Biologia 2: Trasporto cellulare, citoplasma ed espressione genica

BIOLOGIA 2

Trasporto Attivo

TRASPORTO ATTIVO:

• Contro gradiente di concentrazione e richiede energia.
• Trasporto attivo primario: trasportatori che utilizzano energia (scissione di ATP).
• Trasporto attivo secondario: trasportatori che usano energia proveniente da fonti diverse (es gradiente elettrochimico di uno ione).

Trasporto Attivo Primario

Trasporto attivo primario mediato da un trasportatore di tipo ABC (ATP-Binding Cassette) dotato dell'attività enzimatica di idrolisi dell'ATP (attività ATPasica). Notare il sito di legame dell'ATP situato nel versante intracellulare del trasportatore e i cambiamenti conformazionali del trasportatore che mediano il trasferimento del soluto attraverso la membrana plasmatica, mantenendo i due ambienti intracellulare ed extracellulare costantemente separati.

Trasporto Attivo Secondario

Trasporto del glucosio attraverso l'epitelio assorbente dell'intestino. Il glucosio del lume intestinale viene catturato dalla porzione apicale delle cellule assorbenti mediante un trasporto attivo secondario, che sfrutta l'energia fornita dal gradiente di concentrazione degli ioni Na+ per spingere il glucosio contro il suo gradiente di concentrazione. Le elevate concentrazioni di glucosio che in tal modo si formano nel citoplasma rendendo poi possibile il deflusso del glucosio stesso dalla porzione basale delle cellule suddette mediante una diffusione facilitata.

Trasportatori di Membrana

Complesso proteico composto da varie subunità che permette il trasporto di molecole idrofile attraverso la membrana. Sito di legame: esterno. Modificazioni conformazionali successivamente al legame. Alcuni usati per il trasporto passivo (diffusione facilitata), altri per trasporto attivo.

Canali Ionici

Proteine transmembrana. Permettono alle cells di variare la [ioni liberi] e quindi di modificare il potenziale elettrico di membrana. Aperti/chiusi. Secondo gradiente elettrochimico. Particolarmente importanti per il potenziale d'azione. Se alterati: malattie (FC).

I canali ionici sono quindi complessi proteici disposti attraverso l'intero spessore della membrana plasmatica e dotati di un poro acquoso, attraverso il quale gli ioni fluiscono dall'esterno all'interno della cellula, o viceversa, secondo il loro gradiente elettrochimico. I canali ionici pertanto sono responsabili del loro trasporto passivo mediante diffusione facilitata. Anche se alcuni canali ionici sono costantemente aperti (es. i cosiddetti canali leak del K+), permettendo un flusso ionico continuo, la maggioranza di essi va incontro a modificazioni conformazionali corrispondenti alle condizioni di apertura o di chiusura del poro acquoso, rispettivamente impedendo o permettendo il flusso degli ioni. Tutti i canali ionici presentano un "anello" o "filtro di selettività", posto nelle vicinanze dell'imboccatura e costituito da residui di amminoacidi elettricamente carichi. Il filtro di selettività seleziona il tipo di ione da trasportatore sulla base della sua carica elettrica. I canali ionici sono regolati da: potenziale di membrana, ligando (molecola in grado di legare una biomolecola) e altre modalità ad esempio l'estensione. I canali ionici vengono classificati sulla base della loro modalità di regolazione.

1. Canali regolati dal valore del potenziale elettrico della membrana plasmatica, anche detti voltaggio- dipendenti.
2. Canali regolati dall'arrivo di una molecola di ligando sul sito recettoriale, posto sul versante extracellulare o intracellulare del canale.
3. Canali regolati meccanicamente.

Canali Ligando-Dipendenti

Siti allosterici: siti addizionali di riconoscimento per molecole differenti dal ligando. Possono essere attivatori o inibitori. Alcuni recettori ionotropi presentano uno o più siti allosterici capaci di riconoscere degli effettori allosterici diversi dal ligando. A seconda dei casi, il legame del modulatore allosterico al suo sito allosterico può potenziare (attivatori allosterici) o inibire (inibitori allosterici) l'apertura del poro acquoso e il conseguente flusso di ioni.

