Appunti di Biologia PDF

BIOLOGIA 02/10/23 Un organismo per essere definito vivente deve essere costituito da una o più cellule. Le cellule del corpo umano non sono tutte uguali ma si differenziano in base alla funzione che...

BIOLOGIA 02/10/23 Un organismo per essere definito vivente deve essere costituito da una o più cellule. Le cellule del corpo umano non sono tutte uguali ma si differenziano in base alla funzione che svolgono. Esse si organizzano a formare i tessuti che danno origine agli organi. La cellula è l’unità fondamentale di tutti gli organismi viventi. Un organismo vivente per essere definito tale deve avere: - Un’organizzazione cellulare - Un finalismo delle parti (ogni componente cellulare deve funzionare in modo organico per un obiettivo comune) - Un metabolismo - Eccitabilità, capacità di recepire stimoli e dare risposta biologica adeguata - Adattamento, modificare il metabolismo in base alle nuove condizioni - Informazione, insieme di molecole che permettono alla cellula di avere una memoria - Riproduzione ed eredità per permettere il mantenimento della specie - Evoluzione, le singole cellule e gli organismi che ne derivano hanno subito un processo evolutivo. Ci sono alcuni organismi che si sono evoluti in modo più appropriato rispetto ad altri grazie all’adattamento Lo stato sia fisiologico che patologico è determinato dal metabolismo, conoscerne i processi è fondamentale per porter creare dei farmaci ad hoc. Il farmaco sostituisce o integra sostanze non disponibili nell’organismo. Per una corretta terapia è necessario conoscere l’organizzazione ed il funzionamento della cellula anche a livello molecolare. Secondo la definizione dell’OMS: il farmaco è una sostanza in grado di influenzare i processi fisiologici o patologici di un organismo vivente. I farmaci agiscono secondo quattro meccanismi: - Proprietà chimico-fisiche - Attività a livello recettoriale - Inibizione dei sistemi enzimatici - Influenza sulla sintesi degli acidi nucleici I farmaci biologici sono quei farmaci di nuova generazione studiati per agire su una singola struttura sia essa una proteina, un recettore o una sequenza di DNA, aumentano l’efficacia della terapia e riducono gli effetti indesiderati. I farmaci possono avere una influenza sia in senso positivo che negativo sulla sintesi di RNA messaggero o sull’attivazione di introni a livello del DNA cellulare (ormoni steroidei o tiroidei). La Biologia è una scienza sperimentale, la prima teoria cellulare fu elaborata nel 1839 da Rudolf Virchow, egli ipotizzò che: - Ogni essere vivente è composto da una o più cellule - Le cellule sono viventi e costituiscono l’unità fondamentale di funzione ed organizzazione di tutti gli organismi - Ogni cellula deriva da altre cellule 1865 scoperta delle leggi che regolano la trasmissione dei caratteri ereditari 1859 elaborazione della teoria dell’evoluzione 1953 sintesi in laboratorio dei primi composti organici Tutte le cellule e gli organismi della terra derivano o da cellule o da organismi preesistenti, non possiamo realizzare ex-novo una cellula. 1 LA CELLULA È L’UNITA’ STRUTTURALE E FUNZIONALE DELLA MATERIA VIVENTE, nella forma minima è costituita da citoplasma delimitato da una sottile membrana e contenente almeno una molecola di DNA e tutto il materiale ed il corredo di enzimi necessari alla duplicazione. Ogni organismo vivente è costituito da una o più cellule; ogni cellula deriva dalla divisione di un’altra cellula preesistente; tutte le cellule si dividono per divisione binaria; ciascuna cellula può svolgere vita autonoma. I batteri e le amebe sono organismi unicellulari mentre l’uomo presenta un numero di cellule pari a 10^14. Ogni cellula deve contenere un programma informazionale. Le cellule possono essere divise in due categorie: - Procariotiche: sono le cellule più semplici, non possiedono endomembrane che circondano il materiale genetici. In base alla forma definiamo i cocchi (sferici), i bacilli (a bastoncino), lo spirillo o spiroteche (a spirale). Sono formati da o Parete cellulare o Membrana plasmatica o Citoplasma La struttura è omogenea e presenta molti ribosomi e una sola molecola di DNA circolare non compartimentalizzato. Possono inoltre esserci appendici cellulari per il movimento, i flagelli, o dei pili necessari all’adesione con le superfici esterne. I procarioti sono tutti monocellulari. La struttura appartiene tipicamente a batteri → la loro organizzazione è completamente diversa da quella delle cellule eucariotiche, grazie a ciò possiamo assumere gli antibiotici che distruggono le cellule procariotiche ma non eucariotiche. - Eucariotiche: non c’è una forma tipica, essa cambia in base alla funzione della cellula. La struttura è molto complessa: o Membrana plasmatica o Citoplasma strutturato o Citosol o Struttura amorfa, citoscheletro o Mitocondri o Ribosomi o RE o Apparato di Golgi o Lisosomi o Perossisomi o Vacuoli o Nucleo delimitato da duplice membrana contenente DNA+proteine+apparato enzimatico 2  Sono cellule compartimentalizzate che presentano un sistema membranoso utile anche ad avvolgere il DNA → carioteca. Sono tipiche sia di organismi monocellulari come i lieviti che pluricellulari. La popolazione di batteri che ospitiamo interferisce con il nostro organismo → microbiota, siamo soggetti a continue interazioni con i procarioti. Gli organismi viventi sono tali poiché possiedono un’organizzazione cellulare → l’organizzazione cellulare permette il mantenimento di un ambiente interno costante e controllato. Gli organismi viventi sono in grado di ricevere stimoli dall’esterno e di rispondervi producendo mutamenti del proprio stato e/o delle proprie attività; ciò permette di mantenere invariate nel tempo le caratteristiche strutturali e di svolgere in modo ottimale le corrispondenti funzioni. “Per far sì che avvengano scambi in modo adeguato con l’ambiente esterno l’area della superficie di una cellula deve essere molto più grande del volume della cellula stessa: Le cellule hanno dimensioni così piccole che è possibile vederle solo attraverso il microscopio. La ragione di queste dimensioni si basa sull’importante principio fisico “rapporto superficie/ volume”. la cellula vive in dipendenza dallo scambio di alcuni materiali con l’ambiente esterno, e ciò avviene mediante la membrana che ricopre la superficie della cellula. Se si aumentasse il volume della cellula, si aumenterebbe anche la quantità dei materiali da trasportare. Ma il volume aumenta molto più rapidamente della superficie, e il punto cruciale che impone i limiti delle dimensioni rappresenta appunto il rapporto tra la superficie e il volume della cellula. Inoltre, una cellula molto grande scambierebbe i materiali troppo lentamente per riuscire a vivere. Quindi animali di grandi dimensioni sono costituiti da molte piccole cellule e non da meno cellule grandi”. Il volume di una cellula aumenta con il cubo del diametro mentre la sua superficie aumenta solo del quadrato: Gli organismi pluricellulari sono formati da poche unità fino a svariati miliardi di cellule. Accrescimento e moltiplicazione delle cellule e moltiplicazione dell’organismo sono fenomeni indipendenti. L’accrescimento avviene per aumento del numero delle cellule che costituiscono l’organismo mentre la moltiplicazione dell’organismo avviene con meccanismi quali la riproduzione sessuata. Le cellule eucariotiche si sono evolute da cellule procariotiche ancestrali e si sono quindi organizzate in organismi multicellulari le cui singole cellule si sono specializzate in particolari funzioni. 