Modello cellulare procariote ed eucariote.

Question 1

DIMENSIONI CELLULA

Answer 1

Procarioti:

• organismi unicellulari
• organizzazione relativamente semplice (in confronto alle cellule eucariotiche)
• Es. batteri, archeobatteri, cianobatteri e proclorofite

Dimensioni cellula:

• procariotica ≈ 1 - 10 micron
• eucariotica (decisamente più grande) ≈ 10 - 100 volte

Impossibile analizzare cellula ad occhio nudo, perciò si ricorre ai microscopi:

• microscopio ottico per visualizzare struttura della cellula,
• microscopio elettronico per notare bene contorni + conformazione degli organelli.

Question 2

SOMIGLIANZE STRUTTURALI CELLULE PROCARIOTICHE ED EUCARIOTICHE

Answer 2

1. Membrana plasmatica:
   - barriera a permeabilità selettiva
   - separa matrice extracellulare da quella intracellulare
2. Parete cellulare:
   - posizionata esterno membrana cellulare
   - costituisce uno strato molto più forte di quest’ultima,
   conferendo resistenza strutturale alla cellula
3. Ribosomi: organelli coinvolti nella sintesi delle proteine
4. Citoplasma: miscela acquosa in cui sono immersi i costituenti cellulari

Question 3

DIFFERENZE STRUTTURALI CELLULE PROCARIOTICHE ED EUCARIOTICHE

Answer 3

1. Nucleo:
   - eucarioti > nucleo delimitato da una doppia membrana;
   - procarioti > NON hanno un nucleo, ma una regione chiamata NUCLEOIDE
2. DNA e cromosomi (le cellule codificano le loro informazioni nel DNA):
   - eucarioti > DNA suddiviso in coppie di cromosomi;
   - procarioti > DNA presente in singola copia
3. Organelli:
   - eucarioti > organelli legati alla membrana
   - procarioti > queste strutture mancano
4. Citoscheletro:
   - eucarioti > possiedono una fitta rete di proteine fibrose (che sotto forma di filamenti), attraversano tutta la cellula dandole la forma caratteristica
5. Divisione cellulare:
   - eucarioti > comparsa del fuso mitotico;
   - procarioti > no
6. Riproduzione:
   - eucarioti > prediligono riproduzione sessuata (unione di gameti);
   - procarioti > prediligono riproduzione asessuata (senza intervento dei gameti)

Question 4

GENERALITÀ PROCARIOTI

Answer 4

1. Non hanno organelli circondati da membrana + manca di compartimenti interni delimitati da membrane
2. Nella membrana manca il colesterolo + hanno parete cellulare
3. Ha DNA circolare essenzialmente “nudo” (plasmide) + molecole accessorie
4. Hanno molto MENO DNA (l’eucariote più semplice, ha 12 milioni di coppie di basi + info genetica almeno di un ordine di grandezza maggiore di quella dei procarioti)
5. In grado di incorporare DNA dall’esterno attraverso un processo detto TRASFORMAZIONE
6. Presenti nel tratto intestinale, bocca, vagina e pelle: formano il MICROBIOMA UMANO (si può cambiare nel corso della vita) che è soggetto di varie ricerche.
7. Funzioni delle proteine codificate da questi genomi dei microbi:
   - sintesi vitamine;
   - decomposizione zuccheri complessi di origine vegetale;
   - prevenzione della crescita di organismi patogeni

Question 5

CITOPLASMA

[procarioti]

Answer 5

Fino a poco fa si pensava che i procarioti non avessero il CITOSCHELETRO, ma ultimamente sono state identificate proteine in grado di formarne un modello molto semplificato rispetto a quello degli eucarioti.
In generale, il citoplasma di un procariote contiene sempre:
• Cromosomi
• Plasmidi
• Sistemi enzimatici
• Ribosomi
A differenza degli eucarioti, NON ha: mitocondri, lisosomi, Reticolo Endoplasmico e apparato di Golgi.

