Struttura e funzioni della cellula
Dispense del Corso di Biofisica, Dipartimento di Fisica, Università di Cagliari. A.A.: 2014/2015. Docente: Dott. Attilio Vittorio Vargiu
NB: Queste dispense non sostituiscono il materiale didattico suggerito a piè del programma!
1
NB
Queste diapositive sono state
preparate per il corso di Biofisica
tenuto dal Dr. Attilio V. Vargiu presso il
Dipartimento di Fisica nell’A.A.
2014/2015
Non sostituiscono il materiale didattico
consigliato a piè del programma.
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2
Riferimenti
• Books and other sources
• Biological Physics (updated 1st ed.), Philip Nelson, Chap. 2
• Physical Biology of the Cell (2nd ed.), Phillips et al., Chap. 2
• Understanding DNA (3rd ed.), Calladine et al., Chap. 2
• Biochemistry (5th ed.), Berg et al., Chap. 5
• http://www.chem.uiuc.edu/CLCtutorials/104/
AminoAcidTitrations/SeeIt.html
• Movies
• Exercise
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3
Dimensioni mondo (sub)cellulare
Cellula unità fondamentale degli organismi viventi evoluti
(~1020 in ognuno di noi)
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Evoluzione cellulare
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5
Struttura di batterio (procariote)
Più piccole e semplici delle cellule eucariote (1-100 micron)
• Capsula: rivestimento esterno
• Parete cellulare: rivestimento intermedio
(più rigido della capsula)
• Membrana cellulare: strato interno sottile
e fluido
• Citoplasma: contiene gli organi interni
• Nucleoide: singolo filamento di DNA
• Pili: permettono adesione agli oggetti
esterni
• Flagelli: permettono il movimento (nuoto)
• Ribosomi: assemblaggio proteine
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6
“Stile di vita” procariote
• unicellulari: solitari
• colonie: formano biofilm
• filamentosi: catene di cellule
Nutrizione
• Fotosintesi
• Patogeni: si nutrono di altri organismi viventi
• Decompositori: si nutrono di materia morta
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7
Struttura di una cellula eucariote
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8
Struttura di una cellula eucariote
• Organelli
• Cromosomi
• Multicellulari
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Struttura di una cellula eucariote
Membrana cellulare
“pelle” delicata e flessibile
contenente fosfolipidi e
proteine
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10
Struttura di una cellula eucariote
Nucleo
Comparto delimitato da
membrana che contiene il
materiale genetico (DNA)
ed è provvisto di pori
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Struttura di una cellula eucariote
Nucleolo
• Situato nel nucleo
• Sito sintesi RNA ribosomiale
(rRNA)
• Composto da DNA, rRNA e
proteine
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Struttura di una cellula eucariote
Mitocondri
• Sorgenti di energia cellulari
• Numero proporzionale al
fabbisogno energetico
cellulare
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Struttura di una cellula eucariote
Reticolo endoplasmatico
• Liscio: sede sintesi lipidi e
carboidrati
• Ruvido o rugoso: una delle sedi
sintesi proteica, contiene ribosomi
ancorati alla sua membrana
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14
Struttura di una cellula eucariote
Ribosomi
• Assemblano proteine a partire
da amminoacidi
• Si trovano sia nel reticolo
endoplasmatico sia nel
citoplasma
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Struttura di una cellula eucariote
Apparato del Golgi
• Processa i prodotti che arrivano
dal reticolo endoplasmatico
all’interno di cisterne
• lndirizza i prodotti ai vari
apparati cellulari
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Struttura di una cellula eucariote
Lisozimi
• Cisterne contenenti enzimi digestivi
• Digerisce nutrienti assorbiti dalla
cellula
• Digerisce componenti cellulari
malfunzionanti o esauste
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Struttura di una cellula eucariote
Centrioli
• Coppie di tubi annodati fra loro
• Organizzano e assistono la
divisione cellulare
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Struttura di una cellula eucariote
Citoscheletro
• Fatti da microtubuli
• Fitta rete attraversa il citoplasma
• Mantiene la forma cellulare e
sostiene gli organelli
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Cellula eucariote vegetale
Parete cellulare
• Molto resistente
(cellulosa)
• Incollata alle pareti
cellulari delle cellule
adiacenti
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Cellula eucariote vegetale
Vacuoli
• Grandi cisterne contenenti
acqua
• Contribuisce a mantenere
pressione cellulare
• Siti stoccaggio amidi
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Cellula eucariote vegetale
Cloroplasti
• Contengono clorofilla
• Convertono energia solare
in energia chimica tramite
fotosintesi
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Anatomia cellulare
Componente
Funzione
Procarioti
Eucarioti
Capsula
Protezione contro agenti esterni
(associata a patogenicità)
Si
No
Parete cellulare
Preservare composizione,
forma, e struttura interna
Si
Si nelle cellule vegetali e nei
funghi, non in cellule animali
Membrana cellulare
Controllo flusso sostanze
Si
Si
Organelli
Funzioni varie
No
Si
Nucleo (organello)
Mitocondri/
Cloroplasti
Ribosomi
Contiene materiale genetico
Produzione e stoccaggio
molecole energetiche
Assemblaggio proteine
No
Si
Si
Si, clorosplasti solo in cellule
vegetali
Si
No
Si
Si
No
Cromosomi
Stoccaggio DNA (replicazione)
Nucllide
Stoccaggio DNA
(singolo filamento)
No
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Anatomia cellulare
• Cellule eucariote in generale più grandi e diversificate per geometria e
grandezza.
