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Le basi chimiche della vita e le macromolecole biologiche.

Cellule procariotiche e cellule eucariotiche: Tutti gli organismi viventi sono costituiti da cellule, unità delimitate da una membrana e piene di una soluzione concentrata di sostanze chimiche, dotate della capacità di creare copie di se stesse. Possiamo suddividere le cellule in due tipologie: procariotica e eucariotica. La prima e fondamentale differenza è il nucleo, presente nelle cellule eucariotiche (dal greco eucarion vero nucleo) e assente nelle cellule procariotiche (dal greco procarion prima del nucleo). La seconda differenziazione è l'allocazione del DNA, mentre le cellule eucariotiche sono dotate di un involucro nucleare che separa il DNA dal resto della cellula, le cellule procariotiche hanno il DNA libero nel citoplasma in una regione definita nucleoide. La molecola di DNA contenuta nelle cellule procariotiche è solitamente di forma circolare e di dimensioni molto ridotte rispetto agli eucarioti. Le cellule eucariotiche presentano più molecole di DNA non circolare, organizzate in cromosomi. La quantità di DNA nelle cellule eucariotiche infatti è superiore di diversi ordini di grandezza. La cellula eucariotica ha normalmente dimensioni dell'ordine di decine di micrometri, mentre una cellula procariotica ha dimensioni che variano nell'ordine di pochi micrometri. Sia la cellula procariotica sia la cellula eucariotica sono delimitate da una membrana formata da un doppio strato di fosfolipidi, la cellulare procariotica si differenzia però dall'avere un'ulteriore membrana costituita principalmente da peptidoglicano che conferisce alla cellula rigidità e forma; inoltre alcune cellule procatioriche hanno un'altra membrana esterna formata da lipopolisaccaridi e proteine. Altra differenza riguarda il contenuto della cellula, se le cellule eucariotiche sono dotate di organelli intracellulari rivestiti di membrana, la cellula procariotica ne è priva eccetto i mesosomi. Altra importante differenza è che le cellule eucariotiche si dividono per mitosi, un processo che coinvolge la condensazione del DNA duplicato in cromosomi e la loro separazione mediante un processo elaborato e strettamente regolato. I procarioti invece si dividono per scissione binaria: le cellule dopo aver duplicato il proprio DNA ed essersi allungate fino quasi al doppio della loro lunghezza media si dividono in due cellule figlie a seguito della formazione di un setto divisorio e una molecola di DNA rimane in ognuna delle due cellule. Sebbene esistano molte differenze tra cellule eucariotiche e procariotiche, esistono anche molte similitudini legate al fatto che le cellule eucariotiche si sono evolute da antenati procariotici. Entrambi i tipi cellulari, per esempio, hanno un linguaggio genetico identico, vie metaboliche comuni ed alcune caratteristiche strutturali comuni. Membrana plasmatica: Ogni cellula è delimitata da una membrana che svolge 2 funzioni fondamentali: isola fisicamente la cellula; permette lo scambio di sostanze, energia e informazioni con l'esterno. La membrana plasmatica è costituita principalmente da un doppio strato di fosfolipidi che hanno una testa idrofila (gruppo fosfato) e la coda idrofoba (catene di acidi grassi). Oltre ai fosfolipidi nella membrana sono presenti anche colesterolo (che ha funzione strutturale e da flessibilità e stabilità e ne mantiene la fluidità) e proteine che hanno anch'esse funzione strutturale ma funzionano soprattutto da recettori di segnali extracellulari, enzimi, rcettori per il riconoscimento tra cellule, proteine di trasporto. Le proteine di membrana e le loro interazioni: le proteine di membrana hanno

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funzione strutturale, ma soprattutto funzione di trasporto. Possiamo classificare tali proteine in 2 gruppi: proteine vettore e proteine canale. Le proteine vettore (trasportatori) hanno 2 conformazioni che legano il soluto si 2 lati della membrana, sono quindi dotate di parti mobili e traghettano piccole molecole da un lato all'altro della membrana cambiando forma (tra i soluti trasportati con questo sistema ci sono molecole organiche di massa modesta e ioni inorganici). Le proteine canale costituiscono un poro idrofilico attraverso il quale diffondono soluti specifici, quasi tutte le proteine canale lasciano passare solo ioni inorganici e perciò prendono il nome di canali ionici; questi ioni (dotati di carica) esercitano potenti forze elettriche muovendosi attraverso la membrana. Il tipo di trasporto può essere passivo, accoppiato, attivo. Il trasporto passivo secondo gradiente di concentrazione: una sostanza si sposta spontaneamente dalla zona in cui è maggiormenta concentrata verso la zona in cui è meno concentrata, raggiungendo così un equilibrio. Trasporto passivo secondo gradiente elettrochimico: una sostanza si sposta per equilibrare le cariche (cariche di stesso segno si respingono, cariche di segno opposto si attraggono). In breve il trasporto si dice passivo quando una molecola si sposta secondo gradiente di concentrazione o secondo gradiente elettrochimico. Il trasporto si dice accoppiato quando allo spostamento di una molecola molto favorevole (quindi trasporto passivo) gli si accoppia un'altra molecola che ha bisogno di “una spinta” per essere spostata(quindi 2 molecole alla volta), tale trasporto accoppiato può essere simporto se le due molecole vanno nella stessa direzione, anti-porto se le due molecole vanno in direzione opposta. Il trasporto attivo (ad esempio la pompa sodio-potassio) consuma energia per trasportare una molecola da un versante all'altro del doppio strato lipidico. Pompa sodio-potassio: detta anche pompa Na+/K+ ATP dipendente (Na+/K+ ATPasi). Questo tipo di pompa ionica è il più chiaro esempio di trasporto attivo primario di sostanze attraverso la membrana plasmatica. In natura la concentrazione di Na+ (ioni sodio) è maggiore all'esterno della cellula rispetto che all'interno, quindi nello spazio extracellure gli Na+ sono più abbondanti rispetto che all'interno della cellula, invece il contrario accade per i K+ (ioni potassio) ovvero la concentrazione di K+ è maggiore all'interno della cellula. La pompa Na+ K+ ha un sistema operativo ciclico:

Nel momento in cui la cellula deve ristabilire le concentrazione degli ioni sodio e degli ioni potassio contro gradiente di concentrazione effettua un trasporto di tipo attivo (quindi richiede energia che viene presa dall'ATP). Il legame di Na+ e la successiva

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fosforilazione della pompa dal lato citosolico ad opera dell'ATP inducono nella proteina un cambiamento conformazionale che trasferisce Na+ dall'altra parte della membrana e lo libera all'esterno. Il legame ad alta energia tra il fosfato e la proteina fornisce l'energia per cambiare la conformazione originale, per cui K+ passa attraverso la membrana e si libera nel citosol.

Nucleo e involucro nucleare: il nucleo è una struttura che si trova all'interno della cellula ed è sede di importanti reazioni. Il suo scopo è quello di contenere gli acidi nucleici, provvedere alla duplicazione del DNA, alla trascrizione e alla maturazione dell'RNA. Il nucleo è presente solo negli eucarioti ed è delimitato da una doppia membrana fosfolipoproteica in continuità con il RER (reticolo endoplasmatico rugoso). Nel nucleo possono essere distinti: una doppia membrana, che lo separa dal citoplasma della cellula; un materiale filamentoso, la cromatina, costituita da proteine ed acidi nucleici; i nucleoli, immersi nella sostanza nucleare.

