Biologia · Unità 5 1.75 CFU

Strutture cellulari: membrane, nucleo, mitocondri, perossisomi, via secretoria, traffico vescicolare, endocitosi, autofagia e citoscheletro.

Teoria essenziale

1. Membrane e trasporto attraverso la membrana

Le membrane biologiche sono costituite da un doppio strato fosfolipidico con proteine immerse (modello a mosaico fluido).

Componenti: fosfolipidi, colesterolo, glicolipidi, proteine (integrali e periferiche).
Glicocalice: strato di carboidrati sulla superficie esterna, importante per il riconoscimento cellulare e la protezione.
Asimmetria di membrana: i due strati hanno composizione lipidica e proteica diversa.

🚪 Trasporto attraverso la membrana:

Osmosi: movimento dell'acqua da soluzione ipotonica a ipertonica attraverso una membrana semipermeabile.
Diffusione semplice: movimento di molecole liposolubili (O₂, CO₂) attraverso il doppio strato.
Trasporto passivo: mediato da proteine canale o trasportatori (senza consumo di ATP).
Trasporto attivo: mediato da pompe ATPasi (es. Na⁺/K⁺-ATPasi) o trasportatori ABC (consumo di ATP).

Potenziale di membrana e potenziale d'azione

Potenziale di membrana: differenza di carica tra interno ed esterno della cellula (tipicamente -70 mV).
Potenziale d'azione: rapida inversione del potenziale di membrana, mediata da canali ionici voltaggio-dipendenti (Na⁺ e K⁺).

2. Smistamento delle proteine e compartimenti

Le proteine devono essere indirizzate al compartimento corretto mediante segnali di indirizzamento (sequenze segnale).

Segnale di localizzazione nucleare (NLS): sequenza ricca di lisina e arginina.
Segnale di esportazione nucleare (NES): sequenza ricca di leucine.
Segnale di localizzazione mitocondriale: sequenza anfipatica all'N-terminale.
Segnale per il reticolo endoplasmatico: sequenza N-terminale idrofobica (peptide segnale).
Segnale per i perossisomi: sequenza C-terminale (SKL).

3. Il nucleo e il trasporto nucleare

Il nucleo contiene il DNA ed è delimitato dall'involucro nucleare (due membrane).

Pori nucleari: complessi proteici (nucleoporine) che regolano il traffico tra nucleo e citoplasma.
Nucleolo: sede della sintesi dell'RNA ribosomiale (rRNA) e dell'assemblaggio dei ribosomi.
Condensati nucleari: corpi nucleari (es. speckles, PML bodies).

🧬 Trasporto nucleare:

Importine: trasportano proteine dal citoplasma al nucleo (riconoscono NLS).
Esportine: trasportano proteine e RNA dal nucleo al citoplasma (riconoscono NES).
Ran: proteina G che regola il trasporto nucleare. RanGTP nel nucleo, RanGDP nel citoplasma (RanGEF nel nucleo, RanGAP nel citoplasma).
Esempi di regolazione dell'importazione nucleare: recettore degli ormoni steroidei, NF-κB (attivato da segnali infiammatori), SREBP1 (regolazione del colesterolo).
Trasporto degli RNA: mRNA, tRNA, rRNA esportati dal nucleo al citoplasma.

4. Mitocondri: struttura, funzioni e bioenergetica

I mitocondri sono gli organelli responsabili della produzione di ATP (respirazione cellulare).

Struttura: membrana esterna, spazio intermembrana, membrana interna (con creste), matrice.
Genoma mitocondriale: DNA circolare, ereditato per via materna, codifica per 13 proteine (subunità della catena respiratoria).

