ANATOMIA DELLA CELLULA PROCARIOTE ED EUCARIOTE, Appunti di Biologia

Scarica ANATOMIA DELLA CELLULA PROCARIOTE ED EUCARIOTE e più Appunti in PDF di Biologia solo su Docsity! SCIENZE DI BASE prof.ss Maura Francolini BIOLOGIA APPLICATA Comparsa della vita sulla terra: - Formazione della terra: 4,5 miliardi di anni fa - Comparsa dei primi organismi procarioti: 3,7 miliardi di anni fa - Comparsa dei primi organismi eucarioti: 1,5 miliardi di anni fa - Comparsa dei primi organismi pluricellulari: 0,5 miliardi di anni fa - Comparsa dell’uomo sulla terra: 500 000 anni fa LIVELLI DI ORGANIZZAZIONE DELLA MATERIA VIVENTE Il livello di organizzazione della materia di rilevanza per l’infermiere è il paziente, l’individuo. All’interno del nostro pianeta la materia si organizza in 12 livelli (atomo, molecola, organelli, cellula, tessuto, organo, sistemi di organi o apparato, organismo umano o animale, popolazione, comunità, ecosistema, biosfera)  I diversi livelli derivano dall’aggregazione di più livelli precedenti.  Fanno parte della popolazione individui della stessa specie che coesistono nello stesso spazio geografico nel medesimo arco temporale. Spostandomi lungo i diversi livelli, aumenta notevolmente la complessità dei diversi elementi. Quando si studia la patogenesi della condizione dei pazienti va ricercata negli elementi più semplici (organelli, cellule, tessuti…). Ad esempio le malattie mitocondriali hanno origine negli organelli e sono causate prevalentemente da mutazioni del genoma. In tutte quelle circostanze in cui il sintomo deriva da circostanze esterne permette di ricercare la patologia in livelli più esterni. Bisogna sempre quindi ricercare le cause in tutti i diversi livelli di organizzazione.  SINTOMO: insorge dall’interazione di diverse cause fattoriali, da un background genetico e da diverse cause esterne. CELLULA Piu piccola unità definita che costituisce la materia vivente (questa definizione viene utilizzata per la prima volta nel 1653 da Hooke: scienziato che si occupa di costruire i microscopi ottici, con i quali esamina tessuti biologici. La prima analisi viene fatta su una fetta di sughero e lo porta a concludere che la corteccia sia costituita da moltissime subunità individuali, che chiama cellule. Questo nome deriva dal fatto che la loro composizione e la loro struttura ricordano a lui le celle dei monaci del convento). Analizzando oggi il sughero possiamo identificare la parete cellulare del vegetale e tutte le strutture che lo costituiscono. TEORIA CELLULARE La definizione di cellula viene un pochino ridefinita, infatti nella prima metà del 19 secolo viene definita la teoria cellulare (1839-1855) postulata da Schwann, Schleiden e Virchow. Tale teoria si basa prevalentemente su tre punti fondamentali: - La cellula è l’unità di base di tutti i viventi - Tutti gli organismi viventi sono costituiti da una o più cellule (possono quindi essere o unicellulari o pluricellulari) - Nuove cellule possono derivare soltanto da cellule preesistenti Viene meno così l’ipotesi della generazione spontanea, una credenza alla quale molti facevano affidamento fino a quel tempo: vi era l’ipotesi che dalla carne lasciata all’aperto nascessero le mosche. Fino all’inizio dell’800 la credenza era quella della generazione spontanea delle mosche dalla carne, venne invece ipotizzato che le mosche nascono solo nel momento in cui altre mosche depongono le uova. Dalla seconda metà dell’800 ad oggi, grazie all’acquisizione di nuove conoscenze e grazie allo sviluppo di nuove tecniche si è arrivati a concludere una nuova teoria cellulare (gettate le basi dello studio di genetica e biochimica). Viene integrata la teoria cellulare - Ogni cellula è caratterizzata da flussi di energia - L’informazione genetica è trasmessa da cellula a cellula - Tutte le cellule hanno la stessa composizione chimica di base LA CELLULA OGGI Oggi la cellula