Biologia cellulare (sintesi proteica), Appunti di Biologia Cellulare

Scarica Biologia cellulare (sintesi proteica) e più Appunti in PDF di Biologia Cellulare solo su Docsity! LA TRASCRIZIONE La trascrizione è il processo mediante il quale le informazioni contenute nel DNA vengono trascritte enzimaticamente in una molecola complementare di RNA, secondo le regole dell'appaiamento delle basi complementari.. Nel caso in cui il DNA codifichi una proteina, la trascrizione è l'inizio del processo che porta, attraverso la produzione intermedia di un mRNA, alla sintesi di peptidi o proteine funzionali. Come nella replicazione , è necessario che le basi azotate sporgano dalla doppia elica del DNA. Perciò il tratto di DNA che deve essere trascritto viene aperto in un punto ben preciso, caratterizzato dalla tripletta AUG di "inizio lettura". Un enzima, l'RNA-polimerasi, si lega a uno dei due filamenti di DNA che serve da "stampo", e procede dall'estremità 3' all'estremità 5' legando i ribonucleotidi complementari presenti nel nucleo. Si forma in questo modo l'm-RNA. Quando l'RNA-polimerasi giunge alla tripletta di "fine lettura", l'm-RNA si separa dalla catena di DNA, passa per i pori della membrana nucleare ed entra nel citoplasma, dove si lega ai ribosomi. Il DNA "modello" si riavvolge a formare la doppia elica, oppure si lega a una nuova molecola di RNA-polimerasi per sintetizzare un nuovo filamento di m-RNA. LO SPLICING In biologia molecolare e in genetica, splicing (dall'inglese: montaggio) è una modifica del nascente pre-mRNA che avviene insieme o dopo la trascrizione, nella quale gli introni sono rimossi e gli esoni vengono uniti. La cosa è necessaria per il tipico RNA messaggero prima che possa essere usato per produrre una corretta proteina tramite la traduzione o sintesi proteica. La maggior parte dei geni eucariotici sono costituiti da regioni codificanti (esoni) alternate a regioni non codificanti (introni). Quest'ultime devono necessariamente essere rimosse dal trascritto primario per consentire la maturazione dell’mRNA e quindi la corretta traduzione e sintesi della proteina corrispondente. 1 Il macchinario della sintesi proteica cellulare è in grado di tradurre solo gli RNA messaggeri che contengono segmenti continui di codoni (triplette di nucleotidi che codificano per un amminoacido), non ha modo di identificare ed evitare un blocco di sequenze non codificanti. Quindi, i trascritti primari dei geni devono avere i loro introni rimossi prima che avvenga la traduzione in proteine. Lo splicing alternativo Molti geni negli eucarioti superiori codificano per RNA che possono essere tagliati in modi diversi per generare due o più RNA differenti e, di conseguenza, diversi prodotti proteici in un processo detto appunto splicing alternativo. Difatti, oltre alla scelta di esoni alternativi, alcuni esoni possono essere estesi ed altri addirittura saltati (di proposito). Inoltre, alcuni introni possono essere mantenuti, anziché eliminati, e dar luogo perciò a prodotti proteici ancora differenti. Di conseguenza, si può dire che lo splicing alternativo può essere sia costitutivo, sia regolato. Nel primo caso, più di un prodotto viene sempre generato dal gene trascritto. Nel caso dello splicing regolato, forme diverse vengono generate in momenti diversi, in diverse condizioni o in diversi tipi cellulari o tessuti. Negli eucarioti, dunque, per ogni gene strutturale si ha una famiglia di proteine, diversamente da quello che accade nei procarioti, nei quali ad ogni gene corrisponde una specifica proteina. LA TRADUZIONE La sintesi proteica (detta anche traduzione) è il processo biochimico attraverso il quale l'informazione genetica contenuta nel mRNA (RNA messaggero), viene convertita in proteine. La sintesi proteica inizia da un filamento di mRNA, prodotto a partire da un gene sul DNA attraverso il processo di trascrizione. Questo filamento è usato come stampo per la produzione di una specifica proteina. Si definisce sintesi proteica il processo con cui una sequenza di nucleotidi viene convertita nella successione di amminoacidi formanti una proteina. Alla sintesi proteica prendono parte attiva l'm-RNA, il t-RNA e l'r-RNA. L'm-RNA copia l'informazione contenuta nel DNA e la trasporta dal nucleo al citoplasma; il t-RNA e l'r-RNA traducono il messaggio scritto sull'm-RNA in una sequenza di amminoacidi. Durante la sintesi proteica perciò, l'informazione genetica passa dal DNA all'RNA e dall'RNA alle proteine. La traduzione ha luogo nel ribosoma (formato da r-RNA e proteine), composto da due subunità: quella piccola contiene un sito di legame per l'm-RNA; quella grande ha due siti di legame per due molecole di t-RNA e un sito che catalizza la formazione del legame peptidico tra due amminoacidi adiacenti. Ogni molecola di t-RNA è specifica per un unico amminoacido ed è in grado di riconoscere sia l'amminoacido che deve trasportare, sia il codone complementare di m-RNA associato al ribosoma. 2  Asimmetria  zattere lipidiche e glucidi dislocati nella parte esterna. Oltre alla componente lipidica si trovano numerose proteine, aventi importanti funzioni fisiologiche. Si riscontra anche una piccola percentuale di glucidi, in forma di glicoproteine e glicolipidi, e di molecole di colesterolo che stabilizzano la membrana. La composizione dei due foglietti, esterno e interno, della membrana cellulare presenta notevoli differenze, non solo nella componente proteica, ma anche nella stessa componente lipidica, per cui la membrana plasmatica è caratterizzata da una marcata asimmetria, che riflette le differenti funzioni dei due monostrati. Tale asimmetria presenta importanti funzioni ed è finemente controllata dalla cellula. Caratteristiche funzionali :  Dinamicità  Supporto  Ereditarietà FUNZIONI La membrana cellulare presiede all'omeostasi cellulare, grazie alla sua permeabilità selettiva. Per la sua posizione di interfaccia, la membrana plasmatica, oltre alla funzione strutturale, svolge altre funzioni essenziali: 1. la funzione di isolamento fisico, poiché rappresenta una barriera tra liquido intracellulare e liquido extracellulare. 2. la funzione di filtro selettivo, che lascia passare alcune sostanze piuttosto che altre, assicurando così l'integrità biochimica del citoplasma; 3. 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. 