3  All’interno di una cellula batterica troviamo per il 70% H2O e per il 30% composti chimici, prevalenti le proteine. Le macromolecole biologiche sono le molecole della vita e sono peculiari della vita. Il 15% di tutti i composti chimici è rappresentato dalle proteine che sono fondamentali per il metabolismo. Un organismo vivente può vivere senza una sua componente ma una cellula non può vivere senza uno dei suoi componenti, nulla in una cellula può essere sostituito o evitato. Le molecole organiche sono quelle presenti negli organismi viventi e da essi sintetizzate, quelle inorganiche sono presenti nel mondo non vivente. Tuttavia, questa distinzione non può essere così netta, infatti nei viventi troviamo anche una molteplicità di sostanze inorganiche (acqua e Sali minerali) e d’altra parte, fuori dalla materia vivente, possiamo ritrovare sostanze organiche come lo zucchero. Si può dunque dire che la caratteristica distintiva fondamentale è il fatto che una molecola organica può essere costruita solo da un sistema biologico usando sostanze inorganiche reperite in natura. Tutti i composti chimici che costituiscono la materia vivente sono costituiti da carbonio combinato con altri atomi. Il C può formare legami covalenti forti semplici, doppi o tripli. Nel mondo inorganico il carbonio è presente allo stato ossidato (il contenuto energetico è minore e quindi risulta più stabile) mentre nel mondo organico il carbonio è presente allo stato ridotto (il contenuto energetico è maggiore e quindi è meno stabile). Per formare composti organici a partire da carbonio inorganico è necessaria energia che la materia vivente deve prelevare dall’ambiente. 4  03/10/23 LE MACROMOLECOLE ORGANICHE (lipidi-glucidi-proteine-acidi nucleici) Proteine, glucidi, lipidi e acidi nucleici sono le molecole della vita, si trovano solo negli organismi viventi. Tutte queste molecole biologiche sono macromolecole costituite da molecole più piccole che si uniscono tra loro. Le macromolecole, assieme, costituiscono la maggior parte del contenuto secco degli organismi viventi. La caratteristica comune a tutte le macromolecole è di essere costituite da strutture complesse dette polimeri ottenute dall’assemblaggio di unità più piccole dette monomeri. Di norma gli animali (non?) ricavano le macromolecole direttamente dagli esseri viventi di cui si cibano, durante la digestione i polimeri vengono scomposti in monomeri e poi assorbiti, a partire dagli stessi monomeri ciascun organismo può costruire le proprie macromolecole. Una delle caratteristiche fondamentali delle macromolecole biologiche è la capacità di creare legami per condensazione o disidratazione ovvero la formazione di un legame tra due molecole (o tra due parti della stessa molecola) con la perdita di una molecola d’acqua. La reazione inversa alla condensazione è l’idrolisi → si aggiunge una molecola d’acqua e si rompe un legame: 5 Il carbonio costituisce tutti i composti chimici che costituiscono la materia vivente può formare legami semplici, doppi o tripli. Il C crea lunghe catene carboniose e può dare origine anche a composti circolari, può assumere quasi tutte le conformazioni possibili nello spazio a differenza di tutti gli altri elementi esistenti. Il legame C-C è il legame più stabile che esiste in natura → dà origine a molecole anche cicliche dette aromatiche. Nel 1953 venne ideato un esperimento: in natura si possono formare le molecole semplici? L’esperimento consisteva nel mettere un’ampolla in uno strumento che faceva bollire le soluzioni, vennero messe all’interno varie molecole (NO2, CaO) e furono fatte bollire per vari giorni, si andarono poi a generare scariche elettriche per andare ricreare ciò che avveniva nella crosta terrestre quando veniva colpita dai fulmini → piccole molecole venivano liberate → grazie agli agenti atmosferici come i vulcani, i temporali o i fulmini potevano crearsi piccole molecole organiche e quelle simili si andavano poi ad aggregare per dare vita ai polimeri. L’ACQUA è il principale costituente della materia vivente. È il solvente nel quale sono sciolti tutti i composti biologici e l’ambiente nel quale ha avuto origine la vita dove è anche avvenuto il processo evolutivo. La materia vivente è stata plasmata sulle proprietà dell’acqua. L’acqua è un solvente polare. Gli ioni in soluzione acquosa sono circondati da molecole d’acqua. Le molecole conservano la loro individualità e le interazioni tra più molecole sono reversibili. Nelle interazioni tra molecole non possono essere coinvolti legami covalenti. Le interazioni devono essere stabilizzate da legami deboli - A idrogeno - Attrazioni elettrostatiche - Forze di van der Waals 6 Affinché due molecole possano interagire stabilmente attraverso legami deboli è necessario che molti di essi cooperino simultaneamente al fenomeno. Ciò si realizza solo se le superfici delle molecole combaciano per una estensione sufficiente e presentano le caratteristiche necessarie alla formazione di molti legami secondari. La complementarità è data dalla geometria, dalla carica, dagli accettori-donatori di legami H e da regioni polari-apolari. Molti legami non covalenti conferiscono specificità di legame. VIRUS? I LIPIDI sono molecole eterogenee, morfologicamente diverse tra loro che, come caratteristica comune, hanno quella di essere insolubili in acqua ma di essere affini ai solventi apolari. La funzione principale dei lipidi è quella di immagazzinare energia per metterla a disposizione quando l’organismo ne ha bisogno → principale riserva energetica dell’organismi; fungono da ormoni (messaggeri chimici) e sono la base costituente delle membrane biologiche. Gli steroidi hanno varie funzioni, tra cui quella di essere molecole messaggere che trasportano le informazioni tra le cellule, hanno attività ormonale. I fosfolipidi costituiscono le membrane biologiche e sono fondamentali per la presenza della vita sul pianeta. L’ultima famiglia di lipidi è quella dei carotenoidi, sono degli antiossidanti. Gli acidi grassi possono essere saturi o insaturi. Alcuni acidi grassi posseggono più di un doppio legame nella loro catena e sono per questo detti poliinsaturi. Se gli acidi grassi sono saturi le molecole di trigliceridi si dispongono in modo ordinato e i lipidi sono solidi a 20°C (burro); se sono invece insaturi le molecole di trigliceridi si dispongono in modo disordinato e i lipidi risultano liquidi a 20° C (olio