Citologia PDF - Introduzione Alle Cellule Eucariotiche

LEZIONE 1: Introduzione alla cellula eucariotica Le cellule Essere vivente: entità soggetta alle leggi del mondo fisico Esiste una relazione tra dimensione della cellula e la sua ed al controllo da parte dei sistemi che esprimono superficie. Al di sop...

LEZIONE 1: Introduzione alla cellula eucariotica Le cellule Essere vivente: entità soggetta alle leggi del mondo fisico Esiste una relazione tra dimensione della cellula e la sua ed al controllo da parte dei sistemi che esprimono superficie. Al di sopra di un certo volume, la superficie l’informazione in esso contenuta. In ogni momento della della sfera non sarà abbastanza estesa da permetterne la sua esistenza un essere vivente è organizzato, mantiene sopravvivenza. Ecco perché le cellule non possono essere un ambiente interno costante, risponde a stimoli, è più grandi di una certa dimensione. adattato al suo ambiente e, anche se in un certo momento Le cellule sono piccole perché un elevato rapporto area un organismo può non essere nella fase di riproduzione, superficiale-volume è essenziale: accrescimento e sviluppo ne mantiene pur sempre la La superficie cellulare limita la quantità di risorse e capacità potenziale. prodotti di scarto che possono attraversare il confine cellule per unità di tempo. Caratteristiche comuni a tutti gli esseri viventi: Il volume determina la quantità di attività chimica nella - Struttura complessa e organizzata cellula per unità di tempo. Cellule più grandi hanno - Presenza di programma genetico una maggiore attività chimica. - Capacità di riprodursi, accrescersi e svilupparsi - Metabolismo prop rio Riprodursi velocemente significa riuscire ad adattarsi più - Capacità di interagire con l’ambiente esterno e di velocemente all’ambiente in cui si vive. auto-regolarsi (omeostasi) - Capacità di adattamento evolutivo I virus possiedono tutte queste caratteristiche al di fuori di Risoluzione e microscopi un proprio metabolismo. I virus e i batteriofagi sono privi La maggior parte delle cellule ha una dimensione < 200 di nucleo, membrana plasmatica e parete cellulare. μm. Per poterle vedere usiamo i microscopi. Ingrandimento: aumento delle dimensioni apparenti. Cellula: unità strutturale e funzionale degli esseri viventi Rapporto tra la misura apparente (o la dimensione in (prima teoria unificata in Biologia sec XIX). un'immagine) e la misura reale di un oggetto. Teoria Cellulare: Risoluzione: qualità dell’immagine. Distanza minima alla Tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o più quale due punti possono essere nitidamente distinti. cellule; Risoluzione dell’occhio umano: ~ 0.2 mm (200 mm) Le reazioni chimiche di un organismo vivente, compresi i meccanismi di liberazione dell’energia e le reazioni di biosintesi, hanno luogo dentro le cellule; Le cellule si originano da altre cellule; Le cellule contengono le informazioni ereditarie degli Due tipi principali di microscopio: organismi di cui fanno parte e queste informazioni Microscopio ottico: utilizza lenti di vetro e sorgente passano dalla cellula madre alla cellula figlia. di luce visibile (fotoni). Presenta due viti: quella macrometrica, che serve per allontanare o avvicinare il tubo portalenti al vetrino per la messa a fuoco, e Dimensioni e unità di misura 1 cm = 10 m à centi quella micrometrica che consente movimenti più fini 1 mm = 10 m à milli per regolare la messa a fuoco. 1 µm = 10 m à micro à permette di osservare cellule viventi con strutture 1 nm= 10 m à nano interne in costante movimento. 1 Å = 10 m à Ångstrom Risoluzione = 0.2 μm (max ~ 1000x) 1 pm = 10 m à pico Appunti di Chiara Ceriani  Microscopio elettronico: utilizza un condensatore Procarioti Eucarioti elettromagnetico come lente e un fascio di elettroni Animali Vegetali come sorgente di luce. Dimensioni 0,2 – 2 µm 5 – 50 µm à permette di osservare solo cellule morte. Membrana ✅ ✅ Risoluzione = 0.1 nm (max ~ 1.000.000x) plasmatica Ribosomi ✅ ✅ Flagelli con ✅ ✅ assonema Nucleo ❌ ✅ Involucro ❌ ✅ nucleare MICROSCOPIA IN MICROSCOPIA A Organelli CAMPO CHIARO CONTRASTO DI FASE delimitati da ❌ ✅ La luce passa Il contrasto viene membrana direttamente attraverso aumentato enfatizzando Citoscheletro ❌ ✅ le cellule e, a meno che le differenze di indice di non vi siano pigmenti rifrazione (la capacità di Vacuoli ❌ ✅ naturali, vi è poco deviare la luce), esaltando Mitosi con contrasto e i dettagli non così le regioni chiare e cromosomi e ❌ ✅ vengono distinti. scure della cellula. fuso Riproduzione ❌ ✅ sessuata Cloroplasti ❌ ❌ ✅ Parete cellulare ✅ ❌ ✅ Lisosomi ❌ ✅ ❌ Mesosomi ✅ ❌ MICROSCOPIA A MICROSCOPIA FLUORESCENZA CONFOCALE Membrana plasmatica Una sostanza naturale Si basa sull’emissione Tutte le cellule sono avvolte dalla membrana plasmatica, all’interno delle cellule o un in fluorescenza ma la quale rappresenta la superficie esterna della cellula. La colorante fluorescente che sfrutta un sistema di sua struttura è simile in tutte le cellule. si lega uno specifico focalizzazione sia della luce eccitante sia di I fosfolipidi formano un doppio strato (bilayer) con code componente cellulare viene citato da un raggio di luce quella emessa. non polari e idrofobi verso l’interno della membrana, teste viene osservata la luce Il risultato è polari verso l’interno ed esterno della cellula. fluorescente emessa una un'immagine Modello a “mosaico fluido”: lunghezza d’onda superiore bidimensionale più proveniente direttamente nitida. Composizione Funzione dal colorante. LIPIDI Fosfolipidi Struttura e fluidità 60% Colesterolo PROTEINE Trasportatrici/ Scambio di ioni e 30 % canale soluti recettori Risposta ai segnali CARBOIDRATI Glicoproteine Riconoscimento e 10% Glicolipidi interazione tra (glicocalice) cellule Regola il trasporto dei nutrienti e altre molecole dentro/fuori la cellula (barriera selettiva) Regola la stabilità chimico-fisica dell’ambiente intracellulare (omeostasi) Procarioti ed eucarioti È il sito di importanti reazioni chimiche che 2 domini della vita (per un totale di 6 regni): generalmente non possono avvenire in soluzione - Procarioti (batteri, archei) (metabolismo) - Eucarioti (animali, piante, funghi, protozoi) Registra e trasforma i segnali provenienti dall’ambiente extracellulare (comunicazione) Negli organismi multicellulari, regola le interazioni tra cellule e tra cellula e matrice extracellulare (interazione) * + fluidità = + temperatura, - proteine, acidi grassi insaturi - fluidità = - temperatura, + proteine, acidi grassi saturi Appunti di Chiara Ceriani  PROCARIOTI Frazionamento cellulare: basilare per lo studio della composizione molecolare di cellule, tessuti o organi specifici. Consiste nell’ottenere frazioni definite di “arricchimento” di particolari componenti cellulari, ad esempio: à frazione citoplasmatica o solubile; à frazione di membrane plasmatiche; à frazione microsomiale; à frazione mitocondriale; à nuclei. Il frazionamento cellulare utilizza metodi biochimici per separare gli organelli in base alla dimensione o alla Non hanno compartimenti interni delimitati da densità̀. membrane. La prima cellula originatasi sulla terra probabilmente era procariotica. Organismi unicellulari ma spesso formano “catenelle” (chains) o “grappoli” (clusters). Dimensioni molto piccole (tipicamente < 10 mm) Successo evolutivo; enorme diversità di specie nei due domini. Assenza di nucleo. Il DNA è localizzato in una regione chiamata nucleoide. Assenza di organelli cellulari. Il citoplasma è composto dal citosol (componente liquida) più̀ filamenti e La centrifugazione è un metodo di separazione che particelle (es. ribosomi). consente di separare due sostanze di un miscuglio La maggior parte dei procarioti possiede una parete eterogeneo per mezzo della forza centrifuga (si