Question 6

PARETE CELLULARE

[procarioti]

Answer 6

Tutti i procarioti sono provvisti di parete cellulare, tranne i micoplasmi, che sono parassiti endocellulari ergo vivono in ambiente isotonico.

Funzione:

• mantenere invariata la forma della cellula
• evitare che essa scoppi o creni in situazioni diverse dall’isotonicità

Esistono due tipi di pareti cellulari: GRAM POSITIVE e GRAM NEGATIVE.
Utilizzando un colorante blu, si nota che ci sono batteri che si colorano e batteri che non si colorano: così, si può fare una distinzione, a seconda del tipo di parete cellulare presentata.

Pareti gram positive: si colorano (blu)
Queste cellule, sopra la membrana plasmatica, presentano una parete cellulare formata da peptidoglicani (amminozuccheri legati a corti peptidi) che forniscono rigidità e permettono la colorazione.

Pareti gram negative: non si colorano (rosso)
In queste cellule, un sottile strato di peptidoglicani è ricoperto da un’altra membrana plasmatica: non si ha la colorazione perché non ci sono gli zuccheri all’esterno.

Dopo la parete, ci può essere anche una capsula costituita da polisaccaridi che viene secreta dalla cellula stessa:
- è associata alla patogenicità
- il suo scopo è quello di evitare la fagocitosi
Il primo antibiotico scoperto è stata la penicillina, che blocca la sintesi dei peptidoglicani, costituenti della parete cellulare, che quindi diventa più fragile. Così, i batteri si possono eliminare più facilmente: i Gram positivi sono più SENSIBILI al trattamento con la penicillina.

Question 7

FLAGELLI

[procarioti]

Answer 7

Polimeri costituiti da una proteina globulare, detta FLAGELLINA (assemblata a formare un’elica tripla).
Funzione:
- motoria + sono specie-specifici
- possono essere singoli o “a ciuffo” su tutta la cellula
Sono tipici soprattutto dei BATTERI BACILLARI, in quanto i cocchi preferiscono gli ambienti secchi, in cui quindi è difficile muoversi.
In particolare, i flagelli sono importanti per la CHEMIOTASSI = fenomeno con cui i corpi cellulari direzionano i loro movimenti a seconda della presenza di alcune sostanze chimiche nel loro ambiente. Max velocità che può essere raggiunta da un batterio dotato di flagello varia tra i 3-60 μm/s.

Question 8

PILI

[procarioti]

Answer 8

Polimeri, sotto forma di bastoncelli rigidi e cilindrici, costituiti da monomeri detti PILINE.

Funzioni:

• nutrizione, dato che aderiscono alle sostanze nutritizie di passaggio;
• coniugazione: molto utili per l’adesione fra diverse cellule, che quindi si possono scambiare DNA (plasmidi), trasportato dal batterio donatore -> batterio ricevente.

I plasmidi sono elementi genetici extra cromosomici che si replicano in maniera autonoma dal cromosoma e contengono un’ulteriore informazione genetica.
Esistono diversi tipi di plasmidi, che variano a seconda dell’informazione che portano:
• Plasmidi di virulenza
• Plasmidi di resistenza, utili, ad esempio, ad inibire la sensibilità ad un antibiotico
• Plasmidi con informazioni per le vie metaboliche

Question 9

RESISTENZA AGLI ANTIBIOTICI

Answer 9

Il fattore di resistenza può essere trasferito da una cellula all’altra attraverso l’utilizzo di un plasmide, che trasforma alcune cellule sensibili in cellule resistenti ad un particolare antibiotico.

Question 10

MESOSOMI

[procarioti]

Answer 10

In alcuni punti, la membrana si introflette per formare i cosiddetti mesosomi, che tuttavia non permettono la compartimentalizzazione tipica del sistema di endomembrane degli eucarioti.

