Struttura e funzioni della cellula

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1 Struttura e funzioni della cellula 1

2 NB Queste diapositive sono state preparate per il corso di Biofisica tenuto dal Dr. Attilio V. Vargiu presso il Dipartimento di Fisica nell A.A. 2014/2015 Non sostituiscono il materiale didattico consigliato a piè del programma. 2

3 Riferimenti Books and other sources Biological Physics (updated 1 st ed.), Philip Nelson, Chap. 2 Physical Biology of the Cell (2 nd ed.), Phillips et al., Chap. 2 Understanding DNA (3 rd ed.), Calladine et al., Chap. 2 Biochemistry (5 th ed.), Berg et al., Chap. 5 AminoAcidTitrations/SeeIt.html Movies Exercise 3

4 Dimensioni mondo (sub)cellulare Cellula unità fondamentale degli organismi viventi evoluti (~10 20 in ognuno di noi) 4

5 Evoluzione cellulare 5

6 Struttura di batterio (procariote) Più piccole e semplici delle cellule eucariote (1-100 micron) Capsula: rivestimento esterno Parete cellulare: rivestimento intermedio (più rigido della capsula) Membrana cellulare: strato interno sottile e fluido Citoplasma: contiene gli organi interni Nucleoide: singolo filamento di DNA Pili: permettono adesione agli oggetti esterni Flagelli: permettono il movimento (nuoto) Ribosomi: assemblaggio proteine 6

7 Stile di vita procariote unicellulari: solitari colonie: formano biofilm filamentosi: catene di cellule Nutrizione Fotosintesi Patogeni: si nutrono di altri organismi viventi Decompositori: si nutrono di materia morta 7

8 Struttura di una cellula eucariote 8

9 Struttura di una cellula eucariote Organelli Cromosomi Multicellulari 9

10 Struttura di una cellula eucariote Membrana cellulare pelle delicata e flessibile contenente fosfolipidi e proteine 10

11 Struttura di una cellula eucariote Nucleo Comparto delimitato da membrana che contiene il materiale genetico (DNA) ed è provvisto di pori 11

12 Struttura di una cellula eucariote Nucleolo Situato nel nucleo Sito sintesi RNA ribosomiale (rrna) Composto da DNA, rrna e proteine 12

13 Struttura di una cellula eucariote Mitocondri Sorgenti di energia cellulari Numero proporzionale al fabbisogno energetico cellulare 13

14 Struttura di una cellula eucariote Reticolo endoplasmatico Liscio: sede sintesi lipidi e carboidrati Ruvido o rugoso: una delle sedi sintesi proteica, contiene ribosomi ancorati alla sua membrana 14

15 Struttura di una cellula eucariote Ribosomi Assemblano proteine a partire da amminoacidi Si trovano sia nel reticolo endoplasmatico sia nel citoplasma 15

16 Struttura di una cellula eucariote Apparato del Golgi Processa i prodotti che arrivano dal reticolo endoplasmatico all interno di cisterne lndirizza i prodotti ai vari apparati cellulari 16

17 Struttura di una cellula eucariote Lisozimi Cisterne contenenti enzimi digestivi Digerisce nutrienti assorbiti dalla cellula Digerisce componenti cellulari malfunzionanti o esauste 17

18 Struttura di una cellula eucariote Centrioli Coppie di tubi annodati fra loro Organizzano e assistono la divisione cellulare 18

19 Struttura di una cellula eucariote Citoscheletro Fatti da microtubuli Fitta rete attraversa il citoplasma Mantiene la forma cellulare e sostiene gli organelli 19

20 Parete cellulare Molto resistente (cellulosa) Incollata alle pareti cellulari delle cellule adiacenti Cellula eucariote vegetale 20

21 Cellula eucariote vegetale Vacuoli Grandi cisterne contenenti acqua Contribuisce a mantenere pressione cellulare Siti stoccaggio amidi 21

22 Cellula eucariote vegetale Cloroplasti Contengono clorofilla Convertono energia solare in energia chimica tramite fotosintesi 22

23 Anatomia cellulare Componente Funzione Procarioti Eucarioti Capsula Protezione contro agenti esterni (associata a patogenicità) Si No Parete cellulare Preservare composizione, forma, e struttura interna Si Si nelle cellule vegetali e nei funghi, non in cellule animali Membrana cellulare Controllo flusso sostanze Si Si Organelli Funzioni varie No Si Nucleo (organello) Contiene materiale genetico No Si Mitocondri/ Cloroplasti Produzione e stoccaggio molecole energetiche No Si, clorosplasti solo in cellule vegetali Ribosomi Assemblaggio proteine Si Si Cromosomi Stoccaggio DNA (replicazione) No Si Nucllide (singolo filamento) Stoccaggio DNA Si No 23