4. la funzione di superficie catalitica, dato l'abbondante numero di enzimi ad essa legati, in gran parte coinvolti nella produzione di messaggeri intracellulari, 5. la funzione di supporto strutturale, attraverso le proteine di membrana ancorate al citoscheletro e le giunzioni cellulari mantiene la forma della cellula. Infine, la membrana cellulare partecipa a funzioni complesse: esocitosi (secrezione), endocitosi. MECCANISMI DI TRANSITO La membrana plasmatica è una barriera selettivamente permeabile tra il citoplasma e l'ambiente extracellulare. Questa caratteristica è conseguenza della composizione lipidica e proteica della membrana. Il doppio strato fosfolipidico 5 permette il libero passaggio, dell'acqua, di gas (O2, CO2) e di piccole molecole liposolubili (prive di carica), come ammoniaca, urea, etanolo e glicerolo, mentre specifiche proteine di trasporto assicurano il passaggio di ioni e molecole idrosolubili (elettricamente cariche). A differenza di quanto avviene per i composti a basso p.m., il trasporto di macromolecole è un processo molto più complesso, che non si svolge esclusivamente nella membrana cellulare, ma che interessa sia la membrana plasmatica che il citoplasma e che richiede la formazione di vescicole (trasporto vescicolare), al cui interno sono contenute le macromolecole da trasportare. Il trasporto vescicolare viene utilizzato sia per trasferire macromolecole extracellulari all'interno della cellula (endocitosi),sia per trasportare composti intracellulari nell'ambiente extracellulare (esocitosi).  DIFFUSIONE SEMPLICE: Il passaggio attraverso la componente lipidica della membrana avviene per semplice diffusione passiva, secondo il gradiente di concentrazione tra i compartimenti intra- ed extracellulare e senza consumo di energia (ATP). Il movimento delle molecole è diretto dal compartimento a più alta concentrazione a quello a concentrazione più bassa ed è influenzato dalle dimensioni e dalla lipofilia della molecola  TRASPORTATORI : permettono il passaggio di molte molecole come glucosio e aminoacidi. Il trasporto è specifico perché ogni molecola attraversa la membrana attraverso il suo specifico trasportatore, questo tipo di trasporto avviene con dispendio di energia e contro gradiente di concentrazione. Si distinguono tre tipi di trasporto attivo: uniporto, simporto e antiporto. Che avvengono attraverso specifici siti attivi(proteine). - Nell'uniporto si ha il trasporto di un'unica specie di soluto. - Nel simporto il trasporto dei due soluti avviene nella stessa direzione - Nell'antiporto il trasporto dei due soluti avviene in direzione opposta.  PROTEINE CANELE: permettono il passaggio di acqua e determinati ioni secondo il gradiente di concentrazione o il gradiente elettrico. A differenza dei trasportatori i canali possono essere aperti o chiusi, Le acquaporine  classe di proteine integrali che forma pori per il passaggio selettivo di acqua, le molecole passano secondo il gradiente di concentrazione in singola fila come gli ioni.  POMPE: meccanismi di trasporto che fanno passare le molecole contro gradiente di concentrazione; il processo, termo dinamicamente sfavorito, è accoppiato a una reazione di scissione di ATP che libera energia necessaria ad attuarlo. Pompe sono proteine trans membrana con uno o più siti di legame per l’ATP dal lato citoplasmatico. 6 Principali pompe della cellula eucariotica sono: o Pompe calcio  trasportano calcio fuori dalla cellula o all’interno del RE e mantengono bassa la concentrazione di calcio nel citoplasma o Protoniche  trasportano gli idrogenione all’interno dei lisosomi per mantenere basso il loro pH (pH =5) o Sodio/Potassio  trasportano contemporaneamente tre ioni sodio fuori dalla cellula e due ioni potassio dentro la cellula. POTENZIALE MEMBRANA A RIPOSO La concentrazione dei cationi è molto diversa all’interno e all’esterno della cellula. Infatti, il sodio è molto più concentrato all’esterno, mentre il potassio lo è molto più nel citoplasma. La pompa sodio/potassio è responsabile del mantenimento di questa ineguale ripartizione dei cationi, in quanto trasporta attivamente, contro gradiente di concentrazione, gli ioni sodio all’esterno, mentre fa rientrare gli ioni potassio. L’ineguale ripartizione dei cationi causa una differenza di potenziale a livello di membrana detto potenziale di membrana, che all’interno del citoplasma è in media di -75mV. Il potenziale di membrana a riposo, consente, tra le altre cose, la propagazione dei potenziali d'azione nelle cellule dei tessuti eccitabili. In particolare, nelle cellule in cui è soggetto a variazioni improvvise, come le cellule muscolari e quelle nervose. I segnali elettrici transitori sono particolarmente utili per trasmettere, velocemente e a lunga distanza, informazioni fugaci che possono essere di vitale importanza per un organismo vivente. Questi segnali elettrici sono dovuti a modificazioni transitorie dei flussi di corrente che, sotto forma di ioni, entrano ed escono dalle cellule. Tali flussi di corrente sono controllati dai canali ionici della membrana plasmatica. 7 RETICOLO ENDOPLASMATICO RUGOSO Il reticolo endoplasmatico rugoso, ricoperto di ribosomi ancorati alle membrane tramite proteine, è una sede della sintesi proteica. I ribosomi sono disposti con la subunità maggiore rivolta verso la membrana e quella minore verso il citoplasma. Nel RER possono essere individuate aree, definite elementi di transizione, che rappresentano una porzione del RER specializzata nella gemmazione delle vescicole di transizione adibite al trasporto di materiali di membrana e del relativo contenuto all’apparato di Golgi. L’involucro nucleare deve essere considerato come una specializzazione del RER: si tratta infatti di un’ampia cisterna di RER ricurva che circonda con la sua doppia membrana lo spazio nucleare. Funzioni:  Sintesi e maturazione delle proteine.  Produzione della componente lipidica e di proteine essenziali della membrana dei perossisomi. RETICOLO ENDOPLASMATICO LISCIO Nel REL non ci sono i ribosomi, e tendenzialmente questo non forma cisterne, bensì una serie di tubuli di membrana ramificati intercomunicanti. Il reticolo endoplasmatico liscio è molto sviluppato nelle cellule che producono ormoni steroidei. FUNZIONI DEL REL Il REL svolge numerose funzioni, grazie agli enzimi presenti e ai sistemi di trasporto e di permeabilità delle sue membrane.  Biogenesi delle membrane  Produzione della maggior parte delle componenti lipidiche delle membrane, le quali vengono inserite nel foglietto citoplasmatico determinando un accrescimento asimmetrico dei due foglietti. Questa asimmetria è risolta dall’intervento di specifiche famiglie di enzimi, le scramblasi e le flippasi. La prima trasferisce in modo casuale i lipidi neoformati ripristinando la simmetria. Le seconde spostano, specificamente, alcuni 10 fosfolipidi da un foglietto all’altro generando così la tipica asimmetria dei due foglietti. Questo processo richiede consumo di ATP.  Sintesi del colesterolo e di ormoni steroidei (non hanno struttura proteica)  DetossificazioneL’organismo ha necessità di eliminare diverse sostanze esogene ed endogene potenzialmente tossiche e scarsamente solubili in acqua. Il REL dispone di enzimi che, catalizzando reazioni di idrossilazione, mediante l’aggiunta di gruppi ossidrili polari, rendono queste molecole più facilmente solubili in acqua. L’idrossilazione in molti casi rappresenta soltanto la prima tappa della detossificazione: spesso sul gruppo polare vengono legati altri gruppi chimici polari, come ad esempio l’acido glicuronico, che facilitano l’eliminazione tramite urine.  