L'involucro nucleare è composto da due membrane fosfolipoproteiche concentriche che delimitano il lume della cisterna perinucleare, tale cisterna è in continuità con il RER. La cisterna è interrotta a livello dei pori dove le due membrane si fondono. La membrana interna è rivestita sul lato interno da una fitta maglia di proteine chiamata làmina nucleare, la lamina nucleare separa la cromatina (DNA non spiralizzato) dalla membrana nucleare interna. La struttura a maglia, con cui è disposta, si interrompe in corrispondenza dei pori nucleari ed ha una forma simile in cellule dello stesso tessuto. La membrana esterna nucleare può invece presentare ribosomi perché in continuità con il reticolo rugoso. La membrana nucleare non è continua, ma presenta dei fori, detti pori nucleari, il cui scopo è quello di permettere il passaggio delle molecole dal citosol al nucleoplasma. Organizzazione del DNA (istoni e nucleosomi): gli elementi costitutivi del DNA sono 4 nucleotidi. I nucleotidi sono legati covalentemente in catene polinucleotidiche dalla cui ossatura, fatta di zucchero-fosfato, si protendono le basi azotate (A,T,C,G). Il DNA che si trova nel nucleo non è sparso ma ben organizzato in un superavvolgimento dato dall'associazione del DNA stesso con 5 proteine istoniche: l'intera struttura è detta cromatina.La catena di DNA si compone di due catene polinucleotidiche (filamenti di DNA) tenute unite da legami idrogeno tra le basi appaiate. Il nucleo cellulare ha una funzione essenziale nella trasmissione dei caratteri ereditari (meiosi, mitosi) e nel controllo del metabolismo cellulare. I due filamenti polinucleotidici del DNA sono tenuti insieme nella doppia elica da legami idrogeno tra le basi dei due filamenti opposti: A si accoppia sempre con

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T, e G con C. Questo appaiamento di basi complementari favorisce energeticamente la disposizione delle coppie di basi all'interno della doppia elica, in questa disposizione ogni coppia ha lo stesso ingombro e le due ossature zucchero-fosfato riescono a mantenere tra loro una distanza costante. I membri di ogni coppia riescono a trovare sistemazione dentro la doppia elica solo se i due filamenti sono antiparalleli, cioè se la polarità di un filamento è opposta a quella dell'altro filamento. Come conseguenza di queste rigide regole di appaiamento, ogni catena di DNA contiene una sequenza nucleotidica della catena cui si lega: questa fatto ha un'importanza fondamentale per la copiatura del DNA. Nello specifico della struttura le proteine che legano il DNA e danno forma ai cromosomi eucariotici si dividono in due classi principali: gli istoni e le proteine cromosomiche non istoniche. Gli istoni sono responsabili del primo e più importante livello di organizzazione della cromatina, il nucleosoma. Se si osserva un filmaneto di cromatina al microscopio elettronico (facendolo prima distendere parzialmente) si vede una specie di “collana di perline” dove il filo è il DNA e ogni perlina è la particella nucleosomica centrale. Il nucleosoma contiene DNA avvolto intorno a un corpo centrale proteico formato da otto molecole di istoni. Una singola particella nucleosomica consta di un complesso di otto molecole istoniche e un tratto di DNA a doppio filamento lungo 146 nucleotidi che si avvolge intorno all'ottamero istonico. Replicazione del DNA: ognuno dei 2 filamenti di DNA può fare da stampo per la sintesi dell'altro. Quindi una doppia elica di DNA reca lo stesso messaggio su entrambi i filamenti. Una molecola di DNA si duplica (o si replica) polimerizzando nuovi filamenti complementari su ciascuno dei 2 vecchi filamenti della doppia elica. Con questo procedimento replicativo, in cui si formano 2 molecole di DNA identiche dalla molecola originale, viene garantita la copiatura e la trasmissione dell'informazione genetica della cellula madre alle cellule figlie e quindi dai genitori alla prole. Quando la molecola di DNA si duplica i due filamenti dell'elica si aprono dando luogo in uno o più punti a una forcella replicativa che la forma di una Y. L'enzima DNA polimerasi, posizionato in corrispondenza della forcella, sintetizza un filamento complementare nuovo su ognuno di quelli parentali, per cui si ottengono 2 molecole a doppia elica. L'ossatura zucchero-fosfato di ogni filamento ha una sua direzione chimica (o polarità) che nella doppia elica i due filamenti di DNA decorrono con polarità opposte. Quindi, di conseguenza alla forcella replicativa Y un filamento viene sintetizzato su uno stampo che va in un certo verso (da 3' a 5'), mentre l'altro filamento si forma su uno stampo che va in verso opposto (da 5' a 3'), dunque la forcella è asimmetrica (non simmetrica). Tuttavia la DNA polimerasi è capace di catalizzare l'allungamento di una catena di DNA solo in una direzione: aggiunge nucleotidi solo all'estremità 3'. Ci vorrebbe un'altra polimerasi capace di lavorare aggiungendo subunità all'estremità 5', ma questo enzima non esiste; il problema viene risolto con una manovra “a punto indietro”. Il filamento di DNA che deve allungarsi all'estremità 5' viene in modo discontinuo (brevi frammenti successivi), tali frammenti, detti frammenti di Okazaki, vengono successivamente ricuciti formando un nuovo filamento continuo. Il filamento sintetizzato in modo discontinuo viene chiamato filamento lento (lagging), quello che cresce senza interruzioni filamento guida (leading). Trascrizione: si tratta del trasferimento dell'informazione genetica dal DNA all'RNA. Nel caso in cui il DNA codifichi una proteina, la trascrizione è l'inizio del processo che porta, attraverso la produzione intermedia di un mRNA (messaggero), alla sintesi di peptidi o proteine funzionali. Come per la replicazione del DNA, la trascrizione procede in direzione 5' → 3'; quindi il filamento lungo il quale il DNA viene scandito, detto filamento stampo, è percorso dall'enzima in direzione 3' → 5'. Il nuovo filamento di RNA, identico al filamento senso viene sintetizzato a partire dal suo 5'. La trascrizione può essere suddivisa in 3 distinti stadi: inizio, allungamento e terminazione. Il primo stadio che da inizio alla trascrizione, richiede un promotore, ovvero una speciale sequenza di DNA alla quale si lega la RNA polimerasi; i promotori indicano all'RNA polimerasi: da dove far partire la trascrizione, quale filamento del DNA trascrivere e in quale direzione procedere (funzionano come una sorta di punteggiatura). Dopo che l'RNA polimerasi si è legata al promotore, inizia il processo di allungamento: la RNA