24 Anatomia cellulare Cellule eucariote in generale più grandi e diversificate per geometria e grandezza. Architettura cellulare qualitativamente conservata nei diversi tipi di cellule. Insieme di funzioni basilari comuni a tutti i tipi di cellule. Differenti tipi cellulari negli organismi più complessi (multicellulari): Funzioni specialistiche in aggiunta alle funzioni basilari Cellule organizzate per lavorare in maniera cooperativa nei tessuti Tessuti danno vita a organi 24

25 Alcune cellule nel corpo umano 25

26 Fisiologia cellulare Fisiologia: insieme di aspetti fisici delle funzioni e strutture cellulari. Trasduzione di energia chimica o radiazione in energia meccanica o in sintesi (metabolismo). Creazione e alterazione propria struttura interna e mattoni fondamentali (proteine, lipidi, ecc.). Replicazione (mitosi, meiosi). Mantenimento composizione interna e concentrazioni ioniche (diffusione passiva, attiva, ecc.). Motilità. Percezione (sensing): controllo, nutrizione, difesa, attacco, riconoscimento molecole di segnale, controllo allosterico, apoptosi, ecc. 26

27 Composizione molecolare Strutture descritte composte da mattoni fondamentali Atomi solo alcuni (su oltre cento) sono presenti in quantità apprezzabili nel corpo umano: O, N, C, H, P, S. Anche alcuni ioni come H +, Na +, K +, Cl -, Ca 2+, ecc. Altri (Fe, Ni, Cu) presenti in quantità molto limitate. 27

28 Composizione molecolare Strutture descritte composte da mattoni fondamentali Molecole Acqua (70% della nostra massa corporea) Acido fosforico disciolto in ione fosfato e due protoni (H 3 PO 4 HPO H + ) Zuccheri semplici (glucosio, ribosio, saccarosio) Nucleobasi (pirimidine e purine) Nucleotidi (ATP, dgtp, camp, ecc.) Acidi grassi e fosfolipidi (POPC, DPPC, ecc.) Amminoacidi 28

29 Carboidrati o glucidi Molecole contenenti C, H e O, aventi formula generica C m (H 2 O) n e rapporto H:O uguale in genere a 2:1. Eccezioni esistono, come il deossiribosio, componente del DNA e con formula C 5 H 10 O 4. Importanti come fonte di energia nel metabolismo. Livello di complessità strutturale molto maggiore delle altre macromolecole. In biochimica sinonimo di saccaridi: Monosaccaridi Disaccaridi Oligosaccaridi Polisaccaridi 29

30 Carboidrati monosaccaridi (CH 2 O) n n 3 (glucosio, fruttosio, ribosio). Importanti sorgenti di energia (sintesi ATP) e mattoni acidi nucleici. Strutture ad anello con 5 e 6 atomi (1 ossigeno). Stereochimica: α o β. α-d-glucopyranose β-d-glucopyranose 30

31 Carboidrati monosaccaridi (CH 2 O) n n 3 (glucosio, fruttosio, ribosio). Importanti sorgenti di energia (sintesi ATP) e mattoni acidi nucleici. Strutture ad anello con 5 e 6 atomi (1 ossigeno). Esistono come miscela di strutture cicliche e aperte. 31

32 Carboidrati disaccaridi Legame glicosidico: fra carboidrato e altro gruppo funzionale (es.: alcool). Disaccaridi sono dimeri di monosaccaridi (lattosio, saccarosio, maltosio) uniti tramite legame glicosidico di tipo α o β. 32

33 Carboidrati disaccaridi Legame glicosidico tra due monosaccaridi (lattosio, saccarosio, maltosio) Prima riserva di energia 33

34 Carboidrati oligo/polisaccaridi Oligosaccaridi: [C m (H 2 O) n ] x, x compreso generalmente fra 3 e 9. Possono formare legami covalenti con amminoacidi in glicoproteine (presenti sulle membrane e nel citosolo) e con lipidi nei glicolipidi. Hanno un ruolo nelle interazioni inter-cellulari. Polisaccaridi: C m (H 2 O) n con m 200. Cellulosa, amidi, glicogeno, pectina, chitina, ecc. Le capsule secrete da alcuni batteri sono composte da spessi strati di polissaccaridi che ricoprono gli antigeni, ostacolando la risposta immunitaria. 34

