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Biologia Prof. Lorena Di Pietro 1 cfu 1°semestre 2022-2023 1°anno Corso integrato: Basi molecolari  La teoria cellulare LA TEORIA CELLULARE Le cellule sono le unità fondamentali della vita e sono caratteristiche di tutti gli organismi viventi, la cel...

Biologia Prof. Lorena Di Pietro 1 cfu 1°semestre 2022-2023 1°anno Corso integrato: Basi molecolari  La teoria cellulare LA TEORIA CELLULARE Le cellule sono le unità fondamentali della vita e sono caratteristiche di tutti gli organismi viventi, la cellula è il più piccolo organismo, considerato tale perché capace di una vita autonoma. L’insieme del lavoro delle cellule determina l’organismo intero. Molti organismi viventi consistono in una sola cellula (unicellulari) mentre altri sono costituiti da una complessa organizzazione di miliardi di cellule (pluricellulari) Il mondo cellulare viene studiato da quando fu inventato il microscopio (nel 600) quindi la teoria cellulare si basa su tre enunciati: Il primo fu introdotto nel 700 da Hooke, il quale notò che il sughero e altri tessuti vegetali erano formati da piccole cavità separate da pareti. Egli chiamò queste cavità «cellule», cioè «piccole stanze» poiché gli ricordavano le celle dei conventi occupate dai monaci. In realtà Hooke aveva osservato solo le pareti di cellule morte di midollo di sambuco, non aveva infatti descritto né il nucleo né gli organuli cellulari. Il termine «cellula» ha assunto il suo attuale significato, cioè «unità di base della materia vivente», soltanto 150 anni dopo la scoperta di Hooke. Nell’800 venne introdotto il secondo enunciato da Schleiden e Schwann che annunciano che tutti gli organismi viventi sono costituiti da cellule e la cellula è l’unità fondamentale della materia vivente. Questi sono considerati i veri ideatori della teoria cellulare per aver identificato nella cellula l'unità presente in tutti gli esseri viventi, piante (Schleiden) o animali (Schwann). Infine il terzo enunciato fu introdotto infine da Rudolf Virchow nel 1858 quando si iniziò a studiare la divisione cellulare e afferma che ogni cellula vivente deriva da una cellula preesistente. LA CELLULA Le cellule sono organismi con una struttura complessa formata da organismi subcellulari, per essere definita tale deve contenere un determinato corredo genetico (dna). Le sue dimensioni vanno da 1-100 micronmetri e al suo interno si svolgono continuamente delle reazioni La forma della cellula dipende dalle funzioni che svolge e dall’ambiente in cui si trova quindi non ha una forma fissa (la cellula risponde all’ambiente circostante). E’ costituita da varie componenti, ognuno con la propria funzione, Ogni organello ha una composizione, una forma e una disposizione uguali per individui della stessa specie. Sono in grado di comunicare, acquisire e utilizzare energia, svolgono azioni meccaniche, si autoregolano, reagiscono e recepiscono stimoli e segnali chimico-fisici dall’esterno. Tutte le cellule impiegano DNA come materiale genetico, sono circondate da membrane plasmatiche (dette plasmalemma) e usano uno stesso meccanismo di base per il metabolismo (l’insieme di tutte le reazioni chimiche di un organismo). Utilizzando energia le cellule mantengono costanti i propri parametri chimico-fisici in modo da garantire le condizioni per la sopravvivenza, funzione e moltiplicazione indipendentemente dalle variazione ambientali. Questo processo è detto omeostasi. Possiamo classificare le cellule in tre domini: 1. Gli archei sono gli organismi unicellulari procarioti, i più antichi sulla Terra. 2. I batteri sono organismi unicellulari procarioti e completano insieme agli archei il grande gruppo dei procarioti 2 3. Gli eucarioti cioè animali, funghi, protisti e piante che sono formati da cellule eucariotiche più complesse. I procarioti si differenziano dagli eucarioti per l’assenza di nucleo. I PROCARIOTI I procarioti (1-10 micro metri) si dividono in archeobatteri cioè i batteri primitivi, che si sono formati quando la terra era allo stato primordiale, quindi vivevano in condizioni estreme, molto caldo o molto freddo, ed eubatteri. Sono organismi unicellulari, si adattano agli ambienti esterni e si replicano velocemente. Possiedono dall’esterno verso l’interno: 1. La parete cellulare distinta per composizione e struttura da quella delle cellule vegetali formata da peptidoglicani e ha il compito di fornire rigidità 2. La membrana plasmatica formata da un doppio strato di fosfolipidi che mantiene le caratteristiche chimico-fisiche e agisce come barriera semi permeabile. All'interno troviamo il citoplasma, materiale semifluido (acqua, molecole e ioni) in cui avvengono tutte le reazioni è composto da due parti: una matrice fluida detta citosol e gli organelli cellulari. 3. Nel citosol si trovano i ribosomi, aggregati di proteine e RNA dove avviene la sintesi proteica 4. La zona più interna del citoplasma viene definita nucleoide. E’ costituito da un'unica molecola di DNA circolare a doppio filamento formato da 2 a 30 geni contenete il programma genetico batterico, detiene le informazioni per costituire tutte le proteine 5. I batteri posso anche avere altre piccole porzioni di DNA, i plasmidi, in grado di replicarsi autonomamente e responsabili della resistenza agli antibiotici. Nella struttura della cellula batterica vi possono essere strutture specializzate: Una capsula, costituita da polisaccaridi, da un rivestimento esterno gelatinoso che serve a proteggere i batteri dagli attacchi del sistema immunitario dell’organismo di cui è ospite e può essere utilizzata come materiale di riserva, formata da strato muco che riduce l’attrito cellula-cellula e cellula-substrato, garantendo lo spostamento per scivolamento. Le membrane interne, di fatti alcuni batteri sono in grado di svolgere la fotosintesi. In essi la membrana plasmatica si ripiega all’interno del citoplasma formando un sistema di membrane interne contenenti molecole responsabili della fotosintesi Flagelli costituiti dalla proteina motrice, la flagellina, e possono avere anche più di un flagello, servono per il movimento Fimbrie, sono corte e numerose servono per aderire a superfici cellulari di altri organismi (tipo i batteri per formare colonie) 3  Pili sono più lunghiù + ricoprono la superficie della cellula e servono a far aderire un batterio a un altro durante gli scambi di materiale genetico La riproduzione batterica avviene per scissione binaria GLI EUCARIOTI (significa vero nucleo) Si dividono in cellula animale e cellula vegetale (vacuoli, cloroplasti, parete cellulare) e sono formati da svariati organelli: 1. Il nucleo è di circa 5 micrometri, è il più grande tra gli organelli rivestito da una doppia membrana detta involucro nucleare o nucleolemma e contiene il materiale genetico, DNA organizzato in cromatina nei diversi cromosomi. All’interno del nucleo troviamo la maggior parte del DNA (resto nei mitocondri di fatti le patologie mitocondriali derivano da mutazioni del DNA mitocondriale), il DNA non esce mai dal nucleo, ma viene trascritto e le informazioni genetiche passano al citoplasma grazie all’RNA. 2. Vi sono poi i mitocondri e i cloroplasti (solo nelle vegetali, assenti nelle procariote) che contengono il materiale genetico. 