Trascrizione e sintesi proteica

Le proteine, ovvero composti organici costituiti da amminoacidi, vengono formate in seguito ad un processo che prende il nome di “sintesi proteica”.  Le strutture cellulari deputate a questa funzione sono i ribosomi, composti da rRNA e proteine. Ogni ribosoma è costituito da due subunità: una maggiore ed una minore; tra le due subunità scorre la catena di mRNA, che viene tradotta dando origine ad una proteina.

L’mRNA viene precedentemente sintetizzato all’interno del nucleolo.
La molecola di DNA viene aperta  per mezzo dell’enzima elicasi poi, grazie all’azione di un altro enzima, RNA polimerasi, il DNA viene trascritto in direzione 5’-3’dando origine alla catena dell’RNA messaggero. Prima di entrare nella fase della sintesi  il trascritto primario deve subire delle modificazioni strutturali, questo processo si chiama “splicing”, ovvero si tratta della maturazione del mRNA: vengono rimossi i tratti intronici (non codificanti), lasciando soltanto quelli esonici (codificanti). A questo punto la catena dell’ mRNA è pronta a dare inizio alla sintesi proteica.

Come si divide una cellula? Mitosi & Meiosi.

 Ciclo cellulare: tutto un insieme di eventi che avvengono in una cellula eucariote tra una divisione cellulare e quella successiva. Il ciclo cellulare avviene in tutte le cellule eucariote, ma ha durata diversa.

Fasi_

G₁, S, G₂, M

Si può uscire dalla fase G₁ à G₀, fase delle cellule stabili. Questo è uno staio non permanente, poi la cellula riprende il ciclo.

Però, da G₀, posso andare anche in G_TD (cellule perenni) à una volta entrate in questa fase le cellule perdono per sempre la capacità i dividersi.

▪Fase G₁.

Fase dove la cellula è metabolicamente attiva:

-          aumento del volume citoplasmatico;

-          sintesi della ciclinaG₁ che si lega alla p34 (protein-chinasi) e forma il complesso “start-chinasi”. Quando il complesso ha raggiunto la concentrazione massima entra in fase S;

-          termine fase G₁ à duplicazione dei centrioli.

▪Fase S.

Duplicazione del DNA e del centrosoma, centro organizzatore dove si formano i microtubuli non solo del citoscheletro ma anche del fuso mitotico.

▪Fase G_2.

Si effettuano delle sintesi proteiche per determinati scopi:

-          tubulina à per i microtubuli del fuso mitotico (fuso mitotico costituito da microtubuli + centrioli)

-          componenti di membrana à per formare parte delle membrane delle cellule figlie

Nella seconda metà della fase G₂ si incominciano a produrre dei fattori di induzione (induttori) per la divisione cellulare. La ciclina M si lega alla p34 formando il complesso MPF à fattore che promuove la fase mitotica. Inoltre si verificano dei cambiamenti morfologici e funzionali della membrana: struttura di bolle o fillopodi, indica che la cellula è pronta per iniziare la mitosi.

"Chimicando" in cucina!

Quante volte ci troviamo di fronte a dei fenomeni chimici studiati a scuola e non ce ne rendiamo nemmeno conto?  La cucina è un ottimo campo per testare ed apprendere qualche nozione scientifica, per esempio le proprietà colligative.  Vi sembrerà strano.. ma vedrete, è un modo semplice per imparare qualcosa in maniera alternativa :-) Come prima cosa vediamo che cosa sono le proprietà colligative.                                              

Per proprietà colligative si intendono delle proprietà di soluzioni indipendenti dalla natura del soluto, ma dal numero delle particelle disciolte.                                                                                                                                       Sono:                                                                                                                  

   ·     Abbassamento della tensione di vapore  

   ·     Innalzamento della temperatura di ebollizione

   ·     Abbassamento della temperatura di congelamento

   ·      Pressione osmotica

In questo articolo sperimenterò le prime due proprietà, ovvero l’abbassamento della tensione di vapore e l’innalzamento della temperatura di ebollizione, semplicemente cucinando, per esempio, un bel piatto di pasta!

