DOTT.SSA CRISTIANA CARELLI ALINOVI

ccarelli@unicas.it

•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’ESPRES SIONE GENICA•LA TRASMISSIONE DEI CARATTERI EREDITARI•ALIMENTAZIONE E PATOLOGIE

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 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.

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 batteriProtisti : 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 (protistieterotrofi, 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 eucariotiFunghi: 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 animaliorganismi 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 differenziatocellula 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 ècostituita 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 specificitàantigenica.

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 pi ù 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 delim itati 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

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.

Gram-positivia) 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-negativia) membrana citoplasmatica (membrana interna simile a quella dei gram-positivi)b) spazio periplasmaticoc) sottile strato di peptidoglicanod) membrana esterna (non presente nei gram-positivi) e) strato superficiale non sempre presente detto capsula (simile nei gram-positivi)

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-

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 porzion e glicolipidica , chiamata lipide A, un coreoligosaccaridico e una O-Specific Chain, una catena polisaccaridica costituita da 20-40 unitàripetitive che generalmente possono contenere fino ad otto zuccheri.

Il lipopolisaccaride è tossico e attiva il sistema immunitario.

LIPOPOLISACCARIDE

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 polisaccaridicagenere 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 (chemiosinteticiche ossidano rame, molibdeno, arsenico, ecc.).

• Batteri azotofissatori : fissano l’N2 atmosferico. Azotofissatori si trovano nei piùdiversi 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 èripiegata 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, eubatterich e ed eucariotiche

Eubatteri Archeobatteri Eucarioti

Comportamenti strutturali

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

Struttura, trascrizione e traslazione genetica

Introni nei geni Assenti Rari comuni

Trascrizione accoppiata con traslazione

Si ? no

mRNA poligenico Si ? no

Poliadenilazioneterminale di mRNA

Assente Presente presente

Forme delle subunitàribosomiche

30S,50S 30S,50S 40S,60S

Amminoacido trasportato dall’iniziatore tRNA

formilmetionina Metionina Metionina

Processi metabolici

Fosforilazione ossidativa membrana dipendente membrana dipendente nei mitocondri

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 materialireticolo 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 clorofillianagrandi vacuoli , per l'accumulo di acqua e biomolecoleparete 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 perce ntuale di glucidi, in forma di glicoproteine e glicolipidi, e di molecole di colesterolo che la st abilizzano. presiede all‘ omeostasi cellulare, grazie alla sua p ermeabilità selettiva. partecipa a funzioni complesse: esocitosi (secrezio ne), endocitosi (ingestione di sostanze esterne mediante la formazione di vescicole), adesione e mo vimento cellulare ameboide (es. leucociti).

Per la sua posizione di interfaccia, la membrana pl asmatica, oltre alla funzione strutturale, svolge tre funzioni essenzial i:

la funzione di filtro selettivo , che lascia passare alcune sostanze piuttosto che altre, assicurando così l'integrità biochimica de l 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 produzio ne di messaggeri intracellulari, come le fosfolipasi e la sfingomiela si, che idrolizzano i fosfolipidi di membrana, e l’adenilciclasi, che sin tetizza AMP ciclico.

Le cellule, necessitano di comunicare con l’ambient e extracellulare, in modo da organizzare al loro interno le attività mole colari che possono regolare un determinato processo o evento biochimic o. Tale comunicazione può avvenire tramite segnali molecola ri, 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 mo lecola segnale.

MODELLO A MOSAICO FLUIDO

Struttura dei Fosfolipidi

polare(idrofilico)

gruppo di testa

doppio

testa

code

legame cis(idrofobiche)

code nonpolari

Il modello a mosaico fluido è un modello della struttura della membrana cellular e. Proposto nel 1972 da Singer e Nicolson, detto anche modello Sing er-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 s pecifiche. La mobilità delle proteine può essere inoltre ulteriormente ristretta sia dai legami prot eina-proteina o proteina-lipidi, sia dalle interazioni delle proteine con il citoscheletro, co n 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 sv olte dalla

membrana

a. Proteine di membrana periferiche legate alla superfic ie della

membrana

b. Proteine di membrana integrali – contengono domini

idrofobici e idrofilici ���� anfipatiche

c. Glicoproteine (integrali) – contengono molecole gluci diche

���� recettori di superficie

Classi di Proteine di Membrana

periferiche

integrali

superficeextracell .

Superficecitosolica ancorate

ancorate

Molecole indesiderabili, microorganismi ecc.