Pompe Ionche

Pompe ioniche Muovono ioni controgradiente elettrochimico. Trasporto attivo: ATP. Sodio-Potassio (detta anche ATPasi sodio-potassio-dipendente). Idrolizza ATP in ADP + Pi ottenendo energia. 25% dell'ATP della cellula (70% nei neuroni). 3 Na+ fuori e 2 K+ dentro.

Citoplasma

Citoplasma: Soluzione acquosa (citosol, consistenza di un gel) nel quale sono disciolte molecole quali:

• Enzimi.
• RNA.
• Aa e nucleotidi.
• Metaboliti.
• Coenzimi.
• Ioni inorganici.
• Organelli.
• Granuli di riserva.

Reticolo Endoplasmatico

Reticolo endoplasmatico:

Intreccio tridimensionale di spazi delimitati da membrana che si estende attraverso il citoplasma e genera un compartimento subcellulare ben definito e separato dal citosol (lume del RE).

• Cisterne: ramificazioni appiattite, continue tra loro e in contatto con il nucleo.
• RUGOSO: lungo e piatto; ribosomi (sintesi proteica).
• LISCIO: tubulare; biosintesi lipidi e metabolismo farmaci (Ca2+ contrazione muscolare).

Ribosomi

Ribosomi:

• Complessi macromolecolari. immersi nel citoplasma (liberi) e ancorati al Reticolo Endoplasmatico Ruvido.
• La loro funzione è quella di leggere le informazioni contenute nella catena di RNA messaggero (mRNA).
• Sono formati da diverse molecole di RNA ribosomiale (rRNA) e da proteine che si associano a formare due subunità di dimensioni differenti (una più grande dell'altra).
• Se la cellula secerne le proteine prodotte, possiede solo ribosomi attaccati al reticolo endoplasmatico.
• Se la cellula immagazzina e usa queste proteine, possiede ribosomi liberi nel citoplasma.

Lisosomi

Lisosomi:

• Vescicole.
• Originano dall'Apparato di Golgi.
• 0.05-0.5 um.
• Enzimi idrolitici per digestione di:
• Proteine.
• Polisaccaridi.
• AC nucleici.
• Lipidi.
• Molecole complesse portate (endocitosi).
• Frammenti di altre cellule (fagocitosi).
• Organelli ormai esauriti della cellula stessa (autofagia).

Perossisomi

Perossisomi:

• 0.5-1 um.
• Proteggono la cellula dai prodotti dannosi derivanti dal catabolismo di sostanze organiche con produzione di perossido di idrogeno (H202).
• Ossidasi.
• Il perossido di idrogeno è degradato dalla catalasi presente in questi organelli e si forma acqua e ossigeno molecolare.

Nucleo

Nucleo:

• 1-6 um.
• Membrana nucleare: 2 membrane a doppio strato fosfolipidico.
• Lo spazio tra le membrane è in comunicazione con il RER.
• Ad intervalli regolari presenta pori nucleari: entrata/uscita di molecole selezionate.
• Contiene cromatina (DNA e proteine associate).
• Nucleolo: specifica regione in cui il DNA contiene molte copie per rRNA.
• Proteine istoniche: impacchettamento del DNA (nucleosomi).
• Lamina nucleare: rete di fibre proteiche associate alla membrana nucleare interna che, insieme alla matrice proteica, funziona da impalcatura conferendo rigidità.

Cromatina

Cromatina: DNA associato a proteine istoniche.