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polimerasi apre il DNA e legge il filamento di stampo (in direzione 3'-5'). Come la DNA polimerasi, anche l'RNA polimerasi aggiunge nuovi nucleotidi all'estremità 3' del filamento in crescita. Il nuovo RNA si allunga verso l'estremità 3' partendo dalla prima base che costituisce l'estremità 5'. Di conseguenza l'RNA trascritto è antiparallelo al filamento di stampo del DNA. Terminazione: analogamente al sito di inizio che precisa il punto di partenza di trascrizione, sul filamento stampo del DNA ci sono particolari sequenze di basi che ne stabiliscono la terminazione. Traduzione: La cellula produce tanti tipi di RNA funzionalmente diversi, tra cui l'RNA messaggero (mRNA) che trasporta le istruzioni per la sintesi delle proteine, l'RNA ribosomico (rRNA) che costituisce parte integrante dei ribosomi, e l'RNA transfer (tRNA) che funziona da adattatore molecolare nella sintesi proteica. Nel DNA eucariotico quasi tutti i geni sono suddivisi in un certo numero di regioni codificanti di piccole dimensioni (esoni) intervallate da regioni non codificanti (introni). Quando un gene eucariotico viene trascritto dal DNA in RNA, si a gli esoni che gli introni vengono copiati. Gli introni vengono rimossi dal trascritto primario di RNA nel nucleo, attraverso un processo di maturazione che comporta tagli e saldature (splicing). In una reazione catalizzata da piccolo complessi ribonucleoproteici noti come suRNP, gli introni vengono escissi dal trascritto primario e gli esoni uniti tra loro. Gli mRNA eucariotici subiscono parecchie altre trasformazioni prima di lasciare il nucleo, tra cui l'apposizione del cappuccio e la poliadenilazione. Questi processi, come pure lo splicing, avvengono durante la trascrizione cui sono strettamente associati. Quindi l'mRNA maturo si trasferisce nel citoplasma. La traduzione della sequenza nucleotidica dell'mRNA in proteine si svolge nel citoplasma su voluminosi aggregati ribonucleoproteici chiamati ribosomi. Essi si attaccano all'mRNA e si muovono passo passo lungo il suo filamento, traducendone il messaggio in proteina. La sequenza nucleotidica dell'mRNA viene letta a gruppidi 3 nucleotidi (ogni terzetto un codone) e ogni codone corrisponde a un amminoacido. La corrispondenza tra amminoacidi e codoni è specificata dal codice genetico. Le combinazioni possibili dei 4 diversi nucleotidi dell'RNA danno i 64 codoni del codice genetico. La maggior parte degli amminoacidi è codificata da più di un codone. Sintesi proteica: ha inizio con la trascrizione cioè la produzione di una molecola di mRNA a partire da una molecola di DNA. L'mRNA viene sintetizzato grazie all'azione dell'enzima RNA polimerasi, nel successivo processo di traduzione l'informazione dell'mRNA viene trasformata in una sequenza di amminoacidi, cioè una catena polipeptidica. La traduzione di sequenze di nucleotidi dell' RNA in catene polipetidiche avviene attraverso il codice genetico. Il processo di traduzione avviene nei ribosomi. Il filamento di mRNA che si lega al ribosoma contiene le inidicazioni sulla sequenza di amminoacidi necessarie per costruire un particolare polipeptide. Il compito di accoppiare le basi di mRNA con gli amminoacidi corrispondenti è svolto dal tRNA che legge le basi dell'RNA messaggero a 3 a 3 cioè in triplette. I principali protagonisti del processo di traduzione sono: mRna, tRNA, amminoacidi, ribosomi. L'mRNA ha il compito di trasportare l'informazione genetica dal nucleo della cellula al citoplasma, l'mRNA è costituito da una tripletta di basi dette codoni che codificano per un particolare amminoacido o che costituiscono il segnale di inizio o di fine di una catena polipeptidica. Ogni porzione di mRNA che corrisponde a un gene presenta un codone di inizio, una parte codificante il polipeptide e un codone di stop. Le molecole di tRNA hanno il compito di interpretare il messaggio genetico traducendo i codoni di 3 basi dell'mRNA in specifici amminoacidi. Esistono 45 tipi diversi di tRNA e ogni molecola di tRNA possiede un'estremità composta di 3 basi azotate (detta anticodone) attraverso cui il tRNA può accoppiarsi con il codone complementare dell'mRNA, dalla parte opposta si lega al tRNA l'amminoacido corrispondente grazie all'intervento di specifici enzimi e all'utilizzo di energia contenuto nell'ATP. Gli amminoacidi sono gli elementi costitutivi delle proteine. Esistono 20 tipi di amminoacidi diversi, ogni polipeptide è caratterizzato da una determinata sequenza di amminoacidi che a sua volta è determinata dalla sequenza di triplette di basi contenuta nell'mRNA. I ribosomi infine sono gli organuli coinvolti nella sintesi proteica, la funzione del ribosoma è quella di facilitare l'accoppiamento tra codoni di mRNA e i rispettivi anticodoni di tRNA e di legare gli amminoacidi nella sequenza determinata

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dall'informazione genetica. Ogni ribosoma è costituito da rRNA (RNA ribosomiale) e proteine, è composto da 2 parti: una subunità maggiore e una subunità minore che differiscono per massa, tali subunità si uniscono solo quando il ribosoma si associa con una molecola di mRNA e inizia la traduzione. Il sito di legame per l'mRNA si trova nella subunità minore, nella subunità maggiore sono presenti 2 siti dove le molecole di tRNA possono legarsi all'mRNA il sito 'P' e il sito 'A'. Il sito P sorregge il tRNA che trasporta la catena polipeptidica in allungamento, mentre il sito 'A' accoglie il tRNA con l'amminoacido da aggiungere in coda alla catena. La traduzione avviene in 3 fasi: inizio, allungamento e terminazione. Nella fase di inizio una molecola di mRNA si lega a una subunità ribosomiale minore, dal citoplasma viene chiamato un tRNA con un anticodone complementare al codone dell'mRNA che indica l'avvio della sintesi caratterizzato dalla sequenza AUG, questo tRNA trasporta già la metionina che rappresenta il primo amminoacido di qualsiasi sequenza polipeptidica, nel frattempo la subunità maggiore si lega ala subunità minore con la formazione del ribosoma funzionale. Il tRNA di inizio con l'amminoacido metionina occupa il sito P del ribosoma, nella fase di allungamento del polipeptide gli amminoacidi si aggiungono uno a uno. Un secondo complesso tRNA amminoacido entra nel sito A, a questo punto una parte del ribosoma dirige la formazione del legame peptidico tra l'amminoacido posizionato nel sito P e quello posizionato nel sito A, la fase procede con la liberazione del tRNA posizionato nel sito P e con lo scorrimento del ribosoma lungo la molecola di mRNA. Ne consegue che il complesso tRNA-polipeptide-informazione si sposti nel sito P, il sito A è ora libero e può accogliere un nuovo complesso tRNA-amminoacido, questo processo si ripete per centinaia di volte permettendo alla catena polipeptidica di allungarsi. La fine del processo di traduzione avviene grazie a 3 particolari triplette UAA UAG e UGA che non codificano per un amminoacido ma indicano il termine della sintesi e sono detti codoni di stop. Il polipeptide si stacca dal tRNA e si allontana dal ribosoma, i polipeptidi così prodotti subiscono una serie di trasformazioni, si stacca l'amminoacido metionina che iniziava la sintesi, si avvolgono e si ripiegano secondo strutture ben definite modificandosi e legandosi ad altri polipeptidi per formare una proteina funzionale. Processi di maturazione dell'RNA: è una serie di processi chimici che trasformano una molecola di pre-mRNA (trascritto primario) in mRNA. Le tappe della maturazione sono: capping, poliadenilazione, splicing. Capping: consiste nell'aggiunta di un cappuccio al residuo 5'terminale della catena; tale modificazione è importante per il riconoscimento e l'aggancio appropriato dell'mRNA al ribosoma. Poliadenilazione: consiste nell'aggiunta di una sequenza ricca di adenina all'estremità 3' del trascritto (mRNA) neosintetizzato. Ha 2 funzioni: proteggere gli mRNA dalla degradazione da parte di RNAasi e favorire la traduzione. Splicing: è la rimozione degli introni (sequenze non codificanti). A volte le informazioni portate dall'mRNA possono essere “montate” in modi diversi, permettendo ad un singolo gene di codificare per diverse proteine (questo processo è chiamato splicing alternativo). Espressione genica: in un organismo pluricellulare le cellule sono specializzate per svolgere funzioni diverse e la loro morfologia dipende dalla funzione che svolgono. Gli organuli primari sono tuttavia presenti in tutte le cellule (specializzazione cellulare = differenziamento). Le proprietà biologiche di ogni cellula sono determinate dalle proteine attive espresse in essa. Le proteine determinano: l'architettura della cellula, le sue attività enzimatiche, le sue interazioni con l'ambiente, molte altre proprietà fisiologiche. I differenti tipi cellulari possono esprimere geni diversi perprodurre le proteine necessarie allo svolgimento di determinati compiti. La differente espressione genica dipende dalla selettiva attivazione dei geni necessari e dalla repressione degli altri geni. La regolazione dell'espressione genica è quindi il cuore della funzione e della differenziazione cellulare. L'attivazione e la repressione di determinati geni rappresentano un equilibrio delicato per un organismo: l'espressione di n gene in un momento sbagliato o in una cellula diversa o in una quantità anomala può determinare la morte o un fenotipo alterano (es. cancro), I geni determinano le proprietà strutturali dele molecole costituenti la materia vievente.