Funzione: intervengono nella cellula batterica in vari processi riproduttivi e metabolici

a) durante la divisione cellulare, fornisce attacco al DNA, facilitando:
- la separazione dei 2 cromosomi +
- la produzione del setto trasverso (mesosomi SETTALI)
b) contengono gran parte dei citocromi e degli enzimi respiratori (mesosomi RESPIRATORI), per le attività cataboliche;
c) contengono enzimi coinvolti nella sintesi dei componenti di parete (mesosomi BIOSINTETICI), svolgono importanti attività anaboliche

Question 11

MORFOLOGIE COMUNI NEI BATTERI

Answer 11

• Bacillo;
• Cocco;
• Spirillo;
• Vibrione;
• Spirocheta

Question 12

RIPRODUZIONE

[procarioti]

Answer 12

I procarioti si riproducono in diversi modi:

• scissione binaria;
• gemmazione.

Durante la scissione binaria:

• DNA è attaccato ad un mesosoma,
• prima di dividersi, la cellula duplica il proprio DNA in modo semi conservativo
• i 2 filamenti si attaccano a due mesosomi ≠ e
• le molecole si separano una dall’altra;
• si forma un setto -> separa il citoplasma in 2 e
• la cellula si scinde, dando vita a due cellule figlie ciascuna con stessa informazione genetica della cellula madre.

Question 13

SOMIGLIANZE FUNZIONALI CELLULE PROCARIOTICHE ED EUCARIOTICHE

Answer 13

1. L’informazione genetica viene codificata dal DNA.
2. Seguono un processo simile di Trascrizione e Traduzione.
3. Hanno le vie metaboliche condivise, come la glicolisi e il ciclo di Krebs.
4. Hanno meccanismi di fotosintesi simili.

Molti meccanismi, come vediamo, sono simili perché l’origine di procarioti ed eucarioti è comune.

Question 14

DIFFERENZE FUNZIONALI CELLULE PROCARIOTICHE ED EUCARIOTICHE

Answer 14

1. Nei procarioti, non sono presenti né organelli citoplasmatici, né organelli membranosi specializzati per la respirazione (mitocondri) o per la fotosintesi (cloroplasti).
2. Gli eucarioti hanno un sistema citoscheletrico complesso, a differenza dei procarioti.
3. Gli eucarioti hanno flagelli e ciglia complessi.
4. Gli eucarioti possono andare incontro ad endocitosi e fagocitosi, al contrario dei procarioti.
5. Gli eucarioti possono andare incontro a divisione cellulare con fuso mitotico contenente microtubuli, i procarioti no.
6. Negli eucarioti, a differenza dei procarioti, c’è presenza di diplodia: ci sono due copie di ogni gene per ogni cellula, ognuna derivante da ciascun genitore.
7. Gli eucarioti vanno incontro a riproduzione sessuata, richiedente meiosi e fecondazione.

Question 15

GENERALITÀ EUCARIOTI

Answer 15

La cellula eucariotica è molto complessa, provvista di un nucleo ben definito, di diversi organelli con specifiche funzioni, di un sistema di endomembrane e di una membrana plasmatica. Nella cellula vegetale c’è anche una parete cellulare costituita da cellulosa.

Question 16

CITOPLASMA

[eucarioti]

Answer 16

In generale, il citoplasma di una cellula eucariote contiene sempre:
• Citoscheletro: forma e movimento
• Sistema di endomembrane (caratterizzato da membrane con origini
simili)
- REL (Reticolo Endoplasmatico Liscio): metabolismo dei lipidi
- RER (Reticolo Endoplasmatico Rugoso): produzione di proteine di secrezione
- Apparato di Golgi: modificazione delle proteine di secrezione
- Lisosomi: degradazione di molecole
• Ribosomi: sintesi delle proteine
• Perossisomi: reazioni chimiche i cui intermedi sono tossici per la cellula
• Mitocondri: produzione e riserva di energia
• Cloroplasti: produzione di molecole ad alta energia

Question 17

NUCLEO

Answer 17

Una caratteristica fondamentale che distingue gli eucarioti dai procarioti è la presenza di un COMPARTIMENTO NUCLEARE che comprenda DNA.
Contenuto del nucleo: massa di materiale viscoso e amorfo, racchiusa da un complesso INVOLUCRO NUCLEARE che costituisce il confine tra nucleo e citoplasma.