35 Carboidrati oligo/polisaccaridi Amido: polisaccaride del glucosio Riserva fondamentale di energia nelle piante. Due strutture principali: Amilosio, catena lineare (struttura elicoidale) tramite legame glicosidico α-1,4. Costituisce circa 20% della struttura dell amido. 35

36 Carboidrati oligo/polisaccaridi Amido: polisaccaride del glucosio Riserva fondamentale di energia nelle piante. Due strutture principali: Amilopectina, presenta ramificazioni tramite legame glicosidico α-1,6. Rapporto tra legami 1,6 e 1,4 circa 1/ Costituisce circa 80% della struttura dell amido. 36

37 Carboidrati oligo/polisaccaridi Glicogeno: polisaccaride del glucosio Riserva fondamentale di energia negli animali. Struttura simile all amilopectina, ma più ramificata (rapporto fra legami α-1,6 e α-1,4 circa 1/10). Sintetizzato a partire dalla proteina glicogenina. 37

38 Carboidrati oligo/polisaccaridi Cellulosa: polisaccaride del glucosio Componente strutturale fondamentale del regno vegetale. ~10 15 Kg sintetizzati e degradati ogni anno sulla Terra. Struttura planare dovuta a legami glicosidici β-1,4, funzionale per costruire fibre ad alta resistenza. 38

39 Carboidrati oligo/polisaccaridi Differenza fra legame α-1,4 e β,1-4 Le strutture aventi legami α-1,4 tendono ad assumere una conformazione elicoidale. Le strutture costruite da legami β-1,4 tendono ad assumere strutture lineari e formare piani tramite legami idrogeno. 39

40 Nucleobasi, nucleosidi e nucleotidi Basi degli acidi nucleici: 5 tipi fondamentali 2 classi: purine (2) e pirimidine (3) 40

41 Nucleobasi, nucleosidi e nucleotidi DNA: A, G, C, T 41

42 Nucleobasi, nucleosidi e nucleotidi RNA: A, G, C, U 42

43 Nucleobasi, nucleosidi e nucleotidi Una base legata covalentemente (legame glicosidico) a una molecola di (deossi)ribosio o si chiama (deossi)nucleoside. La glicosilazione avviene sempre fra l atomo C1 dello zucchero e gli atomi N9 (purine) o N1 (pirimidine) delle nucleobasi

44 Nucleobasi, nucleosidi e nucleotidi Si definisce nucleotide un nucleoside legato a uno o più gruppi fosfato. 5 o 3 a seconda della posizione in cui avviene la sostituzione ATP Adenosine Tri-Phosphate 3 -dgmp deoxyguanosine Mono-Phosphate 44

45 Amminoacidi 21 tipi diversi di α-aminoacidi negli eucarioti Scheletro comune, diverse catene laterali R Zwitterionici in soluzione (terminali amino e carbossile) Neutro Zwitterionico Amina (base) Carbossile (acido) Catena laterale 45

46 Amminoacidi Molecole chirali (non sovrapponibili a propria immagine allo specchio) Enantiomers Enantiomeri (isomeri ottici) D e L Tutti gli aminoacidi esistono nella forma L durante la traslazione. Enantiomeri D da processi post-traslazionali, nel peptidoglicano, come neurotrasmettitori... 46

47 Chiralità Esiste piano di simmetria Se una molecola possiede un piano di simmetria, un centro di inversione e un asse improprio di rotazione non può essere chirale. Non c è nessun piano di simmetria 47

48 Chiralità Chiralità parametro essenziale nell interazione con altre molecole e con componenti cellulari L carvone (profumo di menta) R carvone (profumo di cumino) Recettori dell olfatto contengono gruppi chirali! 48

49 Chiralità Chiralità parametro essenziale nell interazione con altre molecole e con componenti cellulari L methorphan (analgesico) R methorphan (sedativo tosse) Molecole con diversa chiralità possono interagire o meno con recettori aventi diverse funzionalità 49

50 Amminoacidi Maggior parte sono idrofobici Alifatici: A, V, I, L, M Aromatici: F, Y, W 50

51 Amminoacidi Altri polari: S, T, N, Q (ph 7.4) Carichi (ph 7.4): +: R, H, K -: D, E 51

52 Amminoacidi Speciali C: contiene il gruppo tiolo (SH), è polare e utilizzata per legami disulfidici G: idrogeno come catena laterale, unico achirale P: la catena laterale include il legame C-N (idrofobica) 52