Biomedical Engineering - Bioingegneria Cellulare

Cap1-6 + Ese1-2

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Appunti del corso BIOINGEGNERIA CELLULARE Prof.ssa Monica Soncini Anno Accademico 2021 -2022 Appunti di Giulia Polazzo Sommario Scienze della vita e scienze dell’universo ................................ ................................ ................................ ......... 5 Introduzione a lla cellula: molecole biologiche cellulari ................................ ................................ .................. 10 DNA: acido desossiribonucleico ................................ ................................ ................................ .................. 10 Replicazione e trascrizione del DNA ................................ ................................ ................................ ............ 11 Impaccamento del DNA ................................ ................................ ................................ .............................. 12 Riparazione del DNA ................................ ................................ ................................ ................................ .... 14 RNA: acido ribonucleico ................................ ................................ ................................ .............................. 14 Le proteine ................................ ................................ ................................ ................................ ................... 15 Riconoscimento molecolare ................................ ................................ ................................ ........................ 16 La struttura terziaria / nativa ................................ ................................ ................................ ....................... 18 Il processo di folding ................................ ................................ ................................ ................................ .... 19 Meccanica della membrana cellulare ................................ ................................ ................................ .............. 25 Membrana citoplasmatica ................................ ................................ ................................ ........................... 25 Modelli di membrana ................................ ................................ ................................ ................................ .. 26 Costituent i della membrana ................................ ................................ ................................ ........................ 27 Fluidità della membrana ................................ ................................ ................................ ............................. 29 Proteine di membrana ................................ ................................ ................................ ................................ . 32 Funzioni della membrana ................................ ................................ ................................ ........................... 33 Giunzione di membrana ................................ ................................ ................................ .............................. 34 Membrana dei batteri ................................ ................................ ................................ ................................ . 35 La sepsi ................................ ................................ ................................ ................................ ........................ 36 Il citoscheletro (CSK) ................................ ................................ ................................ ................................ ....... 37 Funzioni ................................ ................................ ................................ ................................ ........................ 37 Struttura ................................ ................................ ................................ ................................ ....................... 37 I microtubuli MT ................................ ................................ ................................ ................................ .............. 39 MT: Struttura ................................ ................................ ................................ ................................ ............... 39 MT: Polimerizzazione ................................ ................................ ................................ ................................ .. 43 MT: funzioni ................................ ................................ ................................ ................................ ................. 46 MT: Il centrosoma ................................ ................................ ................................ ................................ ....... 47 MT: divisione cellulare ................................ ................................ ................................ ................................ . 47 MT: Strutture portanti ciglia e flagelli ................................ ................................ ................................ ......... 49 Filamenti di actina ................................ ................................ ................................ ................................ ........... 50 Polimerizzazione ................................ ................................ ................................ ................................ ......... 50 Proteine che si legano all’actina ................................ ................................ ................................ .................. 52 Tipologie di filamenti ................................ ................................ ................................ ................................ ... 53 Struttura e organizzazione ................................ ................................ ................................ ......................... 53 Funzioni dei filamenti di actina ................................ ................................ ................................ ................... 55 Filamenti intermedi ................................ ................................ ................................ ................................ .......... 57 Struttura ................................ ................................ ................................ ................................ ....................... 57 Spectrina ................................ ................................ ................................ ................................ .......................... 61 Struttura ................................ ................................ ................................ ................................ ....................... 61 Proprietà meccaniche delle proteine CSK ................................ ................................ ................................ ...... 62 Molecole di spectrina: AFM ................................ ................................ ................................ ........................ 62 Worm -like chain model WLC ................................ ................................ ................................ ....................... 63 Modulo elastico ................................ ................................ ................................ ................................ .......... 63 Rigidezza flessionale ................................ ................................ ................................ ................................ ... 64 Lunghezza persistente ................................ ................................ ................................ ............................... 64 Mi sura della rigidezza flessionale ................................ ................................ ................................ ............... 65 Comportamento meccanico dei filamenti ................................ ................................ ................................ . 66 Fluttuazione termica ................................ ................................ ................................ ................................ ... 67 Teoria d ei biopolimeri ................................ ................................ ................................ ................................ . 67 Trappole ottiche ................................ ................................ ................................ ................................ .............. 68 Sistemi molecolari ................................ ................................ ................................ ................................ ....... 68 Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) ................................ ................................ ..................... 68 Laser Optica l Tweezers ................................ ................................ ................................ ............................... 68 Calibrazione ................................ ................................ ................................ ................................ .................. 72 Microaspirazione – ese 1 ................................ ................................ ................................ ................................ ..75 Meccanica cellulare: aspirazione con micropipette ................................ ................................ ................... 76 Leucocita ................................ ................................ ................................ ................................ ...................... 77 Eritrocita ................................ ................................ ................................ ................................ ....................... 77 Meccanica (Dinamica) molecolare – VMD – ese 2 ................................ ................................ ......................... 79 Metodi di Cutoff ................................ ................................ ................................ ................................ ........... 81 Protein data bank ................................ ................................ ................................ ................................ ......... 81 Introduzione alla cellula: molecole biologiche cellulari Lezione 2 5 Lezione 2: 16 /09 /21 Scienze della vita e scienze dell’universo Le stelle sono caratterizzata dalla presenza di atomi leggeri (H, He, etc.). S intetizzano gli elementi più pesanti durante gli ultimi stadi della loro evoluzione e li disseminano nello spazio con le esplosioni delle Supernove . Il tempo necessario perché si formino le specie atomiche necessarie per la vita basata sul carb onio (C, N, P, etc.) è quindi il tempo di un ciclo vitale di base delle stelle (diversi miliardi di anni) . ➔ Età dell’universo: 14 miliardi di anni ➔ Età della terra: 4.55 miliardi di anni La terra a causa di eruzioni vulcaniche e bombardamenti di comete ed asteroidi, rimase inospitale e inadatta alla vita per circa mezzo miliardo di anni dopo la sua nascita forme avanzate di vita si svilupparono 3.5 miliardi di anni fa . Q uesto lascia aperta una finestra di circa 500 milioni di anni (probabilmente 200 -300) pe r l’apparizione e lo sviluppo della vita sulla terra . Gli spettri relativi alle emissione dei corpi celesti rilevano che lo spazio è costellato da nuvole (polvere interstellare) dense di particelle microscopiche (complessi contenenti C, H, O, N e talvolta anche zolfo e silicio) . Questi complessi si trovano sotto forma di : • Radicali liberi estremamente reattivi • Piccole molecole Esperimenti (1950) Nel 1950 furono analizzati i corpi celesti per studiare come la radiazione luminosa, riprodotta da scariche elettriche, potesse aver influenzato l’atmosfera terrestre primordiale. Risultò che il 15% degli atomi di carbonio costituenti metano, sottoposti a scariche elettriche, si erano organizzati in diversi tipi di amminoacidi e in altri composti biologici chimicamente rilevanti. Questi composti sono il risultato di semplici reazioni chimiche → chimica dei composti del carbonio I costituenti degli organismi viventi Dai primi costituenti ad un certo punto si svilupparono strutture biomolecolari complesse. Le classi più importanti delle molecole biologiche delle cellule viventi sono: • Acidi nucleici • Proteine • Carboidrati • Lipidi Quale comparì per primo? L’attenzione si focalizzò sulle prime due classi. La struttura maggiormente indicata fu l’RNA tanto da far indicare il primo periodo evoluzionistico con il termine RNA world . Questo poté svilupparsi solo a partire da un sistema di reazioni chimiche che ne fornirono il substrato e che lo sostennero con un insieme di processi . PROTEOMETABOLISMO Sistema di reazioni chimiche che fornirono il substrato dell’RNA e che lo sostennero con un complesso di processi. Molte ipotesi furono avanzate in merito alle carat teristiche di questa fase di sviluppo. Una di queste si basa sui legami tra atomi di zolfo e atomi di carbonio dei composti acilici che insieme formano composti chiamati tioesteri . Un tioestere si forma quando un tiolo si unisce con un acido carbossilico producendo una molecola d’acqua ed un tioestere. Scienze della vita e scienze dell’universo Lezione 2 6 tiolo + acido carbossilico = acqua + tioestere R – SH + R* – COOH = H2O + R – S – CO – R* • Tiolo = R – SH → dalle eruzioni vulcaniche ricche di SH2 • Acido carbossilico = R* – COOH → da corpi celesti e meteoriti (rilevati dagli esperimenti) • Tioestere = R – S – CO – R* Il legame che si instaura all’interno del tioestere è altamente energetico e molto simile al legame fosfato presente nell’ATP, principale riserva di energia di tutti gli organismi viventi. I tioesteri possono quindi avere avuto un ruolo analogo a quello rivestito oggi dall’ATP (metabolismo cellulare) nel processo di sviluppo dell’RNA (protometabolismo) . RNA world Le prime strutture molecolari a comparire appartengono alle classi: • Acidi nucleici • Proteine PERCHE L’RNA? • Proteine, DNA e RNA sono ciascuna dipendente dalle altre due sia per la propria sintesi sia per l’esercizio della propria funzione . • Il DNA pur contenendo le informazioni necessarie per la sintesi proteica, non può svolgere nessuna funzione catalitica né tanto meno replicarsi da solo . • Le proteine, pur coinvolte attivamente nella funzione catalitica, non possono venire sintetizzate senza l’informazione contenuta nel DNA . Step principali 1. Reazioni chi miche che convertono i tioesteri in nucleotidi. 