Metabolismo dei carboidrati Le cellule epatiche contribuiscono a mantenere costante il livello di glucosio nel sangue: a questo scopo polimerizzano il glucosio (proveniente dai carboidrati), quando questo è disponibile in abbondanza, per formare glicogeno che verrà immagazzinato nella cellula. In caso di bisogno il glicogeno verrà scisso per liberare glucosio.  Immagazzinamento del calcio La concentrazione di calcio citoplasmatica è mantenuta a livelli molto bassi ad opera di pompe ATP, poste nelle membrane del reticolo. Queste pompe sottraggono lo ione dal citoplasma e lo immagazzinano nel lume del REL, dove raggiunge elevate concentrazioni. Stimoli opportuni determinano l’apertura dei canali per il calcio nella membrana del REL e lo ione, spinto dall’elevato gradiente di concentrazione, si riversa nel citoplasma dove raggiunge rapidamente la concentrazione necessaria per indurre la risposta. Alla cessazione dello stimolo, i canali si richiudono e l’attività delle pompe riporta rapidamente la concentrazione del calcio ai valori di riposo. Lo spike è un modo di propagazione del calcio e accade quando lo stimolo è abbastanza forte da superare la capacità della cellula di risequestrare immediatamente lo ione (apertura e chiusura immediata dei canali del calcio).  La frequenza degli spike di calcio e l'ampiezza degli spike aumentano con l'aumentare dello stimolo. SMISTAMENTO DELLE PROTEINE Lo smistamento delle proteine ai diversi organuli cellulari viene in genere controllato dalla presenza nelle proteine stesse di specifiche sequenze segnale che vengono riconosciute da specifici recettori di smistamento che la trasportano nell’organulo bersaglio. Recettori e canali di traslocazione 11 localizzati sulla membrana dell’organulo bersaglio permettono l’inserimento della proteina all’interno dell’organulo o nella sua membrana. Le proteine non dotate di sequenza segnale rimangono invece libere nel citoplasma. Lo smistamento delle proteine si svolge secondo due principali vie:  Via citoplasmatica(importazione post-traduzionale): la proteina viene completamente sintetizzata dai ribosomi liberi e rilasciata nel citoplasma. Il segnale presente sulla proteina interagisce ora con i recettori di smistamento che la avviano agli organuli bersaglio. (proteine destinate a: citosol, nucleo, mitocondri, cloroplasti e perossisomi.)  Via secretoria o vescicolare(importazione co-traduzionale): intrapresa in genere quando la proteina è ancora in fase di sintesi. Il segnale viene riconosciuto non appena fuoriesce dalla subunità maggiore del ribosoma e, grazie all’intervento di specifici recettori, la proteina nascente e il ribosoma si legano alla membrana del RE, che quindi appare rugoso. I ribosomi così legati al RER proseguono la loro attività di sintesi inserendo gradualmente la proteina nel lume del RER. Dopo il completamento della sintesi, la proteina può rimanere nel RER o passare all’apparato di Golgi, ai lisosomi o alla secrezione mediante un sistema di vescicolazione controllata. Sequenze segnaleSono importanti le caratteristiche chimico-fisiche complessive del segnale e non la sua precisa sequenza: così un segnale sarà caratterizzato dalla sua lunghezza approssimativa, dalla ricchezza di aminoacidi polari o non polari e dalla distribuzione delle cariche, ma non in genere dalla precisa natura di ogni aminoacido. Importazione cotraduzionale Meccanismo più comune di importazione nel RER. Le proteine destinate al RER sono caratterizzate da un segnale di indirizzamento (sequenza di 16/30 aminoacidi con uno o più aminoacidi a carica positiva seguiti da 6/12 residui idrofobici). Nel caso in cui la catena polipeptidica nascente presenti questo segnale, esso verrà riconosciuto e legata da un complesso di RNA e proteine presente nel citoplasma (particella di riconoscimento del segnale), questo induce una temporanea interruzione della traduzione e il complesso viene legato ad un recettore presente sulla membrana del RER: il ribosoma è legato al RER. Il complesso si porta a un canale di traslocazione (traslocone) al cui interno la catena polipeptidica può inserirsi. L’analisi di proteine secretorie dimostra che le sequenze segnale non sono presenti nelle proteine mature; l’eliminazione del segnale avviene a opera di un 12 cisterne discoidali appiattite e da una serie di piccole vescicole; ogni cisterna è una struttura chiusa, circondata da un’unica continua membrana liscia e ha specializzazione e composizione lipidica diversa dalle altre. Le vescicole, anch’esse delimitate da membrane, sono raggruppate vicino ai margini di ciascuna cisterna; le vescicole più grandi sono dette di secrezione mentre le più piccole sono di trasporto. L’apparato di Golgi è dotato di polarità: una faccia cis o di formazione, associata alla porzione liscia del reticolo endoplasmatico, e una faccia trans o di maturazione rivolta verso la membrana plasmatica e alla quale sono associate le vescicole di secrezione. L’organulo si trova vicino al nucleo e in prossimità del RER da cui riceve le proteine secretorie. Queste, modificate all’interno del reticolo endoplasmatico, vengono trasferite, probabilmente per mezzo di vescicole rivestite, alle membrane della faccia cis dell’apparato di Golgi. Qui subiscono ulteriori e differenti modifiche dei loro legami covalenti e assumono la forma matura e definitiva che ne indicherà il destino cellulare. A questo stadio, le proteine modificate vengono allontanate dalla faccia trans dell’apparato di Golgi e dirette verso le differenti destinazioni intracellulari ed extracellulari. LISOSOMI I lisosomi sono organuli vescicolari che si formano nell'apparato del Golgi, sono essenzialmente sacchetti membranosi (delimitati da una membrana a doppio strato lipidico) che racchiudono enzimi idrolitici (caratterizzati dalla proprietà di operare in modo ottimale a pH acido) che sono in grado, nella digestione intracellulare, di tagliare in maniera specifica e controllata macromolecole che potranno essere trasportate al citoplasma grazie all’intervento di specifici vettori di membrana. Gli enzimi idrolitici dei lisosomi sono detti idrolasi acide (il lume del lisosoma è acidificato grazie alla presenza nella sua membrana di pompe protoniche che, consumando ATP, aumentano la concentrazione interna dei protoni, fino a raggiungere il valore di pH 5) e comprendono proteasi (che tagliano le proteine), nucleasi (che tagliano gli acidi nucleici), glicosidasi, lipasi ecc. Se i lisosomi si rompono, la cellula stessa viene distrutta, poiché gli enzimi che essi contengono sono capaci di scindere tutti i composti principali presenti nella cellula. Per protezione, la membrana del lisosoma contiene grandi quantità di glucidi legati a lipidi o a proteine della faccia non citosolica. I lisosomi sono sede della digestione cellulare, catalizzata dalle idrolisi acidi, che ha la funzione di scindere le sostanze introdotte per endocitosi ricavandone composti utili per la cellula, ma può anche avere lo scopo di distruggere, in seguito a fagocitosi, microrganismi o cellule danneggiate o di demolire strutture intracellulari che per diversi motivi debbano essere eliminate. I lisosomi si occupano del turnover degli altri organuli della cellula stessa. 