Citoplasma

Il citoplasma è composto da organelli (o “organelli”) con diverse funzioni. Tra gli organelli più importanti ci sono i ribosomi, i vacuoli e i mitocondri. Ogni organello ha una funzione specifica nella cellula e nel citoplasma. Il citoplasma contiene parte del genoma dell’organismo. Anche se la maggior parte di esso si trova nel nucleo, alcuni organelli, compresi i mitocondri o i cloroplasti, hanno una certa quantità di DNA.

RibosomiModifica

Struttura di un ribosoma. Le subunità maggiori (1) e minori (2) sono collegate.

I ribosomi sono granuli citoplasmatici presenti in tutte le cellule e misurano circa 20 nm. Portano anche l’RNA ribosomiale.

La sintesi proteica avviene sui ribosomi nel citoplasma. Gli RNA messaggeri (mRNA) e gli RNA di trasferimento (tRNA) sono sintetizzati nel nucleo e poi trasmessi al citoplasma come molecole separate. L’RNA ribosomiale (rRNA) entra nel citoplasma sotto forma di subunità ribosomiale. Poiché ci sono due tipi di subunità, le due subunità sono unite nel citoplasma con molecole di mRNA per formare ribosomi attivi completi.

I ribosomi attivi possono essere sospesi nel citoplasma o legati al reticolo endoplasmatico ruvido. I ribosomi sospesi nel citoplasma hanno la funzione primaria di sintetizzare le seguenti proteine:

1. Proteine che faranno parte del citosol.
2. Proteine che costruiranno elementi strutturali.
3. Proteine che costituiscono elementi mobili nel citoplasma.

Il ribosoma consiste di due parti, una subunità maggiore e una minore; queste lasciano separatamente il nucleo della cellula. Con l’esperimento si può indurre che essi sono tenuti insieme dalle cariche, poiché quando la concentrazione di Mg+2 viene abbassata, le subunità tendono a separarsi.

LisosomiModifica

I lisosomi sono vescicole sferiche, tra 0,1 e 1 μm di diametro. Contengono circa 50 enzimi, di solito idrolitici, in soluzione acida; gli enzimi hanno bisogno di questa soluzione acida per un funzionamento ottimale. I lisosomi mantengono questi enzimi separati dal resto della cellula, impedendo loro di reagire chimicamente con gli elementi e gli organelli cellulari.

I lisosomi usano i loro enzimi per riciclare i diversi organelli della cellula, inglobandoli, digerendoli e rilasciando i loro componenti nel citosol. Questo processo è chiamato autofagia, e la cellula digerisce le sue strutture non necessarie. Il materiale è fagocitato da vescicole del reticolo endoplasmatico e dell’apparato di Golgi per formare un autofagosoma. Quando si lega al lisosoma primario, forma un autofagolisosoma e segue lo stesso processo di cui sopra.

Nell’endocitosi, i materiali sono raccolti dall’esterno della cellula e fagocitati per endocitosi attraverso la membrana plasmatica, formando un fagosoma. Il lisosoma si lega al fagosoma per formare un fagolisosoma e versa il suo contenuto nel fagosoma, degradando le sostanze nel fagosoma. Una volta idrolizzate, le molecole utilizzabili passano nella cellula per entrare nelle vie metaboliche, e ciò che non è necessario alla cellula viene scartato fuori dalla cellula per esocitosi.

I lisosomi rilasciano anche i loro enzimi fuori dalla cellula (esocitosi) per degradare ulteriormente altri materiali. In considerazione delle loro funzioni, la loro presenza è elevata nei globuli bianchi, perché hanno la funzione di degradare i corpi invasori.

VacuoliModifica

Il vacuolo è un sacco di liquido circondato da una membrana. Nella cellula vegetale, il vacuolo è un unico vacuolo più grande; nella cellula animale, invece, ci sono diversi vacuoli più piccoli. La membrana circostante è chiamata tonoplasto. Il vacuolo delle cellule vegetali ha una soluzione di sali minerali, zuccheri, aminoacidi e talvolta pigmenti come l’antocianina.

Il vacuolo delle piante ha diverse funzioni:

• Gli zuccheri e gli aminoacidi possono agire come una riserva temporanea di cibo.
• Le antocianine hanno una pigmentazione che dà colore ai petali.
• In genere possiedono enzimi e possono assumere la funzione dei lisosomi.