  1.     Come prima cosa si prende una pentola capiente e la si riempie d’acqua.      

  2.    Quando l’acqua raggiunge la temperatura di 100° inizia a bollire ed a questo punto versiamo all’interno della pentola un po’ del nostro sale da cucina (NaCl). Che cosa si osserva? L’acqua non bolle più e questo perché l’aggiunta del NaCl ha portato ad un abbassamento della tensione di vapore.                                                                                    

      Era la fine dell’800 quando si arrivò alla conclusione che la tensione di vapore veniva abbassata dall’aggiunta di un soluto non volatile.

  3.    A questo punto, la nuova soluzione che si è formata bollirà ad una temperatura maggiore dei 100° di prima, e la differenza di temperatura (ΔT) rappresenta proprio l’innalzamento ebullioscopico, che possiamo calcolare attraverso la formula:

ΔT= k_b m

Dove k_b : è la costante ebullioscopica (dipende dal solvente)                                                                                   Mentre “m” indica la molalità

Dato che l’aggiunta del soluto non volatile comporta un aumento della temperatura di ebollizione, allo stesso modo la nuova soluzione congelerà ad una temperatura più bassa rispetto a quella del solvente (abbassamento crioscopico). Un esempio di questo fenomeno lo possiamo notare lungo le nostre strade di città, quando vengono cosparse di sale per impedire che si formi il ghiaccio a determinate temperature: il sale con l’acqua forma una soluzione che, come ho precedentemente spiegato, congelerà di conseguenza ad una temperatura più bassa, evitando che l’acqua si ghiacci come nella norma.

Bene, adesso, ritornando all’acqua che sta bollendo nella pentola… buttateci la pasta, preparate un bel sugo e buon appetito! ;-) 

Viaggio al centro della cellula: il nucleo

Il nucleo contiene il materiale genico ed ha il compito di trasmettere i caratteri ereditari (nella divisione cellulare) e di dirigere il metabolismo cellulare (nell’interfase).

Che forma ha? Dove si trova?

La forma del nucleo è variabile: assume la forma, nelle linee essenziali, della cellula dove è contenuto.

Il volume è variabile, in proporzione al alle dimensioni del citoplasma.

La posizione del nucleo dipende dalla cellula presa in esame: per esempio in quelle staminali si trova al centro, mentre in quelle che secernano ghiandole esocrine il nucleo è spostato al polo basale.

Adesso cerchiamo di addentrarci sempre di più dentro al nucleo… partendo dall’esterno troviamo:

-       l’involucro nucleare

-       il nucleoplasma

-       il nucleoscheletro

-       la cromatina

-       il nucleolo

▪L’involucro nucleare.

Costituito da due membrane parallele e concentriche:

1.      la membrana più esterna è in continuità con le cisterne del RER.

2.     la membrana interna, chiamata “lamina nucleare” (fa parte del citoscheletro).

Sull’involucro nucleare sono, inoltre, presenti dei pori nucleari, ossia delle interruzioni delle due membrane.

Il numero dei pori nucleari dipende dal metabolismo della cellula.

All’interno dei pori c’è del materiale denso: l’annulus.

Il poro + l’annulus costituiscono il complesso del poro.

Questo complesso è costituito da un anello citoplasmatico (adagiato alla membrana nucleare esterna) ed un anello nucleare ( adagiato alla membrana nucleare interna), ciascuno costituito da otto unità proteiche globulari periferiche connesse tramite raggi ad un’unità centrale.

Tutto ciò che entra nel poro è strettamente controllato da particolari sequenze segnale (sequenze di localizzazione nucleare o SLN) che riconoscono le proteine che devono essere trasferite nel nucleo. Queste proteine vengono poi trasportate mediante un meccanismo attivo, comportando un consumo di ATP.