⚡ Bioenergetica:

Glicolisi: nel citoplasma, produce 2 ATP e 2 NADH per molecola di glucosio.
Ciclo degli acidi tricarbossilici (Ciclo di Krebs): nella matrice mitocondriale, produce NADH, FADH₂ e GTP.
Catena di trasporto degli elettroni: sulla membrana interna, trasferisce elettroni da NADH e FADH₂ all'O₂ (accettore finale).
Sintesi di ATP: la pompa protonica genera un gradiente che guida l'ATP sintasi (chemiosmosi).
Bilancio energetico: 1 glucosio → ~30-32 ATP (glicolisi + ciclo di Krebs + catena respiratoria).

Dinamica mitocondriale

Fusione: unione di mitocondri (mediata da mitofusine, OPA1).
Fissione: divisione dei mitocondri (mediata da DRP1).

Trasporto ai mitocondri

TOM: traslocatore della membrana esterna.
TIM: traslocatore della membrana interna.
SAM: complesso per l'inserzione di proteine nella membrana esterna.
OXA: traslocatore per l'inserzione di proteine nella membrana interna.

5. Perossisomi: struttura e funzioni

I perossisomi sono organelli che contengono enzimi ossidativi e catalasi.

Funzioni: ossidazione degli acidi grassi (β-ossidazione), detossificazione (perossido di idrogeno), biosintesi dei plasmalogeni.
Trasporto ai perossisomi: mediato da sequenze segnale (PTS1: SKL, PTS2) e recettori (PEX5, PEX7).
Perossine: proteine coinvolte nella biogenesi dei perossisomi.
Patologie: sindrome di Zellweger (difetto nella biogenesi dei perossisomi).

6. Via secretoria: RE, Golgi e trasporto

La via secretoria comprende il reticolo endoplasmatico (RE), l'apparato di Golgi e le vescicole.

RE liscio: sintesi di lipidi, detossificazione, metabolismo del calcio.
RE ruvido: sintesi di proteine secrete e di membrana (ribosomi associati).
Apparato di Golgi: modificazione, smistamento e confezionamento di proteine e lipidi.

🧬 Trasporto al RE e modificazioni:

Peptide segnale: sequenza N-terminale idrofobica.
SRP (Signal Recognition Particle): riconosce il peptide segnale e blocca la traduzione.
Traslocone: canale che trasloca la proteina nel lume del RE.
Peptidasi del segnale: rimuove il peptide segnale.
Glicosilazione: aggiunta di carboidrati alle proteine (N-glicosilazione).
Calnexina e calreticulina: chaperon del RE che assistono il ripiegamento delle proteine glicosilate.
Controllo di qualità del RE: le proteine mal ripiegate vengono trattenute e degradate (ERAD).
UPR (Unfolded Protein Response): risposta allo stress del RE.
Fibrosi cistica: esempio di malattia da difetto di ripiegamento proteico (CFTR mal ripiegato).

Secrezione

Secrezione costitutiva: continua, non regolata (es. proteine della matrice extracellulare).
Secrezione regolata: stimolata da segnali (es. neurotrasmettitori, ormoni).

7. Traffico vescicolare

Le vescicole trasportano proteine e lipidi tra i compartimenti.

Formazione delle vescicole: proteine di rivestimento (COPI, COPII, clatrina).
COPI: trasporto retrogrado (Golgi → RE).
COPII: trasporto anterogrado (RE → Golgi).
Clatrina: endocitosi e trasporto da Golgi → endosomi/lisosomi.

🔬 Attracco, ormeggio e fusione:

SNARE: proteine che mediano la fusione delle vescicole (v-SNARE e t-SNARE).
RAB: proteine G che regolano l'ormeggio e la fusione.
NSF e SNAPs: coinvolti nel disassemblaggio dei complessi SNARE.
Fosfoinositidi: regolano il traffico vescicolare.

8. Endocitosi, fagocitosi e autofagia

Endocitosi: internalizzazione di materiale dalla membrana plasmatica.