2. Formazione di molecole di RNA . 3. Replicazione ed evoluzione delle molecole di RNA (mutazioni, selezione). 4. Sintesi delle proteine per mezzo dell’RNA. 5. Le molecole di RNA che producono proteine hanno un vantaggio evolutivo , non per la loro stabilità o capacità di replicarsi, ma per il fatto stesso che partecipano a complessi proteici che promuovono la loro generazione. 6. Nasce l’esigenza di avere una molecola specifica che favorisca il trasporto di amminoacidi → spe cializzazione della molecola RNA transfer . 7. Specializzazione di alcune proteine verso i processi di catalisi enzimatica . 8. DNA , step di ulteriore affinamento del sistema di elaborazione delle informazioni. Un sistema complesso richiede di immagazzinare le inf ormazioni in molecole separate e unicamente preposte allo scopo. Scienze della vita e scienze dell’universo Lezione 2 7 Organizzazione degli organismi viventi Ogni essere umano nel suo sviluppo individuale (ontogenesi) percorre delle vicende molto simili all’evoluzione della specie (filogenesi). Ontogenesi = sviluppo dell’embrione, progressive integrazioni a partire dalle molecole per arrivare all’organismo. Il patrimonio genetico contiene ancora oggi una serie di informazioni relative alle specie precedenti, risultato di un processo che in parte ha inibito alcuni caratteri precedenti e dall’altro ha integrato nuovi aspetti. La struttura biochimica è all’origine delle funzioni delle sub -strutture biologiche e quindi di tessuti, organi, apparati e sistemi biologici complessi. Formalizzazioni matematiche ai diversi livelli di scala: • È possibile concepire e sviluppare, a partire dalla base atomica e molecolare, la descrizione di diversi fenomeni biologici che hanno luogo a scale maggiori (approccio multiscala). • Ancora per lungo tempo, la complessità dei fenomeni cellulari non consentirà a questi strumenti di affrontarne con successo la descrizione completa. Scienze della vita e scienze dell’universo Lezione 2 8 Fenomeni fisici ai diversi livelli di scala • Dimensioni → in ascissa • Tempi → in scala logaritmica • Metodi meccanici • Strumenti di indagine Scienze della vita e scienze dell’universo Lezione 2 9 Gli elementi chimici nei sistemi viventi Nell’uomo si trovano 41 specie chimiche . Le cellule e i tessuti dell’uomo sono costituiti da: NB: percentuali in peso • 99% C, H, O, N, P, S (87% sono H e O) • 1% Na, Ca, Mg, K, Cl combinate in molecole o ioni • Tracce di altri dodici elementi: Cu, F, Fe, I, etc. (oligoelementi presenti sotto forma di ioni organici). Caratteristiche dei sistemi viventi Il numero di specie viventi sulla terra: più di 10 milioni (alcuni sp ingono questa stima a 100 milioni). Le specie sono caratterizzate da due aspetti a prima vista antitetici: • Grande somiglianza dei meccanismi molecolari preposti alle funzioni essenziali della vita. • Grande diversità delle architetture dei sistemi biologic i che si sono sviluppati ed evoluti grazie alla interazione con l’ambiente. L’organismo genitore trasmette anche le più minute caratteristiche della specie. Queste sono soggette alla pressione dell’ambiente che porta le specie ad evolversi e a differenziarsi, ma le codifiche delle strutture molecolari conservano le caratteristiche di un progetto che dall’epoca del sorgere della vita sono rimaste quasi invariate. 10 Lezione 2: 17/09 /2021 Introduzione alla cellula: molecole biologiche cellulari DNA RNA PROTEINE Struttura Ribosoma Struttura terziaria Legami Produzione proteine Riconoscimento molecolare Replicazione Folding Impaccamento Costituenti cellulari: molecole biologiche Il nucleo rappresenta circa il 10% del volume dell’intera cellula. Al suo interno risiede il DNA, ben addensato. Prendendo come riferimento una cellula batterica troviamo, tra gli elementi chimici, degli ioni , fosfolipidi e macromolecole . Gli organismi viventi , per poter mantenere la loro organizzazione molecolare e strutturale, utilizzano energia libera generata da reazioni chimiche di grande complessità . L’organizzazione di una singola specie e le reazioni chimiche necessarie a mantenere l’organismo in vita sono trasmesse con il codice genetico: il codice chimico lineare della doppia elica del DNA . DNA : acido desossiribonucleico Struttura Il DNA è costitu ito da due catene lineari (double strand) accoppiate formate unicamente da 4 tipi di nucleotidi / monomeri. Nucleotide = fosfato di zucchero (gruppo fosfato + zucchero) + BASE 4 tipi di base: • adenina A 2 legami H NB : Legame H è debole! • timina T Devono potersi separare. • guanina G 3 legami H • citosina C L’avvolgimento è tale per cui ad ogni passo dell’elica si contano 10 nucleotidi , per un’estensione di 3,4 nm . In una cellula sono presenti in totale 1,6x10 9 coppie di basi . Dimensioni • Sezione = 2 nm • Lunghezza totale in una cellula = 2 m • Lunghezza di un cromosoma sfilato ~ cm Introduzione alla cellula: molecole biologiche cellulari Lezione 2 11 Legami All’interno della singola elica i legami sono molto forti → legami covalenti Tra due eliche affacciate i legami sono deboli tra le basi → legami idrog eno generati da atomi elettronegativi come ossigeno e azoto In natura non ci sono energie tali da rompere questi legami. Il numero totale di legami H è elevato, q uindi nel complesso la forza non è trascurabile; infatti, non c’è denaturazione in condizioni normali. Replicazione e trascrizione del DNA La struttura costituente il DNA deve essere aperta per la duplicazione e/o la trascrizione. Questa avviene in due differenti condizioni: 1. Il DNA può essere duplicato totalmente e origina una coppia di doppie eliche uguali tra loro . 2. Il DNA può essere trascritto solo in alcune sue parti, per ottenere la sintesi di una specifica proteina. Sintesi proteica 1. REPLICAZIONE : il DNA replica il suo contenuto informativo mediante un processo che coinvolge diversi enzimi. 2. TRASCRIZIONE : il DNA codifica per la produzione di mRNA. 3. Nelle cellule eucariote, mRNA viene processato e migra dal nucleo al citoplasma cellulare. 4. TRADUZIONE : mRNA porta il codice di informazione al ribosoma, che lo utilizza per la sintesi delle p roteine. NB: I ribosomi si possono trovare sia liberi nel citosol sia legati al reticolo endoplasmatico . Replicazione Il meccanismo vale sia per creare il filamento complementare che per generare il filamento di mRNA, cambiano solo gli enzimi che agiscono. 1. ELICASI : grossa proteina che si incunea tra le due eliche, rompendo i legami H locali. Per evitare che il filamento di DNA si ripieghi su sé stesso intervengono anche le binding proteins , proteine di legame che irrigidiscono il filamento . 2. DNA POLIMERASI : proteina che catalizza e controlla l’allungamento del filamento nuovo. Agisce in modo sequenziale sul filamento veloce /guida (3’ -5’) , mentre a frammenti in senso opposto sul filamento lento ( 5’-3’) generando i frammenti di Okasaki. 3. DNA PRIMASI / ENDONUCLEASI : genera /rimuove RNA primer, che definisce la partenza della polimerasi per generare i frammenti sul filamento lento. 