15 Eterogeneita’ e biogenesi dei lisosomi Il numero di lisosomi presenti in una cellula è molto variabile, in funzione della più o meno intensa attività di endocitosi. La grande eterogeneità dei lisosomi è dovuta alla varietà delle loro attività digestive e al fatto che ogni lisosoma si può trovare in un momento diverso del processo digestivo. I lisosomi rappresentano la sede in cui le strutture destinate ad essere digerite, incontrati gli enzimi provenienti dall’apparato di Golgi, vengono idrolizzate: mentre gli enzimi digestivi giungono al lisosoma contenuti all’ interno di vescicole di dimensioni e caratteristiche relativamente omogenee, al contrario le strutture destinate ad essere digerite giungono attraverso le vie endocitosiche (endocitosi, fagocitosi e autofagia). Secrezione lisosomiale Le idrolisi acide lisosomiali digeriscono le strutture endocitate ottenendo prodotti solubili, per esempio monosaccaridi o aminoacidi, che sono trasferiti al citosol e utilizzati dal metabolismo cellulare. Alcune componenti, non completamente digeribili, rimangono come corpi residui all’interno del lisosoma. In alcune cellule i corpi residui possono essere espulsi all’esterno della cellula attraverso meccanismi di esocitosi. In altri casi l’espulsione dei corpi residui non può essere efficace per cui i corpi residui si accumulano nel citoplasma generando ammassi pigmentati, detti lipofuscine. In alcuni casi le idrolasi possono non agire all’interno dell’organulo ma essere esocitate per svolgere la loro attività nell’ambiente extracellulare. Indirizzamento delle proteine al lisosoma Le idrolasi lisosomiali sono caratterizzate dalla presenza di un marcatore specifico, una vera etichetta lisosomiale, rappresentato dallo zucchero mannosio 6-fosfatato (M6P). questo zucchero viene prodotto per fosforilazione di un residuo di mannosio degli oligosaccaridi legati all’azoto, a opera di enzimi che riconoscono una specifica zona segnale sulla proteina. La reazione si svolge nel reticolo cis dell’apparato di Golgi. La proteina marcata con M6P viene riconosciuta da recettori sulla membrana dell’apparato di Golgi e, con i meccanismi di smistamento viene inclusa in una vescicola idrolasica, sempre legate al recettore. La vescicola si fonderà in seguito con un endosoma tardivo e i recettori. Rilasciate le idrolasi grazie all’acidificazione dell’ambiente, verranno recuperati grazie a vescicole che, gemmando dall’endosoma tardivo, ritornando all’apparato di Golgi. 16 TRAFFICO VESCICOLARE La cellula è sede di un intenso traffico di membrane, che ha origine nel RE, sede della produzione di nuove membrane, e si dirige ai diversi organuli e alla membrana plasmatica. Altrettanto intenso è il traffico in direzione opposta che, dalla membrana plasmatica, si dirige all’interno della cellula. La formazione di vescicole è basata su un meccanismo che permette alla membrana di introflettersi (o estroflettersi) per generare una vescicola che, dopo essersi distaccata, può essere trasportata fino a portarsi a contatto con un’altra membrana cui la vescicola può fondersi. Mentre la formazione di una vescicola sottrae la membrana dalla struttura di origine, la fusione aggiunge membrana alla struttura bersaglio. Dal momento che la vescicola può contenere materiale nel proprio lume, al momento della fusione questo viene rilasciato nel lume dell’organulo bersaglio. Endocitosi  caso in cui la vescicola origini dalla membrana plasmatica, materiale di origine extracellulare si trova ad essere incluso in una vescicola intracellulare. Esocitosi  caso in cui la vescicola proveniente dall’interno della cellula si fonde con la membrana plasmatica e il suo contenuto viene espulso all’esterno. Gemmazione  produzione di una vescicola che, distaccandosi dalla membrana plasmatica, si libera all’esterno della cellula. 17 e alla digestione e/o alla distruzione di molecole estranee. Si viene così a formare il cosiddetto fagolisosoma, al cui interno si attivano i meccanismi deputati alla distruzione del patogeno coinvolto. Intervengono in tal senso radicali ossidanti ed altre sostanze (enzimi lisosomiali) in grado di inattivare e distruggere il patogeno. E’ possibile la fagocitosi di strutture assai grandi, grazie alla cooperazione di numerosi macrofagi che si fondono insieme per creare una cellula gigante multi nucleata da corpo esterno. autofagia  caso particolare di fagocitosi in cui vengono inviate alla digestione lisosomiale le parti della cellule danneggiate, obsolete o non più utili. La struttura da digerire viene circondata da una membrana di origine incerta per formare un autofagosoma e, infine, portata a contatto con gli enzimi lisosomiali. Oltre a un’autofagia destinata al ricambio degli organuli, particolarmente notevoli sono fenomeni di autofagia che insorgono durante il differenziamento cellulare. Alcune cellule pure di poter sopravvivere in caso di digiuno prolungato, digeriscono per autofagia alcune loro componenti non vitali per ricavare energia e materia prima per funzioni indispensabili. Si distinguono: una macrofagia, una microfagia e un’autofagia chaperone-mediata.  PINOCITOSI o Endocitosi in fase fluida  è costitutiva e aspecifica, ossia la cellula introduce piccole gocce di liquido con gli eventuali soluti in maniera indifferenziata. Questo è possibile perché il materiale in questione è presente disciolto in soluzione acquosa. Questo particolare tipo di endocitosi è detto pinocitosi. A seconda delle dimensioni delle goccioline assunte si distinguono una macropinocitosi e una micro pinocitosi.  ENDOCITOSI MEDIATA DA RECETTORI  è regolata e specifica. In questo tipo di endocitosi la cellula riconosce il suo substrato (materiale da ingerire) mediante proteine di membrana. Queste proteine sono in grado di legare, esternamente, il materiale da introdurre e, internamente, particolari proteine chiamate clatrine. Viene così organizzata una rete di clatrine che possiede già una sua curvatura intrinseca e che contribuisce all'invaginazione del plasmalemma. Le clatrine sono organizzate e stabilizzate nella loro struttura reticolare dalle proteine "adaptine". Nel momento in cui l'invaginazione deve richiudersi su se stessa interviene una terza proteina, detta dinamina che, di fatto, "scinde" il plasmalemma dalla nuova membrana protoplasmatica della neoformata vescicola. TRANSCITOSI: trasferimento di molecole attraverso le cellule La transcitosi è un processo cellulare attraverso il quale diverse macromolecole vengono trasportate da un lato all'altro della cellula attraverso il citoplasma della cellula stessa. Le macromolecole vengono incluse in vescicole a livello della membrana cellulare mediante un processo di endocitosi, internalizzate nella cellula, e quindi rilasciate attraverso la membrana cellulare in un compartimento diverso da quello di origine, attraverso un processo di esocitosi. MECCANISMI DI ESOCITOSI L'esocitosi è il processo cellulare con il quale la cellula riversa al suo esterno (ovvero nel liquido extracellulare) delle molecole accumulate all'interno di una vescicola, tramite la