All’interno nucleo di una tipica cellula in interfase (cioè non mitotica):
• cromosomi, presenti come fibre nucleoproteiche molto estese, definite CROMATINA;
• uno o più NUCLEOLI = strutture elettrondense di forma irregolare in cui avviene:
- la sintesi dell’RNA ribosomiale;
- l’assemblaggio dei ribosomi.
• NUCLEOPLASMA = sostanza fluida, in cui sono disciolti i soluti del nucleo.

Per quanto riguarda la sua struttura, consta di quattro strati:

1. INVOLUCRO NUCLEARE: ha il compito di separare il nucleo dal citoplasma
2. NUCLEOSCHELETRO: fornisce sostegno
3. NUCLEOLO
4. DNA: si trova sotto forma di cromatina

Question 18

INVOLUCRO NUCLEARE

Answer 18

L’involucro nucleare, o membrana nucleare (esterna e interna), è una struttura caratteristica degli eucarioti.
Costituita da: DUE doppi strati fosfolipidici, disposte parallelamente l’una all’altra e distanti 10 - 50 nm, che determinano un nuovo FILTRO DI SELETTIVITÀ per la cellula, oltre alla membrana plasmatica.

ORIGINE:
L’involucro nucleare si è generato per l’INVAGINAZIONE della membrana plasmatica dei procarioti: ciò ha portato all’avvolgimento completo del nucleoide, fino a chiudere al suo interno il DNA.

Si trova in continuità con il RE, generatosi sempre durante il processo citato nel paragrafo precedente. La vicinanza al RE determina la presenza di ribosomi in alcune zone dell’involucro. È presente anche uno spazio perinucleare di 20 - 30 nm.
L’involucro può modificare le sue dimensioni a seconda dei processi che sono in atto all’interno della cellula.
Es. durante la duplicazione del DNA o durante la trascrizione, si ACCRESCE;
mentre SCOMPARE durante la divisione cellulare.

Vantaggio del sistema a doppia membrana: ciascun versante si è potuto specializzare per interagire o con il citoplasma o con il nucleoplasma.

La membrana nucleare:
• esterna:
- tappezzata di ribosomi
- in continuità con la membrana del RER

• Lo spazio tra le membrane nucleari -> in continuità con il lume del RE

• interna:

• legata mediante proteine integrali di membrana ad una sottile rete fibrillare = LAMINA NUCLEARE (priva di membrane, contiene proteine specializzate che formeranno i PORI DELLA MEMBRANA)
• insieme danno forma al nucleo.

Question 19

PORI NUCLEARI

Answer 19

Il doppio layer dell’involucro nucleare permette di distinguere due membrane, una esterna e una interna, separate da uno spazio intermembrana.
Quella esterna si trova a contatto con il citoplasma e con le strutture del citoscheletro, che formano una sorta di rete;
d’altra parte, la membrana interna si trova a contatto con il nucleoplasma.
Queste due membrane si “specializzano” a seconda delle componenti alle quali sono connesse.

Lungo l’involucro nucleare, sono presenti i cosiddetti PORI NUCLEARI = permettono lo scambio di sostanze fra nucleo e citoplasma.
In corrispondenza dei pori, le membrane si chiudono per lasciare spazio a questo piccolo foro sormontato da strutture proteiche:
- nel versante nucleare si forma una sorta di “cesto” di fibre;
- nel versante citoplasmatico, si trova una struttura caratterizzata da filamenti in grado di riconoscere proteine e complessi che devono passare da una parte all’altra.
Questa struttura a forma di ciambella viene chiamata COMPLESSO DEL PORO NUCLEARE (CPN): contiene circa 30 proteine differenti, dette NUCLEOPORINE.

CPN = Presenta simmetria ottagonale (ripetizione per 8 volte di specifiche strutture). Non è una struttura statica, componenti proteiche sostituite da nuove copie in pochi secondi o minuti.

Question 20

TRASPORTO NUCLEARE

Answer 20

Le proteine nucleo-specifiche possiedono un segnale che ne permette l’accumulo nel nucleo dopo la loro sintesi nel citoplasma.

