Struttura e funzioni del citoscheletro e del reticolo endoplasmatico rugoso - Prof. Piombo, Sbobinature di Biologia

Scarica Struttura e funzioni del citoscheletro e del reticolo endoplasmatico rugoso - Prof. Piombo e più Sbobinature in PDF di Biologia solo su Docsity! Lezione 6, 23 ottobre 2020 Il ciclo vitale della cellula può essere scandito e suddiviso in momenti ben precisi: la fase di meiosi e quella di mitosi vengono indicate con M mentre le altre fasi vengono identificate come interfasi; ad esempio nucleo interfasico significa che ha assunto una conformazione tipica di tutto il periodo di vita della cellula ad eccezione del momento della divisione cellulare. Nel momento della divisione la cellula non soltanto divide il citoplasma tra le due cellule figlie ma anche il genoma, per cui una volta che è stato duplicato viene impacchettato; durante il periodo di vita della cellula la cromatina è rilassata e meno compattata (cromatina interfasica) in quanto il DNA è racchiuso all’interno del nucleo in maniera dispersa. Il termine cromatina indica l’insieme del contenuto del nucleo(DNA, proteine ed RNA) in quanto il DNA non è mai una doppia elica lasciata a se stessa ma è sempre complessato a proteine strutturali, che aiutano il DNA a ripiegarsi e a compattarsi, ma possono anche essere proteine funzionali, tipo gli enzimi che servono a copiare il DNA quando questo deve essere duplicato(ad esempio la DNA polimerasi) oppure che servono a sintetizzare l’RNA messaggero; la cromatina è composta anche da RNA in quanto questo viene sintetizzato insieme al DNA durante l’interfase e poi viene allontanato generalmente dal nucleo in modo tale da arrivare al citoplasma e svolgere qui le sue funzioni. Se ci riferiamo a un 100% teorico il DNA in realtà nella cromatina presenta soltanto il 35% quindi una piccola parte di quella che noi nella nostra mente potremmo associare a DNA, in quanto la cromatina è costituita da DNA, proteine e RNA presenti in rapporto di 35%, 60% e 5 %, per cui le proteine, anche in questo caso, hanno un ruolo importante. Le proteine presenti nel nucleo si dividono in due grandi classi: le proteine istoniche e quelle non istoniche; le proteine istoniche sono proteine diverse l’una dall’altra ma che hanno in comune alcune caratteristiche che le rendono così peculiari e specifiche per la funzione che svolgono. Sono proteine altamente basiche, un attributo importante poiché la loro basicità rende conto della loro capacità di legarsi al DNA(acido desossiribonucleico), caratterizzato da acidità che facilita l’interazione con le proteine che ne permettono la struttura tridimensionale e la compattazione. Tra istoni e DNA si hanno legami elettrostatici deboli che, data la numerosità, ne rendono salda l'interazione, la quale è reversibile a seconda della fase cellulare. Le proteine non istoniche sono tutte quelle prive di queste caratteristiche e possono essere molto diverse tra di loro e avere varie funzioni: -DNA polimerasi, i cui enzimi copiano un filamento di DNA in un altro filamento di DNA identico -RNA polimerasi, cioè enzimi che sulla base di un filamento di DNA riescono a sintetizzare RNA -proteine funzionali, come le proteine SSB(Single-strand binding protein) che sono in grado di legare un filamento di DNA a singolo filamento, infatti agiscono come dei separatori che tengono aperta la doppia elica per tutta la duplicazione e successivamente si distaccano e restano all'interno del nucleo. La cromatina si distingue in eucromatina ed eterocromatina: la prima è formata da DNA disperso funzionalmente attivo, cioè durante l'interfase non è impacchettato in maniera stretta intorno agli istoni e quindi essendo abbastanza lasso è facilmente accessibile alle proteine non istoniche, per cui è utilizzabile dalla RNA polimerasi per copiare un gene, dunque è una cromatina che può essere usata dalla cellula come stampo per la sintesi di RNA e quindi di proteine a livello del citoplasma. L'eterocromatina invece è quella regione del nucleo dove la cromatina è altamente compattata, infatti vi sono alcune regioni del DNA che anche durante l'interfase sono strettamente impacchettate agli istoni e quindi non possono essere utilizzate dalla cellula per copiare i geni che le compongono e sintetizzare le relative proteine: ad esempio una cellula del pancreas delle isole di Langherans che produce insulina, glucagone ed altri ormoni, ed un adipocita sono formati dallo stesso