STRUTTURA E FUNZIONI DELLA CELLULA

CITOLOGIA La citologia è la scienza che studia le cellule in tutto ciò che le riguarda. La cellula, apparentemente semplice, è in realtà una macchina estremamente complessa, che osservata da vicino rivela una stupefacente organizzazione. La natura ha inventato sistemi per consentire alla cellula di nutrirsi, di liberarsi dalle sostanze di scarto, di ricevere messaggi e interagire con l ambiente circostante, e infine di riprodursi. Mentre la biologia e la biochimica si occupano specificamente di descrivere in dettaglio i meccanismi molecolari che hanno luogo all interno della cellula, l anatomia concentra l attenzione sugli aspetti morfologici, senza peraltro perdere di vista i correlati funzionali della struttura della cellula. 2

LA CELLULA Nell uomo:100.000 miliardi, 200 tipi diversi per: Dimensioni Forma Struttura interna Funzione 3

UNA CELLULA TIPICA Tutte le cellule possiedono: - membrana cellulare - citoplasma - organelli - nucleo Tutte le cellule sono così composte ma: Le cellule sono tutte uguali? 4

CELLULE DEL TESSUTO CONNETTIVO 5

CELLULE MUSCOLARI LISCIE 6

CELLULA DELL OSSO 7

CELLULE EPITELIALI DI RIVESTIMENTO 100 µm 8

CELLULA NERVOSA DEL CERVELLETTO 100 µm 9

CELLULE EMATICHE 10

LA CELLULA PROCARIOTE EUCARIOTE Senza nucleo distinto Ridotto numero di organuli Nucleo distinto (presente la membrana nucleare) Numerosi organuli ANIMALE VEGETALE 11

UNA DISTINZIONE IMPORTANTE - Eucarioti o cellule superiori Tutte le cellule degli organismi pluricellulari, nonché alcuni organismi unicellulari (protozoi). - Procarioti o batteri Cellule vere, ma prive di membrana nucleare e di organuli citoplasmatici. - Virus Forme di vita non cellulari. Composti unicamente da un acido nucleico e un capside proteico. 12

PUNTI FONDAMENTALI DELLA TEORIA CELLULARE La cellula è l unità fondamentale di tutti i viventi. Tutti gli organismi sono formati da cellule (gli organismi unicellulari sono formati da una sola cellula, gli organismi pluricellulari sono formati dall unione di più cellule specializzate per compiere diverse funzioni). Ogni cellula deriva da una cellula preesistente (ogni cellula è in grado di produrre cellule uguali a se stessa attraverso la riproduzione). Sono le più piccole unità che svolgono tutte le funzioni fisiologiche vitali (unità di misura: micron 1/1000 di mm). Mantengono la propria omeostasi. Omeostasi: tendenza dei sistemi fisiologici a stabilizzare le condizioni interne 13

PRINCIPALI COSTITUENTI CHIMICI DELLA CELLULA Carboidrati (1%) (glicolipidi e glicoproteine) Lipidi (20%) ACQUA (70-80%) (fosfolipidi colesterolo) Elettroliti Proteine (10-20%) (estrinseche ed intrinseche) acidi nucleici 14

STRUTTURA DELLA CELLULA LA CELLULA è costituita da: MEMBRANA PLASMATICA MATERIALE NUCLEARE CITOPLASMA (citosol + organuli) Mitocondri Ribosomi Apparato di Golgi Reticolo endoplasmatico (liscio e rugoso) Lisosomi e vacuoli Cloroplasti Citoscheletro 15

LA MEMBRANA CELLULARE o membrana plasmatica o plasmalemma 6.Interazioni ambiente esterno 4. Supporto strutturale FUNZIONI DELLA MEMBRANA CELLULARE 16

MEMBRANA CELLULARE: COMPOSIZIONE Composta principalmente da: Fosfolipidi (25%) Proteine (55%) Colesterolo (13%) Carboidrati (3%) Altri lipidi (4%) 17

GLOBULI ROSSI I globuli rossi rappresentano un sistema ideale per lo studio della membrana plasmatica. 18

