Fondamenti di Biologia PDF

**Cellule** La cellula è l'unità minima dal punto di vista morfologico e funzionale capace di svolgere tutte le funzioni della vita. La cellula si differenzia in procariota (priva di nucleo) ed eucariota (ha un nucleo). Tutti gli organismi derivano da un comune antenato procariotico **LUCA**. Da questo antenato comune sono nate due linee evolutive. Una ha portato alla diversificazione dei batteri e l'altra è quella degli arche batteri, molti di loro vivono in condizioni estreme. Sembra che da questa seconda linea siano derivati gli eucarioti. Hanno istoni associati al DNA.?? Gli **archea** vivono negli habitat comuni sia in condizioni estreme (*estremofili*) -*Termofili*: possono sopravvivere a temperature tra i 60 e gli 80 gradi. Se vivono a temperature superiori si dicono termofili estremi (es. sorgenti vulcaniche) -*Alofili*: organismi che mostrano una crescita ottimale solo in presenza di concentrazione salina (NaCl) di almeno 0,2 M. -*Acidofili*: organismi che mostrano una crescita ottimale ad un pH uguale o inferiore a 3. (es. l\'helicobacter) -*Metanogeni*:in assenza di ossigeno riducono la CO2 a metano grazie all' idrogeno. Si ritiene che da questo tipo di organismi si siano originati gli eucarioti. Questa convinzione deriva dallo studio dell'RNA 16S degli eucarioti che dal punto di vista della sequenza è molto simile a quello di questi eucarioti. La differenza delle cellule eucariote oltre alla presenza di un nucleo, è la presenza dei mitocondri e nelle cellule vegetali i cloroplasti. Da una simbiosi tra batteri e archei sono nati gli organismi vegetali e animali. Cellula procariotica può avere diverse forme ed è molto più grande rispetto ad un virus. **Cellula procariotica** -Ha dimensioni che vanno da *1 a 10 micron* (micron=10 alla -6). -Questa cellula costituisce unicamente *organismi unicellulari*, possono riunirsi in colonie. -Inoltre *non c'è compartimentazione interna*. È delimitata da una **membrana plasmatica** come tutte le cellule e questa racchiude il materiale cellulare, lo separa dall'ambiente e regola i rapporti con l'esterno. L'insieme del contenuto cellulare è denominato **citoplasma**, il citosol è la soluzione acquosa, gli organuli presenti nella cellula sono non membranosi come i ribosomi 70 S (Svedberg). Uno Svedberg è un *coefficiente di sedimentazione* cioè misura la velocità con la quale una particella si deposita sul fondo di una provetta sottoposta a centrifuga, è pari a 10 alla -13 secondi. \- È presente ovviamente anche del *DNA organizzato in una singola molecola circolare*, questo si localizza in una regione chiamata **nucleoide** che non è separata da una membrana ma è in contatto con il resto del citosol. In aggiunta al DNA principale ci sono i plasmidi che codificano per enzimi catabolici, responsabili della resistenza agli antibiotici o legati a meccanismi di scambio di materiale genetico con altri batteri. \- I procarioti inoltre hanno una *parete cellulare*, esterna alla membrana, ha funzione di sostegno e protezione meccanica in condizioni ipo-osmotiche. Membrana attorno al nucleo viene chiamato involucro o cisterna perinucleare. Senza parete sarebbe in balia delle condizioni osmotiche (concentrazione salina) dell'ambiente esterno e potrebbe andare incontro a lisi. Anche la cellula eucariota vegetale ha una parete che ha una composizione diversa (cellulosa). Quella dei batteri è costituita da *peptidoglicano*, un polimero complesso di amino-zuccheri legati a brevi polipeptidi, a formare un'unica molecola. Si possono distinguere i batteri **Gram-positivi** e **Gram-negativi**, questa distinzione è legata all'utilizzo di un colorante Lugol che si attacca ai peptidoglicani. I positivi hanno una parete molto spessa alla quale si attacca il colorante. I negativi hanno una parete molto più sottile ed hanno un'ulteriore membrana esterna (doppio strato fosfolipidico esterno alla parete di polipeptidi) perciò si colorano di rosa poco acceso. -Hanno *diverse forme* \**cocchi* (staphylococcus aureus lo staphylococcus pneumoniae) \**bastoncelli* (Escherichia coli, Shigella, Lactobacillus) \**vibrioni* (Vibrio cholerae) \**spirochete* (Treponema pallidum, Borrelia burgdorferi) \**forme peduncolate* (clostridium tetani) -oltre ai batteri patogeni ci sono batteri utili \**decompongono sostanze inquinanti* \**decompongono molecole organiche in molecole più semplici* \**fissano l'azoto in nitrati (es. ammoniaca.)* -alcuni batteri oltre alla parete hanno una *capsula* esterna di tipo mucillaginoso che rende il batterio più resistente. Facilita l'adesione al substrato, protegge dalla disidratazione (zuccheri idrofilici) e protegge dalla fagocitosi. -*invaginazioni della membrana plasmatica*, Introflessione o piegamento della membrana utile ad aumentare la superficie. La superficie è zona di supporto degli enzimi, questo elemento serve a facilitare alcuni processi che coinvolgono gli enzimi. -*flagelli e pili*, Flagello è motore nano molecolare a protoni costituito da proteine. I pili sono strutture dedite all' adesione. **Cellula eucariotica** -è circa 10 volte più grande della cellula procariotica (da 10 a 100 micron es. cellula cento è la cellula uovo di un mammifero) -è dotata di membrana che racchiude il materiale cellulare e separa con l'esterno, è importante perché regola le risposte all'ambiente esterno. -sono presenti compartimenti interni, il citoplasma è costituito da citosol e una serie di organi li immersi in questo. Gli organuli sono compartimenti separati da membrane interne, specializzati in diverse funzioni. -il DNA è strutturato in cromosomi, ha quindi struttura lineare. Ci sono istoni. -nucleo è la sede dove vengono prodotti i ribosome -reticolo endoplasmatico, ce ne sono due tipi: \*ruvido, chiamato così per i ribosomi poggiati sulla membrana \*liscio -apparato di Golgi -lisosomi e perossisomi -mitocondri, sono gli organelle più grandi all'interno della cellula (evoluzione) -ribosomi 80S (più grossi di quelli della cellula procariotica) Cellule vegetali -ha una parete fatta di cellulosa -cloroplasti -vacuoli, cisterna d'acqua che dà turgore in modo tale da sostenere la pianta, inoltre l'acqua è fondamentale per la fotosintesi. Tutte queste cellule e organismi hanno dimensioni diverse. Come si sono sviluppate queste differenze di grandezza? La compartimentazione interna ha un ruolo fondamentale. I limiti massimi delle dimensioni cellulari sono imposti da: -rapporto superficie/volume -rapporto nucleo/citoplasma (indice di Hertwig N/C=K), se la cellula si ingrandisce troppo fa mitosi. Le cellule eucariotiche in un organismo pluricellulare hanno una morfologia estremamente diversificata, che spesso riflette la specializzazione a compiere una determinata funzione. C'è sempre un binomio struttura funzione. Le cellule sono diverse ma si ha una sostanziale unità, il patrimonio genetico è uguale, in ogni cellula vengono espressi geni diversi di quel patrimonio. **Composizione chimica delle cellule** **La chimica degli esseri viventi è basata su:** -La chimica degli esseri viventi si basa sui composti del **carbonio**, che ha proprietà esclusive per la costruzione di molecole biologiche. -questa chimica avviene in **soluzioni acquose**. H2O ha caratteristiche uniche che la rende un solvente universale per tutti gli esseri viventi. (guarda capitolo) -**membrane selettivamente permeabili**, importante per definire gli spazi cellulari e per definire i passaggi di molecole -gli elementi si basano su **grosse molecole polimeriche**, garantiscono la possibilità agli organismi di crescere riprodursi etc... -**auto-assemblaggio**, le macromolecole biologiche spesso si autoassemblano per affinità chimiche Ci sono 4 specie atomiche che rendono conto del 95.5% del peso corporeo di un organismo: **carbonio,idrogeno,azoto e ossigeno,** in percentuali di 0,1-1,5% sono presenti Na, Mg, P, S, Cl, K, Ca. Gruppi funzionali -gruppi carichi negativamente (acidi) \*carbossilico (acidi grassi o amminoacidi) \*fosforico (membrane e nucleotidi) -gruppo carico positivamente (basico) \*amminico (si trova per esempio nell' amminoacido) -gruppi neutri ma polari \*ossidrilico (è una molecola polare e per questo è affine con l'acqua anch'essa sostanza polare) \*sulfidrilico (è per esempio nella cisteina un amminoacido forma il ponti di solfuro) \*carbonilico \*aldeidico Macromolecole biologiche e strutture cellulari Le strutture cellulari sono costituite da molecole di grandi dimensioni (\>100.000 dalton) -**carboidrati** -**proteine** -**acidi nucleici** -**lipidi** Le macromolecole di ciascuna classe hanno proprietà che non possiedono i monomeri costitutivi. Carboidrati proteine e acidi nucleici nucleici sono molecole a catena (polimeri) costituite dell'unione sequenziale di tante unità uguali o simili tra loro(monomeri). Zucchero-\>polisaccaride Amminoacido-\>proteina Nucleotide-\>acidi nucleici I polimeri possono essere distinti in: -**informazionali** (acidi nucleici e proteine) *eteropolimeri* con un ordine [non casuale] dei diversi tipi di unità. Per gli acidi nucleici la sequenza dei monomeri ha funzione codificante, mentre per le proteine la sequenza delle subunità è importante per la struttura tridimensionale da cui dipende la funzione. -**di deposito** (polisaccaridi, es amido e glicogeno), *omopolimeri*. -**strutturali** (polisaccaridi es. cellulosa) *omopolimeri*. Monosaccaridi, proteine e acidi nucleici sono costruiti con la medesima strategia,i monomeri attivati in genere per accoppiamento con una molecola di trasporto vengono aggiunti al polimero con una reazione di **condensazione** (perdita di una molecola di H2O). Come prima cosa il monomero viene attivato e legato ad un *carrier* (un enzima es. tRNA). OH e H dei due monomeri che si stanno legando reagiscono andando a formare acqua. Si crea quindi un legame covalente che è un legame forte. L' allungamento del polimero consiste nell'aggiunta continua ad un' estremità del polimero di un monomero. L' allungamento avviene solamente in una direzione perciò la macromolecola avrà una direzionalità intrinseca. I legami covalenti tra i monomeri vengono rotti da reazioni di **idrolisi.** Consiste nell'aggiunta di acqua, la molecola di H2O si scompone rompendo il legame e formando le due estremità del monomero. Es. la degradazione di una proteina viene realizzata da enzimi chiamati *proteasi* (idrolizzando i legami tra amminoacidi) **Gli zuccheri** -monosaccaridi -disaccaridi -oligosaccaridi -polisaccaridi Sono costituiti da carbonio idrogeno e ossigeno **CnH2nOn** carboidrati carbonio e acqua **Monosaccaridi** -Presenza di un gruppo **aldeidico** o **chetonico**. -Lunghezza dello scheletro carbonioso, che varia **da tre a sette atomi di carbonio**. -Disposizione dei sostituenti legati agli atomi di carbonio asimmetrico (**stereoisomeri**). In soluzione acquosa il gruppo aldeidico o chetonico di una molecola di zucchero tende a reagire con un gruppo ossidrilico della stessa molecola che per questo **si chiude ad anello**. Si legano con il gruppo 5 nella maggior parte dei casi. Stereoisomeri (isomeri) del glucosio: il glucosio nella cellula è in equilibrio dinamico tra la configurazione lineare e la forma ciclica, che risulta favorita perché è energicamente favorita e quindi più stabile. La formazione della struttura ad anello genera due forme alternative della molecola a seconda dell'orientamento spaziale del gruppo ossidrilico sul C1. -alfa-glucosio, per polisaccaridi di riserva (amido e glicogeno) -beta-glucosio, per polisaccaridi strutturali (cellulosa). La posizione dei diversi gruppi in base agli atomi di carbonio è fondamentale per la cellula (gruppo OH orientati verso il basso o verso l'alto). Imparere formula glucosio e ribosio. Pentosi: DNA e RNA Esoosi: sono importanti per la sintesi di altre molecole organiche e per produrre energie di riserva. **Disaccaridi** Un disaccaride è il prodotto dell'unione di due monosaccaridi legati attraverso un **legame glicosidico**. È un legame in cui c'è un ossigeno che fa da ponte tra due monosaccaridi, tra due idrogeni l'ossigeno infatti forma acqua. -saccarosio (formato da glucosio e fruttosio) -lattosio (glucosio e galattosio, si crea legame beta-glicosidico) -maltosio (2 molecole di glucosio) **Oligosaccaridi** Costituiti da 3-18 unità monosaccaridiche legate tra loro con diversi legami , spesso