DNA, ma in tessuti diversi cellule diverse riescono ad usarlo in maniera differente(differenziamento cellulare). L'eterocromatina contiene dunque i geni che non servono a tale cellula, mentre l'eucromatina contiene i geni necessari alla cellula. Le cellule umane hanno 46 cromosomi organizzate in 22 coppie di cromosomi e 2 autosomi sessuali e l'insieme di questi cromosomi contiene all’incirca 3 miliardi di paia di basi; se srotolate, tutte le paia di basi presenti nell'organismo umano coprono la distanza di circa 70 viaggi andata e ritorno dalla Terra al Sole. Gli istoni sono proteine basiche che hanno tutte le stesse caratteristiche(fortemente basiche e ricche di gruppi positivi), anche se si distinguono diversi tipi di istone: ad esempio un nucleosoma, l’unità di base intorno alla quale si avvolge il DNA, è composto da istoni H2A, H2B, H3 e H4 che due a due si uniscono a formare un ottetto affinché vi si possano avvolgere 2 giri completi di DNA; il nucleosoma è dunque l'unità di base di compattazione del DNA, anche se non tutto vi è avvolto in maniera continua in quanto esistono regioni libere composte da circa 140 paia di basi tra un nucleosoma e il nucleosoma successivo. La regione di DNA libero tende ad associarsi ad un altro tipo di istone, quello H1, che rafforza e ravvicina i nucleosomi uno vicino all'altro; il primo livello di compattazione è il nucleosoma e il secondo è composto da tanti nucleosomi e si chiama collana di perle, mentre il terzo è costituito da molte colane di perle e prende il nome di fibra 30 nanometri, la quale forma delle anse che vengono avvicinate a formare il cromosoma attivo che si compatta ulteriormente a formare il cromosoma metafasico. Ribosomi I ribosomi sono presenti sia nei procarioti che negli eucarioti e sono in numero molto elevato poiché servono per la sintesi delle proteine; sono costituiti da 2/3 RNA e 1/3 proteine, i primi sintetizzati nel nucleolo e le seconde trascritte sotto forma di RNAmessaggero nel nucleo e poi tradotte nei ribosomi stessi. Sono costituiti da una subunità minore e una maggiore che si avvicinano l’una all’altra in modo tale da sintetizzare le proteine; la dimensione varia negli eucarioti(80S), in cui la subunità maggiore è 60S e la minore è 40S, e nei procarioti(70S), in cui invece si hanno rispettivamente 50S e 30S (S=Svedberg, cioè la costante di sedimentazione una volta che si è in centrifuga). Le due subunità maggiore e minore stanno insieme grazie a interazioni ioniche e ioni Mg2+; inoltre nella subunità maggiore è presente l’enzima amminoacil tRNA sintetasi, deputato alla formazione del legame peptidico. È un ribozima e ha un sito catalitico, poiché è in grado di catalizzare la reazione enzimatica del legame peptidico; la subunità maggiore e quella minore si uniscono a formare una sorta di sandwich al cui interno si va a posizionare l’mRNA, formato da ribonucleotidi l’uno legato all’altro da legame fosfodiesterico, che serve per dare inizio alla traduzione delle proteine, protoni dal citosol nei lisosomi, ottenendo una concentrazione di H+ circa 100 volte più alta rispetto al citosol. Le funzioni lisosomiali possono essere schematicamente suddivise in tre tipi principali: -degradazione lisosoma-mediata, nella quale i lisosomi sono coinvolti nel processo di degradazione e riciclo di materiale extracellulare attraverso l’endocitosi, come ad esempio la fagocitosi, la macropinocitosi, l’endocitosi clatrina-mediata, l’endocitosi caveolina-mediate e l’endocitosi caveolina e claritina-indipendente. Il materiale intracellulare invece raggiunge i lisosomi attraverso il processo di autofagia, un processo catabolico di “autodigestione” che è utilizzato dalle cellule per catturare i propri componenti citoplasmatici destinati alla degradazione e al riciclo. -secrezione, in quanto i lisosomi possono secernere i loro contenuti nello spazio extracellulare attraverso un processo chiamato esocitosi lisosomiale, che può essere rilevata dalla traslocazione di proteine di membrana lisosomiali sulla membrana plasmatica, attraverso la formazione di vescicole, le quali possono seguire due vie: secrezione(o esocitosi costituiva) e secrezione regolata. -regolazione del segnale cellulare(signaling) Le malattie da accumulo lisosomiale sono un’eterogenea famiglia di patologie, circa 50, dovute a diversi deficit enzimatici: -assenza totale -presenza dell’enzima ma inattivo -enzima sintetizzato ma incapace di raggiungere i