La cellula è una fabbrica di proteine

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1 Il motto della cellula Eucariote: organizzare il lavoro Se mai l evoluzione avesse una direzione o un motivo ispiratore, potremmo dire che quello che ha guidato la nascita e lo sviluppo della cellula eucariote è quello del suddividere il lavoro, confinandolo in spazi ben precisi, in strutture appositamente progettate, in modo da ottimizzarne l efficienza. La cellula è una fabbrica di proteine Lezione 5: L organizzazione della cellula animale Biologia e Genetica aa 2014/2015

2 LA MEMBRANA CELLULARE Definisce i contorni della cellula e ne mantiene il contenuto Doppio strato (bilayer) fosfolipidico Proteine e glicoproteine di membrana 2 membrane cellulari di 2 cellule affiancate (TEM)

3 IL NUCLEO Il nucleo è il centro di controllo della cellula Innestando i piedi di due specie di alghe a cui era stato rimosso il cappello, si forma un alga con forma del cappello intermedia Acetabularia (alga unicellulare) Dopo aver rimosso i cappelli, se si invertono gli steli, all inizio si rigenerano cappelli caratteristici della specie che ha donato lo stelo. La seconda rigenerazione produce però cappelli caratteristici della specie che ha donato il piede. Fattori citoplasmatici presenti nello stelo? Comunque la capacità finale di controllo sta nel piede Trapiantando il nucleo di una specie in un individuo di una seconda specie a cui è stato rimosso il cappello, si rigenera un cappello tipico del donatore del nucleo Il nucleo è il centro di controllo della cellula ed è la fonte del «messaggero» che esercita un controllo temporaneo (il futuro mrna)

4 I nuclei sono totipotenti L esperimento di Gurdon sulla totipotenza dei nuclei: Nuclei di cellule intestinali trapiantati in una cellula uovo sono in grado di far sviluppare un organismo normale Gurdon J.B. «The developmental capacity of nuclei taken from intestinal epithelium cells of feeding tadpoles». Journal of Embryology and Experimental Morphology Vol 10, Dec 1962

5 Come è fatto il nucleo La maggior parte del DNA cellulare è all interno del nucleo - Involucro nucleare: doppia membrana - Pori nucleari - Lamina nucleare: rete di filamenti proteici che sostiene la membrana interna - Cromatina/cromosomi: DNA associato a RNA e proteine a formare la - Nucleoli con organizzatore nucleolare (regioni dei cromosomi che sintetizzano rrna + proteine ribosomali importate dal citoplasma)

6 IL CITOPLASMA Porzione interna della cellula che non è occupata dal nucleo Citosol Sostanza semifluida in cui sono dispersi gli organelli È permeato da un intricata struttura tridimensionale di filamenti proteici interconnessi (citoscheletro) che conferisce tipiche proprietà meccaniche. Organuli cellulari Strutture endocellulari rivestite da membrana e con specifiche funzioni Nel citosol avvengono numerose reazioni cellulari come la sintesi di proteine e lipidi e le prime tappe del rilascio di energia dagli zuccheri

7 GLI ORGANULI CITOPLASMATICI I ribosomi Non sono veri e propri organuli (no membrana) Piccole particelle di 12x25 nm Sono il sito della sintesi proteica Composti da proteine e RNA ribosomale (rrna) Composti da 2 subunità (maggiore e minore) Subunità minore ha affinità per mrna e trna Alcuni rrna della subunità maggiore sono ribozimi (catalizzano formazione del legame peptidico) 60S (50S nei batteri) 40S (30S nei batteri)

8 Il sistema endomembranoso è un gruppo di organuli collegati -Reticolo endoplasmatico liscio (REL) -Reticolo endoplasmatico rugoso (RER) -Apparato di Golgi -Lisosomi

9 Ultrastruttura della cellula (TEM) Il sistema di endomembrane occupa gran parte del citoplasma Il reticolo endoplasmatico (RE) Membrane sacciformi appiattite che danno origine a compartimenti interconnessi. Lume di tubuli e vescicole del RE in comunicazione con la cisterna nucleare Membrane e lume del RE contengono svariati enzimi che catalizzano innumerevoli reazioni biochimiche Si distinguono REL (Reticolo endoplasmatico liscio) RER (Reticolo endoplasmatico rugoso)

10 Il Reticolo endoplasmatico liscio (REL) È sede della sintesi di numerosi lipidi e carboidrati Sede primaria per la sintesi di fosfolipidi e colesterolo Sintesi di ormoni steroidei Immagazzina ioni calcio Nelle cellule del fegato (epatociti) soprattutto Degrada sostanze tossiche (cancerogeni, alcol e droghe) Degrada il glicogeno di riserva

11 Il Reticolo endoplasmatico rugoso (RER) RER Grande quantità di ribosomi adesi alla superficie esterna della membrana Proteine sintetizzate sulla superficie e destinate ad altri comparti cellulari (membrana, lisosomi), entrano nel lume delle cisterne All interno del lume le proteine possono essere modificate (assunzione struttura terziaria, aggiunta di lipidi o carboidrati) Proteine processate correttamente trasportate verso altri comparti tramite vescicole che gemmano dal RER REL Cellule sintetizzano abbondanti proteine da esportare hanno RER molto sviluppato. Esempio: cellule ghiandolari che secernono enzimi digestivi; globuli bianchi che secernono anticorpi.