Tutto quello che entra a contatto con il materiale genico esce dal nucleo à mRNA, tRNA, subunità ribosomiali.

Oltre al sistema dei pori per uscire dal nucleo si possono adottare altre vie:

-       evaginazione dell’involucro nucleare e distacco di vescicole;

-       formazione dei blebs, piccole vescicole prive di ribosomi;

-       migrazioni di vescicole che si formano nella membrana interna e si svuotano nella membrana esterna;

-       formazione di lamelle annulate (nel caso di cellule che si replicano in continuazione, come nel caso di ovociti o di cellule tumorali).

Il citoscheletro

La cellula eucariote da cosa è sostenuta? A questo compito interviene il citoscheletro, saldamente legato alla faccia interna della membrana plasmatica. Oltre alla funzione di sostegno il citoscheletro svolge diversi ruoli di motilità all’interno della cellula.

Il citoscheletro è costituito principalmente da tre tipi di filamenti:

      -      microfilamenti (assenti nei procarioti)

-          filamenti intermedi (assenti nei procarioti)

-          microtubuli

▪Microfilamenti.

Diametro: 5-7 nm

I microfilamenti, legati alla faccia interna della membrana plasmatica, sono formati da una proteina monomerica che prende il nome di actina G (actina globulare), alla quale è sempre legata una molecola di ATP. L’actina G polimerizza dando origine a lunghe catene lineari: si formano così dei polimeri e la forma polarizzata dell’actina G prende il nome di actina F.

L’actina per polimerizzarsi deve seguire tre tappe specifiche:

1.        fase di latenza: in questa fase si forma il primo dimero e l’aggancio di una terza molecola rafforza l’adesione del trimero con conseguente aumento della velocità di polimerizzazione.

2.       fase di crescita: si aggiungono altre molecole al filamento

3.       fase di equilibrio: avviene un bilanciamento della polimerizzazione attraverso un meccanismo noto come “treadmilling” o “ruota di mulino”, attraverso il quale avvengono prevalentemente fenomeni di polimerizzazione verso il “polo +” e fenomeni di depolimerizzazione nel “polo –“. In questo modo l’aggiunta e l’allontanamento di monomeri viene equilibrata.  

Meccanismo del treadmilling

                                                       

La velocità di polimerizzazione è influenzata dalla concentrazione delle molecole di actina G libere e dalla presenza di ioni Mg²⁺.

Inoltre esistono diverse proteine che sono associate all’actina:

-          la profilina e la β-timosina creano dei legami con i monomeri di actina G rallentando la reazione di polimerizzazione;

-          la brevina blocca la polimerizzazione;

-          la villina e la fimbrina raggruppano i microtubuli in fasci paralleli determinando l’asse di sostegno per i microvilli;

-          la miosina, di tipo muscolare, favorisce il movimento

I microfilamenti sono, infatti, anche importanti per la contrazione muscolare (attività contrattile inibita dalla Citocalasina B)

Il movimento può essere determinato dall’interazione dell’actina nei confronti della membrana plasmatica o mediante lo scorrimento di vescicole.

Tra i microfilamenti ricordiamo i microvilli. Questi sono delle particolari espansioni della membrana plasmatica e si trovano nei tipi cellulari dove è richiesta un’elevata superficie di scambio con l’esterno (come ad esempio in una cellula intestinale che ha il compito di assorbire le sostanze ingerite nello stomaco).

▪Filamenti intermedi.

Diametro: 8-10 nm.

I filamenti intermedi sono delle strutture proteiche che si associano tra di loro à ci sono tanti monomeri quante sono le diverse tipologie cellulari.

La funzione principale dei filamenti intermedi è quella strutturale; essi si localizzano intorno al nucleo, giungendo a contatto con la membrana plasmatica.

I filamenti intermedi (al contrario di microfilamenti e microtubuli) sono costituiti da proteine fibrose allungate.

▪Microtubuli.

Diametro: 25 nm.