parla di cellulare rigida esterna alla membrana plasmatica. migliaia di giri al minuto). Ciò permette di velocizzare il La parete cellulare batterica contiene peptidoglicano. processo di sedimentazione del nostro campione. Le Alcuni batteri hanno una membrana esterna componenti si ordinano in base alla loro densità. aggiuntiva. La forza centrifuga relativa è un numero che ci dice quante Alcuni batteri hanno una capsula “mucosa” di volte la velocità da noi applicata è superiore alla forza di polisaccaridi. gravità. Alcuni procarioti si muovono grazie ai flagelli, costituiti dalla proteina flagellina. Alcuni batteri hanno i pili – filamenti molto sottili che sporgono dalla superficie del batterio. Vengono utilizzati per trasferire materiale genetico tra cellule batteriche (v. coniugazione batterica) Le fimbrie sono più corte dei pili: aiutano la cellula batterica ad aderire sulla superficie di altre cellule (es. cellule animali). EUCARIOTI Gli eucarioti appartengono al Dominio Eukarya. Le cellule eucariotiche sono in genere molto più grandi (> 10 volte) di quelle procariotiche. Il DNA si trova in un compartimento delimitato da membrane chiamato nucleo (eu-karion in greco significa «vero nucleo»). La maggior parte delle attività della cellula vengono svolte in strutture compartimentalizzate delimitate da membrane chiamate organelli. Ogni organello svolge un ruolo specifico nel funzionamento della cellula. Per determinarne la funzione, questi furono studiati prima con la microscopia ottica e successivamente con la microscopia elettronica. La compartimentalizzazione ha permesso alle cellule eucariotiche di specializzarsi e formare i tessuti e gli organi degli organismi pluricellulari. Appunti di Chiara Ceriani  Ribosomi: sede della sintesi proteica RER REL GOLGI Unità Cisterne Tubuli Vescicole Particelle ribonucleoproteiche costituite da RNA strutturale ribosomiale (rRNA) e oltre 50 differenti proteine. Sede Citoplasmatica, Citoplasmatica Citoplasmatica Sia in cellula procariotica ✅ sia in eucariotica ✅, ma: perinucleare in continuità a volte vicino a con RER RE In procarioti In eucarioti Aspetto Rugoso Liscio Vescicole à liberi in citoplasma à liberi in citoplasma (ribosomi) (NO ribosomi) appiattite à attaccati al RE (facce cis/trans) à in mitocondri e Funzioni Modifiche - Sintesi lipidi - Glicosilazione post- - Detossificazi di proteine e cloroplasti. traduzionali one farmaci lipidi delle - Depositi di - Concentrazio proteine calcio ne e - Sintesi condensazion membrane e e di enzimi proteine Reticolo endoplasmatico (RE) Nucleo: sede dell’informazione genetica, della Rete di membrane nel citoplasma; formano cisterne; replicazione e della trascrizione dell’RNA ampia superficie. Il nucleo è di solito l’organello più̀ grande nella cellula. Reticolo Reticolo endoplasmatico liscio Contiene il DNA. Endoplasmatico (REL) Nucleolo: regione del nucleo in cui inizia Rugoso (RER) l’assemblaggio dei ribosomi. RIBOSOMI su NO ribosomi. Il nucleo è circondato dall’involucro nucleare. Molti superficie. Forma più tubulare rispetto al por i nucleari controllano il movimento di molecole Le proteine RER. attraverso l’involucro nucleare. neosintetizzate Modificazioni chimiche di Per la maggior parte della vita della cellula (interfase), entrano nel lume del piccole molecole come farmaci il materiale genetico è decondensato e costituisce il RER dove vengono e pesticidi. nucleo, mentre durante la divisione della cellula il DNA modificate, ripiegate Sito della degradazione del si spiralizza, cioè si associa con proteine a formare dei in modo corretto e glicogeno nelle cellule animali lunghi filamenti chiamati cromosomi. La cromatina trasportate verso Sintesi di lipidi e steroli condensa, e i singoli cromosomi sono visibili al altri distretti della Sintesi delle membrane microscopio. cellula. cellulari Eterocromatina Eucromatina - Struttura che non altera la - Struttura non sua condensazione condensata durante durante tutto il ciclo l'interfase. cellulare. - All'interno del - Alla periferia del nucleo. nucleoplasma. Apparato di Golgi Sistema delle endomembrane Sistema di cisterne appiattite e piccole vescicole Il Sistema delle endomembrane comprende la rivestite da membrane. membrana plasmatica, l’involucro nucleare, il reticolo Riceve le proteine dal RER e successivamente le endoplasmatico, l’apparato di Golgi e i lisosomi. modifica. Piccole vescicole rivestite da membrane fanno la spola Concentra, confeziona e seleziona le proteine tra le varie componenti trasportando sostanze. Nella cellula vegetale, è deputato alla sintesi dei polisaccaridi della parete. Superficie cis: riceve le vescicole “gemmate” dal ER. Superficie trans: gemmano le vescicole e vengono trasportate verso la membrana plasmatica o altri organelli. Appunti di Chiara Ceriani  Lisosomi Forniscono una struttura per la cellula vegetale – l’acqua entra nel vacuolo mediante osmosi, creando § I lisosomi primari originano una pressione di turgore. dall’Apparato di Golgi. § Contengono enzimi digestivi che idrolizzano Citoscheletro macromolecole nei loro Sostiene la cellula e ne mantiene la forma. monomeri. Supporto per il movimento di materiale all’interno della cellula (vescicole, organelli). Le molecole di nutrienti entrano nella cellula mediante Una cornice interna mantiene la posizione degli fagocitosi e si forma un fagosoma. I fagosomi si organelli. fondono con i lisosomi primari e formano i lisosomi Interagisce con le strutture extracellulari per secondari. Gli enzimi dei lisosomi secondari idrolizzano mantenere le cellule in posizione. le molecole di nutrienti. Il citoscheletro è formato da tre componenti: I lisosomi digeriscono anche componenti della cellula (autofagia). Molte componenti (anche organelli) della cellula vengono comunemente distrutte e sostituite con delle nuove componenti. Gli organuli del sistema delle membrane interne lavorano in sinergia fino al rilascio delle sostanze all’esterno (secrezione per esocitosi). MICFROFILAMENTI MICROTUBULI FILAMENTI INTERMEDI La cellula gestisce la produzione e il consumo di energia I cloroplasti e i mitocondri producono energia tramite i Filamenti actina Lunghi Proteine fibrose in cilindri cavi di strutture robuste a processi di fotosintesi e respirazione. proteine forma di fune tubuline Cloroplasti (fotosintesi) - Forma cellula e - Movimento - Struttura cellula e Le piante e le alghe usano l’energia del Sole per produrre movimento cellule mantenimento carboidrati (glucosio) e ossigeno a partire dall’anidride - Contrazione - “Binari” per forma carbonica e dall’acqua, attraverso il processo della muscolare vescicole - Tiene insieme 2 fotosintesi. I cloroplasti catturano l’energia solare e cellule vicine producono carboidrati. Presenza di doppia membrana. Stroma: ampio spazio tra le due membrane dove Quante cellule ci sono nel corpo umano? 3 x 10 alla 13 (30 trilioni) avviene la sintesi dei carboidrati. Quanti tipi diversi di cellule ci sono nel corpo umano? 