ramificati. Sono spesso legati a proteine e lipidi a formare glicoproteine e glicolipidi. Diventano **antigeni** di superficie grazie ai quali le cellule si riconoscono, anche i virus spesso si legano a proteine che presentano gli oligosaccaridi. Le ramificazioni permettono la distinzione tra gli oligosaccaridi. **Polisaccaridi di riserva** Amido: polisaccaride di deposito presente nelle piante costituito da una miscela di due polimeri di glucosio-alfa (legame OH legato al C1 verso il basso) -amilosio, polimero non ramificato di glucosi legati con legami alfa 1-4 -amilopectina, polimero ramificato di glucosi con legami alfa 1-4 e legami alfa 1-6, le ramificazioni sono presenti ogni 20-25 glucosi. È presente sotto forma di granuli in strutture cellulari dette plastidi o amiloplasti in particolare viene accumulato nei semi delle piante. **Il glicogeno**, i legami tra le molecole di glucosio avvengono legami alfa1,4 ma ogni 6-10 molecole avviene il legame alfa-1,6. Viene accumulato soprattutto nel citoplasma delle cellule specialmente epatiche e muscolari (striate). Il fegato è il centro della regolazione della glicemia. L'amido viene digerito, il glucosio viene assorbito dalle cellule intestinali che in seguito lo rilasciano nel circolo ematico. L'innalzamento del glucosio nel sangue è un segnale per delle cellule nel pancreas endocrino le quali sono in grado di produrre l'ormone insulina. Quest'ultima viaggia nel sangue e raggiunge questi organi. Gli organi, come per esempio il fegato possiedono dei recettori per l'insulina. Vengono scatenate una serie di risposte intracellulari che portano alla sintesi del glicogeno. Il glucosio viene incorporato nelle cellule finché non c'è un dislivello tra la concentrazione ematica e intra cellulare. Il glucosio viene accumulato in forma di granuli e non viene lasciato libero nella cellula perché andrebbe ad aumentare la concentrazione di soluti nella cellula, questo richiamerebbe acqua per osmosi e la cellula tenderebbe a scoppiare. Nel tessuto adiposo il glucosio che entra nelle cellule viene convertito in lipidi e incrementa il tessuto adiposo. È bene che la cellula sia dotata di una riserva di glucosio per la respirazione cellulare. Il glucosio nel sangue in atomo seguito all'assunzione di carboidrati di alza. Il recettore lega l'insulina e avviene un attivazione a cascata di enzima che causa la sintesi del glicogeno. Quando vengono assunti in grandi quantità si deposita sotto forma di lipidi. Quando c'è ipoglicemia viene espulso dal pancreas l'ormone glucagone, i recettori per questo che si trovano sul fegato portano alla glicogenolisi e liberazione di glucosio, quest'ultimo esce dalla cellula tramite il trasportatore GLUT2 e viene immesso nel circolo sanguigno. Il glocagone stimola un altro processo che è la gluconeogenesi ovvero la produzione ex novo di glucosio. La ghiandola surrenale secerne adrenalina, sulle cellule epatiche c'è un recettore chiamato adrenergico che porta alla glicogenolisi, è necessario combattere una situazione di stress e quindi è necessario più glucosio. **La cellulosa**, essa è costituita da glucosio-beta con legami 1-\>4. Costituisce la parete cellulare delle cellule vegetali. Creata da legami glicosilici-beta. I mammiferi non possiedono enzimi in grado di idrolizzare questi legami e pertanto non possono utilizzare la cellulosa come alimento. La cellulosa è morfologicamente diversa dagli altri polimeri, mantiene infatti la forma lineare. Un polimero di cellulosa può legarsi ad altri polimeri (tramite legami idrogeno) andando a formare delle microfibrille che formano poi la parete cellulare. **Glicosaminoglicani (GAG)**,sono polisaccaridi della matrice extracellulare costituiti da unità disaccaridiche ripetute. È una sostanza che fa da collante tra le cellule. Si trovano per esempio nelle cartilagini. **La chitina**, è sempre un polisaccaride strutturale. È presente uno zucchero chiamato N-acetilglucosamina. Si trova nell'esoscheletro di insetti e crostacei. Imparare solo glucosio e ribosio. **Le proteine** Costituiscono il 50% del peso secco delle cellule e partecipano praticamente a tutte le funzioni espletate da queste. -*proteine strutturali*, hanno funzione di supporto (collagene, elastina, cheratina) -*proteine di deposito*, funzione di deposito di amminoacidi (ovoalbumina, caseina) -*proteine di trasporto*, trasporto di altre sostanze (emoglobina, trasportatori di membrana) -*proteine ormonali,* utili alla comunicazione tra cellule distanti (insulina) -*proteine recettoriali*, risposta della cellula a stimoli chimici (recettori presenti sulla membrana di una cellula nervosa) -*proteine contrattili*, funzione di movimento (actina e miosina) -*proteine di difesa*, protezione contro gli agenti patogeni (anticorpi) -*proteine enzimatiche*, accelerazione di reazioni chimiche (enzimi digestivi) -*proteine di regolazione*, controllo e regolazione delle funzioni cellulari (proteine chinasi) Le proteine sono molecole estremamente sofisticate, esse sono polimeri costituite a partire dal medesimo gruppo di 20 monomeri chiamati **amminoacidi**. Gli amminoacidi hanno struttura molto simile tra di loro (da imparare) è presente un carbonio chirale (chiamato carbonio alfa) il quale lega un gruppo amminico (è basico lega H+ e diventa basico), un idrogeno, un gruppo OH, infine c'è un gruppo R che è quello che distingue un amminoacido dall'altro. Le caratteristiche di questo gruppo forniscono all'amminoacido delle proprietà chimiche peculiari. -*amminoacidi polari carichi* (idrofili) il gruppo R ha componenti acide (acido aspartico) o basiche (lisina) che li rendono acidi o basici. Negli acidi gruppi carbossilici e basici per esempio un gruppo amminico. -*amminoacidi polari privi di carica* (idrofili) dotato di gruppi che hanno cariche parziali non nette es. serina, treonina... -amminoacidi apolari (idrofobi), il gruppo R è privo di qualsiasi carica es. metionina che è il primo amminoacido inserito nella catena polipeptidica in fase di sintesi proteica, cisterna importante nella formazione dei ponti disolfuro. Generalmente gli amminoacidi vengono indicati con un sistema di simboli di tre lettere, recentemente è stato proposto un sistema di simboli a una lettera. Esistono degli enantiomeri degli amminoacidi, le proteine sintetizzate dagli organismi viventi sono quasi esclusivamente formate da L-amminoacidi quindi il gruppo R è posto a sinistra e sono quelli utilizzati dalla cellula, negli stereoisomeri il gruppo amminico (controlla) si trova a destra. Esistono 9 amminoacidi essenziali che non essendo sintetizzati dall'organismo devono essere introdotti con la dieta: *-treonina* *-metionina* *-lisina* *-valina* *-leucine* *-isoleucina* *-istidina* *-fenilalanina* *-triptofano* La reazione che consente il legame tra gli amminoacidi e di condensazione. Il **legame peptidico** è un legame covalente che avviene tra carbonio e azoto in seguito ad una reazione di condensazione tra gruppo OH del gruppo carbossilico di un amminoacido e l'idrogeno del gruppo amminico dell'amminoacido seguente (imparare reazione). Questa reazione avviene su un **ribosoma** e richiede energia ed un enzima specifico che catalizzi la reazione. È necessaria informazione che deriva dal DNA più specificatamente dai geni, infatti l'ordine degli aa nel polimero in fase di sintesi non è casuale. Le catene laterali degli amminoacidi non partecipano mai al legame peptidico, il polipeptide che si forma ha una parte comune che si ripete sempre uguale detto scheletro polipeptidico ed una parte variabile costituita dai gruppi chimici delle catene laterali. Si ha sempre una direzionalità intrinseca, c'è un'estremitá ammino terminale e una carbossi terminale. La catena presenta una polarità intrinseca. La carica netta delle proteine dipende dalla somma delle cariche dei gruppi R degli aa che la compongono. La catena polipeptidica dopo la sintesi si ripiega su se stessa fino a raggiungere una peculiare forma tridimensionale detta **conformazione nativa** (quella più stabile e solitamente di energia minima) che è in stretta relazione con la sua funzione. Il processo di avvolgimento è spontaneo però molto spesso nella cellula il procedimento è guidato da proteine chaperones che creano un ambiente idoneo per l' avvolgimento di una proteina. Nel processo di formazione della struttura tridimensionale di una proteina possiamo riconoscere 3 livelli di architettura di complessità crescente. -*struttura primaria*: specifica sequenza di aa della catena polipetidica -*struttura secondaria*: interazioni locali tra aa contigui (alfa-elica e foglietto beta) -*struttura terziaria*: conformazione tridimensionale che deriva da interazioni tra aa distanti -*struttura quaternaria*: presente quando la proteina è costituita da più di una catena polipeptidica es. emoglobina (fatta da due catene alfa e due catene beta). **Struttura primaria,** è la specifica sequenza degli amminoacidi che la costituiscono, questa non risulta da un'associazione casuale di aa ma la sequenza è determinata dalle informazioni contenute in un gene. Questa sequenza rappresenta l'informazione necessaria per specificare come le catene polipeptidiche si ripiegheranno. La specifica conformazione è necessaria per la sua attività biologica per questo deve essere rispettata. Un cambiamento anche minimo della struttura primaria può cambiare la sua conformazione e quindi la possibilità di funzionamento. Un esempio è l'anemia falciforme. In questo caso si ha una mutazione puntiforme in cui l'acido glutammico viene sostituito da una valina. Capita anche (raramente) che una mutazione sfoci in un evento positivo. L'enorme varietà delle strutture proteiche non dipende dalla grande varietà di monomeri ma dalle quasi illimitate possibilità di combinare i venti amminoacidi in termini di sequenze e quantità. Di tutte le sequenze possibili l'evoluzione ne ha scelte alcune e sono quelle che hanno le funzioni idonee alla vita. **Struttura secondaria,** strutture regolari e ricorrenti assunte da tratti della catena polipeptidica. alfa-elica (abbondante nella cheratina) e foglietto beta (abbondante nella fibroina). Queste strutture sono comuni nelle diverse proteine in quanto derivano da legami idrogeno tra i gruppi N-H e C=O dell'ossatura polipeptidica e non coinvolgono le catene laterali degli aa. **Legami a idrogeno** si formano tra un atomo elettronegativo (es. ossigeno azoto) che ha una parziale carica negativa, si lega ad un atomo di idrogeno ,che ha parziale carica positiva, di un'altra molecola. Essendoci l'idrogeno in mezzo a due atomi elettronegativi di due molecole diverse di crea un'attrazione tra le due molecole. È un legame debole (due volte più lunghi dei legami covalenti) ma nel complesso quando sono tanti le strutture biologiche sono molto stabilizzate. **Struttura secondaria alfa-elica,** scoperta da Pauling e Corey nel 1951, ha una forma a spirale, costituita da uno scheletro polipeptidico da cui sporgono i gruppi R dei singoli amminoacidi. Per ogni giro dell'elica ci sono 3,6 aa. La vicinanza di un gruppo carbonilico (C-O) di un legame peptidico al gruppo imminico (N-H) di un altro legame peptidico porta alla formazione di un legame H tra di loro. I legami peptidici uniti dai legami H sono separati dai 3 aa. I ponti idrogeno sono generalmente paralleli all'asse dell' elica. **Struttura secondaria foglietto beta ripiegato,** struttura rigida ripiegata a soffietto, vi è l'alternanza dei gruppi. Si stabiliscono dei ponti idrogeni che creano la struttura a foglietto ripiegato della catena. A seconda dell'andamento della catena si può parlare di foglietto beta *parallelo* o *antiparallelo*, questi hanno direzionalità opposta. **Struttura terziaria**, è un livello superiore a quello della secondaria e consiste nello specifico ripiegamento della catena polipeptidica guidato da interazioni deboli e covalenti tra le catene laterali (gruppi R) degli amminoacidi che la compongono. Sono le interazioni tra i gruppi R a determinare la struttura della proteina. -Possono esserci delle *interazioni apolari* tra amminoacidi caratterizzati da gruppi R apolari i quali tendono, nelle soluzioni acquose, a raggrupparsi all'interno della proteina per evitare i contatti con l'acqua. -C'è la possibilità di formazione di *legami a idrogeno* tra gruppi R polari ma non carichi. \- Tra i gruppi R con carica opposta