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DNA ---trascrizione(nel nucleo)--> mRNA ----traduzione(nel ribosoma)---> proteina

-trascrizione: questa fase ha luogo nel nucleo. Durante questo processo viene sintetizzata una molecola di mRNA sulla cui sequenza nucleotidica viene trascritto il messaggio presente sul filamento di DNA che verrà poi trasferito ai ribosomi. L'operazione di copiatura è catalizzata dell'enzima RNA polimerasi

-traduzione: questa fase ha luogo nei ribosomi. Qui la sequenza dei nucleotidi nelle molecole di mRNA si traduce in una sequenza specifica di amminoacidi. Gli amminoacidi sono trasportati ai siti di crescita delle catene polipeptidiche da molecole di tRNA. L'mRNA, strutturandosi sul filamento stampo del DNA, copia fedelmente la sequenza delle basi dell'altro filamento di DNA (con Uracile al posto di Timina). L'enzima che permette la trascrizione si chiama RNApolimerasi, che usa un filamento della doppia elica come stampo per produrre RNA a singola elica.

Il DNA può essere suddiviso in 2 tipi di regioni: codificanti (geni), non codificanti (di regolazione, come promotori, enhancer...). Il promotore è la regione di DNA di un gene dove si lega la RNA polimerasi. Il controllo trascrizionale si basa su 2 componenti fondamentali: specifiche sequenze di DNA, proteine regolatrici che riconoscono e legano tali sequenze (specifiche sequenze di DNA, generalmente lunghe meno di 20 nucleotidi, servono da sito di riconoscimento e legame per specifiche proteine regolatrici). Geni tumorali: nei tessuti normali i geni contengono informazioni corrette, mentre nel tumore insorgono dei cambiamenti a livello del DNA. Alcuni geni, e di conseguenza le proteine da loro prodotte, non sono assemblati in modo correto

Profili di espressione genica nella cellula di un tessuto sono presenti tutti i geni del genoma, ma solo i geni caratteristici di quel tessuto sono attivati. Il profilo di espressione genica o pattern di espressione è l'insieme dei geni attivati in un tessuto.

Il reticolo endoplasmatico liscio e rugoso: Il reticolo endoplasmatico (RE) è un sistema di canali allineati a membrane e interconnessi tra loro, situato all'interno del citoplasma. Differenziamo il reticolo endoplasmatico liscio (REL) e il reticolo endoplasmatico rugoso (RER).

Il RER:

(ricoperto di ribosomi è la sintesi della sintesi proteica) strutturato in cisterne è costituito da una serie di

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membrane ripiegate una sull'altra. Il termine rugoso (o ruvido) si riferisce al fatto che il versante citoplasmatico di queste membrane è punteggiato di ribosomi. La funzione fondamentale del RER è legata al processo di secrezione delle proteine sintetizzate a livello dei ribosomi. L'associazione dei ribosomi alla membrana del RER consente alle proteine neosintetizzate di penetrare all'interno delle cisterne dove, prima di essere liberate nella cellula, subiscono varie trasformazioni. Il RER è particolarmente sviluppato nelle cellule a intensa sintesi proteica. Il REL: è costituito da un labirinto di canalicoli intercomunicanti, distribuiti in tutto il citoplasma, senza ribosomi adesi alle sue membrane. La funzione fondamentale del REL riguarda la sintesi dei lipidi costituenti le membrane della cellula, del colesterolo e degli ormoni steroidei. Il REL predomina essenzialmente nelle cellule della mucosa intestinale, dove interviene nel meccanismo di trasporto dei grassi, e nelle cellule delle ghiandole endocrine, dove prende parte alla sintesi degli ormoni. Esso è inoltre presente nelle cellule epatiche, dove svolge il compito aggiuntivo di detossificare sostanze altrimenti dannose per l'organismo. Un particolare tipo di REL è il reticolo sarcoplasmatico del tessuto muscolare, struttura membranosa che ha la funzione di regolare la liberazione di ioni calcio a livello delle singole fibre muscolari. Il complesso del Golgi: è formato da una serie di sacche membranose (cioè, rivestite da membrana), disposte le une sulle altre, a mo’ di pila. Queste cisterne non sono stabili, ma hanno una struttura estremamente dinamica: si rinnovano e si trasformano continuamente, man mano che arrivano le vescicole. Svolge essenzialmente 3 funzioni: maturazione delle proteine, smistamento delle proteine, sintesi di sfingomielina e glicosfingolipidi. Si distinguono 3 elementi nel Golgi: -reticolo cis: è strutturato in piccole vescicole provenienti dal reticolo endoplasmatico che in prossimità dell'apparato di Golgi si raggruppano e si fondono con esso formando una specie di reticolo. La funzione del reticolo cis è quella di fosforilare gli zuccheri delle glicoproteine destinate ai lisosomi. -sistema delle cisterne: si tratta di una serie di 4-10 cisterne schiacciate, con una faccia concava che guarda verso il nucleo (faccia cis) ed una faccia convessa che guarda verso la membrana (faccia trans). Le cisterne sono raggruppabili in 3 regioni, ciascuna con funzioni e struttura diversa: (1) regione cis che rimuove il mannosio conla monossidasi di tipo I; (2) regione mediana che rimuove il mannosio con la monossidasi di tipo II e aggiunge la N-acetilglucosamina; (3) regione trans che aggiunge il galattosio e lacido sialico. -reticolo trans: si tratta di una serie di piccole vescicole provenienti dal versante trans dell'ultima cisterna. Queste tendono a fondersi tra loro formando macrovescicole con destini diversi. La funzione del Trans Golgi Network (TGN) è quella di aggiungere solfati e glicosamminoglicani. Spostamento delle vescicole: le vescicole di trasporto (dette cargo) provenienti dal reticolo endoplasmatico e che attraversano il Golgi vengono processate attraverso 2 modalità: -progressione delle vescicole: il materiale, elaborato in una cisterna, viene incluso in microvescicole di trasporto che gemmano lateralmente dai margini della cisterna per fondersi con la cisterna immediatamente successiva. Nella progressione delle vescicole, il movimento avviene in direzione anterograda (da cis a trans). -progressione delle cisterne: in questo caso, il cargo rimane nelle cisterne (e non va nelle vescicole che gemmano lateralmente). Le cisterne, a loro volta, avanzano in direzione Cis-Trans maturando progressivamente. Anche in questo caso c'è una migrazione di vescicole che gemmano lateralmente. Il movimento, però, avviene in senso retrogrado (da trans a cis) e il contenuto delle vescicole non è il cargo ma gli enzimi, i quali, fondendosi con le cisterne a monte, scaricano i propri enzimi nella cisterna e il cargo può essere così omdificato. Questo tipo di trasporto viene solitamente utilizzato per le grandi molecole che non possono essere contenute nelle microvescicole di trasporto. Indirizzamento delle vescicole: lo spostamento delle vescicole (dal reticolo endoplasmatico al

