Università Popolare di Scienze della Salute, Psicologiche e Sociali

(Uni.Psi)

Corso Triennale in Scienze Naturopatiche (Modulo 1)

Argomento esame: lezione 3/5                  Allievo: Guglielmo Carbone

 

Dare una definizione di: ATP, enzimi, respirazione cellulare, recettori, replicazione del DNA, divisione cellulare.

ATP

atp

 

 

 

 

 

 

L’ATP o adeninatrifosfato è formato da una base azotata, l’adenina, da uno zucchero pentoso, il ribosio, e da tre gruppi fosfato. La funzione fondamentale dell’ATP è quella di liberare l’energia necessaria per la stragrande maggioranza delle reazioni metaboliche che si svolgono all’interno della cellula. La formazione di ATP, e quindi l’immagazzinamento all’interno di essa di energia, avviene a partire dalla molecola di ADP (adeninadifosfato) alla quale la fosfocreatina cede un gruppo di fosfato, l’unione tra ADP e gruppo fosfato genera energia che viene imprigionata nei legami che così si vengono a creare. L’ATP non può resistere libero all’interno del citoplasma, ma deve legarsi al magnesio che la stabilizza (chelazione). La liberazione di energia dall’ATP avviene tramite una reazione di idrolisi catalizzata dall’enzima adenina trifosfatasi con trasferimento di un gruppo fosfato e formazione di ADP. L’energia che si libera viene subito utilizzata tramite gli enzimi per le reazioni di cui la cellula ha bisogno.

 

ENZIMI

La stragrande maggioranza degli enzimi sono rappresentati da molecole proteiche. La loro funzione essenziale è quella di essere dei catalizzatori delle reazioni biochimiche della cellula, cioè determinano un notevole aumento della velocità di queste reazioni con conseguente più rapido raggiungimento dello stato di equilibrio termodinamico; inoltre, gli enzimi, consentono una riduzione dell’energia necessaria allo svolgimento di una determinata reazione. Se non ci fossero gli enzimi la velocità di formazione dei vari composti cellulari non sarebbe sufficiente per l’espletamento delle normali funzioni della cellula con le relative conseguenze che si possono immaginare. Un enzima opera attraverso una interazione con uno specifico sito attivo del substrato, cioè la molecola o le molecole che partecipano alla reazione, in questo modo si ha la formazione di un complesso nel quale avviene la reazione; una volta avvenuta la reazione il prodotto che si è venuto a formare si stacca dall’enzima e quest’ultimo è così pronto per catalizzare un’altra reazione; da precisare che gli enzimi non operano nessuna alterazione nell’equilibrio chimico della reazione.  L’attività degli enzimi può essere inibita, cioè ridotta, da molti farmaci e veleni, ma può anche essere incrementata da altre molecole dette attivatrici; anche la temperatura, il pH e la concentrazione del substrato possono incidere sull’attività dell’enzima.

 

RESPIRAZIONE CELLULARE

La respirazione cellulare è un processo metabolico attraverso il quale zuccheri semplici, amminoacidi e acidi grassi vengono degradati in molecole più semplici con liberazione di energia la quale viene inglobata in molecole di ATP e resa disponibile per le varie reazioni cellulari. Avviene essenzialmente nei mitocondri e consta di diverse fasi. La prima fase avviene nel citoplasma ed è rappresentata dalla glicolisi, cioè la scissione del glucosio in due molecole di acido piruvico; questa reazione porta alla riduzione di due molecole di NAD+ in 2NADH, alla formazione di due molecole di ATP, di due molecole di acqua e di due ioni H+. Nella seconda fase l’acido piruvico viene trasportato all’interno del mitocondrio senza consumo di energia, qui avviene la sua decarbossilazione ad opera dell’enzima piruvato deidrogenasi con relativa trasformazione in un gruppo acetile con due soli atomi di carbonio, da questa reazione si viene a formare CO2 e NADH;  infine il gruppo acetile si lega al coenzima A a formare l’acetil-CoA il quale entra nel ciclo di Krebs. La terza fase è rappresentata dal ciclo di Krebs, in questa fase l’acetil-CoA viene ossidato più volte fino alla formazione di molecole di CO2 e alla riduzione di NAD+ e FAD+; questo processo determina la produzione di energia (ATP) e la formazione di prodotti intermedi importanti per l’anabolismo cellulare. La quarta e ultima fase è data dalla fosforilazione ossidativa, questa avviene nelle creste mitocondriali e consiste nello scambio di elettroni trasportati dal NADH e dal FADH2tramite una catena enzimatica attraverso la membrana mitocondriale generando così un gradiente protonico transmembrana il quale favorisce la fosforilazione di ADP in ATP catalizzata dall’enzima ATP sintetasi. In definitiva l’intero processo porta alla formazione teorica di 38 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio, in realtà la resa effettiva è di 30-32 molecole di ATP.

