11/10/16%

1%

Web site http://users.unimi.it/aluciano/didattica/home.html

La cellula non è un contenitore casuale

Per realizzare tutto questa complessità la cellula ha bisogno di organizzazione

... è l’unità fondamentale morfologica e funzionale dei viventi, in grado di compiere l’insieme dei processi fondamentali biologici, cioè capace di vita autonoma ed in grado di replicarsi

la cellula...

...in base alla complessità organizzativa si dividono in cellule procariotiche ed

eucariotiche

•  dimensioni: da 1 a pochi micron (µm)

•  forma: sferica (cocchi) bastoncellare (bacilli) elicoidale (spirilli)

•  doppia membrana (±) •  Parete (proteoglicani) •  Nucleoide (�cromosoma� batterico o

genoforo)

•  Eterotrofi e autotrofi

•  Assenza dell’involucro nucleare e del sistema membranoso interno

Procarioti

11/10/16%

2%

Complessità cellulare: la cellula eucariotica

Darnell - Molecular Cell Biology

Organizzazione ed ordine: ENERGIA

ENERGIA: la capacità di compiere un lavoro

ENERGIA: la capacità di compiere un lavoro Cinetica Potenziale (legami) Radiante (fotoni) Gradienti (concentrazioni)

11/10/16%

3%

Quali forme di energia? Le principali forme di Energia sono quella CINETICA e quella POTENZIALE CINETICA energia del movimento, il moto di una molecola e. termica Negli animali superiori nel meccanismo di termoregolazione La cellula non è in grado di utilizzare gradienti di temperatura per compiere un LAVORO POTENZIALE o e. immagazzinata > reazioni chimiche che liberano energia RADIANTE: dai FOTONI di luce all’energia potenziale nei legami della molecola di glucosio (fotosintesi) GRADIENTI di concentrazione: si creano quando due soluzioni a diversa concentrazione sono separate da una membrana semi-impermeabile

Energia di legame…

1. Legame ad idrogeno

Legami deboli:Sono responsabili dell’architettura tridimensionale delle grandi molecole biologiche Si formano e di rompono in condizioni di bassa energia

solvatazione

Legami forti:

Legame covalente: condivisione di elettroni

Legame ionico legame tra atomi con forte differenza di elettronegatività > dipolo ineguale > formazione di ioni

2. Interazioni di van der Waals Interazioni “istantanee” dovute alla formazione transitoria di dipoli tra gli atomi di molecole vicine 3. Interazioni idrofobiche Tipiche delle molecole apolari, che non possiedono dipoli e non si idratano

Molecole e informazione...

PKA

Composizione Chimica della Materia Vivente (Protoplasma)

75-85% Acqua 10-20% Proteine 2-3% Lipidi 1-1.5% Acidi Nucleici 1% Glucidi 1% Sali Minerali Tracce Oligoelementi (Mn, Co, Zn, Cu, I, Br,

Se, Va, Al)

11/10/16%

4%

L’ACQUA Dipolo magnetico Elevata capacità di solvatazione Alto calore specifico calore specifico: quantità di calore necessaria ad elevare di 1°C la temperatura di 1 grammo di acqua ACQUA DI IDRATAZIONE (40%) - Ordinata basso contenuto entropico > interazione con le macromolecole: è l’acqua strettamente necessaria al funzionamento dei componenti molecolari della cellula ACQUA DI RIEMPIMENTO (“bulk water”) - disordinata alto contenuto entropico > equilibrio osmotico, diffusione, solvatazione elettroliti, …

OSSIGENO IDROGENO

(+) (+)

(-) SALI MINERALI

Omeostasi ionica (equilibrio ionico, pressione osmotica, pH intra- ed extra cellulare) Na+, K+, Cl- : Ioni di regolazione della permeabità di membrana (Na+, Cl- out, K+ in); regolazione attività enzimatica Ca 2+:Fosfato di calcio (ossa, denti) Attività contrattile (muscoli) ed eccitazione delle fibre nervose HPO4

2-: Sistema tampone Legami ad alto livello energetico (ATP, GTP) Fosfolipidi, proteine, nucletidi, messaggeri chimici (cAMP, cGMP) Mg 2+: Fosfato di magnesio (ossa); sistemi enzimatici SO4

