La cellula procariotica, Appunti di Biologia

Scarica La cellula procariotica e più Appunti in PDF di Biologia solo su Docsity! Cellula procariotica  ALESSIA La cellula procariotica è comune ad archea e batteri e si è originata 3,8 miliardi di anni fa. È circondata da una membrana plasmatica costituita da un doppio strato fosfolipidico. Mantiene le caratteristiche chimico-fisiche dell’ambiente interno ed è una membrana semipermeabile (impedisce ad alcune sostanze di attraversarla mentre permette ad altre di entrare e uscire). Il citoplasma è il materiale semifluido in cui avvengono le reazioni cellulari. Composto da due parti: il citosol (acqua e ioni, micromolecole e macromolecole solubili) e particelle insolubili. Immerso nel citoplasma troviamo il nucleoide che contiene DNA circolare. Nel citoplasma troviamo anche i ribosomi che hanno un diametro di 25 nanometri, hanno la funzione di sintetizzare le proteine e sono formati da due subunità (RNA ribosomale + 50 molecole proteiche). Alcuni batteri presentano delle strutture specializzate:  La capsula è costituita di polisaccaridi ed è il rivestimento più esterno. Protegge da attacchi del sistema immunitario, previene l’essiccamento e aiuta la cellula ad aderire ad altre cellule.  La parete cellulare è interna alla capsula ma esterna alla membrana. È costituita da carboidrati (no cellulosa) e ha funzione di sostegno e mantenimento forma.  Le membrane interne si trovano nei cianobatteri (che fanno la fotosintesi). La membrana plasmatica si ripiega verso l’interno dando origine a tale sistema di membrane.  I flagelli sono delle appendici costituite da proteine in grado di contrarsi. Ruotano sul proprio asse come un’elica permettendo alla cellula di spostarsi in ambienti acquosi.  I pili sono piccoli e numerosi. Funzionato da appendici di adesione (superfici e tessuti) e possono essere coinvolti nel trasferimento di DNA tra due batteri (coniugazione batterica).  Il citoscheletro è costituito da filamenti proteici ed serve alla cellula per il mantenimento della forma e per aiutare durante la divisione cellulare. Un esempio di regolazione in Escherichia coli  BEATRICE Oltre alla ricombinazione genica e all’azione di plasmidi e trasposoni, il genoma procariotico è soggetto a una serie di meccanismi che rendono i batteri in grado di adattarsi con rapidità ed efficienza alle variazioni ambientali. I procarioti infatti sono in grado di regolare con precisione le proteine attive nel proprio citoplasma, così da limitare gli sprechi e da consentire la massima coordinazione tra le vie metaboliche. Di solito il controllo consiste nell’attivare o disattivare i geni che codificano per la sintesi delle proteine, in modo che ciascuna proteina venga prodotta solo quando serve e nella quantità necessaria. In un batterio la sintesi di una proteina può essere regolata nella fase di trascrizione oppure durante la traduzione. Quanto prima una cellula interviene nel processo di sintesi proteica, tanto minore è l’energia che consuma. Per questo motivo il metodo più comune di regolazione genica è il controllo della trascrizione. In una cellula batterica alcune proteine vengono prodotte a ritmo costante, perché sono sempre necessarie; altre invece vengono prodotte solo quando il batterio ne ha bisogno. In questo caso la cellula dimostra di riconoscere una variazione chimica dell’ambiente esterno e di saper attivare o bloccare i suoi geni in relazione alla nuova situazione. Il metabolismo del lattosio in Escherichia coli è un buon esempio per descrivere questa capacità di adattamento. Essendo un normale inquilino dell’intestino umano, E. coli deve essere capace di adattarsi agli improvvisi cambiamenti del suo ambiente. Il suo ospite può metterlo in contatto con un certo tipo di cibo e, poche ore dopo, con uno totalmente diverso. Queste variazioni costituiscono una sfida metabolica per il batterio. La fonte di energia preferita da E. coli è il glucosio, lo zucchero più facile da metabolizzare, ma non tutto il cibo ingerito dall’ospite contiene un’elevata quantità di glucosio. Per esempio, il batterio