccole di quelle eucariotiche e hanno una struttura di base più semplice. Le cellule procariotiche sono comparse per prime Le cellule procariotiche (da pro, prima e karyon, nucleo) sono prive di un nucleo racchiuso da una membrana e sono organismi unicellulari classificati in due domini: •Archaea •Bacteria (batteri) Le cellule procariotiche sono molto meno complesse delle eucariotiche • non presentano nucleo •parete cellulare e spesso flagelli • dimensioni inferiori • ribosomi di dimensioni ridotte Le cellule eucariotiche contengono organuli specializzati Le cellule eucariotiche (da eu, buono, e karyon, nucleo) hanno un nucleo delimitato da una membrana ben distinta, che racchiude il DNA. Gli organismi eucariotici, ossia protisti, funghi, piante e animali, fanno tutti parte del dominio degli Eukarya (eucarioti). La struttura di una cellula animale La struttura di una cellula vegetale NUCLEO E CITOPLASMA Le cellule eucariotiche sono dotate di numerosi compartimenti interni, nei quali avvengono reazioni chimiche specifiche e separate dalle altre. Il nucleo è un importante comparto: • la membrana nucleare mantiene i ribosomi all’esterno • l’RNA trascritto non viene tradotto in proteine prima di essere processato e trasportato fuori dal nucleo, nel citosol. Nucleo cellulare • Componente essenziale della cellula ( struttura assente nei procarioti ) • Contiene il materiale genetico (DNA) • Sede di processi indispensabili alla riproduzione cellulare e alla sintesi proteica Il nucleo è l’ organulo piu’ grande, separato dal citoplasma da una doppia membrana (membrana nucleare interna ed esterna separate da uno spazio perinucleare) dotata di pori che consentono le comunicazioni tra il nucleo e il resto della cellula (citoplasma). I pori nucleari sono siti nei quali le membrane nucleari interna ed esterna si fondono a formare un’apertura circolare contenente una struttura chiamata complesso del poro nucleare (transito RNA e proteine). All'interno del nucleo si trova una regione specializzata, detta nucleolo, che è deputata all'assemblaggio di particelle chiamate ribosomi, che contengono RNA e proteine e che, una volta sintetizzate, migrano nel citoplasma, dove presiedono alla sintesi proteica. Il nucleo controlla la sintesi proteica inviando nel citoplasma diverse molecole con funzione di messaggeri. Nel nucleo, si trova il DNA, complessato con proteine e ripiegato a costituire la cromatina che, prima dell’inizio della divisione cellulare, si addensa nei cromosomi. La cromatina e’ immersa nel nucleoplasma. La struttura del nucleo e’ mantenuta dalla lamina nucleare. I RIBOSOMI Struttura dei ribosomi dei procarioti e degli eucarioti a confronto Le membrane cellulari • Tutte le cellule sono circondate da una membrana detta membrana citoplasmatica, che separa il citoplasma e gli organuli cellulari in esso contenuti dall'ambiente esterno. • Oltre alla membrana plasmatica le cellule sono fornite di altre membrane dette membrane interne o membrane endocellulari, che circondano gli organuli cellulari (mitocondri, nucleo, lisosomi, vacuoli ecc.). Le membrane cellulari Dal punto di vista morfologico le membrane cellulari sono pressoché identiche. La loro struttura molecolare invece e' varia pur mantenendo una certa similitudine. Il fine principale delle membrane cellulari è quello di isolare l'ambiente interno da quello esterno. In tal modo, le reazioni metaboliche avvengono in compartimenti cellulari perfettamente isolati, non solo dall'ambiente extracellulare, ma anche dall'ambiente intracellulare. Si parla in questi casi di compartimentalizzazione. I vari organuli cellulari possiedono una struttura ed una funzione ben definita e sono presenti sia nelle cellule animali che vegetali. Reticolo endoplasmatico (RE) – rete formata da cisterne e vescicole chiuse da membrana – comprende regioni “lisce” e regioni “ruvide” Il reticolo endoplasmatico ruvido (RER) è una serie estesa di cisterne interconnesse sulla cui membrana sono adesi i ribosomi Reticolo Endoplasmatico Ruvido Deputato alla traduzione di alcuni RNA messaggeri in proteine Presente in tutte le cellule ma più abbondante in quelle in cui vi è attiva sintesi di proteine che devono essere secrete o entrare nella membrana plasmatica Reticolo Endoplasmatico Liscio Sintesi della maggior parte dei lipidi Detossificazione Produzione di steroidi Metabolismo del glicogeno (epatociti) Regola la distribuzione intracellulare degli ioni Ca++ (muscolo) RER e REL hanno ruolo diverso: la loro quantità relativa dipende dalla funzione della cellula (es. in cellule secernenti RER esteso, cellule che producono lipidi REL esteso) Il reticolo endoplasmatico sintetizza e trasporta proteine e lipidi Il reticolo endoplasmatico ruvido (RER) è contraddistinto dalla presenza di ribosomi sulla membrana e sintetizza le proteine. Il reticolo endoplasmatico liscio (REL) non presenta ribosomi alla superficie e sintetizza lipidi di vario tipo. Proteine e lipidi vengono inglobati all’interno di vescicole di trasporto e diretti all’apparato di Golgi. Il complesso di Golgi L’apparato di Golgi è formato da un insieme di