2-: Struttura proteica (collagene, cheratina) HCO3

-: Trasporto CO2, sistema tampone Fe 2+: emoglobina, trasporto elettroni Conformazione (acidi nucleici, clorofilla, …)

COMPONENTI ORGANICI

CARBOIDRATI, LIPIDI, PROTEINE, ACIDI NUCLEICI

ACIDI NUCLEICI

POLISACCARIDI

GRASSI, LIPIDI E MEMBRANE

PROTEINE

zucchero

acido grasso

aminoacido

nucleotide

CARBOIDRATI, LIPIDI, PROTEINE, ACIDI NUCLEICI Comprendono molecole piccole (100-200 dalton) fino a macromolecole (5000-10 000 dalton). Tutte le macromolecole sono polimeri, cioè formati da unità che si

ripetono, i monomeri, legate tra loro da legami covalenti OMOPOLIMERI > combinazione di monomeri identici (amido, glicogeno) ETEROPOLIMERI > combinazione di monomeri di 2 o più specie molecolari

(proteine, acidi nucleici)

11/10/16%

5%

richiede energia

LA FORMAZIONE DEI POLIMERI SI REALIZZA ATTRAVERSO UNA REAZIONE DI CONDENSAZIONE CON PERDITA DI UNA MOLECOLA DI H20 PER OGNI LEGAME CHE SI FORMA TRA UN MONOMERO E L’ALTRO >>> RICHIEDONO ENERGIA

ENZIMA ENZIMA

si libera energia

LA REAZIONE INVERSA SI CHIAMA IDROLISI E PROVOCA IL DISTACCO DEL LEGAME TRA UN MONOMERO E L’ALTRO >> LIBERANO ENERGIA

QUALI MONOMERI E POLIMERI?

MONOSACCARIDI I più importanti:

Pentosi (5C): Ribosio e desossiribosio

CARBOIDRATI

Esosi (6C): Glucosio, fruttosio, galattosio

11/10/16%

6%

OLIGOSACCARIDI

α Glu - β Glu α Glu - β Fru

β Gal - β Glu

CARBOIDRATI POLISACCARIDI (famosi…)

α Glucosio

β Glucosio

CARBOIDRATI

CARBOIDRATI

Glicosaminoglicani Proteoglicani Glicoproteine li vedremo nel contesto più avanti…

LIPIDI Non idrolizzabili - Semplici Acidi carbossilici a lunga catena (4-24C)

!

!

C 16

C 18

C 18

11/10/16%

7%

LIPIDI Idrolizzabili - Semplici Esteri degli acidi grassi con alcooli I gliceridi (glicerolo + ac. grassi) sono la classe principale Si suddividono in mono- di- e tri- gliceridi Sono accumulati come riserve

!

LIPIDI Idrolizzabili - Complessi Molecole anfipatiche (sono caratterizzate dalla presenza di residui idrofilici e idofobici) Tendono a formare spontaneamente in soluzioni acquose doppi strati lipidici con proprietà simili alle membrane (bilayer) > vedi avanti

!

> altri Lipidi STEROLI famiglia di molecole con proprietà anfipatiche (-OH) Strutturali: Colesterolo (membrana plasmatica > fluidità) Funzionali: Ormoni steroidei (surrene, gonadi), vitamine, ormoni vegetali (fitosteroli)

!

PROTEINE Eteropolimeri costituiti dalla possibile combinazione di 20 diversi aminoacidi

PROTEINE

!

Note: -COOH acido; -NH2 basico a seconda della catena laterale R possono essere: polari (acidi o basici) non polari (alifatici, aromatici) >>>>>> vedi successiva

11/10/16%

8%

Struttura delle proteine Il legame tra un aa e l’altro avviene attraverso una reazione di condensazione, con perdita di H2O e viene chiamato legame peptidico La catena di aa è chiamata catena polipeptidica

NH2-CHR1-COOH + NH 2-CHR2-COOH

NH2-CHR1-CO-NH-CHR2-COOH + H2O

!

Struttura primaria:lineare;

la sequenza aminoacidica

La funzionalità di una proteina è definita dalla sua conformazione spaziale che a sua volta è determinata dalla sua struttura primaria

Struttura secondaria:α elica o ß-sheet;

è determinata da interazioni deboli (ponti di H) intracatena, tra differenti

residui aminoacidici

11/10/16%

9%

Principali strutture secondarie regolari:

α elica e ß-sheet;

P. es.: Cheratina (capelli, l. cornee)

Frequente, quando non ingombri sterici (per es. catene alpha del collagene)

!