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Golgi, all'interno del Golgi, e dopo il Golgi) avviene grazie a segnali di indirizzamento che indicano alle vescicole qual'è la loro destinazione. Questi segnali di indirizzamento possono essere di vario tipo. In particolare: COPII (una proteina che si trova sulle vescicole che lasciano il reticolo endoplasmatico per raggiungere il reticolo cis del Golgi); COP I (una proteina che è localizzata sulle vescicole che gemmano lateralmente, sia quelle del flusso anterogrado che retrogrado); Clatrina (una proteina che circonda le vescicole destinate alla secrezione regolata e/o ai lisosomi); Coatomeri (complessi proteici che rivestono le vescicole della secrezione costitutiva); v-SNARE (proteine che rivestono le vescicole che lasciano il reticolo trans del Golgi, queste proteine indicano qual'è il compartimento di destinazione, quest'ultimo presenta sulla sua superficie una proteinca complementare, t-SNARE, che riconosce ed interagisce con la v-SNARE, la coppia v-SNARE/t-SNARE è fondamentale oltre che per il riconoscimento specifico, anche per il processo di fusione delle vescicole con il compartimento di destinazione. Traffico vescicolare: il complesso sistema di membrane all'interno di una cellula è in continua comunicazione. Questi componenti cellulari si scambiano continuamente vescicle, le quali servono per il trasporto di molecole. Le molecole trasportate possono essere solubili (presenti nel lume della vescicola) o di membrana (incastonate nella membrana delle vescicole stesse). Il complesso processo di spostamento delle vescicole all'interno della cellula è detto traaffico vescicolare e coinvolge i seguenti processi: esocitosi, endocitosi, formazione dei lisosomi, traffico vescicolare del Golgi. Lo spostamento delle vescicole non avviene a caso ma grazie a segnali di indirizamento che indicano alle vescicole qual'è la loro destinazione. Tali segnali di indirizzamento possono essere di 2 tipi: di superficie (COP II, COP I, Clatrina, Coatomeri, Sistema v-SNARE t-SNARE) o interni (DEL e KXXX, Mannosio-6-fosfato). Lisosomi e Perissisomi: i lisosomi, vesciole che si formano nell'apparato del Golgi, sono essenzialmente sacchetti membranosi (delimitati da una membrana a doppio strato lipidico) che racchiudono enzimi idrolitici, in grado, nella digestione intracellulare, di tagliare in maniera specifica e controllata grosse molecole. Gli enzimi idrolitici dei lisosomi sono detti idrolasi acide e comprendono proteasi (che tagliano le proteine), nucleasi (che tagliano gli acidi nucleici), glicosidasi, lipasi ecc.. Se i lisosomi si rompono, la stessa cellula viene distrutta, poiche gli enzimi che essi contengono sono capaci di scindere tutti i composti principali presenti nella cellula. Tali enzimi si attivano a pH bassi (4,8) questione importante poiché riduce il pericolo della distruzione della cellula ospitante qualora vi sia la liberazione accidentale di tali enzimi nel citoplasma (che ha pH 7). I lisosomi contengono ognunp idrolasi diverse, che svolgono l'ampia serie di differenti funzioni digestive. Le idrolasi dei lisosomi sono sintetizzate nel reticolo endoplasmatico, come le altre proteine, e trasferite in seguito nel lume dell'apparato del Golgi. I lisosomi si formano per gemmazione (si staccano come goccioline di membrana) dalle cisterne più esterne dell'apparato del Golgi. Possiamo distinguere fra due classi generali di lisosomi: i lisosomi primari, appena formati e non ancora fusi con altre vescicole contenenti i materiali da digerire; e i lisosomi secondari, che derivano da ripetute fusioni di lisosomi con altre vescicole. In questo secondo tipo (l. secondari) sono contenuti enzimi, materiale da digerire e materiale digerito. Nella cellula si trovano altri organuli simili ai lisosomi, i perossisomi, che ne differiscono per il contenuto enzimatico. I perossisomi contengono le catalasi, enzimi specializzati per effettuare reazioni ossidative, che impiegano l'ossigeno molecolare. Il perossisoma, con il mitocondrio, è il principale sito di utilizzazione dell'ossigeno nella cellula. (Grossi perossisomi delle cellule del fegato e del rene sono importanti nel neutralizzare la tossicità di numerosa molecole, ossidandole [per esempio quasi la metà dell'alcol che beviamo viene neutralizzata nei perossisomi]). L'assemblaggio del perossisoma avviene in 3 fasi: (1) formazione della membrana; (2) inserimento proteine transmembrana; (3) inserimento proteine della matrice. Mitocondri: sono le 'centrali energetiche' della cellula; producono l'energia necessaria per molte

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funzioni cellulari, quali il movimento, il trasporto di sostanze ecc.. I mitocondri contengono gli enzimi necessari per far avvenire le reazioni chimiche che recuperano l'energia contenuta negli alimenti e la accumulano in speciali molecole di adenosintrifosfato (ATP), nelle quali si conserva concentrata e pronta all'uso. I mitocondri sono organuli generalmente a forma di bastoncello, ma possono avere anche forma granulare o filamentosa. Questi organuli sono numerosi all'interno di una cellula, ma la loro quantità può variare molto a seconda dei tessuti: ad esempio sono estremamente numerosi nelle cellule, come quelle renali o muscolari, in cui vi è un continuo e grande consumo di energia. Il mitocondrio è delimitato da due membrane a doppio strato lipidico, selettivamente permeabili. La membrana esterna è liscia; quella interna forma numerose pieghe, dette creste. Le due membrane racchiudono e definiscono due spazi: lo spazio intermembrana, che si trova tra le due membrane, e lo spazio della matrice, dove è presente del materiale omogeneo contenente enzimi, coenzimi, acqua, fosfati e altre molecole. La membrana esterna è molto più permeabile di quella interna: contiene infatti molte copie di una proteina, che nel suo spessore dà origine a grandi canali, permettendo il passaggio non selettivo di tutte le piccole molecole presenti nel citosol, le quali vanno a riempire lo spazio tra le due membrane. La membrana interna, viceversa, ha una permeabilità molto selettiva: tramite proteine di trasporto, vi passano solo le piccole molecole che devono essere metabolizzate nello spazio della matrice. La membrana interna, lungo le sue creste, contiene una serie di proteine enzimatiche che funzionano in modo sequenziale, vale a dire che il prodotto di una reazione catalizzata da un proteina servirà da substrato per l'enzima successivo. Queste sono le proteine della catena di trasporto degli elettroni, essenziali per la produzione di molecole 'ad alta energia'. Il compito dei mitocondri è quello di completare la demolizione delle molecole ingerite come fonte di energia. Infatti, nel citosolo gli zuccheri vengono demoliti con reazioni che non utilizzano osigeno, per cui la digestione è parziale e la resa in energia bassa. Nei mitocondri il metabolismo degli zuccheri (ma anche quello dei lipidi) si completa con la loro ossidazione (ciclo di Krebs). I prodotti di questa reazione vengono utilizzati dalla catena di trasporto degli elettroni per produrre molecole ad alta energia (ATP). In questo modo, l'energia immagazzinata nelle molecole di ATP è molto più alta: infatti da ogni molecola di glucosio vengono prodotte 36 molecole di ATP, mentre la glicolisi a livello del citosol ne produce soltanto 2. I mitocondri hanno un'altra importante caratteristica: sono la sola struttura della cellula, oltre al nucleo, che contiene materiale genetico (DNA). Il DNA dei mitocondri è relativamente scarso, paragonabile alla quantità che troviamo nei virus, ed è costituito da molecole circolari, organizzate in aggruppamenti distinti nella matrice del mitocondrio, ancorate alla membrana interna. Il DNA mitocondriale reca il codice genetico necessario per la sintesi di alcune proteine che si trovano esclusivamente all'interno del mitocondrio stesso e, poiché la membrana interna è impermeabile alla maggior parte delle molecole, queste proteine non vengon mai rilasciate nel citosol. Queste però non sono che una piccola parte delle proteine presenti nel mitocondrio: le restanti vengono sintetizzate nel citosol e in seguito trasferite all'organulo. Si crea un flusso unidirezionale di molecole dal citosol al mitocondrio. Non essendovi scambio di sostanze dal mitocondrio al citoplasma, l'organulo deve possedere, ed essere in grado di far funzionare, tutti i sistemi necessari per la sintesi delle proteine codificate dal proprio DNA. Al momento della duplicazione della cellula, anche i mitocondri, a differenza di altri organuli che vengono prodotti ex novo, si duplicano. La duplicazione avviene per scissione (si forma una strozatura nell'organulo, che poi si divide in due), ed è preceduta da un'accrescimento dell'organulo in grande quantità. Nel frattempo vi è la duplicazione del DNA mitocondriale, che risulterà così suddiviso nei due mitocondri generati. Gli organuli completi verranno poi ereditati dalle cellule figlie, casualmente, metà in una cellula e metà nell'altra, secondo quella che viene definita eredità non mendeliana o citoplasmatica. RESPIRAZIONE CELLULARE È un processo esotermico di ossidoriduzione, una combustione controllata, che consta di una catena di reazioni in cui i prodotti di un passaggio sono utilizzati come reagenti per il passo successivo. Glicolisi: è un processo metabolico che provoca la demolizione del glucosio fino ad acido lattico.

