Biologia cellulare: fondamenti, cellule eucariotiche e procariotiche

Biologia Cellulare: Fondamenti

La biologia studia le cellule eucariote animali e gli organelli che le formano in termini mono-funzionali e questo permette di conoscere la capacità delle cellule di organizzarsi in tessuti ed organi

la cellula è l'unità fondamentale di tutti gli organismi viventi; nel caso degli organismi più complessi non si parla solo di molecole ma di macromolecole, sigillate grazie a legami covalenti (0,9 nm per un'egeria di 90 kcal/mol), ionici, interazioni idrofobiche e forze di Van der Walls

H > componente principale dell'universo, il più semplice elemento chimico: il suo nucleo è formato semplicemente da un protone, particella carica positivamente e da un elettrone con carica della medesima intensità ma negativa

Legami covalenti > gli atomi che costituiscono le molecole sono legati da legami covalenti dove le coppie di elettroni sono condivise da coppie di atomi

Legami non covalenti > non si ha condivisione di elettroni, ma interazioni elettromagnetiche tra molecole o all'interno di una molecola

Zuccheri => polisaccaridi Acidi grassi => grassi, lipidi, membrane Amminoacidi => proteine Nucleotidi => acidi nucleici

Cellule Procariotiche e Eucariotiche

Cellula Procariotica

Cellula procariotica ("monolocale")(batteri) > si tratta di cellule primitive dal punto di vista strutturale e funzionale; il loro DNA è libero, unico cromosoma circolare, senza membrane interne e senza nucleo

Cellula Eucariotica

Cellula eucariotica > 10 volte più grande della cellula procariotica; la più grande differenza rispetto alle procariotiche il maggior grado di complessità e di compartimentalizzazione > dimensione max 50 um.

A livello strutturale le differenze maggiore:

1. Parete cellulare è assente nei procarioti
2. Membrane plasmatiche sono simili in struttura e funzione
3. Il DNA eucariotico è contenuto nel nucleo ed è organizzato in cromosomi
4. Le cellule eucariotiche si muovono grazie a flagelli e ciglia

Le cellule eucariotiche si dividono in vegetali e animali:

Caratteristiche dei Procarioti

Procarioti Batteri con dimensioni tra I-10 um, presentano metabolismo aerobico o anaerobico, hanno pochi organuli o nessuno; il DNA è TUTTO codificante, circolare e libero nel citoplasma.

• l'esposizione ad agenti mutageni corrispondo a mutazione nei procarioti, che tuttavia riescono sempre ad evolversi
• RNA e proteine vengono sintetizzate nello stesso compartimento
• NO citoscheletro ed endo/eso-citosi
• Scissione binaria
• l'organizzazione cellulare è per lo più unicellulare

Caratteristiche degli Eucarioti

Eucarioti Protisti, funghi, piante, animali: tra 10 e 100 um, metabolismo aerobico, presentano nucleo RER, REL

• non tutto il DNA è codificante, ma tutto è organizzato in cromosomi presenti nel nucleo
• la parte di DNA non codificante è una sorta di assicurazione (ammortizzatore) contro malattie, mutageni che possono provenire dall'ambiente esterno (raggi ultravioletti)
• RNA eucariotico viene sintetizzato nel nucleo, ma la sintesi proteica avviene nel citoplasma
• presenza di citoscheletro e di endo/eso-citosi
• mitosi (cellule somatiche 99%) e meiosi (cellule germinali >gonadi)
• organizzazione pluricellulare => la proliferazione avviene con differenziamento cellulare

Confronto Procarioti ed Eucarioti

Procarioti Eucarioti Organismi Batteri e cianoficee Protisti, funghi, piante, animali Dimensioni cellulari (lineare) 1-10 um 10-100 um Metabolismo Aerobico - anaerobico Pochi o nessuno Aerobico DNA Tutto codificante, circolare, libero nel citoplasma Non tutto codificante, organizzato in cromosomi, racchiuso nel nucleo Procarioti Eucarioti RNA e Proteine Sintesi stesso compartimento Sintesi RNA nel nucleo, Proteine nel citoplasma Citoplasma Assenza di citoscheletro e di Presenza di citoscheletro e di endo-esocitosi endo-esocitosi Divisione cellulare Scissione binaria Mitosi - Meiosi Org. Cellulare Prevalentemente unicellulare Pluricellulare con differenziamento cellulare Organuli Nucleo, REG, REL etc.