I microtubuli sono strutture cilindriche costituite da 13 protofilamenti formati da dimeri di α e β tubulina. La formazione di un microtubulo può essere riassunta in tre momenti:

1. Assemblaggio dei dimeri di tubulina per formare un protofilamento;

2. Appaiamento dei 13 protofilamenti a lamina;

3. Chiusura della lamina à formazione del microtubulo e allungamento.

La dinamica della polimerizzazione dei microtubuli è simile a quella di microfilamenti: l’unica differenza è che alla tubulina non si legano molecole di ATP, ma di GTP. Anche i microtubuli sono soggetti al fenomeno del treadmilling.

Ai microtubuli si legano, inoltre, delle proteine specifiche, le MAPs; queste sono dei peptidi che accelerano l’allungamento e stabilizzano il microtubulo.

Altre proteine associate ai microtubuli sono la chinesina e la dineina; esse hanno la funzione di trasportare vari componenti cellulari lungo i microtubuli stessi.

:::: Riassumendo ::::

Le funzioni principali dei microtubuli sono:

-          mantenere la forma della cellula;

-          disposizione corretta degli organuli nella cellula;

-          trasporto di vescicole à sedi di movimenti;

-          movimento dei cromosomi;

-          motilità cellulare à movimenti anche interni alle cellule.

Ciglia e flagelli

Ciglia al microscopio elettronico

▪Le ciglia.

Diametro: 0,2 micron      

Lunghezza: 5-10 micron

Quantità: numerose.

Funzione: movimento dell’organismo (ciliati), spostamento del fluido che ricopre il polo apicale delle cellule.

▪I flagelli.

Diametro: 0,2 micron      

Lunghezza: fino a 150 micron

Quantità: pochi (1 nello spermatozoo).

Funzione: movimento della cellula.

Ciò che accomuna le ciglia e i flagelli è la struttura citoscheletrica interna, pressoché identica, e la loro origine, infatti entrambi si originano dal corpo basale.

Le ciglia à struttura citoscheletrica di sostegno composta da microtubuli + sistema delle radichette ciliari che si raggruppano a mazzo (determinano il movimento sincrono delle ciglia).

L’assonema sarebbe la struttura interna delle cilia. Proviamo a capire meglio da cosa sono costituite:

-          al centro 2 microtubuli completi (13 protofilamenti) uniti da un ponte proteico

-          attorno ai microtubuli centrali è presente una guaina proteica

-          nella zona periferica troviamo microtubuli A e B. I primi sono completi mentre i secondi no e per raggiungere la completezza devono, quindi, addossarsi ai microtubuli A.

-          dal microtubulo A partono dei raggi proteici ( ponti di nexina, con il compito di mantenere in posizione le 9 coppie periferiche) verso il microtubulo B. Inoltre hanno origine due braccia di dineina (proteine motrici che si muovono sui microtubuli) che si protendono sempre verso il microtubulo B.

Se guardiamo, però, un’immagine al microscopio elettronico possiamo notare, attraverso una sezione laterale delle ciglia, che i due microtubuli centrali si interrompono e che i microtubuli laterali sembrano inspessirsi in prossimità del corpo basale: sono presenti, infatti, 9 triplette (tubulo A, tubulo B, tubulo C anch’esso incompleto e si lega al microtubulo B per completare la struttura).

Ogni cellula possiede almeno una coppia di centrioli, dai quali hanno origine le ciglia.  I corpi basali della ciglia, infatti, non sono altro che i centrioli che si dispongono uno a fianco all’altro dando origine all’assonema.

A seconda del numero di centrioli presenti nella cellula si avranno più flagelli/ciglia.

Ma qual è la funzione delle ciglia/flagelli? Il movimento.

Proviamo a capire in cosa consiste…

Movimento del ciglio

Il movimento del flagello agisce su un piano orizzontale; mentre il movimento delle ciglia, generato da molecole di dineina che sporgono dal tubulo A, si articola in tre dimensioni, possiamo distinguere due fasi di movimento denominato a “frusta”:

I FASE ATTIVA (di spinta)_ il ciglio rimane teso e passa da sinistra verso destra

II FASE DI RITORNO (di recupero)_ il ciglio si flette e torna indietro (fase più lenta). 