d’oliva). Quelli saturi sono dannosi per l’organismo poiché tendono a depositarsi nelle arterie e a dare così origine a malattie vascolari. I lipidi si dividono in: - Trigliceridi - Steroidi - Fosfolipidi - Carotenoidi 7  I TRIGLICERIDI hanno il compito di contenere grande quantità di energia per i processi metabolici. Si dividono in due categorie - Oli, a 20° sono liquidi. Sono immagazzinati nei semi delle piante. - Grassi, a 20° sono solidi. Si trovano nel tessuto adiposo animale e sono necessari per la termoregolazione e per immagazzinare energia con funzione coibente. Nel digiuno prolungato viene digerita immediatamente tutta la riserva di zucchero che l’organismo possiede per 24/48h. Per 2 settimane il corpo brucia la componente lipidica e successivamente la componente muscolare. I trigliceridi sono molecole complesse che derivano dall’unione del glicerolo (3 gruppi ossidrile OH) e 3 molecole di acidi grassi (molecola più semplice in natura che contiene un gruppo carbossilico -COOH che si lega al glicerolo eliminando una molecola d’acqua). Il glicerolo è una piccola molecola a 3 atomi di carbonio mentre gli acidi grassi sono costituiti da lunghe molecole fino a 20 atomi di carbonio. L’acido grasso è costituito solo da C e H, la catena presenta una piccola parte idrofilica. I trigliceridi non sono tutti uguali tra loro, le differenze derivano da - Tipo di legame nella catena idrofobica → legami saturi / insaturi - Lunghezza della catena 8  I FOSFOLIPIDI hanno struttura affine a quella dei trigliceridi e organizzano le membrane biologiche. Il glicerolo qui lega due molecole di acido grasso e una molecola di acido fosforico: ci sono due regioni, una idrofobica e una idrofilica (acido fosforico). La molecola di acido fosforico può a sua volta legare altre molecole più o meno complesse e dare origine a molecole differenti tra loro. La lunghezza dell’acido grasso e il grado di saturazione determinano le caratteristiche del lipide. I CAROTENOIDI sono una famiglia di lipidi che sono in grado di assorbire la luce e hanno varie funzioni. I carotenoidi sono le sostanze che danno colore alla frutta e verdura ma anche ad alcuni animali. Tali lipidi (B-carotene, precursore della vit A dal quale deriva il retinale che svolge importante funzione di fotopigmento nella retina) tamponano l’azione deleteria dei radicali liberi. Durante il metabolismo energetico avvengono reazioni di ossido-riduzione e possono formarsi specie chimiche estremamente reattive che potrebbero provocare dei danni anche permanenti. I carotenoidi spengono i radicali liberi, ossidandoli→ reazione antiossidante. I 0processi metabolici della cellula generano continuamente composti dell’ossigeno detti radicali liberi e sono caratterizzati dall’avere un numero spaiato di elettroni e da forte tendenza a cedere ossigeno e ad ossidare le molecole. I radicali0 liberi sono utilizzati per alcune funzioni quali inattivare i virus e i batteri e detossificare. Hanno tuttavia anche effetti dannosi con il DNA poiché possono provocare delle mutazioni, agire sugli acidi grassi dei fosfolipidi danneggiando le membrane oppure possono agire su certi enzimi di membrana, le pompe ioniche, interferendo con l’equilibrio idro-salino della cellula. GLI STEROIDI sono una sottofamiglia dei lipidi, derivano tutti dal nucleo del ciclopentanoperidrofenantrene. Tra gli steroidi più importanti c’è il colesterolo, componente delle membrane cellulari. Ne fa parte anche la vitamina D2, il cortisolo (ormone prodotto dai surreni), il testosterone. Da una molecola di base con piccolissime modificazioni si ottengono molecole con attività biologica differente. Queste molecole agiscono in dosi molto basse (ng), sono estremamente liposolubili e hanno la caratteristica di innescare reazioni nella cellula. Le reazioni degli ormoni steroidei sono spesso irreversibili e influenzano direttamente il metabolismo. Gli effetti biologici di tali molecole sono ben visibili: effetti del testosterone. Il testosterone agisce sulla corteccia cerebrale e dà effetti psichici. Oggi vengono usati per aumentare la massa muscolare e la forza ma se ne fa un uso spropositato dimenticando i dannosi effetti biologici che tali molecole hanno sull’organismo. Esse vengono utilizzate come doping nell’attività sportiva. 9 Qualunque squilibrio molecolare non porta beneficio all’organismo. Si può venire a contatto con queste molecole anche in modo indiretto, il sistema di comunicazione intercellulare basa la sua efficienza sul sistema tattile. Le microplastiche influiscono sulla fertilità. I GLUCIDI O CARBOIDRATI sono un gruppo eterogeneo di sostanze. Sono molecole estremamente solubili in acqua e sono tutti molto simili tra loro. La formula minima dei glucidi è CH2O per questo sono facilmente riconoscibili. Si dividono in: - Monosaccaridi, molecole a cinque o sei atomi di carbonio di regola a forma di anello. I monosaccaridi pentosi sono importanti costituenti degli acidi nucleici, DNA e RNA mentre l’esoso più importante è il glucosio seguito da fruttosio, galattosio, essi sono implicati nel metabolismo energetico e sono i costituenti dei disaccaridi e dei polisaccaridi. Il glucosio è al centro dei processi del metabolismo energetico della cellula. Lo possiamo trovare in forma ciclica o lineare con la possibilità di passare da una forma all’altra. Il glucosio alfa è un isomeso del D-glucosio che ha il gruppo -OH del primo atomo di carbonio posizionato sullo stesso lato del -CH2 gruppo OH. Il beta glucosio è un isomero del D-glucosio che ha il gruppo -OH del primo atomo di carbonio posizionato sul lato opposto rispetto al -CH2 gruppo OH. A seconda del legame tra i monosaccaridi possiamo ottenere una molecola piuttosto che un'altra. Il legame che unisce due monosaccaridi è il legame glicosidico, per romperlo abbiamo bisogno di particolari enzimi. Esso deriva dalla reazione di condensazione tra un gruppo alcolico di una molecola di monosaccaride e un gruppo alcolico si un’altra molecola di monosaccaride con l’eliminazione di una molecola d’acqua. I disaccaridi sono costituiti da monosaccaridi identici o diversi tra loro. 04/10/23 - I disaccaridi possono polimerizzare (reazioni di condensazione) per legare molte unità di zuccheri semplici. Il maltosio è un disaccaride formato da due molecole di glucosio (alfa e beta glucosio, isomeri della stessa molecola). Il saccarosio è un disaccaride formato da una molecola di glucosio e una di fruttosio. Il lattosio è un disaccaride formato da una molecola di glucosio e una di galattosio. 