Lezione 1-11 Biologia PDF

Biologia Lezione 1 16.10.2024 Deﬁnizioni - Cos'è la biologia? La biologia è lo studio scien:ﬁco della vita e delle diverse forme viven:. - Qual è la proprietà comune a tuC gli esseri viven:? Ogni essere vivente è cos:tuito da cellule. Introduzione La materia vivente è cos:tuita da cellule. Esse rappresentano l'unità fondamentale in grado di compiere tuFe le aCvità richieste per la vita. Una delle proprietà comuni a tuC gli esseri viven: è la complessità speciﬁcamente deﬁnita, ciò signiﬁca che con l’aumentare della complessità dell’organismo si instaurano innumerevoli nuove connessioni e il numero di interazione tra le cellule aumentano. Partendo da una semplice molecola di acqua (livello chimico) oFeniamo, grazie alla loro unione con altre sostanze, le macromolecole che rientrano nel medesimo livello, ma dove abbiamo un numero di interazioni maggiore. Procedendo in questo senso, le macromolecole si uniranno a formare gli organelli (livello cellulare) che a loro volta cos:tuiscono la cellula. Come ben sappiamo, l’associazione di molte cellule porta alla formazione dei tessu4, i quali sono i cos:tuen: degli organi. Con:nuando, l’unione degli organi crea i sistemi di organi che sono i cos:tuen: essenziali dell’organismo vivente. Le interazioni con:nuano ad aumentare portando alla formazione di popolazioni (unione di mol: organismi) che a cascata formeranno la comunità, l’ecosistema ed inﬁne la biosfera (composta dalla terra e da tuFe le comunità). Altre proprietà comuni a tuC gli esseri viven: sono la proprietà di accrescersi e di autoriprodursi, poiché ogni essere vivente deve essere in grado di produrre una prole che a sua volta possa essere feconda. Inoltre, l’organismo deve essere abile a reagire a s4moli esterni; quindi, ad adaFarsi e reagire ad eventuali cambiamen: improvvisi o permanen: provenien: dall’ambiente che lo circonda. La cellula Osservando la scala dimensionale possiamo notare come dal basso verso l’alto le dimensioni delle cellule aumen:no, passando dai nm al metro. Le dimensioni delle cellule cambiano durante le fasi del ciclo cellulare e sono correlate alla specializzazione della cellula modiﬁcandosi in base alla funzione che svolge. Il micoplasma ed i virus sono le unità di dimensioni minori che sono visibili esclusivamente mediante l’u:lizzo di microscopio eleFronico. Passando al microscopio oCco, invece, sarà possibile iden:ﬁcare diverse :pologie di cellule ma anche struFure subcellulari come i mitocondri. Inﬁne, ad occhio nudo siamo in grado di riconoscere ad esempio un uovo di rana o gallina. Altra caraFeris:ca propria delle cellule è la forma, che diﬀerenzia le diverse :pologie, ma che è propria della specializzazione e funzione espletata della cellula; perciò, la forma e la dimensione sono dipenden: dalle aCvità che essa svolge. “DIVAGAZIONE” Perché vengono u8lizza8 i modelli animali? Negli ul8mi anni, in realtà, i modelli animali cominciano ad essere sos8tui8 grazie ad alcune tecnologie all’avanguardia come gli Organ-on-chip, ossia dei disposi8vi in vitro che permeGono di mimare in ogni sua struGura e funzione un determinato organo, come il polmone (che il professore usa in laboratorio). Il Lung-on-chip è formato da uno strato di endotelio, dall’epitelio polmonare e riesce addiriGura a mimare il passaggio dell’aria con il processo di respirazione. TuGavia, nei laboratori sono ampiamente u8lizza8 modelli animali come topolini immunocompromessi, nei quali il sistema immunitario è completamente ineﬃcacie, così da permeGere l’inoculo di alcune cellule umane (ingegnerizzate) per studiare i loro eﬀeT. La rapidità di riproduzione dei topolini che prevedono un ciclo riproduTvo ogni 21 giorni favorisce il loro u8lizzo nei laboratori di ricerca. L’ambito in cui gli animali vengono ancora u8lizza8 in maniera massiccia è lo studio psicologico dei comportamen8 o esperimen8 lega8 alla memoria. ATTENZIONE: il docente non fa nessun accenno alle diverse :pologie di microscopi; tuFavia, li inserisce nelle slides, perciò, è preferibile una ricerca, esclusivamente per avere una conoscenza sommaria delle :pologie e dei loro diversi processi di funzionamento. Classiﬁcazione degli organismi viven7 Il professore soFolinea che dobbiamo conoscere la classiﬁcazione degli organismi. TuC i viven: sono classiﬁca: in categorie (o taxa) secondo un preciso ordine gerarchico. Il termine Tassonomia signiﬁca studio della diversità̀ e della classiﬁcazione dei viven: in categorie. Gli esseri viven: si possono classiﬁcare in 3 domini: 1. Bacteria 2. Archaea 3. Eukarya TuC i domini provengono un unico progenitore comune. Oltre alla precedente classiﬁcazione, gli esseri viven: possono ulteriormente essere classiﬁca: seguendo la successiva classiﬁcazione che prevede la suddivisione in: 1. Dominio 2. Regno LINNEOISTITUÌLA NOMENCLATURA BINOMIALE 3. Phylum PRIMONOMEGENERE FELIS secondonomespeciecatus 4. Classe 5. Ordine 6. Famiglia 7. Genere 8. Specie (unità di base per la classiﬁcazione degli organismi viven:). INSIEMEdiesseriviventiconcaratteristiche taliDaGenerareProleFertile non sempreapplicabile Conviene conoscere questa suddivisione perché molte scoperte o farmaci sono state faFe sulla base dello studio di altri organismi che seguivano questa classiﬁcazione. Esempio, c'è un :po di talpa che possiede delle caraFeris:che interessan: poiché anche soFoposta a radiazioni è par:colarmente resistente a patologie tumorali perché il suo sistema di riparazione del DNA funziona in maniera perfeFa. Per questa ragione si studiano gli altri organismi, così da capire come l'uomo può rispondere agli s:moli esterni evitando l’insorgenza dei tumori. In farmacologia mol: principi aCvi derivano da sostanze naturali dell'ambiente, solo alcune sono di origine sinte:ca. TuFavia, le nostre nonne/nonni u:lizzavano una serie di piante e/o organismi, senza alcuna conoscenza della biologia eppure alcune procedure erano eﬃcaci. Perciò anche le piante possono essere un modello per capire come l'uomo può reagire agli s:moli esterni. L’analisi della classiﬁcazione ci ha anche permesso di capire l'evoluzione dei prima:. Quando parliamo di origine della specie umana dobbiamo ricordare che è stato possibile ricostruirla grazie ad una analisi ﬁlogene:ca che ha riportato una somiglianza con il nostro parente più vicino, cioè lo scimpanzé. Successivamente da quando si eﬀeFuano analisi del DNA, la classiﬁcazione è diventata sempre più precisa. Inoltre, anche all’interno della tessa specie, l’ambiente e gli s:moli esterni svolgono un ruolo importan:ssimo per la caraFerizzazione; infaC, noi (specie umana) non siamo tuC uguali, si pensi agli africani che hanno la pelle più scura o gli orientali con una forma degli occhi schiacciata rispeFo alle popolazioni europee. Questo dipende proprio dalle interazioni dell’organismo con l'ambiente esterno che condiziona la specie. Ad esempio, è stato osservato che anche prendendo due gemelli omozigo: (perfeFamente iden:ci e con stesso geno:po) e lasciandoli vivere in ambien: diversi, il loro feno:po e geno:po si modiﬁcava su base epigene:ca (causa mutazioni), quindi è stato possibile aﬀermare che l'ambiente inﬂuenza lo sviluppo. ESEMPIO: Prendendo in considerazione due uomini che hanno s:li di vita completamente diversi (un operaio e un impiegato) ed improvvisamente inver:amo i loro ruoli. L’eﬀeFo che ne oFerremo sarà un completo disastro perché le cellule dovranno riadaFarsi a comportamen: inusuali e ad interazioni esterne diﬀeren:. Come ben sappiamo tuC gli organismi viven: seguono dei ritmi circadiani diﬀeren:, perciò qualora ques: venissero modiﬁca:, potrebbero ripercuotersi non solo sulla salute ﬁsica dell’organismo ma anche a livello mentale; InfaC, se un uomo dovesse trasferirsi in paesi nord europei dove per lunghi periodi il sole è sempre alto e splendente oppure è sempre buio, i suoi ritmi circadiani potrebbero essere altera: a causa di alterazioni del ritmo sonno-veglia ed il rischio di sviluppo di malaCe neurologiche sarebbe molto alto. L’insorgenza di patologie è legata anche ai diversi livelli ormonali che si modiﬁcano ﬁsiologicamente durante il corso della giornata e che sono streFamente correla: al ritmo circadiano di un organismo. A sostegno di queste informazioni, possiamo descrivere diversi crono:pi, che ci permeFono di analizzare quando un organismo è più aCvo durante una giornata; ad esempio, ci sono individui che sono molto aCvi nelle ore maFu:ne ed invece chi si aCva maggiormente nel primo pomeriggio o addiriFura la sera, in base alle abitudini ed aCvità che svolge. Divergenza di Specie All’interno della stessa specie, come già aﬀermato in precedenza possiamo riscontrare diﬀerenze tra le molecole che cos:tuiscono l’organismo. Ad esempio, prendendo in considerazione il primato con maggiore aﬃnità all’uomo, ossia lo scimpanzé, la divergenza che si riscontra sulla sequenza di DNA è in valore di 1.7 (diﬀerenza non elevata). “DIVAGAZIONE” Test di maternità/paternità. Questa 8pologia di test si basa sulle diﬀerenze ed uguaglianze che ogni singolo individuo presenta grazie all’analisi della sequenza del DNA che ci permeGe di rilevare la presenza di sequenze di DNA altamente ripetute che sono all'interno del genoma e che sono paragonabili ad una carta d'iden8tà di ogni singolo individuo. Quindi, ogni individuo è univoco, e possiede delle caraGeris8che in comune ai suoi genitori, ma ci sono delle sequenze non espresse ci iden8ﬁcano in maniera univoca. “DIVAGAZIONE” John Calhoun - L'universo dei topi hGps://www.youtube.com/watch?v=bzxqP4u0MwE Questo video è esplica8vo della possibile u8lità degli animali in laboratorio, poiché ci permeGono di “mimare” quello che accadrebbe alla società. TuGavia, è necessario ricordare che noi come specie umana siamo dota8 di intelligenza, quindi l’esito ﬁnale potrebbe essere modiﬁcato, però di base la biologia governa il “mondo”, perché gli is8n8 primordiali rappresentano gli s8moli primari anche se l’individuo umano si adaGa successivamente alla società. Cellule Procario4che ed Eucario4che EUCARIOTICA ÈPIÙCOMPLESSA MORFOLOGICAMENTE Le cellule procario:che ed eucario:che possiedono diverse caraFeris:che simili, tra le quali il DNA, (come materiale gene:co), presentano il citoplasma racchiuso da una membrana ed anche metabolismi simili. Le diﬀerenze tra le cellule procario:che ed eucario:che riguardano invece la dimensione, poiché le cellule procario:che hanno dimensioni ridoFe rispeFo alle cellule eucariote che sono circa 10-50 volte più grandi. Un’altra diﬀerenza importante riguarda il nucleo; infaC, le cellule procariote non presentano un nucleo ben deﬁnito a diﬀerenza dell’eucariote in cui il nucleo è delimitato da una membrana. In aggiunta, le cellule procariote non possiedono una serie di struFure subcellulari come microtubuli, microﬁlamen: ﬁlamen: e ﬁlamen: intermedi, che invece sono presen: