LA CELLULA EUCARIOTE PSICOBIOLOGIA LEZIONE NR. 7

LA CELLULA EUCARIOTE PSICOBIOLOGIA LEZIONE NR. 7

Fig. 4.1

Fig. 4.2 Le cellule procariote sono contraddistinte dall assenza di un nucleo differenziato. Di norma posseggono un singolo cromosoma di forma circolare, posizionato in una zona centrale del citoplasma denominata nucleoide. Sono inoltre prive delle strutture citoscheletriche e quindi possono duplicarsi molto velocemente (cloni).

Fig. 4.3 e 4.4 Le cellule eucariote posseggono un nucleo differenziato ed una enorme complessità strutturale, inoltre le loro dimensioni possono variare enormemente.

Microtubuli

Microtubuli

Il nucleo e la cromatina Fig. 4.5 Il nucleo è l organulo di maggiori dimensioni della cellula, è separato dal resto del citoplasma da una sistema di doppia membrana definita membrana nucleare. Sulla parte interna della membrana nucleare è presente una matrice proteica filamentosa denominata lamina nucleare che fornisce rigidità strutturale a tutto il nucleo. La superficie di questa lamina nucleare non è chiusa ma contiene diverse aperture chiamate pori nucleari per trasportare molecole sia in entrata che in uscita. La funzione del nucleo è di ospitare il DNA sotto forma di cromosomi

Il nucleo e la cromatina Negli eucarioti il DNA è sempre associato a delle proteine sferiche denominate istoni che permettono la formazione di avvolgimenti regolari ed il compattamento di tutto il materiale cromosomico che altrimenti non potrebbe essere contenuto nel nucleo (2m). Il complesso DNA + istoni prende il nome di cromatina. Gli istoni si associano fra loro a gruppi di 8 formando il cosiddetto complesso ottamerico. Attorno ad ogni ottamero si avvolge il DNA che forma con esso il nucleosoma.

Il nucleo e la cromatina Fig. 4.7 A seconda delle varie fasi cellulari, la cromatina nel nucleo può essere più o meno condensata. Tipicamente nell interfase (il periodo che intercorre fra una divisione e la successiva) la cromatina è distribuita nel nucleo in gruppi meno densi chiamati eucromatina e gruppi più densi chiamati eterocromatina. L eucromatina comprende regioni dove vi sono geni trascrizionalmente ATTIVI L eterocromatina comprende regioni cromosomiche non trascritte o sequenze ripetitive come quelle contenute nei centromeri e nei telomeri

Microtubuli

Le membrane cellulari Le membrane cellulari sono un insieme complesso di strutture membranose che pur avendo tutte la stessa struttura di base, presentano morfologia e funzioni specifiche a seconda dei distretti cellulari che caratterizzano assumendo la connotazione di veri e propri organuli fra loro distinti. Fig. 4.26

Periferiche: possono essere separate dalla mebrana cttraverso trattamenti con sostanze polari o soluzioni saline che non disgregano la struttura fosfolipidica. Comprendono proteine con un contatto marginale con ca membrana o proteine legate a proteine integrali Le membrane cellulari Indipendentemente dalla posizione all interno della cellula, tutte le membrane sono contraddistinte da una struttura definita a mosaico fluido. Mosaico perché tutte le membrane sono formate da singole molecole di fosfolipidi disposte in un doppio strato. Tuttavia il doppio strato è in genere attraversato da proteine che si affacciano sull uno o l altro versante (o entrambi) della membrana. Queste proteine chiamate proteine di membrana sono classificate in: Integrali: possono essere separate dalla membrana solo attraverso la distruzione della struttura fosfolipidica. Comprendono le proteine trans-membrana e le proteine ancorate a lipidi di membrana Fig. 4.27

Le membrane cellulari La membrana esterna è chiamata membrana plasmatica ed è in continuità diretta con un sistema complesso di membrane chiamato reticolo endoplasmatico (RE) Il reticolo endoplasmatico giunge sino al nucleo dove egli stesso si differenzia in parete nucleare, mentre in sede perinucleare il RE è in continuità funzionale con l apparato del Golgi. Un altro organulo consistente in cisterne membranose, importante durante i processi di secrezione. Fig. 4.25

Le membrane cellulari Il reticolo endoplasmatico Il RE è un insieme di tubuli e sacchi appiattiti che si estende dalla membrana plasmatica sino al nucleo. La membrana del reticolo è chiusa e forma delle cisterne il cui spazio interno è definito lume del reticolo. Il RE è diviso in: RE liscio sintesi di lipidi di membrana RE rugoso sulla cui superficie vi sono i ribosomi che sintetizzano le proteine di membrana e proteine di secrezione (destinate ad abbandonare la cellula) RE di transizione nel quale si creano vescicole membranose di trasporto che viaggiano verso l apparato del Golgi. Fig. 4.28

