Dott.ssa Monica Benincasa Ed. Q – Via Giorgieri 5 Tel Testi consigliati: “Elementi di biologia e genetica” (Vol. 1) Sadava D., Heller H.C., Orians G.H., Purves W.K., Hillis D.M. Zanichelli Ed. “Biologia cellulare” – “Genetica e biologia molecolare” Raven P.H., Johnson G.B. Piccin Ed. “Elementi di Biologia e Genetica” Talesa V.N., Giovannini E., Antognelli C. McGraw-Hill Ed.

Biologia: Studio degli organismi viventi e dei loro rapporti con l’ambiente che li circonda Capacità di riprodursi Capacità di trasformare la materia (attività metabolica) Capacità di adattarsi Capacità di rispondere a stimoli Capacità di evolvere Che cosa significa “vita”?

La teoria cellulare La cellula è la più piccola forma di vita Tutte le forme di vita sono costituite da una o più cellule Le cellule derivano solo da cellule preesistenti

 tutte le cellule hanno una membrana cellulare che separa il caos fuori da una cellula da un alto grado di organizzazione all’interno di essa.  tutta la vita cellulare contiene DNA come materiale genetico. Tutte le cellule contengono alcune varietà di molecole di RNA e proteine, molte delle quali sono enzimi.  tutte le cellule sono composte della stessa chimica di base: carboidrati, proteine, acidi nucleici, minerali, lipidi e vitamine.

 Tutte le cellule regolano il flusso di nutrienti e cataboliti che entrano e lasciano la cellula.  Tutte le cellule si riproducono e sono il risultato della riproduzione.  Tutte le cellule richiedono un supplemento di energia.  Tutte le cellule sono regolate da un elaborato sistema sensoriale che le consente di essere consapevoli di ogni reazione che avviene all’interno e attorno ad esse.

Le cellule sono piccole per ottimizzare il rapporto superficie/volume; ciò consente alla cellula di ottenere una superficie di scambio con l’esterno adeguata per il passaggio di nutrienti e scarti. Le cellule hanno piccole dimensioni Volumi ridottiSuperfici più ampie Numero e misure dei cubi Area totaleVolume totaleRapporto area/volume per ogni cubo 1 cubo, 4 cm di lato96 cm 2 64 cm 3 1,5/1 8 cubi, 2 cm di lato192 cm 2 64 cm 3 3/1 64 cubi, 1 cm di lato384 cm 2 64 cm 3 6/1

Le cellule hanno piccole dimensioni Lo strumento che ci consente di osservare le cellule più piccole di 0,1 mm è il microscopio. 1 µm10 µm100 µm

Tutti gli organismi viventi hanno un’organizzazione cellulare, che è di due tipi fondamentali: Procarioti: organismi unicellulari; le cellule non hanno compartimenti interni Eucarioti: organismi unicellulari e pluricellulari; le cellule sono compartimentalizzate Virus e batteriofagi: forme di vita non cellulari composti unicamente da un acido nucleico e un capside proteico

Esistono degli organismi “viventi” che non sono cellule: i VIRUS Essi tuttavia per rispondere alle caratteristiche che abbiamo assegnato alla “vita” hanno bisogno di cellule.

Una particella virale (HIV)

Le cellule procariotiche ed eucariotiche possiedono due strutture comuni: la membrana plasmatica il citoplasma Le cellule possono essere procariotiche o eucariotiche Le cellule procariotiche sono molto più piccole di quelle eucariotiche e hanno una struttura di base più semplice.

Le cellule procariotiche (da pro, prima e karyon, nucleo) sono prive di un nucleo racchiuso da una membrana e sono organismi unicellulari classificati in due domini: Archaea Bacteria (batteri) Le cellule procariotiche sono comparse per prime

Le cellule procariotiche sono molto meno complesse delle eucariotiche parete cellulare e spesso flagelli ribosomi di dimensioni ridotte non presentano nucleo dimensioni inferiori

Le cellule eucariotiche (da eu, buono, e karyon, nucleo) hanno un nucleo delimitato da una membrana ben distinta, che racchiude il DNA. Gli organismi eucariotici, ossia protisti, funghi, piante e animali, fanno tutti parte del dominio degli Eukarya (eucarioti). Le cellule eucariotiche contengono organuli specializzati

La struttura di una cellula animale

La struttura di una cellula vegetale

NUCLEO E CITOPLASMA Le cellule eucariotiche sono dotate di numerosi compartimenti interni, nei quali avvengono reazioni chimiche specifiche e separate dalle altre. Il nucleo è un importante comparto: la membrana nucleare mantiene i ribosomi all’esterno l’RNA trascritto non viene tradotto in proteine prima di essere processato e trasportato fuori dal nucleo, nel citosol.