IMPORTO NUCLEARE = processo dove alcune proteine sintetizzate nel citoplasma -> passano nel nucleo, grazie al loro NLS (Nuclear Localisation Signal).
NLS = breve segmento amminoacidico vicino all’estremità C-terminale che agisce da Segnale di Localizzazione Nucleare.

IMPORTINE = proteine carrier che legano altre proteine provviste di segnale NLS, associandosi poi alle fibre dei nucleopori nel versante citoplasmatico.

• In questo modo, si riesce a passare nel nucleo,
• dove si trovano altre proteine che
• staccano le importine dalle proteine NLS e, dopo ciò,
• le importine vengono portate fuori grazie alle ESPORTINE che,
• sempre legando le proteine del nucleoporo, riescono a trascinarle verso l’esterno.

ESPORTO NUCLEARE = processo analogo a quello di importo.

ESPORTINE = proteine carrier che, riconoscendo la breve sequenza amminoacidica chiamata NES (Nuclear Export Signal), mediano la traslocazione della proteina bersaglio dal nucleo -> verso citoplasma passando attraverso il nucleoporo.

Question 21

SCOPERTA SEGNALE NLS

Answer 21

Era noto che ci fossero alcune proteine nel nucleo e, per capire come fosse possibile siccome esse si producono solo nel citoplasma, si esaminò la sequenza primaria di tutte le proteine in questione, facendo un’ANALISI COMPARATIVA: si scoprì un’uguale sequenza di amminoacidi in tutti i casi considerati.
A quel punto furono portati avanti ESPERIMENTI DI MUTAGENESI e, dopo la ricombinazione, la proteina non andava più nel nucleo. Quindi, si dimostrò che una specifica sequenza di amminoacidi produce un segnale NLS, in grado di garantire il passaggio dal citoplasma al nucleo.

Question 22

SEGNALE NES: DAL NUCLEO AL CITOPLASMA

Answer 22

Le importine tornano nel citoplasma grazie ad una proteina carrier, detta ESPORTINA, che riconosce anche in questo caso un segnale ben preciso: NES. Tale segnale identifica le proteine che devono passare dal nucleo al citoplasma.
Quindi, nel caso prima citato, le esportine legano l’importina e, attraverso il nucleoporo, passano fuori. Successivamente, una nuova proteina staccherà l’importina dall’esportina, permettendo a quest’ultima tornare nel nucleo.

Question 23

PROTEINE SHUTTLING

Answer 23

Proteine che hanno sia NLS (segnali di importo) che NES (segnali di esporto) sono dette proteine shuttling, perché possono spostarsi continuamente nei 2 compartimenti.

Question 24

TRASPORTO DELL’RNA

Answer 24

Dai recenti studi, è emerso che l’RNA non possiede segnali propri di importo o esporto nucleare: infatti, per muoversi, sfrutta i legami con le proteine che hanno tali segnali.
L’RNA, una volta sintetizzato, si associa alle proteine in questione per formare un COMPLESSO RIBONUCLEOPROTEICO (RNP).

Es. L’RNA messaggero deve raggiungere il citoplasma per la traduzione, quindi tende a legare PROTEINE come quelle ETEROGENEE (hnRNA), oppure le CAP BINDING PROTEINS, che permettono il legame alle estremità. Come detto prima, l’mRNA deve essere trasportato nel citoplasma, ma non tutte le proteine che sono state legate possono andarci: perciò, alcune si dissociano e altre, come le proteine che legano il CAP, continuano ad essere associate e, attraverso i segnali di esporto nucleare, passano nel citoplasma. Una volta giunti a destinazione, mRNA e proteine si dissociano e queste ultime, in quanto shuttling, rientrano nel nucleo.

Question 25

NUCLEOSCHELETRO

Answer 25

Interno del nucleo, nella regione del nucleoplasma, notiamo una divisione tra una lamina nucleare (associata alla membrana interna) e una matrice nucleare.