L' ACQUA -Proprietà e dimostrazione della sua polarità-

L’acqua rappresenta la principale fonte di vita per tutti gli esseri viventi; sulla Terra essa ricopre il 70,8 % della superficie del pianeta.

Piante, animali, uomini tutti quanti conteniamo e facciamo un grande uso di acqua; la troviamo in elevate percentuali nelle cellule, in particolare nel citoplasma e nei vacuoli.

Riguardo all’organismo umano,l’acqua è presente in base all’età, sesso e peso in percentuali variabili (in media l’uomo è composto di acqua per il 65% della massa corporea).

Ma…perché l’acqua è blu?

Il colore blu dell’acqua è dato dalla capacità della luce del sole di assorbire colori quali il rosso,  l’arancione, quindi la luce che arriva fino a noi ci appare, per questo motivo, più blu.

Mentre per l’acqua di mare il discorso è diverso: la colorazione blu deriva dai placton, degli organismi acquatici galleggianti, che assorbono un po’ di luce rossa.

Che cos' è l’acqua?

L’acqua (H₂O) è un composto chimico costituito da un atomo di ossigeno (O) centrale e due di idrogeno (H) legati insieme da legami covalenti.

Le proprietà principali dell’acqua sono:

▪ La coesione.

Dovuta ai legame idrogeno tra le molecole (attrazione tra molecole di tipo uguale). La tensione superficiale è una conseguenza della coesione: in uno stagno potete osservare degli insetti capaci di camminare sulla superficie dell’acqua come se non fosse liquida, ma solida. Avete anche la possibilità di verificare l’effetto della tensione superficiale appoggiando una graffetta sull’acqua, senza che affondi nel bicchiere. Per effetto della tensione superficiale i liquidi si comportano come se la loro superficie fosse costituita da una membrana elastica.

▪ L’adesione.

Dovuta all’azione di attrazione tra molecole diverse. L’adesione insieme alla coesione spiegano il fenomeno della capillarità, ossia la capacità che ha l’acqua di risalire attraverso dei tubicini molto sottili.

▪ L’alto calore specifico.

Viene definito come la quantità di calore che un grammo di sostanza deve avere per aumentare la sua temperatura di un grado centigrado. Consente agli organismi di mantenere costante la loro temperatura interna.

▪ L’alto calore di evaporazione.

Viene definito come la quantità di energia necessaria per convertire un grammo di liquido in vapore.

▪ La tendenza a dissociarsi.

L’acqua tende a dissociarsi liberando ioni idrogeno (H⁺) e ioni idrossido (OH^-).

▪ La polarità.        

L’acqua è una molecola polare, ossia presenta una carica parzialmente positiva (δ + ), l’idrogeno e una parzialmente negativa (δ - ), l’ossigeno. Poiché l’acqua presenta questo squilibrio di cariche viene definita come un dipolo elettrico.

È possibile dimostrare la polarità dell’acqua attraverso un semplicissimo esperimento:

si prende una bacchetta di vetro e la si carica elettricamente per strofinio. 

Con un panno di lana si strofina la bacchetta di vetro, facendola caricare positivamente. Infatti, in questo modo, si sottraggono al materiale elettroni ed esso assume, di conseguenza, una carica positiva.

A questo punto, se avviciniamo la bacchetta carica all’acqua che fuoriesce, per esempio, da un rubinetto possiamo notare come il getto di acqua venga attratto dalla bacchetta.

Questo accade perché l’acqua, essendo una molecola polare, presenta cariche opposte, le quali si distribuiscono a seconda delle forze che agiscono sulla molecola stessa: in questo caso la bacchetta di vetro, carica positivamente, provoca un orientamento dalla carica negativa dell’ossigeno verso di essa e perciò viene attratta.

Provare per credere… :-)