PLASMALEMMA DI GLOBULO ROSSO (7-10 nm) 19

STRUTTURA DELLA MEMBRANA 20

IL DOPPIO STRATO FOSFOLIPIDICO 21

Il foglietto lipidico a doppio strato è una struttura stabile, ma dinamica, dotata di consistenza fluida ed una spiccata asimmetria di composizione che rende le superfici funzionalmente differenti: 1. STABILITA 2. FLUIDITA 3. ASIMMETRIA 22

STABILITA La stabilità è dovuta alle forze non covalenti che associano tra loro i componenti lipidici: Interazioni idrofobiche tra le code non polari; Legami elettrostatici deboli fra le teste polari; La presenza dell acqua, su entrambe le superfici del foglietto, che forma con le proprie molecole polari il caratteristico reticolo elettrostaticamente aderente alle teste polari dei lipidi, contribuisce a rendere la disposizione ordinata dei lipidi termodinamicamente vantaggiosa e quindi più stabile. 23

FLUIDITA La fluidità dipende: Dall assenza di legami covalenti tra le molecole lipidiche. Dalle caratteristiche degli acidi grassi che entrano nella composizione dei lipidi. 25

PROPRIETÀ DISTINTIVE DEGLI ACIDI GRASSI Gli acidi grassi differiscono per: la lunghezza della catena carboniosa: da 14 a 20 atomi di carbonio; la presenza (es. acidi grassi insaturi) o l assenza (es. acidi grassi saturi) nella catena carboniosa di doppi legami. 26

1) Conformazione di catene lipidiche sature a disposizione rettilinea. 2) Conformazione di catene lipidiche insature con angolatura rigida. 27

DENSO -- DENSO ---DENSO La fluidità della membrana aumenta progressivamente con le catene brevi sature e le catene insature (< Densità ossia > Fluidità)! 28

RUOLO DEL COLESTEROLO PLASTIFICATORE 29

ASIMMETRIA L asimmetria del foglietto lipidico è dovuta alla ineguale distribuzione dei diversi tipi di molecole lipidiche tra i due strati del foglietto, ciascuno dei quali ha una sua composizione specifica. Spazio Extracellulare: fosfatidilcolina, sfingomielina, colesterolo e glicolipidi. Versante Citosolico: fosfatidilserina, fosfatidilinositolo, fosfatidiletanolamina e colesterolo. 30

Il doppio strato lipidico ha composizione asimmetrica che differisce a seconda del tipo di membrana. 31

MODELLI DI MEMBRANA 1) Impalcatura rigida solo di lipidi. 2) Ober: esistenza di discontinuità tra i lipidi x la permeazione. 3) Davson e Danielli (anni 30-40): compare la matrice proteica, ma in piccole zone e adese ai due foglietti di fosfolipidi. 4) Singer e Nicolson (anni 50-60): mediante microscopia elettronica e tecniche di freeze-fracture si dimostrò che i fosfolipidi formano un doppio strato nel quale si inseriscono le proteine. 32

MODELLO DI SINGER E NICOLSON (modello del mosaico fluido) 34

IL MODELLO DEL MOSAICO FLUIDO Rappresenta la migliore interpretazione oggi disponibile dell organizzazione delle membrane a livello molecolare. Il termine fluido è riferito alla componente lipidica della membrana in quanto capace di traslare sul piano bidimensionale. Il termine mosaico è invece riferito alle proteine che sono distribuite in modo eterogeneo sulla superficie cellulare come i tasselli di un mosaico. 35

MOVIMENTO DEI LIPIDI 36

FREEZE-FRACTURE 37

COMPONENTE PROTEICA La presenza delle proteine nelle membrane cellulari è chiaramente indicata dai risultati dell analisi della loro composizione, ma è anche indirettamente suggerita dalla localizzazione, nelle membrane, di attività tipiche delle molecole proteiche quali ad esempio la funzione enzimatica. Si distinguono in: 38

PROTEINE SUPERFICIALI O ESTRINSECHE Questo tipo di proteina estrinseca ( 1 ) lega la sua superficie a quella formata dalle teste polari giustapposte dei lipidi, oppure alla regione polare di altre molecole inserite tra i lipidi ed affacciate sulle superfici della stessa membrana cellulare. 39