Nucleocellulare Componenteessenzialedellacellula (strutturaassenteneiprocarioti) Contieneilmaterialegenetico(DNA) Sedediprocessiindispensabili allariproduzionecellulareealla sintesiproteica

Il nucleo è l’ organulo piu’ grande, separato dal citoplasma da una doppia membrana (membrana nucleare interna ed esterna separate da uno spazio perinucleare) dotata di pori che consentono le comunicazioni tra il nucleo e il resto della cellula (citoplasma). I pori nucleari sono siti nei quali le membrane nucleari interna ed esterna si fondono a formare un’apertura circolare contenente una struttura chiamata complesso del poro nucleare (transito RNA e proteine).

All'interno del nucleo si trova una regione specializzata, detta nucleolo, che è deputata all'assemblaggio di particelle chiamate ribosomi, che contengono RNA e proteine e che, una volta sintetizzate, migrano nel citoplasma, dove presiedono alla sintesi proteica. Il nucleo controlla la sintesi proteica inviando nel citoplasma diverse molecole con funzione di messaggeri. Nel nucleo, si trova il DNA, complessato con proteine e ripiegato a costituire la cromatina che, prima dell’inizio della divisione cellulare, si addensa nei cromosomi. La cromatina e’ immersa nel nucleoplasma. La struttura del nucleo e’ mantenuta dalla lamina nucleare.

I RIBOSOMI

Struttura dei ribosomi dei procarioti e degli eucarioti a confronto

Le membrane cellulari Tutte le cellule sono circondate da una membrana detta membrana citoplasmatica, che separa il citoplasma e gli organuli cellulari in esso contenuti dall'ambiente esterno. Oltre alla membrana plasmatica le cellule sono fornite di altre membrane dette membrane interne o membrane endocellulari, che circondano gli organuli cellulari (mitocondri, nucleo, lisosomi, vacuoli ecc.).

Le membrane cellulari Dal punto di vista morfologico le membrane cellulari sono pressoché identiche. La loro struttura molecolare invece e' varia pur mantenendo una certa similitudine.

Il fine principale delle membrane cellulari è quello di isolare l'ambiente interno da quello esterno. In tal modo, le reazioni metaboliche avvengono in compartimenti cellulari perfettamente isolati, non solo dall'ambiente extracellulare, ma anche dall'ambiente intracellulare. Si parla in questi casi di compartimentalizzazione. I vari organuli cellulari possiedono una struttura ed una funzione ben definita e sono presenti sia nelle cellule animali che vegetali.

–rete formata da cisterne e vescicole chiuse da membrana –comprende regioni “ lisce ” e regioni “ ruvide ” Reticolo endoplasmatico (RE)

Il reticolo endoplasmatico ruvido (RER) è una serie estesa di cisterne interconnesse sulla cui membrana sono adesi i ribosomi

 Deputato alla traduzione di alcuni RNA messaggeri in proteine  Presente in tutte le cellule ma più abbondante in quelle in cui vi è attiva sintesi di proteine che devono essere secrete o entrare nella membrana plasmatica Reticolo Endoplasmatico Ruvido

Reticolo Endoplasmatico Liscio  Sintesi della maggior parte dei lipidi  Detossificazione  Produzione di steroidi  Metabolismo del glicogeno (epatociti)  Regola la distribuzione intracellulare degli ioni Ca ++ (muscolo)

RER e REL hanno ruolo diverso: la loro quantità relativa dipende dalla funzione della cellula (es. in cellule secernenti RER esteso, cellule che producono lipidi REL esteso)

Il reticolo endoplasmatico ruvido (RER) è contraddistinto dalla presenza di ribosomi sulla membrana e sintetizza le proteine. Il reticolo endoplasmatico liscio (REL) non presenta ribosomi alla superficie e sintetizza lipidi di vario tipo. Proteine e lipidi vengono inglobati all’interno di vescicole di trasporto e diretti all’apparato di Golgi. Il reticolo endoplasmatico sintetizza e trasporta proteine e lipidi

L’apparato di Golgi è formato da un insieme di cavità, vescicole e canali, delimitati da membrana con un’architettura ordinata e distinguibile da quella del RE (sacche membranose impilate le une sulle altre) Il complesso di Golgi

Funzioni: Modificazioni proteine provenienti dal RER mediante glicosilazione e fosforilazione Smistamento proteine, opportunamente “etichettate”, alle diverse destinazioni cellulari Trasporto lipidi Sintesi proteoglicani della matrice e carboidrati Creazione lisosomi Tre regioni: cis (ingresso), mediana e trans (uscita) Ogni regione contiene un set diverso di enzimi per le modificazioni delle proteine

Sistema di membrane continuo, formato da tubuli, cisterne, vescicole delimitate da una membrana.