nelle cellule eucariote. Con:nuando le cellule procariote possiedono solo alcuni organuli come i ribosomi; invece, le cellule eucariote sono provviste di organuli come apparato di Golgi, mitocondri e re:colo endoplasma:co. Un’ulteriore diﬀerenza riguarda il processo di replicazione o modalità di divisione cellulare poiché le cellule eucariote si dividono per mitosi o meiosi, mentre le cellule procariote per scissione binaria. L’informazione gene:ca è contenuta nel DNA, che, come abbiamo già deFo, è condiviso da entrambe le :pologie cellulari (eucario: e procario:); ma con una piccola diﬀerenza, poiché nelle cellule procariote il DNA è complessato con una quan:tà ridoFa di proteine, mentre, negli eucario: abbiamo una quan:tà maggiore di proteine che prendono il nome di istoni. La classica struFura di una cellula procario:ca prevede una parete esterna (che si diﬀerenzia per composizione in base alla :pologia di cellula in esame), e i ﬂagelli, che sono struFure specializzate, che conferiscono alla cellula le funzioni di movimento. Il ﬂagello non è una struFura preFamente caraFeris:ca delle cellule procariote poiché anche alcune cellule eucariote possiedono struFure simili che svolgono le stesse funzioni o aCvità diﬀeren:. “DIVAGAZIONE” Una delle cause di morte più aGenzionate negli ospedali, oggi, è dovuta ad an8bio8co-resistenza. Ci sono alcuni pazien8 in cui a causa di infezioni baGeriche (farmaco-resisten8) gli an8bio8ci non hanno eﬀeGo e la persistenza dell’infezione porta il paziente alla morte. L’ambiente sanitario sta cercando di sensibilizzare la popolazione con campagne pubblicitarie mirate, per rallentare il fenomeno di diﬀusione delle resistenze baGeriche a causa dell’uso sproporzionato delle molecole an8bio8che. Poiché il fenomeno della farmacoresistenza non è solo correlato all'an8bio8co che assumiamo, ma bensì, la molecola verrà metabolizzata dal nostro organismo e scartata all’esterno tramite feci ed urina che a loro volta saranno diﬀuse nell’ambiente. I metaboli8, che in alcuni casi con8nuano ad essere farmacologicamente aTvi, comportano lo sviluppo di resistenze ambientali poiché si diﬀondono nelle acque o in qualsiasi altra localizzazione esterna comportando mutazioni a carico delle cellule procariote (baGeri) che ne diventano resisten8. Una pra8ca clinica che negli ul8mi anni sta riscontrando notevole successo nell’ambiente scien8ﬁco è collegata ai trapian8 di feci, che permeGono di debellare alcune infezioni baGeriche che risultano farmaco resisten8 grazie alla ricostruzione/riabilitazione del microbioma (ﬂora baGerica intes8nale) dei pazien8 aﬀeT da queste infezioni a livello ospedaliero e non. Lo stesso discorso non è valido per gli an8virali poiché il loro u8lizzo non è così ampiamente diﬀuso come per gli an8bio8ci che vengono u8lizza8 in maniera impropria. La chimica delle cellule Gli organismi anche se molto diversi tra loro sono forma: da cellule che condividono una chimica di base sostanzialmente iden:ca. La vita richiede circa 25 elemen: chimici, cioè per generare vita sono necessari 25 elemen: (essenziali) su un totale di 94, in natura. TuFavia, gli elemen: di rilevanza maggiore a livello biologico sono quaFro, ossia: - Ossigeno - Carbonio - Idrogeno - Azoto. Ques: quaFro elemen: fondamentali per costruire la maggior parte della materia vivente. I restan: elemen:, ossia gli elemen: “in tracce” sono deﬁni: oligoelemen:. Ques: sono essenziali per alcuni organismi, quindi non per tuC, e sono richies: in minime quan:tà. Un esempio è il ferro che deﬁniamo elemento fondamentale nell’uomo poiché componente del gruppo eme presente nell’emoglobina che coadiuva il trasporto dell’ossigeno nel corpo umano. Senza questo elemento (ferro) il trasporto di ossigeno nel nostro organismo sarebbe alterato. Come vediamo dalla tabella qui accanto, l'acqua che rappresenta in percentuale il 71%, è la componente principale di una cellula procariotica. Continuando notiamo che il secondo “elemento” è rappresentato dalle proteine (15%), perciò possiamo dedurre che ricoprano un ruolo cruciale nella composizione di una cellula e in maniera indiretta di un organismo. Anche i carboidrati e i lipidi hanno dei ruoli fondamentali nella cellula nonostante le loro basse percentuali rispettivamente di 3 e 2, poiché i carboidrati (zuccheri) sono essenziali per il metabolismo cellulare, ed invece i lipidi, come il colesterolo, svolgono un ruolo cruciale per la composizione e ﬂuidità delle membrane cellulari. Biologia Lezione 2 21.10.2024 Isotopi radioattivi Gli isotopi radioattivi sono nuclei fisicamente instabili che emettono energia. Questa energia può essere rilevata e utilizzata per visualizzare la posizione dell’isotopo all’interno dell’organismo. Gli isotopi vengono anche impiegati per tracciare alcuni alimenti, come la carne. La chimica della vita Gli elementi principali alla base della vita sono quattro: idrogeno (H), carbonio (C), azoto (N) e ossigeno (O). Combinandosi in modi diversi, danno origine alla maggior parte delle macromolecole biologiche. Il carbonio e i legami chimici Tutti gli elementi della tavola periodica, soprattutto quelli fondamentali per la vita, cercano di raggiungere l’ottetto. Il carbonio, in particolare, può variare il suo stato di ossidazione da -4 a +4, rendendolo estremamente versatile. È la base della chimica della vita poiché può formare legami con molti altri atomi. I legami chimici principali sono: Covalenti: gli elettroni vengono condivisi tra due atomi. Ionici: un atomo cede uno o più elettroni a un altro. La condivisione o il trasferimento di elettroni dipende dall’elettronegatività degli atomi coinvolti, cioè dalla loro capacità di attrarre elettroni. Ad esempio, due atomi di idrogeno condividono un elettrone in quanto hanno la stessa elettronegatività. I legami covalenti possono dare origine a diverse geometrie molecolari, come si vede nel caso dell’acqua (H₂O) e dell’acqua ossigenata (H₂O₂). Proprietà dell’acqua L’acqua è un composto unico: forma legami covalenti in cui gli elettroni non sono equamente distribuiti. L’ossigeno, avendo una maggiore elettronegatività, attira gli elettroni, causando una carica parziale negativa sull’ossigeno e cariche parziali positive sugli atomi di idrogeno. Quando il sale (NaCl) si scioglie in acqua, le molecole polari dell’acqua circondano gli ioni di sodio (Na⁺) e cloro (Cl⁻), impedendo loro di ricombinarsi. Questo fenomeno, così come la capacità dell’acqua di interagire con diverse molecole, ha implicazioni in numerosi processi biologici, tra cui il bilanciamento elettrochimico nei tessuti corporei, fondamentale anche in contesti terapeutici. Idrofilia e idrofobia Le molecole possono essere idrofile (amanti dell’acqua) o idrofobe (repellenti all’acqua). Le molecole polari, come l’acqua, presentano cariche parzialmente positive e negative, mentre le molecole apolari sono neutre e non si mescolano bene con l’acqua. Questa distinzione è alla base della formazione dei compartimenti cellulari e delle membrane biologiche. Proprietà biologiche dell’acqua L’acqua è essenziale per la vita ed anche le sue proprietà, per esempio, infatti, espandendosi quando congela, può causare problemi cardiovascolari in inverno, poiché porta alla vasocostrizione e all’aumento della pressione sanguigna. L’acqua forma legami a idrogeno tra le sue molecole: gli atomi di idrogeno di una molecola sono attratti dagli atomi di ossigeno di altre molecole d’acqua. Questa interazione conferisce all’acqua coesione, ovvero la capacità delle sue molecole di “tenersi insieme”, che è responsabile della sua tensione superficiale. Grazie a questa tensione, piccoli oggetti o insetti possono camminare sull’acqua senza affondare. L’adesione, invece, è la capacità dell’acqua di legarsi ad altre superfici o molecole polari. Questo spiega fenomeni come la capillarità, dove l’acqua risale attraverso piccoli tubi o spazi (come nelle piante) sfruttando l’interazione tra le molecole d’acqua e le pareti del tubo. Questo processo è fondamentale per il trasporto di nutrienti e acqua dalle radici alle foglie nelle piante. Composti organici del carbonio La chimica della vita è strettamente legata al carbonio, che è fondamentale per la formazione di forti legami covalenti. Questi legami, con una alta energia libera di Gibbs (ΔG), permettono lo svolgimento delle reazioni spontanee e non spontanee necessarie alla vita. Il carbonio può formare fino a quattro legami covalenti con altri atomi di carbonio o con elementi diversi, generando catene o molecole cicliche. Gli atomi di carbonio, si possono combinare, inoltre, con altri elementi con elettronegatività diversa formando gruppi funzionali con proprietà molto differenti. Idrocarburi Gli idrocarburi sono insolubili in acqua e si dividono in: Saturi: con legami semplici tra atomi di carbonio (meno benefici). Insaturi: con doppi o tripli legami tra atomi di carbonio (più benefici). L’acqua, essendo un solvente polare, non è in grado di sciogliere gli idrocarburi, che sono apolari. ISOMERIA La versatilità del carbonio porta alla formazione di ISOMERI, cioè composti aventi la stessa formula ma struttura o legami differenti. Nei composti organici ci sono 5 diversi tipi di isomeria: ISOMERIA DI CATENA: stesso numero di atomi di carbonio con catene differenti ISOMERIA DI POSIZIONE: stesso gruppo funzionale inserito in punti diversi di uno stesso scheletro carbonioso ISOMERIA OTTICA: ad uno stesso atomo di carbonio sono legati 4 atomi o 4 a gruppi di atomi diversi che possono essere disposti attorno all’atomo di carbonio in 2 modi diversi portando alla formazione di stereoisomeri o enantiomeri ISOMERIA CIS-TRANS: i gruppi atomici legati ai carboni uniti dal doppio legame possono trovarsi vincolati dalla stessa parte rispetto al doppio legame (disposizione cis) oppure da parti opposte (disposizione trans) TAUTOMERIA: i composti organici possono trovarsi in 2 forme diverse interconvertibili tra loro attraverso una reazione chimica di tautomerizzazione DUEPRINCIPICHIMICO STRUTTURALI Eh macromolecola BEEF KEEFE In atti p PabitiII antEtiIIIIIIIIIIIIIII performare MACROMOLECOLARI PIÙ sonostrutturepolimeriche formatetramite la condensazione disubunitàpiùpiccole imonomeri IIIB eBIOMOLECOLE gggggpgpgg qq.gg Esistono 4 grandi classi di biomolecole: carboidrati, lipidi, proteine e loro precursori, acidi nucleici e loro precursori. rendonoquestesostanze fonti dienergia Carboidrati CHI i vari LEGAMI c H e c oh LEGAMI trasformal'ENERGIAOtter I carboidrati si suddividono in: P E P L Monosaccaridi: formati da 3 a 7 atomi di carbonio, con un gruppoCARBONILE p O aldeidico o chetonico e uno o più gruppi alcolici. Sono solubili in acqua e appartengono alla serie D. Esistono le proiezioni a sedia e a barca della molecola di D-glucosio. ALDEIDICO SEALL'ESTREMITÀDELLACATENA chetonico SEALL'INTERNODELLACATENA zuccherisolubiliinacqua