BIOLOGIA CELLULARE E MOLECOLARE — Preparazione esame

1Organizzazione interna della cellula: compartimenti e organelli

La cellula eucariotica non è un semplice sacco di citoplasma, ma uno spazio organizzato in compartimenti intracellulari, ciascuno sede di specifici processi metabolici. Questa organizzazione è resa possibile dal citoscheletro, che sostiene la membrana plasmatica e permette di localizzare e mantenere nella posizione corretta ogni organulo all'interno della cellula.

Gli organelli principali che compongono questo sistema sono: reticolo endoplasmatico, apparato del Golgi, perossisomi, lisosomi, mitocondri e nucleo. Tra questi, alcuni comunicano direttamente tra loro attraverso le proprie membrane.

Reticolo endoplasmatico: struttura e funzioni

Il reticolo endoplasmatico (RE) è una rete tridimensionale di cisterne e tubuli che formano uno spazio intraluminale continuo. Non è una struttura fissa: può riarrangiarsi allungando, retraendo o ramificando i propri tubuli per svolgere funzioni diverse, e questa dinamica dipende proprio dal citoscheletro.

Dal punto di vista evolutivo, il RE deriva da una invaginazione della membrana plasmatica, motivo per cui la sua composizione molecolare ricorda quella dell'ambiente extracellulare.

Le principali funzioni del RE sono:

• contenere enzimi metabolici che catalizzano la formazione di carboidrati, degradano il glicogeno e metabolizzano tossine e farmaci (per questo le cellule epatiche, molto attive in detossificazione, hanno un RE particolarmente sviluppato rispetto, ad esempio, a una cellula cardiaca);
• fungere da sito di stoccaggio del Ca²⁺: quando arriva un segnale, il calcio viene rilasciato nel citoplasma come secondo messaggero, un meccanismo essenziale per la contrazione muscolare;
• essere responsabile della biosintesi della membrana plasmatica;
• essere sede primaria di sintesi di lipidi e carboidrati, oltre che di ormoni steroidei come il colesterolo.

Il RE può presentarsi in due forme funzionalmente distinte:

Sintesi e smistamento delle proteine

Le proteine destinate a essere secrete o inserite nella membrana plasmatica vengono sintetizzate direttamente a livello del RE rugoso dai ribosomi ad esso associati. La loro corretta struttura tridimensionale è garantita da proteine specializzate, i chaperoni molecolari, che ne forzano il ripiegamento (folding).

1. Polipeptide nascente↓→
2. si lega a una particella di riconoscimento del segnale↓→
3. il complesso aggancia un recettore sulla membrana del RE↓→
4. la sequenza segnale viene rimossa↓→
5. il polipeptide si allunga nel lume dell'RE↓→
6. il ribosoma si stacca e la proteina si ripiega

Una volta sintetizzate, le proteine raggiungono la membrana plasmatica tramite vescicole, piccole strutture che trasportano il materiale da un compartimento all'altro mediante esocitosi. Alcune di queste vescicole contengono enzimi che andranno a costituire i lisosomi.

Lo smistamento delle proteine è regolato da sequenze specifiche che funzionano da "etichette" di indirizzamento:

• Indirizzamento co-traduzionale: avviene durante la sintesi stessa e permette l'entrata della proteina nel reticolo endoplasmatico (richiede una sequenza segnale di circa 30 amminoacidi);
• Indirizzamento post-traduzionale: avviene dopo la sintesi e veicola le proteine verso organuli indipendenti dalla via secretoria, come mitocondri, perossisomi e regione nucleare;
• le proteine prive di sequenze di indirizzamento restano semplicemente nel citoplasma.

La via biosintetica-secretoria segue quindi il percorso: citosol → reticolo endoplasmatico rugoso → apparato del Golgi → superficie cellulare (tramite esocitosi o formazione di lisosomi).

Nelle cellule secretorie si distinguono due modalità di esocitosi:

• via costitutiva: non richiede alcun segnale esterno, è continua;
• via regolatoria: necessita di un segnale specifico che attiva la vescicolazione (ad esempio un fattore ormonale legato all'ansia può causare sudorazione eccessiva).

Apparato del Golgi e glicosilazione

L'apparato del Golgi è costituito da lamelle e cisterne sovrapposte, in cui si accumulano e vengono ulteriormente modificate sostanze provenienti da altre zone del citoplasma. È uno dei principali siti di sintesi di carboidrati, oltre a fungere da centro di smistamento e spedizione dei prodotti dell'RE.