Macromolecole Biologiche

Carboidrati

1I carboidrati sono formati da C,H,O e si possono dividere in monosaccaridi o disaccaridi:

1. Si tratta dei componenti più semplici in grado di fornire energia, tra essi si ricorda il glucosio, principale fonte di energia dei viventi; sono sempre monosaccaridi il ribosio (C5H10O5) e il desossiribosio (C5H10O4), principali costituenti di RNA e DNA
2. Il saccarosio è un disaccaride, è la forma in cui gli zuccheri sono trasportati nelle piante, è formato da due monosaccaridi (glucosio e fruttosio) uniti grazie ad una reazione di condensazione

Il lattosio è un disaccaride presente nel latte, deriva dall'unione di una molecola di glucosio e galattosio, si tratta di un isomero del glucosio

Polisaccaridi

Polisaccaridi: Carboidrati complessi con due funzioni principali:

1. Riserva => il glucosio viene immagazzinato come amido nelle piante, come glicogeno negli animali e funghi
2. Struttura => la cellulosa è contenuta nelle piante, la chitina in alcuni animali e funghi

Lipidi

Lipidi: Composti organici largamente diffusi, formati da C,H uniti tramite legami covalenti scarsamente polari (comportamento idrofobico); gli acidi grassi invece possono essere:

• saturi: non presentano doppi legami tra gli atomi di carbonio della catena idrocarburica
• insaturi: hanno uno o più doppi legami tra gli atomi di carbonio della catena

Steroidi => stabilizzano la membrana esterna delle cellule, oppure possono avere funzione ormonale Cere => formano uno strato protettivo che riduce la perdita di acqua, in molti animali proteggono e mantengono in salute la cute e il pelo

• i fosfolipidi: compongono la membrana plasmatica e proprio come i lipidi, contengono glicerolo e tre gruppi ad esso legati, dei 3 gruppi fosfati il terzo è polare

Acidi Nucleici

Acidi nucleici: DNA ed RNA sono polimeri di nucleotidi che trasportano informazioni sotto forma di codici:

1. DNA si trova nel nucleo e contiene l'informazione genetica, i nucleotidi sono allineati lungo due filamenti fino a formare una struttura a doppia elica, lo zucchero pentoso di riferimento è il deossirobosio, e le basi azotate di riferimento sono la guanina, adenina, citosina e timina
2. RNA trasporta le informazioni codificate nei geni dal DNA ai ribosomi per la sintesi proteica, i suoi nucleotidi sono allineati lungo un unico filamento, lo zucchero pentoso di riferimento è il ribosio, mentre le basi azotate sono guanina, adenina, citosina e uracile

ATP: Adenosin-Trifosfato

ATP > adenosin-trifosfato è un nucleotide composto da tre parti:

1. La base adenina
2. Lo zucchero pentoso ribosio
3. Tre gruppi fosfato legati tra loro da legami covalenti

È una molecola ad alta energia, la rottura dei legami covalenti dei due gruppi fosfato più esterni da parte di un enzima (idrolisi) libera infatti molta energia

phosphoanhydride bonds 7 O ADENINE -0 O-CH. RIBOSE energy from sunlight or from food + H2O H20 -+ energy available for cellular work and for chemical synthesis 0 0 ADENINE H+ + -0 + 0- -0 D-CH, 1=0 RIBOSE inorganic phosphate (P)) ADP 2

Proteine e Amminoacidi

ATP> proteine, da 50 a 2000 AA: gli amminoacidi che le compongono sono legati mediante legami peptidici che uniscono il gruppo amminico di un amminoacido con il gruppo carbossilico di un altro amminoacido tramite reazione di condensazione con perdita di una molecola d'acqua

Esse presentano un'ampia varietà di forme complesse (alfa-elica e foglietto-beta), sono organizzate in diverse famiglia, possono assumere anche forma fibrosa allungata e le proteine extracellulari sono spesso stabilizzate da legami covalenti

W catena polipeptidica struttura primaria struttura secondaria ad a - elica struttura terziaria struttura quaternaria

In generale un fattore importante che regola il ripiegamento di qualunque proteina è la distribuzione dei suoi amminoacidi polari e non polari: le catene laterali non polari (idrofobiche) di una proteina come fenilanilina, leucina, valina tendono a raggrupparsi all'interno della molecola; viceversa le catene laterali polari tendono a disporsi all'esterno della molecola dove possono formare legami a H con l'acqua

Struttura Primaria delle Proteine

Struttura primaria (ossatura polipeptidica): tipo e sequenza degli amminoacidi, condiziona la configurazione spaziale e la forma globale della molecola, dalle quali dipendono le proprietà biologiche