l'acqua Gruppoossidrile determinapolaritàesolubilità puòinteragirecon Oligosaccaridi: costituiti da 2 a 10 monosaccaridi legati tra loro. Degli esempi sono il maltosio, formato da due molecole di glucosio, oppure il saccarosio formato da una molecola di glucosio e una di fruttosio. encomannen c Polisaccaridi: composti da decine o centinaia di monosaccaridi. Sono a loro volta distinguibili in OMOPOLISACCARIDI e come la cellulosa e ETEROPOLISACCARIDI come l’acido ialuronico. Possono, inoltre, essere classificati in base al loro ruolo di SOSTEGNO (poco solubili in acqua e hanno la funzione di sostenere le cellule come la cellulosa e la chitina) o di RISERVA (immagazzinano grandi quantità di monosaccaridi, come l’amido, il glicogeno e i polimeri del glucosio) CURIOSITÀ: Le diete prive di zuccheri non sono consigliabili, poiché il nostro corpo ha bisogno di carboidrati. Al contrario, diete drasticamente povere di zuccheri, come la chetogenica, possono avere effetti negativi a lungo termine. CURIOSITÀ: L’intestino umano possiede enzimi in grado di catalizzare l’idrolisi dei legami alpha-1-4 glicosidici formati dal glucosio, quindi permette di digerire amido e glicogeno, ma non possiede enzimi in grado di catalizzare l’idrolisi dei legami beta-1-4 glicosidici e quindi non permette la digestione della cellulosa. Molte malattie metaboliche sono causate dal malfunzionamento degli enzimi che partecipano a questi fenomeni. e Lipidi I lipidi sono molecole organiche insolubili in acqua ma solubili in solventi apolari. Si suddividono in tre categorie: LIPIDIYUTRI Lipidi di deposito: come i trigliceridi, che immagazzinano energia. LIPIDICOMPLESSI Lipidi strutturali: come i fosfolipidi, che costituiscono le membrane cellulari. SONOANTIPATICI PARTEIDROFOBICA NOACQUA EPARTEIDROFILICA ISIACQUA Lipidi regolatori: come gli ormoni steroidei, che regolano vari processi fisiologici. TRIGLICERIDI I GLICEROLO 3Ages Fiocco FIOCCO Floddo F Fiocco FIOCCO DI NELSON LIPIDI COLESTEROLO FIOCCO oro cartoline membrana proteineresponsabilidell'invaginazione sulla FIOCCO FIOCCO FIOCCO FIOCCO GEOMETRIA OTTAGONALE GUARDARE SBOBINEFiocco A ASPARAGINA DI RESIDUO Gruppooucidicosuun µ GOLGI GLICOSILAZIONE O SECONDIMESSAGGERI diproteine membrana modificarel'attività guidareesocitosicambidipolaritàdella Fiocco BIOLOGIA Lezione 9 13/11/2024 La struttura del mitocondrio I mitocondri sono delimitati da una doppia membrana, una esterna ed una interna, separate da uno spazio intermembrana. La membrana interna forma delle estroflessioni( creste) che si estendono all’interno dell’organulo, nella cosiddetta matrice mitocondriale. La membrana esterna permette la traslocazione all’interno dell’organello di proteine mitocondriali sintetizzate nel citosol (avviene uno scambio di materiale ,proteine); la membrana esterna è ricca in lipidi ed è composta al 12% di proteine. Essa permette, come abbiamo detto, il flusso di macromolecole attraverso la porina mitocondriale, che consente il passaggio di proteine fino a 5kda (non così elevato in relazione ad esempio alle cosiddette proteine mammut). Il flusso delle proteine può avvenire attraverso dei complessi multiproteici, come ad esempio Tom e Tim 23, mediato da diversi passaggi non specificati. In questo organello vi è un’interazione e il movimento lungo il citoscheletro ( quindi i mitocondri si muovono e si spostano all’interno della cellula da una parte all’altra). Lo spazio intermembrana, detto anche spazio bianco, è chimicamente equivalente al bc citosol, per quel che riguarda le piccole molecole che contiene; qui troviamo proteine coinvolte nella morte cellulare programmata, l’apoptosi. La membrana interna : -ha proprietà di permeabilità selettiva, ovvero ha una serie di specifici trasportatori che fanno passare alcune sostanze e altre no; -tendono a formare dei ripiegamenti di forma tubulare, creste, che sono strettamente legate alla funzione del mitocondrio, infatti è proprio in queste creste mitocondriali che avviene la respirazione cellulare, grazie a specifici enzimi presenti in esse. La membrana interna, inoltre, è priva di colesterolo ma è ricca di un lipide inusuale, il difosfatidil-glicerolo, detto anche cardiolipina, coinvolta in diverse patologie cliniche; contiene un alto rapporto proteine/lipidi, circa 3:1 ed è circa il 20% del contenuto totale di proteine dei mitocondri poiché fondamentale per la respirazione. La Matrice Mitocondriale La matrice mitocondriale ha la consistenza di gel, dovuta ad elevata concentrazione di proteine idrosolubili(circa 500mg/ml); l’importanza della matrice sta però nella presenza di diversi enzimi, in particolare quelli che catalizzano i vari passi del ciclo degli acidi tricarbossilici( ciclo di Krebs); essa contiene anche ribosomi e parecchie molecole di DNA a doppio filamento, di solito circolari. Il DNA Mitocondriale In riferimento a questo, i mitocondri sono dotati di un proprio DNA (mtDNA), che è estremamente piccolo, ha struttura circolare ( assomiglia molto a quella del plasmide batterico) e contiene solamente 37 geni: -13 geni che codificano alcune delle subunità proteiche dei complessi della catena respiratoria( che servono per la respirazione del mitocondrio stesso) - 24 geni che codificano molecole indispensabili alla sintesi di tali subunità, di cui 2 RNA ribosomiali (rRNA) e 22 RNA transfer(tRNA). Alla luce di ciò il mitocondrio è un organulo abbastanza completo ma la caratteristica é che ci sono circa 3000 proteine , molte di queste sono codificate da geni nucleari. Inoltre, bisogna ricordarsi che il DNA mitocondriale viene ereditato per via materna ed è per questo motivo che le malattie mitocondriali derivano dalle madri. Divisione dei mitocondri I mitocondri si dividono per semplice scissione (altro punto in comune con i batteri,); essa non è collegata solo alla divisione cellulare ma avviene continuamente, dipendentemente dalla loro attività metabolica e dalla presenza di mitocondri danneggiati: il concetto si basa sul fatto che in base a quanta energia serve o non, i mitocondri possono anche aumentare all’interno dell’organismo. Esempio: la resistenza in ambito sportivo è permessa dall’aumento di mitocondri e quindi all’aumento di respirazione cellulare: quest’ultima ci permette di avere più energia, che dovrà essere bilanciata dalle sostanze di base, quali ossigeno, ma soprattutto carbonio, la cui scissione rilascia energia. I mitocondri , quindi, sono in grado di accrescersi e dividersi: il mitocondrio si prepara alla divisione raddoppiando la sua massa e replicando il suo DNA; la divisione inizia con la formazione di una depressione della membrana interna e la fusione della stessa è seguita dalla invaginazione della membrana esterna; il processo continua fino alla completa divisione del mitocondrio in due metà. I processi di fusione e fissione prendono luogo grazie alla presenza di specifiche proteine localizzate in modo specifico all’interno delle membrane: per la fusione, avremo Mitofusina 1 e 2, localizzate nella membrana esterna, e OPA1, nella membrana interna; per la fissione DRP1/Dnm1, che fanno parte della famiglia delle dinamine, e FIS1, associata alla membrana esterna. I mitocondri sono diversi da cellula a cellula e da individuo ad individuo, non solo in termini di forma, ma anche di numero, in base agli stimoli dall’esterno. Varianti morfologiche dei mitocondri Le creste differiscono per lunghezza, forma e numero a seconda delle esigenze energetiche della cellula: nella maggioranza delle cellule le creste attraversano metà del mitocondrio, però ci sono ad esempio le cellule muscolari, in cui le creste attraversano tutto il mitocondrio e hanno tantissime creste stipate: la differenza tra le due sta nella richiesta di energia, ovvero creste corte significa poca richiesta di energia; mentre più creste rappresentano più richiesta di produrre energia ( a parità di numero di mitocondri in cellule diverse, il numero di creste mitocondriali fa la differenza, ovvero abbiamo più complessi per fare la fosforilazione ossidativa). Da questa differenza possiamo trovare mitocondri condensati, ad alti livelli di fosforilazione ossidativa, oppure ortodossi, bassi livelli di fosforilazione ossidativa. Come gia accennato, ci sono varianti numeriche dei mitocondri: pochi mitocondri si trovano in cellule che operano sotto condizioni anaerobiche ( le cellule del sangue); più mitocondri si trovano in cellule che necessitano più energia come cellule che si contraggono, come le cellule muscolari, e cellule con intenso lavoro metabolico, ad esempio quelle presenti nel fegato. DIVAGAZIONE Riguardo le condizioni anaerobiche, quando il tumore cresce, i, core del tumore va in ipossia, arriva poco ossigeno, (quando c’è ipossia si può arrivare a morte cellulare o a una serie di condizioni primordiali) che genera delle cellule staminali tumorali all’interno del core stesso, che richiamano cellule endoteliali per irrorare il tumore; queste cellule tumorali sfruttano solo la glicolisi, scatenando il cosiddetto effetto Warburg. (Forma) La maggior parte dei mitocondri sono situati in punti della cellula dove è necessaria più energia: ad esempio nello spermatozoo, troviamo un singolo mitocondrio a spirale avvolto attorno all’assonema della coda e la posizione del mitocondrio non è casuale; nello spermiogramma, l’analisi dello spermatozoo avviene sull’attività mitocondriale, su quanto funziona bene per dare energia alla coda per il movimento attraverso un fluido. Nella cellula muscolare, invece, i mitocondri sono strettamente connessi alle fibrille muscolari: in due lavori diversi, il fisico si adatta in maniera completamente opposta e questo dipende da come viene prodotta l’energia all’interno delle cellule muscolari e la rapidità della produzione di energia stessa. FUNZIONI MITOCONDRIALE Il mitocondrio è in grado di svolgere molteplici funzioni: Attività metaboliche nei mitocondri La più importante fra tutte è sicuramente l’attività metabolica, che consiste nell’estrarre energia dai substrati organici(carbonio) che gli arrivano per produrre un gradiente ionico(H+) che viene sfruttato per produrre adenosintrifosfato (ATP).L’obiettivo è quello di generare ATP ( molecola ad alto contenuto energetico) tramite la degradazione di molecole carboniose ( zuccheri, lipidi) tramite l’ossidazione dei legami C-C e C-H. Vi sono molteplici funzioni metaboliche all’interno del mitocondrio, localizzate in maniera diversa: ci sarà la sintesi di fosfolipidi, la desaturazione e l’allungamento di acidi grassi nella membrana esterna; il trasporto degli elettroni, la fosforilazione ossidativa, l’importazione di piruvato e dei grassi acil-CoA, il trasporto dei metaboliti nella membrana interna; l’ossidazione del piruvato, ciclo di Krebs, beta ossidazione degli acidi grassi, la replicazione del DNA, la trascrizione ( sintesi dell’RNA) e la