Molecole nutritizie

Componentiintracellulari

Molecole nutritiziedesiderabili

Prodotti metabolici inutili

La membrana plasmatica è una barriera selettiva

Proprietà della membrana

1. Barriera Selettiva - Circondare la cellula per mantenere organelli, enzi mi,

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

bilayerlipidico

• I gas diffondonorapidamente

gas O2

CO2

N2

piccolemolecolepolari non cariche

gliceroloetanolo

• Col tempo, piccole molecolepolari non cariche diffondonoattraverso un bilayer lipidico

grossemolecolepolaricariche

amino acidiglucosionucleotidi

ioniH+,Na+,HCO3

-,K+

Ca2+,Cl, Mg2+

• Grosse molecole polari non cariche, molecole polaricariche e ioni non permeano

ioni

• Molecole solubili nei lipiditendono a diffondere

molecolelipofile

ormonisteroidei

Transporto attraverso la membrana• Il bilayer lipidico è practicamente impermeabile allemolecole idrofile

• Le cellule richiedono di importare nutrimenti solubili in acqua (zuccheri, aminoacidi, etc), eliminare prodotti didegradazione e controllare la concentrazione ionica (H+, Na+, K+, Ca2+, etc)

• Ciò richiede proteine di trasporto per facilitarel’ingresso/uscita attraverso la membrana di molecolespecifiche

• Ciascun tipo di membrana ha un set caratteristico diproteine di trasporto che determinano il tipo di soluti chepossono entrare/uscire dalla cellula

bilayer lipidicoartificialesenza proteine

membranecellulare

Proteine di trasporto2 principali classi di proteine di trasporto:

Proteine CarrierLegano il soluto da un latodella membrana e lo trasportano dall’altro lato con un cambiamento diconformazione della proteina

Proteine CanaleFormano pori idrofilici nellamembrana attraverso cui certi ioni possono diffondere

soluto ione

bilayerlipidico

sito di legame del solutoporo 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 mol ecola che deve essere trasportata

Cambiano di conformazione per rilasciare il substra to dall’altro lato

Ritornano alla conformazione originale per legare u n’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 : consiste nel passaggio di molecole secondo gradie nte. Per tale passaggio non èrichiesto l’utilizzo di energia biochimica (come AT P). Esso può essere mediato da proteine di membrana .

Diffusione semplice : è un tipo di trasporto che non necessita di nessun sistema proteico. Èdefinito semplice perché le molecole che sfruttano q uesto trasporto sono tutte apolari, cioè capaci di diffondere attraverso il doppio strato lipidico (an ch’esso apolare). Tali molecole hanno solitamente l e caratteristiche dei lipidi. In questo tipo di trasp orto, il gradiente di concentrazione è favorevole. N on c'èpertanto una spesa energetica in termini di ATP per spingere la molecola dall’altra parte della membra na

Diffusione facilitata : differisce da quella semplice perché sono presenti de lle proteine trasportatrici, proteine di membrana che facilitano ed aumentano la velocità del passaggio di una determinata molecola, attraverso la formazione di l egami deboli, necessari per facilitare il rilascio d ella molecola dall’altra parte della membrana. In questo tipo di trasporto, il gradiente di concentrazione èfavorevole, ed è di segno positivo, pertanto non c’è una spesa energetica (in termini di ATP) per spinge re la molecola dall’altra parte della membrana.

Osmosi : rappresenta un tipo particolare di diffusione fac ilitata. Indica la diffusione del solvente attraverso una membrana semipermeabile dal comparti mento a maggior potenziale idrico (concentrazione minore di soluto) verso il compartimento a minor po tenziale 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 dilui re la soluzione più concentrata, e a ridurre la differe nza di concentrazione.

TRASPORTO PASSIVO

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 (AT P).

Trasporto attivo primario : mediato da proteine di membrana trasportatrici di s oluti. Si occupa di trasferire molecole contro un gradiente di concentrazione, richiedendo la pres enza di ATP (si verifica quindi una spesa energetic a). Il trasporto attivo primario è in grado di generare un gradiente di conc entrazione ed un gradiente elettrico a cavallo dell a membrana cellulare (come avviene, ad esempio, quando vengono trasposta ti degli ioni). Lo spostamento di un soluto dall’al tra parte della membrana, ad opera della proteina di membrana, è str ettamente legato alla reazione esoergonica della con versione dell’ATP in ADP e fosfato inorganico..

Trasporto attivo secondario Si parla di trasporto attivo secondario quando il t rasporto di una molecola (A) contro gradiente èpermesso dal gradiente di un'altra molecola (B) pre cedentemente creato da un trasporto attivo primario . Infatti è necessario che si verifichi prima il trasporto endoergonico (che cioè r ichiede energia) di B, affinché si accumuli da un la to della membrana. Successivamente si verifica il trasporto esoergonic o di B nella direzione del gradiente, creato precede ntemente dal trasporto attivo primario. Tale trasporto esoergonico è solitamente ac coppiato al trasporto contro gradiente di A. Tale ac coppiamento è definito cotrasporto ed è realizzato da proteine intrinseche della membra na cellulare capaci di riconoscere le molecole A e B. Solitamente B èuno ione, sodio o protone, che viene chiamato ione trainante (driver).

Esistono due tipi di cotrasporto :

SIMPORTOANTIPORTO

Tra i trasporti secondari :

Na+/glucosio simporto; Na+/amminoacidi simporto; Na+/Ca2+ antiporto; Na+/H+ antiporto.