12 Camillo Golgi ( ) Corteno Golgi Adamello Premio Nobel per la medicina nel 1906 (primo Italiano)

13 L apparato (o complesso) di Golgi Descritto per la prima volta da Camillo Golgi nel 1898 Rielabora e smista proteine verso destinazioni finali (intra o extracellulari) Aggiunge o modifica carboidrati uniti alle proteine Sistema di endomembrane costituito da sacche appiattite (cisterne) impilate e da vescicole Regioni distinte contenenti diversi enzimi -cis (vicina al nucleo o a RER) riceve vescicole con proteine dal RER -intermedia -trans (verso la membrana plasmatica) si staccano vescicole dirette alla membrana plasmatica o ai lisosomi Il Golgi sintetizza i lisosomi

14 il viaggio delle proteine

15 I lisosomi e la digestione cellulare -Vescicole con enzimi litici (ph ca 5) -Lisosomi I gemmano dal Golgi -Lisosomi II dopo fusione on fagosoma -Distruzione programmata di componenti cellulari - autofagia

16 I perossisomi Organuli rivestiti da membrana, derivano dal REL Ossidazione degli acidi grassi Attività enzimatica dei perossisomi produce H 2 O 2 (tossica) Elevato contenuto di catalasi che scinde H 2 O 2 in H 2 O e O 2 (detossificazione)

17 I mitocondri: organuli della respirazione cellulare Funzione: accumulare energia chimica estratta dalle molecole (glucosio) in una forma utilizzabile dalle cellule - ATP Molecole combustibili + O 2 ATP Respirazione cellulare Dimensioni 1-1,5 x 2-8 µm Possono dividersi indipendentemente dal nucleo Doppia membrana interna sollevata in creste, sede di complessi enzimatici Matrice mitocondriale contenente ribosomi e DNA Importanza dei mitocondri -respirazione aerobica -morte cellulare programmata (apoptosi) -tossicità e invecchiamento per perdita di elettroni che formano radicali liberi -mutazioni del DNA mitocondriale sono più frequenti e sono associate a malattie genetiche

18 I cloroplasti: organuli della fotosintesi Appartengono a gruppo di organuli chiamati plastidi (es. amiloplasti, cromoplasti ) Contengono clorofilla (pigmento fotosintetico) sulle membrane dei tilacoidi Clorofilla intrappola energia luminosa necessaria per la fotosintesi (produzione di ATP)

19 I mitocondri e i cloroplasti trasformano l energia

20 Origine endosimbiontica di mitocondri e cloroplasti

21 Malattie legate a organuli citoplasmatici Patologie da ereditarietà materna dei mitocondri Alla fecondazione partecipano l oocito (che contiene circa 2000 mitocondri) e lo spermatozoo (i cui mitocondri non entrano nell ovocito). In genere la popolazione mitocondriale materna è mista (alcuni con anomalie genomiche, altri no), di conseguenza alcuni tessuti possono ereditare mitocondri alterati, altri meno. Quasi tute le malattie associate a difetti mitocondriali sono a carico del tessuto muscolare e nervoso. Note almeno 35 miopatie e una varietà di disturbi del sistema nevoso. Esempi: encefalomiopatia mitocondriale e cardiomiopatia ipertrofica dovute a difetti nei trna per gli aminoacidi leucina e isoleucina rispettivamente. trna sintetizzati dal mtdna I disturbi mitocondriali mostrano quindi ereditarietà materna Mitocondri, apoptosi e patologie mitocondriali A seguito di stress cellulari i mitocondri rilasciano citocromo c (un trasportatore di elettroni), che nel citoplasma attiva le caspasi (enzimi proteolitici che agiscono anche sul nucleo), provocando apoptosi. Molti meccanismi patogenetici possono dipendere da aumentata suscettibilità dei mitocondri a stress apoptotici

22 Lisosomi Si conoscono più di 40 malattie da accumulo lisosomiale, dovute a mancata espressione di enzimi idrolitici lisosomiali. Risultato: accumulo di cataboliti all interno della cellula con progressiva degenerazione tissutale, particolarmente grave quando colpisce il sistema nervoso Esempio: Malattia di Tay-Sachs, in omozigosi manca un enzima per la degradazione di un normale lipide (ganglioside) nelle cellule cerebrali ritardo mentale, cecità e morte entro i 4 anni di età nella forma infantile. Ereditarietà autosomica recessiva

23 Malattie dell involucro nucleare Alterazioni geniche che determinano l alterazione di proteine di membrana dell involucro nucleare e della lamina nucleare provocano svariate malattie caratterizzate da distrofia muscolare, lipodistrofia, demielinizzazione dei nervi periferici, invecchiamento precoce Malattie dei perossisomi La sindrome di Zellweger è una malattia dovuta all alterazione di numerosi geni legati alla biogenesi di perossisomi, che risultano quindi alterati o non sufficienti nelle cellule di fegato, reni e cervello. È una malattia genetica a trasmissione autosomica recessiva Rsultato è l'alterazione della funzione perossisomiale e la conseguente incapacità di metabolizzare gli acidi grassi a catena lunga, con accumulo di metaboliti tossici. Grave compromissione dell attività neurologia, epatica e renale. La sindrome è fatale in genere entro i primi 6 mesi di vita.