PROTEINE INTEGRALI O INTRINSECHE Le proteine intrinseche (2) sono, come i lipidi di membrana, molecole anfipatiche in grado di legare la loro regione non polare alle code non polari dei lipidi mediante interazioni idrofobiche, mentre le porzioni polari si affacciano verso l una o l altra o verso entrambi le superfici della membrana; esse possono essere, quindi, esposte sia sul versante extra che intracellulare. 40

PROTEINE DI MEMBRANA: FUNZIONI 1) CANALI: proteine integrali (generalmente glicoproteine), che funzionano come pori per consentire l entrata e l uscita di determinate sostanze in cellula. 2) TRASPORTATORI (o carriers): proteine che, mediante cambiamenti conformazionali, consentono il passaggio selettivo di determinate molecole o ioni. 3) RECETTORI: proteine integrali che riconoscono specificatamente determinate molecole (ormoni, neurotrasmettitori, nutrienti ecc.). 4) ENZIMI: proteine integrali o periferiche che catalizzano reazioni enzimatiche sulla superficie della membrana. 5) ANCORAGGI DEL CITOSCHELETRO: proteine periferiche, affacciate dal lato citoplasmatico della membrana, che servono per ancorare i filamenti del citoscheletro. 6) MARCATORI DI IDENTITA CELLULARE: glicoproteine o glicolipidi caratteristici di ciascun individuo, che permettono l identificazione delle cellule provenienti da altri organismi (es. marcatori ABO). 41

FORMAZIONE DEL GLICOCALICE La superficie della cellula é rivestita di carboidrati: glicoproteine, proteoglicani. 42

FUNZIONI DEL GLICOCALICE PROTEZIONE, LUBRIFICAZIONE, RICONOSCIMENTO CELLULARE (MEDIATA DALLE LECTINE), ADESIONE MIGRAZIONE 43

TRASPORTO ATTRAVERSO LA MEMBRANA La membrana cellulare è una vera e propria barriera. Tuttavia la cellula deve vivere scambiando molecole con l ambiente. Infatti, una cellula deve importare sostanze nutritizie, come zuccheri ed aminoacidi, eliminare prodotti di rifiuto, come anidride carbonica, e regolare anche la concentrazione intracellulare di ioni come Idrogeno, Sodio, Potassio e Calcio. 44

LE VIE DI PASSAGGIO Liquido extracellulare la diffusione attraverso la membrana può avvenire attraverso il doppio strato fosfolipidico...... oppure attraverso i canali proteici Citoplasma 45

LE VIE DI PASSAGGIO ATTRAVERSO LA MEMBRANA PLASMATICA 46

TIPI DI TRASPORTO 1.TRASPORTO PASSIVO 2.TRASPORTO ATTIVO Fonte: PONTIERI, Patologia Generale, Piccin Nuova Libraria S.p.A. 48

TRASPORTO PASSIVO ATTRAVERSO LE MEMBRANE Diffusione Semplice 49

La diffusione sposta i soluti verso l equilibrio, tendendo a formare, da una distribuzione casuale, una situazione di equilibrio, con concentrazioni uguali in ogni punto. La diffusione tende al minimo contenuto di energia libera: le molecole si muovono secondo il GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE e, se IONI carichi, si spostano secondo il GRADIENTE ELETTROCHIMICO. Questo tipo di trasporto non richiede apporto di energia. All equilibrio non si ha alcun movimento netto di molecole 50

TRASPORTO PASSIVO-GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE se molti individui sono concentrati in una spiaggia e il passaggio dall una all altra è libero... i bagnanti tenderanno rapidamente a distribuirsi in numero approssimativamente uguale nelle due spiagge. 51

TRASPORTO PASSIVO ATTRAVERSO LE MEMBRANE Diffusione Semplice di Acqua: OSMOSI 52

TRASPORTO PASSIVO ATTRAVERSO LE MEMBRANE Diffusione Semplice di Acqua: OSMOSI 53

TRASPORTO PASSIVO ATTRAVERSO LE MEMBRANE Diffusione Facilitata Le molecole che non attraversano il doppio strato lipidico per diffusione semplice possono attraversarla attraverso: DIFFUSIONE FACILITATA - TRASPORTO PASSIVO Es: Glucosio Es: Ioni (che non attraversano mai il doppio strato lipidico a causa della carica e l alto grado di idratazione). Il trasporto avviene tramite: Proteine trasportatrici Proteine canali Sono proteine di membrana integrali. 54