Endocitosi in fase fluida: internalizzazione non specifica di liquidi.
Endocitosi mediata da recettori: specifica per ligandi (es. transferrina, LDL, EGF).
Endosomi precoci: di smistamento e riciclo.
Endosomi tardivi: maturazione in lisosomi.
Corpi multivescicolari (MVB): endosomi che contengono vescicole interne.
Lisosomi: contengono enzimi idrolitici per la digestione.
Mannosio-6-fosfato (M6P): marcatura per il trasporto ai lisosomi.
Malattie di accumulo lisosomale: difetti enzimatici (es. malattia di Tay-Sachs).
Transcitosi: trasporto attraverso la cellula (es. immunoglobuline).
Endocitosi nelle cellule polarizzate: specifica per i diversi domini della membrana.

Fagocitosi

Internalizzazione di particelle grandi (batteri, cellule morte).
Mediata da recettori (es. FcγR, recettori del complemento).
Importante per l'immunità innata.

♻️ Autofagia:

Macroautofagia: formazione di autofagosomi che fondono con i lisosomi.
Microautofagia: invaginazione della membrana lisosomale.
Autofagia mediata da chaperon molecolari (CMA): proteine con sequenza KFERQ trasportate ai lisosomi.
Mitofagia: autofagia selettiva dei mitocondri danneggiati.
Alterazioni dell'autofagia: associate a neurodegenerazione, cancro e invecchiamento.

9. Il citoscheletro

Microtubuli

Polimeri di α- e β-tubulina (eterodimeri).
Formazione, allungamento e accorciamento (instabilità dinamica).
Il GTP stabilizza i microtubuli.
Centrosoma: centro organizzatore dei microtubuli (con γTuRC).
Proteine MAP: motrici (chinesine, dineine) e non motrici (es. tau).
Ciglia e flagelli: strutture microtubulari (assonema 9+2).

Microfilamenti di actina

Polimeri di actina globulare (G-actina) → actina filamentosa (F-actina).
Il ATP regola la polimerizzazione (treadmilling).
Complesso Arp2/3: nuclea la formazione di nuovi filamenti.
Proteine accessorie: profilina, cofilina, gelsolina.
Miosine: proteine motrici che interagiscono con l'actina.
Proteine di collegamento: distrofina (muscolo), sarcomero.
Regolazione: proteine della famiglia Rho (Rho, Rac, CDC42) controllano il citoscheletro di actina.
Migrazione cellulare: es. polarizzazione e chemiotassi dei neutrofili.

🧵 Filamenti intermedi:

Polimeri di proteine filamentose (cheratine, vimentina, lamina).
Resistenza meccanica alla trazione.
Cheratine: epiteliali.
Lamina nucleare: rivestimento interno dell'involucro nucleare.
Connessioni tra citoscheletro e nucleoscheletro: collegamenti meccanici tra nucleo e citoplasma.

Esempi svolti

🧬 Esempio 1 – Trasporto nucleare
Quale proteina trasporta le proteine dal citoplasma al nucleo?
Soluzione: le importine trasportano le proteine con NLS dal citoplasma al nucleo.

🧬 Esempio 2 – Via secretoria
Quale chaperon del RE assiste il ripiegamento delle proteine glicosilate?
Soluzione: calnexina e calreticulina sono chaperon del RE che assistono il ripiegamento delle proteine glicosilate.

🧬 Esempio 3 – Citoscheletro
Quale proteina regola la polimerizzazione dell'actina?
Soluzione: il complessi Arp2/3 nuclea la formazione di nuovi filamenti di actina.

Esercizi guidati

✏️ Esercizio 1 – Quale marcatura indirizza le proteine ai lisosomi?

Soluzione: Il mannosio-6-fosfato (M6P) è la marcatura che indirizza le proteine ai lisosomi.

✏️ Esercizio 2 – Quale organello è responsabile della β-ossidazione degli acidi grassi?

Soluzione: I perossisomi (e i mitocondri) sono responsabili della β-ossidazione degli acidi grassi.

✏️ Esercizio 3 – Quale proteina regola la fissione mitocondriale?

Soluzione: DRP1 (Dynamin-related protein 1) regola la fissione mitocondriale.

Test di autovalutazione

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