si creano dei *legami ionici*. \- Tra due residui di cisteina si crea un *ponte disolfuro* (legame covalente SS), anche se sono lontane infatti si avvicinano con l' avvolgimento della proteina. L'effetto complessivo delle interazioni deboli stabilizza la proteina in una precisa forma. **Interazioni di van der Waals**, quando due atomi si avvicinano l'uno all'altro risentono di una debole forza di attrazione che aumenta fino ad una distanza di 4 Å. Se gli atomi si avvicinano di più, le loro nubi elettroniche si respingono ed essi tendono a separarsi. Sebbene una singola forza sia molto debole, numerose forze attrattive di questo tipo si possono formare se le due macromolecole hanno superfici complementari. **Ponti disolfuro,** il legame covalente che contribuisce alla formazione della struttura terziaria. Si forma tra due cisteine dopo ossidazione. I gruppi SH perdono idrogeno e stabiliscono legame covalente tra di loro. Nelle situazioni riducenti il ponte di solfuro si rompe. In laboratorio per denaturare una proteina vengono utilizzate delle sostanze riducenti come il beta mercato etanolo. Si usa quando viene denaturata una proteina prima dell' elettroforesi. **Conformazione nativa**, una catena polipeptidica di dispone spontaneamente nella sua forma tridimensionale dopo la sintesi proteica o in vitro in presenza di adeguate concentrazione di sale e pH. La sequenza di aminoacidi determina la conformazione nativa che rappresenta la condizione più stabile per quella particolare sequenza di amminoacidi. **Denaturazione e riavvolgimento spontaneo di una proteina,** C. Anfinsen fece un esperimento: mette ribonucleasi in una miscela di beta mercato etanolo e di urea e riesce a denaturare la proteina portandola alla struttura primaria, una volta tolta da questo ambiente essa si riavvolge spontaneamente e torna ad avere attività. È importante quindi per una proteina stare nel giusto ambiente e condizione, quando i parametri ambientali variano la proteina può destrutturarsi e divenire biologicamente inattiva. Dogma di Anfinsen (1957). **Chaperoni molecolari**, famiglie di proteine che hanno lo scopo di aiutare le proteine non ripiegate o ripiegate male a raggiungere la propria conformazione tridimensionale. Per prima cosa si legano alla catena polipeptidica in fase di accrescimento. *Hsp70 (heat shock protein)* si legano alla catena in fase di allungamento mantenendola distesa e impedendole di legarsi ad altre proteine presenti nel citosol. Molti di questi polipeptidi vengono poi trasferiti in una **chaperonina**, complesso cilindrico contenente una camera in cui i polipeptidi appena sintetizzati possono ripiegarsi senza subire interferenza da parte di alcune molecole presenti nella cellula. Hsp70 sono proteine la cui attivazione dipende dall'innalzamento di temperatura (temperatura ottimale è 37 gradi), sono prodotte a conduzione stressante della cellula per far sì che le proteine tornino a funzionare regolarmente. Molte malattie sono dovute al difettoso ripiegamento di una proteina: -alcune patologie derivano da proteine che non sono in grado di raggiungere la loro struttura funzionale e che tendono a formare grossi aggregati (fibrille o forme amiolidi): Alzheimer, Parkinson, encefalopatia spongiforme. -in altri casi le mutazioni puntiformi generano proteine che non raggiungono la loro collocazione finale o che non sono più in grado di svolgere la loro funzione perché incapaci di legare con i substrati. Es. Fibrosi cistica: difetto nella proteina transmembrana che agisce come un canale degli ioni cloro nelle cellule epiteliali. La mutazione più comune è la delezione di un amminoacido e la proteina mutata non si avvolge correttamente. **Classificazione in base alla conformazione**, possono essere suddivise in due categorie: -*proteine globulari*, molecole compatte di forma approssimativamente sferica (ø 4-10nm) es. enzimi, ormoni -*proteine fibrose*, struttura tridimensionale allungata es. proteine strutturali (collagene, elastina, actina filamentosa, cheratina). Connessione tra struttura e funzione, il collagene ha forma di corsa, si formano delle fibrilla in estensibili di collagene con una resistenza alla trazione pari a quella dell'acacia io. Così come le le elastomeri sono tenute insieme da ponti proteici a formare la fibra elastica di consistenza gommosa. Ogni molecola quando la fibra viene tirata si allunga in una conformazione più distesa e si riavvolge appena rilasciata. Gli **enzimi** sono catalizzatori biologici, sono quindi in grado di favorire o accelerare determinate reazioni chimiche negli organismi viventi. Essi possiedono un'elevata specificità e affinità per un particolare substrato. Il substrato si lega in maniera debole al sito tramite i legami tra i gruppi R che sporgono verso il sito. Per le reazioni chimiche è necessaria un'energia di attivazione che talvolta può rappresentare una barriera, l'enzima abbassa questa energia di attivazione facendo in modo che la reazione avvenga in maniera più veloce rendendo i tempi di reazione compatibili con i tempi della vita. **Struttura quaternaria**, è il livello di strutturazione che deriva dall'interazione di 2 o più catene polipeptidiche, dette subunità della proteina, e dal loro assemblaggio. -Le subunità possono essere identiche o diverse, emoglobina ha due alfa e due beta, ognuna di queste ha una struttura terziaria completa, vengono chiamate globine alfa e beta. -i legami e le forze che stabilizzano una struttura quaternaria sono gli stessi che guidano la struttura terziaria. Non è detto che la struttura terziaria di una proteina sia univoca, i diversi tratti possono avere diversi tipi di struttura terziaria. Si parla di **domini** della proteina, zone diverse della stessa proteina caratterizzate da diverse strutture con funzioni peculiari che collaborano tra loro. Sono delle unità di funzione. Una proteina una volta che è stata sintetizzata può essere modificata, quindi coniugata a qualcos'altro. Può essere legata ad uno zucchero, viene chiamata glicosilazione di una proteina. Può essere fosforilata quindi viene aggiunto un gruppo fosfato. Sono i gruppi R ad essere modificati. Le modificazioni servono -per attivare o inattivare una proteina -per conferire a questa una sorta di indirizzo. **I cambiamenti conformazionali** sono indotti ad esempio da fosforilazioni o dal legame con un ligando. La fosforilazione per esempio può determinare l'attivazione di una proteina. **Classificazione delle proteine**: -*proteine semplici* se costituite solo da amminoacidi -*proteine coniugate* se alla proteina è legato un gruppo non proteico, indicato con il termine di **gruppo prostetico** \*glicoproteine (zucchero) \*lipoproteine (lipide) \*nucleoproteine (acidi nucleici) \*emoproteine (la frazione non proteica è il gruppo eme) \*metallo proteine (ioni metallici) \*fosfoproteine (acido fosforico) \*flavoproteine (nucleotidi flavinici FADH) **Gli acidi nucleici** Sono polimeri informazionali di notevole importanza biologica in quanto regolano i processi vitali e dirigono la costruzione di tutta la cellula. -il DNA è una molecola che per la sua struttura può essere duplicata, processo alla base della mitosi. È depositario di tutte le informazioni -RNA che svolgono ruoli diversi nell'espressione dell'informazione genetica \*mRNA, trasporta informazioni dai geni ai ribosomi \*tRNA, decodifica il messaggio del mRNA in catena polipeptidica \*rRNA, costituisce i ribosomi insieme a d Ci sono altri RNA che non hanno funzione codificante \*Piccoli RNA nucleari (snRNA) sono coinvolti nella maturazione degli mRNA. \*Piccoli RNA nucleolari (snoRNA) svolgono funzione cruciale nella maturazione delle molecole di rRNA \*Piccoli RNA citoplasmatici (scRNA) \*microRNA (miRNA) sono piccole molecole che regolano l'espressione genica a livello post-trascrizionale. L'mRNA i miRNA si legano ai messaggeri quando questa si lega all'mRNA essa blocca la traduzione. È molto importante perché potrebbero essere alterati e determinare alcune patologie come il diabete, oppure potrebbe essere utilizzato in modo terapeutico per evitare i tumori. I monomeri degli acidi nucleici sono i **nucleotidi**, sono molecole costituite da uno zucchero a 5 atomi di C, una base azotata legata al C1' dello zucchero e un gruppo fosfato legato al C5' dello zucchero. Il nucleotide è un **nucleoside monofosfato**. -Lo *zucchero* pentoso del DNA è il desossiribosio mentre nel RNA è il ribosio (la differenza è un ossigeno in meno nel carbonio due). -Il *gruppo fosfato* è derivato dall'acido fosforico (questo rilascia ioni H+). -Le *basi azotate* sono molecole cicliche planari, si dicono etero cicliche perché a formare gli anelli oltre che il carbonio c'è anche l'azoto. Nelle basi **primidiniche** (citosina, timina e uracile) c'è un anello esatomico mentre in quelle **puriniche** (Adenina e guanina) ci sono due anelli uno esatomico e l'altro pentatomico attaccati tra loro. Le reazioni sono sempre di condensazione, dalla formazione di un nucleotide infatti vengono create due molecole d'acqua. Il gruppo fosfato è legato al carbonio 5' con un legame che è chiamato fosfoestere (legame covalente tra fosforo e carbonio e c'è un ossigeno che fa da ponte tra i due atomi). Sono legami ad alta energia. Sono molecole poco variabili, ce ne sono 5 diversi distinti a seconda della base che legano. **Nucleoside** è la base insieme allo zucchero. Se consideriamo il nucleoside e la base azotata è la citosina la molecola prende il nome di *deossicitidina-5'-fosfato* mentre il nucleotide è chiamato *deossicitidina*. Come per l'adenina il nucleoside prende il nome di *deossiadenosina-5'-fosfato* mentre il nucleotide di *deossiadenosina*. È raro trovare nucleotidi liberi nel citosol,sono i nucleosidi trifosfati ad essere liberi nel citosol, quando si forma il polimero sono questi ultimi a dare l'energia necessaria alle reazioni di condensazione, possono infatti essere definiti come vettori temporanei di energia chimica (ATP). **L'ATP**, è una molecole formata da un ribosio, al carbonio 1' è legata l'adenina e al C 5' sono legati tre gruppi fosfati, il primo è legato allo zucchero con un legame fosfoestere, il secondo con il primo crea un legame **fosfoanidride** (in mezzo a due fosfori è presente un ossigeno) e lo stesso tipo di legame si instaura tra secondo e terzo fosfato. Questi legami sono ad alta energia infatti devono tenere insieme gruppi uguali tra loro tutti e tre carichi negativamente e che quindi tendono a respingersi tra loro. La reazione di defosforilazione (eliminazione di un gruppo fosfato tramite una molecola d'acqua) arrivando ad un adenosindifosfato più in fosfato la reazione è energicamente favorita quindi **esoergonica** (libera energia), può essere utilizzata per un lavoro cellulare o una sintesi chimica che richiede energia. L'aggiunta di un fosfato ad un adenosindifosfato richiede energia che viene ricavata dalla respirazione. Molte reazioni avvengono grazie al **GTP** e alla sua idrolisi, è come l'ATP ma al posto dell'adenina troviamo la guanina. Soprattutto I'm eventi legati alle proteine. L'informazione è contenuta nei geni che sono tratti di DNA. Il **gene** è un'entità codificante. Ci sono 64 codini/triplette che definiscono il codice genetico. Questa permette di decodificare i messaggi. Il codice genetico è *universale*, *non è ambiguo* ed è *degenerato* o *ridondante*. Gli acidi nucleici sono costituiti da catene polinucleotidiche cioè polimeri lineari che derivano dal legame covalente di ciascun nucleotide al successivo tramite un gruppo fosfato. La reazione è di condensazione dove il gruppo fosfato si lega al gruppo OH di un altro nucleotide liberando acqua e creando un legame fosfodiesterico. La direzione di crescita va da 5' a 3'. Una polimerasi catalizza la reazione di condensazione che porta alla formazione del legame fosfodiestere in cui viene eliminato un difosfato (gruppo pirofosfato ppi) e legano il nucleotide al 3' del nucleotide precedente con una reazione di condensazione ricavando energia. Le catene polinucleotidiche hanno quindi una direzionalità intrinseca, hanno un fosfato libero in 5' ad un'estremità è un carbonio con un gruppo OH libero in 3' dell'altra. **La struttura del DNA** È composta da due catene polinucleotidiche *complementari* e *antiparallele* avvolte verso destra attorno ad un asse comune. Chargaff giunge alla