LA CELLULA EUCARIOTEPSICOBIOLOGIA – LEZIONE NR. 7

Fig. 4.1

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. 4.2

Le cellule eucariote posseggono un nucleo differenziato

ed una enorme complessità strutturale, inoltre le loro

dimensioni possono variare enormemente.

Fig. 4.3 e 4.4

Microtubuli

Microtubuli

Il nucleo e la cromatinaIl 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

Fig. 4.5

Il nucleo e la cromatinaNegli 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 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

Fig. 4.7

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 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.

Il reticolo endoplasmatico

Fig. 4.28

Le membrane cellulari

Il ruolo del RE rugoso: sintesi delle proteine di secrezione

Ribosomi

Costituito da amminoacidi idrofobi, indirizza il ribosoma al

REr

Particella di riconoscimento del segnale

(proteine+RNA)

Peptidasi

del segnale

Fig. 4.31

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

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.

I’apparato del Golgi

Fig. 4.34

Le membrane cellulari

Il ruolo dell’apparato del Golgi

Le membrane cellulari

La via secretoria

Fig. 4.30

Le membrane cellulari

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. 4.34

Fig. 4.35

Microtubuli

I mitocondri

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

I mitocondri possiedono una

membrana esterna ed una

membrana interna fortemente

ripiegata (creste mitocondriali). E

quindi due distinti compartimenti:

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 mitocondriL’origine dei mitocondri, teoria endosimbionticaPrima 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

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)

Fig. 4.37

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

I mitocondri

Fig. 4.38

I mitocondriRuolo 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 beta-

tubulina. 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 cellulareSebbene 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