4. DNA LIGASI : collega i frammenti tra loro per ottenere un filamento intero. NB : 3’-5’ filamento veloce → genera 5’ -3’ 5’-3’ filamento lento → genera 3’ -5’ Il modello di replicazione applicato è chiamato SEMICONSERVATIVO poiché le due molecole generate hanno entrambe un filamento ‘vecchio’ e un filamento ‘nuovo’. Introduzione alla cellula: molecole biologiche cellulari Lezione 2 12 Trascrizione Il DNA è costituito da due filamenti : • Filamento senso → Stessa sequenza del relativo mRNA . Codifica per una proteina. • Filamento antisenso → Sequenza opposta, fa da stampo per la trascrizione del mRNA . Non è codificante: o Cellule eucariote = regolazione dell’espressione genica o Plasmidi e virus = codificano una proteina se letti in direzione 5’ -3’, un’altra se letti in direzione 3’ -5’. L’obiettivo è contenere in un piccolo genoma una elevata quantità di informazioni. Il DNA viene letto lungo il filamento stampo (antisenso) . D urante la trascrizione il DNA è percorso (letto) in direzione 3’ -5’. L’ RNA viene prodotto in direzione 5 ’-3’ e ha sequenza identica alla sequenza del filamento senso del DNA . ➔ Solo il 3% del DNA codifica le proteine Impaccamento del DNA Durante la mitosi il DNA si trova in diver se forme, a seconda della fase di riferimento: • METAFASE : il DNA è organizzato in CROMOSOMI , l’unità di impaccamento del DNA, ovvero la struttura di maggiore addensamento • INTERFASE : le lunghe molecole che costituiscono i cromosomi sono molto meno condensate e non possono essere distinte le une dalle altre = CROMATINA Un cromosoma è costituito da: • Una coppia di telomeri più lunghi • Una coppia di telomeri più corti • Un centromero Da macro a micro: 1. Cromosoma 1,4 ������m 2. Telomero 3. Scaffold condensato = aggrovigliamento di un filo arrotolato con delle anse 7oo nm 4. Scaffold esteso = filo fatto da anse funzionali 300 nm 5. Cromatina = struttura a solenoide di nucleosomi impaccati fr a loro (6 per spira) 30 nm Introduzione alla cellula: molecole biologiche cellulari Lezione 2 13 6. Fibra di 10 nm = unità ripetitive a stretto contatto tra loro grazie all’ istone H1 Aspetto moniliforme = s truttura a filo di perle , artefatto di tecnica in cui viene eliminato l’istone H1. È costituito da nucleosomi (perle) legat i tra loro da DNA linker . 10 nm 7. Nucleosoma = costituito da un ottamero di proteine istoniche (H2a, H2b, H3, H4) attorno al quale il DNA effettua quasi due giri (sigillati dall’istone H1 che lega la porzione libera di DNA linker ). Ha una forma riconducibile a un cilindro appiattito . 6x1 0 nm Filamento di DNA → Fibra di 10 nm ~5/7 volte più compatta → Cromatina ~40 → Cromosoma ~100 volte Ruolo istone H1 L’istone H1 ha un ruolo fondamentale nell’avvolgimento a spirale, in quanto organizza i nucleosomi regolandone l’impaccamento. Il controllo avviene attraverso la FOSFORILAZIONE , che , genera ndo cariche negative , riduce l’affinità con nucleosomi adiacenti (D NA negativo). Ruolo istoni H3 e H4 Durante il passaggio da stato condensato a decondensato si verificano cambiamenti su siti specifici ( lisine e serine ) che modificano: • L’affinità di H1 per il nucleosoma • L’affinità del DNA per gli altri istoni (H3 e H4) Meccanismo dell’impaccamento La struttura a solenoide (molto rigida) non è continua, ma viene intervallata da DNA libero che crea anse mantenute da proteine di b inding ). L’impaccamento del DNA è un processo altamente dinamico. In un singolo cromosoma c i sono: • Regioni silenti strettamente impaccate → cromatina • Zone di trascrizione, liberate dell’ingombro dell’istone H1 → DNA libero Per svolgere il DNA ha luogo la reazione di ACETILAZIONE : si pone una carica negativa su una lisina per far sì che diven ti repulsiva/neutra per il filamento neg ativo di DNA. Ciò facilita l’accesso delle RNA polimerasi e dei fattori di trascrizione. Proteine non istoniche Sono tutte le proteine (non istoni) associate con il DNA nella cromatina. A pH fisiologico hanno carica negativa. Sono classificate in: • Proteine che regolano la trascrizione genica = fattori di trascrizione • Enzimi attivi nella trascrizione, replicazione, ricombinazione e riparazione del DNA • Proteine di binding che partecipano al mantenimento della struttura della cromatina dallo stato decondensato a quello condensato Duplicazione DNA e istoni Negli eucarioti la duplicazione del DNA avviene in concomitanza con la sintesi degli istoni (duplicazione istonica). La duplicazione del DNA e degli istoni è mediata da molecole differenti. Gli istoni appena sintetizzati formano nucleosomi che si associano alla doppia el ica del filamento lento (5’). Gli istoni originari rimangono associati alla doppia elica che contiene il filamento guida (3’). Come dimostrarlo? Inibisco la capacità della cellula di produrre proteine, quindi otterrò un filamento (quello veloce 3’) con gli istoni vecchi, mentre sull’altro non ce ne saranno perché non vengono prodotti e non avrò impaccamento . Introduzione alla cellula: molecole biologiche cellulari Lezione 2 14 Riparazione del DNA Nella cellula il DNA è l’unica molecola che se danneggiata può essere riparata. • Danneggiamento di un gene → mancata sint esi di una proteina = morte cellulare • Accumulo di errori nel DNA → crescita cellulare sregolata = tumori Il DNA è particolarmente suscettibile ai danni provocati da: • Ultravioletti = fotodimerizzazione che genera un dimero che collega due timine adiacenti = distorsione dell’elica, duplicazione non più possibile • Radiazioni ionizzanti • Acidi • Reagenti ossidanti • Sos tanze chimiche Meccanismo di riparazione Le molecole coinvolte nei meccanismi di riparazione s ono: • DNA polimerasi alfa e beta • Esonucleasi, elimina i nucleotidi erroneamente inseriti nella catena di DNA neosintetizzata • Ligasi Le proteine specifiche scorrono lungo l’elica alla ricerca di modificazioni: 1. Individuano le alterazioni 2. Scindono il tratto da nneggiato 3. Isolano un oligonucleotide di 12 -13 nucleotidi 4. Rimuovono l’oligonucleotide danneggiato lasciando un ssDNA (esonucleasi) 5. La DNA -polimerasi alfa ricostruisce il filamento mancante 6. La DNA -ligasi lo salda al DNA preesistente RNA : acido ribonucleico L’RNA è caratterizzato da una struttura molto simile a quella del DNA • Singola catena polimerica di lunghezza più limitata • Nucleotidi lievemente diversi o Zucchero RIBOSIO anziché desossiribosio o URACILE sostituisce timina Esistono diversi RNA specializzati per diverse funzioni: • nRNA = nuclear RNA → risultato della trascrizione dal DNA • mRNA = messenger RNA → contiene info per la sintesi di una particolare proteina • tRNA = transfer R NA → carica e trasporta uno specifico amminoacido per costruire un tratto di proteina • rRNA = ribosomal RNA → costituisce il ribosoma insieme ad altre 50 differenti proteine • altro → riconoscimento molecolare e funzione di catalisi di reazio ni Ribosoma: la fabbrica delle proteine I ribosomi si possono trovare sia liberi in soluzione sia legati al reticolo endoplasmatico. Sono costituiti 2/3 da rRNA e 1/3 da proteine. Nel ribosoma avviene il processo di traduzione dell’informazione: mRNA viene letto e una serie di reazioni chimiche legano in sequenza determinati aminoacidi → da sequenza nucleotidica a sequenza peptidica. Introduzione alla cellula: molecole biologiche cellulari Lezione 2 15 Funzionamento: 1. Segnale di START → metionina che poi viene rimossa 2. L’mRNA che fuoriesce dal nucleo viene letto dal ribosoma, che ne riconosce i codoni (gruppi di 3 nucleotidi) . 