• DNA può associarsi anche con proteine NON istoniche che svolgono specifici processi (duplicazione, trascrizione ecc).
• Impacchettamento del DNA (2m).
• Regolazione di processi:

1. Trascrizione.
2. Mitosi.
3. Prevenire danni al DNA.

Nucleosomi

Nucleosomi:

Il compattamento ordinato del DNA dipende dagli istoni che sono proteine divise in 5 classi distinguibili:

• DNA e istoni si organizzano in strutture ripetute dette nucleosomi che contengono una parte centrale (core) costituita da DNA superavvolto che gira intorno ad un complesso di 8 molecole istoniche.
• 2 molecole ciascuna di: H2A, H2B, H3 e H4.
• I nucleosomi sono interconnessi da segmenti di DNA linker con lunghezze variabili.
• Nucleosomi e DNA linker appaiono come una collana di perle.
• H1 appena sopra al nucleosoma e associato con entrambe le estremità del DNA che entrano ed escono dal nucleosoma.

Le porzioni più idrofobiche e non cariche degli istoni occupano il centro del nucleosoma.

• Le porzioni polari formano le code flessibili verso l'esterno (interazione con i gruppi fosfato negativi del DNA).
• Anche se strettamente associate, queste porzioni sono accessibili da molecole regolatorie.
• L'interazione istoni-DNA è strutturale ma questo non significa che essi siano localizzati a caso all'interno di un determinato gene.
• A-T più flessibili rispetto a G-C, quindi i nucleosomi sono più spinti a formarsi in regioni con presenza ottimale di A-T e G-C.

Modificazioni della Cromatina

Modificazioni cromatina:

L'impacchettamento della cromatina è possibile grazie ad alcune modificazioni operate da specifici enzimi.

• Acetilazione: trasferimento gruppi acetile.
• Deacetilazione: rimozione gruppo acetile.
• Metilazione: trasferimento gruppi metili.
• Fosforilazione: trasferimento gruppo fosfato.

Eucromatina vs Eterocromatina

Eucromatina vs eterocromatina:

In interfase (periodo tra due divisioni) il DNA è suddiviso in:

• Eucromatina: regione dispersa e trascrizionalmente attiva (geni).
• Eterocromatina: molto compatta e NON attiva e comprende regioni ripetitive (centromeri e telomeri).
• Durante la divisione cellulare: la cromatina diventa molto compatta e appaiono i cromosomi.

Pori Nucleari

Pori nucleari:

Regolano il passaggio di molecole tra nucleo e citosol.

• Replicazione e trascrizione: richiedono proteine che si muovono dal citosol verso il nucleo.
• mRNA, rRNA e subunità del ribosoma costruite nel nucleo devono muoversi verso il citosol.
• Altre molecole si muovono in entrambe le direzioni.
• Struttura a forma di ciambella chiamata complesso dei pori nucleari (NPC).
• E' un enorme complesso sopramolecolare (circa 30 diverse proteine, nucleoporine.

Mitocondri

Mitocondri:

• Membrana esterna.
• Membrana interna.
• Camera mitocondriale esterna.
• Matrice.
• Enzimi per il ciclo di Krebs.
• Cromosoma: genoma mitocondriale.
• codifica per alcuni prodotti e geni per rRNA e tRNA propri dell'organulo.
• Le proteine sintetizzate nei ribosomi (liberi) raggiungono i mitocondri grazie ai segnali di indirizzamento specifici.
• Energia convertita in ATP.
• Ciclo di krebs e fosforilazione ossidativa.

Teoria Endosimbiontica

Teoria endosimbiontica:

Mitocondri e cloroplasti:

• Originati da una cellula procariote aerobia associata ad una cellula anaerobia.
• Probabilmente in seguito a fagocitosi.
• Perché lo pensiamo:
• Hanno DNA e ribosomi propri (di origine procariote).
• Mitocondri: composizione lipidica caratteristica.
• Esterna: simile alla membrana cellulare.
• Interna: contiene cardiolipina (fosfolipide) presente solo nei procarioti.
• Citocromi: importanti per il trasporto di ossigeno, che si trovano nella membrana mitocondriale interna, sono presenti sulla membrana plasmatica dei procarioti.