200 Membrana dei tilacoidi: in essa si trova la clorofilla che cattura la luce solare. Ciglia e flagelli 6CO2 + 6H2O à C6H12O6 + 6O2 anidride carbonica acqua glucosio ossigeno Ciglia e flagelli sono estroflessioni a forma di frusta Mitocondri (respirazione) che si trovano in alcune cellule Gli organismi eucariotici producono energia (ATP) procariotiche ed eucariotiche. attraverso il processo della respirazione cellulare, che Esse contengono microtubuli. consente di liberare l’energia immagazzinata nel glucosio Negli animali svolgono ruoli usando ossigeno. I mitocondri demoliscono i carboidrati e cruciali lungo il tratto producono ATP. respiratorio e riproduttivo. C6H12O6 + 6O2 à 6CO2 + 6H2O CIGLIA FLAGELLI glucosio ossigeno anidride carbonica acqua Struttura Assonema + corpo basale Funzione Movimento matrice Movimento extracellulare cellula Vacuolo Quantità Numerose 1 (o pochi) Le piante e i protozoi hanno i vacuoli: Lunghezza 2 – 10 µm 10 – 200 µm Immagazzinano materiale di rifiuto e composti tossici. Movimento Battito coordinato 1 – 2 µm Possono venire utilizzati come deterrenti per gli animali erbivori. Appunti di Chiara Ceriani  Matrice extra cellulare Molte cellule animali sono circondate da una matrice extracellulare, composta da proteine fibrose come il collagene, e proteine che formano strutture gelatinose (proteoglicani) e altre proteine. Giunzioni Le cellule animali sono connesse tra loro tramite tre tipi di giunzioni: OCCLUDENTI (tight junctions) à complessi proteici à impedire il passaggio di materiale per viaparacellulare à epidermide, intestino, vescica ADERENTI (ancoranti) à microfilamenti di actina à adesione cellula-cellula à epiteli DESMOSOMI (ancoranti) à filamenti intermedi à adesione cellula-cellula à cuore EMIDESMOSOMI (ancoranti) à filamenti intermedi (metà desmosoma) à adesione cellula-membrana basale à cellule epiteliali soprattutto COMUNICANTI (gap junctions) à canali proteici (connessoni) à comunicazione del citoplasma di due cellule adiacenti; formano le sinapsi elettriche à cuore Appunti di Chiara Ceriani  LEZIONE 2: Chimica della cellula Composizione chimica della cellula formula nome formula nome CH4 metano C3H8 propano NH3 ammoniaca C4H10 butano * B, Cr, Co, Cu, F, I, Fe, H2O acqua SO2 diossido di zolfo Mn, Mo, Se, Si, Sn, V, C2H6 etano Zn Fe: importante per il sangue poiché permette all’emoglobina di legare l’ossigeno. Macromolecole biologiche L’acqua L’acqua è un liquido a temperatura ambiente. Ogni parte di ogni organismo contiene acqua allo stato liquido che discioglie e disperde ogni altro componente. Qualsiasi cellula costituente un organismo contiene acqua al suo interno (in citosol) ed è immersa a sua volta in un I viventi sono in grado di «auto costruirsi», cioè di «velo» d'acqua (matrice extracellulare). incorporare alcune sostanze prelevate dal loro ambiente e Le sue eccezionali proprietà sono legate alla sua polarità trasformarle in altre che vanno a costituire il loro stesso elettrica e alla possibilità di formare legami a idrogeno organismo. Tutto ciò avviene grazie a un articolato sistema intermolecolari, rendendo possibili tutte le interazioni di reazioni chimiche che coinvolgono molecole complesse. biologiche. Si tratta delle macromolecole, o biomolecole. Nei viventi, sostanze e ioni sono disciolti in acqua Macromolecole: polimeri con peso molecolare 1,000. (soluzioni) grazie a forze intermolecolari, tra cui i legami a I polimeri sono composti da macromolecole che, a loro idrogeno e le interazioni ione-dipolo. L'acqua, pertanto, è volta, sono costituite da unità di ripetizione, ripetute per definito il solvente ideale, ambiente di reazione dei un numero altissimo di volte. I monomeri sono le sostanze processi chimici delle cellule. da cui si ottengono polimeri. Ecco alcune molecole che si trovano in soluzione acquosa La funzione delle macromolecole dipende dalle proprietà e che svolgono ruoli di primo piano nei processi vitali: dei gruppi funzionali che contengono. glucosio, amminoacidi e nucleotidi Gruppi funzionali: gruppi di atomi con proprietà à disciolti in acqua grazie a legami a idrogeno; chimiche specifiche e comportamento consistente. ioni come Na+, K+, Ca2+, HCO5, HPO Una singola macromolecola può̀ contenere molti gruppi à interazioni ione-dipolo con l'acqua; funzionali diversi. gas come O, e CO à interazioni dipolo-dipolo indotto con le Molecole che costituiscono gli esseri viventi: molecole d'acqua. Carboidrati: monomeri di zuccheri (monosaccaridi) Ha un’elevata stabilità chimica, un elevato punto di Lipidi: legami non covalenti formano interazioni ebollizione e un’importante funzione termoregolatrice tra i monomeri lipidici. resa possibile dalla sua elevata capacità termica; è grazie Acidi Nucleici: quattro tipi di monomeri nucleotidici. quindi alla propria acqua che gli organismi viventi riescono Proteine: combinazione di 20 aminoacidi a sostenere innalzamenti o abbassamenti della temperatura esterna senza che avvengano pericolose variazioni termiche al loro interno. Possiede proprietà fisiche interessanti per la termostatazione dell'ambiente, dato che una notevole quantità di calore è coinvolta nei passaggi di stato. Appunti di Chiara Ceriani Composizione della materia biologica: MONOSACCA MONOSACCARI MONOSACCARIDI ESOSI 96% à carbonio (C), idrogeno (H), ossigeno (O), azoto (N). RIDI TRIOSI DI PENTOSI 4% à fosforo (P), zolfo (S), sodio (Na), potassio (K), calcio A 3 atomi di A 5 atomi di A 6 atomi di carbonio (Ca), cloro (CI). carbonio carbonio Gliceraldeide Ribosio Glucosio (C6H1206) à 0,01 % à atomi detti oligoelementi (C3H6O3) à (C5H10C5) à ALDEIDE (aldoesoso) Gli atomi di questi elementi compongono: ALDEIDE ALDEIDE Fruttosio (C6H1206) à - sia composti inorganici (ACQUA e SALI, per la maggior (aldoesoso) Deossiribosio CHETONE (chetoso) parte dissociati in ioni e disciolti in acqua); (C5H10C4) à Galattosio (C6H1206) à - sia composti organici o biomolecole (CARBOIDRATI, ALDEIDE ALDEIDE (aldoesoso) LIPIDI, PROTEINE e ACIDI NUCLEICI) Isomeria: fenomeno per il quale due o più Ioni composti Ioni: specie chimiche disciolte in acqua che favoriscono le (detti isomeri) hanno reazioni biologiche (ogni liquido biologico risulta neutro la stessa formula poiché le cariche positive e negative di tutti gli ioni si molecolare ma bilanciano). diversa formula di IONI SODIO (Na+) e POTASSIO (K+): trasmissione struttura; è il caso di di impulso nervoso in tutti neuroni. galattosio e fruttosio IONI CALCIO (Ca2+): contrazione muscolare e che sono isomeri del componenti di sali solidi (fosfato di calcio delle glucosio. ossa e carbonato di calcio delle conchiglie dei molluschi) che danno robustezza e sostegno a 2) disaccaridi: polimeri formati dalla condensazione di molti animali. due monosaccaridi uniti da legami covalenti. IONI FERRO (Fe2+, Fe3+): componenti A tenere uniti due monomeri è il legame glicosidico, in cui dell'emoglobina dei globuli rossi, proteina che un atomo di ossigeno fa da ponte fra il carbonio in trasporta ossigeno nel sangue. posizione 1 di un monosaccaride e quello in posizione 4 IONI MAGNESIO (Mg+): reazioni che avvengono (legame 1-4 glicosidico) oppure in posizione 6 (legame 1-6 nelle cellule e componenti della clorofilla, glicosidico) del secondo. Il risultato più semplice è la molecola che permette la fotosintesi nelle parti formazione dei disaccaridi, costituiti da due sole unità di verdi delle piante. monomero. IONI IDROGENOFOSFATO (HPO-): tutti i processi SACCAROSIO (comune zucchero alimentare): energetici delle cellule e, uniti agli ioni calcio, condensazione di glucosio + fruttosio; formano matrice solida delle ossa. LATTOSIO: condensazione di glucosio + galattosio; (alcuni IONI IDROGENOCARBONATO (HCO ): si formano individui non digriscono il latte perché privi dell’enzima quando il diossido di carbonio (CO ) si scioglie e lattasi, che scinde il lattosio). reagisce con l'acqua. Si tratta di reazioni che MALTOSIO: condensazione di glucosio + glucosio. mantengono l'acidità delle cellule dei viventi nei limiti vitali. Carboidrati Þ POLIMERI DI CARBONIO, IDROGENO E OSSIGENO (+ AZOTO IN CHITINA) oligosaccaridi: da 3 a 20 monosaccaridi. Þ LEGAMI GLICOSIDICI Gli oligosaccaridi possono includere altri gruppi funzionali. Þ IDROFILI (per gruppi ossidrili -OH) Þ 4 kcal/g Spesso sono legati covalentemente: Þ funzione: ENERGETICA, DI RISERVA, DI STRUTTURA à a proteine (glicoproteine, proteoglicani) à a lipidi (glicolipidi) sulla superficie della cellula dove 1. monosaccaridi: sostanze solide cristalline costituite agiscono come recettori di segnali o