lisosomi -instabilità a pH acido -misfolding(malconformazione nella struttura terziaria) -difetto nel trasporto Tali deficit determinano a livello dei lisosomi l’impossibilità di degradare uno specifico substrato, a cui consegue un accumulo di metaboliti o sostanze nei lisosomi con perdita di funzionalità cellulare: -attivazione di una risposta infiammatoria -alterato traffico intracellulare di vescicole, membrane e proteine legate alle membrane -alterazione dei meccanismi legati all’autofagia Perossisomi I perossisomi provengono per gemmazione dal reticolo endoplasmatico liscio e hanno un diametro di 0,2-1μm e sono circondati da una singola membrana. Presentano un corredo enzimatico caratteristico che comprende parecchie ossidasi, le quali utilizzano ossigeno per ossidare sostanze organiche(acidi grassi) producendo H2O2. Contengono anche catalasi: 2H2O2 → 2H2O + O2 Nel fegato e nel rene sono degradate molecole tossiche. I perossisomi inoltre esercitano molte azioni: -ossidazione degli acidi grassi a lunga catena(detta β-ossidazione) -sintesi del colesterolo e degli acidi biliari nelle cellule epatiche -intervengono nel metabolismo degli aminoacidi e delle purine -prendono parte al processo di smaltimento dei composti metabolici tossici Tra le malattie legate al malfunzionamento dei perossisomi la più importante è l’adrenoleucodistrofia legata al cromosoma X: è grave malattia neurologica causata da un difetto nell’ossidazione di acidi grassi a catena molto lunga perché manca una proteina di membrana, codificata dal gene ADL, che porta all’interno un enzima necessario per questa reazione chimica. Lezione 7, 29 ottobre 2020 Mitocondri I mitocondri sono la centrale energetica della cellula e contengono un macchinario per la conversione dell’energia dalla degradazione del glucosio in ATP(adenosina trifosfato), che è la molecola energetica cellulare, o il suo omologo GTP(guanina trifosfato); sono entrambi nucleosidi trifosfati della classe degli RNA perché presentano lo zucchero ribosio e presentano l’energia tra i gruppi fosfato, i cui gruppi legati, se scissi per idrolisi, rilasciano una grande quantità di energia che serve a spingere le reazioni di sintesi. Tutte le volte che la cellula compie un lavoro utilizza ATP o GTP che sono la benzina che alimenta il motore delle azioni cellulari; se la produzione di ATP si fermasse nel citoplasma dal glucosio si ricaverebbero solo 2 molecole di ATP, che è una resa bassissima, in quanto nei mitocondri prosegue la demolizione dei legami chimici del glucosio e si ottengono alla fine 36 molecole di ATP, H2O e CO2, che serve a smaltire gli atomi di C dello zucchero. I mitocondri sono composti per lo più da proteine, lipidi e acidi nucleici; sono generalmente sferici o ovoidali e sono caratteristici delle cellule eucariotiche, infatti mancano solo nelle cellule procariotiche, cioè i batteri, dove le funzioni respiratorie vengono espletate da proteine enzimatiche contenute nella membrana cellulare e nelle sue invaginazioni, dette mesosomi. I mitocondri derivano da un processo di simbiosi tra dei procarioti ancestrali aerobi e la cellula eucariotica che si stava sviluppando: un procariote aerobio è stato fagocitato dalla cellula eucariotica che se ne voleva cibare, dopodiché si è stabilita tale simbiosi invece di essere demolito. Le prove a favore della teoria endosimbiontica sono: -cloroplasti e mitocondri hanno le stesse dimensioni dei procarioti -cloroplasti e mitocondri hanno un genoma proprio, circolare -cloroplasti e mitocondri codificano molte proteine proprie (il 10% del totale) e molte di queste iniziano con l’aminoacido formilmetionina (come nei procarioti) piuttosto che con l’aminoacido metionina come negli eucarioti -questi organelli hanno ribosomi 70S come i procarioti -mitocondri e cloroplasti si duplicano mediante scissione binaria. Presentano una membrana esterna liscia che somiglia alla membrana plasmatica della cellula, che secondo la teoria endosimbiontica si è portato dietro quando è entrato tramite fagocitosi, mentre la membrana interna si estende nella matrice formando delle pieghe dette creste mitocondriali che contengono molecole cruciali per la produzione di ATP a partire da altre molecole, racchiudendo al loro interno la matrice mitocondriale. La matrice mitocondriale ha una consistenza gelatinosa a causa della concentrazione elevata di proteine idrosolubili (circa 500 mg/ml): essa contiene, infatti, numerosi