3. Tra le due membrane del nucleo c’è la cisterna perinucleare, è a contatto con il citoplasma attraverso i pori nucleari, formati da proteine come le nucleoporine, che sono strutture complesse che regolano il passaggio di proteine dal citoplasma al nucleo e di mRNA, tRNA e subunità ribosomiali dal nucleo al citoplasma. Ci sono dei recettori che riconoscono le proteine che devono entrare nel nucleo sia di importazione che di esportazione. Ogni poro ha una forma di ciambella definita complesso del poro nucleare. 4. Il nucleo contiene il nucleoplasma, matrice gelatinosa ricca di acqua che contiene ioni e molecole solubili 5. Sotto tale involucro c’è una rete di proteine filamentose che formano una lamina nucleare necessaria per l’organizzazione del DNA e per sorreggere l’involucro nucleare, sito di attacco per le fimbrie di cromatina, ha un ruolo nella duplicazione del DNA. 6. Il nucleolo, corpuscolo presente nel nucleo, non è rivestito da membrana, può essere anche più di uno ed è la sede di produzione del RNA ribosomiale e l’assemblaggio dei ribosomi. A differenza delle cellule procariotiche che possono essere solamente unicellulari, le cellule eucariotiche possono fare parte sia di organismi unicellulare, come i protozoi, sia di organismi pluricellulari come mammiferi e piante. La divisione cellulare avviene per mitosi e meiosi 4 LA COMPOSIZIONE DEL DNA DNA e RNA sono acidi nucleici formati dai loro monomeri, cioè i nucleotidi. I nucleotidi sono formati da tre parti, ribosio per l’RNA o desossiribosio per il DNA, un gruppo fosfato e basi azotate (adenina e guanina che sono purine mentre timina e citosina che pirimidiniche) che si legano con una reazione di condensazione formando un legame fosfodiesterico. Il DNA è formato da due filamenti antiparalleli e complementari in cui le basi azotate possono essere così suddivise: adenina- timina, guanina- citosina, tra queste basi si formano dei legami idrogeno (tra AT 2, tra GC 3), ha forma a doppia elica. L’RNA è composto da un unico filamento dove le basi azotate possono essere disposte in tale modo, adenina-uracile, citosina- guanina, può assumere ogni forma. Ogni cellula possiede 2 metri di DNA messo in maniera ordinata e spiralizzata grazie a delle proteine specializzate che si legano al DNA, (la cromatina è il complesso DNA proteina). ▪ Primo livello di condensamento: le proteine incaricate del primo livello di organizzazione sono gli istoni, carichi positivamente a causa del con tenuto di lisina e arginina, che formano il nucleosoma che è l’unità fondamentale della struttura della cromatina, costituito da 8 proteine istoniche e dal DNA ad esse legato. Gli istoni sono presenti sotto forma di 5 differenti molecole (H1, H2A, H2B, H3, H4), coinvolte nella composizione del nucleosoma, 2 di ogni tipo a formare un ottamero. ▪ Secondo livello di condensamento: H1 è responsabile della connessione tra i vari nucleosomi e le dinamiche i avvolgimenti del DNA. ▪ Terzo livello di condensamento: le condensine (proteine) intervengono nell’ulteriore impacchettamento Il numero di cromosomi varia tra un organismo e l’altro, il cariotipo è l’insieme dei cromosomi Gli eucarioti hanno 46 cromosomi, 44 autosomi e 2 cromosomi sessuali, tali cromosomi sono visibili solamente durante la divisione cellulare, altrimenti il DNA si trova sparso nel nucleo. Le membrane e il trasporto La membrana plasmatica accomuna tutte le cellule animali e vegetali e ha un ruolo fondamentale, perché separa il contenuto della cellula dall'ambiente esterno, regolando il passaggio di sostanze in ingresso ed uscita. FUNZIONI ▪ Ha una permeabilità selettiva perché permette il passaggio solamente ad alcune sostanze 5 ▪ E’ necessaria anche per mantenere le caratteristiche chimico-fisiche dell’ambiente intracellulare costanti (omeostasi) ▪ Garantisce il contatto, adesione e scambio con le cellule o con l'ambiente circostante anche attraverso delle strutture cioè le giunzioni che tangono unite le cellule vicine ▪ Risponde a stimoli chimico-fisici provenienti dall'ambiente extracellulare trasducendoli in segnali intracellulari che modificano le attività della cellula. STRUTTURA La membrana plasmatica è una struttura continua formata da un doppio strato fosfolipidico con proteine e carboidrati all’interno, viene definito modello a mosaico fluido perché la membrana è una struttura dinamica che si modella in base ai segnali provenienti da altre cellule o in base all’ambiente esterno ed alcuni componenti sono liberi di muoversi (es. proteine aggiunte o eliminate, fosfolipidi si spostano, passano da uno strato all’altro e ruotano su loro stessi). I fosfolipidi sono molecole anfipatiche, cioè caratterizzate da una porzione idrofila definita testa che interagisce con l’ambiente acquoso (glicerolo+ fosfato + R) ed una idrofoba, definita coda che respinge l’interazione con l’acqua (2 catene di acidi grassi). Nella membrana i due strati si uniscono al centro coda-coda e le due teste sono rivolte all’esterno. COMPOSIZIONE Fosfolipidi: visto che sono ambienti acquosi, esistono vari tipi di fosfolipidi a seconda della molecola R legata al loro gruppo fosfato. Esistono anche gli sfingofosfolipidi che al posto del glicerolo contengono un amminoalcol a lunga catena, cioè la sfingosina, quindi legano solamente un acido grasso. Tutte le membrane hanno quindi la stessa struttura di base ma differiscono per i tipi e le quantità di proteine, carboidrati e lipidi che contengono. I lipidi variano per lunghezza e numero dei doppi legami nella catena dell’acido grasso e per i gruppi polari presenti, possono essere saturi, se hanno solo legami semplici, o insaturi, se hanno anche doppi legami. La fluidità di una membrana viene influenzata da tre fattori: 1. Se i fosfolipidi che compongono la membrana hanno code formate da grassi saturi, i fosfolipidi saranno molto più vicini tra loro quindi la membrana sarà meno fluida, mentre se i fosfolipidi che compongono la membrana hanno code formate da grassi insaturi allora tali code avranno dei ripiegamenti in presenza di legami multipli e occuperanno maggiore spazio, quindi i fosfolipidi saranno tra loro più distanziati e la membrana risulterà più fluida. 2. Un altro fattore è la quantità di molecole di colesterolo che nella cellula animale solitamente compongono il 25% della membrana, questo si inserisce tra le code degli acidi grassi e la testa idrofila interagisce con la testa polare dei fosfolipidi rendendo la membrana meno fluida. 