componenti della da carbonio, idrogeno e ossigeno. matrice extracellulare. formula generale: CnH2n0n I gruppi sanguigni devono la loro specificità alle catene di gruppi funzionali caratteristici: più gruppi ossidrile (–OH) e oligosaccaridi. un gruppo carbonile (C=0). Gliceraldeide e diidrossiacetone sono gli zuccheri più piccoli e differiscono per la posizione del gruppo carbonile: 3) polisaccaridi: tante unità monomeriche di glucosio - gliceraldeide lo presenta sul carbonio primario (ALDEIDE) legate tra loro da legami glicosidici. - diidrossiacetone sul carbonio secondario (CHETONE). Appunti di Chiara Ceriani  Polisaccaridi animali Polisaccaridi vegetali Polimerizzazione dei à di riserva (GLICOGENO) à di riserva (AMIDO) carboidrati à di struttura (CHITINA à di struttura (CELLULOSA) - condensazione Questi sono polimeri del glucosio. - idrolisi à per condensazione di glucosio ottengo tre polimeri; à per idrolisi di tre polimeri ottengo glucosio. Questi tre polisaccaridi si differenziano in base al modo in cui le loro unità di monomero sono legate fra loro. Ciascun Legame α o β-glicosidico polisaccaride viene prodotto con una specifica reazione di Il legame può essere in forma lineare o ciclica (anello), la condensazione catalizzata da un proprio enzima. più comune e più stabile. Gli anelli esistono come α- o β-glucosio. Ø GLICOGENO: polisaccaride sintetizzato da Possiamo distinguere due legami in base alla direzione di fegato e da cellule muscolari di vertebrati. uscita del legame dal piano della molecola rispetto al Funzione: riserva di glucosio per l'organismo, che lo scinde sostituente del carbonio che nello zucchero ne determina quando è necessario. la stereoisomeria (D o L). Grazie alle sue ramificazioni facilmente idrolizzabili, il Nel ribosio o desossiribosio il carbonio in questione è glicogeno viene assorbito dal torrente circolatorio, quello in posizione 5, per gli altri zuccheri è il penultimo a trasportato alle cellule e metabolizzato per produrre partire dalla funzionalità carbonilica; il sostituente in uno energia ATP. zucchero non modificato è un ossidrile (-OH). - Legame α 1-4: AMIDO e GLICOGENO Ø CHITINA: amminozucchero con struttura simile a legame sul piano opposto rispetto all'-OH cellulosa, fatta eccezione che i suoi monomeri - Legame β 1-4: CELLULOSA possiedono anche atomi di azoto. legame sullo stesso piano. Funzione: resistenza e impermeabilità. Inoltre costituisce esoscheletro di insetti e artropodi, rivestimenti di alcuni invertebrati e pareti cellulari dei funghi. Ø AMIDO (catene che derivano da condensazione di anomero a del glucosio) Funzione: riserva delle piante che all'occorrenza vengono idrolizzati fornendo glucosio per la respirazione cellulare. Esistono due diversi tipi di amidi: AMILOSIO (struttura lineare) à costituito da macromolecole con migliaia di unità di glucosio unite da un legame 1,4-glicosidico; Dal punto di vista energetico, i à catene continue e non ramificate. vari zuccheri si corrispondono AMILOPECTINA (struttura compatta e ramificata) ma si differenziano a livello di Gli enzimi riversati nell'apparato digerente idrolizzano gli dolcezza. aidi producendo dapprima oligosaccaridi, poi maltosio e Aspartame = infine glucosio. Il glucosio si immette nel sangue destinato acido aspartico + fenilalanina al fegato, che lo elabora producendo glicogeno. Saccarina = 1,2-benzenisotiazolin-3-one-1,1- * amidi contenuti nei SEMI DI CEREALI (frumento, mais, diossido riso). Ø CELLULOSA (catene che derivano da condensazione di anomero b del glucosio). Essa forma fasci di fibre che costituiscono le pareti cellulari e le strutture di sostegno nelle piante. Lipidi Þ POLIMERI DI CARBONIO, IDROGENO E OSSIGENO Gli enzimi digestivi prodotti dall'uomo non riescono a (+ FOSFORO IN FOSFOLIPIDI) scindere i legami B-glicosidici e pertanto la cellulosa, non Non sono polimeri in senso stretto perché non essendo digeribile, non ha funzione energetica (nei uniti da legami covalenti. ruminanti sì invece); nell’uomo favorisce però la Þ LEGAMI ESTERI digestione, il transito di cibo nell'intestino e la salute della Þ IDROFOBI (tranne fosfolipidi con testa idrofila) ma nostra flora intestinale (batteri utili alla digestione e alla solubili in solventi (etere, acetone, idrocarburi) produzione di vitamine). Þ 9 kcal/g Þ funzione: ENERGETICA (deposito in cellule *cellulosa contenuta in FARINE INTEGRALI e VERDURE adipose) Appunti di Chiara Ceriani  Ø TRIGLICERIDI O ACIDI GRASSI esteri ottenuti Le proteine delle membrane, insolubili in acqua, possono dalla condensazione di: essere solubilizzate, trattando con detergenti le GLICEROLO + 3 ACIDI GRASSI membrane. alcol con tre atomi di acidi carbossilici a carbonio e tre gruppi catena lunga e ossidrili, -OH lineare Ø FOSFOLIPIDI ottenuti dalla condensazione di: Funzione: immagazzinare energia. GLICEROLO + 2 ACIDI GRASSI + 1 GRUPPO FOSFATO alcol con tre atomi acidi carbossilici a idrofilo perché ha carica La reazione di condensazione avviene su ciascuna catena di carbonio e tre catena lunga e negativa con cui può di acido grasso che, tramite il gruppo carbossile, si lega gruppi ossidrili, -OH lineare stabilire un'interazione all’ossidrile del glicerolo. Il risultato finale è un legame ione-dipolo con l'acqua estere con la formazione di tre molecole d’acqua. Funzione: ruolo strutturale nelle membrane cellulari. Ogni molecola di fosfolipide è costituita da una parte idrofila (il gruppo fosfato, detto «testa») e due catene idrofobe (le «code»). Ciò li rende adatti a costituire le membrane di tutte le cellule: essi si dispongono spontaneamente formando uno doppio strato molecolare nel quale le code di uno strato sono rivolte verso le code GRASSI SATURI GRASSI INSATURI del secondo strato, mentre le teste sono rivolte all'esterno à origine animale (carni e à origine vegetale, liquidi a dello strato, verso l'interno (citosol) e verso l'esterno della latticini), solidi a temperatura ambiente detti cellula. temperatura ambiente oli (oliva, frutta secca, semi (grasso della carne e burro); oleosi) o nel pesce (salmone); Terzo legame usato per legare un gruppo fosfato, il quale à dannosi poiché si à fanno bene alla salute viene poi ulteriormente legato ad una testa polare. Vi sono depositano lungo le pareti (omega 3 nel pesce); vari tipi di fosfolipidi nelle nostre membrane che delle arterie coronarie del essenzialmente differiscono per la molecola legata alla cuore con il rischio di ostruire testa polare. il passaggio del sangue (infarto); à legami covalenti saturi à legami covalenti insaturi SEMPLICI tra catene DOPPI tra catene idrocarburiche. idrocarburiche. I carboni sono tutti saturati Alcuni carboni sono tenuti con idrogeno. insieme da un doppio legame e non da uno singolo e pertanto non sono tutti saturati con idrogeno. Nell’alimentazione umana, pochissimi acidi grassi (acidi In acqua i fosfolipidi linoleico e linolenico) sono detti essenziali, poiché vanno tendono a formare assunti con la dieta, in quanto l’organismo non riesce a una membrana il cui sintetizzarli. strato periferico è composto dalle teste polari. Si tratta di acidi monocarbossilici alifatici, cioè composti Ø STEROIDI struttura di quattro anelli di atomi di da molecole lineari, e non aromatici, cioè composti da carbonio, in particolare: molecole cicliche. 