enzimi, substrati e ribosomi 70 S (più piccoli di quelli presenti nel resto della cellula) e molecole di DNA circolare a doppio filamento; nella matrice sono presenti gli enzimi del Ciclo di Krebs che riducono il piruvato in AcetilCoA che viene poi avviato alla ossiduriduzione (fosforilazione ossidativa) sulle creste mitocondriali. La fosforilazione ossidativa è una catena di ossidoriduzioni in cui gli elettroni scendono ad un livello più basso passando da una reazione all’altra e gradatamente si liberano dell’energia che contengono per far fare un lavoro al mitocondrio, che è quello di concentrare nella zona tra membrana interna ed esterna, che ha una composizione abbastanza simile al citoplasma, in quanto la prima è permeabile mentre la seconda necessita l’intervento di trasportatori ad hoc, gli ioni H+ i quali poi rientrano attraverso l’ATPsintetasi e la differenza di concentrazione alimenta la sintesi dell’ATP. [Tale meccanismo somiglia a quello per il movimento delle ciglia dei batteri, in cui le pompe protoniche espellono ioni H+, i quali successivamente rientrano attraverso lo statore, il quale determina il movimento del flagello.] La membrana esterna è composta per il 50% di lipidi e per il resto presenta svariati enzimi dalle molteplici attività tra cui: l'ossidazione dell'adrenalina, l'allungamento degli acidi grassi e la degradazione del triptofano; inoltre contiene delle proteine, le porine, le quali formano dei canali proteici transmembrana non selettivi: ciò fa sì che la membrana esterna sia assai permeabile e permetta il passaggio di molecole di massa fino a 1000 Da(Dalton, l’unità di peso molecolare delle proteine, 1000Da=1KDa). La membrana interna invece ha un maggior contenuto di proteine enzimatiche (citocromo, ferredossina) e forma delle estese estroflessioni: queste proteine costituiscono gli enzimi della catena respiratoria, in grado di operare reazioni a catena di ossidoriduzione di un substrato organico di ridurlo in CO2 e H2O con consumo di O2 e produzione di ATP; presenta un rapporto in peso proteine/lipidi che si aggira intorno a 3:1. Il genoma mitocondriale può presentare delle mutazioni che determinano malattie ereditarie materne, in quanto i mitocondri provengono dalla cellula uovo; possiede inoltre 37 geni. Il mitocondrio è coinvolto in molti processi, tra cui l’apoptosi, cioè la morte cellulare programmata, la quale serve a regolare il numero delle cellule presenti in un tessuto e ad eliminare le cellule danneggiate; partecipano inoltre alla regolazione del ciclo cellulare e dello stato redox della cellula. Se l’O produce radicali liberi, cioè un atomo di O con un e- spaiato, questo può andare a provocare lo stress ossidativo, cioè una presenza eccessiva di radicali che vanno ad attaccarsi ad altre molecole ossidandole e danneggiando il DNA; un eccesso di radicali liberi determina l’invecchiamento cellulare e molte malattie. Il mitocondrio interviene nella sintesi del gruppo eme e del colesterolo ed inoltre è coinvolto nella produzione di calore, una forma di dissipazione dell’energia prodotta dalle reazioni chimiche coinvolte nella demolizione delle molecole. La respirazione aerobica permette dunque di utilizzare l’ossigeno per produrre grandi quantità di ATP a partire dalle molecole di cibo: inizialmente si parte dal citoplasma dove si ha solo una parziale ossidazione delle molecole, poiché da una molecola di glucosio si ottengono due molecole di piruvato a 3 atomi di C, le quali possono essere completamente demolite tramite il ciclo di Krebs con la conseguente produzione di elettroni ad alto contenuto energetico che vanno ad alimentare la respirazione. Staccando uno dei due gruppi fosfato legati tramite legami ad alta energia si ottiene l’adenina difosfato(ADP) e il fosfato inorganico, al cui distacco corrisponde il rilascio di una grande quantità di energia(7,3kcal/mol) che serve a mandare avanti il lavoro cellulare. Il ciclo di Krebs si chiama anche ciclo dell’acido citrico o ciclo degli acidi tricarbossilici e produce CO2, 2 GTP ed elettroni ad alto contenuto energetico, i quali sulle creste vanno a fare la fosforilazione ossidativa, passando da un alto livello energetico ad uno basso fino a produrre H2O e ATP; se gli elettroni passassero da un alto livello energetico ad uno basso tutto insieme si avrebbe una sorta di esplosione in quanto tutta l’energia verrebbe rilasciata sotto forma di calore, mentre con una catena di