traduzione ( sintesi proteica) nella matrice. I mitocondri sono considerati le centrali energetiche degli organismi; al loro interno, infatti, avvengono quei processi biochimici (respirazione cellulare) che forniscono alle cellule l’energia di cui hanno bisogno per tutte le loro funzioni vitali. Le quattro fasi della respirazione aerobica sono: glicolisi, formazione dell’acetil coenzima A, ciclo dell’acido citrico, trasporto degli elettroni e chemiosmosi. RESPIRAZIONE AEROBICA La Fase 1: La Fase 1 della respirazione aerobica, chiamata glicolisi, è il primo stadio del processo di produzione di energia, che avviene nel citosol della cellula. Durante questa fase, una molecola di glucosio (composta da 6 atomi di carbonio) viene trasformata in due molecole di piruvato (ciascuna con 3 atomi di carbonio), attraverso una serie di reazioni enzimatiche. Ecco un'analisi dettagliata dei passaggi principali, con riferimento all’utilizzo dell’ATP e alla riduzione del NAD⁺: Investimento di energia (Fosforilazione del glucosio): Inizialmente, la cellula deve "investire" energia sotto forma di ATP per avviare la glicolisi. Due molecole di ATP cedono un gruppo fosfato (Pi) ciascuna al glucosio, trasformandosi in due molecole di ADP. Questo processo avviene in due tappe: dapprima il glucosio riceve un fosfato, diventando glucosio-6-fosfato; poi, in una fase successiva, viene fosforilato nuovamente, formando fruttosio-1,6-bisfosfato. Questo investimento di fosfato è fondamentale perché "attiva" la molecola di glucosio, rendendola instabile e quindi più reattiva, facilitando la sua successiva rottura in molecole più piccole. Scissione del fruttosio-1,6-bisfosfato: La molecola di fruttosio-1,6-bisfosfato (a 6 atomi di carbonio) viene divisa in due molecole a 3 atomi di carbonio ciascuna: diidrossiacetone fosfato e gliceraldeide-3-fosfato. Solo la gliceraldeide-3-fosfato prosegue nel processo di glicolisi, mentre l’altra molecola viene rapidamente convertita anch’essa in gliceraldeide-3-fosfato, permettendo che entrambe le molecole avanzino nella glicolisi. Ossidazione e produzione di NADH: Ogni molecola di gliceraldeide-3-fosfato viene ossidata, cioè perde degli elettroni e degli ioni idrogeno (H⁺), i quali vengono trasferiti al NAD⁺ (nicotinamide adenina dinucleotide). Questo processo riduce il NAD⁺, trasformandolo in NADH (che trasporta elettroni ad alta energia per le fasi successive della respirazione cellulare). Nello stesso passaggio, un gruppo fosfato inorganico viene aggiunto alla gliceraldeide-3-fosfato, formando 1,3-bisfosfoglicerato. Produzione di ATP (Fosforilazione a livello del substrato): Nelle reazioni successive, i gruppi fosfato presenti nelle molecole intermedie vengono trasferiti direttamente all’ADP per formare ATP. In totale, vengono prodotte quattro molecole di ATP (due per ciascuna delle due molecole di gliceraldeide-3-fosfato). Poiché inizialmente erano stati consumati due ATP, il guadagno netto di ATP dalla glicolisi è di due molecole. Prodotto finale: Alla fine della glicolisi, ogni molecola di glucosio è stata convertita in due molecole di piruvato, due NADH (uno per ciascuna molecola di gliceraldeide-3-fosfato) e due ATP netti. Riepilogo della Fase 1: 1. Consumo di ATP: Due molecole di ATP sono investite all’inizio per fosforilare il glucosio. 2. Produzione di NADH: Ogni gliceraldeide-3-fosfato viene ossidata, trasformando due NAD⁺ in due NADH. 3. Guadagno netto di ATP: Quattro ATP vengono prodotti, ma il guadagno netto è di due ATP (dopo l’investimento iniziale). Questo processo prepara la molecola di piruvato per la fase successiva (decarbossilazione ossidativa), e i NADH prodotti trasporteranno elettroni ad alta energia alla catena di trasporto degli elettroni nelle fasi finali della respirazione cellulare. In assenza di ossigeno, il piruvato si può ricombinare con sé stesso per formare il lattato (acido lattico) che induce al dolore muscolare; il lattato passa poi dal muscolo al fegato per essere ritrasformato in composti non ricombinati di piruvato. Fase 2: La Fase 2 della respirazione aerobica, chiamata decarbossilazione ossidativa del piruvato, è il processo in cui le due molecole di piruvato prodotte durante la glicolisi vengono trasformate in acetil-CoA. Questa fase avviene nella matrice mitocondriale e prepara le molecole per entrare nel ciclo di Krebs, che avverrà nella fase successiva. Ecco i passaggi principali: 1. Trasporto del piruvato nel mitocondrio: Il piruvato, prodotto nel citosol durante la glicolisi, viene trasportato all'interno del mitocondrio attraverso una proteina di trasporto specifica nella membrana mitocondriale. 2. Decarbossilazione del piruvato: Una volta all'interno della matrice mitocondriale, ciascuna molecola di piruvato (che ha 3 atomi di carbonio) subisce una reazione di decarbossilazione: un atomo di carbonio viene rimosso sotto forma di anidride carbonica (CO₂). Questo riduce il piruvato da una molecola a 3 atomi di carbonio a una molecola a 2 atomi di carbonio, chiamata acetato. 3. Ossidazione e produzione di NADH: L’acetato (il prodotto della decarbossilazione) viene ossidato, e in questo processo gli elettroni vengono trasferiti a una molecola di NAD⁺, riducendola a NADH. Questo NADH, ora carico di elettroni ad alta energia, porterà questi elettroni alla catena di trasporto degli elettroni nella fase finale della respirazione, contribuendo alla produzione di ATP. 4. Formazione di acetil-CoA: L’acetato si lega a una molecola chiamata coenzima A (CoA), formando acetil-CoA. L’acetil-CoA è una molecola attivata e pronta per entrare nel ciclo di Krebs (Fase 3), dove sarà ulteriormente ossidata per produrre più molecole di NADH, FADH₂ e ATP. Prodotti della Fase 2: Per ogni molecola di piruvato, questa fase produce: 1 molecola di CO₂ (rilasciata come prodotto di scarto), 1 molecola di NADH (che trasporta elettroni ad alta energia), 1 molecola di acetil-CoA (che entrerà nel ciclo di Krebs). Poiché dalla glicolisi si ottengono due molecole di piruvato per ogni molecola di glucosio, alla fine di questa fase si producono: 2 molecole di CO₂, 2 molecole di NADH, 2 molecole di acetil-CoA. Fase 3 (segui immagine) La Fase 3 della respirazione aerobica è il Ciclo di Krebs (o ciclo dell’acido citrico), che avviene nella matrice mitocondriale. In questa fase, l’acetil-CoA, prodotto nella fase 2, viene ulteriormente ossidato per produrre molecole ad alta energia che saranno utilizzate nella fase successiva. Il ciclo di Krebs è anche importante per la produzione di CO₂ come prodotto di scarto e per la generazione di molecole come NADH e FADH₂, che trasportano elettroni ad alta energia. Dettagli (non fasi) del Ciclo di Krebs: 1. Ingresso dell’acetil-CoA: Ogni molecola di acetil-CoA (2 atomi di C) , derivata dal piruvato con rimozione di CO2, entra nel ciclo di Krebs combinandosi con una molecola a 4 atomi di carbonio, chiamata ossalacetato, per formare citrato (una molecola a 6 atomi di carbonio). Questo passo segna l’inizio del ciclo e “attiva” l’acetil-CoA per la successiva serie di reazioni. 2. Rottura del carbonio e produzione di CO₂: Durante il ciclo, il citrato subisce una serie di trasformazioni e perde due atomi di carbonio in forma di CO₂ (anidride carbonica). La perdita di questi due atomi di carbonio comporta una rottura nella catena carboniosa e permette al ciclo di ritornare a una molecola a 4 atomi di carbonio (ossalacetato), che è pronta per un nuovo giro. Questa produzione di CO₂ è la fonte dell’anidride carbonica che viene espulsa dal corpo durante la respirazione. 3. Produzione di NADH: Durante varie reazioni del ciclo, il NAD⁺ viene ridotto a NADH. Ogni volta che una molecola di CO₂ viene rilasciata, avviene anche una reazione di ossidazione, nella quale gli elettroni vengono trasferiti al NAD⁺. In totale, per ogni molecola di acetil-CoA che entra nel ciclo, si producono tre molecole di NADH. Queste molecole di NADH trasportano elettroni ad alta energia, che verranno utilizzati nella fase successiva per produrre ATP. 4. Produzione di FADH₂: Oltre al NADH, anche il FAD (flavina adenina dinucleotide) è un accettore di elettroni. Durante una delle reazioni del ciclo, il FAD viene ridotto a FADH₂. Questa molecola, come il NADH, trasporta elettroni ad alta energia e li consegnerà alla catena di trasporto degli elettroni nella fase 4. In ogni giro del ciclo di Krebs, viene prodotta una molecola di FADH₂. 5. Produzione di ATP (o GTP): In una delle reazioni del ciclo di Krebs, l’energia liberata viene utilizzata per produrre una molecola di ATP (in alcune cellule, si forma GTP, che può essere rapidamente convertito in ATP). Questo ATP è una fonte diretta di energia che la cellula può utilizzare immediatamente. 6. Rigenerazione dell’ossalacetato: Alla fine del ciclo, la molecola a 4 atomi di carbonio (ossalacetato) viene rigenerata, pronta per combinarsi con un’altra molecola di acetil-CoA e iniziare un nuovo giro del ciclo. Bilancio Energetico della Fase 3: Per ogni molecola di acetil-CoA che entra nel ciclo di Krebs, si ottengono: 2 molecole di CO₂ (rilasciate come prodotto di scarto), 3 molecole di NADH (per trasporto di elettroni ad alta energia), 1 molecola di FADH₂ (per trasporto di elettroni ad alta energia), 1 molecola di ATP (o GTP). Poiché dalla glicolisi si ottengono due molecole di piruvato (e quindi due molecole di acetil-CoA), ogni molecola di glucosio alimenta due giri del ciclo di Krebs. Questo porta al doppio dei prodotti elencati sopra per ogni molecola di glucosio. Fase 4: La Fase 4 della respirazione aerobica è la catena di trasporto degli elettroni (o fosforilazione ossidativa), e si svolge sulla membrana interna del mitocondrio. Questa fase utilizza gli elettroni trasportati dalle molecole di NADH e FADH₂, prodotti nelle fasi precedenti, per generare un gradiente di protoni (H⁺) che sarà utilizzato per sintetizzare una grande quantità di ATP. La foto rappresenta i diversi complessi proteici coinvolti e il movimento dei protoni e degli elettroni. Dettagli della Fase 4: Trasferimento degli elettroni lungo i complessi proteici: Gli elettroni vengono rilasciati dalle molecole di NADH e FADH₂ e trasferiti a una serie di complessi proteici nella membrana interna del mitocondrio. La foto mostra diversi complessi numerati (I, II, III e IV) attraverso i quali passano gli elettroni. Il NADH dona i suoi elettroni al complesso I, mentre il FADH₂ li cede al complesso II. Gli elettroni si muovono attraverso i complessi, perdendo gradualmente energia, fino a raggiungere l’ossigeno, che è l’accettore finale degli elettroni, formando acqua (H₂O) al termine della catena. Movimento dei protoni e formazione del gradiente di protoni: Mentre gli elettroni passano attraverso i complessi, l'energia rilasciata è utilizzata per pompare i protoni (H ) dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembrana (lo spazio