3 ANELLI ESAGONALI BENZENICI + 1 ANELLO PENTAGONALE Sono inoltre anfipatici per le loro proprietà chimiche opposte: l’estremità dove il gruppo carbossilico ionizza e Gli steroidi comprendono colesterolo e ormoni steroidei. forma COO- è fortemente idrofila, l’altra è idrofobica. COLESTEROLO: costituisce le membrane cellulari Gli acidi grassi sono presenti nei saponi. disponendosi fra le code idrofobiche dei fosfolipidi: Acidi grassi in acqua à MICELLA à HDL (High-Density Lipoprotein) colesterolo buono che protegge da malattie aterosclerotiche. Le code non polari degli acidi grassi à LDL (Low-Density Lipoprotein) colesterolo cattivo che sono dirette verso l’interno, dove può portare a gravi rischi per salute, come eventi interagiscono con l’acqua circostante. cardiovascolari. Appunti di Chiara Ceriani ORMONI STEROIDEI: regolano funzioni corporee a lungo Grasso animale: isolamento termico. termine: Rivestimento lipidico intorno ai nervi garantisce à aldosterone, regola corticale del surrene, cioè funzione isolamento elettrico. del rene; Oli e cere sulla pelle, pelliccia e piume respinge à testosterone, regola produzione spermatozoi in l’acqua. testicoli; à estradiolo e progesterone, regolano ciclo mestruale Proteine STEROLI: classe di composti chimici derivati dallo sterolo, Þ POLIMERI DI CARBONIO, IDROGENO, composto policiclico formato da quattro anelli condensati OSSIGENO E AZOTO (tre a sei atomi di carbonio e uno a cinque atomi di Þ Polimeri di tante unità monomeriche dette carbonio). Presentano una caratteristica funzione alcolica AMMINOACIDI Þ LEGAMI PEPTIDICI in posizione tre sull'anello A, una catena ramificata sul C17 Þ IDROFOBE dell'anello D e rappresentano i precursori degli steroidi. Sono lipidi anfipatici (a struttura idrofoba ma con una Amminoacidi: piccole molecole costituite da un atomo estremità idrofila costituita dal gruppo -OH). di CARBONIO centrale legato a un GRUPPO AMMINICO (- Gli steroidi sono dei derivati ossidati degli steroli: NH2), un GRUPPO CARBOSSILICO (-COOH), un atomo di possiedono il nucleo sterolico (composto da quattro anelli IDROGENO (-H) e una CATENA LATERALE formata da uno fusi, tre a sei atomi e uno a cinque), ma non la catena o più atomi e indicata con (-R). (La catena laterale può alchilica. essere sia idrofoba che idrofila). Gli amminoacidi funzionano sia come acidi che come basi. Ø CERE esteri ottenuti dalla condensazione di: Esistono 20 tipi di 1 GRUPPO OSSIDRILE + 1 ACIDO GRASSO amminoacidi, che si alcol monovalente, acido carbossilico a R -OH differenziano fra loro in base catena lunga e lineare alla struttura della catena (+ formazione di un legame estere) laterale -R in cui può essere Funzione: protettiva e impermeabilizzante; per esempio, presente anche lo zolfo (S). nelle piante difendono le foglie e i frutti dalla disidratazione. Alcuni sono definiti essenziali, in quanto è indispensabile assumerli con gli alimenti, in quanto il nostro organismo *cere animali (CERA D’API in alveari o LANOLINA nel mantello delle pecore). non riesce a sintetizzarli a partire da altre molecole. Escludendo la glicina, la cui catena laterale è costituita da un singolo atomo di idrogeno (–R coincide con -H), in tutti gli altri amminoacidi il carbonio centrale forma legami con Ø VITAMINE LIPOSOLUBILI sostanze organiche quattro sostituenti diversi. Ne consegue la formazione di necessarie al metabolismo e che devono essere due enantiomeri distinti con struttura speculare. Per introdotte mediante il cibo, in quanto l'organismo non riesce a sintetizzarle. convenzione, di distingue tra: D-amminoacidi: gruppo amminico -NH2 a destra Le vitamine D, A, N, K, E sono liposolubili, perciò insolubili dell'atomo di carbonio; in acqua e devono essere veicolate nell'organismo mediante i lipidi: L-amminoacidi: gruppo amminico -NH2 a sinistra; in natura tutte le proteine sono costituite soltanto da L- - Vitamina D o colecalciferolo (in animali e su pelle umana amminoacidi. per azione delle radiazioni ultraviolette); à regola l'assorbimento intestinale di Ca2+ e di P e i Condensazione tra 2 amminoacidi = PROTEINA + processi di mineralizzazione delle ossa. formazione LEGAME PEPTIDICO (ammidico) + liberazione - Vitamina A o retinolo (in animali e come precursore B- di 1 H2O carotene in vegetali, dal quale può essere sintetizzata); à vitamina A + proteina opsina = rodopsina, responsabile del comportamento fotosensibile dei recettori della luce. - Vitamina K (in organismi vegetali, ma sintetizzata anche dai batteri simbionti dell'intestino); Dopo che due monomeri hanno reagito, rimangono libere à promuove sintesi di protrombina, una proteina le estremità con i gruppi carbossilico (-COOH) e amminico responsabile della coagulazione del sangue. (-NH2), che possono a loro volta reagire con altri - Vitamina E (in grassi di origine vegetale); amminoacidi, fino a completare la catena. à funzione antiossidante. molecola DIPEPTIDE: unione di due amminoacidi; molecola TRIPEPTIDE: unione di tre amminoacidi; Appunti di Chiara Ceriani molecola POLIPEPTIDE: sequenza lunghissima di unità. contiene ferro, 4 gruppi EME, e trasporta ossigeno), La reazione di condensazione fra amminoacidi avviene nei (ciascuna catena polipeptidica contiene un gruppo EMEà ribosomi, gli organuli delle cellule in cui le informazioni emoglobina à globuli rossi). sulla corretta sequenza di monomeri sono fornite dal DNA. Sono costituiti da un sito attivo che accoglie il substrato. A differenza dei polisaccaridi, la proteina è un polimero non periodico, cioè composto da una serie di amminoacidi che hanno un ordine diverso e unico. 1. Struttura primaria Semplice sequenza di monomeri/amminoacidi con LEGAMI PEPTIDICI. Acidi nucleici Þ polimeri di unità monomeriche dette NUCLEOTIDI 2. Struttura secondaria Þ LEGAMI FOSFODIESTERICI Formazione di LEGAMI A IDROGENO e deformazione in Þ funzione: CONSERVAZIONE E TRASMISSIONE DI INFORMAZIONE GENETICA due strutture secondarie alternative: Þ LEGAMI FOSFODIESTERICI TRA NUCLEOTIDI con un à α-elica (1 struttura lineare): legami idrogeno tra gruppi solo gruppo fosfato che fa da ponte tra il N–H di un aminoacido a con i gruppi C=O di un aminoacido carbonio ‘5 di un nucleotide e il carbonio ‘3 del vicino. La catena è avvolta su sé stessa (es. CHERATINA). successivo. à foglietto ß pieghettato (2 strutture lineari): due o più catene peptidiche allineate; legami H si formano tra catene adiacenti (es. COLLAGENE). Il gruppo terminale -SH di cisteina può reagire con un'altra catena laterale della cisteina per formare un ponte disolfuro, o legame disolfuro (-S-S-). Questi sono importanti nel ripiegamento delle proteine 1) DNA (acido desossiribonucleico): macromolecola di dimensioni maggiori in ogni organismo vivente. Funzione: presiede a sintesi proteica e si duplica per poter essere trasmesso di generazione in generazione. Polimero costituito da nucleotidi, composti da: à desossiribosio, zucchero centrale a cinque atomi di carbonio; à una base azotata (adenina, timina, guanina, citosina); à un gruppo fosfato. Un nucleotide può unirsi a un altro nucleotide mediante 3. Struttura terziaria una reazione di condensazione che coinvolge: Il ripiegamento e la stabilizzazione della catena à gruppo fosfato unito al carbonio 5' del primo polipeptidica genera una macromolecola con una forma nucleotide; tridimensionale specifica. à gruppo ossidrile in posizione 3' del secondo nucleotide. Si forma così un dinucleotide, tenuto insieme da un § Ponti disolfuro (-S-S-), legami legame fosfodiesterico, in quanto la molecola prodotta è covalenti fra atomi di zolfo. un estere derivante dall'acido fosforico (H3PO4). § Legami idrogeno § Interazioni idrofobiche Regola dell’appaiamento complementare delle basi: i due § Ponti salini filamenti di DNA sono tenuti assieme mediante legami a idrogeno tra le basi azotate. Vi sono due strutture terziarie alternative: à adenina e timina: 2 legami a idrogeno; à Proteine globulari: forma tondeggiante (enzimi) à citosina e guanina: 3 legami a idrogeno. à Proteine fibrose: forma allungata e filamentosa (il collagene). 