è un’unità discreta, infatti tutte le cellule sono delimitate da una membrana cellulare o plasmatica che rappresenta un confine tra un ambiente interno (citoplasma) e uno esterno (spazio extracellulare), ambienti caratterizzati da diversa composizione chimica. Una cellula deve essere dotata della capacità di autoreplicarsi. Al fine della sopravvivenza della cellula, sono presenti al suo interno delle strutture in grado di permettere gli scambi tra interno ed esterno, mediando tutte le interazioni tra la cellula e l’ambiente extracellulare  I virus non sono definiti cellule in quanto parassiti endocellulari obbligati, non sono in grado di replicarsi PARETE CELLULARE Parete costituita da cellulosa, sintetizzata dalla cellula, che delimita l’accrescimento di questa e garantisce rigidità strutturale ai tessuti di origine vegetale. MEMBRANA CELLULARE La membrana cellulare è costituita da un doppio strado fosfolipidico che impedisce alle sostanze idrofile di entrare o uscire dalla cellula, costituendo quindi un filtro per la cellula. Un fosfolipide di membrana è costituito da due catene di acidi grassi (saturi, che formano una coda rigida, o insaturi per la presenza di doppi legami che costituiscono una coda fluida) unite ad una molecola di glicerolo che a sua volta si lega tramite un legame covalente al gruppo fosfato  Glicerolo e gruppo fosfato costituiscono la testa idrofila del fosfolipide mentre gli acidi grassi costituiscono la coda idrofoba Esse si dispongono a formare un doppio strato, esponendo le teste vero lo spazio intra e extra cellulare, disponendo le code idrofobiche all’interno, determinando un ambiente favorevole per determinate molecole. All’interno del doppio strato fosfolipidico sono presenti diverse proteine che svolgono diverse funzioni (Recettori, canali selettivi, trasportatori, molecole di adesione…) e che si legano a ioni, acqua o altre molecole. Le proteine associate alla membrana citoplasmatica vengono differenziate in base al fatto che sporgano o meno dalla membrana: - PROTEINE TRANSMEMBRANA o INTEGRALI: attraversano completamente il doppio strato fosfolipidico sporgendo sia sul lato extra che intra cellulare. - PROTEINE PARZIALMENTE IMMERSE NELLO SPAZIO: PERIFERICHE DI MEMBRANA Le porzioni di proteine che sono rivolte verso lo spazio inter-membrana o extra-membrana possono essere legate a delle catene oligosaccaridiche (glicoproteine: sono associate alle code Glicolipidi: sono associate alle teste) Nella componente lipidica è presente il colesterolo: molecola completamente idrofobica presente all’interno delle catene di accidi grassi che scompagina l’ordine e la regolarità del doppio strato lipidico; il colesterolo presente nelle membrane determina la fluidità delle membrane cellulari. CITOPLASMA Soluzione acquosa densa che riempie ogni cellula delimitata da una membrana plasmatica. Esso è composto prevalentemente da acqua, sali e proteine solubili. All’interno delle cellule eucariote, nel citoplasma sono presenti gli organuli intracellulari e le proteine che definiscono il citoscheletro (ancorano gli organelli in posizioni specifiche e conferisce supporto alla cellula, definendone una forma) ANATOMIA DELLA CELLULA DIMENSIONI delle cellule vegetali e animali: ordine di grandezza variabile tra 10 e 100 micron. Esistono però delle eccezioni in cui ci sono cellule abnormi (uova) che possono avere dimensioni molte volte maggiori, quindi visibili ad occhio nudo. Gli organelli cellulari hanno dunque dimensioni decisamente più piccole (da nanometri a micron). I batteri misurano in media 10micron. I virus hanno invece dimensioni ancora più piccoli: inferiori alle decine di nanometri. Esiste un limite di accrescimento per quanto riguarda il volume delle cellule: ogni cellula dipende in maniera critica dalla capacità di scambiare nutrienti e gas respiratori con l’esterno. Deve esistere un rapporto superficie volume in grado di consentire alla cellula di ottenere una superficie di scambio con l’esterno adeguata per garantire flussi metabolici e lo scambio di nutrienti per supportare la sua capacità biosintetica. A volumi ridotti avrò un aumento del rapporto superficie volume, che garantisce la massima efficienza dello scambio.  