Struttura Secondaria delle Proteine

Struttura secondaria: complesso di fenomeni sterici che porta la molecola ad assumere una conformazione grazie ai legami peptidici; vista la rigidità delle giunzioni tra legami peptidici, si hanno poche strutture secondarie regolari le cui principali sono: configurazione foglietto beta e configurazione alfa elica

0 = P-O" O CH2

Struttura Terziaria delle Proteine

Struttura terziaria: struttura tridimensionale che si ottiene non solo tramite legami ad H o legami peptidici, ma anche grazie a legami di varia natura che si instaurano tra i radicali degli amminoacidi e il solvente stesso, ovvero l'acqua e i soluti in essa disciolti

Struttura Quaternaria delle Proteine

Struttura quaternaria conformazione: alcune proteine presentano più catene polipeptidiche dette subunità, associate tra loro a formare un complesso proteico dotato di una definita struttura spaziale, struttura quaternaria

ADP PROTEIN KINASE PROTEIN PHOSPHATASE Pi ATP OH CH2 serine side chain

=> le protien-chinasi sono una famiglia di enzimi appartenenti alle chinasi, modificano le proteine aggiungendo ad esse un gruppo fosfato tramite fosforilazione: tale fenomeno spesso determina un cambiamento di funzione della proteina bersaglio (substrato): la maggior parte delle protein-chinasi agiscono su serina e treonina e per questo vengono chiamate serina/treonina chinasi; altre invece agiscono sulla tirosina (tirosin-chinasi) o su altri amminoacidi

Tipi Comuni di Enzimi

La maggior parte delle proteine (come enzimi) hanno struttura globulare, ovvero presentano una TABELLA 3.1 Alcuni tipi comuni di enzimi catena polipeptidica ripiegata a forma compatta Enzimi Reazione catalizzata come una palla a superficie irregolare, in grado di Idrolas estendersi fino a formare lunghi filamenti in grado di Nucleasi Demoliscono acidi nucleici idrolizzando legami fra nucleotidi. Le endo- e le esonucleasi tagliano gli acidi nucleici rispettivamente all'interno e a partire dalle estremità delle catene polinucleotidiche Proteasi Demoliscono proteine idrolizzando legami fra amminoacidi attraversare l'intera lunghezza della cellula. Sintasi Sintetizzano molecole in reazioni anaboliche condensando insieme due molecole più piccole Tuttavia è raro che le subunità che formano una Ligasi Isomerasi Catalizzano il riarrangiamento di legami all'interno di una singola molecola proteina vengano ad unirsi a formare una linea retta, Polimerasi Catalizzano reazioni di polimerizzazione come la sintesi di RNA e di DNA Chinasi Catalizzano l'aggiunta di gruppi fosfato a molecole. Le proteina chinasi sono un gruppo importante di chinasi che attaccano gruppi fosfato alle proteine piuttosto tendono a formare una vera e propria elica, Fosfatasi Catalizzano la rimozione idrolitica di un gruppo fosfato da una molecola una struttura regolare che assomiglia ad una scala a Ossido-reduttasi chiocciola o destrosa o sinistrosa ATPasi > ci sono tuttavia alcune funzioni che richiedono che GTPasi Idrolizzano GTP. Una grande famiglia di proteine che legano GTP è, ad esempio, quella delle GTPasi che svolgono un ruolo centrale nella regolazione dei processi cellulari una singola molecola proteica attraversi una grande distanza; queste proteine presentano struttura allungata relativamente semplice e vengono chiamate proteine fibrose come accade con l'a-cheratina dove le singole catene alfa si avvolgono l'una sull'altra a formare una struttura stabile nota come coiled- coil: questa classe di proteine è capace di assemblarsi in filamenti intermedi, componente importante del citoscheletro cellulare.

Termine generale per enzimi che catalizzano una reazione di taglio idrolitico; nucleasi e proteasi sono nomi più specifici per sottoclassi di questi enzimi Mettono insieme (legano) due molecole in un processo dipendente da energia. La DNA ligasi, per esempio, unisce le estremità di due molecole di DNA mediante legami fosfodiesterici Nome generale per enzimi che catalizzano reazioni in cui una molecola è ossidata, mentre l'altra è ridotta. Gli enzimi di questo tipo spesso sono chiamati più specificamente ossidasi, reduttasi o deidrogenasi Idrolizzano ATP. Molte proteine con una vasta gamma di ruoli hanno un'attività ATPasica che imbriglia energia come parte della loro funzione, per esempio motori proteici come miosina e proteine di trasporto di membrana come la pompa sodio-potassio 3