2) RNA (acido ribonucleico): polimero di nucleotidi, 4. Struttura quaternaria differente dal DNA per Unione di due o più catene polipeptidiche con formazione à singolo filamento (anziché due appaiati); di LEGAMI NON COVALENTI. Solo alcune proteine à ribosio (che ha un atomo di ossigeno in più del raggiungono questo livello, tra cui l'emoglobina (che desossiribosio); Appunti di Chiara Ceriani à base uracile che sostituisce la timina; à molecole di lunghezza minore rispetto a quelle del DNA. Funzione: si occupa della «traduzione» in proteine delle istruzioni racchiuse nel DNA. 3) ATP (adenosintrifosfato): struttura di un nucleotide con la base azotata adenina e tre gruppi fosfato. Funzione: «incamerare» l’energia dall'ambiente esterno e, quando è necessaria, rilasciarla mediante la scissione di un gruppo fosfato e trasformandosi in adenosindifosfato (ADP) (energia sta in legami fosfodiesterici). Reazione di idrolisi: ATP + H20 à ADP + Pi +energia Energia rilasciata: -30 kJ/mol (-7,3 kcal/mol). Pi: un gruppo fosfato (inorganico) libero. La molecola di ATP si riforma poi con una reazione inversa: ADP + Pi + energia à ATP + H2O Sempre per idrolisi, l'ATP può trasformarsi in adenosinmonofosfato (AMP), mediante la scissione di due gruppi fosfato. AMP ciclico: forma particolare di AMP; à gruppo fosfato legato oltre che al carbonio 5' anche al 3' della stessa molecola; à coinvolto in ricezione del segnale indotto da certi ormoni sulle cellule bersaglio. 4) NAD+, FAD, NADP+ (coenzimi ossidoriduttivi): molecole specifiche, capaci rapidamente di catturare o cedere elettroni, che agiscono in simbiosi con gli enzimi nei processi ossidoriduttivi del metabolismo, nei quali le molecole acquistano o cedono elettroni. I coenzimi hanno una struttura derivante dai nucleotidi e dai cofattori, ossia ioni metallici: Mn²+, Ca²+, Mg+, Fe²+, Zn²+, Cu²+, e nella loro forma ossidata (ossia dopo aver ceduto elettroni) sono: NAD+ (nicotinammide adenin dinucleotide); à 2 unità derivanti da nucleotidi (dinucleotide) in cui una base azotata è l'adenina e l'altra è la nicotinammide. à interviene in reazioni di deidrogenazione, in cui il NAD+ si riduce. Semi reazione di riduzione: NAD + 2e + 2H + energia à NAD + H+ FAD (flavina-adenin dinucleotide); à interviene in degradazione degli acidi grassi; Semi reazione di riduzione: FAD + 2e + 2H+ + energia à FADH2 NADP+ (nicotinammide adenin dinucleotide fosfato); à interviene nelle reazioni di sintesi delle molecole; Semi reazione di riduzione: NADP+ + 2 e + 2H+ + energia à NADPH + H+ Appunti di Chiara Ceriani  LEZIONE 3: Le membrane Membrana plasmatica La struttura delle membrane cellulari Tutti gli organelli, così come l’intera cellula sono circondati In generale, una membrana biologica è formata da: da membrane, le quali condividono tutte una struttura strato sottile di lipidi (circa 50% in massa) tenuti simile. insieme da interazioni non covalenti che si organizzano Base strutturale fluida e impermeabile a formare un doppio strato (bilayer), il quale serve come base strutturale fluida.. Delimita la cellula e racchiude il citoplasma proteine (circa 50% in massa): se il doppio strato fosse Regola il trasporto dei nutrienti all’interno e all’esterno formato unicamente da lipidi, esso risulterebbe della cellula, garantendone la sopravvivenza. La cellula totalmente impermeabile (sono invece necessari gli deve infatti portare materiale al suo interno ed scambi di molecole). Le proteine mediano tutte le altre esportare i prodotti di scarto (oppure le molecole che funzioni della membrana. vengono prodotte all’interno della cellula ma svolgono funzioni al suo esterno). Regola la stabilità chimico-fisica dell’ambiente 50% di membrana: lipidi intracellulare (omeostasi). I lipidi che compongono le membrana sono di 3 tipi: È il sito di importanti reazioni chimiche che fosfolipidi, colesterolo e glicolipidi. generalmente non possono avvenire in soluzione Registra e trasforma i segnali provenienti dall’ambiente Ø Fosfolipidi extracellulare Si tratta di molecole anfipatiche che presentano: Negli organismi multicellulari, regola le interazioni tra CODA IDROFOBICA (apolare), formata da due cellule e tra cellula e matrice extracellulare. catene alifatiche di acidi grassi che terminano con un gruppo carbossilico (-COOH). Queste due catene sono Al microscopio elettronico, le membrane cellulari legate alla molecola di glicerolo (occupano il legame appaiono come delle sottili linee con un interno più chiaro con 2 atomi di carbonio) e: e l’esterno ad esse un po’ più scuro: andando a vedere nel dettaglio il confine tra le cellule, si osserva che, in due cellule adiacenti, le membrane non sono direttamente a contatto, ma sono separate da un sottile strato di matrice extracellulare. Appunti di Chiara Ceriani  à una è formata da Come si possono muovere i fosfolipidi all’interno di una IDROCARBURI SATURI: tutti i membrana? possibili legami sono occupati - possono ruotare su sé stessi; da legami singoli con - possono muoversi sul piano della membrana; l’idrogeno (la molecola è - non possono passare da uno strato all’altro della estremamente flessibile). membrana: è molto raro che ciò avvenga mediante à l’altra è formata da un meccanismo chiamato flip-flop, in quanto le teste IDROCARBURI INSATURI: e le code dovrebbero porsi a contatto (per un attimo) sono presenti dei doppi legami e ciò, dal punto di vista energetico, sarebbe molto tra carboni adiacenti (viene dispendioso. ridotto il grado di libertà della molecola ed essa è bloccata in corrispondenza dei due carboni, i quali non possono più ruotare ma sono obbligati a piegare la catena). Gli acidi grassi insaturi permettono una maggiore fluidità di membrana il che è positivo per le cellule. È infatti I fosfolipidi, per essere estratti dalle membrane, vengono necessario che i fosfolipidi abbiano una certa libertà nel posti in acqua e si organizzano a formare i LIPOSOMI: movimento: essi devono poter ruotare su sé stessi e strutture sferiche contenenti acqua in grado di fondersi muoversi. con le membrane biologiche quando sono a contatto con esse. Ciò viene sfruttato in campo biotecnologico per la TESTA IDROFILICA (polare), formata da: produzione di farmaci o prodotti estetici quando si vuole à molecola di glicerolo, la quale è una molecola rilasciare una qualche molecola di utilizzo farmacologico in organica formata da 3 atomi di carbonio: una cellula. C1: legame estere (alcool + acido) con acido grasso C16, spesso saturo C2: legame estere (alcool + acido) con acido grasso C16 o C18, spesso monoinsaturo C3: legame con fosfato + una molecola basica X -CH2-CH=CH-CH2- Esistono diversi tipi di fosfolipidi di membrana, i quali à gruppo fosfato: è legato alla molecola di glicerolo condividono tutti una struttura simile (due acidi grassi + (occupa il legame con l’ultimo carbonio libero del molecola di glicerolo + gruppo fosfato) ma terminano con glicerolo) gruppi polari di natura diversa: Data la loro struttura, sono meglio definibili come fosfatidiletanolamina: la testa polare porta una FOSFOGLICERIDI, una delle classi più̀ importanti dei carica positiva che neutralizza la carica negativa del fosfolipidi. gruppo fosfato (quindi, la carica netta è 0). In acqua i fosfolipidi si organizzano spontaneamente, fosfatidilserina: la carica negativa del gruppo fosfato grazie alla loro specifica forma tridimensionale, a formare si neutralizza grazie alla carica positiva della testa un doppio strato, il quale rappresenta la struttura base polare, ma è presente un’ulteriore carica negativa della membrana: sulla testa polare della molecola (data dal gruppo le code idrofobiche verso l’interno per minimizzare il carbossilico, il quale in acqua si dissocia) che contatto con l’acqua; conferisce una carica elettrica netta negativa. le teste idrofiliche verso l’esterno dato che le fosfatidilcolina: la testa polare porta una carica membrane sono a contatto su entrambi i lati con un positiva che neutralizza