può trovarsi improvvisamente sommerso dal latte, che contiene lo zucchero lattosio. Il lattosio è un disaccaride contenente una molecola di galattosio legata a una molecola di glucosio. Per essere assorbito e metabolizzato da E. coli, il lattosio deve subire l’azione di tre proteine, di cui una (chiamata β-galattosidasi) è un enzima che catalizza la scissione del legame tra i due monosaccaridi. Quando E. coli cresce su un terreno contenente glucosio ma privo di lattosio, i livelli di queste tre proteine sono estremamente bassi: ovvero i geni che le codificano sono «repressi», cioè inattivi. Se però l’ambiente cambia e il lattosio diventa lo zucchero più abbondante, il batterio si affretta a produrre tutte e tre le proteine. Quindi i geni che codificano per queste proteine vengono attivati, cioè trascritti e tradotti; di conseguenza la concentrazione delle proteine nella cellula aumenta rapidamente. In una cellula di E. coli che cresce su un terreno privo di lattosio si trovano soltanto due molecole di β-galattosidasi; la presenza di lattosio, invece, può indurre la sintesi di 3000 molecole di β- galattosidasi per ogni cellula! Se dal terreno di coltura di E. coli si toglie il lattosio, la sintesi di β-galattosidasi si arresta quasi subito. Le molecole di enzima già prodotte non scompaiono, semplicemente si diluiscono nel corso delle successive divisioni cellulari finché la loro concentrazione all’interno di ogni cellula batterica ridiscende al livello iniziale. I geni che codificano i tre enzimi coinvolti nel metabolismo del lattosio di E. coli vengono definiti geni strutturali, a indicare che specificano la struttura primaria (cioè la sequenza amminoacidica) di una proteina; in altre parole, sono geni trascrivibili in mRNA. Gli operoni sono le unità di trascrizione dei procarioti  ALESSIA Il controllo dell’espressione genica da parte di proteine regolatrici non è un meccanismo utilizzato esclusivamente dai procarioti; lo si osserva anche nei virus ed è importante anche negli organismi eucariotici. Lo studio di questi meccanismi di controllo è stato fondamentale per cogliere due aspetti importanti della struttura e della funzione del DNA:  Esistono alcuni tratti di DNA (operatori e promotori) che svolgono la funzione di siti di legame per proteine regolatrici e non vengono mai trascritti. repressore rimane inattivo finché non si lega a un corepressore, formando con esso un complesso repressore-corepressore che si lega all’operatore, impedendo alla RNA polimerasi di trascrivere i geni strutturali dell’operone. La regolazione reprimibile si trova spesso nel controllo della sintesi di enzimi che partecipano a vie metaboliche biosintetiche (anaboliche); in questi casi il prodotto finale della via metabolica è spesso il corepressore. Così gli enzimi della via biosintetica non sono sintetizzati finché la concentrazione del prodotto finale non è così bassa da causare la repressione. In un sistema regolato positivamente, lo stato basale è “spento” e una o più proteine, legandosi nel sito attivatore a diversa distanza dal promotore, favoriscono la trascrizione dei geni strutturali in vario modo (es. distorcendo l’elica del DNA, favorendo l’attacco della polimerasi, ecc). Una tale proteina di regolazione è chiamata proteina attivatrice di trascrizione. Anche gli operoni sottoposti a controllo positivo si suddividono in operoni inducibili o reprimibili.  Negli operoni inducibili, la proteina attivatore è normalmente incapace di legarsi all'operatore. Certe molecole, tuttavia, possono legarsi alla proteina attivatore e cambiare la sua conformazione in modo da renderla capace di legarsi al DNA e incentivare, così, la trascrizione.  