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La glicolisi, che si verifica anche in assenza di ossigeno, costituisce la fase anaerobia del catabolismo dei carboidrati e consiste in reazioni di fosforilazione che richiedono la partecipazione di ATP e di NAD. Nell'ambito della glicolisi avviene la sintesi di importanti metaboliti intermedi (glucosio-6-fosfato, fosfogliceraldeide, piruvato, ecc..), alcuni dei quali intervengono nel metabolismoo dei lipidi e delle proteine. Al termine del processo una molecola di glucosio è trasformata in due molecole di acido lattico con liberazione di energia, che può essere direttamente utilizzata per la produzione di lavoro (contrazione muscolare, processi di secrezione o di assorbimento attivo, ecc..), oppure immagazzinata, sotto forma di legami fosforici ad alto contenuto energetico (ATP). In presenza di ossigeno l'acido lattico viene ulteriormente metabolizzato nell'ambito del ciclo di Krebs, che costituisce invece la fase aerobia ed ossidativa del catabolismo dei carboidrati. Il glucosio e la via deputata al suo metabolismo, la glicolisi, sono utilizzati da tutti gli organismi, dai batteri all'uomo. Il glucosio è l'unica fonte energetica in grado di produrre ATP a livello extramitocondriale e tale sintesi di ATP può avvenire anche in assenza di ossigeno (metabolismo anaerobico). Il glucosio è la fonte energetica principale per il cervello, ed è indispensabile per catabolizzare efficientemente gli acidi grassi. Il fegato è l'organo deputato al mantenimento di una glicemia stabile, grazie all'azione di ormoni (insulina, glucagone, cortisolo). La glicolisi è una via rapida e può fornire energia sia in assenza sia in presenza di ossigeno. Nella glicolisi il glucosio (molecola a 6 atomi di carbonio) viene scisso in in 2 molecole a a 3 atomi di cabonio, l'acido piruvico (detto piruvato). Reazioni chimiche della glicolisi: fase endoergonica (investimento energetico) in cui l'ATP è usato per fosforilare il glucosio, fase ergonica (produzione energetica) in cui si produce NADH+H dal NAD e si formano 2 composti con legami fosforici ad alta energia che vengono poi utilizzati per la sintesi di ATP a partire da ADP. Possiamo suddividere il processo di glicolisi in 10 tappe:

1. appena entrato nella cellula il glucosio viene fosforilato tramite il trasferimento di un gruppo fosfato dall'ATP all'ossidrile legato al carbonio 6 della molecola di glucosio, si ha così la formazione di glucosio-6-fosfato (G6-P) (mediante l'esochinasi)

2. il glucosio-6-fosfato è convertito nell'isomero fruttosio-6-fosfato (F6-P) dall'enzima G6-P isomerasi: la reazione può procedere velocemente in entrambe le direzioni a seconda delle concentrazioni dei substrati

3. a spese dell'ATP avviene una seconda fosforilazione catalizzata dall'enzima fosfofruttochinasi che converte il F6-P in fruttosio 1,6-bifosfato (1,6 FBF)

4. scissione dell'1-6FBF in 2 molecole a 3 atomi di carbonio: gliceraldeide 3 fosfato (da trioso fosfato isomerasi)

5. il diidrossiaceton-fosfato viene convertito in gliceraldeide 3 fosfato (da triosofosfato isomerasi) ____da qui ogni reazione va considerata in duplicato______________

6. la gliceraldeide-3-fosfato viene convertita in acido 1,3-bifosfoglicerico; ad opera di una reazione di fosforilazione mediante gliceraldeide 3 fosfato deidrogenasi

7. trasferimento del gruppo fosfato anidridico dal 1,3-BPG all'ADP, con conseguente formazione di ATP e 3-fosfoglicerato (mediante l'enzima fosfoglicerato chinasi)

8. la riorganizzazione interna del 3-fosfoglicerato sposta il gruppo fosfato dal carbonio in posizione 3 al carbonio in posizione 2, formando 2-fosfoglicerato (in una reazione catalizzata dalla fosfogliceralmutasi)

9. una reazione di deidratazione (catalizzata dall'enolasi) porta alla formazione del fosfoenopiruvato (PEP) contenente un legame ad alta energia con il fosfato

10. trasferimento dal gruppo fosfato dal PEP all'ADP con formazione di ATP e piruvato (l'enzima responsabile è la piruvato chinasi)

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risultato: 3NADH, 2FAD, 2ATP Ciclo di Krebs: Il ciclo di Krebs consiste in una serie di reazioni in cui sono convogliati i prodotti della glicolisi, cioè della demolizione delle sostanze alimentari (zuccheri, grassi, proteine) per essere ulteriormente degradati fino ad acqua, H2O, e diossido di carbonio, CO2, rendendo così disponibile per la cellula l’energia chimica dei loro legami (sotto forma di ATP). Tali prodotti, trasformati in acido piruvico, sono immessi nel ciclo sotto forma di acetil-coenzima A (o acetil-CoA), molecola ottenuta dall’unione di un gruppo acetilico (a 2 atomi di carbonio) con il coenzima A, presente all’interno dei mitocondri. Nella prima delle nove reazioni di cui si compone il ciclo, l’acetil-CoA reagisce con l’ossalacetato, formando un composto a 6 atomi di carbonio: l’acido citrico. Questo viene ossidato nel corso delle reazioni successive formando diversi composti intermedi, fino alla riformazione della molecola di ossalacetato che “chiude” un giro del ciclo. Le ossidazioni avvengono attraverso l’azione di coenzimi, detti anche trasportatori di elettroni, che vengono ridotti, ossia assumono gli elettroni carichi di energia provenienti dalla rottura dei legami. I coenzimi coinvolti sono principalmente NAD (nicotinammide-adenin-dinucleotide) e FAD (flavin-adenin-dinucleotide) i quali, riducendosi, diventano rispettivamente NADH e FADH. Il bilancio energetico del ciclo di Krebs è di una sola molecola di ATP, essendo la maggior parte dell’energia contenuta nelle molecole dei trasportatori di elettroni, che la renderanno disponibile per la cellula dopo essere stati ossidati a opera degli enzimi della cosiddetta catena respiratoria. Reazioni chimiche del ciclo di Krebs: è la via finale dell'ossidazione di carboidrati, lipidi e proteine, che sono completamente degradati in molecole di CO2 (denominato anche: ciclo dell'acido citrico o ciclo degli acidi carbossilici). Scopo di questa via è degradare l'acetil-ScoA, intermedio comune di tutti i subastrati energetici, in 2 molecole di CO2 e contemporaneamente produrre coenzimi ridotti che serviranno per ricavare energia. Il composto di partenza e di arrivo del ciclo di Krebs è l'ossalacetato che è una molecola centrale del metabolismo.