3. Gli amminoacidi sono aggiunti uno ad uno traducendo l’informazione contenuta nel DNA e trascritta nel mRNA: nel ribosoma aminoacidi legati al tRNA specifico si legano in sequenza ai codoni dell'mRNA formando coppie di basi complementari tra i codoni dell’mRNA e anticodoni del tRNA. 4. Via via che il filamento di mRNA scorre sul ribosoma, molecole di tRNA portano gli amminoacidi corrispondenti a ciascun a tripletta nucleotidica. 5. Alla fine del processo un fattore di rilascio (STOP) si lega al codone finale, terminando il processo di traduzione e rilasciando la catena peptidica. In tutto esistono 64 codoni e 64 anticodoni, ma gli aminoacidi sono 20 . Questo meccanismo di traduzione è perciò ridondante: ci sono diversi codoni che codificano per lo stesso AA. A seconda dell’ordine/presenza degli AA ottengo proteine con proprietà molto diverse. Le proteine Gli amminoacidi vengono usati per costruire proteine con un ampio spettro di caratteristiche e proprietà : • Flessibili o rigide in funzione delle sollecitazioni • Acide o basiche in funzione delle condizioni di lavoro acide o alcaline • Idrofobe o idrofile in funzione dell’interazione con l’acqua • Dimension e limitata alla percentuale di errore nel processo di sintesi : lunghezza media 300 -500 AA o Errore di inserimento di un amminoacido sbagliato lungo la catena amminoacidica → 1 ogni 2000 sostituzioni o Errore d i processo di sintesi mediante interruzione prematura prima che la proteina sia completata → 1 ogni 3000 sostituzioni Strutture proteiche di grande dimensione Le p roteine di grosse dimensioni nascono come coniugazione di più unità. • Proteine con funzioni st rutturali: attraversamento dell’ambiente cellulare, rivestimento del DNA, complessi di separazione di strutture. • Proteine con numerosi siti di legame: aumenta la forza di legame e l’affinità per una precisa struttura proteica complementare, quando si form a un legame i legami vicini sono favoriti. Nel processo evolutivo delle proteine le strutture grandi e simmetriche sono favorite rispetto a quelle piccole asimmetriche e irregolari. • Maggiore stabilità nei confronti dei processi di denaturazione : le forze intramolecolari stabilizzano la struttura interna molto di più rispetto a piccole proteine. • Maggiore rapporto tra volume occupato e superficie esterna ; ciò le rende meno soggette a danni e a degradazione da parte di enzimi. Strutture proteiche prodotte dall’unione di molte sub -unità formano complessi caratterizzati da strutture simmetriche e chiuse → massimizzazione del numero di contatti e aumento della stabilità. Introduzione alla cellula: molecole biologiche cellulari Lezione 2 16 Riconoscimento molecolare Il mondo molecolare è governato dagli effetti dell’agitazione termica e dalle interazioni tra gli atomi della stessa molecola o tra molecole diverse. Ciascuna molecola è caratterizzata dalla propria energia cinetica, proporzionale alla temperatura, che si manifesta nei moti traslatori , rotatori e vibrazionali della m olecola. Le forze che tengono insieme le molecole sono continuamente contrastate da questi movimenti e talvolta ne escono sconfitte , con conseguente dissociazione del complesso molecolare. Le proteine sono sintetizzate all’interno della cellula e vengono espulse all’esterno per diffondere fino a raggiungere il loro sito di attivazione in concorrenza con un gran numero di proteine. Una proteina viene in contatto con un gran numero di proteine ma deve distinguere con assoluta efficienza il suo obiettivo. Nella cellula ciascuna molecola deve essere costruita con un sistema di aggancio unico in modo che una data proteina si leghi al proprio complementare e non ad altri → sito specifico di interaz ione . Una proteina deve essere dotata nella zona di legame: • Di una struttura spaziale e geometrica complementare a quella del complesso ad esso affine . • Tale interfaccia deve essere caratterizzata da un’estesa superficie → diversificazione . Strategia di riconoscimento Creare interazioni deboli, che possono nascere e anche sciogliersi con facilità per lasciare nuovamente liberi i siti di legame; le interazioni deboli non richiedono interventi di enzimi . Il concorso di diverse forze molecolari tra legante e recettore è responsabile della caratteristica interazione chimica tra le strutture, che in genere avviene in tempi dell’ordine di 10 -6 secondi. Le principali forze che entrano in gioco nel fenomeno del riconoscimento sono: • Legame covalente → non coinvolto nel riconoscimento molecolare • Legame non covalente o Interazione elettrostatica o Legame idrogeno o Forze di van der Waals (o dispersione) o Interazione aromatica o Interazione idrofobica Legame covalente I legami covalenti (legami forti) si instaurano quando atomi diversi mettono in compartecipazione le proprie orbite elettroniche. Escludendo i metalli e i sali, la maggior parte dei composti sono tenuti insieme da legami di tipo covalente. Gli atomi che costituiscono le molecole biologiche come le prot eine, gli acidi nucleici, i lipidi etc. sono tenuti insieme da legami covalenti che possono essere semplici, doppi o tripli. Energia di legame: O-F da 181 zJ/bond NB: z=zepto=10 -21 C-O fino a 1785 zJ/bond Lunghezza di legame: tra 0.1 e 0.16 nm per le molecole che contengono atomi come C, H, O, N Forza di dissociazione: circa 10 nN/bond Legame non covalente I legami coinvolti nel riconoscimento molecolare sono deboli e di tipo non covalente. Sono 2 o 3 ordini di grandezza più deboli di quelli co valenti. A livello molecolare si ha la possibilità di realizzare, in un’area molto ristretta, un numero molto grande di legami non covalenti , che produce la formazione di ampie zone specifiche di associazione la cui affinità può essere dello stesso ordine di grandezza dei legami covalenti. La formazione di legami non covalenti non è limitata da elevate barriere energetiche . Introduzione alla cellula: molecole biologiche cellulari Lezione 2 17 1. Interazione Elettrostatica Avviene tra due particelle cariche o tra due dipoli e segue la legge di Coulomb: ��= 1 4������������0∙�2������1∙������2 � Nelle proteine i singoli amminoacidi (che si trovano nella forma zwitterionica) sono polimerizzati e portano alla formazione di una catena peptidica elettricamente neutra ad eccezione delle parti terminali della catena. La maggior parte degli amminoacidi che si trovano nelle proteine non sono carichi, fanno eccezione la LISINA e l’ARGININA (carica +) mentre l’ACIDO ASPARTICO e GLUTAMICO (carica -). 