Nel nostro corpo, l’assone del nostro motoneurone è lungo 50-60 centimetri, tuttavia il flusso di nutrienti e ossigeno non è troppo elevato. Difatti il neurone non è una sfera, perciò la superficie del neurone è molto elevata rispetto al suo volume. Avviene anche nei polmoni, nell’intestino… L’accrescimento è rappresentato dal rapporto superficie volume TIPOLOGIE DI CELLULE DEL NOSTRO PIANETA attraverso la duplicazione è in grado di replicare se stessa. Tramite trascrizione, da una molecola di DNA vengono sintetizzate molecole di RNA. Le molecole di RNA infine, tramite traduzione, fungono da stampo per la sintesi di proteine. Replicazione e la trascrizione avvengono all’interno del nucleo; la traduzione avviene invece all’interno del citoplasma. Il processo di retro trascrizione è un processo che permette la sintesi di molecole di DNA a partire da RNA. NUCLEO Nel nucleo è contenuta l’informazione genetica necessaria alla sintesi di proteine organizzato in cromatina e cromosomi. - Esoni ed introni - Proteine strutturali ed enzimi necessari per la duplicazione del DNA e per la trascrizione - Eterocromatina e eucromatina: la prima è la porzione più compatta mentre la seconda rappresenta la porzione meno densa di DNA. Le porzioni di DNA dell’Eterocromatina non sono coinvolte nella trascrizione (sono inattive). Attraverso la trascrizione, i segmenti di DNA servono da stampo per la sintesi di molecole di RNA (mRNA, tRNA..) NUCLEOLO Nel nucleolo sono contenuti i geni che vengono trascritti negli RNA ribosomiali. I ribosomi sono costituiti da una componente detta pars fibrosa, in cui sono presenti le molecole di rna neo- trascritte, e una pars granulosa in cui l’rna si associa a proteine a formare particelle ribonucleoproteiche. Il nucleolo è separato dal resto della cromatina senza bisogno però di una barriera fisica. INVOLUCRO NUCELARE È costituito da due membrane ognuna a doppio strato fosfolipidico. Le due membrane sono unite dai pori nucleari e delimitano un’area sacciforme appiattita. Lo scambio di sostanze tra intra e extra cellulare è estremamente controllato. Attraverso i pori nucleari (9nm) vengono trasportate proteine, fattori di regolazioni e prodotti genetici. Le membrane dell’involucro nucleare e lo spazio fra le due sono continui con le membrane del reticolo endoplasmatico rugoso. RETICOLO ENDOPLASMATICO Spazio delimitato da membrana che può essere diviso in tre regioni - Involucro nucleare: presenta i complessi del poro - Reticolo endoplasmatico ruvido: porzione di reticolo in cui sono associati i ribosomi, costituito da una serie di cisterne appiattite comunicanti le une con le altre, in cui avviene la sintesi di tutte le proteine transmembrana, di tutte le proteine che sono destinate ad essere secrete all’esterno. Alcuni enzimi presenti nel RER svolgono la funzione di glicosilazione (aggiunta di porzioni glucidiche alle proteine). Questo organello è presente nelle cellule adibite alla secrezione (cellule B attivate, cellule esocrine del pancreas) - Reticolo endoplasmatico liscio: fitta rete di tuboli interconnessi gli uni con gli altri. Gli enzimi presenti al suo interno svolgono un importante funzione nel metabolismo del glicogeno e nella detossificazione degli xenobiotici. I tubuli del REL sono un importante sito di accumulo di ioni Ca++ per le cellule muscolari (epatociti, cellule muscolari, cellule del Purkinje, cellule che secernono ormoni steroidei) RIBOSOMI Catalizzatore della sintesi proteica; unica struttura citoplasmatica presente anche nei procarioti. Costituiti da