conclusione che la percentuale di guanine è uguale al numero di citosine, così come quello di adenine e timine, ma il numero di c è g e a e t è diverso. Anche Rosalind Franklin ha dato un importante contributo alla scoperta della struttura del DNA, era molto esperta nella rifrazione a raggi X e tramite delle foto era riuscita quasi a dimostrare la struttura elicoidale della molecola. Queste foto vennero rubate da Whinkins e date a Watson e Crick. L'etica ha come diametro 2 nm, 0,34 nm è la distanza tra un nucleotide e quello successivo. Si ha uno scheletro esterno di zucchero e fosfato che sono idrofilici, le basi azotate tendono a stare meglio verso l'interno. È la sequenza di basi a conferire la specificità alla catena. Le basi hanno tendenza all'idrofobicità rispetto agli zuccheri. Ciò che conferisce la complementarietà alle basi: -*l'ingombro sterico* costante (i due anelli purinici si legano sempre ad un anello pirimidinico). -formazione del *maggior numero di legami a idrogeno*, tra adenina e timina ci sono due legami a idrogeno mentre tra guanina e citosina ce ne sono tre ed è il numero massimo possibile di legami che si possano formare. È una molecola molto stabile, per romperli sono necessari enzimi (elicasi) o un aumento di temperatura. Nell'elica si creano due scanalature dette solco minore e maggiore. La più frequente struttura di DNA è quella di **tipo B** ma potrebbero trovarsi altri tipi di strutture come quella di tipo Z che ha un'elica sinistrorsa. Il concetto di complementarietà è molto importante anche nella comunicazione di informazione infatti il filamento fa da stampo. La creazione di un nuovo filamento avviene sempre in direzione 5'-\>3'. **RNA** -Tutti gli RNA vengono trascritti a partire da un filamento di DNA. -L'RNA è più corto del DNA -Hanno vita più corta infatti dopo che hanno portato a termine il loro compito vengono degradati Quello più studiato è il tRNA, queste molecole hanno forma di trifoglio, alcuni tratti sono legati tra loro in base alla complementarietà delle diverse zone. La terminazione 3' sporge ed è caratterizzata da una tripletta (ACC) alla quale viene legato nella sintesi proteica l'aminoacido, nella parte opposta c'è un\'ansa nella quale c'è una tripletta chiamata anticodone, il quale è complementare al cordone sull'RNA messaggero e si legherà in modo complementare e antiparallelo. Le anse laterali fanno in modo che l'RNA si posizioni in luoghi specifici del ribosoma. **I lipidi** Sono considerati macromolecole per il loro peso molecolare ma non sono polimeri. Comprendono composti eterogenei come struttura chimica ma sono accomunati dalla caratteristica di avere scarsa o nulla affinità con l'acqua. Hanno **comportamento idrofobo**, presentano infatti per la maggior parte dei casi gruppi apolari. Alcuni oltre al gruppo a polare possono avere piccole parti polari e in questo caso presentano un comportamento antipatico. Svolgono 4 ruoli principali: -*funzione riserva energetica* (trigliceridi) -*protezione meccanica e isolamento termico* (trigliceridi) -*funzione strutturale* (i fosfolipidi costituiscono l'impalcatura molecolare delle membrane cellulari) -*funzioni di segnalazione* (es. ormoni sessuali sono steroidi) **Acidi grassi** -sono componenti di altre classi di lipidi -sono costituiti da lunghe catene idrocarburiche non ramificate (apolari) con un numero variabile, in genere pari, di atomi di carbonio con un gruppo carbossilico ad un'estremità. Al termine di queste strutture generalmente c'è un gruppo acido (gruppo carbossilico polare). Alla fine della struttura è presente un gruppo metile e all'estremità opposta c'è un C=O- questa è la parte idrofila mentre la coda è la parte idrofoba. La loro struttura ne determina il comportamento **antipatico** in H2O. Il gruppo COOH rende idrofila, con la parte idrocarburica le molecole evitano l'acqua. Le **micelle** sono strutture sferiche e si formano quando le molecole di H2O si raggruppano attorno alle teste idrofiliche e le code apolari interagiscono tra loro formando una zona idrofobica centrale. È il principio su cui si basano anche i saponi, formano strutture sferiche e lo sporco viene inglobato all'interno della micella. Gli acidi grassi possono essere **saturi** o **insaturi** a seconda della forma della coda. Nella coda potrebbero esserci dei legami semplici tra i carboni oppure possono stabilirsi dei doppi legami e a livello del doppio legame la catena subisce un angolatura. Saturo, la catena è satura di idrogeni ed è *lineare*, negli insaturi ci sono meno atomi di idrogeno e dove c'è insaturazione mancano gli idrogeni e la catena è *piegata*. Ci sono degli acidi grassi *essenziali*: **\*omega 6** (acido linoleico), il carbonio iniziale della catena è detto alfa mentre quello terminale è detto omega. L'omega sei è caratterizzato dalla presenza di un doppio legame a partire dall' omega sei in posizione di C6. \***omega 3** (acido linolenico), da questo deriva **l'acido arachidonico**, precursore di importanti mediatori chimici dell'infiammazione e della mediazione pilastrinica. Gli acidi grassi saturi quando sono in acqua compattano mentre quelli insaturi non riescono a causa delle piegature della coda per cui sono più lassi. Gli acidi grassi saturi (grassi animali) tendono ad essere più *solidi* a temperatura ambiente mentre quelli insaturi (oli vegetali) sono più *liquidi*. Per questo si dice che i grassi saturi siano più dannosi per la salute essendo solidi. **Trigliceridi** Sono costituiti da tre acidi grassi che si combinano con un alcol chiamato **glicerolo** (caratterizzato da tre C ognuno dei quali si lega ad un gruppo ossidrile). Ogni acido grasso si combina con un ossidrile del glicerolo. La reazione che porta alla formazione di questo legame è di condensazione, con la formazione di acqua si crea un legame chiamato estere. Sono sintetizzati a step: monogliceride, digliceride e trigliceride. I tre acidi grassi legati al glicerolo possono essere uguali o diversi tra loro. Le catene sature hanno alte temperature di fusione mentre quelle insature hanno basse temperature di fusione. I trigliceridi sono sostanze totalmente idrofobe e si depositano nelle cellule del tessuto adiposo, vanno a costituire i **pannicoli adiposi**. Nelle donne i pannicoli sono maggiori anche in vista di un'eventuale gravidanza. Nell'immagine è rappresentato un tessuto adiposo bianco o uniloculare, in queste cellule i trigliceridi si accumulano in una grossa goccia lipidica che va a riempire il citoplasma delle cellula. Esse sono piuttosto grandi e bianche (quando di prepara una sezione istologica di tessuto adiposo, i solventi utilizzati vanno a sciogliere i lipidi quindi all'interno delle cellule non vediamo niente, ai margini ci sono dei residui di citoplasma e nucleo, forma di anello a castone). I pannicoli adiposi hanno anche funzione **isolante**, sono infatti a livello del sottocute, alcune specie abbondano di tessuto adiposo. I trigliceridi sono insaturi perché non solidificano tanto a queste basse temperature. I pinguini per esempio hanno il manto cosparso di una cera di fosfolipidi. **Fosfolipidi** Sono composti da: 1 glicerolo 2 acidi grassi 1 gruppo fosfato, dotati di carica negativa a cui è legata un'altra molecola dotata di carica (es. colina, serina, etanolammina) In acqua ha comportamento anfipatico. Ha due code idrofobiche ed una testa idrofilica. I fosfolipidi in acqua possono formare tre strutture: \**micelle* \**liposomi*, fosfolipidi sono disposti a doppio strato, al centro sono presenti le code mentre verso l'interno e l'esterno sono presenti le teste, all'interno c'è un un volume acquoso con cui sono in contatto le teste. Possono essere utilizzati per veicolare un farmaco all'interno delle cellule o a livello industriale. \**doppio strato* Le code dei fosfolipidi non vengono mai a contatto con l'acqua. Ci sono diversi tipi di fosfolipidi. **Sfingolipidi** Il glicerolo è sostituito dalla **sfingosina**, un amminoalcol a 18 atomi di C. Al gruppo amminico della sfingosina può essere legato, tramite un legame tra il gruppo carbossilico e il gruppo amminico, un acido grasso saturo dando origine ad una molecola di **Ceramide**. Si forma una struttura a forcina simile ad un fosfolipide. Sono abbondanti nelle membrane delle cellule nervose. **Sfingomieline**, sono date dalle ceramidi ma al CH2OH finale si lega un gruppo fosfato e per esempio una colina. Formano la *guaina mielinica.* **Glicolipidi**, sono più abbondanti nelle cellule nervose ad esempio le ceramidi che legano un monosaccaride si chiamano *cerebrosidi*, oppure possono legare un oligosaccaride formando il *ganglioside*. Anche le **cere** sono costituite da lunghe catene di acidi grassi, la cuticola delle foglie o le penne degli uccelli sono rivestite da cere. Anche esse sono idrofobiche. **Steroidi** Condividono lo stesso scheletro fondamentale a quattro *anelli condensati*. A questi anelli si aggiungono dei sostituenti legati ai diversi tipi di carboni. Ne esistono diversi tipi: -*colesterolo*, molecola anfipatica, agli anelli sono legati dei gruppi metilici più un ossidrile che fornisce una parte idrofila. Può essere utilizzato da alcune cellule per produrre ormoni come il colesterolo, l'estrogeno, i glucocorticoidi oppure i mineralcorticoidi. Esempio è anche la vitamina D2. **Terpeni o Terpenoidi** Hanno come unità di base l'isoprene. Sono sostanze profumate generalmente. Anche la vitamina A è un terpene. Un esempio di terpene è il dolicolo presente nelle membrane del RER. **Struttura della membrana plasmatica** Le membrane cellulari sono utili a compartimentalizzare la cellula -rappresenta una *barriera* tra le cellula e l'esterno, questa barriera è dotata di *permeabilità selettiva* -è in grado di *ricevere informazioni* -consente la *comunicazione* e il *legame* con altre cellule o con la matrice extracellulare Le membrane biologiche sono strutture sopramolecolari che derivano dall'associazione di molecole che sono legate ad un livello di organizzazione superiore. Sono costituite da: -lipidi (40%) principalmente fosfolipidi, ma anche glicolipidi, sfingolipidi e steroidi nelle cellule eucariotiche -proteine (50-55% del peso secco) sia strutturali che dotate di attività enzimatica, antigenica, di trasporto ecc. -carboidrati (5-8%) in forma di oligosaccaridi legati proteine e lipidi. Il colesterolo è componente delle membrane e viene ingerito solo mediante cellule animali, infatti non è presente in quelle vegetali ci sono però altri tipi di steroli. I lipidi di membrana hanno caratteristiche anfipatiche,le code idrofobiche evitano il contatto con l'acqua, la loro disposizione è favorita termodinamicamente. A livello delle code è presente un sigillo idrofobico che è impermeabile a tutto ciò che è idrofilico. I doppi strati non sono mai fluttuanti quindi ma termodinamicamente tendono sempre ad autosigillarsi. La capacità autosigillante è alla base della dinamicità delle membrane, da qui derivano processi come la fusione di membrane o esocitosi. Lo studio delle membrane è durato molti anni, sono infatti stati elaborati diversi modelli: -*Overton* 1890, trova una correlazione tra natura lipofilica di una sostanza e facilità di penetrazione nella cellula e conclude che la superficie delle cellule è rivestita da lipidi -*Langmuir* 1900, si comprende che i lipidi di membrana sono anfipatici e che in una soluzione acquosa potrebbero disporsi a formare un doppio strato con le teste verso l'acqua. -*Gorter e Grendel* 1925, estraggono lipidi da un numero definito di globuli rossi e spargono questi su una soluzione acquosa e vedono che la superficie rivestita è il doppio della superficie del globulo rosso, arrivano a comprendere che probabilmente i lipidi sono in doppio strato -*Davson e Danielli* 1940, propongono un modello costituito da un doppio strato rivestito da proteine -Robertson 1960 -*Singer e Nicolson* 1972, modello a **mosaico fluido** le proteine sono rappresentate come immerse nel doppio strato lipidico ovvero le proteine sono immerse come se fossero iceberg La membrana è stata osservata solo dopo la scoperta del microscopio elettronico avvenuta nel 1939, infatti questo strumento è in grado di risolvere dettagli nanometrici. La membrana ha aspetto trilaminare (formata da tre strati) infatti presenta due linee e più sottili e scure e una più spessa e chiara. Lo spessore è