fusione di quest'ultima con la membrana plasmatica. Tale 20 vescicola è limitata da una membrana e originata dall'apparato di Golgi per vescicolazione. Il suo contenuto può essere costituito da proteine, sintetizzate dai ribosomi legati al reticolo endoplasmatico rugoso (RER), all'interno del quale le proteine subiscono differenziazione per mezzo di aggiunta di gruppi glucidici e lipidici formando glicoproteine e lipoproteine che poi sono espulse tramite esocitosi, o molecole a basso peso molecolare, come i neurotrasmettitori sintetizzati nel citoplasma e immagazzinati nelle vescicole dette, in questo caso, sinaptiche tramite il trasporto attraverso la loro membrana per mezzo di specifici trasportatori proteici. Grazie all’esocitosi le cellule provvedono a una serie importante di funzioni: - Costruzione della membrana plasmatica stessa. - Costruzione della matrice extracellulare dei tessuti - Secrezione di enzimi digestivi gastrici o intestinali - La secrezione di ormoni, fattori di crescita o neurotrasmettitori - La secrezione di anticorpi da parte dei linfociti B L'esocitosi può essere costitutiva o regolata: 21 1) Nell'esocitosi costitutiva, una volta formatesi le vescicole, queste vengono direttamente avviate alla fusione con la membrana plasmatica per riversare all’esterno il loro contenuto. 2) Nell'esocitosi regolata, una volta formatesi le vescicole, queste ultime prima di essere rilasciate definitivamente, rimangono in attesa di una ulteriore segnalazione (attivazione), di alcune proteine intrinseche della membrana della vescicole, che ne scatenino la secrezione. Dopo l'esocitosi, la membrana della vescicola vuota viene recuperata attraverso un processo di endocitosi e ritorna all'interno della terminazione, dove essa si fonde con membrane endosomiali più grandi. L'endosoma dà poi origine a nuove vescicole che captano il neurotrasmettitore dal citosol per mezzo di proteine trasportatrici specifiche, e vengono poi nuovamente ancorate in prossimità della membrana presinaptica. Le cellule si coordinano con le cellule vicine con le quali condividono origine e funzione; con queste formano i tessuti; le cellule dei tessuti a loro volta si coordinano con le cellule di altri tessuti a formare sistemi più complessi; gli organi e poi gli apparati. La comunicazione tra le cellule avviene mediante segnali. Il segnale parte da una cellula ed arriva alla cellula destinataria che lo recepisce e risponde in maniera adeguata. 22 PEROSSISOMI I perossisomi sono un gruppo eterogeneo di organuli citoplasmatici delimitati da una singola membrana. Nella loro matrice sono contenuti oltre 50 enzimi che svolgono attività metaboliche molto diverse tra loro. Il contenuto della matrice differisce tra le diverse specie e, nella stessa specie, tra i diversi organi, tessuti, stadi di sviluppo e condizione ambientali. I perossisomi devono essere considerati organuli derivati dal RE che ricevono le proprio proteine in parte tramite via secretoria e in parte per via citoplasmatica. La caratteristica distintiva dei perossisomi è la presenze della catalasi. Questo enzima degrada il perossido di idrogeno, evitando che questo composto altamente tossico si possa diffondere nel citoplasma. Funzioni dei perossisomi - Metabolismo del perossido di idrogeno Nei perossisomi sono presenti numerose ossidasi, enzimi che catalizzano numerose reazioni di ossidazione con la produzione di perossido di idrogeno (H₂O₂). Questo, così prodotto, viene poi degradato dalla catalasi che lo riduce in acqua e ossigeno molecolare. - Detossificazione di sostanze nocive penetrate nell’organismo, come ad esempio l’alcol etilico, e di sostanze estranee all’organismo. - Rimozione radicali liberi e ROS in collaborazione con enzimi presenti nel citosol, i perossisomi provvedono a rimuovere i radicali liberi e le forme reattive dell’Ossigeno (ROS) che si formano durante le normali attività metaboliche della cellula. - Ossidazione dell’acido urico Il catabolismo delle purine contenute negli acidi nucleici porta alla produzione di acido urico. Questo viene ossidato ad allantoina e perossido di idrogeno. Quest’ultimo viene degradato dalla catalasi e l’allantoina viene trasformata in urea o in acido allantoico ed espulsa attraverso le urine. - Ossidazione degli acidi grassi α-ossidazione: rottura del legame del primo carbonio (carbonio α) β-ossidazione: rottura del legame del secondo carbonio (carbonio β). In questo caso la catena viene gradualmente demolita producendo gruppi acetile e atomi di carbonio. Gli enzimi dell’α-ossidazione degradano gli acidi grassi ramificati eliminandone le catene laterali, questi, ormai acidi grassi lineari, vengono 25 poi demoliti dagli enzimi della β-ossidazione con la produzione di acetilcoenzima A, che va ai mitocondri, e perossido di idrogeno, degradato dalle catalasi. GIUNZIONI Una giunzione cellulare, è una specializzazione di una faccia di membrana che rende possibile e controlla i processi di adesione tra due cellule. Esistono due classi di contatti adesivi tra le cellule: Una prima classe composta da strutture non organizzate distribuite sulla superficie cellulare; fanno parte di questa classe sistemi di adesione calcio dipendenti e calcio-indipendenti. La seconda classe, invece, è composta da complessi di adesione specializzati, in cui è possibile riconoscere strutture organizzate a livello funzionale. Nei vertebrati si distinguono in tre tipi:  Giunzioni occludenti (in latino zonulae occludentes, in inglese tight junctions)  Giunzioni comunicanti (dette anche giunzioni serrate o, in inglese, gap junctions)  Giunzioni aderenti o di ancoraggio (zonulae adhaerentes, anchoring junctions; nel caso particolare dei desmosomi si dicono maculae adhaerentes) 26 GIUNZIONI OCCLUDENTI o GIUNZIONI TIGHT Le giunzioni occludenti (giunzioni strette o tight; o Zonulae occludentes) sono situate subito sotto la zona apicale di una cellula e regolano il passaggio di soluti attraverso lo spazio extracellulare. Oltre ad essere responsabili delle permeabilità paracellulare, possono definire un confine tra zone diverse della membrana plasmatica. Sono particolarmente presenti negli epiteli di rivestimento (es.pelle) e negli epiteli intestinali per far sì che non filtrino sostanze tra i vari ambienti. Due sono le principali proteine integrali di membrana coinvolte: Claudina e Occludina, che sporgono sulla faccia esterna delle membrane e sono tra loro unite da legami non covalenti. Queste due proteine formano una cintura intorno alla cellula che nemmeno le proteine di membrana possono attraversare, dividendola quindi in due o più domini. Al microscopio elettronico quindi appaiono come una serie di occhielli che vengono a costituirsi tra due cellule adiacenti in seguito all’adesione dei foglietti esterni delle due membrane plasmatiche. Le Giunzioni occludenti svolgono una funzione sigillante, uniscono le due cellule adiacenti senza lasciare interstizi, in modo che le molecole idrosolubili non filtrino facilmente tra una cellula e l'altra. GIUNZIONI ANCORANTI A FASCIA Le giunzioni aderenti (ancoranti, di ancoraggio) sono responsabili sia dell’adesione cellula-cellula sia del mantenimento della polarità cellulare. Nel tessuto epiteliale seguono una ben definita distribuzione spaziale localizzandosi appena sotto le giunzioni tight, mentre a livello endoteliale sono variamente distribuite. Al microscopio elettronico appaiono come una placca elettrodensa localizzata a livello citoplasmatico. Le caderine sono le principali proteine transmmembrana presenti; oltre alle caderine sono presenti anche alcune glicoproteine. Queste giunzioni sono il punto chiave in grado di controllare, secondo la 27 o Nel follicolo ovarico dove mettono in comunicazione l’oocito con cellule follicolari che lo circondano. Metabolismo energetico: omeostasi delle reazione esoergoniche (catabolismo) ed endoergoniche (anabolismo) che partendo dalla degradazione di una molecola organica arriva alla produzione di ATP. La fase anaerobia, che si attua in assenza di ossigeno, si svolge nel citoplasma, mentre la fase aerobia, che richiede la presenza di ossigeno, si svolge all’interno dei mitocondri. Per il metabolismo animale si ha bisogno dell’azione coordinata di sistemi enzimatici complessi organizzati (membrana plasmatica) in percorsi metabolici. MITOCONDRI I mitocondri sono le "centrali energetiche" della cellula; producono l'energia necessaria per molte funzioni cellulari, quali il movimento, il trasporto di sostanze ecc. Forniscono energia continua nonostante il rifornimento discontinuo. Essi contengono gli enzimi necessari per far avvenire le reazioni chimiche che recuperano l'energia contenuta negli alimenti e l'accumulano in speciali molecole di adenosintrifosfato (ATP), nelle quali si conserva concentrata e pronta all'uso. Il mitocondrio, è delimitato da due membrane a doppio strato lipidico, selettivamente permeabili. La membrana esterna è liscia; quella interna forma numerose pieghe, dette creste, perpendicolari alla parete e più o meno lunghe. Le due membrane racchiudono e definiscono due spazi: lo spazio intermembrana, che si trova tra le due membrane, e lo spazio della matrice, dove è presente del materiale omogeneo contenente enzimi, coenzimi, acqua, fosfati e altre molecole. La membrana esterna è molto più permeabile di quella interna: contiene infatti molte copie di una proteina, che nel suo spessore dà origine a grandi canali, permettendo il passaggio non selettivo di tutte le piccole molecole presenti nel citosol, le quali vanno a riempire lo spazio tra le due membrane. La membrana interna, viceversa, ha una permeabilità molto selettiva: tramite proteine di trasporto, vi passano solo le piccole molecole che devono essere metabolizzate nello spazio della matrice. I mitocondri hanno un'altra importante caratteristica: sono la sola struttura 30 della cellula, oltre al nucleo, che contiene materiale genetico (DNA). Il DNA mitocondriale reca il codice genetico necessario per la sintesi di alcune proteine che si trovano esclusivamente all'interno del mitocondrio stesso e, poiché la membrana interna è impermeabile alla maggior parte delle molecole, queste proteine non vengono mai rilasciate nel citosol. 1)Glicolisi processo che avviene nel citosol, consiste nella scissione del glucosio in 2 molecole di piruvato e porta alla produzione di 4 molecole di ATP ma 2 sono bruciate nella reazione e quindi la resa finale è di solo 2 ATP. Questa fase è attuata in totale assenza di ossigeno. Successivamente il piruvato diventa acetato e si lega al coenzima A per entrare nella matrice mitocondirale. 2)Ciclo di Krebs L’acetato si lega all’ossalato dando un citrato che, attraverso le 8 reazioni del ciclo, è scisso in un nuovo ossalato e coenzimi ridotti (NADH e FADH2) e libera CO2. 3)Fosforilazione ossidativa I coenzimi di riossidano rilasciando ioni H+ sotto forma di “cascata” verso la camera esterna generando un gradiente protonico tra le due membrane. Tale gradiente protonico si verifica perché all'interno della matrice mitocondriale interna c'è un ambiente basico, mentre nella membrana esterna ce n'è uno acido. Questi protoni H+ ad un certo punto cercano di rientrare nella matrice mitocondriale interna affinché si possa ristabilire una differenza di potenziale, ma non possono perché la cresta mitocondriale è impermeabile. Il passaggio lo trovano nella proteina ATP- sintetasi. Essa li fa passare, ma in cambio chiede loro l'energia che le serve per attaccare un gruppo fosfato all'ADP e renderlo ATP. La resa è di 36 molecole di ATP. 31 Il termine genoma indica la totalità del materiale genetico di un organismo, composto dal DNA o dall'RNA. Più specificamente, il genoma di un organismo comprende sia i geni, ossia la porzione codificante, sia il resto del materiale (non codificante). Nel caso del genoma umano abbiamo 3*109 paia di basi. Per gene si intende una sequenza di DNA che sintetizza un RNA; nel caso della sintesi dell’mRNA, la sequenza coinvolta è detta gene strutturale (discontinui per la presenza di introni), e nel caso della sintesi di un tRNA o rRNA è detta cistrone. Vi sono geni che non codificano per proteine o per tRNA o rRNA ma svolgono funzioni di controllo della trascrizione e sono chiamati geni regolatori. La presenza di geni ripetuti attribuisce al genoma umano la sua caratteristica ridondanza. Negli eucarioti le sequenze di DNA sono sempre associate a proteine a costituire una struttura complessa chiamata cromatina. Insomma, la cromatina è la forma in cui gli acidi nucleici si trovano nella cellula; le proteine coinvolte possono essere proteine istoniche o non istoniche, nel primo caso il DNA è avvolto intorno alle stesse a formare degli istoni, mentre le seconde hanno soltanto funzioni di supporto. Inoltre la cromatina si può presentare in diverse forme: una più rilasciata dove DNA e proteine sono allineati, detta eucromatina, e una forma condensata, più densa e lenta nella duplicazione, detta eterocromatina. Ogni cellula ha la cromatina compattata in modo diverso e questo ha risvolti funzionali evidenti. Queste unità filamentose di DNA e proteine che si rendono visibili durante la divisione cellulare sono chiamate cromosomi. Negli eucarioti, a differenza dei procarioti, il genoma è separato dal citoplasma da un sistema membranoso detto involucro nucleare (sistema a 2 membrane 32 3a compattazione: si creano dei domini ad anse radiali fino a formare un filamento di 300nm di spessore. (eucromatina) 4a compattazione: Eterocromatina, ulteriori anse (700nm) 5a compattazione: Cromosoma (1400nm) Centromero: Regione del cromosoma (detto anche cinetocore) cui si attaccano le fibre del fuso durante la mitosi. Assolve due funzioni fondamentali nella cellula eucariotica: mantiene uniti i due cromosomi appaiati fino all’inizio dell’anafase e funge da sito di aggancio dei microtubuli del fuso che si forma nei processi di divisione cellulare. Esso si divide all’inizio dell’anafase, permettendo ai cromatidi appaiati di migrare verso i poli del fuso. Telomeri: regioni del DNA all'estremità molecolare di un cromosoma lineare necessaria per la corretta