Le proteine vengono trasportate all’interno di vescicole, o sulla membrana di vescicole. L’orientamento delle proteine e dei lipidi nella membrana dal compartimento donatore è conservato nella membrana del compartimento bersaglio, mentre le proteine solubili sono trasferite da lume a lume.

Lisosomi  generati da Golgi  N° variabile  membrana singola  pH nel lume  5  idrolasi acide

Malattie da accumulo lisosomiale (es. Tay-Sachs con accumulo di glicolipide nelle cellule nervose)

Gli organuli del sistema delle membrane interne lavorano in sinergia

Perossisomi I perossisomi hanno un aspetto simile a lisosomi svuotati e demoliscono gli acidi grassi.

I perossisomi sono responsabili della degradazione di acidi grassi e composti tossici (sottoprodotti del metabolismo cellulare) –membrana singola –contengono ossidasi e catalasi che degradano i ROS le proteine dei perossisomi provengono dalla via citoplasmatica

Organuli con doppia membrana, le centrali energetiche della cellula, in cui avviene la respirazione cellulare, insieme di reazioni che producono ATP in seguito all’ossidazione di molecole Mitocondri

Organelli di forma bastoncellare –O µm di spessore –Fino a 10 µm di lunghezza Le creste differiscono in lunghezza, forma e numero, a seconda delle richieste energetiche della cellula

Mitocondri “Classici” Creste a ripiani attraversano metà della matrice Mitocondri Attivi Creste a ripiani strettamente impilate attraverso tutta la matrice Mitocondri delle Cellule Secernenti Steroidi Creste tubulari o circolari

Doppia membrana: membrana mitocondriale esterna e membrana mitocondriale interna, ripiegata in creste, sede delle reazioni che producono ATP, ovvero che convertono l’energia chimica dei nutrienti in energia utilizzabile dalla cellula Tra le due membrane si trova lo spazio intermembranoso Delimitata dalla membrana mitocondriale interna si trova la matrice mitocondriale Una cellula animale può contenere anche alcune migliaia di mitocondri Un mitocondrio animale contiene 5-10 molecole di DNA mitocondriale, in forma di una singola molecola circolare di DNA a doppia elica

Distribuzione dei Mitocondri  Tutte le cellule hanno mitocondri  La maggior parte dei mitocondri localizzata nella porzione della cellula che ha maggior richiesta energetica  Meno abbondanti in quelle cellule che lavorano in condizioni anaerobiche

I mitocondri demoliscono i carboidrati e producono ATP Gli organismi eucariotici producono energia (ATP) attraverso il processo della respirazione cellulare, che consente di liberare l’energia immagazzinata nel glucosio usando ossigeno. C 6 H 12 O 6 + 6O 2  6CO 2 + 6H 2 O + energia glucosio 36 ATP

1)Nel citosol (non richiede O 2 ) 2)Nella matrice mitocondriale 3)Nella matrice mitocondriale 4)Nella membrana mitocondriale interna

MITOCONDRI – ORIGINE ENDOSIMBIONTICA 1.Doppia membrana 2.Proprio genoma (molecola di DNA circolare) 3.Ribosomi simili a quelli dei procarioti I mitocondri si sarebbero originati per endosimbiosi: un piccolo procariote aerobio sarebbe stato inglobato da un eucariote ancestrale anaerobio; successivamente ci sarebbe stato un progressivo trasferimento di geni dal genoma mitocondriale a quello nucleare

 la maggior parte delle proteine mitocondriali sono codificate da geni nucleari, ma alcune di esse sono codificate da geni mitocondriali  la fosforilazione ossidativa richiede piu’ di 60 proteine, la maggior parte di esse codificate nel nucleo e trasportate nel mitocondrio Il DNA mitocondriale

 Ha una struttura cromatinica diversa (non e’ protetto dagli istoni) Il 93% del DNA mitocondriale e’ codificante  Va incontro a numerosi cicli di replicazione ed è piu’ soggetto agli errori della macchina replicativa  I meccanismi di riparo sono meno efficienti rispetto a quelli DNA nucleare  Alcune patologie genetiche sono originate o correlate ad alterazioni della funzione mitocondriale

Patologie come la malattia di Parkinson e la malattia di Alzheimer possono essere correlate a mutazioni del DNA mitocondriale (mtDNA) Mitocondri in una cellula muscolare

Fusione e Fissione Fusione necessaria a distribuire il mtDNA alla popolazione di mitocondri, mantenimento di organelli funzionali Fissione distribuire gli organelli a tutti i distretti della cellula, segregazione dei contenuti (mitocondri sani e impoveriti), generazione di variabilità nei fenotipi dei mitocondri per rispondere a necessità diverse nei vari distretti cellulari