Il Golgi è ricco di enzimi specifici per la glicosilazione delle proteine, una delle principali modifiche post-traduzionali. Avviene solo negli organismi eucariotici (non nei batteri) e consiste nell'aggiunta di zuccheri alla struttura proteica; non tutte le proteine la subiscono (ad esempio le proteine mitocondriali non vengono glicosilate).

Ogni residuo di zucchero aggiunto svolge funzioni specifiche e importanti:

• Targeting: indirizza la proteina verso la sede bersaglio (es. membrana cellulare);
• Folding: l'assenza dei residui zuccherini impedisce il corretto ripiegamento della proteina;
• Attività: in alcuni trasportatori di membrana la glicosilazione è cruciale per il funzionamento stesso della proteina;
• Riconoscimento: gli antigeni dei gruppi sanguigni sono in realtà glicoproteine;
• Stabilità: un certo numero di residui di zuccheri può prevenire la degradazione della proteina riducendone la velocità di turnover;
• Interazioni cellula-cellula: alcune glicoproteine di membrana partecipano alla comunicazione cellulare.

Un principio importante da ricordare è che la fusione delle membrane vescicolari conserva il proprio orientamento: ciò che si trovava rivolto verso il lume resta rivolto verso il lume anche dopo la fusione con un'altra membrana.

Lisosomi: la digestione intracellulare

I lisosomi sono piccole vescicole delimitate da una membrana a doppio strato lipidico, ricche di enzimi idrolitici attivi a un pH intorno a 5. Si formano per distacco di vescicole dal complesso del Golgi.

Il materiale di grosse dimensioni attraversa la cellula tramite due processi opposti e complementari:

Nell'endocitosi mediata da recettori gioca un ruolo chiave la clatrina: più molecole di clatrina si assemblano in una struttura curva intorno alla vescicola, distorcendo la membrana e inducendo così la formazione e la gemmazione della vescicola stessa.

I lisosomi sono inoltre responsabili dell'autofagia: quando un organello cellulare smette di funzionare correttamente, viene confinato in un compartimento lisosomiale e autodigerito dall'interno.

Perossisomi

I perossisomi sono organuli al cui interno è presente l'enzima catalasi, specializzato per effettuare reazioni ossidative che impiegano l'ossigeno molecolare — una molecola che ha un'alta capacità di alterare le strutture cellulari se non controllata. La catalasi è in grado di scomporre il perossido di idrogeno (acqua ossigenata) in acqua e ossigeno, neutralizzandone la pericolosità.

Mitocondri: struttura

I mitocondri sono la sede del metabolismo ossidativo (respirazione cellulare), cioè producono grandi quantità di energia sotto forma di ATP tagliando un gruppo fosfato. Presentano dimensioni e forme variabili (rotondeggiante o allungata) a seconda dei diversi momenti funzionali della cellula, e la loro localizzazione nel citoplasma varia in rapporto alla funzione svolta.

Un mitocondrio è organizzato in 4 compartimenti distinti, definiti da due membrane:

• membrana esterna: ha funzione di isolamento, è costituita da fosfolipidi ed è resa permeabile dalla proteina porina, che forma grossi canali acquosi attraverso il doppio strato lipidico (contenuto in fosfolipidi circa il 50%);
• membrana interna: altamente specializzata, contiene le proteine coinvolte nel trasferimento degli elettroni per la sintesi di ATP ed è ricca del fosfolipide cardiolipina, che la rende molto impermeabile agli ioni; è inoltre ricca di proteine di trasporto selettive per le molecole richieste dagli enzimi della matrice e contiene i complessi della fosforilazione ossidativa.

Le due membrane delimitano due compartimenti funzionalmente separati: lo spazio intermembrana (ad alta concentrazione di H⁺ e carica positiva) e la matrice.

La matrice mitocondriale

La matrice ha un aspetto granulare gelatinoso ed è ricca di enzimi idrosolubili e granuli che racchiudono ioni calcio e magnesio. Al suo interno si trovano:

• il complesso della piruvato deidrogenasi;
• gli enzimi del ciclo dell'acido citrico;
• gli enzimi dell'ossidazione degli acidi grassi;
• gli enzimi dell'ossidazione degli amminoacidi.

Genoma mitocondriale

I mitocondri possiedono un proprio genoma e un proprio apparato sintetico, indipendente da quello nucleare.