la carica negativa del gruppo ambiente acquoso (quello del citoplasma e fosfato (quindi, la carica netta è 0). dell’ambiente extracellulare). sfingomielina: la testa polare porta una carica positiva che neutralizza la carica negativa del gruppo Gli acidi grassi fosfato (quindi, la carica netta è 0). formano delle micelle, mentre i fosfolipidi, avendo due code, formano un doppio strato. I fosfolipidi si possono muovere sulle membrane perché i legami che uniscono le molecole non sono sufficienti a bloccare l’energia cinetica. Appunti di Chiara Ceriani Ma perché i fosfolipidi rappresentano la base perfetta per + TEMPERATURA à - FLUIDITA’ le membrane biologiche? Ad alte temperature, l’energia cinetica aumenta dato Rappresentano la base perfetta perché si organizzano che aumenta la mobilità dei fosfolipidi la quale tende autonomamente a formare un isolante perfetto a far aumentare la fluidità fino a rischiare di rompere la continuità della membrana: il colesterolo serve Perché è importante che presentino questa doppia come collante e mantiene uniti i fosfolipidi (mantiene caratteristica di idrofilia e idrofobia? la stabilità della membrana). Se fossero delle molecole completamente idrofile, si - TEMPERATURA à + FLUIDITA’ scioglierebbero in acqua e non svolgerebbero più la A basse temperature (al di sotto di 0°), l’energia funzione da isolante. cinetica è minore perché le molecole si muovono di meno (il freddo tende a irrigidire le molecole per Perché è importante che presentino due catene di acidi generare cristalli, i quali sono sistemi in cui le grassi? molecole non si possono muovere): il colesterolo Se i fosfolipidi fossero fatti da una sola catena di acido interrompe la monotonia del doppio strato lipidico e grasso, nello spazio assumerebbero una forma conica; mantiene le molecole più distanti e, quindi, mantiene immaginando una molecola insieme ad altre, esse la membrana più fluida (impedisce alle catene tenderebbero ad assumere forme sferiche (strutture idrocarburiche di unirsi e cristallizzare). simile alle micelle) molto piccole all’interno che risulterebbero piene Invece, essendo formati da due catene di acido grasso, nello spazio assumono una forma simil- cilindrica; in questo caso, infatti, formano delle strutture planari. Perché le catene di acidi grassi devono essere necessariamente una satura e l’altra insatura? Se si immaginassero delle membrane fosfolipidiche fatte esclusivamente da acidi grassi saturi, questi si Non esiste un colesterolo buono e uno cattivo: la molecola disporrebbero in maniera allineata minimizzando le è sempre la stessa, il problema è l’eccesso che è rischioso distanze tra i fosfolipidi, causando delle strutture molto per i vasi sanguigni (rischio di aterosclerosi). compatte. Se si immaginassero, invece, dei fosfolipidi i cui acidi grassi contengono dei doppi legami (quindi insaturi) Ø GLICOLIPIDI: fosfolipidi aventi uno zucchero a tenderebbero a mantenere le molecole più distanti tra di pochi atomi di carbonio. loro, generando come conseguenza delle membrane più sul lato apolare presentano 2 catene alifatiche di acidi fluide. grassi unite da una molecola a 3 atomi di carbonio. sul lato polare della molecola presentano una testa Perché i trigliceridi non possono formare membrane polare. biologiche? A differenza dei fosfolipidi presentano delle molecole di I trigliceridi sono formati da tre code di acido grasso e in carboidrato anziché di fosfato. questo modo genererebbero delle strutture a forma di I glicolipidi si trovano esclusivamente sul versante tronco di cono (base più larga della testa); in questo senso, extracellulare della membrana plasmatica. infatti, formerebbero delle micelle piccole incompatibili con la struttura utile alle membrane. Gangliosidi: oligosaccaridi complessi contenenti acido sialico. Presentano carica netta negativa e sono molto abbondanti sulla membrana plasmatica delle cellule Ø COLESTEROLO nervose. Ha una struttura molto diversa da quella di un fosfolipide, Funzioni: nonostante mantenga una caratteristica di molecola protezione: essendo zuccheri, sono molto solubili in anfipatica. acqua e, legandosi alle molecole di acqua stesse, svolgono una funzione di protezione meccanica della È una molecola molto rigida: presenta uno scheletro di cellula carbonio organizzato a formare 4 anelli (è una molecola riconoscimento cellulare molto idrofobica). trasmissione di impulsi elettrici Presenta una testa idrofilica caratterizzata dalla presenza del gruppo −OH a un’estremità della molecola. Si posiziona a livello delle membrane rivolgendo il corpo Asimmetria della membrana plasmatica della molecola a contatto con le code degli acidi grassi e il Le membrane cellulari si presentano come una struttura suo gruppo −OH rimane a contatto con le teste idrofiliche asimmetrica: delle molecole di fosfolipide. Distribuzione dei fosfolipidi: Funzione: regolare la fluidità delle membrane, soprattutto à Fosfatidilcolina e sfingomielina all’esterno in funzione della temperatura: à Fosfatidiletanolamina e fosfatidilserina all’interno Appunti di Chiara Ceriani  Glicolipidi all’esterno un’ambiente riducente, i ponti disolfuro vengono Conseguenze funzionali di quest’asimmetria: sfavoriti) à contribuisce a formare il potenziale di membrana alcune proteine di membrana possono muoversi (“-”all’interno, “+”all’esterno) liberamente all’interno del doppio strato, mentre à Apoptosi e traslocazione della fosfatidilserina altre sono ancorate a una regione specifica. 50% di membrana: proteine Le membrane biologiche sono formate anche da proteine di membrana che possono associarsi alla membrana in modi diversi e si distinguono due tipi: Ø proteine di membrana INTEGRALI (o proteine transmembrana): attraversano per intero il doppio strato fosfolipidico: ESEMPIO per vedere com’è fatto un dominio ciò̀ è possibile grazie alla presenza di sequenze transmembrana: amminoacidiche particolarmente compatibili con il doppio strato lipidico hanno domini (o regioni) idrofobi e idrofili possono presentare uno o più domini transmembrana e attraversare una o più volte la membrana per intero i domini sui lati interno ed esterno della membrana possono avere funzioni specifiche esistono proteine la cui componente che attraversa la In questo caso il dominio transmembrana è costituito da membrana è formata da foglietti-!, i quali si un’"-elica: dispongono a formare dei barili (strutture cave in particolare, osservando gli amminoacidi che all’interno delle quali possono passare le molecole): compongono l’"-elica, si nota la presenza di un sono delle strutture tipiche delle molecole con la amminoacido più abbondante rispetto agli altri: la funzione di canale. glicina, l’amminoacido più piccolo à la presenza di un amminoacido piccolo consente alla sequenza primaria di ripiegarsi formando le strutture ad "-elica la maggior parte degli amminoacidi sono idrofobici: infatti, una delle caratteristiche importanti di un dominio transmembrana è che per poter attraversare il doppio strato fosfolipidico deve essere particolarmente ricco di amminoacidi idrofobi. Ø proteine di membrana PERIFERICHE Molte delle proteine intrinseche di membrana (cioè che si associano a uno dei due lati della membrana attraversano il doppio strato fosfolipidico) sono "-elica mancano di gruppi idrofobici esposti fatte di amminoacidi apolari. proteine e lipidi interagiscono in maniera non covalente anche se alcuni tipi di proteine presentano gruppi lipidici attaccati covalentemente, i quali si all’esterno della membrana: carboidrati inseriscono nel doppio strato Le membrane presentano anche carboidrati sulla il numero di proteine di membrana varia a seconda superficie esterna, i quali fungono da siti di della funzione della membrana riconoscimento per altre cellule e