6 3. Infine la fluidità viene influenzata anche dalla temperatura, perché in base ad essa la membrana si modifica, alcuni organismi sono in grado di sostituire acidi grassi saturi con insaturi modificando la composizione di membrana per resistere temperature basse, Proteine: possono classificarsi in base alla loro funzione oppure alla loro posizione Proteine di transmembrana o integrali che sono strettamente legate alla membrana e la attraversano interamente quindi sono proteine anfipatiche e possono attraversarla una o più volte Proteine periferiche/ ancorate Le periferiche si trovano sulla superficie cellulare e formano legami non covalenti mentre le proteine ancorate, formano legami covalenti alla testa idrofila o alle catene di acidi grassi. Funzioni: 1. Trasportatori di membrana, regolano i nutrenti che entrano e escono dalla membrana 2. Fungono da recettori 3. Hanno attività enzimatica 4. Hanno funzione di molecole di adesione, necessarie per la comunicazione e per la giunzione tra cellule Carboidrati: che si trovano sulla porzione extracellulare e sono uniti a proteine o lipidi (formano glicolipidi o glicoproteine) fungono da siti di riconoscimento per le molecole o per altre cellule e sono utili nell’attacco tra cellule. IL TRASPORTO La membrana viene definita semipermeabile, proprio perché possono passare solamente alcune molecole con caratteristiche specifiche, è consentito il passaggio ai gas (ossigeno, idrogeno), a piccole molecole non cariche (glicerolo, etanolo, acqua) e a molecole apolari, mentre non è consentito il passaggio alle molecole polari, agli ioni e alle grandi molecole (amminoacidi). ▪ Il trasporto passivo è il trasporto di molecole secondo gradiente, cioè dalla parte a maggiore concentrazione a quella a minore concentrazione, ne fanno parte l’osmosi, la diffusione semplice e la diffusione facilitata. 1. L’osmosi è il movimento dell’acqua spontaneo attraverso le membrane biologiche che non richiede energia perché qui l’acqua si muove dalla parte con meno concentrazione a quella con più concentrazione, perché l’acqua funge da solvente. Nella soluzione isotonica le concentrazioni sono uguali quindi non c’è movimento, mentre in quella ipotonica l’esterno è più concentrato quindi il movimento va verso l’interno, nell’ipertonica l’interno è più concentrato quindi va verso l’esterno 7  2. La diffusione semplice è dedicata a tutte quelle molecole che possono attraversare la membrana secondo gradiente, fin quando non si uguagliano le concentrazioni, a quel punto non c’è più movimento. Il movimento avviene da zona a concentrazione maggiore a quella minore, sono molecole piccole e prive di carica (O2, CO2, glicerolo) 3. La diffusione facilitata permette il passaggio di quella categoria di molecole (cariche e polari) che non potrebbero passare, tale diffusione viene definita facilitata proprio perché le proteine di membrana facilitano formando dei canali proteici o fungendo da trasportatori, è operata da due tipi di proteine di trasporto: ▪ Trasportatori, che legano le molecole da una parte della membrana e le trasportano dall'altra grazie a una modificazione conformazionale. Sono definite carrier e espongono un sito di legame a cui la molecole che deve essere trasportata si lega, poi tale proteina modifica la sua conformazione e trasporta la molecola, infine la rilascia e ritorna nel suo stato fondamentale. (Acquaporine) ▪ Canali, formano pori che si estendono da un lato all'altro della membrana. Le proteine integrali attraversano più volte la membrana creando un canale dove possono transitare le molecole, ma questo canale è disponibile solo in caso di necessità. TIPI DI CANALI: 1. Canali controllati dal voltaggio: passano dallo stato chiuso allo stato aperto e viceversa in seguito a variazioni della differenza di potenziale elettrico a cavallo della membrana 2. Canali controllati dal ligando: passano dallo stato chiuso allo stato aperto in seguito al legame di particolari molecole «messaggere» (ligandi) ad uno specifico sito recettoriale del canale, sito che può trovarsi sul lato extracellulare o sul lato intracellulare. In seguito a questo legame, la struttura del canale subisce una serie di cambiamenti conformazionali che alla fine determinano il movimento del gate dalla posizione di chiusura a quella di apertura (o viceversa quando il ligando si stacca dal sito recettoriale) 3. Canali controllati dalla sollecitazione meccanica: sensibili alle sollecitazioni meccaniche, sono generalmente dotati di una porta connessa ad una struttura citoscheletrica che la apre quando sopraggiunge una deformazione della superficie cellulare 8 ▪ Il trasporto attivo invece è contro gradiente quindi richiede energia, cioè ATP, ed è definito direzionale. Esistono due tipi di trasporto attivo, quello primario e quello secondario. Può essere uniporto, che trasporta un’unica sostanza in una direzione, il simporto che trasporta due sostanze nella stessa direzione e l’antiporto che trasporta due sostanze in due direzioni diverse (pompa sodio potassio, pompe protoniche necessarie per trasportare H+ e l’energia del gradiente elettrochimico che ne deriva può essere usato per altri processi). 1. Il trasporto attivo primario dove vi è un consumo diretto di ATP 2. Il trasporto attivo secondario non utilizza direttamente l’ATP ma usa il gradiente di concentrazione formata da un’altra pompa, es. il trasporto del glucosio a livello intestinale avviene perché accoppiato alla pompa sodio-potassio. PRIMARIO Pompa sodio-potassio: trasferisce 3Na+ all’esterno e 2k+ all’interno. Quando 3Na+ si lega ai siti specifici della proteina veicolo rivolti all’interno della pompa avviene l’idrolisi dell’ATP, cambia la conformazione della pompa che esporrà i siti di legame per Na+ all’esterno verso l’ambiente extracellulare abbassando così la propria affinità per questi ioni che verranno rilasciati fuori dalla cellula. Si espongono 2 siti di legame per 2K+, questi si legano, avviene un cambiamento conformazionale, la proteina torna alla sua forma di partenza e 2K+ entrano 3. Trasporto vescicolare, cioè le molecole di grandi dimensioni entrano e escono dalla cellula tramite vescicole con processo di endocitosi ed esocitosi. L’endocitosi è dall’esterno verso l’interno mentre l’esocitosi dall’interno verso l’esterno. A seconda anche delle sostanze che tali vescicole trasportano si parla di: fagocitosi nel caso di grandi molecole, talvolta anche intere cellule, di pinocitosi in caso di liquidi e endocitosi mediata da recettori che permette l’entrata di molecole specifiche, perché in alcune porzioni della membrana plasmatica cioè nelle fossette rivestite si trovano i recettori dove si scatenano i segnali che fanno entrare il materiale (es. colesterolo e ferro). 9  Il sistema delle endomembrane Il sistema delle endomembrane è formato da: reticolo endoplasmatico ruvido, reticolo endoplasmatico liscio, apparato di Golgi e lisosomi. Tutti questi organuli sono racchiusi da membrane e si trovano in comunicazione tra loro tramite vescicole che gemmano da un compartimento e si fondono con un altro, tale sistema è quello che occupa la maggiore quantità di spazio nella cellula. Le vescicole di trasporto, sono molte e vengono utilizzate per trasportare materiali altamente specifici all’interno del sistema delle endomembrane, per far avvenire il loro movimento hanno bisogno di ATP e GTP (sostanzialmente sono materiale rivestito da membrana). ▪ Il reticolo endoplasmatico è un grande compartimento costituito da membrane connesse tra loro che attraversa il citoplasma, al cui interno troviamo il lume, tale reticolo endoplasmatico si differenzia in base al suo aspetto esterno in rugoso e liscio. 