 

RECETTORI

I recettori sono proteine poste su tutto lo spessore della membrana cellulare (transmembrana) o soltanto su una superficie di essa o all’interno della cellula stessa. Caratteristica del recettore è quella di legare una molecola, detta molecola segnale, e innescare una risposta cellulare; praticamente i recettori fungono da trasduttori, cioè trasformano i segnali extracellulari in diversi tipi di segnali intracellulari. I segnali sono rappresentati dalle varie molecole che si legano al recettore (ligandi), ma possono anche essere di diversa natura come la luce, i suoni, le onde elettromagnetiche o variazioni del potenziale elettrico di membrana. Le molecole segnale che si legano al recettore causano delle modifiche della sua conformazione e di quella di molecole ad esso collegate, in questo modo si mette in moto un processo a più stadi all’interno della cellula a carico di diverse molecole segnale intracellulari. In pratica, alla fine, vengono stimolate delle proteine bersaglio le quali determinano dei cambiamenti nel comportamento cellulare; per esempio possono essere interessati degli enzimi metabolici con conseguenti variazioni del metabolismo, possono essere interessati i geni con modificazioni dell’espressione genica, possono essere interessate proteine del citoscheletro con modifiche nella forma o negli spostamenti della cellula, ecc. Tutto questo avviene tramite l’intervento a catena di numerose molecole segnale che possono espletare diverse funzioni:

– Trasportano il segnale in modo da poterlo ritrasferire o innescare la risposta in un’altra molecola.

– Amplificano il segnale in modo da intensificare la risposta.

– Distribuiscono il segnale a varie molecole contemporaneamente.

– Intervengono su un punto qualsiasi della catena di trasmissione del segnale determinando un certo grado di modulazione.

I recettori di membrana appartengono essenzialmente a tre gruppi:

1)      Recettori annessi ai canali ionici la cui apertura determina il passaggio di ioni.

2)      Recettori accoppiati alle proteine G, sono recettori che legandosi a una proteina G determinano reazioni intracellulari a catena.

3)      Recettori legati a enzimi che determinano reazioni intracellulari a catena.

 

REPLICAZIONE DEL DNA

dna

 

 

 

 

 

 

 

 

La replicazione del DNA non è altro che il processo che porta alla produzione di due copie di DNA a partire da un DNA genitore. Avviene in concomitanza di ogni divisione cellulare e ha lo scopo di duplicare l’intero genoma in modo che questo possa essere trasmesso nella sua interezza alle cellule figlie. La replicazione del DNA si dice semiconservativa perché le due nuove doppie eliche che si vengono a formare sono costituite entrambe da un filamento vecchio e da un nuovo filamento complementare. La replicazione inizia quando un enzima, la DNA elicasi, agendo su un punto ben preciso del DNA causa la rottura dei legami a idrogeno tra le basi azotate determinando la despiralizzazione di un breve tratto della doppia elica del DNA, in questo modo le basi azotate del DNA originario vengono a sporgere in modo da fungere da “modello” per la formazione del nuovo DNA. A questo punto entra in azione un altro enzima, la DNA polimerasi; questa si sposta lungo il filamento di DNA che si era staccato dall’altro filamento dall’estremità 3’ all’estremità 5’, ‘legge’ le basi esposte del filamento “modello” e lega ad esse i nucleotidi liberi corrispondenti e quindi complementari. La DNA polimerasi provvede anche a legare il gruppo fosfato di un nucleotide, già legato al filamento del DNA originario, al desossiribosio del nucleotide seguente che si sta legando al filamento del DNA originario, si viene a creare così un nuovo filamento di DNA complementare al filamento che ha fatto da stampo; al termine, quando tutte le unità saranno congiunte, si verrà a formare una doppia elica di DNA perfettamente uguale al DNA originario. La doppia elica del DNA così formata si legherà in determinati punti a particolari proteine dette istoni a formare fibre di cromatina; durante la divisione cellulare la cromatina si avvolge su se stessa formando delle masserelle molto compatte dette cromosomi. È fondamentale per la perfetta trasmissione genetica che la replicazione avvenga con il minor numero di errori possibile e anche in questo caso è l’enzima DNA polimerasi ad avere la funzione di impedire o di rimuovere appaiamenti sbagliati di nucleotidi. Statisticamente si è visto che ci può essere un errore ogni 100 milioni di appaiamenti; quando si verificano questi errori si ha una variazione della sequenza dei nucleotidi e quindi una diversa informazione genetica che dà origine alle cosiddette “mutazioni”.