Le membrane cellulari Il ruolo del RE rugoso: sintesi delle proteine di secrezione Costituito da amminoacidi idrofobi, indirizza il ribosoma al REr Particella di riconoscimento del segnale (proteine+rna) Ribosomi Fig. 4.31 Peptidasi del segnale

Le membrane cellulari Il ruolo del RE rugoso: sintesi delle proteine di membrana Fig. 4.32

Le membrane cellulari Il ruolo del RE rugoso: sintesi delle proteine di membrana Fig. 4.33

Le membrane cellulari Il ruolo del RE rugoso All interno del RE rugoso, sia per le proteine di secrezione che per le proteine di membrana sono completati i processi di ripiegamento (struttura terziaria) che l assemblaggio di sub-unità (struttura quaternaria) che i processi di glicosilazione (aggiunta di oligosaccaridi, glicoproteine) che andranno però incontro ad ulteriori modifiche nell apparato del Golgi.

Le membrane cellulari La via secretoria Fig. 4.30

Le membrane cellulari I apparato del Golgi L apparato del Golgi è un organulo formato anch esso da cisterne appiattite ed è caratterizzato da una polarità morfo-funzionale ben definita. Infatti vi è una faccia convessa rivolta verso il nucleo ed il RE denominata faccia cis ed una faccia concava opposta alla prima denominata faccia trans. Tutto il materiale biologico sintetizzato nel RE giunge dentro delle vescicole di trasporto sul lato cis e dopo una serie di modifiche apportate dall apparato del Golgi uscirà dal lato trans per poi raggiungere il proprio specifico sito di azione. Fig. 4.34

Le membrane cellulari Il ruolo dell apparato del Golgi

Le membrane cellulari La via secretoria Fig. 4.30

Le membrane cellulari Fig. 4.34 La formazione delle vescicole che conducono le proteine dall apparato del Golgi ai loro siti di azione è resa possibile dal contemporaneo coinvolgimento di proteine strutturali di rivestimento (clatrina) che avvolgono le proteine da trasportare (endocitosi), proteine adattatrici, proteine che legano il GTP e piccole proteine G. In particolare queste proteine G appartengono alla famiglia Rab e sono coinvolte sia nella gemmazione delle vescicole che nella fusione con la membrana plasmatica (esocitosi) Fig. 4.35

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I mitocondri I mitocondri possiedono una membrana esterna ed una membrana interna fortemente ripiegata (creste mitocondriali). E quindi due distinti compartimenti: I mitocondri sono organuli che ricoprono un ruolo cruciale nei processi di produzione energetica all interno delle cellule eucariote. Nei mitocondri, l energia contenuta in varie molecole (carboidrati, amminoacidi e lipidi) è convertita in ATP mediante: Ciclo di Krebs Fosforilazione ossidativa La matrice mitocondriale La camera mitocondriale esterna Fig. 4.36 All interno della matrice mitocondriale è inoltre contenuto un singolo cromosoma, indipendente dal DNA nucleare che codifica l rrna e un trna propri dell organulo.

I mitocondri L origine dei mitocondri, teoria endosimbiontica Prima della comparsa dell ossigeno sulla terra, ATP prodotto mediante glicolisi (2 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio degradata ad acido lattico) Dopo la comparsa dell ossigeno, gli organismi aerobici producevano ATP degradando glucosio in CO2 e H2O (36-38 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio)

I mitocondri Fig. 4.37 Le fasi iniziali della degradazione del glucosio ha inizio nel citoplasma dove viene trasformato in piruvato e quindi trasportato insieme con gli acidi grassi nei mitocondri. Qui vengono utilizzati per formare molecole di acetilcoenzima A (acetilcoa) che entrerà nel ciclo di Krebs che lo trasformerà in CO2. Durante le complesse fasi di questo ciclo gli elettroni liberati nella ossidazione di acetilcoa in CO2 sono catturati da molecole come la nicotinammide-adenina-dinucleotide (NAD) e la flavina-adenina-dinucleotide (FAD). Queste due molecole che hanno il solo ruolo di raccogliere elettroni provenienti dalle reazioni chimiche di ossido-riduzione sono presenti all interno della matrice mitocondriale in due diverse conformazioni: Ossidata (NAD + e FAD) Ridotta (NADH e FADH 2 )

I mitocondri Tutti gli elettroni raccolti dalle molecole NAD e FAD sono successivamente spinti attraverso delle proteine di trasporto (citocromi) verso la camera mitocondriale esterna. Durante questo trasporto gli elettroni rilasciano energia libera che sarà a sua volta utilizzata da altre proteine per spingere un gran numero di protoni H+ dalla matrice mitocondriale alla camera mitocondriale esterna. Quando la concentrazione di questi H+ nella camera esterna sarà più alta di quelli presente all interno, per gradiente gli H+ proveranno a rientrare nella matrice, ma la membrana impedirà solo il passaggio che potrà avvenire solo attraverso una proteina/enzima chiamata ATPsintasi che sfrutterà il loro passaggio per sintetizzare ATP partendo dall ADP. Questo processo è chiamato fosforilazione ossidativa Fig. 4.38