variabile ma sta intorno ai 6,5/7 nm. Questo tipo di struttura è stata osservata anche nelle membrane interne delle cellule, Robertson nel 1960 definisce la membrana della cellula come unitaria poiché hanno sempre la stessa ultra struttura. Modello a mosaico fluido, le molecole che costituiscono le membrane non sono statiche e rigidamente posizionate. I lipidi sono disposti in uno strato bimolecolare fluido, forniscono l'impalcatura di base e si comportano da barriera impermeabile nei confronti di altre sostanze, facendo anche dei movimenti. Le proteine che contribuiscono alla struttura e alle funzioni della membrana sono disperse nella matrice fosfolipidica come singole tessere di un mosaico. Unwin è Henderson 1975, raffinano il modello precedente affermando che le proteine di membrana hanno almeno un segmento inserito nella membrana organizzato in alfa-elica. Le membrane dei globuli rossi sono state il modello nello studio di membrana, sono cellule ideali perché privi degli organuli tipici delle cellule eucariotiche. Vengono separati i globuli rossi dal plasma e una volta messi in soluzione ipotonica, si verifica entrata di acqua nei globuli rossi che essendo ipertonici alla fine scoppiano, l'emoglobina viene rilasciata e così si possono ottenere delle membrane pulite da altre componenti cellulari, queste membrane sono state chiamate ghost dei globuli rossi. Questi possono essere studiati con varie tecniche. Una di queste tecniche è la **freeze-fracture**, il campione viene congelato una azoti liquido e viene poi fratturato tramite un colpo secco con il filo di una lama, la frattura nel blocco di ghiaccio si propaga seguendo le membrane e aprendola (nella parte dove le code fosfolipidiche si toccano) poiché è la zona di minor resistenza. Si creano due superfici: -*superficie di frattura P o protoplasmatica,*rivolta verso interno della membrana -*superficie di frattura E*, rivolta verso esterno Si notano delle protuberanze e delle conche in corrispondenza del luogo dove si trovano le proteine. La superficie P presenta una densità maggiore di proteine. Non è facile separare le proteine dal doppio strato infatti per studiarle è necessario scioglierlo. Le proteine si possono classificare: -*integrali o intrinseche* \*monotopiche, immerse parzialmente nel doppio strato, interagiscono solo con uno dei due (rare) \*transmembrana, sono inserite totalmente nel doppio strato avendo anche dei tratti esterni alla membrana,a loro volta si possono distinguere in monopasso e multipasso) -*periferiche o estrinseche,* sono adagiate sulla superficie esterna o interna della membrana, sono legate con legami non covalenti ai gruppi polari della testa delle molecole lipidiche ad una proteina integrale -*legate ai lipidi*, con legami covalenti a un fosfolipide o a un acido grasso incluso in uno dei due foglietti del doppio strato (es. proteine legate a GPI, glicosil fosfoinositolo) **Proteine integrali**, le regioni delle proteine integrali insediate nell'ambiente idrofobico del doppio strato lipidico sono composte in gran parte da amminoacidi con gruppi R idrofobici, compatibili con l'ambiente. Le parti esterne sono costituite da amminoacidi con gruppo R polare, si parla infatti di domini polari e apolari della proteina. I domini apolari transmembrana sono caratterizzati prevalentemente da una struttura secondaria ad alfa elica con le catene laterali idrofobiche degli amminoacidi rivolte verso l'esterno, stabilendo interazioni idrofobiche con le code dei fosfolipidi. I legami sono molto forti. La proteina può essere monopasso e quindi si ha un solo segmento ad alfa elica o multi passo e quindi avrà molti segmenti idrofobici. Spesso capita che i gruppi idrofobici si dispongano a formare una sorta di cilindro, l'alta elica presente dei gruppi R idrofobici verso l'esterno (dell'alfa elica) e dei gruppi R idrofilici verso l'interno della struttura cilindrica, la molecola è quindi antipatica. Si creano quindi dei pori idrofilici, ovvero dei pori attraverso i quali è possibile il passaggio di molecole idrofiliche. Esistono anche delle proteine integrali multi passo a foglietto beta. Anche in questo caso si tratta di proteine che tendenzialmente hanno gruppi R idrofobici. Se i foglietti beta si associano a formare una struttura circolare si crea anche in questo caso un poro idrofilico, sono presenti quindi tratti con dei gruppi R rivolti verso il poro di natura idrofilica. Si crea una struttura chiamata barile beta costituita da foglietti legati da legami idrogeno, questi tipi di proteine formano le porine, alcune sono altamente specifiche come le H2O porine le quali fanno passare l'acqua. Le proteine di membrana espletano varie funzioni ed imprimono ad ogni organulo circondato da membrana la sua prerogativa: -*trasporto* \*una proteina che attraversa lo spessore della membrana può formare un canale idrofilico selettivo per un determinato soluto \*alcune idrolizzano ATP come fonte di energia per pompare attivamente una sostanza attraverso la membrana, fanno da veicolo della sostanza la trasportano quindi in modo attivo -attività *enzimatica*, la proteina ha attività enzimatica con il sito attivo esposto alle sostanze dell'ambiente circostante, spesso questi enzimi sono associati a formare complessi che catalizzano tappe diverse della stessa via metabolica (es. catena di trasporto degli elettroni). Le membrane danno solo supporto a questi enzimi. -*riconoscimento* tra cellule, alcune glicoproteine di membrana agiscono da segnali di identificazione riconosciuti da altre cellule. Esse sono gli antigeni di superficie che identificano il tipo cellulare, ogni tipo cellulare ha glicoproteine diverse. È definibile "complesso maggiore di istocompatibilità" in quanto sono le proteine che danno problemi durante i trapianti, se non c'è compatibilità tra gli antigeni si crea una reazione immunitaria. -*adesione* al citoscheletro e alla matrice extracellulare, i microfilamenti e i filamenti intermedi possono essere legati a proteine di membrana fissandone la posizione e contribuendo al mantenimento della forma della cellula. Possono legarsi anche a filamenti extracellulari per esempio alle fibre collagene, in questo modo la cellula è ancorata alla matrice extracellulare -*trasduzione* del segnale, può avere un sito di legame di forma complementare ad un messaggero chimico , es. un ormone. I recettori captano i segnali legandoli e iniziamo una risposta cellulare, fanno in modo che il segnale si trasformi in una risposta cellulare. Il messaggero esterno induce un cambiamento conformazionale della proteina che trasmette il messaggio all'interno della cellula. -adesione intercellulare, le proteine di membrana di cellule adiacenti possono unirsi per formare diversi tipi di giunzioni **Proprietà della membrana plasmatica** È dotata di proprietà **dinamiche**, sono infatti in grado di espandersi per aumentare la superficie cellulare, di introflettersi e di ripararsi -*movimenti cellulari* (es. amebe) -*divisione cellulare* (es. citodieresi) -*fusione membrane* grazie a coesività spontanea (es. fecondazione). Per dimostrare la fluidità delle membrane sono stati realizzati degli esperimenti. Esperimento: sono stati presi due tipi di cellule diverse: quelle di topo e quelle umane le proteine di membrana sono state marcate con degli anticorpi fluorescenti, quelle del topo con rodamina (rosso) e quelle dell'uomo con fluoresceina (verde). Poi è stata realizzata una fusione con un impulso elettrico, la cellula risultante aveva una porzione distinguibile rossa e una verde, dopo un'incubazione di circa mezz'ora a temperatura di 37 gradi, il rosso e il verde erano mescolati. Da questo si è dedotto che le proteine di membrana possono cambiare posizione all'interno di essa. Si è dimostrato anche al microscopio elettronico con una freeze-fracture. Se si applica un campo elettrico a una cellula dove le proteine di membrana sono ben distribuite e poi si blocca il tutto con un fissativo per guardare la cellula al microscopio si nota che molte proteine sono state attratte verso un polo della cellula. Si sono quindi mosse dalla posizione originaria. Un'altra tecnica per dimostrare questa proprietà delle proteine di membrana è guardarle tramite un microscopio ottico a fluorescenza (Frap). Si hanno delle cellule con proteine di membrana marcate con sostanze fluorescenti, si applica in un punto un raggio laser andando a creare una zona della cellula inibita (non si vede la zona di fluorescenza colpita dal raggio laser). Si lasciano le cellule e per un certo periodo a riposo e in seguito al riposo si osserva che l'area glitchata non c'è più. Le proteine sono quindi migrate. La maggior parte delle molecole lipidiche e proteiche possono ruotare e spostarsi lateralmente entro ciascuno dei due strati (è raro e vale solo per i fosfolipidi il movimento flip-flop catalizzata da flippasi-floppasi-scrambiasi) Le proteine di muovono perché il doppio stato è fluido: -*rotazione su sé stesso*, una volta ogni 10 alla-9 secondi -*diffusione laterale*, movimento di diffusione laterale all'interno del proprio strato una volta ogni 10 alla-6 secondi -*inversione* da uno strato all'altro, non è un movimento spontaneo ma è una reazione catalizzata da enzimi flippasi (movimento flip-flop) una volta ogni 10 alla 5 secondi. La cellula è in grado di regolare la fluidità di membrana, questa è in relazione alla temperatura, sopra la temperatura di transizione (per un certo range) le molecole possono muoversi liberamente, anche se mantengono un elevato livello di ordine, mentre sotto la temperatura di transizione il movimento delle molecole è limitato. Ogni membrana ha la propria temperatura di transizione in funzione della composizione, per esempio cambia la lunghezza idrocarburiche dei fosfolipidi, se la lunghezza è maggiore la fluidità diminuisce (questo perché essendo le code più lunghe possono creare più legami, aumentando i legami diminuisce la mobilità). Un altro fattore che influisce sulla fluidità è la presenza o l'assenza di acidi grassi insaturi. L'altra caratteristica è la presenza o l'assenza di colesterolo che si inserisce tra i fosfolipidi e blocca il movimento. Anche la presenza di proteine è di impatto perché la loro densità influisce sulla fluidità di membrana. Gli organismi che vivono a temperature basse hanno una membrana ricca di acidi grassi polinsaturi, la palma per esempio è più ricca di grassi saturi perché tarata su temperature più elevate. Il colesterolo, si interpone tra le code dei fosfolipidi rendendo il bilayer lipidico meno fluido. Esso è anfipatico poiché ha un'estremità idrofilica (OH) perciò si inserisce nei doppi strati con gli anelli immersi a contatto con gli acidi grassi dei fosfolipidi e l'OH che sporge verso le estremità idrofiliche e molto spesso stabilisce dei legami a idrogeno con le teste idrofiliche dei fosfolipidi. Esso assesta le membrane irrigidendole parzialmente, se la temperatura dovesse scendere di molto ha azione opposta e impedisce che le membrane si compattino troppo. Se ci sono acidi grassi saturi troviamo doppi strati compatti, se ci sono fosfolipidi insaturi troviamo doppi strati fluidi e più permeabili, se c'è il colesterolo troviamo un doppio strato la cui fluidità è regolata dallo steroide. In funzione della composizione delle membrane può cambiare anche il suo spessore. Se le code sono insature, la membrana è probabilmente più sottile, se sono sature sarà più spessa, la presenza di colesterolo tende ad aumentare maggiormente lo spessore della membrana, se la membrana è ricca di sfingolipidi la membrana è più spessa. **Zattere lipidiche**, l'interazione tra i fosfolipidi è favorita quando i lipidi appartengono alla stessa classe: gli sfingolipidi che hanno code idrocarburiche più lunghe di separano dai fosfolipidi formando isole più ricche di colesterolo. In questi raggruppamenti il colesterolo è più presente. Queste zattere ospitano più proteine rispetto al resto del doppio strato, le molecole proteiche intrinseche sono circondate da lipidi (lipidi di delimitazione) che formano insieme alla proteina un **dominio lipoproteico** in genere meno mobile dei lipidi circostanti. La dinamicità dei raft lipidici si può osservare sempre marcando le proteine e osservando che partendo da una situazione di distribuzione omogenea dopo un tot di tempo c'è un'associazione di proteine in blocchi (raft lipidici). Le cellule spesso raggruppano le proteine in zone specifiche della membrana i quali vengono chiamati domini di membrana. Le proteine vengono ancorate: -allo strato corticale interno di filamenti proteici del citoscheletro -a molecole della matrice extracellulare -a proteine situate sulla superficie di un'altra cellula (es. giunzione occludente, metodo utilizzato da alcune cellule per bloccare il movimento delle proteine, le cellule intestinali hanno una parte apicale e una baso laterale. Con la parte apicale sono rivolte verso l'interno dell'intestino e hanno delle estroflessioni della membrana chiamate microvilli, la giunzione occludente è creata in modo tale che i nutrienti non passino tra una cellula e l'altra, in secondo luogo fanno in modo che quelle proteine di trasporto non si muovano all'interno della membrana, ogni parte della membrana ha le proteine più adatte alla funzione che quella parte riveste). Le proteine vengono inserite nella membrana con un certo orientamento e questo non può essere cambiato, possono al massimo spostarsi lateralmente ma non capovolgersi, questo infatti sarebbe deleterio per il suo funzionamento. Oltre alla fluidità si dice che la membrana è **asimmetrica**, un elemento che dà asimmetria alla membrana è la composizione fosfolipidica (es. La fosfadilserima è presente soltanto nel foglietto interno), le proteine sono inserite con un determinato orientamento e questo conferisce maggiore asimmetria. Un altro elemento è la presenza di carboidrati sulla superficie esterna della membrana. Essi non sono mai rivolti verso l'interno della cellula. Tutti i fosfolipidi hanno una presenza diversa nella membrana e si trovano in maggiore o minore quantità nei foglietti interni ed esterni. La fosfatidilserina per esempio si trova solo nel foglietti interno delle cellule sane, quando avviene la morte programmata la fosfatidilserina viene esposta sul foglietto esterno, questo perché essa costituisce un segnale denominato "eat me" che indica che la cellula sta andando in apoptosi e va eliminata (dalle altre cellule che si improvvisano fagociti). **Gli zuccheri,** possono essere o legati a proteine di membrana oppure a dei lipidi della membrana. Normalmente si tratta di catene corte (oligosaccaridi). Gli zuccheri prevalenti sono mannosio, glucosio, Naceltiglucosammina, sulle membrane dei globuli rossi è presente acido sialico. Sono glicosilati verso l'esterno. Se sono abbondanti vanno a costituire un involucro esterno chiamato **glicocalice,** è utile nella protezione della cellula, è abbondante nelle cellule che si trovano in ambienti estremi, o se si trova in una flora batterica. Sulla coltre di microvilli nelle cellule intestinali, è possibile vedere il glicocalice. Gli oligosaccaridi di superficie hanno funzione protettiva e sono indispensabili nel riconoscimento tra cellule (es. gruppi sanguigni). Ciò che contraddistingue i diversi gruppi sanguigni sono proprio gli oligosaccaridi sulla superficie. L'antigene A presenta un N-acetilglucosamina in più rispetto all'antigene 0, l'antigene B presenta un galattosio in più. Se un soggetto del gruppo A riceve sangue da un soggetto del gruppo B, inizia a produrre anticorpi contro quell'antigene e questo provocherà una reazione emolitica. Alcuni globuli bianchi in circolo vengono richiamati ad un sito di infezione,quando c'è un'infezione in corso vengono rilasciati dei mediatori chimici che inducono le cellule che rivestono un vaso sanguigno ad esporre sulla loro membrana dei recettori che riconoscono degli zuccheri superficiali dei globuli bianchi. Il globulo bianco viene catturato dalla cellula endoteliale, con un movimento ameboide esce dalla membrana e raggiunge il sito dell'infezione, questo processo è sempre basato sul riconoscimento da parte dei recettori sui vasi sanguigni, degli antigeni sui globuli bianchi. **Il trasporto attraverso le membrane** Una caratteristica essenziale di ogni cellula è di ogni compartimento subcellulare è costituita dalla capacità di accumulare molte sostanze a concentrazioni molto diverse dall'ambiente circostante. Il bilayer lipidico è un doppio strato dotato di una permeabilità selettiva. Con **permeabilità di membrana** si intende la facilità con cui una molecola può penetrare nel doppio strato fosfolipidico. Ci sono sostanze che passano attraverso il bilayer e altre che invece non passano. -i *gas* diffondono rapidamente (O2, CO2, N2) -*molecole solubili* nei lipidi tendono a diffondere (ormoni steroidei) -*piccole molecole polari non cariche in modo netto*, diffondono anche se in tempi lunghi (H2O, glicerolo, etanolo) -*grosse molecole* polari non cariche in modo netto (aminoacidi, glucosio, nucleotidi), *molecole polari cariche e ioni* (H+, Na+, K+, Cl-...)non permeano Siccome alcune sostanze non permeano esistono delle proteine che mediano il trasporto di sostanze necessarie alla cellula, facendo in modo che le sostanze passino in tempi utili alla vita cellulare. Le proteine di trasporto sono **proteine integrali** di membrana ma dal punto di vista strutturale e funzionale si dividono in due tipi: -*proteine canale,* formano dei pori idrofili nello spessore del doppio strato. Alcuni canali ionici sono chiamati *porine* e sono meno specifici mentre altri sono altamente specifici per un determinato ione, inoltre possono avere conformazione aperta o chiusa. -*proteine di trasporto,* hanno la possibilità di legare un soluto preciso e di cambiare conformazione facendo modo che il soluto venga veicolato dall'altra parte della membrana. Viene effettuato solo da trasportatori (non canali) chiamati **pompe**. La membrana sa effettuare diversi tipi di trasporto: -*diffusione semplice*, diffusione attraverso il bilayer lipidico è semplice perché non sono necessarie proteine, è spontaneo perché il trasporto avviene da dove il soluto è più concentrato a dove lo è meno quindi seguendo il gradiente di concentrazione -*diffusione facilitata o trasporto passivo*,è sempre un processo spontaneo , avviene sempre secondo gradiente ma richiede l'intervento di proteine (canale o trasportatori), è passivo perché non richiede energia -*trasporto attivo*, si verifica quando il soluto viene trasportato contro gradiente, richiede l'utilizzo di energia il processo infatti è endoergonico, viene effettuato da un certo tipo di trasportatori chiamati pompe. **La diffusione,** è la tendenza delle molecole di una qualsiasi sostanza a diffondere nello spazio disponibile, conseguenza dell'energia cinetica delle molecole. Seguono il secondo principio della termodinamica. La diffusione semplice di un soluto attraverso una membrana è il movimento netto di sostanze da un'area a concentrazione maggiore a concentrazione minore. Una volta raggiunto l'equilibrio vi sarà un flusso bidirezionale uguale. **L'osmosi**, si riferisce al movimento del solvente. Per le sue caratteristiche il doppio strato fosfolipidico è semipermeabile (permeabile al solvente ma non al soluto). Se prendiamo un recipiente diviso da una membrana semipermeabile, da una parte mettiamo una soluzione di NaCl dall'altra parte mettiamo dell'acqua pura, vedo che l'acqua passa dalla zona meno concentrata alla zona più concentrata infatti il soluto non può attraversare la membrana a differenza dell'acqua. L'acqua si muove seguendo il suo gradiente di concentrazione.La colonna che si viene a formare esercita una pressione osmotica. I movimenti dell'acqua avvengono in base alla quantità di soluto. Avviene in base alla *tonicità* o *osmolarità*. Il passaggio osmotico dell'acqua all'interno o esterno è in base alla tonicità della cellula. Se i globuli rossi si trovano in una soluzione isotonica, l'acqua esce ed entra dal globulo rosso ma senza un flusso netto, se invece il globulo rosso viene inserito in una soluzione ipertonica la cellula subirà una perdita netta di acqua, mentre se immerso in una soluzione ipotonica il globulo rosso si gonfierà d'acqua fino a svuotarsi (ghost). Nelle cellule vegetali è importante l'osmosi in quanto soprattutto in quelle acquatiche l'acqua poiché tende ad essere ipotonica entra e crea turgore. Nelle cellule sono presenti dei meccanismi che servono a regolare la pressione osmotica, nelle cellule animali esistono per esempio delle pompe di membrana che fanno uscire ioni dalla cellula garantendo minor tonicità, le cellule vegetali invece hanno i vacuoli. **Trasporti mediati da proteine**, la cellula scambia con l'ambiente nutrienti come zuccheri e aminoacidi e regola la concentrazione intracellulare di ioni (H+,Na+,K+,Ca) a cui il doppio strato fosfolipidico è impermeabile. Per ciascuna categoria di molecole esistono tante categorie diverse di trasportatori, sono infatti altamente specifici. Se il processo di trasporto è esoergonico viene definito diffusione facilitata o trasporto passivo, se invece il processo di trasporto è endoergonico si parla di trasporto attivo. **Modello delle conformazioni alternative**, le proteine trasportatrici (carrier, vettori) lavorano secondo il modello delle conformazioni alternative ovvero fluttuano tra due conformazioni, ciò che fa cambiare loro conformazione è il legame con il soluto. Esse hanno un sito di legame per una specifica molecola, il legame va a scatenare il cambiamento conformazionale. La conformazione A ha il sito esposto verso un lato della membrana mentre quella B ha il sito esposto verso l'altro lato. Questo vettore lavora in funzione del gradiente. Si possono riconoscere tre fasi: -riconoscimento e legame con il soluto -cambiamento di conformazione e rilascio del soluto -recupero della conformazione originale È possibile distinguere il trasporto facilitato da una diffusione semplice per la cinetica del trasporto. Su un grafico, all'aumentare del gradiente aumenta la velocità di diffusione ma nel caso della diffusione semplice c'è un aumento lineare e costante mentre nel caso della diffusione facilitata la curva è iperbolica (inizio più velocemente ma poi va più lineare). La cinetica va a saturazione, nella membrana c'è un numero finito di trasportatori, quando questi sono occupati non c'è possibilità di aumentare il loro numero, inoltre il cambiamento di conformazione richiede un tempo determinato. **Vettore del glucosio**, si chiama GLUT2, esso può alternare due conformazioni, T1 e T2, l'1 ha il sito esposto verso l'esterno della cellula quando la glicemia è bassa il glucosio si lega al trasportatore, la proteina cambia conformazione rilasciando il glucosio all'interno della cellula. Quando invece la glicemia è alta e quindi avviene una glicogenolisi, il vettore lega il glucosio e lo porta fuori, segue quindi gradiente di concentrazione. **Il trasporto attivo**, le pompe di membrana sono necessarie per mantenere delle concentrazioni ioniche diverse tra esterno e interno della cellula. I trasportatori usano energia per fare questo lavoro. Le pompe usano energia in diversi modo -pompe ad ATP che sono capaci di accoppiare il trasporto contro gradiente di una sostanza all'idrolisi dell'ATP. L'idrolisi porta alla fosforilazione di una pompa (+P) e questa reazione fa cambiare conformazione alla pompa. In questo modo il soluto viene portato dalla parte opposta. -altre pompe realizzano dei trasporti accoppiati in cui una delle due sostanze viene portata secondo gradiente mentre l'altra contro. Viene quindi sfruttare quindi l'energia del gradiente di una sostanza per trasportate anche l'altra. -alcune pompe sono alimentate da altre fonti di energia come per esempio la luce A cavallo delle membrane c'è una distribuzione asimmetrica di ioni, nelle cellule c'è abbondanza di ioni K+, fuori invece abbonda Na+. Questa distribuzione asimmetrica viene mantenuta dalle pompe ioniche, questo è importante perché oltre alle pompe sono presenti i canali che dissipano i gradienti. **I principali tipi di pompe** -ATPasi Na+/K+ dipendente (pompa sodio-potassio), mantiene la differenza di concentrazione ionica tra interno ed esterno della cellula,coinvolta nella genesi del potenziale di membrana. Il suo funzionamento è stato scoperto nel 1997. La pompa ha un sito che lega ATP e ha dei siti di legame per l'Na+ che sono rivolti verso l'interno della cellula, in questa conformazione la pompa ne lega tre, il legame scatena l'attività ATPasica della pompa, l'ATP viene fosforilata ad ADP, essendo "riempita" da Nac la pompa passa da conformazione E1 a