cavità, vescicole e canali, delimitati da membrana con un’architettura ordinata e distinguibile da quella del RE (sacche membranose impilate le une sulle altre) Tre regioni: cis (ingresso), mediana e trans (uscita) Ogni regione contiene un set diverso di enzimi per le modificazioni delle proteine Funzioni: • Modificazioni proteine provenienti dal RER mediante glicosilazione e fosforilazione • Smistamento proteine, opportunamente “etichettate”, alle diverse destinazioni cellulari • Trasporto lipidi • Sintesi proteoglicani della matrice e carboidrati • Creazione lisosomi Sistema di membrane continuo, formato da tubuli, cisterne, vescicole delimitate da una membrana. Le proteine vengono trasportate all’interno di vescicole, o sulla membrana di vescicole. L’orientamento delle proteine e dei lipidi nella membrana dal compartimento donatore è conservato nella membrana del compartimento bersaglio, mentre le proteine solubili sono trasferite da lume a lume. Lisosomi generati da Golgi N° variabile membrana singola pH nel lume 5 idrolasi acide Malattie da accumulo lisosomiale (es. Tay-Sachs con accumulo di glicolipide nelle cellule nervose) Gli organuli del sistema delle membrane interne lavorano in sinergia Perossisomi I perossisomi hanno un aspetto simile a lisosomi svuotati e demoliscono gli acidi grassi. I perossisomi sono responsabili della degradazione di acidi grassi e composti tossici (sottoprodotti del metabolismo cellulare) –membrana singola –contengono ossidasi e catalasi che degradano i ROS le proteine dei perossisomi provengono dalla via citoplasmatica Mitocondri Organuli con doppia membrana, le centrali energetiche della cellula, in cui avviene la respirazione cellulare, insieme di reazioni che producono ATP in seguito all’ossidazione di molecole Organelli di forma bastoncellare – O.5 - 1 µm di spessore – Fino a 10 µm di lunghezza Le creste differiscono in lunghezza, forma e numero, a seconda delle richieste energetiche della cellula Mitocondri “Classici” Creste a ripiani attraversano metà della matrice Mitocondri Attivi Creste a ripiani strettamente impilate attraverso tutta la matrice Mitocondri delle Cellule Secernenti Steroidi Creste tubulari o circolari • Doppia membrana: membrana mitocondriale esterna e membrana mitocondriale interna, ripiegata in creste, sede delle reazioni che producono ATP, ovvero che convertono l’energia chimica dei nutrienti in energia utilizzabile dalla cellula • Tra le due membrane si trova lo spazio intermembranoso •Delimitata dalla membrana mitocondriale interna si trova la matrice mitocondriale •Una cellula animale può contenere anche alcune migliaia di mitocondri •Un mitocondrio animale contiene 5-10 molecole di DNA mitocondriale, in forma di una singola molecola circolare di DNA a doppia elica Distribuzione dei Mitocondri Tutte le cellule hanno mitocondri La maggior parte dei mitocondri localizzata nella porzione della cellula che ha maggior richiesta energetica Meno abbondanti in quelle cellule che lavorano in condizioni anaerobiche I mitocondri demoliscono i carboidrati e producono ATP Gli organismi eucariotici producono energia (ATP) attraverso il processo della respirazione cellulare, che consente di liberare l’energia immagazzinata nel glucosio usando ossigeno. C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + glucosio energia 36 ATP 1) Nel citosol (non richiede O2) 2) Nella matrice mitocondriale 3) Nella matrice mitocondriale 4) Nella membrana mitocondriale interna MITOCONDRI – ORIGINE ENDOSIMBIONTICA 1. Doppia membrana 2. Proprio genoma (molecola di DNA circolare) 3. Ribosomi simili a quelli dei procarioti I mitocondri si sarebbero originati per endosimbiosi: un piccolo procariote aerobio sarebbe stato inglobato da un eucariote ancestrale anaerobio; successivamente ci sarebbe stato un progressivo trasferimento di geni dal genoma mitocondriale a quello nucleare Il DNA mitocondriale la maggior parte delle proteine mitocondriali sono codificate da geni nucleari, ma alcune di esse sono codificate da geni mitocondriali la fosforilazione ossidativa richiede piu’ di 60 proteine, la maggior parte di esse codificate nel nucleo e trasportate nel mitocondrio Il 93% del DNA mitocondriale e’ codificante Ha una struttura cromatinica diversa (non e’ protetto dagli istoni) Va incontro a numerosi cicli di replicazione ed è piu’ soggetto agli errori della macchina replicativa I meccanismi di riparo sono meno efficienti rispetto a quelli DNA nucleare Alcune patologie genetiche sono originate o correlate ad alterazioni della funzione mitocondriale Patologie come la malattia di Parkinson e la malattia di Alzheimer possono essere correlate a mutazioni del DNA mitocondriale (mtDNA) Mitocondri in una cellula muscolare Fusione e Fissione Fusione necessaria a distribuire il mtDNA alla popolazione di mitocondri, mantenimento di organelli funzionali Fissione distribuire gli organelli a tutti i distretti della cellula, segregazione dei contenuti (mitocondri sani e impoveriti), generazione di variabilità nei fenotipi dei mitocondri per rispondere a necessità diverse nei vari distretti cellulari