10 Più disaccaridi si uniscono a costituire - I polisaccaridi sono molto versatili e li possiamo trovare sia nel mondo animale che vegetale. Esistono vari tipi di polisaccaridi: o Cellulosa: polimerizzazione del glucosio. È costituita da molecole lineari costituite da una sequenza di glucosio. È il costituente principale della parete cellulare delle piante e il nostro organismo non è in grado di sciogliere il legame glicosidico che lega i due monosaccaridi. o Chitina che forma l’esoscheletro degli insetti e galattosammina che forma la cartilagine, sono polisaccaridi che hanno funzione strutturale e sono anch’essi polimeri del glucosio. o Amido, polimero del glucosio è poco ramificato, le molecole di glucosio si dispongono linearmente. Si trovano negli organismi vegetali. Grandi riserve di amido le ritroviamo nelle patate che sono infatti state la fonte principale di alimentazione durante le carestie. Il glucosio può interagire con le proteine e dare problematiche come il diabete. o Glicogeno, lo troviamo a livello dei tessuti animali. Lo troviamo principalmente nel fegato e nei muscoli. Viene utilizzato come zucchero di riserva. È molto ramificato, è insolubile e il suo accumulo non modifica quindi l’osmolarità della cellula. LE PROTEINE sono le molecole più rappresentate negli organismi viventi. Le proteine sono estremamente versatili e le troviamo in qualunque distretto cellulare e prendono parte a qualunque attività metabolica. Possono garantire - Intelaiatura del citoscheletro - Strutture cellulari - Impalcatura di sostegno cellulare Hanno funzione di - Catalisi - Enzimatica - Riconoscimento - Trasporto - Deposito - Movimento - Difesa Le proteine sono singole catene non ramificate di monomeri amminoacidici dunque, gli amminoacidi, sono l’unità fondamentale delle proteine. Esistono 20 diversi tipi di amminoacidi e la loro sequenza determina la struttura tridimensionale, quindi la conformazione, della proteina. 11  Tutti gli amminoacidi hanno la stessa struttura generale ma ognuno differisce per la catena R che è quindi la parte che determina le caratteristiche della proteina. Il gruppo R può essere o polare o apolare. Il legame peptidico permette a due amminoacidi di legarsi. Il legame peptidico si forma tra il gruppo amminico e il gruppo carbossilico → i gruppi si neutralizzano e le caratteristiche dell’amminoacido sono determinate dal gruppo -R. Quando -COOH e -NH2 si legano, una molecola d’acqua si disperde e si forma il legame peptidico che è molto forte. Denaturazione della proteina → perdita dell’attività biologica. Le proteine hanno quattro livelli di struttura che ne determinano la forma: 12 La specificità di una proteina è data dalla sequenza ordinata degli amminoacidi lungo la catena polipeptidica → struttura primaria. La disposizione nello spazio dei gruppi R e della catena da origine alla struttura secondaria - Alfa elica: la proteina si attorciglia in modo tale che i gruppi R non interagiscono - Foglietto beta: forma delle anse Entrambe le strutture sono mantenute in tale conformazione grazie a dei legami deboli, i legami a H. Tanti legami a idrogeno sono difficili da rompere. A mano a mano che la proteina cresce essa deve assumere una conformazione ben precisa. La struttura terziaria della proteina è la conformazione tridimensionale della stessa che è determinata dalla struttura primaria. Alcune proteine richiedono una conformazione particolare che deve essere mantenuta tramite la formazione di alcuni legami detti ponti disolfuro che si creano grazie alla cisteina, o da ponti a idrogeno; così la proteina assume la forma definitiva. Sulle proteine osserviamo delle regioni caratteristiche che svolgono importanti funzioni dette domini, tutti gli amminoacidi che concorrono a formare il sito attivo della proteina costituisce il dominio, ad esempio. Le catene polipeptidiche sono formate da più di 200 amminoacidi e in genere comprendono due o più domini → piccole unità compatte, strutturali e funzionali. Ogni dominio è una regione globulare, compatta che si forma per la combinazione di più elementi strutturali secondari. Strutturalmente ciascun dominio è indipendente da altri domini della stessa catena polipeptidica. La struttura terziaria riguarda sia il ripiegamento di ciascun dominio sia la disposizione reciproca finale dei domini di un polipeptide. 13 Le proteine una volta terminata la sintesi possono avere modificazioni post-traduzionali (es inserimento di ioni nella struttura → i citocromi hanno per esempio un atomo di Fe). Tutte le proteine hanno una struttura primaria che è quella che ne determina la funzione. Tutte le proteine possiedono almeno una catena polipeptidica. Per avere la struttura quaternaria bastano due catene ed è l’organizzazione di polipeptidi in un’unica unità funzionale. Molte proteine non sono un’unica catena polipeptidica ma sono combinazioni di oggetti, aggregati di proteine sono detti globulari o fibrosi e possono essere formati anche da molte unità identiche tra loro. Molte proteine inglobano un gruppo non proteico che viene utilizzato per compiere una funzione specifica e viene detto gruppo protetico. La struttura quaternaria tiene unite più subunità tramite legami non covalenti. Acetilcolinesterasi, enzima principe del sistema nervoso, permette di interrompere la traduzione dell’impulso nervoso verso un muscolo. Uno stimolo parte dal nervo e dice al muscolo di contrarsi poi, grazie a quest’enzima, l’impulso a un certo punto si interrompe. Tali enzimi sono inattivati dall’esposizione ad alcune molecole come i pesticidi. Durante la Prima guerra mondiale i gas nervini che provocano paralisi dei muscoli respiratori uccisero milioni di soldati. Tali enzimi sono formati due subunità che si legano. 5/10/23 Alcune proteine possono legarsi a lipidi o ad altre proteine (lipoproteine o glicoproteine). Molti enzimi contengono solo amminoacidi e nessun altro gruppo alchilico → proteine semplici; altre proteine contengono oltre agli amminoacidi gruppi chimici funzionali permanentemente associati → proteine coniugate. La parte amminoacidica viene definita gruppo prostetico. Una catena polipeptidica appena sintetizzata deve conformarsi e spesso subire modificazioni chimiche per generare la proteina finale. Tutti i polipeptidi con la stessa sequenza amminoacidica assumono in condizioni standard la stessa conformazione (stato nativo) che è la più stabile che la molecola può assumere. L’informazione per il folding è contenuta nella sequenza. Le chaperonine assistono le proteine nella fase di folding prevenendo il legame con ligandi inappropriati. Le proteine oltre i 37° C tendono a denaturarsi e a perdere la loro attività biologica. L’aumento della temperatura comporta un allentamento dei legami e i ponti ad idrogeno tendono a rompersi. Con la denaturazione c’è la perdita immediata della struttura quaternaria. La denaturazione può avvenire a causa del calore o tramite sostanze che distruggono i ponti disolfuro. L’alterazione delle proteine è un processo che può provocare danni irreversibili → a livello cerebrale la placca amiloide, agglomerato di filamenti proteici, provoca l’Alzheimer. Una proteina che non funziona dà origine a varie patologie. 