La funzione dei vacuoli nella cellula animale è quella di fungere da luogo di stoccaggio delle proteine; queste proteine sono immagazzinate per un uso successivo, ovvero per l’esportazione fuori dalla cellula attraverso il processo di esocitosi. In questo processo, i vacuoli si fondono con la membrana e il loro contenuto viene spostato fuori dalla cellula. Il vacuolo può anche essere utilizzato per il processo di endocitosi; questo processo comporta il trasporto di materiali esterni alla cellula, che non sono in grado di passare attraverso la membrana, nella cellula.

Reticolo endoplasmaticoModifica

Il reticolo endoplasmatico è un sistema complesso e un insieme di membrane interconnesse che formano uno scheletro citoplasmatico. Formano un esteso sistema di canali e tengono insieme i ribosomi. La loro forma può variare, poiché la loro natura dipende dalla disposizione delle cellule, che possono essere compresse o liberamente organizzate.

Immagine di un nucleo, del reticolo endoplasmatico e dell’apparato di Golgi.
(1) Nucleo (2) Poro nucleare (3) Reticolo endoplasmatico ruvido (RER) (4) Reticolo endoplasmatico liscio (REL) (5) Ribosoma nel RER (6) Proteine trasportate (7) Vesicella (trasporto) (8) Apparato di Golgi (9) Lato Cis dell’apparato di Golgi (10) Lato Trans dell’apparato di Golgi (11) Cisterne dell’apparato di Golgi.

Un insieme di cavità chiuse di forma molto variabile: fogli appiattiti, vescicole globose o tubi sinuosi. Questi comunicano tra loro e formano una rete continua separata dall’ialoplasma dalla membrana del reticolo endoplasmatico. Di conseguenza, il contenuto fluido del citoplasma è diviso in due parti: lo spazio luminale o cisternale contenuto all’interno del reticolo endoplasmatico e lo spazio citosolico che comprende l’esterno del reticolo endoplasmatico.

Le funzioni principali includono:

• Circolazione di sostanze che non vengono rilasciate nel citoplasma.
• Serve come area di reazioni chimiche.
• Sintesi e trasporto di proteine prodotte dai ribosomi attaccati alle loro membrane (solo RER).
• Glicosilazione delle proteine (solo RER).
• Produzione di lipidi e steroidi (solo REL).
• Fornire uno scheletro strutturale per mantenere la forma delle cellule.

Reticolo endoplasmatico ruvidoModifica

Quando la membrana è circondata da ribosomi, si chiama reticolo endoplasmatico ruvido (RER). La funzione principale del RER è la sintesi proteica, ed è proprio per questo che è più presente nelle cellule in crescita o che secernono enzimi. Allo stesso modo, un danno alla cellula può causare un aumento della sintesi proteica, e il RER si forma, prevedendo che le proteine siano necessarie per riparare il danno.

Le proteine si trasformano e si spostano in una regione del RER, l’apparato di Golgi. Macromolecole diverse dalle proteine sono anche sintetizzate in questi corpi.

Reticolo endoplasmatico liscioModifica

In assenza di ribosomi, è chiamato reticolo endoplasmatico liscio (SER). La sua funzione principale è quella di produrre i lipidi della cellula, cioè i fosfolipidi e il colesterolo, che poi diventano parte delle membrane cellulari. Il resto dei lipidi cellulari (acidi grassi e trigliceridi) sono sintetizzati all’interno del citosol, motivo per cui è più abbondante nelle cellule che hanno secrezioni correlate, come una ghiandola sebacea. È scarso, tuttavia, nella maggior parte delle cellule.

Apparato di GolgiModifica

L’apparato di Golgi, dal nome del suo scopritore, Camillo Golgi, è simile nella struttura al reticolo endoplasmatico, ma è più compatto. È composto da sacche di membrana a forma di discoide e si trova vicino al nucleo della cellula.

Un ditiosoma è il nome dato a ogni pila di sacche. Misurano circa 1 µm di diametro e raggruppano circa 6 cisterne, anche se negli eucarioti inferiori il loro numero può arrivare a 30. Nelle cellule eucariotiche, l’apparato di Golgi è più o meno sviluppato, a seconda della loro funzione. In ogni caso il numero di ditiosomi varia da pochi a numerosi.