1. Nella prima reazione , l'acetil-ScoA si condensa irreversibilmente con l'ossalacetato per formare il citrato (grazie all'azione della citrato sinteasi)

2. una volta formato, il citrato è convertito (ad opera dell'enzima aconitasi) nel suo isomero isocitrato. Quest'ultimo subisce una deidrogenazione e conseguentemente decarbossilazione trasformandosi in α-chetoglutarato. (In questa reazione sono rilasciate una molecola di CO2 e la prima delle 3 molecole di NADH+H+)

3. un'altra molecola di CO2 ed un'altra di NADH+H+ si formano con la successiva decarbossilazzazione ossidativa dell' α-chetoglutarato a succinil-ScoA (ad opera del complesso enzimatico α-chetoglutarato deidrogenasi

4. la succinato sinteasi catalizza la rottura del legame tiostere del succinil-ScoA formando succinato

5. il succinato viene ossidato (per deidrogenazione) e diventa fumarato (ad opera della succinato deidrogenasi, con la partecipazione del coenzima FAD che si riduce a FADH2)

6. il fumarato subisce un'idratazione (catalizzata dall'enzima fumarasi) trasformandosi in malato

7. infine, l'enzima malato deidrogenasi ossida il malato ad ossalacetato, con riduzione di un'altra molecola di NAD+, chiudendo così il ciclo

Per ogni molecola di acetil-ScoA che entra nel ciclo di Krebs, si formano 1 molecola di ATP, 1 di FADH2 e 3 di NADH+H+. La riossidazione di ciascuna molecola di NADH+H+ fornisce energia sufficiente per la sintesi di circa 2,5 molecole di ATP, mentre la riossidazione del FADH2 dà origine a 1,5 molecole di ATP; pertanto ogni giro del ciclo di Krebs sviluppa energia in quantità tale da consentire la fosforilazione di 10 molecole di ADP trasformandole in altrettante di ATP. Fosforilazione ossidativa: è l'ultimo passaggio della respirazione cellulare. È composta da due

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parti: catena di trasporto degli elettroni in cui gli elettroni trasportati da NADH e FADH2 vengono scambiati dalla catena enzimatica transmembrana, che provvede a sfruttare questo movimento per generare un gradiente protonico transmembrana, riducendo l'ossigeno ad acqua; sintesi di ATP tramite fosforilazione di ADP da parte dell'enzima ATP sintetasi con catalisi rotazionale che sfrutta il gradiente creato in precedenza. La catena di trasporto degli elettroni è un processo cellulare di riduzione dell'O2 ad opera di NADH e FADH2 tramite trasferimento di elettroni nei mitocondri. È la parte iniziale della fosforilazione ossidativa, ed è seguita dalla sintesi di ATP da fosforilazione di ADP.

È costituita da una serie di complessi proteici e composti liposolubili capaci di produrre un potenziale elettrochimico attraverso la membrana mitocondriale mediante la creazione di un gradiente di concentrazione di ioni H+ tra i due lati della membrana. Tale poltenziale è sfruttato per attivare i canali di trasporto presenti sulla membrana stessa e per promuovere la sintesi dell'ATP da parte dell'ATP sinteasi. La catena di trasporto degli elettroni è coinvolta nei processi della fosforilazione e della respirazione. La catena di trasporto degli elettroni è situata nella membrana interna dei mitocondri, all'interno dei quali accetta atomi di idrogeno da molecole donatrici, quali i coenzimi NADH, FADH2 e succinati, e si occupa di separare gli elettroni dai protoni liberando questi ultimi all'interno dello spazio intermembrana e trasportando gli elettroni, attraverso vari complessi, verso l'accettore finale e cioè l'ossigeno. I vari trasportatori sono disposti in maniera tale da avere potenziali di riduzione crescenti e per questo motivo gli elettroni venendo trasportati passano da uno stato energetico più alto ad uno stato energetico più basso con conseguente liberazione di energia, la quale verrà utilizzata in parte per la sintesi di ATP, ed in parte verrà dispersa come calore. Tappe della catena di trasporto degli elettroni: ogni tappa rappresenta una pompa protonica localizzata nella membrana interna del mitocondrio.

1. Da NADH a coenzima Q: il NADH viene ossidato liberando 2 elettroni e riducento la FMN a FMNH2. Quest'ultima riossidandosi trasferisce 2 elettroni al gruppo prostetico (costituti da centri Fe-S) dell'enzima NADH-coenzima Q reduttasi (o coenzima Q reduttasi o NADH deidrogenasi o complesso I). I centri Fe-S trasferiscono gli elettroni al coenzima Q trasformandolo in QH2 passando da Fe2+ a Fe3+.

Tappa alternativa: invece che ridurre l'FMN a FMNH2 si riduce il FAD a FADH2. La riduzione del

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FAD tramite ossidazione del succinato a fumarato porta alla formazione di FADH2 che viene ossidato dal centro Fe-S (che si riduce da Fe3+ a Fe2+). La successiva ossidazione del Fe riduce Q a QH2. L'enzima di questa tappa è il succinato-coenzima Q reduttasi (o complesso II). Questa pompa protonica porta 4 protoni fuori dalla matrice del mitocondrio e abbiamo un flusso di 2 elettroni per ogni NADH. Nella tappa alternativa non c'è trasporto di protoni.

2. Da QH2 a citocromo: il QH2 si ossida a Q liberando due H+ e riducendo il Fe3+ del citocromo b a Fe2+ che riossidandosi a sua volta riduce i centri Fe-S da Fe3+ a Fe 2+. La successiva ossidazione di questi centri riduce il Fe del citocromo c1 a Fe2+. Il Fe2+ del citocromo c1 riossidandosi riduce il Fe3+ del citocromo c a Fe2+. L'enzima di questa tappa è il QH2-citocromo c reduttasi (o citocromo c reduttasi o complesso III). Durante questa tappa 2 protoni vengono prelevati dalla matrice e 4 vengono liberati nel citoplasma mitocondriale.

3. Da cicromo c a O2 (ciclo Q): il Fe2+ del citocromo c viene ossidato riducendo il Fe3+ del citocromo a; quest'ultimo riossidandosi riduce il Fe3+ del citocromo a3. Il Fe2+ del citocromo a3 riduce il Cu2+ legato alla citocromo ossidasi (o citocromo c ossidasi o complesso IV) a Cu1+ che riossidandosi riduce l'O2+ a H2O consumando 2 H+ ogni O. altri 2 protoni vengono portati dalla matrice al citoplasma.