14 Le proteine possono coniugarsi con - Enzimi, anticorpi, molecole di riconoscimento e recettori e supporti extracellulari → glicoproteine sono tutte le proteine localizzate sulla superficie cellulare e negli spazi intercellulari. I gruppi carboidratici, a causa dei molti siti in grado di formare i legami idrogeno, ne aumentano la stabilità conformazionale e conferiscono resistenza all’attacco enzimatico fornendo gruppi specifici riconoscibili dai ligandi - Molto presenti nelle membrane cellulari sono anche le lipoproteine in particolare si trovano nella membrana plasmatica dove il gruppo lipidico funge da ancora per la proteina - Le metalloproteine sono necessarie per l’attività degli enzimi La funzione proteica generalmente richiede cambiamenti conformazionali. Le proteine possono essere destinate a legare un range di molecole dette ligandi (affinità e specificità). Gli anticorpi posseggono precise specificità di legame. Gli enzimi sono catalizzatori efficienti e specifici. Una delle funzioni delle proteine è quella di essere catalizzatori biologici, ENZIMI. I catalizzatori vengono aggiunti alla reazione e permettono alla stessa di avvenire più velocemente. Un catalizzatore biologico è specifico a differenza dei catalizzatori inorganici. Essi possono catalizzare solo una reazione e si possono legare a una sola molecola per catalizzarla. La specificità dell’enzima è dovuta al dominio detto sito attivo, regione dell’enzima che grazie alla struttura terziaria della proteina si organizza così da legare in modo specifico e complementare una molecola → modello chiave-serratura. Nel sito attivo convergono i gruppi R degli amminoacidi, una volta che il gruppo R entra a contatto la molecola si trasforma velocemente in un’altra senza aumento di temperatura né variazione di pH così che la reazione non venga alterata. La molecola che si deve trasformare si combina con l’enzima in modo specifico e quando i substrati entrano nel sito attivo vengono immediatamente modificati e rilasciati come prodotto. La differenza sostanziale tra catalisi organica e inorganica è che quella organica è specifica mentre quella inorganica no. 15 Ci sono alcuni enzimi che possiedono dei siti che possono legarsi alle altre molecole che possono aumentare o diminuire l’efficienza dell’attività enzimatica → sito allosterico. Se a livello del sito allosterico si legano molecole che variano la conformazione della proteina e distorcono la geometria del sito attivo il substrato non può più entrato e l’enzima non può più catalizzare la reazione che si blocca. Può avvenire anche l’inverso e il sito attivo può facilitare l’ingresso del substrato. La cinetica di una reazine enzimatica è descritta dalla Vmax e dalla Km: I meccanismi che regolano la funzione proteica sono: transizioni allosteriche (rilascio di subunità catalitiche, stato attivo e inattivo; legame cooperativo del ligando); fosforilazione e defosforilazione; attivazione proteolitica; compartimentalizzazione. 16 La regolazione allosterica è la regolazione di un enzima o di una proteina mediata da una molecola detta effettore che svolge tale funzione legandosi presso il sito allosterico. In molte molecole proteiche i cambiamenti strutturali possono determinare profondi cambiamenti nella funzione o nell’attività. Il cambio conformazionale può avvenire in risposta ad interazioni con altre molecole quali: - Substrato e analoghi con prodotti finali di vie metaboliche - Modulatori allosterici - Legame covalenti di gruppi - Subunità regolative - Proteine accessorie - Enzimi proteolitici La forma e le proprietà chimiche delle proteine determinano la loro funzione. L’alterazione della struttura tridimensionale di una proteina è detta denaturazione ed è spesso accompagnata dalla perdita della sua normale funzionalità biologica. Proeincbinasi → è una proteina che ha la caratteristica di aggiungere gruppi fosforici H3PO4 sulle proteine. La reazione di fosforilazione è molto importante e tutti gli enzimi che compiono tale reazione sono detti proteinchinasi; normalmente sono bloccate da alcune componenti che impediscono al sito attivo di legarsi. La proteinchinasi ha due subunità catalitiche → quando sono legate le proteine sono inattive quando arrivano delle molecole operatrici esse si legano a livello delle subunità e cambiando la propria conformazione staccano le subunità catalitiche e il sito attivo dell’enzima si libera. La proteinchinasi può fare fosforilazione. La reazione di fosforilazione è considerata una sorta di interruttore biologico. Quando un gruppo fosforico viene legato a una molecola accende una funzione. La reazione inversa invece spegne l’attività biologica che era stata innescata dalla fosforilazione. Sulla fosforilazione si basano tantissimi studi e è il principio per cui funzionano molti farmaci. 17 Come funziona la catalisi enzimatica? La velocità di una reazione chimica è indipendente dal DG ma è determinata dall’ampiezza della barriera dell’energia di attivazione. I catalizzatori aumentano la velocità di reazione abbassando tale barriera. 18 NUCLEO E CROMATINA Fino agli anni ’30 era ancora in dubbio se fosse il DNA la molecola contenente l’informazione genetica. Gli esperimenti di Frederick Griffith sullo Streptococcus pneumoniae hanno dimostrato la presenza di un principio trasformante ereditabile Alfred Hershey e Martha Chase nel 1952 scelsero un virus, il batteriofago T2, per determinare quale dei componenti virali tra DNA e proteine sarebbe penetrato nel batterio Escherichia coli. Tali scienziati dimostrarono che il materiale con ruolo ereditario è il DNA che penetra nelle cellule batteriche e trasmette ai batteri infettati le informazioni genetiche necessarie a produrre nuovi virus. Il DNA ha una stabilità elevata dovuta alla presenza degli scheletri covalenti delle due catene complementari, alle interazioni idrofobiche tra coppie sovrapposte di basi e a legami ad idrogeno all’interno di ogni coppia. 19  Il DNA è costituito da catene polinucleotidiche che sono tenute insieme da ponti ad idrogeno e decorrono in senso antiparallelo. Gli studiosi si accorsero che il DNA era formato da - Acido fosforico - Basi azotate (adenina e guanina caratterizzate da un doppio anello dette purine e citosina e timina caratterizzate da un anello singolo dette pirimidine) - Zucchero pentoso desossiribosio a C5 (L’RNA differisce per il tipo di zucchero in C5, il ribosio e al posto della timina presenta l’uracile U) Il DNA varia tra le diverse specie; costruisce le informazioni che fanno una specie diversa dall’altra; è costante in una stessa specie; si può duplicare con grande precisione durante la divisione cellulare; è soggetto a rari cambiamenti detti mutazioni che forniscono variabilità genetica che permette l’evoluzione. La molecola di DNA ha una struttura a doppia elica. James Watson e Francis Crick costruirono il primo modello tridimensionale del DNA basandosi sui risultati dei lavori di Rosalind Franklin e Maurice Wilkins che avevano studiato la struttura del DNA usando la cristallografia a raggi X. L’appaiamento complementare delle basi suggerisce che il DNA è una molecola a doppio filamento simile ad una scala a pioli in cui i montanti sono costituiti dallo scheletro zucchero-fosfato e i pioli delle basi accoppiate unite dai legami a idrogeno. Una molecola di acido fosforico, una base azotata e uno zucchero pentoso danno origine al nucleotide: C1 → a destra dell’ossigeno, si lega alla base azotata C2-C3-C4-C5 → si lega il gruppo fosfato I nucleotidi è l’unità base degli acidi nucleici. 