Il Nucleo, Territori Cromosomici, Nucleolo, Reticolo Endoplasmatico, Mitocondrio

Nucleo

Nelle cellule eucariotiche il DNA, organizzato in

cromatina, è compartimentalizzato nel nucleo

eritrocita

muscolo striato

epitelio

forme diverse

- la forma del nucleo, solitamente,

rispecchia quella della cellula

- il nucleo è in rapporto

volumetrico con la cellula stessa.

La cromatina è compartimentalizzata nel nucleo

dall’involucro nucleare (carioteca)

compartimento

nucleare

perché involucro

e non membrana

nucleare?

Le due membrane, esterna e interna, si fondono

ad intervalli frequenti, a livello dei pori nucleari

pori nucleari = canali

I pori mettono in comunicazione il compartimento

nucleare con quello citoplasmatico

La tecnica della criofrattura ha messo in evidenza la

numerosità dei pori

La criofrattura (“freeze fracturing”-frattura a freddo )

Immagine schematizzata della complessità del

poro nucleare

struttura a

simmetria

ottagonale

COMPLESSO DEL PORO NUCLEARE (NPC)

•due anelli, uno nucleare e uno citoplasmatico, ciascuno formato da 8 subunitàproteiche

•otto raggi (o bracci)

•trasportatore centrale

•proteine di ancoraggio

•una serie di fibre verso il citosol e verso il nucleoplasma; quest’ultimi formano una struttura a cesto

Versante nucleare

Versante citoplasmatico

L’NPC è un complesso molto grande:il diametro di 120 nm, si restringe ad un passaggio utile

di circa 10 nm

Nucleoporine

Molecole di piccolo PM

attraversano liberamente

l’NPC probabilmente

insinuandosi tra i raggi;

molecole proteiche o

riboproteiche di grandi

dimensioni richiedono segnali

di riconoscimento: NLS e NES

Diffusione facilitata

per molecole

di piccolo P.M.

Trasporto attivo

per proteine e RNA

Segnale di localizzazione nucleare(NLS) 8-30aa

IMPORTINE proteine recettoriali che legano l’NLS e mediano il trasporto citoplasma-nucleoattraverso il trasportatore che cambia conformazione

RAN proteina nucleare, che scambia nucleotidi guanilici, induce il rilascio della proteina citoplasmatica nel nucleo

Segnale di esportazione nucleare(NES) presente sulle componenti proteiche dei complessi ribonucleoproteici

ESPORTINE proteine recettoriali che, grazie a RAN-GTP, legano l’NES e mediano il trasporto nucleo-citoplasma attraverso il trasportatatore

la concentrazione di RAN-GTP è mantenuta da:GEF (nucleare) fattore di scambio di nucleotidi guaniliciGAP (citoplasmatica) fattore attivante la GTPasi

Nucleoplasma

Nucleoscheletro

Cromatina

Nucleolo

Compartimento nucleare

Il nucleoplasma

• H2O e Sali

2) Proteine non istoniche (enzimatiche, regolative),

nucleotidi

3) RNA

Il nucleoscheletro

Funzioni del nucleoscheletro :

- determina la forma del nucleo;

- funge da impalcatura proteica (scaffold);

- regola il grado di spiralizzazione dei cromosomi;

- forma il complesso sinaptinemale durante la meiosi

Componenti del nucleoscheletro:

1) lamina fibrosa periferica (lamina nucleare), adesa alla superficie

della membrana nucleare interna;