1. Il reticolo endoplasmatico ruvido è definito tale poiché sulla superficie esterna è rivestito interamente da alcune strutture tondeggianti, cioè ribosomi, che sintetizzano, assemblano e trasportano alcune proteine. La proteina che viene sintetizzata dai ribosomi successivamente va nel lume dove assume la sua struttura terziaria. Il RER si trova sempre addossato al nucleo poiché le loro membrane sono unite. Nel RER avvengono anche modifiche di alcune proteine e sono le proteine stesse che dicono al ribosoma se la loro destinazione finale. Amminoacido: carbonio + gruppo amminico + Ribosomi liberi: sono deputati alla sintesi di proteine che gruppo carbossilico +H + R verranno rilasciate e utilizzate nel citoplasma, nel 1.struttura primaria: sequenza amminoacidica citoscheletro, nel nucleo o destinate ad altri organelli come 2. struttura secondaria: legami a idrogeno tra mitocondri e perosissomi. amminoacidi Ribosomi legati: sintetizzano proteine all’interno della 3. struttura terziaria: polipeptidi si ripiegano membrana dove sono legato e poi saranno condotte alla loro destinazione finale. Sono di solito proteine di membrana, di 4. Struttura quaternaria: 2 o più proteine si legano secrezione o di organelli intercellulari) tra loro formando grandi molecole proteiche 2. Il reticolo endoplasmatico liscio ha un aspetto esterno liscio e tubolare ed è più o meno abbondante a seconda delle cellule (es. molto abbondante nelle cellule del fegato e dei muscoli, nei tubuli renali). Il REL effettua la sintesi dei lipidi, la sintesi degli ormoni steroidi, la degradazione del glicogeno, la detossicazione delle sostanze tossiche e immagazzinamento degli ioni calcio. 10 3. L’apparato di Golgi, è strettamente legato al reticolo endoplasmatico, ha una struttura tubolare e ha la funzione di modificare, concentrare, confezionare e smistare le proteine che riceve dal RER ai vari compartimenti a cui sono destinate. Tale apparato è diviso in 3 regione, la superficie cis che si trova vicino al nucleo che riceve le proteine dal RER, la regione mediale e la superficie trans, più vicina alla membrana plasmatica che impacchetta le molecole in vescicole che verranno trasportate fuori dal Golgi. 4. I lisosomi sono organelli semplici, sferici con un ruolo degradativo e di digestione, degradano tutte quelle sostanze non più necessarie ed eliminano le sostanze di scarto. Infine digeriscono le macromolecole scindendole nei loro monomeri. Il loro interno è caratterizzato da un pH acido perché è ricco di ioni idrogeno e per mantenere costante la concentrazione elevata di tali ioni sulla membrana si trovano delle pompe ATPasiche, contro gradiente, che indirizzano gli ioni idrogeno all’interno della cellula. Successivamente all’idrolisi delle sostanze, quest’ultime vengono riportate nel citoplasma, oppure se si parla di sostanze di scarto vengono portate all’esterno della cellula. ▪ I lisosomi primari hanno origine per gemmazione dal Golgi che provvede anche al processamento degli enzimi litici prodotti dal RE, questi enzimi vengono diretti nei lisosomi tramite fosforilazione a livello del versante cis del Golgi le sostanze entrano nella cellula per fagocitosi poi man mano che nuove vescicole apportanti nuovi enzimi si fondono con il primario, il ph si abbassa, si attivano gli enzimi e si forma un lisosoma secondario ▪ I lisosomi secondari digeriscono e rilasciano o nelle cellule o all’esterno con un processo di esocitosi. L’autofagia è la programmata distruzione di interi organelli cellulari, è un processo deputato al riciclo dei materiali e delle energia dentro la cellula. Il citoscheletro Il citoscheletro è composto da microfilamenti, filamenti intermedi, e microtubuli. Si trova in tutte le cellule, è una struttura costituita da una densa rete proteica ed è altamente dinamica. Ha svariate funzioni: Sostiene la cellula e ne mantiene la forma Mantiene in posizione gli organuli e altre particelle all'interno della cellula Muove gli organuli e le altre particelle nella cellula Interagisce con strutture extracellulari, contribuendo ad ancorare la cellula alla sua sede 11 1. I microfilamenti hanno un diametro di 7nm, sono costituiti da actina, una proteina formata da due filamenti composti da monomeri di actina che si intrecciano, tali monomeri hanno un’estremità positiva e una negativa quindi conferiscono una polarità a tutto il polimero. I microfilamenti hanno svariate funzioni: danno sostegno alla cellula, formano una rete sotto la membrana plasmatica definita cortex cellulare che dà forma alla cellula, sono coinvolti nei movimenti citoplasmatici (correnti citoplasmatiche), nel movimento ameboide e nella formazione degli pseudopodi, intervengono nella fase finale della divisione cellulare, dividendo i citoplasmi. I microfilamenti sono molto presenti in alcune cellule come quelle muscolari, poiché i filamenti di actina associati alla miosina (proteina motrice, la cui testa interagisce con l’actina) formano le strutture contrattili. 2. Filamenti intermedi formano delle strutture il cui diametro è 8-12nm, sono molto stabili e poco dinamici, la loro funzione è quella di ancorare le cellule al loro posto. Sono formati da tetrameri di proteine filamentose e ne esistono 50 tipi diversi, esempio cheratine, lamine, neuroproteine. Tali filamenti si dividono in nucleari che vanno a formare ad esempio la lamina nucleare, e i citoplasmatici che variano di cellula in cellula. 3. Microtubuli hanno un diametro maggiore di 25nm e sono strutture filamentose formati da tubulina che è un dimero, formato da un monomero tubulina alpha e una tubulina beta, ognuno di tali filamenti viene definito protofilamento. Solitamente si associano 13 filamenti andando a formare un cilindro cavo all’interno. La tubulina è polare in quanto la subunità alpha è il polo negativo mentre la subunità beta è quello positivo, la prima parte esposta è la alpha mentre l’ultima è la beta quindi l’intero microtubulo è polare. L’assemblaggio dei dimeri di tubulina richiede energia sotto forma di GTP e sono strutture molto dinamiche. L’estremità positiva è la parte in cui si ha l’accrescimento mentre nella parte negativa si ha il disassemblaggio. Le funzioni dei microtubuli sono le seguenti: Formano una rete di sostegno rigida interna Agiscono come un binario per le proteine motrici che possono così spostare i corpuscoli all’interno della cellula. Si associano delle proteine motrici di due tipi, strutturali che mantengono stabile la cellula e motrici che generano movimento utilizzando ATP, tali proteine sono dineina e chinesina che viaggiano in senso opposto sui binari. Rivestono l’interno di ciglia e flagelli, tali microtubuli 12  Intervengono nella divisione cellulare formando il fuso mitotico necessario per ancorare i cromosomi che vengono trasportati ai poli e necessario per la spartizione dei cromosomi. Svolgono uni importante ruolo nella secrezione di ormoni della tiroide e del pancreas I microtubuli vengono assemblati in una regione definita “centro di organizzazione dei microtubuli”: il centrosoma è il principale centro dei microtubuli e contengono due strutture dette centrioli formati da 9 triplette di microtubuli disposta raggera. L’assonema è la parte interna di un ciglio formato da 9 coppie di microtubuli che formano una struttura circolare più due microtubuli al centro. Vi sono la dineina e la nexina che li tengono insieme e permettono la prima il movimento e la seconda il ripiegamento. LA MATRICE EXTRACELLULARE Il glicocalice comprende tutte quelle strutture formate da carboidrati, lipidi e