tra la membrana interna ed esterna del mitocondrio). Questo crea un gradiente di protoni (concentrazione maggiore di H⁺ nello spazio intermembrana rispetto alla matrice), rappresentato nella foto dal movimento delle frecce che indicano i protoni che attraversano i complessi verso lo spazio intermembrana. ATP sintasi e sintesi di ATP: Il gradiente di protoni costituisce una riserva di energia potenziale. I protoni vogliono tornare nella matrice per ristabilire l’equilibrio, e lo fanno passando attraverso un canale specifico, l'ATP sintasi. La foto mostra l’ATP sintasi come una proteina canale che consente ai protoni di fluire di nuovo nella matrice. Questo flusso di protoni attraverso l'ATP sintasi attiva la sintesi di ATP da ADP e fosfato inorganico (Pi). Ogni volta che i protoni attraversano l’ATP sintasi, l’energia liberata viene utilizzata per legare ADP e Pi, formando ATP. Produzione di acqua: Alla fine della catena di trasporto, l’ossigeno accetta gli elettroni e si combina con i protoni per formare acqua (H₂O). La foto mostra questo passaggio finale, con l'ossigeno che accetta gli elettroni nel complesso IV e contribuisce a formare l'acqua, un prodotto di scarto che verrà eliminato dal corpo. Riepilogo della Fase 4: Questa fase produce la maggior parte dell’ATP nella respirazione cellulare. Grazie al movimento degli elettroni e al gradiente di protoni, si genera energia sufficiente per produrre circa 32-34 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio iniziale. L’ossigeno è essenziale in questa fase, poiché funge da accettore finale degli elettroni. La produzione di acqua e ATP conclude il processo di respirazione aerobica. Particolare importanza ha il complesso V, ovvero l’ATP-sintasi. Queste immagini illustrano il funzionamento dell'ATP sintasi, l'enzima responsabile della sintesi dell'ATP, una delle principali molecole di immagazzinamento di energia nelle cellule. L'ATP sintasi utilizza l'energia derivata dal gradiente protonico (differenza di concentrazione di protoni) generato dalla catena di trasporto degli elettroni durante la respirazione cellulare. Meccanismo dell'ATP sintasi L'ATP sintasi è formata da due componenti principali: 1. F0– un dominio transmembrana che funge da canale protonico. 2. F1– una parte catalitica che si estende nella matrice mitocondriale (nella cellula eucariotica) o nel citoplasma (nelle cellule batteriche). I protoni attraversano il canale F0, spinti dal gradiente di concentrazione tra lo spazio intermembrana e la matrice mitocondriale, creando una forza proton-motrice. Questa forza fa sì che il dominio F0 ruoti, inducendo a sua volta la rotazione delle subunità di F1. Energia libera di Gibbs (ΔG) e sintesi di ATP La reazione di sintesi dell'ATP a partire da ADP e fosfato inorganico (Pi) può essere rappresentata come segue: ADP+Pi+H→ATP+H2O Questa reazione è associata a un valore di energia libera di Gibbs, ΔG, che determina se la reazione è energeticamente favorevole (per spostare un qualcosa da una parte all’altra in maniera naturale). Produzione dell’energia L'energia necessaria per la sintesi dell'ATP proviene dal gradiente protonico, generato dalla catena di trasporto degli elettroni. Questo gradiente crea una differenza di concentrazione e di carica tra lo spazio intermembrana e la matrice mitocondriale. Quando i protoni fluiscono attraverso il dominio F0, l'energia della forza proton-motrice viene convertita in energia meccanica, facendo ruotare l'enzima. Questa rotazione causa cambiamenti conformazionali nelle subunità del dominio F1, dove avviene la catalisi dell'ATP. Ciclo catalitico e cambiamenti conformazionali Nella seconda immagine, i cambiamenti conformazionali delle subunità catalitiche sono mostrati in sequenza. Durante il ciclo di rotazione di F1: 1. Le subunità cambiano forma ciclicamente tra tre stati: stato legato (in cui ADP e Pi si legano), stato chiuso (in cui si forma ATP), e stato libero (in cui l'ATP sintetizzato viene rilasciato). 2. Ogni rotazione di 120° promuove un cambiamento nello stato delle subunità. Questo ciclo avviene tre volte per ogni giro completo, sintetizzando tre molecole di ATP. Ruolo dell'energia libera (ΔG) nella sintesi Il processo di sintesi dell'ATP richiede un valore di energia libera di Gibbs negativo (ΔG Sindrome Kartagener, Sinusi6 e infezioni vie respiratorie, infer6lità maschile, asimmetria viscerale inver6ta (situs inversus). Ruolo del baEto ciliare nel determinare asimmetria dello sviluppo nei primi stadi Embrionali -> moto morfogeni. Flagelli Procario6: il movimento è completamente diverso da quelli eucario6ci. I ﬂagelli ba@erici hanno infaE una forma “a cavatappi” e, ruotando su sé stessi, spingono la cellula come l’elica di una imbarcazione a motore. CIGLIO PRIMARIO In diversi 6pi cellulari privi di ciglia o ﬂagelli, tra cui cellule epiteliali, cellule nervose, ﬁbroblas6, cellule dell’osso (osteoci6) e della car6lagine (condroci6), dal corpo basale si ha la formazione di una proiezione piu@osto breve (pochi μm) chiamata ciglio primario. Svolge funzioni di segnalazione durante lo sviluppo e il mantenimento dell'omeostasi cellulare. Mol6 segnali derivano dal ciglio primario. Ciliopa6e: Mutazioni nei geni che codiﬁcano per le proteine ciliari sono associate a disordini dello sviluppo (MalaEa del Rene Policis6co). MICROFILAMENTI Coinvol6 nei cambi di forma cellulare, adesioni cell-cell e matrice. Presentano un moto ameboide, sono coinvol6 nella ciclosi, formano il solco di clivaggio in citocinesi, la “corteccia cellulare” e consentono la contrazione muscolare. Il cos6tuente fondamentale dei microﬁlamen6 è l’ac+na. Più molecole di ac6na G (globulare) polimerizzano per dare ac6na F (ﬁlamentosa). L’orientamento dei monomeri è testacoda e speciﬁco → polarità del microﬁlamento. L’ac6na globulare lega ATP in una sorta di tasca proteica, l’idrolisi di ATP accompagna la polimerizzazione. Esistono diverse ac6ne (famiglia genica) es: muscolo speciﬁche e non muscolari. Nel muscolo l’interazione con la proteina motrice miosina produce la contrazione muscolare. “DIVAGAZIONE” Le acCne sono usate come normalizzatori di cellule ed è una delle proteine struNurali come la tubulina. Molte indagini che si fanno, prendono in considerazione queste proteine struNurali. InfaD, la quanCtà di acCna o tubulina resta più o meno invariata, perché sono proteine che non possono cambiare tanto e se cambiano sono proteine molto espresse, al contrario dei faNori di trascrizione che hanno poche copie, e sono uClizzate per normalizzare un segnale. Queste proteine servono per controllare procedure diagnosCche. Proteine che legano l’ac+na e le loro funzioni (studiare bene l’immagine) Le proteine che legano l’ac6na possono essere suddivise in due gruppi: - proteine che regolano il processo di polimerizzazione/depolimerizzazione dell’ac6na -proteine che interagiscono con i ﬁlamen6 di F-ac6na organizzandone la disposizione nello spazio. Varie proteine accessorie si associano ai microﬁlamen6 modulandone funzione/assemblaggio, nucleazione iniziale, stabilità, branching, incappucciamento. Nel citoplasma i microﬁlamen6, si associano in stru@ure diverse che sono: - fasci compaE an6paralleli - fasci paralleli - re6 - fasci incappuccia6. (IMMAGINE: Nel citosol, grazie al legame con proteine che controllano il comportamento dei ﬁlamenC acCnici, quesC possono organizzarsi a formare struNure diﬀerenC, ﬁlamentose corte o lunghe, con le estremità bloccate e non; diversi ﬁlamenC si possono associare in reCcoli o in fasceD.Da notare la bidirizeionalità delle frecce.) I monomeri che si associano, si incappucciano e poi si cominciano a stru@urare o so@o forma di re6colo o so@o forma di fascio. Ci può essere anche un frazionamento. Proteine che regolano il processo di poli/depolimerizzazione dell’ac+na L’estrema dinamicità dei microﬁlamen6 è assicurata e regolata da molte proteine: alcune agiscono sulla disponibilità dei monomeri di G-ac6na, altre sulla stabilità delle estremità dei ﬁlamen6, altre ancora ne regolano la nucleazione e l’allungamento. Ognuna di queste proteine ha nomi e funzioni diverse come la tropomodulina per le ﬁbrocellule, o la corteccia del globulo rosso. Molte malaEe, dovute all’emolisi dei globuli rossi, sono dovute alla mal disposizione di alcune proteine sulla corteccia dei globuli rossi. Le proteine che controllano l’allungamento dei microﬁlamen6 comprendono le formine e il complesso arp2-3. Le formine formano una stru@ura simile a una ciambella che interagisce con l’estremità posi6va di un microﬁlamento di ac6na, promuovendo l’allungamento del ﬁlamento aggiungendo monomeri di ac6na uno alla volta. Quindi le formine allungano l’ac6na. Durante la citodieresi, processo che divide la cellula alla ﬁne della meiosi, sono proprio le formine che creano l'anello contraEle che consente la separazione delle due cellule. Se non ci sono le formine, non avviene separazione delle due cellule, perciò ci saranno cellule mul6nucleate. Il complesso arp2-3 svolge un ruolo fondamentale nella dinamica del citoscheletro, perme@endo alle cellule di rispondere in modo coordinato agli s6moli esterni ed interni, contribuendo alla loro mobilità, alla morfologia cellulare e a vari processi come la migrazione cellulare e la fagocitosi (processo immunitario fondamentale per la risposta e per l’eliminazione di tuE gli organismi estranei dell’organismo). Ci sono proteine che organizzano la disposizione spaziale dei microﬁlamen6 e svolgono diversi ruoli: 1. Stabilizzazione dei Microﬁlamen6: Microﬁlamen6 lineari e ramiﬁca6 sono stabilizza6 da proteine speciﬁche. Queste proteine favoriscono l’associazione in fasci paralleli o re6, agendo da conne@ori. 2. Formazione di Stru@ure Cellulari: Proteine monomeriche e dimeriche collegano microﬁlamen6 per formare archite@ure cellulari complesse. Esempi includono ﬁmbrina e villina nei microvilli, e α- ac6nina in ﬁbre da stress e cellule muscolari. 3. Integrazione con la Membrana Plasma6ca: Proteine come la miosina I e la distroﬁna collegano i microﬁlamen6 alla membrana plasma6ca e alla matrice extra-cellulare. Le integrine ancorano i fasci di ac6na alle adesioni focali. 4. Supporto Meccanico e Dinamica Cellulare: La spe@rina forma re6coli so@o la membrana plasma6ca per supporto meccanico. La ﬁlamina crea gel di ac6na per estendere la membrana in lamellipodi. 5. Connessioni e AEvazioni Proteiche: La famiglia ERM (ezrina, radixina e moesina) stabilizza i ﬁlamen6 di ac6na con la membrana plasma6ca. L'aEvazione avviene tramite interazioni lipidiche e fosforilazioni. 