20 Guanina e adenina sono basi puriniche mentre citosina e timina sono basi pirimidiniche. Tra due nucleotidi si istaura un legame fosfodiesterico che avviene tra il C5 e il C3 del nucleotide successivo 5’-3’ → tale posizione è obbligatoria poiché il C1 è già impegnato in un legame e un altro legame destabilizzerebbe la molecola, C2 è troppo vicino a C2 e ci sarebbe un’interferenza elettrica, l’unico carbonio utile è quello in posizione 3. Solo se i filamenti sono antiparalleli i nucleotidi si possono legare. L’acido desossiribonucleico presenta due catene simmetriche tra loro, le basi azotate non possono essere dello stesso tipo. Con la combinazione tra una purina e una pirimidina si possono formare il più alto numero di ponti ad idrogeno possibili (A-T 2 legami a H C-G 3 legami a H). I ponti a idrogeno stabilizzano la molecola, per denaturare il DNA si devono separare le catene nucleotidiche ma il legame fosfodiesterico è molto forte, dunque, è difficile separare le catene. Una volta denaturato il DNA, se il raffreddamento è graduale, le due catene si ricompongono e riprendono lo stato originario per il principio dell’appaiamento delle basi complementari. NUCLEO 21  10/10/23 LA MEMBRANA PLASMATICA La membrana deve essere una barriera meccanica che impedisce ai materiali esterni di entrare e ai materiali interni di rimanere dentro. Per una cellula è fondamentale controllare l’accesso dei soluti e dei solventi per evitare che l’assetto interno venga stravolto. La cellula produce dei cataboliti che si devono trasportare all’esterno. La membrana ha poi il compito di captare le molecole esterne → permette alla cellula di relazionarsi all’ambiente esterno e alle altre cellule. Sulla membrana cellulare sono anche presenti antigeni che determinano il gruppo sanguigno. Al ME due cellule sono separate da uno spazio intercellulare. Le due cellule presentano due regioni che sono più densa: in questa immagine vediamo la membrana plasmatica. Possiamo dire che le funzioni principali della membrana sono: - Delimitare il citoplasma formando una barriera meccanica - Controllare l’accesso dei soluti e dei solventi permettendo che le caratteristiche del citoplasma differiscano da quello dei liquidi esterni - Permette l’entrata e l’uscita di macromolecole e strutture di dimensioni maggiori - Risponde alla presenza di molecole segnale presenti all’esterno innescando reazioni interne di risposta - Presenta molecole specifiche che permettono alla cellula di essere riconosciuta, di aderire ad altre cellule e di comunicare con loro È costituita da un doppio strato fosfolipidico spesso tra i 5 e gli 8 nm contenente grande varietà di proteine, una piccola percentuale di glucidi e numerose molecole di colesterolo (negli animali). I legami di tipo apolare che si formano tra le lunghe catene di acidi grassi assieme alla loro tendenza a sfuggire il mezzo acquoso forniscono grande stabilità alla membrana fosfolipidica che è definita a mosaico fluido. Per studiare la membrana plasmatica dobbiamo studiare i globuli rossi poiché nei vertebrati non presentano nessun altro sistema membranoso. Negli anni ’20 dei ricercatori misero in ambiente ipotonico dei globuli rossi che scoppiarono e fecero fuoriuscire il loro contenuto. Dopo aver isolato le membrane tramite centrifugazione tale materiale venne analizzato. 22 Essi cercarono di determinare la composizione chimica della membrana e scoprirono che nelle membrane erano presenti - Lipidi - Proteine - Glucidi Una volta compresa la composizione chimica della membrana ci si chiese come i vari elementi potevano organizzarsi tra loro. Passarono molti anni prima che venne effettivamente compresa l’organizzazione delle macromolecole a livello della membrana. La componente lipidica della membrana non si limita ai fosfolipidi nonostante essi siano i più presenti: ci sono anche il colesterolo e altri lipidi come i glicolipidi. Il primo modello di membrana prevedeva che la componente fosfolipidica fosse la struttura base esperimento Frye (libro capitolo 5.1) I lipidi possono disporsi sotto forma di micelle o in doppi strati fosfolipidici in modo spontaneo. Se la membrana è organizzata con un doppio strato ci spiega come l’ambiente interno e quello esterno siano diversi e il motivo per cui molecole polari non riescono a passare. I lipidi di membrana Il primo gruppo di lipidi che troviamo a livello della membrana sono i FOSFOLIPIDI, formati da - Un glicerolo C3 legato ad un P - Due acidi grassi che possono differire per la lunghezza e per il livello di insaturazione - Acido fosforico che a sua volta può legare altre molecole che sono quelle che differenziano i fosfolipidi A livello della membrana troviamo una serie di lipidi: tutti presentano una regione idrofobica e una idrofilica. Ciò vale anche per il colesterolo. L’altro tipo di lipidi che possiamo trovare sono gli SFINGOLIPIDI, lipidi complessi che contengono al posto del glicerolo la sfingosina, un aminoalcol a lunga catena al cui amminogruppo è legato con legame ammidico, un acido grasso saturo quasi sempre composto da 22 atomi di carbonio. Così si viene a costituire l’unità invariante di tutti gli sfingolipidi detta ceramide che rappresenta la porzione idrofobica degli sfingolipidi stessi. Costituiscono le membrane plasmatiche dei mammiferi e sono abbondanti nella sostanza bianca del sistema nervoso centrale. Alcuni lipidi sono associati a carboidrati, i GLICOLIPIDI. Essi sono importanti nel sistema nervoso e rappresentano il 40% dei lipidi nelle membrane delle cellule nervose. I più comuni sono i cerebrosidi ed i gangliosidi. Il loro compito è - Proteggere la membrana apicale delle cellule epiteliali - Alterare il campo elettrico e la concentrazione di ioni - Isolamento elettrico nella mielina - Riconoscimento della tossina del colera che si lega a GM1 - Adesione cellulare Nella membrana troviamo poi gli STEROLI, presenti in particolare sottoforma di colesterolo che presenta un gruppo ossidrile -OH che rappresenta la componente idrofilica. Esso è fondamentale nella composizione delle membrane plasmatiche, talvolta può anche costituire il 50% della membrana plasmatica poiché svolge un ruolo fondamentale nella fluidità di membrana. 