2. Legame Idrogeno È un’interazione elettrica che porta a formare un dipolo: un atomo di H, che è l egato covalentemente a un atomo elettronegativo, viene condiviso da un secondo atomo elettronegativo (O, N, F) . in questa condizione la parziale carica positiva dell’idrogeno viene in contatto con il doppietto elettronico di un elemento fortemente elettron egativo. I legami idrogeno si formano quando un atomo di idrogeno condivide parzialmente la sua carica con altre molecole. Questi legami sono frequenti nelle proteine (formazione di strutture secondarie) e negli acidi nucleici. Energia: 7-50 zJ Distanza: da 0.26 a 0.31 nm 3. Forza Di Van Der Waals Attrazione data dalla ridistribuzione di carica nella nuvola elettronica tra atomi vicini, che determina avvicinamento entro un certo valore di distanza. Oltre un certo valore di distanza (se troppo vici ni) si genera invece una forza repulsiva , causata dall’interazione tra le orbite elettroniche . Questa interazione riguarda tutti gli atomi; è un tipo di interazione assolutamente aspecifica . Energia: 8 zJ per piccole molecole organiche 4. Interazione Aromati ca È molto specifica, si realizza quando si è in presenza di due anelli aromatici che vengono avvicinati fino a sormontarsi. Gli anelli tendono ad appaiarsi in modo planare, si sovrappongono creando un’interazione molto stabile. Si genera così una forza a ttrattiva che contribuisce alla stabilità degli acidi nucleici insieme ai legami idrogeno tra le basi degli stessi. Energia: 40 -50 zJ 5. Interazione Idrofobica Avviene solo in presenza di molecole idrofobiche. Le sostanze idrofobiche (apolari) non sono pol arizzate elettricamente e sono incapaci di formare legami ad idrogeno. La presenza del solvente (acqua) favorisce l’unione di molecole idrofobiche , anche se queste non sono naturalmente attratte le une dalle altre . Ciò avviene perché quando due residui apolari si avvicinano l’un l’altro la superficie esposta al solvente viene ridotta. → I ripiegamenti presenti nella struttura secondaria delle proteine sono dati proprio da questo tipo di interazione. Energia: 17 zJ/nm 2 di superficie di contatto i nizialmente esposta all’acqua Introduzione alla cellula: molecole biologiche cellulari Lezione 2 18 La struttura terziaria / nativa È la disposizione spaziale delle proteine ed è il prodotto dell’interazione tra i radicali degli amminoacidi costituenti la proteina. La struttura terziaria definisce l’attività di una proteina : se una proteina viene trattata in modo da spezzare i vari legami che ne definiscono l’arrangiamento tridimensionale, essa perde non solo la sua conformazione ma anche la sua attività biologica. La struttura terziaria è fortemente legata alla SOL VATAZIONE della proteina Parti di una proteina ricche di atomi di carbonio interagiscono debolmente con l’acqua e sono responsabili della natura idrofobica di questi siti. I siti idrofobici immersi all’interno di una soluzione acquosa si uniscono formando un complesso globulare (organizzazione 3D): minimizzazione della superficie a contatto con le molecole d’acqua. Solvatazione Le catene laterali apolari che costituiscono una proteina si dispongono verso l’interno della proteina (costituiscono il core di una proteina) . Le catene polari invece si dispongono verso l’esterno e vengono solvatate dall’acqua presente nell’ambiente circostante. ➔ È quindi possibile la formazione di legami idrogeno dal lato delle catene polari (superficie esterna della proteina). La struttura spaziale di una proteina è inoltre stabilizzata dalla presenza di ponti disolfuro (cisteine), dalle interazioni idrofobiche e dalle interazioni elettrostatiche (legami ionici). Energie di legame nelle proteine – legami deboli • Forze di van der Waals 0.1 -0.2 kcal/mole • Legami a idrogeno 1-2 kcal/mole • Effetti idrofobici 1-2 kcal /mole • Forze elettrostatiche 10 kcal/mole • Legami diso lfuro 50 kcal/mole NB : La struttura terziaria è fortemente dipendente dalla presenza di legami deboli e risulta suscettibile di denaturazione e rinaturazione . Esempi La maggior parte delle proteine hanno una forma sferica , globulare, possiedono entrambe l e strutture secondarie e si organizzano a formare una struttura terziaria compatta (diffrazione dei raggi X) . Nella struttura terziaria si ritrovano combinazioni di elementi di struttura secondaria (motivi). Alcuni di questi motivi hanno un significato funzionale, altri hanno solo un ruolo strutturale. Introduzione alla cellula: molecole biologiche cellulari Lezione 2 19 Nella struttura terziaria diversi peptidi si associano a formare delle strutture. La struttura quaternaria non è molto diversa, ma è costituita da proteine (costituite da peptidi) unite tra loro. Il processo di folding Il p rocesso che porta da un peptide lineare (proteina non ripiegata) a una conformazione nativa 3D, è un processo non istantaneo, ma multistadio con formazione di stati intermedi . Gli stati intermedi sono parzialmente strutturati con caratteristiche della proteina nativa, ma non la precisa stechiometria e impaccamento. Non è un pro cesso deterministico , ma di ricerca stocastica delle conformazioni più accessibili. Lo step di ripiegamento comporta una diminuzione di energia. Questo è un percorso lento, a più step , che uno dopo l’altro permettono di avere varie riorganizzazioni . In me no di 1 minuto dopo che si è formata, la proteina si aggrega e assume la sua forma. Gap di energia abbastanza elevat o che la rende stabile. Non attiva. Introduzione alla cellula: molecole biologiche cellulari Lezione 2 20 Le prime strutture che si formano sono le eliche e le strutture secondarie, ovvero ciò che è determinato da interazioni tra AA vicini. Successivamente hanno luogo le interazioni tra intere strutture secondarie , ovvero interazioni a lungo raggio. Questo processo è regolato da proteine specifiche e non dalla proteina stessa → CHAPERONI 1. Folding chaperoni → Isolano la catena peptidica dal ci toplasma cellulare durante il processo di ripiegamento e favoriscono il processo di ripiegamento . 2. Holding chaperoni → Legano proteine misfolded trattenendole per poi trasferirle agli unfolding chaperoni . 3. Unfolding chaperoni → Riportano la proteina in conf ormazione unfolded per un nuovo folding oppure per essere disgregata dal proteasoma. Heat -schock proteins. Sono dei grossi complessi molecolari che fanno alloggiare il peptide al proprio interno; mascherano le parti idrofobiche all’interno del citosol per non fare avere alla proteina altre interazioni con altre cose all’interno del citosol, mentre la catena si sta ancora formando. La proteina man mano che esce dal ribosoma viene accolta da queste proteine . Il processo di folding e processo di sintesi sono due fasi strettamente correlate: la catena peptidica nascente può ripiegarsi ancor prima che il processo di sintesi sia completato . L a velocità media di ripiegamento di una proteina (di circa 1 secondo) è maggiore della velocità di sintesi che v aria da 4 -20 amminoacidi al secondo. Quando gli amminoacidi escono dal ribosoma si ripiegano. Per piccole sequenze questo processo coinvolge la struttura secondaria, per sequenze maggiori questo può portare alla formazione di strutture terziarie non coere nti. Proteine con più domini , in assenza del dominio corrispondente , possono presentare superfici idrofobiche all’ambiente citoplasmatico, che è notevolmente affollato di prodotti di sintesi diversi (circa 300 g di proteine/litro). Questo fatto aumenta la probabilità che si formino legami