2) rete di microtrabecole ancorata alla lamina fibrosa (sito

d’ancoraggio per le attività nucleari)

involucro

nucleare

rete fibrillare

di lamine

Il sistema delle lamine

Al di sotto della m. nucleare interna c’è una fitta

rete di fibre proteiche che s’intrecciano a formare

una rete di supporto

Rete di lamina

Assemblaggio delle lamine

testacoda

Dalla membrana plasmatica al nucleo (citoscheletro e nucleoscheletro)

rete di microtrabecole

Cromatina: eucromatina ed eterocromatina

Eterocromatina:

due localizzazioni

etrocromatina

eucromatinaetrocromatina

l’eterocromatina costitutiva è preferenzialmente adiacente alla

membrana interna (la rete delle lamine)

nucleolo

Il nucleo è funzionalmente

compartimentalizzato: territori

cromosomici e nucleolo

Ogni cromosoma è costituito da migliaia di geni; ogni gene occupa

una posizione ben definita lungo il cromosoma (locus genico) e

ogni cromosoma occupa una determinata posizione nel nucleo

(territorio) la quale dipende dal tipo di cellula

Regione centromerica

gene/locus

a

Il cromosoma, formato da

cromatina organizzata in

domini, occupa un

determinato territorio

b

telomero

organizzazione delle fibre di cromatina in domini

piante eucarioti

superiori

domini

interconnessi

struttura

a rosettaloops su scheletro

centrale

a

b

territorio

Territori cromosomici

Dominio

intercromosomico

sonde fluorescenti di diverso colore specifiche per “i singoli

cromosomi” identificano i territori cromosomici

cromosomi

omologhi

La cromatina povera di geni (in rosso) preferenzialmente

localizzata vicino al nucleolo o alla periferia del nucleo al di

sotto dell’involucro, in contatto con la lamina (in giallo)

La cromatina ricca di geni (in verde)

è localizzata più internamente e tra i

compartimenti della cromatina con

poca informazione genica (in rosso)

Centromero e telomeri, DNA altamente ripetitivo, eterocromatina

I geni attivi si trovano a livello dei

domini intercromosomici

Territorio

cromosomico

cromosoma formato da

cromatina organizzata

in domini (in rosso)

dominio cromatinico

Gene attivo

Gene inattivo

Domini

intercromosomici (in

verde) si espandono

anche tra i domini

cromatinici (in rosso),

all’interno del

territorio

cromosomico

Geni attivi (in bianco)

localizzati al limite dei domini

cromatinici

Geni inattivi (in nero)

localizzati all’interno dei

domini cromatinici

dominio intercromosomico

dominio intercromosomico

subchromosomal or

chromatin domain

Il macchinario trascrizionale si trova a livello dei domini

intercromosomici

L’attivazione genica è

accompagnata da un

riarrangiamento dei

cromosomi/domini cromatinici

all’interno dei singoli territori utile

ad esporre i geni da attivare verso i

domini intercromosomici

b

a a

Segnale che attiva la

trascrizione del

gene “a “

Il cromosoma all’interno del proprio

territorio si riorganizza in modo da esporre

il gene “a” a livello del dominio

intercromosomico

Dominio

intercromosomico

Una regione del genoma che cambia posizione (riposizionamento) può

indicare che sono in atto sia meccanismi regolativi fisiologici sia patologici

b

a

ba

Segnale che attiva la

trascrizione del

gene “a “ e “b”

i territori cromosomici si riorganizzano in

modo da esporre i geni “a” e “b”, a livello

del dominio intercromosomico, e vicini tra

loro

Dominio

intercromosomico

b

cb

a

ER

I territori sono cellula e tessuto specifici e possono cambiare durante il differenziamento, lo sviluppo e i diversi “momenti fisiologici” di una data cellula

struttura estremamente densa ed

eterogenea

Il nucleolo: territorio nucleare

nucleolo

Nelle cellule si possono trovare 1 o più nucleoli, spesso attaccati all’involucro nucleare

Cellule particolarmente ricche di nucleoli sono i neuroni e le cellule secernenti a secreto proteico

NUCLEOLO“fabbrica dei ribosomi”

Unica unità trascrizionale(cluster NOR)

40S 60S

80S

eucarioti

Clusterfuori NOR

Ribosomi: complessi riboproteici (rRNA+proteine)

Nucleolo: Sintesi e Maturazione rRNA, assemblaggio dei ribosomi

neucleolo

-Componente NOR:centri fibrillari contenentigeni in claster x rRNA

-Componente fibrillaredensa: cluster trascrizionalmente attiviper pre-rRNA 45S

-Componente granulare: assemblaggio rRNA/proteine ribosomali

NOR: regione organizzatrice del nucleolo

-Nell’uomo, i geni per gli rRNA (45S=18, 5,8, 28) sono

localizzati in 5 diversi loci sui cromosomi 13, 14, 15, 21 e 22

(Regione Organizzatrice del Nucleolo).