conformazione E2. Il sodio viene rilasciato all'esterno, in questa conformazione (E2) la pompa è più affine al K e avviene il legame con due ioni K+, il legame con questi ioni comporta la defosforilazione della pompa K+ (il fosfato viene rilasciato), in questo modo la pompa cambia nuovamente conformazione -*ATPasi protoniche*, trasportano H+ all\'esterno della cellula o all'interno dei lisosomi -*ATPasi per il Ca2+*, mantengono basso il livello di Ca2+ intracellulare \*plasma membrane Ca2+ ATPase (PMCA) \*sarcoplasmatic-endoplasmatic reticulum Ca2+ATPase (SERCA), si trova sulle pompe del RE, attraverso questa il calcio nel citoplasma viene mantenuto ad una concentrazione di 10 alla-7 molare. La pompa serca è molto espressa a livello delle membrane del reticolo sarcoplasmatico (RE tipico delle cellule muscolari), fa in modo che venga accumulato calcio poiché questo innesca la contrazione. La pompa ha una parte sporgente verso il citosol, grazie all'ATP la pompa viene fosforilata (viene aggiunto un P ad un amminoacido (acido aspartico)) nella parte che è esposta verso il citosol, cambia conformazione e il Ca può entrare nel sito di legame in questo modo lo ione viene trasportato nel lume del reticolo sarcoplasmatico. Oltre alle pompe ad ATP ne esistono di altri tipo come le ATP binding cassette, una di queste è la pompa MultiDrugResistance, essa è stata scoperta nelle cellule tumorali è ampiamente espressa in queste, soprattutto dopo che la cellula tumorale è stata esposta a dei farmaci chemioterapici caratterizzati da una lipofili (idrofobici). Chiamata in seguito glicoproteina P (ha due zuccheri che sporgono verso la membrana) e ha due domini che legano ATP, l' idrolisi di questa permette l'espulsione (attiva) del farmaco dalla cellula. Il farmaco è entrato nella membrana in quanto idrofobico ma la cellula tramite la pompa lo espelle. In questo modo la cellula tumorale resiste ai farmaci diminuendone la concentrazione. Non tutti gli individui la esprimono allo stesso modo. Ci sono delle pompe che sfruttano dei **trasporti accoppiati** , il trasporto di una molecola è dipendente dal trasporto simultaneo di un'altra. Il **cotrasporto** può essere un: -*simporto*, il trasporto delle molecole avviene nella stessa direzione -*antiporto*, le due sostanze vengono trasportate in direzioni opposte (es. pompa sodio-potassio) Il **trasporto attivo secondario**, si avvale da un energia potenziale data dal gradiente chimico o elettrochimico di una delle due sostanze. Questo dipende dal fatto che lo ione ha una concentrazione diversa dai due lati della membrana, il che porta anche ad una diversa concentrazione di cariche (es. gradiente Na+). Alcune pompe utilizzano l'energia degli ioni per trasportare delle molecole contro gradiente. È detto secondario perché per creare un gradiente si usa ATP, i due meccanismi di trasporto lavorano insieme, la pompa sodio-potassio (usando ATP) porta fuori Na+ il quale viene sfruttato dalla pompa secondaria. La **pompa del glucosio** è un esempio di co-trasporto attivo secondario**.** A livello intestinale interviene una pompa per il glucosio. L'intestino è un organo chiuso e ha una cavità all'interno, la superficie interna non è liscia ma sono presenti delle estroflessioni: quelle più grandi sono chiamate **plica** su queste ce ne sono di più piccole chiamate **villi**. Il villo ha all'interno dei capillari, un connettivo e sulla superficie rivolta verso il lume c'è l'epitelio intestinale sulla superficie della cellula intestinale ha dei **microvilli,** questi sono rivolti verso il lume infatti sono necessari per assorbire i nutrimenti. A livello dei microvilli si trova un simporto Na+/glucosio, una pompa secondaria che sfrutta il sodio per accumulare glucosio all'interno della cellula contro gradiente. Sulla parte basale della cellula c'è una membrana che si appoggia sul connettivo sottostante. Qua c'è un **vettore del glucosio** passivo che lo porta sotto verso la matrice extracellulare e finirà nel sangue (capillari nel tessuto connettivo), i capillari dei villi confluiscono nella vena porta che porta tutti i nutrimenti al fegato. La pompa trasporta un glucosio con 2 Na+, continua a trasportare finché c'è abbastanza sodio fuori e il gradiente deve essere mantenuto (da pompa sodio-potassio situata nelle membrane laterali della cellula) affinché funzioni la pompa. Un altro esempio è l'antiporto Na+/Ca2+ nei cardiomiociti (costituiscono la membrana del cuore, cellule muscolari), le cellule si contraggono in modo involontario, perché avvenga serve Ca ma questo nella fase di rilassamento della cellula deve ritornare livelli bassi. Oltre ad avere la pompa serca questa cellula ha un antiporto sulla membrana che rende più efficiente la diminuizione del calcio sfruttando il gradiente di Na+. Questo consiste in un trasporto di tre ioni Na verso l'interno del cardiomiocita e di uno ione verso l'esterno. Ci sono dei farmaci chiamati **glicosidi cardiaci** che servono per l' insufficienza cardiaca (es. digossina ricavata dalla digitale) essi inibiscono la Na+/K+ATPasi, il sodio extarcellulare diminuisce e di conseguenza diminuisce il suo gradiente di concentrazione, il Ca2+ è espulso più lentamente dall' antiporto, il Ca2+ intracellulare aumenta e di conseguenza aumenta la forza di contrazione del cuore. Il Ca nella cellula viene rilasciato dal reticolo sardo plasmatico in conseguenza di un impulso. **Proteine canale (integrali)** -formano il *"tunnel idrofilo"* nella membrana -garantiscono *passaggi molto veloci secondo gradiente* (praticamente non saturabili fino a 1.000.000 di ioni/sec) -dotati di *"gating"* (possono essere aperti o chiusi), il cambiamento di conformazione non è determinato da ciò che trasportano -dotati di *un'elevata selettività* Il canale per il potassio ha uno spazio chiamato **vestibolo,** attraverso il suo canale il K si sposta dall'interno verso l'esterno (è molto concentrato nella cellula). Nel primo caso (immagine) il vestibolo è chiuso perché ci sono degli aminoacidi vicini tra di loro (sono residui di cisteina) e dopo c'è un percorso di permeazione,quest'ultimo è molto selettivo ed è idoneo al passaggio di K+ molto disidratato. A renderlo selettivo è la dimensione, la carica e i rapporti che lo ione stabilisce con l'acqua. Lo ione non stabilisce dei legami come fa il soluto con il suo trasportatore ma prende dei rapporti temporanei e salta lungo gli amminoacidi che tappezzano il percorso molto velocemente e viene spinto da ioni simili che si accodano. Nel vestibolo arrivano anche altri tipi di ioni ma il filtro fa poi passare soltanto gli ioni K+. Il vestibolo può essere chiuso da un cancello (quattro aminoacidi uniti) oppure cambia conformazione e si apre. Non è lo ione a determinare l'apertura, il controllo della conformazione dei canali ionici può dipendere ad esempio dal voltaggio che c'è a cavallo della membrana (*canali voltaggio-dipendenti*), se in una membrana quindi cambia il voltaggio il canale si apre poiché smettono le variazioni di distribuzione di carica. Questo tipo di canali si trovano soprattutto nelle membrane delle cellule nervose. Un altro modo per controllare i canali ionici è la presenza di *ligandi* specifici, quando varia la concentrazione dei ligandi, il ligando si lega ad una parte sporgente delle cellula dove c'è un sito, il legame comporta un cambiamento conformazionale che porta all'apertura della canale idrofilico il quale permetterà il passaggio dello ione. Può esserci anche un tipo di *controllo meccanico*, la variazione di pressione determina l'apertura del cancello. **Canale a controllo voltaico,** consta di 4 subunità identiche ognuna costituita da 6 eliche transmembrana, di queste due costituiscono il canale centrale (verdi nell\'immagine) e 4 costituiscono i sensori di voltaggio, una di queste (rossa è carica). Queste parti sono quelle che cambiano disposizione quando cambia il voltaggio, se cambia i sensori di voltaggio cambiano conformazione e trascinano le eliche così che si apre il canale di permeazione. **Canale a controllo di ligando**, ne è esempio il recettore dell'acetilcolina nelle giunzioni neuro muscolari. L'acetilcolina è un neurotrasmettitore che viene rilasciato dalle cellule nervose di motoneuroni che innervano le fibre muscolari. Le terminazioni assoniche di questi neuroni contengono acetilcolina che viene rilasciata a livello della sinapsi (definita anche giunzione neuro-muscolare) quando avviene un impulso nervoso. Sulla membrana della fibra muscolare è presente un canale a controllo di ligando che nella parte che sporge verso il neurone ha dei siti di legame per l'acetilcolina, quando questa viene rilasciata si lega alle 2 subunità del canale determinandone il cambiamento di conformazione e quindi lo ione sodio entrerà secondo gradiente nel canale. Entrano lo ione sodio trascina cariche positive provocando il rilascio di calcio e quindi l\'innesto della contrazione. Il canale è costituito da 5 subunità, due di queste contengono i siti di legame per l\'acetilcolina. **Canale a stimolo meccanico**, ne sono esempio le cellule capellute che si trovano nell'organo del Corti a livello della colclea, ovvero la parte uditiva dell'orecchio interno. La struttura è costituita da una membrana chiamata membrana basilare, su questa sono poggiate delle cellule di sostegno per le cellule capellute (hanno sulla superficie apicale delle estroflessioni chiamate stereociglia di dimensione scalare, esse sono connesse da filamenti proteici che collegano i canali ionici in genere per Na+), responsabili della percezione dei suoni. Sopra queste cellule è presente la membrana tettoria, mentre alla base delle cellule è presente il nervo acustico. Le vibrazioni sonore fanno oscillare su e giù la membrana basilare, questa vibrazione fa sì che le cellule vadano a sbattere contro la membrana tettoria e le stereociglia si flettono, flettendosi hanno sì che i filamenti di collegamento si stirano e questo fa sì che i canali ionici si aprano. **Selettività**, Esistono canali differenti estremamente selettivi per Na+ e K+, il meccanismo di selettività è stato scoperto nel 1998 da Roderick MacKinnon, il K+ è più grosso dell' Na+ entrambi sono positivi, per quale motivo il canale per il K+ non fa passare l'Na+? Nel canale per il potassio passano ioni K+ idratati, gli ioni essendo carichi quando sono in acqua sono circondati da molecole di H2O, per questo motivo sono idratati, il potassio per passare nel canale viene disidratato. Questo succede perché nel filtro di selettività il K+ stabilisce con gli amminoacidi che costituiscono il filtro gli stessi legami che il K+ ha con l'acqua (in questo modo si libera dall'acqua). L'Na+ che è anch'esso idratato non riesce a disidratarsi perché è troppo piccolo per ristabilire con gli amminoacidi del filtro di stabilità gli stessi legami che aveva con l'acqua. Mentre il K+ non entra nei canali di Na+ perché è troppo grosso. **Acquaporine**, l'H2O si muove rapidamente attraverso la membrana plasmatica, l'evidenza portava a pensare che dovevano esserci canali appositi per H2O. Questi sono stati scoperti da John Hopkins e da MacKinnon. I canali vengono chiamati acquaporine e sono anch'essi estremamente specializzati. Modello sperimentale: ovociti di anfibio, alcune di queste uova sono state ingegnerizzate in soluzione ipotonica facendo esprimere le acquaporine nelle loro membrane. Si è visto che le cellule senza acquaporine dopo un tot di minuti non modificavano la loro forma (l'acqua entrava a velocità molto bassa), quelle fornite di acquaporine invece scoppiavano. Le acquaporine sono quindi una famiglia di trasportatori che mediano i passaggi veloci di acqua attraverso le membrane, costituiti in generale da 4 subunità e ogni subunità presenta un canale centrale per l'acqua in cui l'acqua entra in fila indiana (passano 10 alla-9 molecole al secondo). Il canale è talmente selettivo che non fa passare nemmeno lo ione idronio (H3O+) perché nel canale idrofilico c'è l'amminoacido arginina (carico positivamente) che respinge l'H+. Il percorso di permeazione ha dimensioni di 0,3 nm. Le acquaporine sono estremamente presenti nel nefrone ovvero le unità funzionali del rene, dove si forma l' urina. Il nefrone è costituito da un tubo molto lungo che prende contatto con i glomeruli renali (ammasso di capillari). Intorno al glomerulo c'è una coppa che lo