1. Lamina nucleare: sottile e densa rete, caratterizzata dalla presenza di proteine insolubili. Struttura priva di membrane, contiene proteine specializzate che formeranno i PORI DELLA MEMBRANA.
   È adesa al VERSANTE NUCLEOPLASMATICO della MEMBRANA INTERNA dell’involucro nucleare.

Funzioni:

• agisce da supporto strutturale per l’involucro nucleare;
• serve da sito di attacco per le fibre di cromatina alla periferia del nucleo;
• ruolo ancora poco chiaro nella replicazione + trascrizione del DNA.

Filamenti della lamina nucleare:
- diametro ≈ 10 nm
- composti da polipeptidi chiamati LAMÌNE (A, B1, B2, C).
Lamìne A e C = omologhe ai filamenti intermedi del citoscheletro;
Lamìna B = differisce dalle altre due + strettamente associata alla membrana interna dell’involucro nucleare.
In generale, in alcuni punti della lamina, si lega il DNA.

Il DISASSEMBLAGGIO della lamina nucleare prima della mitosi (perché sia favorita la formazione del fuso mitotico, che serve a separare i cromatidi fratelli) è indotto dalla FOSFORILAZIONE delle lamìne, mediante la chinasi. Di conseguenza si dissocia dalla membrana nucleare che, durante la divisione cellulare, scompare.
Dopo la corretta separazione dell’informazione genetica, le lamìne perdono i gruppi fosfati e contribuiscono alla riformazione dell’involucro.

Mutazioni in uno dei geni della lamina sono responsabili di molte malattie, come:

• RARE FORME DI DISTROFIA MUSCOLARE;
• sindrome della PROGERIA (invecchiamento precoce) DI HUTCHINSON-GILFORD.

2. La matrice nucleare: anche detta NUCLEOPLASMA, è un complesso di natura proteica.
   Si tratta di un’estesa MATRICE FIBROGRANULARE INSOLUBILE che:
   - costruisce un nucleoscheletro;
   - partecipa a mantenere la forma del nucleo.

Durante il processo di duplicazione del DNA, è richiesto l’intervento di numerosi enzimi che, normalmente, contribuiscono alla formazione della matrice nucleare. Lo stesso discorso vale per il processo di trascrizione, che porta alla sintesi di RNA dopo la rottura dei legami H dei filamenti del DNA (avviene nel nucleo): per fare questo, c’è bisogno della RNA polimerasi e di altri fattori di trascrizione di natura proteica.

Question 26

NUCLEOLO

Answer 26

Struttura rotondeggiante od ovale, presente all’interno del nucleo in numero variabile da 1 a 6, spesso attaccata alla membrana nucleare o comunque in posizione eccentrica rispetto al nucleo. Spesso circondato da cromatina addensata (cromatina perinucleare).

Sede di produzione dei ribosomi:

• sia per quanto riguarda la produzione dell’rRNA,
• sia per l’assemblaggio di questo con le proteine ribosomiali per formare le subunità ribosomiali (che poi abbandonano il nucleo per andare nel citoplasma, passando attraverso i pori della membrana nucleare).

Fortemente BASOFILO a causa dell’ABBONDANZA di RNA = motivo per cui si presenta solitamente PIÙ scuro rispetto al resto del nucleo.
Diversamente da quest’ultimo, il nucleolo NON è delimitato da una membrana (infatti ha contorni non definiti). Il nucleolo SCOMPARE DURANTE la divisione cellulare (perché si ferma la sintesi di proteine ed RNA) e RICOMPARE al TERMINE di questa.

ASSEMBLAGGIO DEI RIBOSOMI:
Nucleolo = struttura che sintetizza le subunità ribosomiali (in generale, i ribosomi vengono lì espressi come precursori molecolari di dimensioni molto maggiori), ma c’è un’eccezione:
NON sintetizza la sequenza dell’unità 5S.
- RNA 5S sintetizzato nel nucleoplasma
- proteine ribosomiali vengono reimportate dal citoplasma -> al nucleo;
- una volta pronti, tutti i componenti migrano nel nucleolo
- si associano a formare le subunità del ribosoma
- quest’ultime poi vengono trasferite dal nucleo -> al citoplasma.