proteine, presenti nella parte esterna della membrana plasmatica, ha la funzione di proteggere la cellula, permette alle cellule di riconoscersi tra loro e generare dei contatti e contribuisce alla resistenza meccanica dei tessuti. Al di fuori della membrana plasmatica troviamo la matrice extracellulare, prodotta dalla cellula, è composta per la maggior parte da collagene (componente fibrosa), glicoproteine e sostanza gelatinosa dove si inseriscono. Tale matrice ha svariate funzioni: Mantiene unite le cellule nei tessuti Contribuisce alle proprietà fisiche dei tessuti (pelle, cartilagine) Contribuisce a filtrare i materiali che passano tra i tessuti Orienta i movimenti cellulari durante lo sviluppo embrionale e la rigenerazione tissutale Partecipa alla segnalazione chimica tra una cellula e l'altra LE GIUNZIONI CELLULARI Il riconoscimento e l’adesione cellulare è determinata da proteine e carboidrati presenti sulla membrana plasmatica. Le proteine integrali come le selectine, immunoglobuline, integrine e caderine mediano il riconoscimento cellula-cellula e cellula-substrato. Su alcune cellule invece ritroviamo le giunzioni cellulari che sono divise in tre tipi (anche tutti e tre tipi su unica cellula). 13  1. Le giunzioni strette o occludenti che ancorano le cellule vicine impedendo alle sostanze di penetrare negli spazi intercellulari e limitano la migrazione di proteine di membrana da un lato all’altro della superficie, facendo in modo che la cellula sia polarizzata. 2. Le giunzioni aderenti o desmosomi che uniscono le cellule vicine facendole diventare quasi un corpo unico e conferendo quindi resistenza ai tessuti data anche dal fatto che si connettono con i microfilamenti del citoscheletro. Sono formate da proteine transmembrana appartenenti alla famiglia delle caderine. Gli emidesmosomi sono coloro che ancorano le cellule al substrato. 3. Le giunzioni comunicanti, mettono in comunicazione le cellule vicine, permettendo il passaggio di sostanze. Sono formati da complessi proteici identici sulle due membrane plasmatiche, definiti connessoni e che formano un tunnel permettendo il passaggio. I MITOCONDRI Il mitocondrio è racchiuso da una doppia membrana, una esterna liscia, uniforme e permeabile quindi poco selettiva e una interna, più selettiva, che si ripiega in creste la cui funzione è quella di aumentare la superfice della membrana poiché qui risiedono una serie di enzimi necessari per la respirazione cellulare. Lo spazio tra le due membrane viene definito spazio intermembrana mentre lo spazio interno viene definito matrice mitocondriale, qui si trovano enzimi e proteine necessarie per la respirazione cellulare, inoltre qui si torva il DNA circolare e i ribosomi. Tale DNA è attivo quindi viene trascritto e tradotto e le proteine che vengono sintetizzate rimangono nel mitocondrio (le proteine che lavorano nel mitocondrio sono prodotte anche dal DNA cellulare). Funzioni. 1. I mitocondri sono sede della conversione di glucosio in energia chimica (ATP) attraverso la respirazione aerobica, sono molto presenti nelle cellule ad elevato metabolismo come nel tessuto muscolare 2. Regolano anche i meccanismi di morte cellulare grazie a enzimi della famiglia dei caspasi TEORIA ENDOSIMBIOTICA: i mitocondri in realtà erano procarioti che sono entrati in simbiosi con altri batteri Respirazione aerobica: insieme dei processi metabolici in cui le cellule, a seguito della scomposizione dei nutrienti in molecole più piccole ottengono energia. È un processo che avviene in presenza di ossigeno, ha sede nei mitocondri. La principale molecola che viene usata è il glucosio. Si sviluppa in tre fasi: Glicolisi, ciclo di krebs, fosforilazione. 14 1. Glicolisi: reazioni nel citoplasma tramite enzimi specifici, si forma l’acido piruvidico che è demolito per formare CO2 e H2O. 2. Ciclo di Krebs: reazioni in cui si libera energia immagazzinata in molecole di ATP. Il ciclo inizia quando l’acido ossalacetico si combina con l’acetil Coa per formare l’acido citrico e si producono altre molecole con rilascio di energia che viene immagazzinata in NADH e FADH2. 3. Fosforilazione: tappa finale, il trasferimento dell’energia da parte dell’ATP alle molecole in reazione si ha attraverso il trasferimento di un residuo fosforico, LA MORTE CELLULARE La morte cellulare è divisa in accidentale e programmata. La morte cellulare accidentale o necrosi è indotta da un danno alla cellula di tipo chimico o fisico (ipossia, temperature estreme, tossine prodotte da batteri e virus infettanti) e in quanto tale cellula non riesce più a regolarsi e va incontro alla lisi ossia il nucleo si distrugge e la membrana cellulare si disgrega e si riversa all’esterno il citoplasma. I frammenti cellulari o detriti restanti causano infiammazione e vengono rimossi dal sistema immunitario. Fenomeno patologico La morte cellulare programmata o apoptosi è un processo ordinato e regolato (talvolta necessario anche per la morfogenesi). Non è un processo negativo e gli eventi visibili dell’apoptosi sono simili in molti organismi. 1. Inizialmente la cellula perde contatto con quelle adiacenti 2. La cromatina inizia a essere degradata e il DNA viene frammentato 3. Il plasmalemma si rompe 4. Si attivano le caspasi cioè delle proteasi che idrolizzano le molecole bersaglio 5. Si formano poi dei corpi apoptotici sulla membrana 6. Le cellule vicine con un processo di fagocitosi digeriscono tali corpi apoptotici. (Per esempio lo e lo sviluppo della mano durante l’embriogenesi avviene grazie all’apoptosi per suddividere le dita eliminando il tessuto membranosi che le teneva unite) La trasduzione del segnale La trasduzione è una via di segnalazione della cellula, è una sequenza di eventi molecolari e reazioni chimiche che porta la cellula a rispondere ad un segnale. In tale processo si distinguono sempre il segnale che va ad attivare il recettore creando la risposta. Il processo si struttura in tale modo: ▪ Invio del segnale, una cellula sintetizza e rilascia una molecola segnale ▪ Ricezione, un segnale in arrivo viene ricevuto dalla cellula bersaglio tramite un recettore, cioè una proteina in grado di legare la molecola segnale ▪ Trasduzione del segnale, la cellula converte il segnale extracellulare in un segnale intracellulare e lo trasmette ▪ Risposta, l’ultima molecola della via di segnalazione converte il segnale in una risposta che modifica un processo cellulare 15  ▪ I recettori sono proteine transmembrana composti da 3 domini: la parte esterna che è il sito di ancoraggio per il ligando, la transmembrana e la coda citoplasmatica che trasmette il segnale. I recettori sono classificati in base alla loro posizione, recettori di superficie e recettori intracellulari. Nel secondo caso il segnale deve poter entrare nella cellula quindi deve essere una molecola piccola e apolare, come gli ormoni steroidei. I recettori di superficie sono distinti in tre tipi: 1. I recettori accoppiati a canali ionici che convertono i segnali chimici in elettrici, tali canali si aprono solamente in risposta al legame del ligando e permettono solo il movimento secondo gradiente dove il recettore risponde solo a un cambiamento conformazionale e funge da porta per il segnale. Tali recettori sono utilizzati soprattutto da cellule muscolari e neuroni. 