 

DIVISIONE CELLULARE

cellula

 

 

 

 

La divisione cellulare è quel fenomeno che consente a una cellula genitore di dare vita a due o più cellule figlie; è su questo fenomeno che si basa la sopravvivenza di un qualsiasi organismo vivente. Nelle cellule eucariote si ha un periodo che va dalla fine di una divisione cellulare all’inizio della successiva che viene chiamato interfase; durante l’interfase viene duplicato tutto ciò che si trova nel citoplasma e il nucleo, in particolare i cromosomi. In ogni cellula umana sono presenti 46 cromosomi suddivisi in 23 coppie; i cromosomi di ogni coppia sono detti omologhi perché contengono gli stessi geni che determinano le stesse caratteristiche ereditarie, inoltre hanno la stessa lunghezza e il centromero occupa in essi la stessa posizione. Le 23 coppie di cromosomi sono di due tipi: 22 coppie, dette autosomi, sono presenti e simili sia nei maschi che nelle femmine, una coppia è costituita da cromosomi diversi che sono i responsabili del sesso dell’individuo. La divisione cellulare può essere di due tipi: mitosi e meiosi.

La mitosi interessa le cellule somatiche e prevede una divisione cellulare in cui il nucleo si divide in due parti perfettamente uguali in modo che ciascuna cellula figlia abbia lo stesso corredo cromosomico della cellula madre. La mitosi avviene in diverse fasi successive

La prima fase viene detta profase ed è caratterizzata dalla condensazione del materiale genetico in strutture molto ordinate dette cromosomi; i cromosomi sono disposti in coppie perfettamente uguali e uniti tra di loro in una zona detta centromero. A questo punto entrano in azione i due centrioli, posti all’esterno del nucleo, che si portano ai poli opposti della cellula da dove attraggono i microtubuli e costituiscono con essi il fuso mitotico; il fuso mitotico tende ad allungarsi determinando anche un allungamento del nucleo. La seconda fase detta prometafase consiste nel dissolvimento della membrana nucleare e alla conseguente liberazione dei cromosomi nel citoplasma; nel frattempo, in prossimità dei cromosomi, si formano due strutture complesse dette cinetocori, uno per ogni cromatidio del DNA. Quando il fuso mitotico ha raggiunto una certa lunghezza i microtubuli attirano i cinetocori e quindi i cromatidi a cui questi sono legati. Nella fase successiva, la cosiddetta metafase, i microtubuli si allineano nella zona equatoriale della cellula trasportando con loro i cinetocori e i relativi cromatidi che ancora sono uniti tramite il centromero a costituire il cromosoma. Siamo così arrivati all’anafase, cioè la fase in cui i centromeri del cromosoma si rompono, i cromatidi di ciascun cromosoma si liberano e vanno ciascuno nel polo opposto del fuso mitotico fino a determinare la separazione in due parti uguali di tutto il materiale genetico. Infine si ha la telofase durante la quale intorno a questo materiale genetico si forma la membrana nucleare, nello stesso tempo riappaiono i nucleoli e scompare il fuso mitotico. La divisione cellulare si completa con la citodieresi, cioè quando si viene a formare un anello costituito da proteine contrattili che si dispongono nella parte mediana della cellula e incominciano a strozzarla fino a farla dividere in due parti perfettamente uguali con relativa fusione della membrana cellulare nei punti di strozzatura.

La meiosi è quel processo di divisione cellulare che interessa le cellule eucariote che partendo da una cellula con corredo cromosomico diploide dà origine, attraverso due divisioni successive, a quattro cellule sessuali o gameti con corredo cromosomico aploide diverso dalla cellula madre e diverso dal corredo cromosomico di esse stesse. La meiosi è fondamentale per quanto riguarda la riproduzione sessuale in quanto porta alla formazione di gameti che successivamente diventeranno spermatozoi o cellule uovo a seconda che appartengano rispettivamente a un organismo maschile o a un organismo femminile. La meiosi consta di due fasi principali, la meiosi I e la meiosi II. Nella meiosi I si ha inizialmente la disgregazione della membrana nucleare e la liberazione nel citoplasma dei cromosomi; i cromosomi così liberati si mettono in evidenza e si portano, senza dividersi nei cromatidi, sul piano equatoriale della cellula, qui si legano alle fibre del fuso e tramite queste si portano verso i poli della cellula però con una modalità ben precisa, cioè per ogni coppia di cromosomi omologhi, uno si porta ad un polo e l’altro all’altro polo; successivamente avviene la citodieresi con formazione di due cellule contenenti la metà esatta dei cromosomi omologhi. In questa fase possono avvenire degli scambi incrociati fra pezzi più o meno lunghi di cromatidi omologhi, questo fenomeno è detto crossing over ed è molto importante perché consente la formazione di nuove combinazioni di geni necessarie per assicurare la variabilità genetica tra individui della stessa specie. Nella meiosi II i cromosomi di ciascuna cellula si portano all’equatore e si attaccano al fuso mitotico; i cromatidi di ciascun cromosoma si separano e si portano ai poli della cellula, da ogni cromatidio si forma un nuovo cromosoma, le fibre del fuso si disgregano, intorno ai cromosomi così formati e presenti in ciascun polo si forma la membrana nucleare, il citoplasma si divide in due e si ha la formazione di due cellule figlie con corredo cromosomico aploide.

Guglielmo Carbone