TRASPORTO PASSIVO ATTRAVERSO LE MEMBRANE Diffusione Facilitata PROTEINE TRASPORTATRICI Si legano al soluto specifico e subiscono cambiamenti di conformazione per trasferire il soluto legato attraverso la membrana. PROTEINE CANALI Non devono legare il soluto, ma formare un poro idrofilo per il passaggio del soluto nel doppio strato lipidico. 55

TRASPORTO PASSIVO ATTRAVERSO LE MEMBRANE Diffusione Facilitata Uniporto: il trasportatore traghetta un solo tipo di soluto; Simporto: il trasportatore traghetta due soluti nella stessa direzione; Antiporto: il trasportatore traghetta due soluti in direzioni opposte. 56

TRASPORTO PASSIVO ATTRAVERSO LE MEMBRANE Diffusione Facilitata Le proteine di trasporto o vettrici vanno incontro ad una serie di cambi conformazionali per trasportare molecole idrosolubili al di là del doppio strato lipidico. In particolare, la proteina trasportatrice si alterna fra 2 conformazioni (A e B) così che il sito di attacco del soluto sia accessibile sequenzialmente su di un lato e sull altro del doppio strato. Le proteine canale o i canali ionici formano piccoli pori idrofilici pieni d acqua attraverso i quali possono diffondere ioni specifici. 57

LE PROTEINE VETTRICI Un esempio di Trasporto Passivo Uniporto QuickT ime and a T IFF (Uncompressed) decompressor are needed to see this picture. Il Trasporto Netto del Soluto è secondo Gradiente di Concentrazione Trasporto Passivo del Glucosio al livello dell epatocita Conc. Glucosio all esterno (dopo un pasto)=transiz. da A a B Conc. Glucosio all interno (a digiuno)=transiz. da B ad A 58

IL TRASPORTO ATTIVO ATTRAVERSO LE MEMBRANE: Il movimento avviene contro gradiente mediato da proteine. Determina il movimento dei soluti lontano dall equilibrio termodinamico e quindi richiede impiego di energia. Il trasporto attivo è termodinamicamente sfavorevole (endoergonico) e si verifica solo quando è accoppiato ad un processo esoergonico. Le proteine trasportatrici coinvolte devono sia trasferire i soluti che accoppiare il trasferimento ad una reazione che cede energia. 59

IL TRASPORTO ATTIVO HA TRE PRINCIPALI FUNZIONI NELLE CELLULE E NEGLI ORGANI: 1. Rende possibile l assorbimento di sostanze nutritive dall ambiente anche quando le loro concentrazioni sono basse rispetto a quelle dentro le cellule. 2. Permette la rimozione di sostanze metaboliche di rifiuto quando la loro concentrazione all esterno è più alta che nella cellula. 3. Consente alla cellula di mantenere le concentrazioni intracellulari di ioni specifici, tra cui K +, Na +, Ca 2+ e H + in una situazione di non equilibrio: in questo modo si bilancia l effetto del trasporto passivo, che tende a eguagliare le concentrazioni di soluti. 60

LE PROTEINE VETTRICI: IL TRASPORTO ATTIVO Il trasporto attivo contro gradiente elettrochimico riveste un ruolo fondamentale nel mantenimento della composizione ionica intracellulare e per importare soluti maggiormente concentrati all interno della cellula rispetto all esterno. L accoppiamento può avvenire tra movimenti di due ioni organici, tra il movimento di uno ione inorganico e quello di una molecola organica o tra movimenti di due molecole organiche; I tipi di trasporto possono essere antiporto e simporto. 61

Come fa la cellula ad assumere e conservare un particolare assetto strutturale? 63