molecole. In particolare: molte proteine di membrana sono glicosilate sul lato Ø glicolipidi: carboidrati + lipidi extracellulare (assumono una forma tridimensionale Ø glicoproteine: carboidrati + proteine definita e funzionale): i residui di zuccheri sono Glicolipidi e glicoproteine, se presenti in grandi quantità, aggiunti nel lume del reticolo endoplasmatico e sono visibili al microscopio elettronico come uno spesso dell’apparato di Golgi strato detto GLICOCALICE (presente, ad esempio, nelle sul lato extracellulare di molte proteine è possibile cellule epiteliali ed endoteliali), il quale circonda la cellula trovare anche degli amminoacidi contenenti gruppi e svolge diverse funzioni: sulfidrilici, i quali possono formare dei ponti disolfuro: protegge la cellula dal danno meccanico e chimico: gli in particolare, i ponti disolfuro sono reversibili zuccheri, essendo idrofilici, assorbono acqua e creano (quando si formano si dice che avviene un processo di delle strutture simili a gel che sono in grado di ossidazione, mentre quando si riducono avviene un conferire una certa resistenza meccanica agli urti; processo di riduzione: infatti, nel citosol, il quale è tengono i corpi estranei e altre cellule a distanza impedendo interazioni proteina-proteina Appunti di Chiara Ceriani  indesiderate: filtrano le molecole che devono arrivare sulla superficie della cellula e svolgono, quindi, anche una funzione di riconoscimento. Struttura a mosaico fluido Tutte queste informazioni portano a definire la struttura della membrana cellulare come una struttura a mosaico fluido (termine coniato negli anni ‘70 da Singer e Nicolson): - FLUIDO perché singoli fosfolipidi e proteine possono muoversi liberamente all’interno dello strato, come se fosse un liquido - A MOSAICO a causa del modello prodotto dalle molecole proteiche disperse quando la membrana è vista dall’alto (le proteine si aggregano). Migrazione longitudinale: veloce (20-100 µm/h) (considerando che il raggio di una cellula è di 10 micrometri, percorrono la cellula più̀ volte). Rotazione sull’asse perpendicolare alla membrana: veloce Flip-flop: lento o impossibile Lipidi e proteine distribuite asimmetricamente Carboidrati sulla superficie esterna Appunti di Chiara Ceriani  LEZIONE 4: Trasporti di membrana ❖ Come fa l’ossigeno ad entrare nel nostro corpo? Ø TRASPORTO PASSIVO L’ossigeno, così come l’anidride carbonica tendono a L'energia per il trasporto passivo deriva dal gradiente di spostarsi da una zona a maggiore concentrazione ad una a concentrazione: la differenza di concentrazione tra un lato minore concentrazione (= energia potenziale) e, dal della membrana e l'altro. Il movimento netto è direzionale momento che all’esterno sono più concentrati (20% di fino al raggiungimento dell'equilibrio. ossigeno nell’aria e 0,035% di anidride carbonica nell’aria), Ponendo dell’inchiostro in un contenitore d’acqua, le tendono a entrare nelle nostre membrane. particelle si sposteranno fino a raggiungere l’equilibrio. All’equilibrio, esse continueranno a muoversi, ma non vi sarà alcun cambiamento netto nella distribuzione. Ci sono delle variabili che caratterizzano la diffusione: - piùù piccole sono le molecole, più veloce sarà la diffusione; - maggiore è la temperatura e quindi l’energia cinetica, più veloce sarà la diffusione; - maggiore è la differenza di concentrazione, più veloce sarà la diffusione. Anche le proprietà delle membrane influenzano la Lo stesso vale anche per altre molecole apolari che però diffusione. non sono fisiologiche, come per esempio il benzene. La diffusione funziona molto bene su brevi distanze (ad Benzene: idrocarburo aromatico, quindi fatto da un anello, esempio all'interno di una cellula). e non è fisiologico, non lo troviamo nei tessuti, anzi è una molecola estremamente tossica o cancerogena. Diffusione semplice Se infatti tocchiamo la pistola dell’erogatore di benzina, il Questo tipo di diffusione riguarda piccole molecole che benzene attraversa le membrane naturalmente per passano attraverso il doppio strato lipidico. diffusione spinto dal gradiente di concentrazione. Il problema è che questa sostanza è cancerogena. Osmosi: la diffusione dell’acqua Diversi tipi di trasporti di membrana L’acqua attraversa liberamente le membrane cellulari Le membrane cellulari sono membrane semipermeabili, muovendosi in funzione del proprio gradiente di ciò̀ significa che non lasciano attraversare tutto concentrazione. indistintamente ma sono selettive. Se due soluzioni sono separate da una membrana che TRASPORTO PASSIVO TRASPORTO ATTIVO consente all'acqua, ma non ai soluti (membrana semi- Secondo gradiente Contro gradiente permeabile), di passare: l’acqua si diffonderà dalla regione (da alta a bassa concentrazione) (da bassa a alta concentrazione) di concentrazione dell'acqua più alta (concentrazione del NON serve ATP Serve ATP soluto inferiore) alla regione di concentrazione dell'acqua Diffusione semplice Solo attraverso trasportatori più bassa (concentrazione del soluto più elevata). (attraverso fosfolipidi) proteici. Diffusione facilitata (da Trasporto primario Soluzione ipertonica: canali proteici) Trasporto secondario concentrazione di soluti più Diffusione semplice Molecole apolari: sostanze lipidiche tipo alta rispetto alla cellula. ormoni steroidei... à acqua fuoriesce dalla Molecole polari piccole: acqua, glicerolo... cellula Gas: ossigeno, diossido di carbonio... à RAGGRINZIMENTO Diffusione facilitata Molecole polari di grandi dimensioni: glucosio, fruttosio... Diffusione regolata Ioni Soluzione isotonica: Endocitosi/esocitosi Grosse molecole concentrazione di soluti in equilibrio (uguale a quella all’interno della cellula). à c’è movimento di sostanze ma tutto equilibrato. Soluzione ipotonica: (es. acqua distillata) concentrazione di soluti più bassa rispetto alla cellula. à acqua entra nella cellula à LISI della cellula animale. Appunti di Chiara Ceriani Le cellule vegetali con pareti cellulari rigide accumulano Simporto e antiporto sono quindi 2 esempi di cotrasporto. una pressione interna che impedisce all’acqua di entrare nella pressione del turgore e quindi di causare la lisi. ❖ Cosa si fa quando una persona perde sangue o è disidratata? Viene somministrata la soluzione fisiologica: non si tratta di acqua pura, altrimenti i globuli rossi si gonfierebbero e scoppierebbero. Essa contiene pertanto acqua e Sali, cioè NaCl, il normale sale da cucina. Questa soluzione mantiene in equilibrio la composizione. ❖ Quanto sale per creare una soluzione che sia in Trasporto attivo Trasporto attivo SECONDARIO equilibrio con la cellula? PRIMARIO 0,9%, cioè 9 grammi per litro o 0,9 grammi in 100 millilitri idrolisi diretta di energia proviene da gradiente di ATP concentrazione ionica generato da un di acqua. trasporto attivo primario molecola che si muovono due molecole diverse: una deve essere in base ad un trasporto attivo primario Diffusione facilitata trasportata si che crea un gradiente di Questo tipo di diffusione riguarda molecole polari di lega alla concentrazione che viene sfruttato grandi dimensioni e può avvenire attraverso: proteina. dalla seconda molecola per muoversi. PROTEINE CANALE: proteine di membrana integrali che formano un canale che si apre e si chiude secondo determinati segnali. Pompa sodio-potassio - ATPasi PROTEINE TRASPORTATRICI (o CARRIER): proteine di La pompa sodio-potassio è un esempio di trasporto attivo membrana che legano alcune sostanze e ne secondario che quindi richiede energia (ATP). velocizzano la diffusione attraverso il doppio strato. La Pompa Na+/K+ ATPasi esporta 3 molecole di Na+ ed Nel trasporto mediato da vettore (proteina trasportatice), importa 2 molecole di K+. la molecola da trasportare si lega da un lato della proteina Tutte le cellul