-Ogni locus contiene centinaia di geni (300-400) organizzati

in cluster, ripetuti in tandem

-Il gene per il 5S è in cluster fuori dal NOR

13

14

15

21

22

Cluster geni rRNA

Territori cromosomici

Dominio

intercromosomico

nucleolo

I diversi cromosomi contenenti i cluster per gli rRNA si organizzano

in modo da avvicinare i cluster per costituire il NOR

1321

22

1415

nucleolo

I 5 diversi cluster si avvicinano

per formare le anse di cromatina NOR

Attivazione dei geni rRNA1321

22

15

14

1321

22

15

14

Attivazione dei geni rRNA

e assemblaggio dei ribosomi

Il nucleolo è l’espressione manifesta dell’attivazione

genica a livello dei domini intercromosomici

I geni vengono attivati dal macchinario trascrizionale presente nel DI (si forma

la zona fibrillare densa), le proteine ribosomiali che arrivano dal citoplasma

vengono assemblate con l’rRNA (si forma la zona granulare) e quindi si forma

il nucleolo: la cellula mostra il nucleolo

Il Nucleolo è visibile all’interno di una

cellula quando i cromosomi 13, 14, 15,

21 e 22, ognuno all’interno del proprio

territorio, si riorganizzano in modo da

esporre i geni per gli rRNA a livello

dello stesso dominio

intercromosomico (DI): lo scopo è

organizzare il NOR.

Il nucleolo non è sempre presente durante il ciclo vitale di una cellula:

esso scompare all’inizio della mitosi, quando la sintesi di RNA e proteine si ferma, e si riforma al termine della divisione a partire dall’organizzatore nucleolare (NOR).

La membrana nucleare

esterna è in continuità

con le membrane del

reticolo endoplasmatico

rugoso.

Lo spazio perinucleare è in

continuità con il lume del

reticolo endoplasmatico.

La membrana nucleare interna è in connessione con la lamina

nucleare mediante proteine integrali di membrana.

reticolo endoplasmatico liscio e ruvido, e apparato del Golgi

costituiscono gli apparati membranosi della cellula

ribosomi

R.E.R R.E.L.

Sistema di membrane che racchiude uno spazio/lume

separandolo dal citosol circostante

cisterne appiattite: lume delimitato da membrana

cisterne tubulari: lume delimitato da membrana

Reticolo endoplasmatico (R.E.): liscio e rugoso

Funzioni del reticolo liscio

• Citocromo P450 (steroidi)• Fosfolipidi• Glicogenolisi (fegato)• Detossificazione (fegato)• Riserva di Ca+2

leucina triziata:3’ R.E.R.20’ Golgi2h vescicole di secrezione

Golgi

Golgi

vescicole

R.E.R.R.E.R.

R.E.R., Golgi e Traffico di membrane

Le proteine di membrana, di secrezione, dei lisosomi sono

sintetizzate a livello del R.E.R

Trasporto verso la membrana

plasmatica via Golgi

Il Golgi è un compartimento membranoso formato da cisterne

a forma di disco, appiattite, impilate tra loro e comunicanti

via vescicole

Il complesso risulta polarizzato: faccia Cis e faccia Trans

Cisterne del CGN

Cisterne del TGN

vescicole di transizione preposte al traffico tra

RE e Golgi Cisterna del RE

vescicole di trasporto che gemmano dal TGN

secrezioneMP lisosomi

Cisterne mediane

- CGN (Cis Golgi Network)