TRASPORTO ATTIVO

molecola trasportata ione co-transportato

ione contro-transportato

Uniporto Simporto Antiporto

Trasporti accoppiati

Alcune definizioni

Trasporti AttiviIl trasporto di un soluto contro un gradiente elettrochimicorichiede l’utilizzo di energia

Due strategie sono adottate dalle cellule animali:

Pompe ATP-dipendenti Trasporti accoppiati

Trasporto in salita di unamolecola accoppiatoal trasporto in discesa diun’altraTrasporto in salita

accoppiato direttamenteall’idrolisi dell’ATP

Gradiente elettrochimico

bilayerlipidico

diffusionesemplice

mediatada canale

mediata dacarrier

trasportopassivo

trasportoattivo

proteinacarrier

gradiente diconcentraz.

molecola trasportata

Trasporti passivi e attivi a confronto

Molecole di grandi dimensioni possono penetrare all ’interno delle cellluleattraverso il meccanismo dell’ ENDOCITOSI.

Una porzione della membrana tende ad invaginarsi ve rso il citoplasma, includendo la sostanza da trasportare. La vescicola che si forma si distacca dalla membrana s tessa.

ESOCITOSI: vescicole citoplasmatiche contenenti materiale da espellere si fondono con la membrana

NUCLEO

Il nucleo contiene il materiale genetico, cioè l’aci do desossiribonucleico (DNA), che determina le cara tteristiche morfologiche e biochimiche specifiche di ciascun ti po cellulare e ne controlla le attività metaboliche. . Il DNA non si trova libero nel nucleo ma è combinato con protei ne strutturali a formare la cromatina . Nelle cellule che si stanno dividendo la cromatina si condensa a costitu ire formazioni intensamente colorabili denominate cromosomi , che sono presenti in numero costante nelle cellul e degli individui di una stessa specie Nel nucleo avvengono attività biosintetiche come la replicazione e la riparazione del DNA, la trascrizione e la mod ificazione di DNA e RNA

Oltre alla cromatina il nucleo contiene uno o più ev identi nucleoli ; questi sono corpi tondeggianti che si colorano intensamente per il loro contenuto in acido ribonuc leico (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.

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”.

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

RIBOSOMI

I ribosomi sono particelle compatte, costituite da ribonucleoproteine, più o meno ancorate al versante esterno delle membrane del ret icolo endoplasmatico oppure possono trovarsi libere nel citoplasma. Formano i poliribosomi

Sono presenti in tutte le cellule procariotiche ed e ucariotiche. Assicurano la sintesi delle proteine assemblando gl i 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 dispos izione 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 sis temazione 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 m olecola di mRNA che funge da messaggero. Le informazioni contenute nel DNA vengo no trascritte sotto forma di RNA. La trascrizione è la sintesi di una copia complementare di un filame nto di DNA sotto forma di una molecola di mRNA, che porta l’in formazione genetica del DNA. Il ribosoma ha come funzione essenziale quella di l eggere il messaggio proveniente dal DNA e di tradurlo, e la traduzione consiste nella s intesi 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

È delimitato da una doppia membrana : quella esterna permette il passaggio di piccole molecole, quella i nterna èselettivamente permeabile e ripiegata in estrofless ioni chiamate creste mitocondriali che ne aumentano la superficie. Questo permette di disporre di un numer o maggiore di complessi di ATP sintetasi e di fornire pertanto maggiore energia.Le due membrane identifica no due differenti regioni: lo spazio intermembrana cioè quello interposto tra la la membrana esterna e quella inter na, e la matrice , spazio circoscritto dalla membrana interna.

E’ la centrale energetica della cellula : infatti esso ricava energia, dalle sostanze di nu trimento attraverso il processo denominato respirazione cellulare. L'energ ia ricavata viene accumulata “dentro a molecole”, d i rifornimento che costituiscono la valuta energetica " della cellula.

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.

Sono organelli mobili e tendono a localizzarsi nei s iti di massima richiesta energetica. Il loro numero nelle cellule è molto variabile: le cellule e patiche contengono circa 2000 mitocondri, mentre le cellule inattive ne contengono molto poch i

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 mitocondri2)Geni per 25 tRNA3)Geni per una proteina della subunità ribosomiale ma ggiore

CELLULA VEGETALE

PARETE CELLULARECLOROPLASTO

parete cellulare costituita da cellulosa, un polimero la cui unità elementare è il glucosio, proteine ed, a seguit o 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 un a membrana, detta tonoplasto) che occupano gran parte della cellula e la cui funzione principale è quella di man tenere il turgore cellulare. Sono implicati nel controllo del passaggio di molecole dalla linfa al citosol, nel manteniment o del pH ottimale del citosol, e svolgono funzioni di riserv a di varie sostanze.

Il cloroplasto è un tipo di organulo presente nelle cellule delle piante e nelle alghe eucariotiche. All’interno di questi organuli si svolge il process o 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 disch i 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 s ono 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 co nsentono all’organello di sintetizzare alcune delle proteine che gli sono nec essarie, ma non tutte: molte proteine del cloroplasto sono codificate da geni pr esenti nel nucleo della cellula, tradotte nel citoplasma e poi indirizzate al clorop lasto. All’interno dello stroma si trovano le membrane til acoidali o tilacoidi , dove avvengono le prime fasi della fotosintesi. Lo spazi o interno ai tilacoidi si chiama lumen.

CLOROPLASTO