Sintesi di ATP: la sintesi di ATP utilizza l'energia liberata dal passaggio di idrogeno o di elettroni da un trasportatore all'altro lungo la catena respiratoria. Il trasferimento di elettroni che si produce nella catena respiratoria fa passare protoni (H+) attraverso la membrana interna del mitocondrio. Si crea così un gradiente elttrochimico. Il gradiente di protoni che si forma determina la forza per la sintesi dell'ATP. Gli elettroni passano spontaneamente dal NADH all'O2 attraverso i complessi respiratori. Il flusso di elettroni è accoppiato al pompaggio dei protoni verso l'esterno contro il gradiente elettrochimco. In questo modo si crea ai 2 lati della membrana un gradiente di potenziale elettrico ∆V+ e quindi un gradiente di potenziale chimico. L'energia per la sintesi dell'ATP deriva dall'uso di questa energia potenziale ottenuta annullando il gradiente con un flusso di protoni inverso. Quando gli elettroni arrivano all'ossigeno, la catena di trasporto si interrompe per una frazione di tempo necessaria affinché avvenga il riequilibrio protonico. Si annullano le differenze di potenziale e la variazione del pH e i protoni ritornano attraverso il complesso proteico (proteina canale) dell'ATP sintetasi. L'energia endoergonica (dovuta alle differenze di potenziale e di pH), forma di conservazione dell'energia metabolica, così liberata, è l'energia capace di spingere la reazione endoergonica ADP+Pi=ATP. Si avrà quindi l'ultima forma di conservazione di energia immagazzinata nei legami di 38 molecole di adenosindifosfato (ADP), tramite il legame di gruppi fosfato e la sintesi di molecole di adenosintrifosfato (ATP). La sintesi di tali molecole viene operata dall’enzima ATP sintasi, un grande complesso proteico inserito nella membrana mitocondriale interna che permette ai protoni di attraversarla in una singola direzione, secondo il processo di chemiosmosi, e l'energia liberata dal flusso di ioni secondo il gradiente di concentrazione viene usata per la sintesi dell'ATP, secondo la reazione: ADP3- + H+ + Pi ↔ ATP4- + H2O. La cellula, quando ne avrà bisogno, potrà liberare l'energia contenuta nell'ATP tramite un processo chiamato idrolisi catalizzato dall'enzima ATPasi Mg++ dipendente. Organizzazione del citoscheletro: all'interno della cellula, in genere gli organuli sono ancorati a un insieme di filamenti che ricorda un'impalcatura; questa rete è chiamata citoscheletro e consente alla cellula di mantenere o modificare la sua forma, quindi muoversi accrescersi o dividersi. Il citoscheletro è formato da 3 tipi di filamenti: i più grandi sono i microtubuli strutture cave formate da tubulina una subunità proteica che si ripete; i microfilamenti sono simili a fasci e sono molto più flessibili sono formati dalla proteina actina; il terzo tipo di filamenti (i filamenti intermedi) sono simili a corde e come gli altri sono costituiti da subunità proteiche ripetute (subunità fibrose). Altre strutture associate al citoscheletro come funzione e composizione sono i centrioli presenti in coppia nella cellula sono coinvolti nella formazione del fuso micotico durante la divisione cellulare.

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Il ciclo cellulare e la sua regolazione: il ciclo cellulare eucariotico consiste di diverse fasi distinte, tra cui la fase S, durante la quale si replica il DNA nucleare, e la fase M, durante la quale si divide il nucleo (mitosi) e in un secondo tempo il citoplasma (chitochinesi). In quasi tutte le cellule, tra la fase Me la sua successiva decorre un periodo di intervallo (fase G1), come pure tra la fase S e la fase M (fase G2). Questi intervalli danno tempo alla cellula di crescere. Il sistema di controllo del ciclo cellulare coordina una serie ordinata di eventi che attivando periodicamente i punti opportuni dell'apparato del ciclo e disattivandoli poi a tempo debito.

Il sistema di controllo dipende da un corredo di proteine chinasi, ciascuna composta di una subunità regolatrice detta ciclina e una subunità catalitica detta proteina chinasi ciclina dipendente (CdK). Il sistema di controllo dipende anche da complessi proteici come APC che provocano, a particolari stadi del ciclo, la proteolisi di regolatori specifici del ciclo marcandoli con ubiquitina. Le CdK si attivano ciclicamente sia legandosi alla ciclina, sia fosforilandosi ad alcuni amminoacidi e defesforilandosi ad altri, una volta attivate vanno a fosforilare proteine chiave della cellula. Concentrazioni di cicline salgono e scendono in momenti specifici del ciclo cellulare, agendo da temporizzatore per le sue varie fasi; l'aumento di concentrazione deriva da sintesi continuativa, mentre la caduta improvvisa deriva da proteolisi rapida, innescata da APC o da altri complessi proteici che marcano la ciclina con ubiquitina. Complessi ciclina-CdK differenti hanno il compito di innescare le diverse fasi del ciclo cellulare: M-CdK manda la cellula in mitosi, G1-CdK la accompagna in G1, G1/S-CdK ed S-CdK la guidano in fase S. Il sistema di controllo del ciclo cellulare può arrestare il ciclo in corso a livello di punti di controllo specifici per evitare che la fase successiva del ciclo possa iniziare prima che sia terminata la fase precedente e per verificre che le condizioni intra ed extra cellulari siano favorevoli. Il ciclo cellulare può essere bloccato da almeno 2 meccanismi: (1)proteine inibitrici della CdK possono bloccare l'assemblaggio o l'attività di uno o più complessi ciclina CdK, oppure (2) i componenti del sistema di contollo non vengono più

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prodotti, per esempio quando la cellula entra in G0. Negli animali il numero di cellule sta sotto il controllo combinato di programmi intracellulari e segnali extracellulari che regolano la proliferazione, la permanenza in vita e la morte delle cellule. Le cellule animali proliferano solo se stimolate da mitogeni, che attivano le vie di segnalazione intracellulari per neutralizzare i sistemi frenanti che normalmente bloccano la progressione del ciclo. Questo meccanismo assicura che una cellula si divida solo quando l'organismo ha bisogno di una cellula nuova. Perché un organismo o un organo possa crescere, le cellule che lo compongono devono sia dividersi sia aumentare di dimensioni. La crescita di ogni cellula animale è condizionata da fattori di crescita extracellulari, che stimolano la sintesi e inibiscono la degradazione delle proteine. Durante l'arco di vita di un animale sono molte le cellule normali che muoiono attivando e portando a termine un programma interno di suicidio, un processo chiamato apoptosi. La divisione cellulare: la divisione cellulare avviene durante la fase M, durante la quale prima si divide il nucleo (mitosi) poi il citoplasma (citochinesi). Il DNA si replica in fase S, prima dell'inizio della fase M; le due copie di ogni cromosoma duplicato (i cromatidi fratelli) rimangono strettamente legate tramite le coesine. La fase M inizia con le fosforilazioni innescate dalle CdK di fase M (M-CdK). La fase M comincia con la formazione di un fuso mitotico formato da microtubuli che suddivide i cromosomi figli, trasferendone un corredo ad ogni polo della cellula. Benché il centrosoma si duplichi durante l'interfase i centrosomifigli si separano solo all'inizio della fae M e si spostano ai due lati opposti del nucleo per dare origine ai 2 poli del fuso, La separazione dei centrosomi e l'assemblaggio del fuso dipendono dalle proteine motrici associate ai microtubuli. I microtubuli gemmano dai centrosomi e alcuni interagiscono con i microtubuli nati dall'altro polo, formando i microtubuli interpolari del fuso. Quando l'involucro nucleare si frammenta i microtubuli del fuso invadono l'area prima occupata dal nucleo e catturano i cromosomi replicati legandosi a complessi proteici, detti cinetocori, associati al centromero di ogni cromatido fratello. I microtubuli di ogni polo tirano in direzioni opposte ciascuno dei cromosomi replicati, finché tutti i cromosomi non si dispngono all'equatore del fuso mitotico. Separandosi improvvisamente i cromatidi fratelli cominciano ad allontanarsi tra loro, tirati dal fuso verso i poli. Anche i due poli si allontanano, seprando ulteriormente i due gruppi di cromosomi. Il movimento dei cromosomi ad opera del fuso di deve sia alla polimerizzazione e depolimerizzazione dei microtubuli sia alle proteine motrici ad essi associati. Intorno ai due gruppi di cromosomi segregati si ricostituisce l'involucro nucleare: con la formazione di due nuovi nuclei completi, la mitosi è terminata. Durante la fase M, gli organelli membranosi di maggiori dimensioni, come il reticolo endoplasmatico e l'apparato di Golgi, si riducono in tanti piccoli frammenti assicurando una equa distribuzione tra le due cellule figlie. Nelle cellule animali la divisione del citoplasma si completa per mezzo di un anello contrattile di filamenti acrinici e miosinici, che si organizza a mezza via tra i due poli del fuso e si contrae per dividere in due il citoplasma; invece nelle cellule vegetali la divisione si completa con la deposizoine di una parete cellulare nuova all'interno della cellula, che finisce per diveidere in due il citoplasma.

CICLO CELLULARE ECUARIOTICO

Fase S: replicazione DNA Fase M: si divide il nucleo (mitosi) Fase M2: si divide il citoplasma (citochinesi)

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