ossidoriduzione in cui piano piano si scende I microtubuli presentano un’estremità di crescita + da cui la tubulina viene aggiunta e un’estremità - da cui la tubulina generalmente viene persa, per cui un microtubulo con lunghezza costante ha un ricambio continuo di tubulina: tale caratteristica viene definita treadmilling. L’instabilità dinamica indica che i microtubuli si allungano ma a un certo punto la cellula cambia indirizzo e il microtubulo inizia a decrescere: tali eventi si chiamano catastrofi e recuperi; finché vi è tubulina e GTP il microtubulo cresce, mentre se diminuisce poiché è terminata il microtubulo decresce, per tale motivo si parla di instabilità. I tratti di tubulina si staccano una volta esaurito il GTP poiché perdono l’adesività; esistono sostanze chimiche usate anche nelle terapie che bloccano l’instabilità dinamica impedendogli di crescere o decrescere. Ad esempio il tassolo viene usato nel cancro alla mammella per bloccare le divisioni cellulari, in quanto lega i microtubuli impedendogli di essere dinamici: tale terapia è molto efficace contro le cellule tumorali in quanto si dividono molto di più rispetto a quelle sane per cui hanno bisogno di un citoscheletro molto più attivo, ma subiscono dei danni anche le cellule sane. La colchicina invece si lega alla tubulina libera impedendo l’accrescimento e il decrescimento dei microtubuli, come la vinblastina, una droga che viene usata in maniera sperimentale. I microtubuli si muovono grazie alle proteine a loro associate: alcune tagliano i microtubuli come la tacucamina, alcune aumentano l’instabilità dinamica, alcune legano i microtubuli alle membrane ed altre li bloccano, li stabilizzano e ci si legano lateralmente nelle cellule nervose vi sono la MAP 2 e la TAU che fanno si che i microtubuli rimangano spaziati regolarmente tra loro. Ad esempio dentro l’assone delle cellule nervose, cioè il prolungamento che dal corpo cellulare va alle fibre muscolari. Ci corrono i microtubuli regolarmente spaziati: per spazi stretti si usa la TAU e per spazi larghi si usa la MAP 2. Le proteine motrici legate ai microtubuli sono dineina e chinesina poiché sono polarizzati, infatti una va verso l’estremità + e una verso quella -, infatti nel trasporto assonico si ha bisogno di portare le vescicole fino alla sinapsi sul muscolo, per cui le vescicole scorrono lungo un microtubulo che presenta l’estremità + verso il corpo cellulare e quella - verso la punta delle dita, per cui si ha la necessità di una proteina che vada verso la periferia, per cui si ha bisogno della chinesina, mentre nel caso contrario della dineina. Chinesina e dineina sono proteine motrici in quanto fanno proprio dei passi e si attaccano e si staccano camminando lungo i microtubuli, mentre dalla parte opposta possono portare un carico che scorre lungo il microtubulo: la chinesina e la dineina sono dunque proteine deputate allo scorrimento lungo il microtubulo, la prima verso l’estremità + e la seconda verso quella -. Per camminare svolgono un lavoro per cui consumano ATP e compiono 0,3μm/sec; nel trasporto degli assoni la chinesina viene utilizzata per trasportare le vescicole dal Golgi fino al terminale sinaptico, quando invece c’è da riportare al corpo cellulare sostanze da demolire entra in gioco la dineina che cammina lungo il microtubulo. I microtubuli nascono sempre dal centrosoma, una sfera di proteine che contiene al suo interno una coppia di centrioli nelle cellule animali; i centrioli sono presenti sempre in coppia e diventano 4 solo prima della divisione cellulare in modo tale da essere spartiti tra le cellule figlie e sono costituiti a loro volta da microtubuli. In quanto nascono dal centrosoma, i microtubuli presentano l’estremità - verso l’interno e l’estremità + verso l’esterno. Se si va a tagliare una cellula nella regione dei centrioli si vede un anello e un cilindro poiché sono sempre in posizione ortogonale, cioè uno perpendicolare all’altro; inoltre si vede che la parete si costituisce a partire da 9 triplette di microtubuli. Per stare insieme i centrioli hanno bisogno di una matrice proteica detta pericentriolare. I centrioli servono insieme al centrosoma per organizzare i microtubuli, tra cui un’organizzazione particolare è quella del fuso, una struttura transitoria che si forma solo al momento della divisione del nucleo; durante la mitosi si ha il fuso, il quale è costituito da microtubuli che si irradiano dal centrosoma.