I mitocondri Ruolo dei mitocondri nei processi di apoptosi (morte cellulare programmata) Il mitocondrio funziona da centrale d'integrazione degli stimoli apoptotici. Essi possono essere di molteplice natura e sono in grado di determinare l'apertura di un complesso poliproteico chiamato poro di transizione mitocondriale localizzato in alcuni punti di contatto tra le due membrane mitocondriali. Quest'evento fa cadere la differenza di potenziale, per uscita dei protoni, ed ingresso di molecole prima interdette all'ingresso. Come risultato finale, il mitocondrio si riempie di liquido e la membrana esterna scoppia liberando nel citoplasma fattori stimolanti l'apoptosi che è in grado di raggiungere il nucleo ed attiva una via indipendente dalle caspasi in grado di degradare il DNA, ed il citocromo c che si lega alle proteine Apaf-1 (apoptotic protease activating factor) e caspasi 9 ed una molecola di ATP formando un complesso definito apoptosoma. La caspasi 9 presente diviene in grado di attivare altre caspasi che danno il via ad una cascata molecolare che si conclude con la degradazione del DNA ad opera di fattori nucleari.

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Il citoscheletro Il citoscheletro è un elemento che determina generalmente la morfologia cellulare ed è formato da un insieme di strutture proteiche. Tali strutture sono molto dinamiche e possono essere assemblate e riassemblate per venire incontro ai cambiamenti conformazionali della cellula. Oltre alla morfologia le strutture citoscheletriche sono importanti per le funzioni di motilità e di divisione cellulare oltre che per il trasporto di molecole intra/extracellulari. Il citoscheletro è formato da: Microfilamenti Filamenti intermedi Microtubuli

Il citoscheletro: i microfilamenti Sono fibrille costituite da filamenti avvolti a spirale fra loro, e sono formati dall assemblaggio di una proteina chiamata actina F, a sua volte polimerizzata da monomeri di actina G. I filamenti possiedono la capacità di allungarsi in entrambe le direzioni sebbene l allungamento lungo un estremità (positiva) sia più veloce. Questi filamenti sono di norma concentrati alla periferia delle cellule dove formano una rete (cortex) al di sotto della membrana plasmatica con la quale prende contatti grazie alla proteina di membrana. La rete svolge un ruolo in molte attività cellulare ed è responsabile della conformazione del pavimento o delle pareti cellulari. Fig. 4.39

Il citoscheletro: i filamenti intermedi Sono fibrille costituite da proteine eterogenee, sono distribuite sia nel nucleo (dove formano la lamina nucleare) che nel citosol. E servono a conferire integrità strutturale alle cellule. Nello specifico i filamenti intermedi sono formati da proteine diverse che però si associano sempre nello stesso modo a formare un dimero che insieme ad un secondo dimero, forma un tetramero che insieme ad altri 2 forma un protofilamento che andrà poi a formare il filamento vero e proprio. Fig. 4.42

Il citoscheletro: i microtubuli Sono tubi cavi, formati dalla polimerizzazione di un dimero formato da due proteine alpha-tubulina e betatubulina. Vengono assemblati dalla gamma-tubulina nel centrosoma, attraverso l associazione di 13 protofilamenti che si richiudono a cilindro. Contribuiscono a determinare l architettura cellulare e possono servire come «binari» per il trasporto di materiale lungo la cellula. Interagiscono con 3 classi di proteine: MAP-1, MAP-2, proteina Tau, +TIPs proteine che stabilizzano i microtubuli Proteine che destabilizzano e disgregano i microtubuli Chinesina e Dineina proteine motrici Fig. 4.45 e Fig. 4.46

Il ciclo cellulare Sebbene i neuroni siano una cellula incapace di dividersi, è bene aver chiaro il ciclo vitale di una cellula che normalmente si svolge fra una divisione cellulare e la successiva (interfase). Fase G1 (gap) intensa attività trascrizionale e traduzionale che portano all accrescimento della cellula Fase S (synthesis) replicazione di tutto il materiale genetico Fig. 4.47 Fase G2 (gap) completamento dei processi di sintesi macromolecolari necessari allo svolgimento della divisione Fase di divisione: Mitosi divisione equazionale nella quale i cromosomi (23 coppie, diploidi) sono ripartiti tra le cellule figlie Meiosi riguarda solo le cellule germinali (gameti) divisione riduzionale, riduce il numero dei cromosomi a metà delle cellule somatiche (23 cromosomi, aploidi) Le varie fasi del ciclo cellulare è controllata attraverso delle tappe di controllo e mediata da proteine chiamate cicline.

Il ciclo cellulare