- TGN (Trans Golgi Network)

preposte al transito tra le cisterne del Golgi

I lisosomi contengono enzimi digestivi resi attivi a pH acido

Attività dei lisosomi

Autofagosoma: mitocondrio in via di degradazione

La cellula procariotica è una cellula più

semplice della cellula eucariotica

-Parete cellulare: peptidoglicani

-Membrana plasmatica mesosomi

-DNA genomico: circolare (nucleoide)

-DNA extragenomico: plasmidi

-Ribosomi: 70SCapsula: rivestimento

accessorio di natura

gelatinosa (polisaccaridi)

Batteri

40S 60S

80S

50S 30S

70S

Procarioti ed eucarioti: Ø 15-30 nm

- riconoscimento al microscopio: forma

- capacità di muoversi

- modalità di alimentazione

- proprietà tintoriali

IDENTIFICAZIONE DI UN BATTERIO

cocchi

bacilli

spirilli

spirochete

Forma

Helicobacter pyloriSalmonella

Capacità/modalità di movimento

Organismi autotrofi ("autos" = da sé; "trophos" = alimentazione)

capaci di nutrirsi utilizzando semplici sostanze inorganiche (es.: le

piante che utilizzano la CO2 ricavata dall'aria, H20 e sali minerali

assorbiti dal terreno per sintetizzare sostanze organiche).

Organismi eterotrofi ("héteros" = altro, differente)

si nutrono di sostanze organiche prodotte dagli organismi autotrofi:

gli animali si alimentano direttamente (erbivori) o indirettamente

(carnivori) di vegetali.

Modalità di nutrizione

Scopo: costruire composti organici, più o meno

complessi, per sopravvivere, svolgere tutte le

funzioni cellulari

(es.: zolfo dell’acido solfidrico H2S)

Ciclo della materia e flusso di energia

attraverso la materia vivente

Batteri Gram-positivi La composizione della parete cellulare

impedisce l’estrazione alcoolica del

colorante di Gram

Batteri Gram-negativi La composizione della parete cellulare

consente l’estrazione alcoolica del

colorante di Gram

Proprietà tintoriali

molecola complessa formata da una matrice di zuccheri insoliti legati

trasversalmente da corte unità polipeptidiche

matrice di zuccheri insoliti

corte catene polipeptidiche

Legami trasversali

Parete cellulare Gram +

Parete cellulare Gram -

Le cellule non

si decolorano

Le cellule si

decolorano

Movimento delle cellule procariotiche

Rotazione ad elica del flagello

Movimento delle cellule eucariotiche

1) esistono due modalità di locomozione

• La prima modalità si basa sulla presenza di organuli

specializzati quali CIGLIA e FLAGELLi il cui

movimento dipende dall’attività dinamica dei

microtubuli.

• La seconda modalità si basa sulla possibilità di

allungare un’appendice dal corpo cellulare, un

LAMELLIPODIO, su una superficie solida (es.:

MACROFAGI).

9x2 +2

Spermatozoo

Movimento flagellare

presenti sulla superficie di speciali cellule di organismi multicellulari (epitelio della trachea o delle tube uterine

Movimento a frusta

2) Creazione di un flusso dinamico orientato via

ciglia

L’epitelio ciliato delle tube uterine crea un

flusso dinamico orientato che spinge l’ovocita

verso il sito di fecondazione

Sito difecondazione

Epitelio ciliato

Sito diovulazione

Sito d’impianto

Movimento ameboide: possibilità di allungare una

appendice del corpo cellulare (lamellipodio) su una

superficie solida e formazione di nuove placche di

adesione (es. macrofagi)

Contrazione del corpo cellulare

Movimento in avanti

Protrusione del lamellipodio

Formazione placche di adesione

Similitudini batteri-mitocondri

Sono presenti in numero variabile, in relazione al fabbisogno energetico della cellula (es. negli epatociti ∼2000!)

mitocondri

Localizzazione citoplasmatica variabile, uniforme oppure in associazione a zone di massima richiesta energetica.