6. Impa@o delle Mutazioni Gene6che: L'assenza di proteine come la merlina o la distroﬁna causa disturbi come la neuroﬁbromatosi e la distroﬁa muscolare di Duchenne. Nei microvilli ci sono queste stru@ure con una polarità posi6va e nega6va. Queste proteine fanno pon6 trasversali tra i fasci delle ac6ne. I microﬁlamen6 sono fasci di ac6na paralleli, li troviamo nei microvilli dell’epitelio intes6nale e nei ﬁlopodi dei macrofagi. Ques6 ul6mi per spostarsi e per fagocitare hanno bisogno dei ﬁlopodi. (IMMAGINE->Schema della organizzazione dei ﬁlamenC di acCna in un microvillo: internamente i microﬁlamenC sono legaC fra di loro mediante proteine a formare dei fasceD che conferiscono una certa rigidità al microvillo; ﬁlamenC sono orientaC con l’estremità posiCva verso l’apice della struNura e l’estremità negaCva verso il citoplasma. All'esterno la membrana plasmaCca è legata con ponC laterali ai microﬁlamenC.) MIGRAZIONE CELLULARE L’assemblaggio/disassemblaggio dei ﬁlamen6 di ac6na è alla base della mo6lità cellulare, dell’allungamento degli assoni e dei cambiamen6 di forma delle cellule durante lo sviluppo embrionale. Importante è la migrazione cellulare, le cellule usano i microﬁlamen6 per muoversi sulle superﬁci solide. Questa mo6lità è essenziale tranne che negli spermatozoi che nuotano con il ﬂagello. Nell’embriogenesi ,il movimento cellulare è vitale per lo sviluppo dei tessu6 mentre i neuroni si estendono verso i loro obieEvi guida6 da segnali. Le cellule immunitarie e le riparazioni dei tessu6 adul6 migrano verso le aree di infezione e danno, le cellule tumorali si spostano imitando queste cellule per diﬀondersi. La migrazione cellulare segue un processo in tre fasi: 1. Protrusione: le cellule estendono la membrana anteriore mediante ﬁlopodi, lamellipodi o pseudopodi forma6 da ac6na. 2.Adesione: le cellule si ancorano al substrato con contaE focali per garan6re stabilità durante il movimento. 3.Trazione e avanzamento: le cellule si trascinano in avan6 tramite la depolimerizzazione dell'ac6na nella parte posteriore, equilibrata dalla polimerizzazione anteriore. L'ac6na perme@e ques6 movimen6. MIOSINE E MOVIMENTI DI ORGANELLI MEDIATI DA MIOSINE Partendo dai neuroni, spermatozoi, divisione cellulare, da cellula vegetale, il citoscheletro ha funzioni molto molto importan6. I microﬁlamen6 collaborano stre@amente con le mosine, una famiglia di proteine motrici che u6lizzano l’ATP per muoversi lungo i ﬁlamen6 di ac6na e per il trasporto di organelli. La famiglia delle miosine è stru@uralmente simile a quelle delle kinesine, quindi le funzioni potrebbero essere sovrapponibili. Ce ne sono di diversi 6pi ,quindi diverse a@vità: StruJura miosina Catena pesante organizzata in: -zona globulare (testa) -> lega ac6na e idrolizza ATP (dominio motore); -regione ﬁbrosa variabile (coda) -> interazione con altre molecole. Dipartimento di Scienze Mediche e Chirurgiche Corso di Laurea Specialistica in Medicina e Chirurgia BIOLOGIA APPLICATA- CI Biologia e Genetica AA 2024/2025 SSD BIO/13, CFU 7 Anno di corso: 1; semestre:1 Docente: Prof. Tommaso Colangelo [email protected] MECCANISMI DI COMUNICAZIONE CELLULARE Comunicazione cellulare La COMUNICAZIONE CELLULARE è cruciale negli organismi multicellulari - coordina/organizza attività e sviluppo di vari organi/tessuti - scambio di informazioni mediante rilascio di segnali chimici (e/o elettrici) Le molecole segnale (ormoni, fattori locali e neurotrasmettitori) sono di varia natura: -proteine (insulina, glucagone, interferone, fattori di crescita e differenziamento, fattori di morte) -aminoacidi e derivati (Glu, GABA, glicina, noradrenalina ed adrenalina,serotonina, tiroxina) -lipidi o steroidi (testosterone, estradiolo, prostaglandine, acido arachidonico) -Gas (CO e NO=ossido di azoto contrazione muscolatura vasi sanguigni) Struttura chimica di ormoni endocrini animali Le molecole segnale agiscono con un diverso raggio d’azione Recettori di membrana e recettori intracellulari Il recettore è una proteina capace di riconoscere e legare specificamente e con alta affinità la molecola segnale (ligando) (affinità molto alta per ormoni endocrini che agiscono a conc bassissime) Interazione recettore-ligando funziona come interruttore molecolare che accende una certa via metabolica le funzioni cellulari si modificano in funzione del messaggio ricevuto -di membrana (molecole segnale idrofiliche) Recettore: -intracellulare (molecole idrofobiche) Recettori intracellulari I recettori intracellulari sono fattori trascrizionali in seguito all’associazione con la molecola segnale si attivano àe vanno a legare sequenze di DNA regolatore à attivando/reprimendo espressione genica Ligando-recettore Ligando-recettore Trasduzione del segnale (modificazione di enzimi e proteine, variazione di concentrazione di ioni) Risposta cellulare In seguito all’associazione con le molecole segnale, i recettori di membrana innescano meccanismi di trasduzione del segnale dall’esterno all’interno della cellula Si scatenano così eventi biochimici che modificano varie funzioni cellulari (es espressione genica, attività metabolica, proliferazione, ecc) Principi generali I meccanismi di trasduzione si basano su modificazioni delle attività di alcuni enzimi/proteine L’attività enzimatica può essere modulata mediante modificazione chimica dell’enzimaà cambi conformazionali Es fosforilazione/defosforilazione Principi generali Molte vie di trasduzione si basano su attività di chinasi e fosfatasi che agiscono a «cascata» La fosforilazione : aggiunta di gruppi fosfato può modificare la conformazione di una proteina influenzando sua attività, e/o localizzazione Principi generali I meccanismi di trasduzione spesso determinano modificazioni delle concentrazioni intracellulari di specifici ioni e/o piccole molecole = «secondi messaggeri» (o messaggeri intracellulari) Es variazione [Ca 2+ ] Il Ca funziona come secondo messaggero in varie vie di trasduzione del segnale Ca lega proteine Ca dipendenti modulandone Attività Secondi messaggeri A sua volta il Ca++ lega proteine calmoduline (modulandone conformazione e funzione) che regolano l’attività di vari enzimi/proteine bersaglio Es: la calmodulina troponina C modula contrattilità dei filamenti nella fibra muscolare Secondi messaggeri Il Ca2+ è un mediatore intracellulare ubiquitario La fecondazione di un uovo da parte di uno spermatozoo scatena un’onda di Ca2+ citosolico. In quest’uovo di stella marina è stato iniettato un colorante fluorescente sensibile al Ca2+ prima della fecondazione. Un’onda di Ca2+ citosolico (rosso), rilasciato dal RE, percorre l’uovo a partire dal sito di ingresso dello spermatozoo (freccia). L’onda di Ca2+ provoca un cambiamento nella superficie della cellula uovo, impedendo l’ingresso di altri spermatozoi, e dà anche inizio allo sviluppo embrionale Proteine/funzione Principi generali Produzione di secondi messaggeri (Ca++, cAMP, IP3, DAG) e/o reclutamento sequenziale di enzimi modificanti permette amplificazione del segnale originario con un meccanismo a cascata (risposta cellulare efficace) L’amplificazione può avvenire a diversi livelli della via trasduzionale Amplificazione è maggiore per modulare metabolismi minore per attivazione/repressione genica Principi generali Proteine di trasduzione si comportano come INTERRUTTORI Principi generali Integrazione del segnale Principi generali Segnale può indurre risposte lente o rapide Principi generali Adattamento al segnale mediante feed back negativo Tendenza a «spegnimento» nei vari anelli di segnalazione Principi generali Il sistema di trasduzione del segnale dipende dal tipo di recettore di membrana: 3 principali classi di recettore 1) Canale ionico 2) Associato a proteine G (GPCR) 3) Associato ad enzimi Recettori associati a proteine G Legano ligandi sul lato extracell. e interag. con proteine G trimeriche su lato interno --> la subunità Gα si attiva legando GTP e a sua volta attiva altri bersagli subunità Gα -si attiva legando GTP al posto di GDP -si «spegne» grazie ad attività GTPasica Recettore ha struttura tipica con 7 α-eliche trans-membrana GPCR: inizio della cascata La subunità α attivata (legante GTP) si dissocia dal trimero e interagisce con le proteine bersaglio (inizio della via segnalazione) lo stato attivato cessa con l’idrolisi del GTP. riassociazione nel trimero àspegnimento automatico e attività temporalizzata Stato attivo Stato inattivo GPCR: inizio della cascata la Gα attivata può stimolare enzima adenilato ciclasi che produce cAMP (da ATP) cAMP, un nucleotide ciclico, funziona come II messaggero GPCR: cascata e secondi messaggeri Ad es cAMP attiva enzima chinasi PKA (= proteina chinasi A) PKA è attivato dal legame del cAMP sulle subunità regolative Gli enzimi chinasi (PKA e PKC) a loro volta, fosforilando enzimi target (Ser e Treo), modulano metabolismi vari GPCR: cascata completa Es di via di trasduzione del segnale innescata da recettori associati a proteine G e che attiva PKA: Segnalazione da parte di glucagone su epatociti Glucagone (segnala bassa glicemia) Interazione col recettore attiva Gα àattiva adenilato ciclasi à↑ cAMP àattivazione di PKA che fosforila enzimi chiave del metabolismo del glucosio modulandone attività in modo da favorire glicogenolisi e quindi rilascio di Glu nel sangue Effetto di PKA su CREB L’attivazione di adenilato ciclasi e PKA produce risposte cellulari diverse a seconda del tipo di tessuto Ad es in alcune cellule PKA fosforila il fattore trascrizionale CREB (cAMP responsive element) innescando una risposta cellulare a livello di espressione genica Principio generale Cellule diverse reagiscono diversamente allo stesso stimolo chimico (primo e/o secondo messaggero) L’aumento di cAMP ha varie conseguenze a livello cellulare Es stesso ormone (adrenalina); stesso recettore; cAMPà PKAà varie risposte Ormoni ed effetti mediati da cAMP GPCR: altre cascate e secondi messaggeri PKC è attivata da recettori associati a proteine G (GPCR) che stimolano fosfolipasi-C e aumento di Ca++ Gα attiva l’enzima di membrana fosfolipasi C, che scinde un lipide di membrana in DAG + IP3à -DAG attiva PKC -IP3 solubile stimola apertura canali Ca, anche Ca attiva PKC (PKC è stimolata sia da Calcio che da DAG) Secondi messaggeri Vari secondi messaggeri derivano da fosfolipidi di membrana tagliati da varie classi fosfolipasi (es fosfolipasi C genera IP3 e DAG dal lipide fosfatidil-inositolo (PI) Tipo cellulare/risposta Recettori associati ad enzimi (TKR) Es. recettori tirosina kinasi (TKR): transmembrana monopasso con dominio citoplasmatico dotato di attiv. Tyr kinasica. In seguito al legame con ligando dimerizzano e si fosforilano a vicenda (es recettori per vari fattori di crescita EGF, PDGF, NGF, ed insulina) TKR Una volta fosforilati i recettori richiamano sui domini citoplasmatici varie proteine (con domini SH2 o PTB) che innescano la trasduzione intracellulare del segnale TKR Ad es: via di RAS recettore fosforilato può associarsi a proteina che attiva Ras (proteina G monomerica) Ras si attiva legando GTP e regola via segnalazione che controlla proliferazione e differenziamento cellulare fattori di crescita e segnali mitogeni stimolano via