Diagramma del sistema endomembranoso di una cellula eucariotica.

L’apparato di Golgi consiste in una o più serie di cisterne leggermente curve e appiattite delimitate da membrane, e questo è noto come pila o ditiosoma di Golgi. Le estremità di ogni cisterna sono dilatate e circondate da vescicole che o si fondono con questo comportamento, o si separano da esso per geminazione.

L’apparato di Golgi è strutturalmente e biochimicamente polarizzato. Ha due facce distinte: la faccia cis, o di formazione, e la faccia trans, o di maturazione. Il lato cis si trova vicino alle membrane dell’ER. Le sue membrane sono sottili e la sua composizione è simile a quella delle membrane del reticolo. Intorno ad esso ci sono le vescicole del Golgi, chiamate anche vescicole di transizione, che derivano dall’ER. La faccia trans è di solito vicina alla membrana plasmatica. Le sue membrane sono più spesse e assomigliano alla membrana del plasma. Le vescicole più grandi, le vescicole secretorie, si trovano su questa faccia.

Le loro funzioni sono varie:

• Modificazione delle sostanze sintetizzate nel RER: le sostanze provenienti dal RER sono trasformate nell’apparato di Golgi. Queste trasformazioni possono essere aggregazioni di residui di carboidrati per raggiungere la struttura finale o per essere proteolizzati per acquisire la loro conformazione attiva. Per esempio, nel RER delle cellule acinari del pancreas, si sintetizza la proinsulina che, grazie alle trasformazioni che subisce nell’apparato di Golgi, acquisirà la forma o conformazione definitiva dell’insulina. Gli enzimi che si trovano all’interno dei ditiosomi sono capaci di modificare le macromolecole per glicosilazione (aggiunta di carboidrati) e fosforilazione (aggiunta di fosfati). Per fare questo, l’apparato di Golgi trasporta alcune sostanze come nucleotidi e zuccheri nell’organello dal citoplasma. Le proteine sono anche etichettate con sequenze di segnali che determinano la loro destinazione finale, per esempio, il mannosio-6-fosfato è aggiunto alle proteine destinate ai lisosomi.
• Per produrre glicoproteine necessarie alla secrezione, aggiungendo un carboidrato alla proteina.
• Per produrre enzimi secretori, come gli enzimi digestivi nel pancreas: le sostanze passano attraverso tutte le saccule dell’apparato di Golgi e quando raggiungono la faccia trans del ditiosoma, sotto forma di vescicole secretorie, vengono trasportate a destinazione fuori dalla cellula, attraversando la membrana citoplasmatica per esocitosi. Un esempio sono i proteoglicani che compongono la matrice extracellulare degli animali. L’apparato di Golgi è l’organello della principale sintesi dei carboidrati. Di questo si occuperanno gli enzimi del Golgi attraverso un residuo di xilosio. Un altro modo di etichettare una proteina può essere la solfatazione di una solfotransferasi, che guadagna una molecola di zolfo da un donatore chiamato PAPS. Questo processo avviene nei GAG dei proteoglicani e nei nuclei delle proteine. Questo livello di solfatazione è molto importante per le funzioni di etichettatura dei proteoglicani e per dare una carica netta negativa al proteoglicano.
• Segregare i carboidrati come quelli usati per ripristinare la parete cellulare.
• Trasportare e immagazzinare i lipidi.
• Formare i lisosomi primari.

Sketch di un mitocondrio. (1) membrana interna (2) membrana esterna (3) spazio intermembrana (4) matrice.

MitocondriModifica

I mitocondri sono un organello che si trova in tutte le cellule eucariotiche, sebbene in cellule altamente specializzate possano essere assenti. Il numero di mitocondri varia a seconda del tipo di cellula, e le loro dimensioni sono generalmente comprese tra 5 μm di lunghezza e 0,2 μm di larghezza.

Sono circondati da una doppia membrana. La membrana più esterna controlla il movimento delle sostanze dentro e fuori la cellula e separa l’organello dallo ialoplasma. La membrana esterna contiene proteine di trasporto specializzate che permettono alle molecole di passare dal citosol allo spazio intermembrana.