2. I recettori accoppiati a proteine G, tali proteine sono di transmembrana costituita da 7 alpha- eliche. Formano un recettore sulla membrana plasmatica che lega principalmente ormoni, fattori chemiotattici, molecole riconosciute da recettori olfattivi e visivi. Ogni recettore è specifico per ogni molecola, per scatenare la risposta hanno bisogno di proteine G. Quando il complesso ligando recettore si associa alla proteina G questo fa rilasciare GDP che diventa GTP. Queste proteine si chiamano G perché si legano a GDP/GTP 3. I recettori accoppiati a enzimi, sono proteine transmembrana che legano principalmente ormoni e fattori di crescita, con dominio esterno per il legame con il ligando ed uno interno con componente enzimatica. La molecola segnale si lega ai recettori e può essere attivata un’attività enzimatica intrinseca del recettore oppure si attiva un enzima a cui è associato. La risposta al segnale avviene tramite un processo di fosforilazione della proteina Le vie di segnale sono classificate in rapide e lente, tale velocità è regolata dal segnale. ▪ Il ligando o segnale è una molecola idrofilica che si lega al recettore della cellula bersaglio, è altamente specifico perché non può legare tutto. I segnali possono essere classificati in base alla natura chimica o alla distanza alla quale agiscono. I segnali si definiscono: 1. Autocrini quando si legano a recettori della stessa cellula che li secerne 2. Paracrini quando si legano a recettori di cellule vicine a quella che li ha secreti 3. Giustacrini quando si legano ai recettori di cellule adiacenti alla cellula secernente 4. Endocrini quando agiscono su cellule lontane da colei che li ha secreti. La replicazione del DNA La replicazione del DNA è un processo che avviene una volta per ogni ciclo cellulare e riguarda l’intera molecola di DNA presente nella cellula. Avviene prima della divisione cellulare (fase S) e viene fatta una copia del DNA presente nella cellula madre in modo che poi venga dato alle cellule figlie. La replicazione del DNA avviene con un processo semiconservativo, perché i due filamenti vengono separati e ognuno funge da stampo per la sintesi di un nuovo filamento. Tale nuovo filamento definito neosintetizzato viene sintetizzato per complementarietà 16 di basi partendo dal filamento parentale (cioè vecchio). La replicazione del DNA avviene grazie a svariati enzimi e può essere divisa in due fasi: 1. La prima di lettura del filamento parentale dove la molecola si apre e si separano i filamenti 2. La seconda di sintesi del nuovo filamento dove i nuovi nucleotidi si uniscono con legami fosfodiesterici; la formazione dei legami è catalizzata dalla DNA polimerasi. Mentre nelle cellule procariotiche la molecola è circolare quindi ha un’unica origine di replicazione, negli eucarioti il DNA è formato da più molecole lineari molto più grandi, quindi si hanno più origini di replicazione per ogni molecola lineare La replicazione del DNA prevede i seguenti passaggi: 1. Individualizzazione di un punto della molecola, definito origine di replicazione caratterizzato da una sequenza riconosciuta dagli enzimi. La sintesi del DNA avviene sempre e solo in direzione 5’-3’ (nucleotidi quindi aggiunti all’estremità crescente 3’), inoltre la sintesi è bidirezionale proprio perché avviene su entrambi i lati e semidiscontinua. 2. La topoisomerasi srotola la molecola di DNA aprendola 3. Interviene l’elicasi, una proteina capace di separare i due filamenti rompendo i legami idrogeno tra basi. Vi sono una serie di proteine che tengono separati i filamenti che hanno la tendenza d unirsi 4. Le DNA polimerasi leggono il filamento e aggiungono il nucleotide corrispondente tramite legami fosfodiesterici all’estremità 3’ di una catena. Sono enzimi molto efficienti, fanno pochissimi errori, intendendo per errore inserimento di basi sbagliate o non complementari. Vi sono dei meccanismi di riparo che correggono gli errori poiché le polimerasi hanno un’attività esonucleasica, per questo il tasso delle mutazioni è basso. Per essere così fedeli hanno il limite di non poter iniziare la sintesi ex novo di DNA pur avendo a disposizione i filamento di stampo 5. Per questo la replicazione inizia con la sintesi di un pezzo di RNA (innesco o primer) effettuata da un RNA polimerasi chiamato primasi 6. A questo si attacca la DNA polimerasi che continua la sintesi Le DNA polimerasi sintetizzano solo nella direzione 5’-3’ ma i filamenti sono antiparalleli quindi uno corre in direzione 3’-5’ e l’altro in direzione 5’-3’. Su una delle catene che funge da stampo la DNA polimerasi leggerà i nucleotidi dal 3’ al 5’. Leggendo tale filamento che viene letto in maniera e per questo è definito filamento guida o leading strand. Dalla lettura di questo filamento si genera il filamento veloce. L’altro viene definito in ritardo e viene sintetizzato in maniera discontinua, formando una serie di frammenti definiti di Okazaki sul filamento sintetizzato detto lento. Entrambi i filamenti vengono sintetizzati contemporaneamente. 7. Al termine del lavoro vengono degradati gli inneschi di RNA tramite un enzima endonucleasi e sono sostituiti con pezzi di DNA. 8. Tutti i frammenti di Okazaki sono legati dall’enzima ligasi La catena stampo per il filamento lento è copiata in modo discontinuo e quando l’ultimo innesco di RNA è rimosso non c’è nessun innesco che possa riempire il vuoto del primer. Quindi il filamento si 17 accorcerebbe a ogni divisione. La telomerasi evita questo progressivo accorciamento agendo come una trascrittasi inversa. Inoltre per ragioni intrinseche al suo meccanismo di duplicazione il DNA non è duplicato tutto alla fine quindi esiste l’enzima telomerasi che interviene all’estremità cromosomica (telomero)e protegge il materiale genetico. E’ presente solamente nelle cellule staminali TRASCRIZIONE È un processo che ci permette di sintetizzare una molecola di RNA a partire dal nostro DNA. La trascrizione riguarda solamente le regioni codificanti, definite geni, del DNA. Concettualmente, si tratta del trasferimento dell'informazione genetica dal DNA all'RNA. Nel caso in cui il DNA codifichi una o più proteine, la trascrizione è l'inizio del processo che porta, attraverso la produzione intermedia di un mRNA, alla sintesi di peptidi o proteine funzionali. Questo processo avviene nel nucleo. Inoltre la trascrizione avviene sempre ma solo alcuni geni vengono trascritti ossia espressi, questo in base alla specializzazione cellulare. Nel processo di trascrizione il doppio filamento di DNA viene separato ma solo uno dei due filamenti viene trascritto grazie all’enzima RNA polimerasi e ai fattori di trascrizione che riconoscono i promotori. L’RNA polimerasi si lega a questi promotori e dà l’imput di iniziare la trascrizione. Anche questo enzima trascrive solamente in direzione 5’-3’. La traduzione termina quando si incontrano alcune sequenze che funzionano da stop facendo terminare la trascrizione e il trascritto viene rilasciato. Gli RNA rilasciati sono però immaturi, infatti prima di uscire dal nucleo vengono sottoposti a delle modifiche: si aggiunge un cappuccio di GTP (capping) all’estremità 5’ oppure coda di poli-A all’estremità 3’. Queste modifiche