indesiderati tra complessi proteici non corrispondenti. I complessi proteici di ausilio assistono il ripiegamento favorendo il ripiegamento nella configurazione terziaria corretta. Introduzione alla cellula: molecole biologiche cellulari Lezione 2 21 Misfolding e aggregazione Qualsiasi pertu rbazione che determini l’aumento di molecole parzialmente ripiegate finisce per favorire l’aggregazione . Quando la sostituzione amminoacidica riduce la carica netta del polipeptide, ne aumenta l’idrofobicità media e il processo di aggregazione delle poche molecole non completamente “foldate” in equilibrio con quelle correttamente “foldate” è favorito. Nella maggior parte dei casi, l’aggregazione di una proteina o peptide si accompagna ad un aumento del contenuto di struttura beta. ➔ Così si formano delle fib rille amiloidi che hanno un core centrale formato da strutture beta parallele e antiparallele . Sostituzione AA → Minor carica netta → Maggior idrofobicità → Strutture beta → Fibrilla amiloide Le fibrille amiloidi sono solo un tipo di aggregato che le prote ine possono formare. Una caratteristica specifica delle fibrille amiloidi è la loro struttura altamente organizzata, stabilizzata da legami idrogeno. Per questo, una volta formati, questi aggregati possono persistere per lunghi periodi, permettendo un prog ressivo accumulo di depositi nei tessuti. Un numero crescente di dati riferiti a proteine associate a patologie da amiloide dimostrano che sono gli oligomeri che si formano inizialmente sulla via dell’aggregazione fibrillare i responsabili degli effetti to ssici a livello cellulare, non le fibrille amiloidi. Sistema di controllo del processo di folding In situazione fisiologica le proteine possono seguire varie vie: andare verso il folding corretto oppure verso ripiegamenti scorretti . Le proteine che ripiegano nel reticolo endoplasmatico devono superare un “controllo -qualità” prima di essere rilasciate. Il meccanismo di controllo di qualità si basa su una serie di reazioni di glicosilazione e deglicosilazione che permettono di riconosc ere le proteine correttamente ripiegate da quelle ripiegate erroneamente , che vengono marcate per essere sottoposte a degradazione. ➔ Il reticolo endoplasmatico possiede un ruolo cruciale di controllo della qualità del ripiegamento proteico. La cellula mett e in atto due livelli di controllo: 1. Controllo primario ubiquitina dipendente 2. Controllo secondario Introduzione alla cellula: molecole biologiche cellulari Lezione 2 22 Controllo primario Si occupa del riconoscimento di sequenze idrofobiche tramite sensori ubiquitari del folding proteico. Le proteine misfoldate /unfoldate v engono così riconosciute e trasportate nel citosol, dove il sistema di controllo ubiquitina -dipendente provvederà alla loro distruzione. La proteolisi ubiquitina -dipendente è importante sia nella regolazione dei processi cellulari che nell’eliminazione del le proteine difettose. Funzionamento: 1. L’ubiquitina (U) lega covalentemente la proteina bersaglio attraverso l'azione di alcuni enzimi specifici. Essa viene attivata, con il consumo di una molecola di ATP, attraverso la creazione di un legame tioestere ad alta energia tra l a glicina terminale dell'ubiquitina ed un residuo di cisteina presente sull'enzima E1. E1 + U + ATP → legame tioestere tra Gly(U) e Cis(E1) 2. L’ubiquitina viene trasferita su un'altra cisteina presente nel sito attivo di un enzima E2 (ne esistono diversi tipi) con una reazione di trans(tio)esterificazione. U → U – Cys (E2) 3. E2 interagisce con E3 (enzima ubiquitina -proteina ligasi) e con il substrato della proteina da marcare con ubiquitina. Esistono centinaia di enzimi E3: la loro vari abilità garantisce estrema specificità di substrato all'intero processo. 4. L’ultimo passo consiste nella generazione di una catena poliubiquitina, che segnala il substrato polipeptidico da degradare ai proteasomi. Questa catena si lega alle regioni idrofobi che della proteina. Controllo secondario È basato su fattori cellulari specifici e facilita l’esportazione di singole proteine o classi di proteine. ➔ PROTEASOMA ingloba le proteine misfoldate/intermedi legati ad ubiquitine e l e disgrega scomponendole in aminoacidi. Alterazioni nel corretto processo di folding possono causare un malfunzionamento dei sistemi viventi e generare eventi in grado di condurre a patologie. Introduzione alla cellula: molecole biologiche cellulari Lezione 2 23 Effetti del misfolding: patologie Il misfolding determina 3 diversi comportamenti che po ssono portare a patologie: 1. Specifiche mutazioni che coinvolgono proteine precursori amiloidi (APP) dalle quali si formano piccoli peptidi solubili (A -beta) → malattie neurodegenerative 2. In alcuni casi le proteine misfoldate hanno la capacità di mutare la conformazione corretta delle proteine uguali a loro, questo tipo di meccanismo è legato alla presenza di prioni → patologie prioniche 3. Anche senza che si formino aggregati tossici o fibrilli, senza prioni le proteine misfold ate funzionano male → comportamento tumorale delle cellule ALZHEIMER È una patologia molto studiata in quanto colpisce una percentuale molto alta della popolazione. Può essere familiare, quindi legata a delle mutazioni, oppure sporadica, ovvero alcuni sog getti contraggono la malattia in assenza di una mutazione. È caratterizzata da due effetti finali legati alle proteine: 1. Presenza di placche amiloidi extracellulari (fuori dai neuroni) dovute all’aggregazione di peptidi (effetto primario, che determina la malattia) 2. Aggregati intracellulari della proteina tau → la proteina tau è una proteina stabilizzatrice dei microtubuli cellulari. L’Alzheimer è l’unico disordine neurodegenerativo che è caratterizzato dall’accumulo di aggregati di proteine sia all’inter no (tau) sia all’esterno (Aβ) della cellula. 1. Effetti extracellulari: precursori amiloidi sono proteine transmembrana che vengono tagliate (misfolding) in più frammenti, tra i quali si formano dei A β-peptidi formati da 40 o 42 aminoacidi, a seconda della s ecretasi che interviene. Nei normali processi cellulari vengono normalmente formati Introduzione alla cellula: molecole biologiche cellulari Lezione 2 24 questi A β-peptidi senza causare nessuna mutazione ; p ossono esserci però degli sbilanciamenti nella loro presenza che stimolano la formazione di aggregati non più solubili → oligomeri idrofobici che hanno citotossicità intrinseca a livello neuronale legata all’interazione con la membrana. Possono portare fino all’apoptosi dei neuroni. Questi oligomeri possono anche uscire dalla cellula e formano quelle strutture filamentose a morfe che si osservano all’interno del cervello. La formazione delle fibrille si ha perché i β -peptidi si dispongono a formare queste strutture a β -core. β-peptidi → protofibrille → fibra amiloide Come risultato di tutto ciò si formano le placche extrace llulari. 