Le membrane mitocondriali sono fatte di fosfolipidi e proteine. Entrambi i materiali sono legati insieme per formare un reticolo lipidico-proteico. I mitocondri hanno diverse funzioni:

• Ossidazione del piruvato a CO2m accoppiata alla riduzione dei portatori elettronici nad+ e fad (a nadh e fadh2)
• Trasferimento di elettroni da nadh e fadh2 a o2, accoppiato alla generazione della forza protonica motrice
• Utilizzazione dell’energia immagazzinata nel gradiente protonico elettrochimico per la sintesi di ATP dal complesso f1 f0.

La membrana interna è ripiegata verso il centro, dando luogo a prolungamenti chiamati cristae, alcuni dei quali si estendono per tutta la lunghezza dell’organello. La loro funzione principale è quella di essere principalmente la zona dove avvengono i processi respiratori. La superficie di queste criste ha dei granuli sulla loro lunghezza.

Lo spazio tra le due membrane è lo spazio intermembrana. Il resto del mitocondrio è la matrice. È un materiale semirigido che contiene proteine, lipidi e poco DNA.

MatrixEdit

La matrice consiste in una composizione di materiale semi-fluido. Ha una consistenza simile al gel per la presenza di un’alta concentrazione di proteine idrosolubili, è composto per il 50% da acqua e comprende:

• Molecole di DNA a doppia circolare (il DNA mitocondriale), che contengono informazioni per la sintesi di un certo numero di proteine mitocondriali.
• Molecole di RNA mitocondriale che formano i mitorribosomi, distinti dal resto dei ribosomi cellulari.
• Ribosomi (i mitorribosomi), che si trovano sia liberi che attaccati alla membrana mitocondriale interna. Sono simili ai ribosomi batterici.
• Ioni, calcio e fosfato, ADP, ATP, coenzima-A e un gran numero di enzimi.

Membrana internaModifica

Questa membrana mitocondriale ha una superficie maggiore a causa delle creste mitocondriali. È più ricca di proteine rispetto alle altre membrane cellulari. I suoi lipidi non includono colesterolo, ed è ricco di un raro fosfolipide, la cardiolipina.

Le sue proteine sono varie, ma si distinguono per:

• Le proteine che formano la catena che trasporta gli elettroni all’ossigeno molecolare (catena respiratoria)
• Un complesso enzimatico, ATP sintasi, che catalizza la sintesi di ATP e consiste di tre parti: Una sfera di circa 9 nm di diametro. È la parte catalitica del complesso ed è chiamata fattore F.
• Proteine trasportatrici, che permettono agli ioni e alle molecole di passare attraverso la membrana mitocondriale interna, che è abbastanza impermeabile al passaggio degli ioni.

Membrana esternaModifica

La membrana esterna dei mitocondri assomiglia ad altre membrane cellulari, specialmente quella del reticolo endoplasmatico. I suoi componenti includono:

• Proteine, che formano grandi “canali acquosi o porine”, rendendola altamente permeabile, a differenza della membrana mitocondriale interna.
• Enzimi, come quelli che attivano gli acidi grassi per l’ossidazione nella matrice.

Spazio intermembranaModifica

La sua composizione è simile a quella dell’ialoplasma. Le funzioni includono:

• Ossidazioni respiratorie.
• Sintesi proteica mitocondriale. Questa funzione è svolta nello stesso modo della sintesi proteica nell’ialoplasma.

PerossisomiModifica

Struttura base di un perossisoma.

I perossisomi (o microcorpi) sono corpi sferici, legati alla membrana, di diametro compreso tra 0,5 e 1,5 μm. Si formano per gemmazione dal reticolo endoplasmatico liscio. Oltre ad essere granulari, non hanno una struttura interna. Hanno un certo numero di enzimi metabolicamente importanti, in particolare l’enzima catalasi, che catabolizza la degradazione del perossido di idrogeno. Per questo motivo sono chiamati perossisomi. La degradazione del perossido di idrogeno è rappresentata da un’equazione.

H 2 O 2 + R ′ H 2 ⟶ R ′ + 2 H 2 O {displaystyle H_{2}O_{2}+R’H_{2}{2}longrightarrow R’+2H_{2}O}