servono per stabilizzare la molecola e per evitare che l’RNA si disintegri. Avviene un processo di spicing in cui vengono eliminati gli introni (parti inutili) e vengono lasciati solamente gli esoni (geni necessari), poi viene impacchettato e deve uscire attraverso i pori nucleari, andare nel citoplasma dove avviene la sintesi proteica. Unica differenza è nelle basi, AU, CG. Esistono vari tipi di RNA: messaggeri (mRNA), ribosomiali (rRNA), transfer (tRNA), Small nucleolar RNA (SnoRNA) e Small nuclear RNA (SnRNA) che sono dei piccoli RNA, small interefering RNA (SiRNA) che sono piccoli RNA interferenti. IL CODICE GENETICO E’ il dizionario della cellula che gli permette di passare da un linguaggio a nucleotidi a un linguaggio ad amminoacidi. I nucleotidi vengono letti a gruppi di tre, tali gruppi sono definiti codoni. Il codice genetico dispone di 4 "lettere" (le 4 diverse basi azotate) per specificare i 20 amminoacidi. Esistono 64 codoni possibili 4^3= 64. Ci sono alcuni codoni che codificano per lo stesso amminoacido, quindi è definito ridondante, ed è universale perché è uguale per tutte le specie. Infine ci sono alcuni codoni che codificano come start o come stop, ne esistono tre che codificano come stop, e uno che codifica come start (AUG a cui corrisponde la metionina) 18 TRADUZIONE Nella sintesi proteica intervengono: 1. RNA transfer 2. Ribosomi, che sono nel RER o nel citoplasma e sono formati da proteine 3. RNA ribosomiale La traduzione avviene all’interno dei ribosomi. Essi all’inizio sono staccati cioè le due subunità che compongono i ribosomi la 60s e la 40s sono. l’RNA transfer, ha la forma di un quadrifoglio e ha una regione fondamentale detta anticodone, costituita da tre nucleotidi complementari ai tre presenti sul codone che deve essere letto. Dall’altra parte lega l’amminoacido corrispondente a quella determinata tripletta, quindi ne esistono numerosi, circa 40. Ogni ribosoma presenta 4 siti di legame uno per l’mRNA e tre per il tRNA. 1. La subunità minore si lega all’RNA messaggero che deve essere tradotto 2. Successivamente si lega anche la subunità maggiore contenente gli altri tre siti di legame definiti amminoacidico, peptidico e di uscita. 3. Inizialmente la subunità piccola scorre sull’mRNA fin quando non trova il codone di inizio AUG 4. Arriva un tRNA con anticodone corrispondente che trasporta la metionina e si lega sul sito P della subunità maggiore 5. Poi arriva l’altro tRNA che codifica per la seconda tripletta e si immette sul sito A e si forma il primo legame peptidico tra i due amminoacidi con lo slittamento sui siti. Il primo tRNA scorre nel sito E ed esce mentre il secondo va nel sito P. 6. Così si libera il sito A, arriva un nuovo Anticodone e così via (fase allungamento). 7. Tale catena continua fino all’arrivo di un codone di stop che viene riconosciuto dai fattori di rilascio che permettono il rilascio della proteina e il disassamblaggio dei ribosomi. TEORIA VACILLAMENTO: L'ipotesi del vacillamento fu proposta da Crick. L'analisi di sequenza ha mostrato che la base terminale dell'anticodone (complementare alla base al 3' terminale del codone, ovvero alla terza lettera) non è sottoposta a restrizioni come le altre due basi. MUTAZIONI Le mutazioni sono alterazioni della sequenza del DNA. Queste possono ripercuotersi nella formazione della proteina. 1. Mutazione silente: la mutazione silente è un'alterazione della tripletta codificante per un aminoacido che in seguito a questa mutazione codifica sempre lo stesso aminoacido pur cambiando la sequenza genica (cambia la base 3) 2. Mutazione dissenso: il codone codifica per un amminoacido diverso. In questo caso la proteina può essere ancora funzionante se la mutazione è avvenuta in un punto della catena polipeptidica che influenza poco l'attività della proteina, ma se invece la mutazione è avvenuta in un punto importante della catena polipeptidica, l'attività della proteina può essere pesantemente o modificata. 3. Mutazione non senso, si introduce un codone di stop che causa proteine tronche 19  4. Frame shift: determina l'aggiunta (inserzione) o l'eliminazione (delezione) di un nucleotide. In questo modo viene alterato l'ordine di lettura di tutti i codoni successivi nell'ordine a quello inserito o deleto. Ciclo e divisione cellulare Il ciclo cellulare è il meccanismo di vita della cellula ed è alla base della riproduzione, tale ciclo può terminare con la divisione o il differenziamento. Il ciclo cellulare può essere definito come l’insieme degli stadi attraverso i quali la cellula passa da una divisione cellulare alla successiva. Le tempistiche del ciclo cellulare cambiano da una cellula all’altra e non tutte le cellule vanno incontro ad una nuova divisione. Il ciclo cellulare di tutte le cellule può essere suddiviso in due grandi fasi, interfase e fase M che a loro volta si suddividono. 1. L’interfase si suddivide in fase G1, fase S, fase G2, la cellula passa la maggior parte della sua vita in tale fase. Qui la cellula è metabolicamente attiva svolge le varie reazioni, sintetizza le proteine che la caratterizzano e si accresce. ▪ La fase G1 è la fase con durata variabile ed è il momento in cui la cellula si accresce ▪ Nella fase S già sono presenti stimoli che portano all’inizio della divisione cellulare, infatti qui avviene la replicazione del DNA. Tali copie verranno poi divise alle due cellule figlie identiche tra loro e alla madre ed è una fase di non ritorno ▪ Nella fase G2 la cellula completa la preparazione alla divisione cellulare replicando gli organelli e organizzando le varie strutture. Al termine della fase S il DNA assume la conformazione cromosomica, cioè la fase di maggiore compattazione in modo da distribuire il DNA più facilmente. Il cromosoma è composto da due cromatidi fratelli che sono una coppia di unità identiche unite in una regione definita centromero, al cui livello ci sono proteine specializzate che formano il cinetocore su entrambi i lati ed a loro si attaccano i microtubuli formando tale complesso proteico. ▪ Le varie fasi sono controllate dai sistemi di controllo che regolano in maniera particolarmente precisa il passaggio da una fase alla successiva (importanti nello sviluppo embrionale), nelle cellule tumorali tali sistemi sono alterati e si dividono continuamente. ▪ Esistono cellule con elevata attività mitotica quindi hanno cicli molto brevi, tipo spermatogoni, ovogoni, cellule epiteliali, cellule sanguigne, ma esistono anche cellule che si dividono così rapidamente da non poter riconoscere le varie fasi. Inoltre alcune cellule hanno una particolare fase detta G0 perché hanno una fase G1 estremamente lunga ed è come se uscissero dal ciclo cellulare entrando in una fase di quiescenza da qui alcune cellule rientrano nel ciclo dividendosi mentre altre non entreranno mai in fase S. Tale fase è tipica di cellule altamente differenziate come cellule nervose, muscolari, eritrociti. 2. La fase M è molto simile tra tutte le cellule e si suddivide in due fasi minori, la mitosi e la citocinesi o citodieresi che è la divisione del citoplasma e la generazione delle due cellule figlie. 