2. Effetti intracellulari : all’interno dei neuroni si formano aggregati di proteina tau, che non dovrebbe legare con sé stessa ma legare i microtubuli all’interno del neurone per evitare che si disgreghino. Nel soggetto malato, a causa di un cambiam ento conformazionale , la proteina tau non si ripiega correttamente , ma forma un aggregato filamentoso con delle eliche (passo di ~80 nm ). Andando ad associarsi tra di loro, si perde la normale funzione: il microtubuli non sono più stabilizzati , si distrug gono e la membrana cellula re perde la sua tonicità. Esiste anche un tipo di patologia in cui ci sono SOLO gli aggregati intracellulari, non si manifesta l’Alzheimer ma solo la tau -patia (più rara). MALATTIE PRIONICHE Categoria di malattie infettive basa te sulla presenza di prioni , ovvero proteine. Di sicuro una parte dei prioni viene digerita dal proteasoma perché riconosciuti come proteine misfoldate, ma molte rimangono in quanto sono molto stabili , insolubili , e coinvolgono proteine sane. Sono note su diverse specie animali; sull’uomo la prima evidenza di questo tipo di malattia è stata la malattia “kuru”, legata alle pratiche di cannibalismo. Il meccanismo di infezione si basa sull’ipotesi che la proteina mal foldata funzioni da nucleo di innesco per legare le proteine sane e alterarne la conformazione: le proteine con il folding sbagliato quando entrano in contatto con quelle sane inducono un cambiamento conformazionale e le trasformano in prioni. Clinicamente queste malattie decorrono con perdita progressiva nella coordinazione dei movimenti e deterioramento intellettivo che porta inevitabilmente alla demenza. Sono patologie che colpiscono sia l’uomo che gli animali e sono caratterizzate da formazione di vacuoli nel cervello, apoptosi neurale e accumulo di una proteina prionica ripiegata in modo sbagliato (PrPSC) nel sistema nervoso centrale. L’infezione può avvenire in modo: • Endogeno , a causa di una mutazione • Esogeno , introducendo la proteina dall’esterno tramite ad esempio l’alimentazione 25 Lezione 3 : 29/09/2021 Meccanica della membrana ce llulare La CELLULA è un compartimento chiuso da una membrana, che contiene organelli e citosol (soluzione acquosa di piccole molecole). Nella regione centrale si trova il nucleo, che contiene il DNA e due strutture, i nucleoli, formate da RNA. Il nucleo è isolato dal resto dall’ envelope nucleare , ovvero una doppia membrana citoplasmatica . A l di fuori del nucleo si sviluppano il reticolo endoplasmatico rugoso (strutture membranose che contengono la maggior parte dei ribosomi) e il reticolo endoplasmatico li scio. Solo su un lato c’è l’apparato del Golgi, struttura membranosa deputata alla formazione di vescicole e alle funzioni secretorie. Poi ci sono i mitocondri con rispettive membrane e tutta una serie di vescicole. Citoplasma = citosol (solvente, acqua c ellulare) + tutti gli organelli escluso il nucleo All’interno della cellula: • Il 30% del volume totale è costituito dai componenti cellulari (citoscheletro, nucleo, ribosomi, mitocondri, apparato di Golgi, reticolo endoplasmatico, vescicole, lisosomi, etc.) • Il 70% del volume è occupato dal citosol (o plasma). NB: L’acqua -gel del citosol pervade i componenti cellulari che hanno forme complesse. Le membrane si suddividono in: • Membrana citoplasmatica → struttura altamente specializzata che controlla il trasporto di ioni e metaboliti, e il flusso di informazioni di varia natura che arriva alla e parte dalla cellula. • Membrane intracellulari → parte fondamentale degli organelli cellulari (nucleo, reticolo endoplasmatico, Golgi, mitocondri, lisosomi, vescicole, ecc.) e sedi di importanti fenomeni (conversione dell’energia e flusso di ioni e metaboliti). Membrana citoplasmatica Microscopia elettronica, ingrandimento della regione tra due cellule vicine: • La membrana sono le righe più scure (simili a binari) • Lo spazio scuro è lo spazio intercellulare • Nella cellula sotto si vede una vescicola, si vede la membrana interna • La zona grigio chiaro è il citoplasma La membrana è un doppio strato lipidico spesso ci rca 5 nm , costituito da fosfolipidi e colesterolo contenente anche proteine e glicoproteine. Meccanica della membrana cellulare Lezione 3 26 Funzioni 1. Funzione strutturale : compartimentazione e protezione → protegge al suo interno tutte le strutture e i processi; anche le membrane interne fungono da co mparto. 2. Funziona da filtro selettivo , lascia passare alcune sostanze piuttosto che altre, assicurando così l'integrità biochimica del citoplasma → regolazione del trasporto. 3. Gestisce la comunicazione tra interno ed esterno (a cavallo della membrana); sulla sua superficie avvengono reazioni enzimatiche mediate da proteine (superficie catalitica) . o Consente la recezione selettiva e la trasduzione dei segnali o Riconoscimento cellulare o Fornisce punti di anc oraggio per il citoscheletro e per gli elementi extracellulari o Forma giunzioni specializzate (gap junctions) per l’adesione cellulare e per la comunicazione o Consente il movimento degli organelli 4. Superficie catalitica → Sulla superficie avvengono reazioni e nzimatiche mediate da proteine Caratteristiche • La sua architettura consente fluidità e ordine . L e strutture che la compongono sono dinamiche e determinano un movimento fluido della membrana. • La proporzione tra i diversi tipi di lipidi e proteine varia all’interno della cellula (domini) e tra le diverse tipologie cellulari. • I lipidi e le singole prot eine di membrana hanno funzioni vitali per la cellula e/o per il dominio. • Le membrane sono organizzate in microdomini che: o Consentono alla cellula di avere regioni polarizzate o Supportano gruppi funzionali di proteine, enzimi e recettori che lavorano assiem e o Prelevano gruppi di molecole utili all’ambiente locale del comparto cellulare → trasporto Modelli di membrana 1. GARTER / GRENDEL : Scoprono che i lipidi delle membrane biologiche sono organizzati in un doppio strato: i lipidi estratti dalla membrana plasmatica dei globuli rossi (l’unica) occupavano una superficie doppia rispetto a quella dell’intera cellula. 2. DANIELLI / DAVSON : vogli ono verificare il doppio strato, non ricostruiscono mai strutture planari, formano micelle e vescicole, ma non riescono a ricreare la stessa tensione superficiale (molto bassa) della membrana citoplasmatica → aggiungono proteine e notano che la tensione si abbassa e si crea il doppio strato (quello ricercato). Propongono modello in cui sono presenti pori per il passaggio dall’interno all’esterno e la membrana è rivestita da proteine. ➔ Modello di membrana lipidica con rivestimento proteico e presenza di po ri. 3. MODELLO DI ROBERTSON : dall’osservazione su microscopie elettroniche vede che non esistono pori . Ipotizza quindi che la tipica forma osservabile dalle microscopie (railroad track) sia dovuta al legame del tetrossido di osmio (sostanza comune per EM) alle proteine e ai gruppi polari dei lipidi. ➔ Modello di unità di membrana lipidica. Dalle osservazioni delle microscopie ipotizza che la struttura della membrana fosse costituita da tre lamine , per uno spessore complessivo di circa 75 Å: • 2 strati esterni di natura proteica (configurazione beta delle proteine) • 1 strato interno di natura lipidica Meccanica della membrana cellulare Lezione 3 27 Cosa non funziona? Il modello è inconciliabile con i principi della termodinamica poiché i gruppi apolari degli amminoacidi delle prot