Struttura terziaria:globulare;

dovuta ad interazioni forti(ponti di -S-S-) intracatena,

tra differenti residui aminoacidicidella catena stessa

!

Legami disolfuro e Struttura terziaria

Struttura quaternaria: globulare complessa;

dovuta ad interazioni forti (ponti di -S-S-) tra più subunità

polipeptidiche

11/10/16%

10%

ACIDI NUCLEICI acido desossiribonucleico (DNA) e acido ribonucleico (RNA)

Unità del polimero: nucleotide Ogni nucleotide è composto di 3 “blocchetti”: Acido Fosforico + Pentoso 5C + base azotata

ACIDI NUCLEICI

ACIDI NUCLEICI Struttura primaria: la sequenza dei nucleotidi

Legame fosfodiesterico

Che reazione è?

ACIDI NUCLEICI Struttura secondaria: la disposizione spaziale

DNA

11/10/16%

11%

ACIDI NUCLEICI Struttura secondaria: la disposizione spaziale

DNA A DOPPIA ELICA

ACIDI NUCLEICI

DNA E

RNA

MATERIA ENERGIA INFORMAZIONE

Central dogma

Trascrizione

Traduzione

Replicazione

Replicazione

11/10/16%

12%

a b c d e f g h i l m n o

a b c d e f g h i l m n o

a b c d e f g h i l m n o

a b c d e f g h i l m n o

a b c d e f g h i l m n o

Forma Dimensione Funzione (meccanica, conduzione, riserve ecc.) ….

Le membrane biologiche

11/10/16%

13%

Le membrane biologiche Membrana cellulare o m. plasmatica o plasmalemma:

sottile involucro che delimita materialmente la cellula, separandola dall’ambiente esterno

in out

Struttura delle membrane La struttura delle membrane si basa sul modello a mosaico fluido (Singer & Nicolson, 1972)

•  Doppio strato di molecole lipidiche con caratteristiche sia idrofile che idrofobiche

•  Le regioni lipidiche delle molecole sono rivolte all’interno dello strato impedendo il movimento di molecole polari attraverso la membrana; le parti idrofile sono rivolte verso l’ambiente idrofilo ai due lati della membrana

Membrana unitaria DIMENSIONI: 7-10 nm

Plasma membrane of two adjacent cells showing trilaminar structure. TEM X185,000

11/10/16%

14%

Lipidi Fosfogliceridi Sfingolipidi Fosfolipidi

+ colina + etanolamina + serina + inositolo

Polare

Apolare

Fosfogliceridi (i più abbondanti)

Sono costituite da quantità variabili di: • LIPIDI 30-50% • PROTEINE 50-70% • Carboidrati 1-10% (Glicolipidi e Glicoproteine)

Composizione delle membrane

Composizione delle membrane

66

Steroli • Molecola a 4 anelli a cui è legata una catena alifatica • struttura planare e rigida • debolmente polari (-OH)

Funzione strutturale Colesterolo e steroli, inseriti nel doppio strato fosfolipidico, interferiscono con l’impacchettamento della membrana causando “disturbi sterici” che influenzano le proprietà di fluidità della membrana plasmatica Impedisce solidificazione < Tm > impedisce eccesiva fluidità Altro: membrana come “serbatoio dinamico” di steroli

11/10/16%

15%

Fattori che influenzano le proprietà fisiche:

-C=C-

Il grado di saturazione influenza: il grado di fluidità della membrana, l’ attività di recettori, enzimi, trasportatori… Per esempio: Mammiferi ibernanti (37 > 5°C) => aumento del grado di insaturazione delle catene aciliche

- Lunghezza delle catene aciliche - Grado di insaturazione - Contenuto di colesterolo

Rotazione

Diffusione bidimensionale

Proteine

1. Proteine Intrinseche •  proteine globulari (struttura terziaria) •  penetrano nel bilayer lipidico anche completamente (trans-membrana) •  le porzioni immerse sono caratterizzate da residui aminoacidici idrofobici 2. Proteine Estrinseche •  superficie interna o esterna della membrana •  idrofile, si legano in modo non covalente alle superfici polari della membrana

spanning domains

11/10/16%

16%

Carboidrati e membrane Sono oligosaccaridi associati a glicolipidi e glicoproteine