23 I singoli fosfolipidi si muovono di continuo navigando tra gli altri e permettendo alla membrana plasmatica di deformarsi. Le teste idrofiliche del foglietto esterno sono diverse da quelle del foglietto interno. Per esempio, la fosfatidilserina in una cellula integra si trova solo verso il citosol e viene esposta all’esterno quando la cellula muore. Affinché la membrana possa svolgere la sua funzione e affinché le proteine di membrana possano muoversi essa deve avere il giusto grado di fluidità. I fattori che influenzano tale fattore sono: - La lunghezza delle catene carboniose - La presenza di doppi legami - Temperatura (esiste una temperatura di fusione al di sopra della quale il doppio strato fosfolipidico è allo stato fluido mentre al di sotto i fosfolipidi di membrana vanno incontro a gelificazione) - La presenza di colesterolo (all’aumentare della temperatura la regione rigida e planare degli steroidi ostacola il movimento reciproco dei fosfolipidi; al diminuire della temperatura la stessa regione impedisce le interazioni fra le code idrofobiche degli acidi grassi; si può assumere che il colesterolo si comporti come un tampone di fluidità) Fluidità: misura la facilità di scorrimento; viscosità: misura della resistenza allo scorrimento. Non solo membrane diverse possiedono lipidi diversi ma possono differire anche tra gli strati della stessa cellula. Associati alla componente lipidica ci sono glucidi → glicolipidi per proteggere i lipidi da agenti esterni e per dare identità alle cellule. La componente glucidica si trova sempre localizzata sul versante esterno della cellula. La cardiolipina è un impermeabilizzante presente a livello mitocondriale. Le zone lipidiche RAFT sono dei microdomini della membrana meno fluidi per l’elevato contenuto di colesterolo e glicosfingolipidi con acidi grassi a lunga catena saturi. Questi microdomini sono strutturalmente separabili dal resto della membrana e possono formare - Raft non invaginati → trasduzione del segnale - Claveole → invaginazioni della membrana → trasduzione del segnale 17/10/23 La specificità funzionale (adesione intercellulare, trasporto attivo, riconoscimento e ricezione di segnali di varia natura) della membrana dei diversi distretti cellulari è assicurata dalla componente PROTEICA. Tutte le membrane, incluse quella plasmatica, si originano a livello del RER; è qui che le proteine di membrana vengono sintetizzate e associate. Per capire come questo avviene bisogna prima capire come la destinazione finale delle proteine viene determinata. Le proteine vengono sintetizzate utilizzando le informazioni degli RNA messaggeri sia a livello dei ribosomi liberi che si trovano nel citoplasma sia a livello dei ribosomi associati a membrane (RE). La destinazione di tali proteine è differente a seconda di dove sono state prodotte. L’esatta destinazione delle proteine dipende da una sequenza terminale che viene riconosciuta e poi staccata quando la proteina è stata trasportata alla sua destinazione. - Ribosomi liberi, producono proteine destinate al citoplasma, al nucleo, ai mitocondri, ai perossisomi - I ribosomi del RE producono proteine di membrane o proteine secretorie La componente proteica si inserisce nella lipidica ad attraversare la membrana oppure si possono trovare sulla superficie della membrana. 24  - Proteine intrinseche o integrali: attraversano la membrana ed hanno una regione altamente idrofobica per poter stare a contatto con le code apolari. - Proteine estrinseche o periferiche - Proteine ancorate ai lipidi con legami covalenti La componente proteica della membrana è articolata: alcune proteine sono rivolte verso l’interno, altre verso l’esterno e altre ancora riescono ad attraversare la membrana. Proteine associate a membrana: - Proteina integrale (a) - Proteina monopasso, attraversa la membrana solo una volta (b) - Proteina multipasso, attraversa la membrana più volte (c) - Proteine integrali di membrana associate a fosfolipidi sezione della membrana di un globulo rosso ci sono proteine che creano un poro acquoso che permettono il passaggio di sostanze. Sulla superficie esterna troviamo anche delle glicoproteine → permettono la tipizzazione degli individui in base ai gruppi sanguigni A, B, 0, AB. L’appartenenza a uno dei gruppi sanguigni dipende dalla catena oligosaccaridica che si trova sui glicolipidi. Sul versante interno della cellula troviamo altre proteine associate alla membrana che non entrano direttamente a contatto con i lipidi ma sono a loro volta associate ad altre proteine → importanti per la forma e l’elasticità. 25 La maggior parte delle proteine intrinseche può muoversi in orizzontale liberamente scorrendo dentro la membrana. Sulla superficie, in particolare quella esterna, della membrana si trovano anche GLUCIDI per lo più legati ai lipidi (glicolipidi) o alle proteine (glicoproteine) → il complesso di catene glucidiche costituisce il GLICOCALICE necessario come segnale di identità della cellula o per reagire con sostanze dello spazio extracellulare. Alcune proteine hanno il compito di fungere da vettori → proteina dimerica che realizza un canale attraverso il quale possono passare molecole provviste di carica, gli ioni. Non si legano ad alcuna molecola, permettono solo un passaggio fisico secondo un gradiente di concentrazione. I connettori sono proteine che possono essere rivolte all’interno o all’esterno della cellula per ancorarla all’ECM o al citoscheletro. I recettori possono captare uno stimolo sulla superficie esterna così che poi le informazioni possano entrare nella cellula senza che il messaggero entri direttamente all’interno. Anche gli enzimi sono associati al doppio strato fosfolipidico. Il doppio strato fosfolipidico è una barriera, impedisce il libero passaggio di molecole all’interno della cellula. Le molecole possono però attraversare le superfici membranose in modo passivo o attivo. È possibile realizzare in laboratorio membrane artificiali che dividono il recipiente in due parti. Si mette il soluto da una parte e si vede in quanto tempo la molecola riesce a passare il doppio strato: ci sono alcune piccole molecole provviste di carica che hanno un tempo di attraversamento di giorni, settimane o mesi. Alcune molecole come l’acqua attraversano velocemente lo strato mentre altre come il glucosio, l’urea seppur polari fanno fatica a passare. La diffusione attraverso la membrana può avvenire: - Passivamente → diffusione o Semplice o Dell’acqua o Facilitata - Attivamente → trasporto attivo Più le molecole sono idrofobiche più facilmente attraversano lo strato. 