segnalazione RAS-mediata Fosforilazione a cascata di varie proteine à culmina su fattori trascrizionali che promuovono trascrizione genica di cicline e cdk necessarie a ingresso in fase S TKR Ras innesca a cascata l’attivazione di varie chinasi MAP. fosforilazione di fattori trascrizionali e proteine che modulano espressione genica (MAP= mitogen activated protein kinase) Mutazioni di Ras provocano tumori àRas sempre attiva àAttivazione permanente dei geni di Proliferazione (es. cMyc, Jun; cicline, cdk) TKR Effetto di una mutazione dominante sul recettore Tyr chinasi per FGF FGF: fattore di crescita dei fibroblasti. FGFR: ruolo importante nello sviluppo delle cellule del mesoderma à muscolo, cartilagine, precursori colonna vertebrale Embrione di rana: normale e Mutante: con solo testa, senza corpo. Recettori canale Recettori canale si aprono/chiudono in seguito al legame con molecola segnale à alterano polarità di membrana. Es recettore nicotinico per l’acetilcolina su giunzioni neuromuscolari. Depolarizzazione indotta dall’apertura del canale fa aprire anche canali Na ulteriore depolarizzazioneà apertura canali Ca del reticolo sarcoplasmatico, contrazione miofibrille Rilascio di calcio indotto dal calcio La contrazione del miocardio è innescata dall’ingresso di Ca attraverso canali a controllo di potenziale Ingresso di Ca nel citosol àAumento di Ca citosolicaà àapertura canali-recettori per Ca su membrana SER (recettori rianodinici)à aumento ulteriore [Ca] citosolà contrazione àRitorno a stato iniziale grazie a pompe attive Ciclo si ripete ad ogni battito Vie di segnalazione Le varie vie di segnalazione, iniziate da diversi recettori, possono convergere e dialogare tra loro Desensibilizzazione del recettore La risposta recettoriale deve essere temporalmente definita à meccanismi di “spegnimento” della risposta recettoriale -Molti elementi del sistema di trasduzione si autoinattivano (es G protein) o sono abbinati a sist. di spegnimento (cAMP fosfodiesterasi, pompe Ca) Esistono anche strategie di desensibilizzazione ad un certo stimolo Es endocitosi del recettore-ligando seguita da riciclo o degradazione del recettore (a-b) Intervento di proteina inibitrice sul recettore o su anello + a valle della via trasduzione (c-d) A volte la stessa via trasduzione attiva inibitore (e) (feed back negativo) Dipartimento di Scienze Mediche e Chirurgiche Corso di Laurea Specialistica in Medicina e Chirurgia BIOLOGIA APPLICATA- CI Biologia e Genetica AA 2024/2025 SSD BIO/13, CFU 7 Anno di corso: 1; semestre:1 Docente: Prof. Tommaso Colangelo [email protected] NEURONI e impulso nervoso: potenziale di azione e sinapsi Tutti gli animali sono dotati di un sistema nervoso Il sistema nervoso ha 3 funzioni fondamentali: 1) La ricezione dello stimolo dall’ambiente 2) L’elaborazione/integrazione dello stimolo con altri segnali 3) L’innesco/organizzazione di una risposta (contrattile, secretoria, etc) mediante coinvolgimento di organi effettori. Anche se i meccanismi morfo-funzionali coinvolti in questo processo possono essere molto complessi, il “messaggio” trasmesso è sempre codificato nella stessa lingua universale – l’impulso nervoso (il potenziale d’azione). Il sistema nervoso nei vari gruppi sistematici ha un grado di complessità diverso Nei celenterati una rete neurale diffusa non permette integrazione →risposte Elementari Negli anellidi e nei platelminti c’è un abbozzo di encefalo e ed una serie di gangli segmentali Anche nella stella marina, c’è un certo livello di integrazione dovuto ad un anello nervoso centrale. I comportamenti più elaborati della seppia derivano dai gangli specializzati Vertebrati: centralizzazione/cefalizzazione accentuata Nell’uomo divisione tra SNC e SNP alto grado di integrazione informazioni e di elaborazione (comportamenti complessi, memoria, apprendimento); rispetto ad animali con mole simile > volume cerebrale. Nei vertebrati divisione in CNS e PNS CNS: cervello +midollo spinale (neuroni sensori e motori) PNS: tutte altre componenti sensorie e motorie (sn somatico e autonomo) Cellule del SN: neuroni (trasmissione) e gliali (sostegno funz. accessorie) Gliali comprende diversi tipi cell. es microglia (funz fagocitaria difesa), Schwann (guaina Neuroni: 3 tipi : 1.sensoriali (captano diversi tipi di segnale, altam. specializzati) mielina), astrociti (barriera ematoencefalica) 2. Motoneuroni (trasmettono segnalki dal SNC agli effettori) 3. Interneuroni (processano, integrano segnale tra varie parti del SN) I neuroni sono le unità fondamentali del sistema nervoso Cellule specializzate per trasmettere segnali elettrici Sono cellule eccitabili: possono variare flusso di ioni e quindi il potenziale elettrico di membrana in risposta ad uno stimolo àtale capacità è sfruttata per trasmettere rapidamente segnali: i neuroni si interconnettono come i fili di circuito elettrico. Corpo cellulare (nucleo+organuli) + prolungamenti o processi Dendriti ( segnale centripeto) Assone ( segn. centrifugo) Rivestimento mielina (nodi Ranvier) Bulbi terminali (sinapsi) Diverse forme dei neuroni In ogni cellula: La cellula contiene molte macromolecole anioniche (DNA, proteine) che non possono attraversare membrana; piccoli cationi (K+) invece si spostano fuori secondo gradiente elettrochimico generato dalle pompe Na-K (espelle 3Na, e fa entrare 2K) → si genera ddp In ogni cellula: Tutte le cellule quindi hanno un eccesso di cariche negative su lato interno di membrane plasmatica; questa distribuzione diseguale di carica genera un potenziale di membrana di riposo, di circa -15 -100mV In genere neurone ha un potenziale di circa -60 mV. Neurone puo’ modificare pot. di riposo in pot. di azione in risposta ad uno stimoloà grazie a presenza di canali ionici per Na e per K voltaggio-dipendenti Gli studi per capire i meccanismi che regolano le variazioni di potenziale che accompagnano l’impulso nervoso sono state condotti sugli assoni giganti di calamaro Gli assoni giganti di calamaro Gli assoni giganti di calamaro: un sistema sperimentale molto utilizzato per studiare i potenziali d’azione delle membrane biologiche Solo nella cellula nervosa Il potenziale d’azione consiste in una rapidissima inversione della polarità elettrica: per 1 o 2 millisecondi il versante interno (citoplasmatico) della membrana assonica risulta (+) rispetto all’esterno. Sequenza di apertura e chiusura caratteristica 1)Pot riposo: chiusi canali pot. Dipendenti per Na e K (sempre aperti canali libera diff per K) 2) Stimolo depolarizzanteà apertura canali Naà Na entra Depolarizzazione (spike) 3)àInattivazione canali Na e apertura canali Kà K esce à I potenziali di azione ripolarizzazione ed Iperpolarizzazioneàchiusura canali Kà àpot riposo: chiusi originano da rapidi canali pot. Dip. cambiamenti nello stato di apertura/chiusura dei canali voltaggiodipendenti per Na e K Modifiche dei canali ionici Meccanismo di gating dei canali voltaggio-dipendenti I canali a controllo da potenziale hanno struttura conservata: la/e proteina/e si ripiega a formare tubo cavo transmembrana: una porzione di rivestimento interno cambia conformazione in base a potenziale→ sensibilità al potenziale L’elica S4 ricca di aa basici ”sente“ voltaggio di membrana e regola lo stato di apertura/chiusura del canale Funzionamento di un canale ionico voltaggio-dipendente Oltre al gating, i canali voltaggio dipendenti possono subire inattivazione appena dopo picco di depolarizzazione si ha refrattarietà dei canali per Na (incapacità di rispondere a stimolo con un nuovo potenziale di azione) dovuta ad inattivazione L’inattivazione dipende da meccanismo di chiusura diverso dal sistema di gating Un dominio citosolico fa da “tappo” L’inattivazione rende i canali per Na V-dipendenti insensibili a ulteriori stimoli depolarizzanti. Il segnale che arriva sui dendriti si propaga: - passivamente su corpo cellulare (non ancora come pot. azione) - e poi, lungo l’assone, come pot. di azione NB: Il pot. di azione si innesca alla base dell’assone se si supera il valore soglia di depolarizzazione, che porta infatti ad apertura dei canali Na+ V dipendenti Propagazione come onda di depolarizzazione Il potenziale di azione procede solo in avanti perché i canali Na del tratto precedente sono inattivati (refrattarietà assoluta della membrana) Mielinizzazione degli assoni Cellule glia (Schwann per il SNP, oligodendrociti per il SNC) si avvolgono attorno agli assoni per formare una guaina mielinica isolante La guaina (lipidica al 70%) impedisce flusso di ioni, inoltre canali Na+ voltaggio-dipendenti si concentrano solo sui nodi di Ranvier àPot di azione solo sui nodi di Ranvier: salti di potenziale La conduzione saltatoria La conduzione dell’impulso è saltatoria: il potenziale di azione salta da un nodo al successivo àMaggiore velocità àMinore consumo energetico Sinapsi elettrica La comunicazione dell’impulso nervoso tra neuroni e tra neuroni e cell. Eccitabili (muscolo-ghiandola) avviene grazie a strutture specializzate: sinapsi. 1) Sinapsi elettrica Stabilisce una comunicazione diretta tra elemento pre- e post-sinaptico grazie a gap junction, passaggio diretto di correnti ioniche Comunicazione rapida e bidirezionale Tipica di SNC (riflessi)/fibre muscolari cardiache Sinapsi chimica 2) Sinapsi chimica Le cellule non sono fisicamente connesse bensì separate da uno spazio intercellulare di 25-50 nm. Il segnale elettrico dell’elemento pre-sinaptico è convertito in segnale chimico: rilascio di mediatore chimico (neurotrasmettitore) dalla terminazione assonica àdiffusione nello spazio sinaptico e legame su recettori specifici sul versante post-sinaptico. Trasmissione del segnale attraverso una sinapsi La membrana presinaptica presenta canali per il Ca2+ voltaggio-dipendenti. L’arrivo del potenziale d’azione ne determina l’apertura, in modo che il Ca2+, presente in maggiore concentrazione all’esterno, possa entrare nel citosol della terminazione assonale, e indurre l’esocitosi (regolata) delle vescicole contenenti il neuromediatore. Liberato nella fessura presinaptica, il neurotrasmettitore diffonde verso membrana post-sinaptica dove si lega a recettori- canale. A seconda del tipo di recettore, il legame del neurotrasmettitore sulla membrana postsinaptica può determinare: a) depolarizzazione (sinapsi eccitatoria) o b) b) iperpolarizzazione (s. inibitoria) Sezione di sinapsi bottone elemento pre-sinaptico elemento post-sinaptico Vescicole agganciate alla membrana presinaptica Integrazione degli impulsi sinaptici I neuroni ricevono migliaia di sinapsi contemporaneamente! La membrana post-sinaptica fa la somma delle informazioni ricevute: somma i potenziali post-sinaptici in senso spaziale e temporale Struttura e sintesi di neurotrasmettitori Neurotrasmettitori: piccole molecole (diffusibili) di varia natura chimica Rilasciati dall’assone presinaptico possono avere effetto eccitatorio