Più abbondanti sulla superficie esterna della membrana

Costituiscono il rivestimento glucidico cellulare => GLICOCALICE

Carboidrati Sono associati a glicolipidi e glicoproteine Oligosaccaridi: Mannosio Fucosio Galattosio Glucosamina Acido sialico

Nelle glicoproteine: Si legano al gruppo -NH2 di residui di aspargina o al gruppo -OH di residui si serina, treonina, idrossiprolina o idrossilisina

Più abbondanti sulla superficie esterna della membrana Costituiscono il rivestimento glucidico cellulare => GLICOCALICE

Glicolipidi

Riconoscimento Stabilizzazione Adesione Signaling

Glicoproteine: ABO

11/10/16%

17%

The erythrocyte glycocalyx.

Roseman S J. Biol. Chem. 2001;276:41527-41542

©2001 by American Society for Biochemistry and Molecular Biology

Figure 6 DEFB126 mutation, sperm glycocalyx structure and infertility

Tollner, T. L. et al. (2012) Multifunctional glycoprotein DEFB126—a curious story of defensin-clad spermatozoa Nat. Rev. Urol. doi:10.1038/nrurol.2012.109

Electron micrograph of a proteoglycan aggregate purified from calf epiphyseal cartilage.

Roseman S J. Biol. Chem. 2001;276:41527-41542

©2001 by American Society for Biochemistry and Molecular Biology

Glicoproteine e proteoglicani Matrice pericellulare o glicocalice

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18%

Glicoproteine e glicosaminoglicani

Matrice pericellulare o glicocalice Funzioni del glicocalice

catalisi enzimatica

riconoscimento Inibizione, attività recettoriale (ormoni, fattori di crescita…)

adesione non giunzionale tra cellule o ai substrati

assorbimento

carica elettrica

filtro-barriera

•  Fenomeni di riconoscimento cellulare •  Adesione “non giunzionale” tra cellule •  Inibizione da contatto •  Adesione a substrati •  Fusione cellulare •  Attività recettoriale (ormoni, fattori di crescita...)

Funzioni del glicocalice

•  Fisiologico/Informazionale/strutturale •  BARRIERA SELETTIVA (Omeostasi,Trasporti ...) •  ADESIONE INTER-CELLULARE (glicocalice,

sistemi giunzionali e non giunzionali) •  RICONOSCIMENTO CELLULARE (recettori,

sistemi enzimatici, trasduzione del segnale, interazione cellulare)

MEMBRANE: FUNZIONI

11/10/16%

19%

Barriera selettiva

Osmosi e trasporti…

Le membrane biologiche sono semi-impermeabili

Acqua, piccole molecole liposolubili e gas riescono a superare il doppio strato lipidico Le molecole polari sono in grado di attraversare la membrana solo per mezzo di proteine trasportatrici

Diffusione semplice e osmosi

La sostanza si sposta per agitazione termica verso destra secondo gradiente di concentrazione fino a che C1 = C2 l’energia libera ΔG = - RT ln C1/C2 l’energia libera è funzione della differenza di concentrazione tra i due compartimenti. (=> energia e gradienti di concentrazione)

Diffusione semplice e osmosi

In un sistema biologico, i due ambienti sono separati da una membrana semimpermeabile che cioé è in grado di far passare il solvente ma non i soluti

Diffusione semplice e osmosi

Osmosi: movimento di acqua da un compartimento meno concentrato ad uno più concentrato La pressione osmotica è la pressione che si genera a livello della membrana semimpermeabile e dovuta al movimento di acqua al fine di eguagliare le concentrazioni nei due compartimenti (C1=C2) In molte cellule animali osmolarità fisiologica 260 – 280 mOsm/Kg ( => sistemi in vitro)

11/10/16%

20%

maggior parte delle cellule animali osmolarità 260-280 mOsm/Kg (> colture in vitro)

Trasporti: passivo e attivo

Addendum

Na+ Cl-

!

Trasporto attivo diretto (Na/K)

OUT

IN

K+

11/10/16%

21%

Na+ Cl-

Traporto attivo indiretto (simporto Na+- Glu)

!K+

OUT

IN

Molecole e informazione...

11/10/16%

22%