• Architettura cellulare qualitativamente conservata nei diversi tipi di
cellule.
• Insieme di funzioni basilari comuni a tutti i tipi di cellule.
• Differenti tipi cellulari negli organismi più complessi (multicellulari):
– Funzioni specialistiche in aggiunta alle funzioni basilari
– Cellule organizzate per lavorare in maniera cooperativa nei tessuti
– Tessuti danno vita a organi
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Alcune cellule nel corpo umano…
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Fisiologia cellulare
Fisiologia: insieme di aspetti fisici delle funzioni e strutture
cellulari.
– Trasduzione di energia chimica o radiazione in energia meccanica o in
sintesi (metabolismo).
– Creazione e alterazione propria struttura interna e mattoni
fondamentali (proteine, lipidi, ecc.).
– Replicazione (mitosi, meiosi).
– Mantenimento composizione interna e concentrazioni ioniche (diffusione
passiva, attiva, ecc.).
– Motilità.
– Percezione (sensing): controllo, nutrizione, difesa, attacco, riconoscimento
molecole di segnale, controllo allosterico, apoptosi, ecc.
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Composizione molecolare
Strutture descritte composte da mattoni fondamentali
• Atomi
– solo alcuni (su oltre cento) sono presenti in quantità
apprezzabili nel corpo umano: O, N, C, H, P, S. Anche alcuni
ioni come H+, Na+, K+, Cl-, Ca2+, ecc.
– Altri (Fe, Ni, Cu) presenti in quantità molto limitate.
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Composizione molecolare
Strutture descritte composte da mattoni fondamentali
Molecole
– Acqua (70% della nostra massa corporea)
– Acido fosforico disciolto in ione fosfato e due protoni
(H3PO4 ⇔ HPO42- + 2H+)
– Zuccheri semplici (glucosio, ribosio, saccarosio)
– Nucleobasi (pirimidine e purine)
– Nucleotidi (ATP, dGTP, cAMP, ecc.)
– Acidi grassi e fosfolipidi (POPC, DPPC, ecc.)
– Amminoacidi
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Carboidrati o glucidi
• Molecole contenenti C, H e O, aventi formula generica
Cm(H2O)n e rapporto H:O uguale in genere a 2:1.
– Eccezioni esistono, come il deossiribosio, componente del DNA e con formula
C5H10O4.
• Importanti come fonte di energia nel metabolismo.
• Livello di complessità strutturale molto maggiore delle altre macromolecole.
• In biochimica sinonimo di saccaridi:
– Monosaccaridi
– Disaccaridi
– Oligosaccaridi
– Polisaccaridi
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Carboidrati monosaccaridi
• (CH2O)n n≥3 (glucosio, fruttosio, ribosio).
• Importanti sorgenti di energia (sintesi ATP) e mattoni acidi nucleici.
• Strutture ad anello con 5 e 6 atomi (1 ossigeno).
• Stereochimica: α o β.
α-D-Glucopyranose
β-D-Glucopyranose
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Carboidrati monosaccaridi
• (CH2O)n n≥3 (glucosio, fruttosio, ribosio).
• Importanti sorgenti di energia (sintesi ATP) e mattoni acidi nucleici.
• Strutture ad anello con 5 e 6 atomi (1 ossigeno).
• Esistono come miscela di strutture cicliche e aperte.
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Carboidrati disaccaridi
• Legame glicosidico: fra carboidrato e altro gruppo funzionale (es.: alcool).
• Disaccaridi sono dimeri di monosaccaridi (lattosio, saccarosio, maltosio)
uniti tramite legame glicosidico di tipo α o β.
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Carboidrati disaccaridi
• Legame glicosidico tra due monosaccaridi (lattosio, saccarosio, maltosio)
• Prima riserva di energia
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Carboidrati oligo/polisaccaridi
• Oligosaccaridi: [Cm(H2O)n]x, x compreso generalmente fra 3 e 9.
– Possono formare legami covalenti con amminoacidi in glicoproteine
(presenti sulle membrane e nel citosolo) e con lipidi nei glicolipidi.
– Hanno un ruolo nelle interazioni inter-cellulari.
• Polisaccaridi: Cm(H2O)n con m≥200.
– Cellulosa, amidi, glicogeno, pectina, chitina, ecc.
– Le capsule secrete da alcuni batteri sono composte da spessi strati di
polissaccaridi che ricoprono gli antigeni, ostacolando la risposta
immunitaria.
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Carboidrati oligo/polisaccaridi
Amido: polisaccaride del glucosio
• Riserva fondamentale di energia nelle piante.