o inibitorio sulla cellula bersaglio Il recettore dell’acetilcolina L’acetilcolina è neurotrasmettitore sia del SNC che periferico e puo’ avere effetto eccitatorio o inibitorio a seconda della cellula bersaglio e del tipo di recettore Su fibra muscolare scheletrica si lega a canale per Na+ àapertura e ingresso Na+àdepolarizzazione stimolo eccitatorio Su muscolo cardiaco si lega a canale per Cl-à apertura e ingresso di anioni Cl-à iperpolarizzazione stimolo inibitorio Giunzione neuromuscolare L’acetilcolina è il neurotrasmettitore a livello delle placche neuromotrici o giunzioni neuromuscolarià sinapsi colinergiche I recettori per l’acetilcolina possono essere nicotinici o muscarinici e, a seconda del tipo, possono mediare stimoli sia eccitatori che inibitori Recettori dei neurotrasmettitori Recettori ionotropi: canali ionici ligando-dipendentià trasmissione diretta e rapida Es recettore nicotinico dell’acetilcolina funziona come canale controllato per il Naà effetto eccitatorio Recettore GABA Funziona come canale controllato per il Cl-à apertura induce ingresso di ioni cloruro (negativi)àeffetto inibitorio Recettori dei neurotrasmettitori Recettori metabotropi: recettori di membrana che innescano cascata segnalazione intracellulare à trasmissione indiretta, + lenta, con effetto amplificatorio Es recettore muscarinico dell’acetilcolina e recettori adrenergici (catecolammine) Recettore attiva proteina G à questa attiva canale ionico oppure enzima che produce secondo messaggero Meccanismi di spegnimento dello stimolo nervoso Per interrompere la risposta postsinaptica, il neurotrasmettitore deve essere rimosso dalla fessura postsinaptica. 1) Può essere degradato per via enzimatica: es acetilcolina esterasi (gas nervini inibiscono l’acetilcolinesterasi! spasmi muscolari) 2) Può essere riassorbito per trasporto attivo dalle membrane presinaptiche (riciclo) (alcuni farmaci antidepressivi limitano riassorbimento di neurotrasmettitori eccitatori prolungandone effetto, anche droghe come cocaina e anfetamine impediscono ricaptazione della dopammina prolungandone effetto eccitante). Impulso nervoso Tossine e farmaci psicoattivi interferiscono con i meccanismi di trasmissione dell’impulso nervoso Simulano il neurotrasmettitore: es. nicotina, curaro simulano l’acetilcolina. Legano recettore del neurotrasmettitore, bloccandolo (es veleno serpenti) Bloccano rilascio o rimozione del neurotrasmettitore (es gas nervini) Effetto delle tossine botulinica (C. botulinum) e tetanica (C. tetani) Entrambe interferiscono con trasmissione dell’impulso nervoso a livello dei motoneuroni T botulinica blocca rilascio di acetilcolinaà impedisce contrazione: paralisi flaccida e morte per soffocamento T tetanica blocca rilascio di neurotrasmettitori inibitori (glicina) da parte di interneuroni sui motoneuroni effetto continuo/prolungato di acetilcolinaà contrazione permanente, paralisi spastica (contrazione) Dipartimento di Scienze Mediche e Chirurgiche Corso di Laurea Specialistica in Medicina e Chirurgia BIOLOGIA APPLICATA- CI Biologia e Genetica AA 2023/2024 SSD BIO/13, CFU 7 Anno di corso: 1; semestre:1 Docente: Prof. Tommaso Colangelo [email protected] MORTE CELLULARE Proliferazione e morte cellulare sono eventi fisiologici Proliferazione e morte cellulare sono eventi fisiologici Morte programmata serve a: Sviluppo embrionale e fasi di scultura/rimodellamento del corpo Omeostasi tissutale (di tessuti dinamici) Eliminazione cellule infettate/difettose Eliminazione di strutture corporee “inutili”- Malattie connesse a difetti nel processo di morte cellulare: - Malattie neurodegenerative (neuroni con eccessiva tendenza a morire) - cancro (mancata morte cellulare) Apoptosi Es. di importanza dell’apoptosi nello sviluppo Metamorfosi: modifica drastica della struttura corporea con eliminazione di interi organi, es coda! formazione dita : eliminazione spazi interdigitali Morte cellulare Morte cellulare per apoptosi NECROSI: cellula si rigonfia, APOPTOSI: rapida e “pulita”: membrana resta integra, non restano rompe e riversa proprio detriti perchè la cellula espone antigeni riconosciuti da cellule contenuto all’esterno spazzino: cellule morenti sono fagocitate Cellule normali e apoptotiche Aspetti caratteristici della cellula apoptotica citoplasma si contrae e si formano bolle superficiali. Il citoplasma si re-distribuisce in vescicole membranose che si distaccano dalla superficie e che sono poi fagocitate Aspetti caratteristici della cellula apoptotica Blebbing: formazione vescicole/bolle superficiali: i “corpi apoptotici” che inducono le cellule spazzino a fagocitare resti cellulari ed eliminarli (composiz fosfolipidica peculiare)à segnali “eat me” Segnali «eat me» riconosciuti da recettori dei fagociti Aspetti caratteristici della cellula apoptotica Condensazione della Cromatina e frammentazione/parcellizzazione nucleo Aspetti caratteristici della cellula apoptotica Degradazione «discreta» del DNA si attivano enzimi CAD che degradano DNA genomico tagliandolo a livello internucleosomicoà frammenti discreti Differenze tra necrosi e apoptosi Caratteristiche morfologiche della morte cellulare Vari segnali inducono o reprimono l’apoptosi Il macchinario molecolare per la morte programmata è precostituito in ogni cellula ed è quindi normalmente frenato fino a quando lo stimolo adeguato lo scatena Segnali interni (da nucleo o RE) convergono verso mitocondri Segnali esterni: interazione con recettori di morte (NB alcuni segnali possono indurre sia apopotsi che necrosi es virus, tossine batteriche,...), fattori di morte, fattori sopravvivenza, adesione intercellulare, etc Segnali possono essere pro- o anti-apoptotici Le caspasi L’apoptosi è realizzata mediante una cascata proteolitica intracellulare I segnali pro-apoptotici (sia esterni che intracellulari) attivano le caspasi Le caspasi sono famiglia di enzimi proteolitici presenti nella cellula come precursori inattivi, che possono essere attivate e/o autoattivarsi mediante taglio proteolitico à subunità prodotte si associano in tetrameri attivi Cascata delle caspasi c. regolativeà c. esecutricià target multipli Cascata delle caspasi L’attivazione a cascata delle caspasi porta a “smantellare” strutture cellulari / attivare enzimi vari: così le caspasi “eseguono” il processo di morte. I substrati delle caspasi sono varie proteine cellulari essenziali: Varie proteina-chinasi (tra cui chinasi dei contatti focali)à distacco della cellula apoptotica dalle vicine Lamìneà aggregazione/riassetto involucro nucleare Proteine del citoscheletroà cambia forma cellulare/collasso citoscheletro Inibitore di endonucleasi CAD (caspase activated Dnase)à frammentazione del DNA Caspasi VIA ESTRINSECA VIA ESTRINSECAà segnali extracellulari interagiscono con “recettori di morte” à caspasi regolativa 8 Segnali come: TNF-prodotto dal SI in riposta a radiazioni, infezioni virali, agenti tossici; FAS presentato da linfociti T citotossici, coinvolto nell’eliminazione di cellule di risposta infiammatoria, cellule infettate da virus o tumorali Spesso ligandi e recettori oligomerici (si associano) Legame con recettore àsu lato citosolico il DD (death domain) interagisce con p. adattatrici che si legano, attivandola, procaspasi 8 iniziatriceà attivazione caspasi effettrici VIA INTRINSECA Apoptosi indotta da segnali interni come danno al DNA (nucleo), stress ossidativo (RE), carenza di fattori sopravvivenza (caspasi regolativa 9) àVia mitocondriale: rilascio di proteine mitocondriali, in particolare Cyt C àAssociazione con Apaf1 e procaspasi 9 nel complesso proteico “apoptosoma” àAttivazione di procaspasi-9 e cascata di caspasi effettrici VIA INTRINSECA Via interna regolata da famiglia geni Bcl-2 pro-apoptotici e anti-apoptotici proteine Bcl-2 interagiscono tra loro e sulla membrana mt per controllarne la permeabilità effetto anti o pro-apoptotico dipende dalla combinazione di particolari domini proteici (BH1-2-3-4) VIA INTRINSECA Ruolo di BCL2 pro-apoptotiche effettrici Stress cellulare o altro stimolo pro-apoptosi àAssociazione e aggregazione di Bcl-2 pro-apoptotiche effettrici (es Bax) su membrana esterna del mitocondrioàAlterano permeabilità (?)à rilascio di proteine mitocondriali in particolare Cyt C VIA INTRINSECA normale apoptosi Cyt C (in verde) si diffonde dai mitocondri in tutta cellula in seguito ad induzione di apoptosi Il nucleo (blu) si frammenta VIA INTRINSECA Ruolo di BCL2 antiapoptotiche: legano e bloccano bcl2 proapoptotiche effettrici Ruolo di BCL2 pro-apoptotiche BH3 only bcl2 BH3 only sono importanti per modulare la via intrinseca in base a stimoli VIA INTRINSECA: ulteriori controlli IAP inibiscono caspasi attivate per sbaglio! Con stimolo, escono nel citosol anti-IAPà inibizione su caspasi rimossa Controllo fine sulla fase iniziale!! Vie apoptotiche Ruolo delle BH3 only: connessione tra via intrinseca ed estrinseca La via estrinseca arruola quella mitocondriale La via estrinseca, attiva procaspasi 8 che taglia e attiva Bid (bcl2 proapopt. BH3 only) portando a rilascio del citocromo C dal mitocondrio Regolazione delle proteine BH3-only Ruolo delle BH3 only: connessione col danno al DNA sintesi e funzione delle proteine Bcl-2 BH3 only sono regolate da vari segnali: es danno genetico o fattori sopravvivenza Danno geneticoà p53 attiva trascrizione di geni bcl2 pro-apoptotici (es Puma e NOXA: BH3 only) -NOXA lega BCL2 anti-apoptotici liberando così BAX (pro-apoptotica effettrice) -Bax oligomerizza ed aumenta la permeabilizzazione membrana mt à Rilascio cyt C Regolazione del numero di neuroni nello sviluppo del sistema nervoso dei vertebrati Segnali «sociali» scambiati tra cellule determinano sopravvivenza o morte per il bene dell’organismo Es: fattori di sopravvivenza regolano il numero di neuroni durante sviluppo in base alla quantità di cellule bersaglio. Strategia sovrapproduzione e successiva selezione: Iniziale eccesso di neuroni; molti di essi vanno poi in apoptosi perché non ricevono sufficiente quantità di fattori di sopravvivenza secreti da cellule bersaglio. Così si assicura che tutte cell. bersaglio siano innervate!! Eliminando solo dopo i neuroni in eccesso. à Competizione per quantità limitate di fattori sopravvivenza: q strategia si osserva sia durante sviluppo che in tessuti adulti Fattori di sopravvivenza modulano sintesi/attività di proteine BCL2 ↑Espressione genica ↓ attività BH3 only Attenuazione dell’apoptosi alla base di alcuni tipi di cancro In molti tumori le cellule cancerose sono restìe ad entrare in apoptosi (perché fattori proapoptotici sono difettosi/carenti o perché BCL-2 antiapoptotiche iperattive/sovraespresse) Possibile strategia anticancro: farmaco inibisce BCL2 anti-apoptotiche stimola apoptosi di cellule recalcitranti BCL2 anti-apoptotica Si lega a solco proteico su BCL-2

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