replicazione e per la stabilità del cromosoma stesso. Queste sequenze hanno tre funzioni essenziali: proteggono le estremità cromosomiche dalla degradazione e da eventi di fusione; permettono la replicazione completa dei cromosomi, compreso il ripristino di ripetizioni terminali semplici di caratteristica lunghezza; posizionano i cromosomi all'interno del nucleo e, inoltre, in alcune specie promuovono la formazione di domini di cromatina che sono repressi durante la trascrizione. l ciclo cellulare, o ciclo di divisione cellulare, è la serie di eventi che avvengono in una cellula eucariote tra una divisione cellulare e quella successiva. La durata del ciclo cellulare varia col variare della specie, del tipo di cellula e delle condizioni di crescita. Il ciclo cellulare è un processo geneticamente controllato, costituito da una serie di eventi coordinati e dipendenti tra loro, dai quali dipende la corretta proliferazione delle cellule eucariotiche. Gli eventi molecolari che controllano il ciclo cellulare sono ordinati e direzionali: ogni processo è la diretta conseguenza dell'evento precedente ed è la causa di quello successivo. È caratterizzato da cinque fasi: fase G1, fase S, fase G2, fase M (mitosi) e citodieresi chiamata anche divisione citoplasmatica; G sta per "gap" e S sta per "synthesis" (Sintesi). 35  Fase G1 Nella fase G1 la cellula, appena uscita dal processo di mitosi e quindi avente dimensioni ridotte, accresce il suo volume e costruisce le strutture necessarie per sostenerlo: vengono perciò sintetizzate numerosi organuli ed in particolare si ha una elevata attività di sintesi di proteine e di RNA. Inoltre, nelle cellule animali i due centrioli, iniziano a separarsi ed a duplicarsi. Questa fase ha una durata temporale, variabile da pochi minuti a ore, che può sempre la più lunga a tal punto che, è proprio la durata di G1 a condizionare la durata dell' intero ciclo cellulare.  Fase SIn questa fase, i 2 filamenti appaiati che compongono la molecola di DNA progressivamente si separano facendo da stampo ognuno per un nuovo filamento complementare, avviene quindi la duplicazione del DNA. La fase S in genere dura meno della fase G1 che la precede, ma comunque la sua durata oscilla molto a seconda dell'organismo di cui fa parte la cellula e del tipo di cellula.  Fase G2In questa fase la cellula si prepara alla mitosi. I centrioli hanno completato la duplicazione: due nuovi si posizionano, restando vicini, esternamente alla membrana nucleare. I microtubuli e i microfilamenti iniziano ad assemblarsi formando il fuso mitotico in vista del loro compito di ripartizione dei cromosomi dei due corredi cromosomici. Verso la fine, si ha la spiralizzazione della cromatina in strutture distinguibili, i cromosomi. Il processo si completa nella fase M. CHECKPOINTS Il ciclo cellulare è un processo estremamente importante; errori in questo processo potrebbero compromettere la vitalità cellulare. Per tale motivo, nel ciclo cellulare, sono presenti dei punti di controllo o checkpoints, localizzati a livello delle transizioni G1/S e G2/M. In questi punti viene controllata la grandezza e l’integrità del DNA e fungono da protezione per la cellula e per l’organismo in quanto possono bloccare il processo prima che si formano 2 cellule danneggiate. Si dice che le cellule che hanno smesso di dividersi, in modo temporaneo o irreversibile, sono in uno stato di quiescenza (fase G0). Le cellule nervose e quelle striate dei muscoli scheletrici, ad esempio, rimangono in questo stadio per tutta la vita dell'organismo. MITOSI  Fase M La mitosi è il processo di riproduzione effettuato esclusivamente dalle cellule eucariote. La mitosi riguarda le cellule somatiche dell'organismo (ossia tutte le cellule fuorché quelle che hanno funzione riproduttiva: i gametociti primari, i quali utilizzano la meiosi) e le cellule germinali ancora indifferenziate. Il processo di mitosi si divide in 4 fasi: 1. Profasei cromosomi già duplicati in precedenza (nell'interfase) condensano. All'esterno del nucleo iniziano a riorganizzarsi i microtubuli che daranno 36 I N T E R F A S origine al fuso mitotico, l'involucro nucleare inizia a disgregarsi e i centrioli vengono trascinati ai due poli opposti della cellula. 2. Prometafasei centrioli si posizionano ai poli della cellula creando un fuso mitotico; la membrana nucleare si rompe e i cromosomi vengono legati dai microtubuli che compongono il fuso. 3. MetafaseDurante questa fase, i cromosomi raggiungono il massimo grado di condensazione e si allineano lungo il piano equatoriale della cellula. 4. Ananfaseil centromero di ogni cromosoma si divide; in questo modo i cromatidi fratelli migrano ai poli opposti della cellula grazie ai microtubuli che si accorciano trascinandoli. 5. Telofasei cromatidi fratelli sono giunti ai due poli e attorno a loro cominciano a formarsi due membrane nucleari; questo fa in modo che si formino due nuclei distinti. Dopo la formazione dei due nuclei avviene la citochinesi ovvero la divisione del citoplasma della cellula. Alla fine di questo processo si ottengono due cellule distinte, le cellule figlie. MEIOSI La meiosi è un processo di divisione mediante il quale una cellula eucariotica con corredo cromosomico diploide dà origine a quattro cellule con corredo cromosomico aploide. Da una cellula madre si formano quattro cellule figlie, tutte diverse fra loro. Tale processo potrebbe sembrare 37  Telofase I La telofase I può variare a seconda della specie. In seguito alla migrazione dei cromosomi omologhi verso i poli opposti della cellula, si può verificare la formazione della membrana nucleare e la citodieresi con la conseguente scissione cellulare, come avveniva nella mitosi; oppure vi è la semplice migrazione dei cromosomi senza scissione. Interfase In alcuni casi, terminata la meiosi I, può avvenire l'Interfase (o intercinesi) in cui i cromosomi si despiralizzano; in molte specie si passa invece direttamente dalla telofase I alla profase II. MEIOSI II La seconda divisione meiotica è quasi identica alla mitosi, infatti genera due cellule aploidi, invece che diploidi, perché non è preceduta da un ciclo cellulare adeguatamente fornito di fase S, e quindi avviene in presenza di un corredo cromosomico diploide e non tetraploide.  Profase II Compaiono nuovamente le fibre del fuso che agganciano i cinetocori dei cromosomi. Nel caso si sia verificata una scissione durante la telofase I, la membrana nucleare si dissolve affinché i microtubuli del fuso possano attaccarsi ai cromosomi.  Metafase II I cromosomi si toccano sulla piastra equatoriale; ogni cromosoma è costituito da due cromatidi fratelli.  Anafase II I centromeri dei cromosomi dei cromatidi fratelli si staccano e i cromatidi si dividono, migrando ai poli della cellula.  