due subunità, formate da rna ribosomiali e proteine. Ribosomi di eucarioti e procarioti sono abbastanza simili dal punto di vista anatomico, i secondi sono un po’ più piccoli - Coefficiente di sedimentazione = S = svedberg = funzione del peso molecolare, forma e volume - Procarioti (70s) mentre negli eucarioti (80s) È quindi una macchina molecolare che ha una componente proteica e una acido-nucleica. All’interno del ribosoma è presente il RIBOZIMA (enzima dell’acido ribonucleico che catalizza una reazione chimica). Le porzione proteica svolge una funzione strutturale. RIBOSOMI E SINTESI PROTEICA Esistono molti ribosomi che apparentemente non sono associati alle membrane del rugoso ma ciò non vuole dire che non stiano sintetizzando proteine. Esistono proteine sintetizzate sui poliribosomi citosolici, sciolti nel citoplasma: - Proteine solubili (presenti nel citoplasma) - Proteine nucleari - Proteine mitocondriali Esistono proteine sintetizzate sui poliribosomi associati alle membrane del RER: - Proteine che devono essere Secrete - Proteine integrali di membrana - Residenti nel lume del RE, Golgi e lisosomi LA VIA DI SECREZIONE Le proteine possono essere secrete per mezzo di una delle vie biosintetiche più importanti: la via di secrezione. Queste possono essere secrete nel lume del reticolo endoplasmatico (quelle residenti nel RE vi rimarranno, mentre alcune proseguono la via), nell’apparato di Golgi. Dall’apparato di Golgi ci possono essere due tipologie di secrezione: secrezione costitutiva (avviene sempre per mantenere un’omeostasi tissutale) e una secrezione regolata (avviene nel momento in cui c’è bisogno). Esiste una terza destinazione, ovvero i LISOZOMI, nei quali le proteina vengono inviate per poi essere distrutte. Gli endosomi sono un sistema di membrane o di vescicole, situati tra l’apparato di Golgi e la membrana plasmatica, che possono riciclare le membrane, riportandole al reticolo endoplasmatico. La membrana plasmatica diventerebbe enorme se non ci fossero delle vie di uscita e delle vie di riciclo. APPARATO DI GOLGI Sistema di vescicole o cisterne distinte in cui il passaggio di proteine al loro interno serve a portarle a maturazione e a concludere il loro processo di glicosilazione. All’interno del lume di queste cisterne sono presenti enzimi che modificano gli amminoacidi della catene polipeptidiche aggiungendo unità zuccherine oppure modificano i legami covalenti tra substrati lipidici. L’apparato di Golgi viene strutturalmente e funzionalmente diviso in: - Porzione CIS: è la più vicina al RER e infatti su di essa si fondono e rilasciano il loro contenuto le vescicole provenienti dal reticolo - Porzione MEDIALE - Porzione TRANS: la più vicina alla membrana plasmatica e ai ribosomi. Da essa gemmano altre vescicole di trasporto Il traffico vescicolare è bidirezionale, poiché oltre al traffico in uscita, si verifica anche l’endocitosi in entrata (trasporto anterogrado) funzionale al riciclo delle componenti molecolari. LISOSOMI Principale sito di digestione intracellulare. Sono organelli tondeggianti contenenti circa 40 tipi diversi di idrolasi acide ph. 4,5/5 (enzimi che per svolgere la propria funzione hanno bisogno di ambienti acidi). Fra essi ci sono le proteasi, le nucleasi, le glicosidasi, le lipasi. Per poter svolgere l’importante degradazione di componenti si trovano al crocevia fra la via di secrezione e l’endocitosi, ovvero la via di riciclo. ENDOCITOSI Sistema che permette alla cellula di legare una molecola nello spazio extracellulare per poi essere trasportata nel citoplasma, per mezzo di vescicole. In base alla tipologia di cellula che viene trasportata: - Fagocitosi: attraverso il fagosoma si trasportano particelle solide abbastanza grandi. Gli pseudopodi rinchiudono la particella solida che viene trasportata - Pinocitosi: trasporto di liquidi. Si formano delle invaginazioni di membrana - Endocitosi mediata da recettore: tipo di endocitosi secondo cui specifiche molecole da trasportare all’interno si combinano con le proteine recettoriali della membrana. I recettori sono localizzati in zone specifiche della membrana dette fossette rivestite, perciò, una volta che il ligando si è legato al recettore, queste fossette si ripiegano verso l’interno della cellula dando origine ad una vescicola. Il malfunzionamento di una di queste vie di secrezione, può causare malattie importanti -> malattie di accumulo di sostanze che dovrebbero invece essere degradate. MITOCONDRI Organelli intracellulari all’interno dei quali avvengo numerose reazioni chimiche, tra cui la respirazione cellulare funzionale alla sintesi di substrati energetici. Il mitocondrio è un organello complesso costituito da una doppia membrana, esterna e interna, organizzata internamente in creste mitocondriali (estroflessioni) che delimitano la matrice mitocondriale. I mitocondri occupano una porzione sostanziale del volume di citoplasma di una cellula eucariotica (c.a. 25%). Le due membrane delimitano lo spazio transmembrana, la cui composizione è simile al citosol) e la matrice mitocondriale (contiene centinaia di enzimi che permettono l’ossidazione del piruvato e degli acidi grassi e quelli che permettono il ciclo di Krebs) Essi presentano DNA mitocondriale, i ribosomi, la trna e gli enzimi per l’espressione di geni mitocondriali. Si muovono molto, vanno incontro a costanti fenomeni di fusione e fissione, garantendo il corretto funzionamento dell’organello stesso. Nel citoplasma, spesso sono associati a elementi del citoscheletro e questa associazione è fondamentale per permetterne il movimento. La membrana mitocondriale interna si organizza in numerosissime creste che aumentano notevolmente la superficie di scambio totale. Le proteine associate alla membrana mitocondriale interna svolgono tre principali funzioni: 1. Trasporto degli elettroni nella catena respiratorio 2. Sintesi di atp 3. Trasporto di metaboliti dentro e fuori dalla matrice e importo di proteine. IL CITOSCHELETRO Complessa rete di strutture filamentose che si estendono attraverso il citoplasma. Mantiene la forma delle cellule e permette il movimento della cellula e dei suoi organelli, infine contribuiscono alla formazione delle giunzioni tra cellule. Gli elementi citoscheletrici sono i microfilamenti (actina), i microtubuli (dimeri di tibulina) e i filamenti intermedi (diverse tipologie di proteine). All’interno di una cellula epiteliale di assorbimento, una cellula polarizzata in cui le funzioni sono organizzate in maniera differente a seconda degli organelli, la superficie di assorbimento è propria di una porzione apicale di microvilli; l’organizzazione del citoscheletro all’interno di questo tipo di cellula è: i microfilamenti percorrono il perimetro della cellula, i microtubuli formano una struttura a raggera attorno al nucleo e i filamenti intermedi invece sono disposti in maniera irregolare a formare un reticolo, che permette la giunzione intercellulare. Nelle cellule meno specializzate i componenti del citoscheletro non occupano delle posizioni così precise. (la cellula maggiormente polarizzata nel corpo dell’uomo è il neurone) MICROTUBOLI MICROFILAMENTI FILAMENTI INTERMEDI DIAMETRO 25 nm 7nm 10nm MORFOLOGIA Cilindri cavi costituiti da 13 protofilamenti Filamenti elicoidali Filamenti a cordone costituiti da 8 protofilamento PEPETIDI Tubulina dimero globulare alfa e beta Actina globulare monomerica Cheratina, vimentina, desmina, neurofilamenti, proteina della glia oppure la lamina nucleare (fondamentale per mediare l’adesione della cromatina all’involucro nucleare) MW (peso molecolare) 50kDa 43kDa 40 -130kDa NUCLEOTIDI ASSOCIATI GTP (due per dimero) ATP (1:1) Nessuno: NON SONO STRUTTURE DINAMICHE MICROTUBULI E MICROFILAMENTI SONO DELLE STRUTTURE ESTREMAMENTE DINAMICHE