Nelle cellule muscolari, in file lungo le fibrille responsabili della contrazione

Nello spermatozoo, disposizione a spirale attorno all’assonemanella regione intermedia al di sotto del nucleo

dimensioni

Al M.E. appaiono come strutture tipicamente ovali di grandezza variabile (lunghezza 1-10 µm, diametro 0.5-1 µm)

STRUTTURA

La membrana mitocondriale esterna è simile a quella del RE e contiene lipidi 40/50 % (fosfolipidi–fosfatidilcolina), contro il 21 % presente in quella interna.

PORINE ~ proteine canali transmembrana formate da un barilotto di foglietti β attraverso cui passano molecole di media grandezza.

Le porine sono caratteristiche della membrana esterna dei Batteri Gram-Negativi.

La membrana mitocondriale interna, ha un elevato rapporto proteine/lipidi ed è altamente impermeabile alla maggior parte dei soluti.

Essa contiene un insolito fosfolipide, la cardiolipina, ed è quasi del tutto priva di colesterolo.

Entrambe queste caratteristiche sono in comune con la membrana plasmatica dei batteri.

La matrice contiene:• DNA mitocondriale (circolare; geni senza introni)• le tre classi di RNA• ribosomi (più piccoli di quelli eucariotici)• enzimi per la duplicazione, trascrizione e traduzione• ioni calcio e magnesio

•Enzimi ciclo di Krebs

L'importo nella matrice di proteine sintetizzate nel citoplasma prevede l'esistenza di specifici recettori/traslocatori presenti sulla membrana esterna (TOM) e sulla membrana interna (TIM).

L'mtDNA codifica per un numero esiguo di proteine della membrana interna (nell'uomo, ad esempio 13).

Il mitocondrio è un organulo SEMI-AUTONOMO

Divisione dei mitocondri: duplicazione e scissione

BIOGENESI - I mitocondri che compaiono in una

cellula si originano per scissione binaria di

mitocondri preesistenti che, dopo una fase di

accrescimento, si dividono in mitocondri più

piccoli

La teoria simbiontica

• Tipo di metabolismo

• Ribosomi

• DNA e struttura dei geni privi di sequenze introniche

• Mesosoma

• Doppia membrana, caratteristiche membrana interna, porine membrana esterna

• Divisione/scissione

IPOTESI ENDOSIMBIOTICA

ATP: ultimi due legami altamente energetici per mantenere insieme cariche che si respingono

Mitocondri fabbrica di energia

La cellula provvede al suo fabbisogno energetico mediante l’ossidazione di molecole organiche complesse.

L’energia derivata viene convertita nell’energia chimica dell’ATP

ATP

28

Metabolismo delle molecole organiche e sintesi di ATP

6NADH2FADH2

2

2NADH2NADH

Glucosio + 6 O2 + 32ADP + 32P

6 CO2 + 6 H2O + 32ATP

TUTTE le macromolecole che la cellula utilizza a scopo energetico vengono decomposte in prodotti che entrano nel ciclo dell’acido citrico.

Il carburante della catena di trasporto degli elettroni sono NADH e FADH2

Le proteine implicate nel trasporto di elettroni e nella sintesi di ATP sono presenti sulla membrana interna

La presenza delle creste ne aumenta enormemente la superficie e di conseguenza la capacità del mitocondrio di generare ATP.

SUBUNITA’ Fo: ab2c12 (base) sensibile all’OLIGOMICINA

SUBUNITA’ F1: α3β3δγε (testa e stelo)

STELO

TESTA

BASE

STELO PERIFERICO

ATPasi/ATPsintetasi

membrana

mitocondriale interna

matrice

ADP + P ATP + H2O

- si ipotizza che l’elevato gradiente di H+ creato dal sistema di trasporto di elettroni fornisca al complesso l’energia necessaria a sintetizzare ATP