CITOSCHELETRO Filamenti intermedi Membrana cellulare Reticolo endoplasmatico Microfilamenti Microtubuli Il citoscheletro è composto da filamenti e tubuli (microtubuli) che sostengono e assicurano una posizione ai singoli organelli. Conferisce una forma alla cellula. 64

MITOCONDRIO Il mitocondrio è delimitato da una doppia membrana; Quella interna è ripiegata formando creste mitocondriali immerse nella matrice (sostanza amorfa) in cui sono presenti i ribosomi e filamenti di DNA. La principale funzione dei mitocondri è quella di produrre energia sotto forma di ATP, dalla demolizione dei carboidrati in ambiente aerobico (respirazione cellulare). Il numero di mitocondri all interno delle cellule è correlato alla quantità di lavoro svolto dalla specifica cellula. 66

RETICOLO ENDOPLASMATICO Il Reticolo Endoplasmatico (RE) è costituito da una serie di strutture tubulari, interconnesse a vescicole piatte, all interno delle quali avviene la produzione di sostanze utili alla cellula. Vi sono due tipi di reticolo, quello liscio e quello rugoso (per la presenza sulla sua superficie di ribosomi). Nel reticolo liscio si svolge la sintesi dei lipidi e metabolismo dei glucidi. Nel reticolo ruvido, associato ai ribosomi, si svolge la sintesi proteica. 68

RIBOSOMI RNA MESSAGGERO I ribosomi sono organuli cellulari formati da due subunità (di RNA e proteine) di dimensioni diverse; Sono strutture deputate alla sintesi proteica localizzate nel reticolo endoplasmatico rugoso. A livello dei ribosomi si compie la lettura dell m- RNA (RNA messaggero) in posizione tale che le molecole di RNA di trasferimento (t-rna), legate agli appropriati AA, vengano poste nella giusta posizione rispetto alla proteina nascente. proteina 70

LE PROTEINE le proteine sono costituite da catene di aminoacidi questi sono i 20 aminoacidi che si trovano nell organismo umano e che costituiscono le proteine. 71

Proteina: conformazione La forma tridimensionale della proteina è determinante per la sua funzione 72

APPARATO DI GOLGI L apparato di Golgi è costituito da un insieme di sacchi appiattiti (cisterne) impilati e connessi tra loro. La principale funzione dell apparato di Golgi è quella di modificare proteine e lipidi tramite aggiunta di zuccheri (glicoproteine e glicolipidi) e smistare le sostanze prodotte dal reticolo endoplasmatico. I materiali prodotti vengono distribuiti attraverso vescicole di trasporto per mezzo dell esocitosi. 74

LISOSOMI I lisosomi, vescicole prodotte dall apparato di Golgi come centro di digestione e di riciclaggio di molecole grazie alla presenza, nel loro interno, di enzimi digestivi (idrolasi acide) in grado di digerire materiale proteico e polisaccaridico. Il materiale degradato viene reso disponibile (all interno o all esterno della cellula) per i processi metabolici attraverso il processo di secrezione (ESOCITOSI). Sono particolarmente abbondanti nei leucociti granulociti del sangue che fagocitano batteri ed altre sostanze potenzialmente nocive. 76

CITOPLASMA Il citoplasma è la sostanza viscosa compresa tra la membrana cellulare e l'involucro nucleare; è formata da acqua, sali minerali e sostanze organiche, si definisce soluzione colloidale (citosol). In esso si trovano degli organuli adibiti alle varie funzioni che la cellula deve svolgere. 78

RICAPITOLIAMO.. STRUTTURA FUNZIONI membrana cellulare Protezione e passaggio selettivo di sostanze citoplasma Sede attività metaboliche della cellula organelli Mitocondri: produzione energia e respirazione cellulare. Ribosomi: produzione delle proteine Apparato di Golgi: rielaborazione e secrezione delle sostanze prodotte Lisosomi: spazzini cellulari Reticolo endoplasmatico: trasporto macromolecole Microtubuli e microfilamenti: citoscheletro Centrioli: riproduzione cellulare membrana nucleare Avvolge e protegge il nucleo nucleo Dirige e controlla ogni attività cellulare, compresa la sua riproduzione. Contiene: - cromosomi (DNA) - nucleoli (RNA) 79