20  ▪ La mitosi: determina la produzione di due cellule, ognuna con lo stesso numero di cromosomi della cellula madre. Queste cellule sono dette diploidi perché contengono due copie di genoma, una proveniente dal padre e l’altro dalla madre. I due cromosomi sono detti omologhi. La mitosi è la modalità di divisione delle cellule somatiche, tranne i gameti un processo continuo costituito da cinque fasi: La profase è la prima fase del processo di mitosi dove il DNA arriva al suo massimo la condensazione quindi è possibile visualizzare i cromosomi nel nucleo. Inoltre qui avviene la dissoluzione dell’involucro nucleare, quindi il DNA è rilasciato nel citoplasma Nel frattempo i centrioli (organelli presenti nel citoplasma) si organizzano nel centrosoma, anch’esso viene duplicato e le due copie si spostano alle estremità opposte della cellula. Si forma inoltre il fuso mitotico, insieme di microtubuli e proteine funzionale ai movimenti dei cromosomi nelle fasi successive. La prometafase, in questa fase la membrana nucleare si dissolve completamente, i microtubuli del fuso mitotico si legano ai centromeri dei cromosomi. Questi ultimi migrano verso l’equatore del fuso mitotico. La metafase, in questa fase i cromosomi sono al centro della cellula sul piano equatoriale o metafasico dove la cellula verrà divisa in citocinesi ancorati a una fibra del fuso mitodico L’anafase, in questa fase i cromosomi si scindono nei due cromatidi fratelli e i cromatidi, ormai separati, migrano grazie allo scorrimento dei microtubuli ai poli opposti della cellula. (Avviene una digestione degli enzimi che tengono uniti i due cromatidi fratelli cosi che possano dividersi e migrare ai poli opposti) La telofase, in questa fase si riforma l’involucro nucleare, il fuso mitotico scompare e i microtubuli del cinetocore vengono disassemblati e ogni nucleo ha un proprio corredo genetico completo identico a quello della madre. 3. La citodieresi, è la fase finale, qui la cellula si divide. Nelle cellule animali avviene per ripiegamento della membrana cellulare in modo che si formi una "strozzatura" tra le due cellule. Il primo segno di questo evento è la formazione di un solco dove vi sono microfilamenti di actina e miosina. Quando i filamenti di actina interagiscono con quelli di miosina l’anello strozza la cellula. Tutte le cellule dell’organismo sono definite somatiche e assolvono tutte le funzioni tranne la riproduzione, sono definite diploidi, mentre i gameti (cellula uovo e spermatozoo) sono le cellule specializzate nella riproduzione e sono aploidi. Tali cellule si formano grazie alla meiosi, poi nello zigote si ripristina il corredo diploide quindi ciascun gamete dà il proprio contributo genetico. (Cellule apolidi possono dividersi anche per mitosi) (dalle cellule germinali si formano i gameti) LA MEIOSI La meiosi è il processo che inizia da una cellula diploide ed avviene la replicazione del DNA seguita da due divisioni cellulari consecutive, quindi si formano quattro cellule figlie aploidi geneticamente diverse tra loro e dalla madre. La meiosi ha tre obiettivi: 1. Ridurre il numero di cromosomi da diploide ad aploide 21 2. Fare in modo che entrambi i prodotti aploidi abbiano un set completo di cromosomi 3. Generare variabilità genetica tra i prodotti. La meiosi si divide quindi in meiosi uno e due: ▪ Profase1, è la più lunga e complessa, qui i cromosomi di origine paterna si associano a quelli di origine materna formando delle tetradi definite cosi perché formate da quattro cromatidi fratelli (tale processo chiamato sinapsi), tenuti insieme da un complesso proteico. Poi avviene la scomparsa dell’involucro nucleare e la condensazione del DNA. La cosa più importante è il crossing over o ricombinazione omologa, qui i cromatidi fratelli dei cromosomi omologhi che si ritrovano vicini, in punti random avvengono degli scambi di piccoli pezzi di cromatidi tra cromosomi omologhi. ▪ Metafase 1, le tetradi sono portate lungo la piastra equatoriale e si dispongono tramite assortimento indipendente che provoca un ulteriore variabilità genetica ▪ Anafase 1, si separano i cromosomi omologhi quindi ogni cromosoma sarà ancora formato dai due cromatidi fratelli che vengono portati ai poli opposti ▪ Telofase 1, i cromosomi si raccolgono in due nuclei e la cellula si divide La meiosi due è simile ad una mitosi normale quindi: ▪ Profase 2, i centrioli formano il fuso mitodico ▪ Metafase 2, i cromosomi si allineano sul piano equatoriale ▪ Anafase 2, i cromatidi fratelli si separano e vengono portati ai poli opposti ▪ Telofase 2, si dividono in quattro cellule figlie diverse tra loro e diverse dalla cellula madre. Lo sviluppo cellulare e le staminali Da una cellula uovo fecondata si iniziano a dividere tutti i tipi di cellule dando origine a tutti i tipi di cellule presenti all’interno dell’organismo. E’ stimato che l’organismo abbia 250 cellule differenziate, tutte provenienti dallo stesso zigote e tutte contenenti lo stesso corredo di DNA. Le varie cellule si specializzano attraverso un processo definito differenziamento che si basa sulla diversa espressione genica che si ripercuote sul metabolismo e la forma cellulare. ▪ Le cellule staminale sono delle cellule indifferenziate, che non hanno forme caratteristiche e funzioni specifiche, ma in grado di replicarsi oppure di differenziarsi in molti tipi di cellule. Inoltre c’è un pool di cellule staminali in ogni apparato del nostro corpo e servono per la rigenerazione. ▪ Le cellule staminali possono andare incontro a due tipi di divisione, simmetrica e asimmetrica, in quella simmetrica le due cellule figlie derivanti dalla divisione di una cellula staminali sono identiche (per mantenere un pool staminale), mentre nella divisione asimmetrica le due 22  cellule figlie, una rimane una cellula staminale mentre l’altra diventa una cellula specializzata (rigenera una fibra ad esempio). Le cellule staminali vengono differenziate in base alla loro potenzialità e sulla loro capacità di differenziarsi nei vari tipi cellulari: Le cellule staminali totipotenti sono le cellule staminali per eccellenza sono lo zigote nel mondo animale e la spora nel mondo dei funghi, tali cellule sono in grado di far derivare da essa ogni tipo cellulare quindi sia tessuti embrionali che extraembrionali. Le cellule staminali pluripotenti (dalla blastocellula) cioè quelle della placenta invece possono far derivare da se stesse ogni tipo di cellulare proveniente dai tessuti embrionali, cioè ectoderma mesoderma e endoderma, ma non tessuti extraembrionali. Le cellule multipotenti sono quelle del midollo osseo e sono in grado di differenziarsi in un numero limitato di linee cellulari (globuli rossi, bianchi e piastrine). Le cellule oligopotenti possono differenziarsi in poche linee cellulari cioè in cellule muscolari lisce o endoteliali. Le cellule unipotenti anche dette precursori, che sono in grado di dar vita ad un solo tipo cellulare. Le cellule mesenchimali stromali sono cellule oligopotenti presenti nella maggior parte dei tessuti, isolate la prima volta dal midollo osseo. Sono in grado di differenziale nelle cellule stromali cioè dello stroma, osteoblasti, condrociti e adipociti. Sono cellule con abilità rigenerative molto spiccate, hanno capacità immunomodulanti, antinfiammatorie, antifibrotiche ed alcune delle più grandi fonti di MSC sono gli annessi embrionali. 23