Telofase II Ai poli opposti della cellula si cominciano a formare i nuclei e avviene la citodieresi, con la conseguente scissione cellulare e i microtubuli del fuso scompaiono. I quattro nuclei contengono un numero aploide di cromosomi Sinapsi e crossing-over La sinapsi è quel processo mediante il quale i cromosomi omologhi si mettono in coppia durante la profase I. Ciascun cromosoma è formato da due cromatidi, e quindi quattro cromatidi formano una tetrade. In seguito alla sinapsi degli omologhi può avvenire il crossing-over, un processo mediante il quale i 40 cromosomi omologhi si scambiano parti equivalenti, determinando nuove combinazioni di geni. Il risultato visibile del crossing over è una struttura a croce chiamata chiasma. In ciascun chiasma i cromosomi omologhi possono scambiarsi segmenti di cromatidi. Meiosi umana Nell'essere umano, come negli altri organismi aventi una riproduzione sessuata, i gameti prima di giungere a maturazione completa, e quindi pronti per la fecondazione, subiscono le due divisioni meiotiche al fine di dimezzare il corredo diploide e renderlo aploide.  Nell'uomo avviene la spermatogenesi, al termine della quale giunge a piena maturazione lo spermatozoo, il gamete maschile: spermatogonio → spermatocita I → spermatocita II → spermatidi → spermatozoo  Nelle donne avviene l'ovogenesi, al termine della quale giunge a piena maturazione l'ovulo, il gamete femminile: ovogonio → ovocita I → ovocita II → corpuscolo polare → ovulo + 3 corpuscoli polari (che verranno poi degenerati). DUPLICAZIONE DNA Si definisce replicazione il processo di duplicazione semiconservativa del DNA. Il processo è definito semiconservativo poiché le due nuove doppie eliche di DNA sono formate entrambe da uno dei vecchi filamenti e da un nuovo filamento complementare. Grazie alla replicazione, la cellula, che si sta dividendo, raddoppia il proprio materiale genetico per trasmetterne una copia a ognuna delle due cellule figlie. La replicazione prende avvio quando, in un punto preciso di inizio, l'enzima DNA-elicasi despiralizza la doppia elica. In questo modo sporgono le basi azotate del DNA originario, che servono da "modello" per la formazione del nuovo DNA. 41 Un altro enzima, la DNA-polimerasi, si sposta lungo ciascun filamento di DNA, dall'estremità 3' all'estremità 5', per riconoscere le basi esposte del filamento "modello" e legare a esse i nucleotidi liberi (precedentemente sintetizzati nel citoplasma e portati all'interno del nucleo) con le basi complementari. Si forma così un nuovo filamento di DNA complementare al DNA che fa da "stampo". Per il corretto funzionamento delle cellule figlie è importante che la replicazione avvenga con il minor numero possibile di errori: l'enzima DNA-polimerasi ha la funzione di impedire o rimuovere appaiamenti sbagliati di nucleotidi. Nonostante ciò, durante la replicazione si possono verificare errori, anche se con una frequenza molto bassa: un nucleotide sbagliato su 106 appaiati correttamente. Ma, grazie a specifici enzimi, è possibile ridurre l’errore ad uno su 109.Questi errori provocano un cambiamento nella sequenza delle basi azotate, e di conseguenza dell'informazione genetica, e sono detti mutazioni. Poiché la DNA-polimerasi lavora soltanto in direzione 3’-5’ del filamento “stampo”, mentre un filamento copia, detto anche filamento leader o veloce, cresce in direzione 5′-3′ (andamento complementare al filamento stampo) e viene allungato in modo continuo, l’altro filamento copia detto anche lento o ritardato cresce, invece, complessivamente nella direzione opposta, 3′-5′, e viene sintetizzato sotto forma di brevi frammenti, i frammenti di Okazaki, ognuno dei quali cresce nella direzione 5′-3′. La parte finale del filamento stampo sul quale si stanno formando i frammenti di Okasaki è detta telomero. Esso è la parte terminale del cromosoma ed ha un ruolo determinante nell'evitare la perdita di informazioni durante la duplicazione dei cromosomi, poiché la DNA polimerasi non è in grado di replicare il cromosoma fino alla sua terminazione; se non ci fossero i telomeri la replicazione del DNA comporterebbe dopo ogni replicazione una significativa perdita di informazione genetica. Diversi studi hanno dimostrato che il progressivo accorciamento dei telomeri ad ogni ciclo replicativo sia associato all'invecchiamento cellulare. GAMETI: FECONDAZIONE E SVILUPPO Un gamete è una cellula specializzata capace di fondersi con un altro gamete nel processo di fecondazione, processo che avviene negli organismi che si riproducono sessualmente. I gameti si identificano come cellula uovo, più grande e prodotta dalla femmina, e spermatozoo, più piccola e prodotta dal maschio. Il differenziamento dei gameti avviene nella gonade, secondo una serie di eventi chiamata gametogenesi. Durante la gametogenesi la cellule vanno incontro a un complesso processo di divisione, la meiosi. L’incontro e la fusione dei due gameti e la conseguente fusione dei loro due nuclei ripristina, nello zigote, il corredo cromosomico diploide. La cellula diploide zigotica contiene, quindi, un set di cromosomi derivanti dalla madre e un set derivanti 42 CELLULE Gai Staminali CELLULE PLURIPOTENTI fetali e ammiosiche raidaliari ._ 7° MULTIPOTENTI i, Staminali da sangue NW perierico Blastocist Staminali tessuto.specitiche Sam, adipociti CELLULE TOTIPOTENTI f x ( Morula © CELLULE UNIPOTENTI dl j ki 4 va RA x Sistema, immunitario Cardiomiociti isa nevoso Ta MORTE CELLULARE 45  Negli organismi pluricellulari, la morte della cellula avviene secondo due modalità:  La morte per necrosi  è soprattutto causata da insulti di natura chimica o fisica ed è caratterizzata da rigonfiamento e vacuolizzazione citoplasmatici, da picnosi nucleare e da una progressiva perdita dell’integrità della membrana plasmatica. La necrosi determina l’insorgere di fenomeni reattivi (infiammazione).  La morte per apoptosi  l'apoptosi è portata avanti in modo ordinato e regolato, richiede consumo di energia (ATP) e generalmente porta a un vantaggio durante il ciclo vitale dell'organismo. Nel corpo umano circa cinquanta miliardi di cellule muoiono ogni giorno per apoptosi. Il programma di morte cellulare può essere attivato dall’arrivo sulla cellula di uno specifico segnale di morte o dalla mancanza di segni di vita. Uno degli eventi chiave è la fuoriuscita del citocromo c dal mitocondrio. Il citocromo c, giunto nel citoplasma, si lega ad una proteina adattatrice, Apaf, che –attivata- si lega a una proteasi, la caspasi, attivandola; questa, a cascata attiva altre caspasi responsabile della degradazione e della morte cellulare. La sequenza di questi eventi chimici si traduce in una precisa sequenza di eventi morfologici: 1) Raggrinzimento e arrotondamento dovuto alla rottura della componente citoscheletrica a opera della caspasi; 2) Addensamento del citoplasma e impacchettamento degli organuli; 46 3) Condensazione della cromatina in zolle disposte a ridosso dell’involucro nucleare; 4) Frammentazione del nucleo in corpi nucleari; 5) Frammentazione della cellula in corpi apoptotici; 6) Fagocitosi dei corpi apoptotici da parte di un macrofago. ( La fagocitosi ha luogo perché le cellule apoptotiche trasferiscono sulla parte esterna della membrana la fosfatidilserina normalmente inserita sulla superficie interna. Questo lipide marca la cellula per fagocitosi. 47