• Due strutture principali:
• Amilosio, catena lineare (struttura elicoidale)
tramite legame glicosidico α-1,4.
• Costituisce circa 20% della struttura dell’amido.
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Carboidrati oligo/polisaccaridi
Amido: polisaccaride del glucosio
• Riserva fondamentale di energia nelle piante.
• Due strutture principali:
• Amilopectina, presenta ramificazioni tramite
legame glicosidico α-1,6.
• Rapporto tra legami 1,6 e 1,4 circa 1/24-30.
• Costituisce circa 80% della struttura dell’amido.
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Carboidrati oligo/polisaccaridi
Glicogeno: polisaccaride del glucosio
• Riserva fondamentale di
energia negli animali.
• Struttura simile all’amilopectina,
ma più ramificata (rapporto fra
legami α-1,6 e α-1,4 circa
1/10).
• Sintetizzato a partire dalla
proteina glicogenina.
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Carboidrati oligo/polisaccaridi
Cellulosa: polisaccaride del glucosio
• Componente strutturale
fondamentale del regno
vegetale.
• ~1015 Kg sintetizzati e
degradati ogni anno sulla Terra.
• Struttura planare dovuta a
legami glicosidici β-1,4,
funzionale per costruire fibre ad
alta resistenza.
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Carboidrati oligo/polisaccaridi
Differenza fra legame α-1,4 e β,1-4
• Le strutture aventi legami
α-1,4 tendono ad assumere
una conformazione elicoidale.
• Le strutture costruite da legami
β-1,4 tendono ad assumere
strutture lineari e formare piani
tramite legami idrogeno.
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Nucleobasi, nucleosidi e nucleotidi
• Basi degli acidi nucleici: 5 tipi fondamentali
• 2 classi: purine (2) e pirimidine (3)
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Nucleobasi, nucleosidi e nucleotidi
DNA: A, G, C, T
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Nucleobasi, nucleosidi e nucleotidi
RNA: A, G, C, U
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Nucleobasi, nucleosidi e nucleotidi
• Una base legata covalentemente (legame glicosidico) a una
molecola di (deossi)ribosio o si chiama (deossi)nucleoside.
• La glicosilazione avviene sempre fra l’atomo C1’ dello zucchero e
gli atomi N9 (purine) o N1 (pirimidine) delle nucleobasi.
5’
3’
1’
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Nucleobasi, nucleosidi e nucleotidi
• Si definisce nucleotide un nucleoside legato
a uno o più gruppi fosfato.
5’
• 5’ o 3’ a seconda della posizione in cui
avviene la sostituzione.
5’
3’
1’
5’
3’
3’
5’-ATP Adenosine Tri-Phosphate
3’-dGMP deoxyGuanosine Mono-Phosphate
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Amminoacidi
• 21 tipi diversi di α-aminoacidi negli eucarioti
• Scheletro comune, diverse catene laterali R
• Zwitterionici in soluzione (terminali amino e carbossile)
Neutro Zwitterionico Amina
(base) Carbossile
(acido) Catena laterale Dispense del Corso di Biofisica, Dipartimento di Fisica, Università di Cagliari. A.A.: 2014/2015. Docente: Dott. Attilio Vittorio Vargiu
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Amminoacidi
Molecole chirali (non sovrapponibili a propria immagine allo specchio)
Enantiomers
• Enantiomeri (isomeri ottici) D e L
• Tutti gli aminoacidi esistono nella forma
L durante la traslazione.
• Enantiomeri D da processi post-traslazionali,
nel peptidoglicano, come neurotrasmettitori...
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Chiralità
Esiste piano di simmetria
Se una molecola possiede un piano
di simmetria, un centro di inversione e
un asse improprio di rotazione non
può essere chirale.
Non c’è nessun piano di simmetria
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47
Chiralità
Chiralità parametro essenziale nell’interazione con altre
molecole e con componenti cellulari
L carvone
(profumo di menta)
R carvone
(profumo di cumino)
Recettori dell’olfatto contengono gruppi chirali!
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48
Chiralità
Chiralità parametro essenziale nell’interazione con altre
molecole e con componenti cellulari
L methorphan
(analgesico)
R methorphan
(sedativo tosse)
Molecole con diversa chiralità possono interagire o
meno con recettori aventi diverse funzionalità
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49
Amminoacidi
Maggior parte sono idrofobici
• Alifatici: A, V, I, L, M
• Aromatici: F, Y, W
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50
Amminoacidi
Altri polari: S, T, N, Q (pH 7.4)
Carichi (pH 7.4):
• +: R, H, K
• -: D, E
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51
Amminoacidi
“Speciali”
• C: contiene il gruppo tiolo (SH), è polare e utilizzata per
legami disulfidici
• G: idrogeno come catena laterale, unico achirale
• P: la catena laterale include il legame C-N (idrofobica)
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Amminoacidi
Diversi gruppi funzionali rappresentati
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53
Amminoacidi
Nomenclatura atomi carbonio catena laterale
In alcuni casi gruppo ammino
legato al carbonio β o γ,
da cui β/γ-amminoacidi
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