Negli operoni repressibili, la proteina attivatore si trova legata all'operatore in condizioni normali, e la trascrizione avviene perciò regolarmente. Determinate molecole però possono legarsi all'attivatore e impedirgli, cambiandone la conformazione, di legarsi all'operatore. In questo modo, la trascrizione viene inibita. La regolazione negativa e positiva non sono mutuamente esclusive e alcuni sistemi sono regolati sia positivamente che negativamente, utilizzando due regolatori che rispondono a condizioni diverse della cellula. La regolazione negativa è più comune nei procarioti, quella positiva negli eucarioti. Operone lac  ALESSIA In presenza di lattosio il microrganismo può utilizzare questo disaccaride come fonte energetica, idrolizzandolo nei due monosaccaridi glucosio e galattosio tramite l'enzima beta-galattosidasi, codificato dai geni dell'operone Lac. L’operone lac appartiene al tipo di operoni che attivano la trascrizione in risposta alla comparsa di un induttore. In questo sistema la proteina repressore presenta due siti di legame: uno per l’operatore e l’altro per l’induttore. Gli induttori dell’operone lac sono le molecole di allolattosio, un intermedio metabolico dell'idrolisi del lattosio. Il legame con l’induttore modifica stericamente la proteina repressore. In seguito al cambiamento di forma il repressore non può più legarsi all’operatore; di conseguenza l’RNA polimerasi può legarsi al promotore e dare inizio alla trascrizione dei geni strutturali. L’mRNA trascritto viene poi tradotto a livello dei ribosomi per sintetizzare le tre proteine necessarie al metabolismo del lattosio. A mano a mano che il lattosio viene metabolizzato, la sua concentrazione si riduce. Quando la concentrazione di lattosio si abbassa, le molecole di induttore si separano dal repressore, che riacquista la sua forma originaria e si lega all’operatore, bloccando la trascrizione dell’operone lac. Dato che l’mRNA già presente nella cellula si degrada rapidamente, poco dopo cessa anche la traduzione. È dunque la presenza o meno di lattosio (ovvero dell’induttore) a regolare la formazione del legame fra repressore e operatore, e quindi anche la sintesi delle proteine coinvolte nel metabolismo del lattosio. Per questo l’operone lac è un sistema inducibile. Per riassumere, quando nella cellula è presente lattosio, alcune molecole vengono trasformate in un intermedio metabolico che ha la possibilità, comportandosi da Induttore, di legarsi al repressore, il quale va incontro a cambiamenti conformazionali (transizione allosterica) che abbassano l’affinità del repressore per le sequenze dell’ Operatore, di fatto staccandosi dalle sequenze dell’operatore stesso. La RNA polimerasi è così in grado di scorrere lungo la sequenza genica e permettere la produzione di β-galattosidasi, β-galattoside permeasi, e β-galattoside transacetilasi, che metabolizzano il lattosio. Quando i livelli di lattosio si abbassano, l'induttore si stacca dal repressore che così può legarsi nuovamente all'operatore, interrompendo la trascrizione. Operone trp Nel caso dell’operone triptofano (trp) la presenza del triptofano all’interno della cellula determina il blocco della sintesi degli enzimi che lavorano in modo coordinato per la biosintesi del triptofano stesso. Il triptofano è un amminoacido essenziale (l'organismo umano non è in grado di sintetizzarlo, deve essere ricavato dagli alimenti) necessario per la sintesi delle proteine. Le cellule che crescono in assenza di triptofano contengono gli mRNA e gli enzimi necessari per la sintesi di esso. Se l’amminoacido è presente nel mezzo le cellule non hanno più bisogno di sintetizzarlo ed entro pochi minuti si blocca la produzione degli enzimi responsabili per la sua produzione. Quindi, in presenza di triptofano, i geni che codificano per tali enzimi sono repressi. L’operone triptofano è composto da un promotore, da un operatore e 5 geni, i quali portano l'informazione per gli enzimi in grado di sintetizzare l'amminoacido triptofano a partire dall' acido corismico. In assenza di triptofano il sito operatore è disponibile per legare la RNA polimerasi, che trascrive i geni strutturali dell’operone trp consentendo la produzione di enzimi che sintetizzano il triptofano. In presenza di triptofano gli enzimi della via biosintetica non sono più necessari: l’aumento della concentrazione di triptofano determina l’azione di corepressore svolta dal triptofano, che si lega al repressore e lo attiva, in modo da bloccare la trascrizione.