26 Le cellule dei tessuti sono circondate dal liquido extracellulare che è molto diverso per composizione e concentrazione di soluti rispetto al citoplasma. Le molecole che possono attraversare i doppi strati fosfolipidici senza bisogno di carrier si muovono secondo gradiente di concentrazione. Le molecole si spostano dalla regione in cui sono più concentrare alla regione in cui sono meno concentrate. Dove le molecole sono più concentrate il sistema ha maggiore energia potenziale (capacità di un sistema di compiere lavoro). Le molecole spontaneamente fluiscono da dove hanno maggiore energia potenziale a dove è minore → il sistema azzera l’energia potenziale e diventa cinetica. Quando le molecole si spostano secondo gradiente di concentrazione senza aiuto di altre molecole siamo difronte al processo di diffusione semplice. Questo passaggio è effettuato da molecole piccole e apolari quindi liposolubili e idrofobiche che diffondono molto velocemente. Al diminuire dell’affinità con i lipidi e all’aumentare della dimensione rallenta la velocità di diffusione. Gli ormoni sessuali, per esempio (steroidi quindi grandi molecole affini al colesterolo) impiegano ore per penetrare in altre cellule mentre gli ioni diffondono così lentamente che per la maggior parte dei processi si può considerare che la membrana sia non permeabile a queste molecole. La presenza di proteine associate a membrana fa sì che il passaggio di sostanze da e per la cellula sia regolato secondo diffusione facilitata, trasporto attivo, endo-eso citosi, captazione o endocitosi mediata da recettori. Per molecole più grandi, polari o per ioni è quindi necessaria una proteina trasportatrice che aiuta il passaggio secondo gradiente di concentrazione → diffusione facilitata. Le proteine trasportatrici possono essere: - Proteine canale → la proteina genera un canale dove le molecole non si legano alla membrana, da qui passano ioni come il K+ - Carriers → legano in modo specifico le molecole e permettono il passaggio da un’ambiente all’altro di molecole più complesse come la cisteina I canali ionici sono proteine canale che permettono il passaggio di ioni. Il glucosio per la sua natura non può attraversare spontaneamente la membrana: ha bisogno di trasportatori. Esiste una proteina che fa da trasportatore, il GLUT 1 che permette al C6H12O6 di passare secondo gradiente. I canali ionici si trovano nelle membrane di quasi tutti i tipi di cellule e realizzano un canale attraverso cui passano molecole cariche senza avere rapporto diretto con la proteina trasportatrice. Esistono canali specifici ad esempio per il Na, il Cl e il K. I canali ionici sono responsabili del passaggio dell’impulso nervoso: ogni attività del sistema nervoso, dalla percezione di uno stimolo sonoro al richiamo di una memoria precedente all’esecuzione di un movimento della mano dipende dal gioco combinato dei canali ionici che si trovano sulla membrana plasmatica. I canali passivi non cambiano la loro permeabilità mentre altri possono cambiarla in funzione di certi stimoli e sono detti ad accesso variabile. 27 Queste proteine regolano il flusso di ioni in modo specifico. La cellula mira sempre al maggior risparmio. Il passaggio di molecole può anche avvenire contro gradiente di concentrazione → serve energia e una proteina di trasporto → trasporto attivo. Esistono diversi tipi di trasporto attivo specifici per una data specie molecolare e che richiedono energia che si può ottenere accoppiando il trasporto di una molecola contro gradiente a quello di un’altra molecola che segue il suo gradiente di concentrazione. L’energia si può quindi ricavare da: - ATP → fornisce l’energia necessaria es. pompa Na++/K+ - CO-TRASPORTO → o trasporto accoppiato es. C6H12O6 – Na Pompa Na/K necessaria per mantenere le concentrazioni interne degli ioni. È di fondamentale importanza per il funzionamento neuronale. 28 La concentrazione di Na all’esterno della cellula è maggiore rispetto a quella dell’interno della cellula e viceversa per il K. Il Na tenderebbe ad entrare spontaneamente mentre il K tenderebbe ad uscire tuttavia l’interno della cellula è caricato negativamente e l’esterno è caricato positivamente. Questo è reso possibile dal continuo trasporto di Na all’esterno e di K all’interno grazie al trasporto attivo. Acidi nucleici e proteine a pH fisiologico sono carichi negativamente. Il Na più concentrato fuori è attratto dalla carica negativa interna. Quando la concentrazione di K all’intero della cellula supera un certo valore, si attiva la pompa Na/K. Nella conformazione inattiva è aperta verso l’interno. La proteina da sola non ha la forza necessaria a cambiare conformazione e a trasportare le molecole → viene sfruttato ATP. Quando la proteina è aperta verso l’esterno permette a 3 molecole di Na di uscire quando la proteina è aperta verso l’interno permette a 2 molecole di K di entrare (trasporto attivo primario antiporto). Ci sono dei casi in cui una sola proteina trasporta due specie nella sessa direzione. Trasporto - Uniporto - Simporto → ciclo di attività del cotrasporto Na+/C6H12O6 le due molecole sono veicolate contemporaneamente. - Antiporto L’endocitosi avviene quando una porzione del liquido extracellulare viene racchiusa a formare una vescicola: L’esocitosi avviene quando il contenuto di una vescicola si riversa all’esterno mediante la fusione della membrana della vescicola con quella plasmatica (meccanismo simile a quello che fa liberare ai neuroni i neurotrasmettitori): La captazione o endocitosi mediata da recettori avviene quando alcune specifiche proteine come la clatrina rivestono esternamente porzioni della membrana plasmatica specializzata (fossette rivestite). Quando tutti i recettori sono saturati dalla molecola che deve essere recuperata, la fossetta si invagina e si forma una vescicola. Questo meccanismo è molto importante nelle sinapsi e serve al neurone pre-sinaptico per recuperare il neurotrasmettitore (ricaptazione). 29  18/10/23 RECETTORI DI MEMBRANA E COMUNICAZIONE CELLULARE La comunicazione tra cellule può avvenire in quattro modi diversi: - Dipendente da contatto - Paracrina: riguarda un gruppo di cellule molto vicine tra loro, una delle cellule emett4e segnali che vengono captati ed interpretati dalle cellule circostanti - Sinaptica: le cellule comunicano tra loro attraverso molecole che passano tra due sistemi cellulari senza che ci sia un rapporto di continuità. Si realizza così la trasmissione dell’impulso nervoso - Endocrina: esiste una cellula, o un gruppo di cellule, che rilascia messaggeri nel sistema circolatorio e questi possono raggiungere così organi anche molto lontani Questi quattro meccanismi hanno in comune la capacità di inviare dei messaggi e la capacità di farli captare ad altre cellule che poi li interpreteranno. Sulla superficie delle cellule possono essere presenti decine di recettore ma una molecola segnale ne riconosce solo uno, specifico. La comunicazione cellulare è altamente specifica. Nella stimolazione endocrina ogni cellula rilascia un particolare tipo di molecola segnale (ormone) diversa l’una dall’altra e attraverso il sistema circolatorio arrivano a legarsi al recettore specifico. Nella segnalazione sinaptica alcune cellule possiedono determinazioni che possono interessare anche più di una cellula → la specificità è comunque garantita. 30 A seconda degli stimoli le cellule possono: - Sopravvivere - Dividersi - Differenziarsi - Morire per apoptosi La molecola segnale arriva al recettore specifico (proteico) e si lega ad esso in modo specifico. I recettori si trovano per la maggior parte delle volte a livello della membrana esterna. Si genera poi una reazione a cascata che possono - Alterare il metabolismo - Alterare l’espressione genica - Alterare la forma o il movimento cellulare schema generale del funzionamento della comunicazione intercellulare  31