Il genoma mitocondriale comprende:

• i geni per gli RNA mitocondriali;
• i geni per 25 tRNA;
• i geni per una proteina della subunità ribosomiale maggiore;
• i geni per alcune subunità di proteine della membrana interna.

Il numero di mitocondri per cellula è variabile e proporzionale al fabbisogno energetico: una cellula normale ne contiene circa 1-2000, mentre una cellula uovo può arrivarne a contenere fino a 30.000.

Divisione e accrescimento dei mitocondri

Al momento della divisione cellulare, i mitocondri materni si distribuiscono equamente tra le due cellule figlie. In fase G1 del ciclo cellulare, i mitocondri si moltiplicano per scissione binaria, ripristinando il numero originario materno.

1. Il mitocondrio raddoppia la propria massa e replica il DNA↓→
2. si forma una depressione della membrana interna↓→
3. la fusione della membrana interna è seguita dall'invaginazione di quella esterna↓→
4. il processo prosegue fino alla completa divisione in due mitocondri figli

Metabolismo energetico: come la cellula ricava energia

La cellula ricava l'energia necessaria per le proprie funzioni attraverso la scomposizione degli alimenti, un processo che si articola in tre fasi successive:

1. scomposizione delle grandi molecole in subunità semplici;
2. scomposizione delle subunità semplici in Acetil-CoA, con produzione di una quantità ristretta di ATP e NADH;
3. ossidazione completa dell'Acetil-CoA, con produzione di una grande quantità di ATP.

Il metabolismo energetico si svolge quindi principalmente all'interno del mitocondrio, che per questo viene spesso definito la "centrale energetica" della cellula.

2Respirazione cellulare: bilancio e trasporto degli elettroni

La respirazione cellulare è il processo con cui la cellula completa l'ossidazione del glucosio, ricavandone molta più energia rispetto alla sola glicolisi. Per confrontare i due destini del piruvato conviene mettere a confronto le equazioni complessive.

L'ultima fase della respirazione aerobica è il trasporto degli elettroni, durante il quale le sostanze che hanno accumulato elettroni ad alta energia si ossidano cedendoli a specifici trasportatori.

I trasportatori di elettroni

I trasportatori accettano gli elettroni ceduti dalle sostanze che si ossidano durante glicolisi e ciclo di Krebs. I principali sono:

• Nicotinammide adenina dinucleotide (NAD⁺)
• Flavina adenina dinucleotide (FAD)
• Citocromi

Il meccanismo di base è sempre lo stesso: un composto ridotto A cede elettroni e si ossida, mentre un composto ossidato B li acquista e si riduce. Applicato al metabolismo energetico, questo significa che le molecole ridotte provenienti dal glucosio cedono elettroni trasformando il NAD⁺ in NADH; successivamente il NADH cede gli elettroni all'ossigeno (quando presente), che si riduce ad acqua.

Le quattro fasi e le loro sedi

La respirazione aerobica si articola in quattro tappe, ciascuna localizzata in una regione precisa del mitocondrio:

1. Glicolisi (citosol)↓→
2. Formazione dell'acetil coenzima A↓→
3. Ciclo dell'acido citrico (matrice mitocondriale)↓→
4. Trasporto degli elettroni e chemiosmosi (membrana mitocondriale interna)

Il bilancio energetico per ciascuna fase è: 2 ATP dalla glicolisi, 2 ATP dal ciclo dell'acido citrico, 32 ATP dal trasporto degli elettroni e dalla chemiosmosi, per un totale complessivo di 36 ATP circa per molecola di glucosio.

3Il ciclo di Krebs

Il ciclo dell'acido citrico (o ciclo di Krebs) rappresenta il cuore ossidativo del metabolismo: qui l'acetil-CoA, prodotto dall'ossidazione del piruvato, viene completamente demolito.

Il ciclo si compone di otto stadi successivi, a partire dalla condensazione dell'acetil-CoA (2 atomi di carbonio) con l'ossalacetato (4 atomi di carbonio) per formare il citrato (6 atomi di carbonio). Procedendo negli stadi, il numero di atomi di carbonio si riduce progressivamente, con rilascio di due molecole di CO₂, fino a rigenerare l'ossalacetato di partenza e chiudere il ciclo.

Il GTP prodotto è energeticamente equivalente all'ATP e viene convertito in esso. NADH e FADH₂ sono le molecole chiave: trasportano gli elettroni ad alta energia fino alla catena di trasporto, dove quell'energia verrà convertita in ATP.