contiene ed è chiamata capsula di Bowman, essa è delimitata da un epitelio. La coppa continua con un tubo delimitato da un epitelio, il tubo di aggroviglia è forma il tubulo prossimale, dopodiché di distende e va a formare l'ansa di Henle, poi torna su a formare un altro aggrovigliamento (zona del tubulo distale) che continua con un il tubulo collettore. Il rene è costituito da tanti nefroni dove si forma l'urina che inizialmente è un filtrato primario del sangue che arriva nel glomerulo (il filtrato è costituito da urea, acqua e tanti ioni), nel percorso molti elementi del filtrato vengono riassorbiti. Gran parte di acqua viene riassorbita, le cellule che delimitano il tubo infatti possiedono delle acquaporine che fanno passare l'acqua riportandola nelle arterie. La presenza di mutazioni delle acquaporine causa il diabete insipido. Questa malattia è una canalopatia, come il diabete lo è anche la fibrosi cistica che è data dall\'alterazione del canale per il cloro **Endocitosi ed esocitosi** Le macromolecole sfruttano la dinamicità della membrana per attraversarla. Esse vengono trasferite con il processo di: -*endocitosi*, viene creata una vescicola a partire dalla membrana plasmatica che si introflette facendo entrare il materiale extracellulare in questo modo si va a creare una vescicola -esocitosi, arriva nei pressi della membrana una vescicola con del materiale che deve essere portato fuori dalla cellula, la vescicola si fonde con la membrana cellulare portando all'estremo il materiale. A volte il contenuto viene chiamato "granulo di secrezione". La parte interna della membrana della vescicola sarà rivolta verso l'esterno della cellula. **Esocitosi** Fase 1, avvicinamento della vescicola alla membrana plasmatica Fase 2, fusione della membrana Fase 3, integrazione della membrana della vescicola nella membrana plasmatica Fase 4, liberazione del contenuto della vescicola all'esterno della cellula Avviene un\'inversione "inside out" della membrana della vescicola, i compartimenti interni della cellula sono in comunicazione con l'esterno. Le cellule animali secernono in questo modo ormoni peptidici, muco, proteoglicani, proteine della matrice extracellulare, enzimi digestivi ecc. **Endocitosi** Materiale esterno viene portato all'interno della membrana tramite un invaginazione di questa. La membrana crea una conca dove entra il materiale e piano piano va a chiudersi fino a formare una vescicola che si distacca dalla membrana. La cellula internalizza delle molecole extracellulari isolandole dal citosol. Il materiale che la cellula internalizza andrà digerito dai lisosomi ricavandone il materiale necessario per le proprie sintesi. In questo modo la cellula sarà anche in grado di fagocitare dei batteri. L'esocitosi quindi porta membrana alla membrana plasmatica mentre l'endocitosi toglie membrana, sono procedimenti che devono alternarsi in maniera equilibrata, in questo modo la membrana mantiene la sua superficie. Il termine endocitosi è generico e comprende diversi processi più specifici che differiscono per la natura del materiale internalizzato e per il meccanismo impiegato: -*fagocitosi*, la particella che entra ha diametro \>200 nm. Più che un introflessione, si creano delle estroflessioni (**pseudopodi**) guidate dalla polimerizzazione di filamenti di actina (i filamenti si allungano verso la membrana spingendola fuori), questi circondano il batterio che ha già aderito alla membrana tramite dei recettori. Gli pseudopodi lo avvolgono fino a fondersi e staccarsi dalla membrana e tramite una vescicola portare il batterio al lisosoma che lo distruggerà. Le cellule fagocititarie sono macrofagi e neutrofili. Il processo avviene sia per difesa sia per rimuovere detriti cellulari o cellule danneggiate. Negli organismi unicellulari questo processo serve per la nutrizione. Negli organismi pluricellulari invece quando il batterio viene a contatto con l'organismo avviene una reazione immunitaria, vengono prodotti degli anticorpi diretti contro le proteine di superficie del batterio. L'anticorpo di lega quindi al batterio (opsonizzazione) quindi l'aggiunta di anticorpi al batterio migliora l'efficienza della fagocitosi perchè sulla membrana dei fagociti ci sono recettori per gli anticorpi. -*pinocitosi* \*macropinocitosi, il materiale inglobato è solubile e di 200 nm pinocitosi mediate da proteine di rivestimento o da recettore: \*endocitosi mediata da clatrina 100-200 nm \*endocitosi mediata da caveolina 50-100 nm \*pinocitosi aspecifica **Potenziale di membrana e potenziale di azione** Tra i due lati della membrana si crea una differenza di potenziale. Un accumulo di ioni non bilanciato da altrettanti ioni con carica opposta ad un lato della membrana si manifesta come un accumulo di carica elettrica. In tutte le cellule è presente un potenziale di membrana che di solito sta intorno ai -70 mV. Per le molecole elettricamente cariche e per gli ioni, il trasporto attraverso la membrana dipende dal loro *gradiente elettrochimico*, forza risultante dal loro gradiente di concentrazione e dalla differenza di potenziale elettrico a cavallo della membrana. Lo spostamento dello ione da una parte all'altra della membrana non dipende soltanto dal suo gradiente di concentrazione ma anche dalla differenza di carica ai due lati della membrana. La membrana ha un solo tipo di canale perciò lascia passare solo uno ione, quando il canale è chiuso ci si trova in una situazione di elettroneutralità, quando la membrana si apre si accumulano ioni positivi da un lato poiché iniziano a spostarsi, si ha quindi un eccesso di carica. L'eccesso di cariche positive tende a respingere i cationi che fluiscono verso l'altro lato, perciò viene raggiunto un equilibrio in quanto le due forze di eguagliano. È comunque presente un voltaggio, in quanto nonostante l\'equilibrio rimane una differenza di cariche. Se prendiamo un recipiente in cui è presente una membrana con un canale per il K+ inserito, ai due lati della membrana c\'è cloruro di sodio in concentrazione 100 mM mentre dall\'altra parte è presente cloruro di potassio. A questo punto si misura il voltaggio che è zero poiché si ha la stessa concentrazione di carica ai due lati della membrana. Se si considera la concentrazione di K+, il livello di concentrazione è alto da quel lato della membrana. Quando il canale si apre, il K+ segue il suo gradiente di concentrazione, si ha un accumulo di cariche positive da un lato, mentre dall\'altro si ha un accumulo di cariche negative (spostandosi il K+ il Cl rimane scoperto). In questo caso la concentrazione diminuisce e la differenza di potenziale aumenta. A questo punto il K+ continua a fluire dall\'altro lato della membrana ma il DeltaE è così forte che un altro flusso di K+ passa in senso opposto nella membrana, infatti lo ione viene respinto da un eccesso di cariche positive. I due gradienti sono quindi uguali e il gradiente elettrochimico è nullo. Il potenziale di equilibrio di uno ione si ha quando il flusso dovuto al gradiente di concentrazione è uguale al flusso dovuto al potenziale elettrico. Cioè gradiente elettrochimico uguale a 0. Nella cellula succede proprio questo, in essa sono presenti dei canali per il potassio chiamati **canali a perdita o dispersione di potassio**, sono canali in grado di cambiare continuamente conformazione, l'apertura e la chiusura avviene in modo spontaneo. Il potassio, più concentrato all'interno della cellula, fluisce seguendo il suo gradiente di concentrazione verso l'esterno della cellula. Lascia scoperte quindi delle cariche negative (che creano la differenza di potenziale) all'interno ma subito si ha un accumulo di cariche positive all'esterno in quanto all'esterno è già presente nel sodio e in più arrivano altre cariche positive del potassio. La condizione di equilibrio per il potassio corrisponde a -100 mV (in buona approssimazione il potenziale di membrana è data dal potassio) ma ci sono altri canali che dissipano altri ioni.fa in modo che un po' di potassio venga riportato all'interno della cellula. La membrana è quindi più permeabile al potassio che ad altri ioni. Questa cosa è valida soprattutto in cellule come le cellule nervose data la densità di canali per il potassio. **Cellule eccitabili** Le cellule nervose, muscolari e ghiandolari sono definite eccitabili in quanto provviste di un corredo di canali ionici voltaggio-dipendenti per il Na+ e per il K+. La struttura del **neurone** è estremamente specializzata, esso presenta un corpo cellulare dove c'è il nucleo e tutti gli organuli tipici della cellula, dal corpo cellulare si diramano delle estroflessioni più corte e ramificate (albero dendritico) chiamate *dendriti*, essi ricevono segnali da altri neuroni e recepito il segnale lo dirigono in senso centripeto verso il corpo cellulare. Dal corpo cellulare diparte anche un lungo prolungamento chiamato *assone* che reca i segnali in uscita in senso centrifugo verso cellule bersaglio, l'assone in fondo si ramifica in piccoli prolungamenti che terminano ognuno in un bottone terminale o presinaptico, in modo tale che il messaggio possa arrivare simultaneamente a molte cellule bersaglio. **Potenziale di azione** Il neurone è una cellula eccitabile è quindi capace di variare velocemente il suo potenziale di membrana. Il potenziale di azione è quindi rapida variazione del potenziale di riposo di membrana che si verifica in risposta ad uno stimolo in cellule eccitabili. La variazione del potenziale di membrana dipende dall'apertura e chiusura di canali ionici voltaggio-dipendenti. La variazione del potenziale avviene nel momento in cui ioni positivi entrano attraverso canali appositi all'interno della cellula, per riportare il potenziale a un valore negativo esistono diversi canali che svolgono la funzione opposta. La fase di inversione del potenziale (da negativo a positivo) è chiamata fase di depolarizzazione, ci sono dei canali per il sodio a controllo del potenziale essi sentono ogni variazione di potenziale (derivata da un segnale chimico o meccanico) il quale varia fino a un valore definito soglia (-50 mV circa), a questo punto viene indotta l'apertura dei canali per Na+ a controllo di potenziale. L'afflusso di Na+ depolarizza ulteriormente la membrana e induce altri canali per il Na+ ad aprirsi causando un inversione del potenziale di membrana da -50mV a +50mV. La variazione di potenziale si stoppa ad un certo punto poiché si realizza la formazione di un potenziale elettrico. In questa situazione di equilibrio per il sodio i canali del potassio si aprono e quindi lo ione inizia a fluire verso l'esterno (l'afflusso è favorito dall'accumulo di cariche positive) -\> l'efflusso di K+ riporta rapidamente il voltaggio a valori negativi e quindi la membrana al suo stato di riposo. Siccome si arriva a valori più negativi di -70, interviene la pompa Na+/K+ ATPasi ristabilisce le concentrazioni ioniche iniziali. Questa fase è detta di depolarizzazione. Tutto questo può avvenire anche senza che la pompa sodio-potassio funzioni per un pò perchè i gradienti sono talmente elevati che c'è materiale a disposizione per rimanere senza per un certo periodo. Un'importante proprietà del potenziale d'azione è quella di potersi propagare lungo la membrana del neurone, la depolarizzazione locale è sufficiente a depolarizzare le regioni adiacenti della membrana questo avviene a causa dell'apertura di nuovi canali di Na+ (il potenziale si autorigenera). Un potenziale d'azione tende a propagarsi in senso centrifugo in tutte le direzioni dal punto in cui è stato generato verso l'assone ma può solo avanzare e mai retrocedere, questo avviene perché i canali per il Na+ appena aperti rimangono inattivi per un certo periodo (periodo di refrattarietà). I canali del sodio hanno tre conformazioni \*chiusa, la membrana si trova a riposo \*aperta, arrivo del potenziale di azione \*inattivato, periodo refrattario Dopo poco il canale torna di nuovo alla conformazione chiusa. L' impulso nervoso è sempre un potenziale di azione. Il neurotrasmettitore è il segnale chimico che un neurone manda alla cellula (neurone) che è in grado di aprire dei canali ionici a controllo di ligando. La velocità di propagazione dipende da vari fattori, il diametro dell'assone è uno di questi. Più è grande un assone minore è la resistenza alla distri

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