Riassunto esame Biologia umana, prof. Barbieri, libro consigliato La cellula, edizioni Zanichelli

Che cos'è la biologia?

La biologia è quella scienza che studia gli esseri viventi. Per esseri viventi, si intendono tutti gli organismi derivanti da un antenato unicellulare che apparve sulla Terra circa 3,8 miliardi di anni fa.

Unità di misura usate in biologia

• Centrimetro (cm) = 1/100 di m
• Millimetro (mm) = 1/1.000 di m
• Micrometro (µm) = 1/1.000 di mm
• Nanometro (nm) = 1/1.000 di µm
• Angstrom (Å) = 1/10.000 di µm

La cellula

La scoperta della cellula fu resa possibile grazie all'invenzione del microscopio, avvenuta nel 1540 ad opera di due olandesi: Zaccharias e Hans Janssen. I precursori che scoprirono nella seconda metà del 1600 la presenza della cellula negli organismi attraverso il microscopio furono: Robert Hooke e Antony Van Leeuwenhoek.

La cellula è la più piccola parte di un organismo, capace di esprimere tutte le proprietà vitali dell'organismo stesso. Queste proprietà si traducono in:

• Metabolismo
• Motilità (capacità degli organismi viventi di modificare attivamente e in modo reversibile la propria posizione o quella di una loro parte nello spazio)
• Adattamento all'ambiente
• Riproduzione

Di conseguenza, le proprietà funzionali degli organismi viventi derivano dalle caratteristiche delle loro cellule. Ci sono comunque degli aspetti che accomunano tutti i tipi di cellule, in quanto discendono da un antenato comune che risale a miliardi di anni fa. Tali aspetti sono:

• Tutte le cellule derivano da cellule preesistenti
• Tutte le cellule sono simili nella loro composizione chimica
• La maggior parte delle reazioni chimiche della vita avviene all'interno della cellula
• Le cellule contengono l'informazione genetica che viene replicata e trasmessa mediante divisione cellulare

Esistono organismi unicellulari, cioè formati da una sola cellula che esercita tutte le funzioni della vita, e organismi pluricellulari, cioè formati da più cellule specializzate a svolgere funzioni diverse.

Teoria cellulare

• Tutti gli organismi viventi sono composti da cellule, unità elementari dotate di proprietà comuni
• La cellula è l'unità morfologica e fisiologica fondamentale nella struttura degli organismi viventi, dei quali possiede tutte le proprietà caratteristiche
• Negli organismi viventi molte funzioni complesse sono rese possibili dall'esistenza di una continua cooperazione tra le diverse cellule
• Ogni cellula deriva da un'altra cellula preesistente
• Nelle cellule l'informazione genetica risiede nel DNA e viene trasmessa dalle cellule parentali alle cellule figlie durante la divisione cellulare

Microscopia

Il potere risolutivo è la distanza minima al di sotto della quale non siamo più in grado di vedere due punti come distinti tra loro; quello dell'occhio umano è di circa 1/10 di millimetro (non siamo in grado di vedere due punti posti a 0,1 mm di distanza). Per poter individuare oggetti le cui dimensioni sono inferiori al potere risolutivo dell'uomo è stato inventato il microscopio.

Microscopio ottico

Il microscopio ottico è dotato di due sistemi di lenti: obiettivo e oculare. L'obiettivo è rivolto verso il campione da esaminare; uno specchio dirige un fascio di luce attraverso il preparato e l'obiettivo ne proietta un'immagine ingrandita verso l'oculare, che la ingrandisce a sua volta. Il microscopio può ingrandire l'immagine di un oggetto fino a circa 2.000 volte. Permette di vedere le principali strutture cellulari (nucleo, mitocondri e i cromosomi durante la mitosi). Tali strutture sono comunque difficili da osservare a occhio nudo, per questo spesso vengono trattate chimicamente e i loro componenti tinti con sostanze fluorescenti, per renderle più visibili. Non consente di osservare strutture subcellulari. Gli oggetti più piccoli che si possono osservare sono batteri.

Microscopio elettronico

Il microscopio elettronico è basato sull'utilizzo, al posto della luce visibile, di un fascio di elettroni. I fasci di elettroni utilizzati sono associati a lunghezze d'onda più brevi di quelle della luce, quindi permettono di ottenere un più elevato potere di risoluzione, rendendo possibile l'osservazione delle strutture subcellulari (esempio: struttura membrana).

Microscopio elettronico a trasmissione (TEM)

Un fascio di elettroni, dopo aver attraversato l'oggetto da ingrandire, colpisce uno schermo fluorescente sul quale si forma l'immagine. Ha un potere risolutivo pari a 0,2 nm e permette di evidenziare la struttura fine delle cellule.

Microscopio elettronico a scansione (SEM)

Un fascio di elettroni colpisce il campione, non venendo attraversati ma riflessi dalla sua superficie, formando in questo modo un'immagine tridimensionale. Ha una risoluzione pari a 10 nm, inferiore rispetto a quello a trasmissione, ma permette di dare rappresentazioni tridimensionali di cellule e di strutture cellulari.

La storia della vita

• 5 miliardi di anni fa → nascita della Terra
• 4 miliardi di anni fa → La vita ha avuto origine dalla non vita, attraverso l'evoluzione chimica: si ipotizza che le complesse molecole biologiche, che costituiscono poi gli esseri viventi, siano comparse sulla Terra circa 4 miliardi di anni fa. Si ipotizza che la loro origine sia dovuta all'associazione fisica casuale di sostanze chimiche presenti nell'ambiente.
• 3,8 miliardi di anni fa → Il passaggio che portò alla formazione della prima cellula capace di replicarsi, circa 3,8 miliardi di anni fa, fu dovuto a molecole biologiche che si racchiusero all'interno di membrane, costituite da lipidi i quali hanno la proprietà di non legarsi con molecola d'acqua, ciò permise di mantenere le molecole biologiche vicine tra loro, aumentando la frequenza con cui esse interagivano.

Durante i 2 miliardi successivi (3,8-1,8 miliardi) → Gli organismi presenti sulla Terra erano unicellulari (procarioti) e le cellule erano procariote (ancora presenti). Questi primi procarioti erano confinati negli oceani, dove c'era abbondanza di molecole complesse che essi potevano usare come fonte di energia. Gli oceani li riparavano dai raggi ultravioletti, molto intensi a quel tempo in seguito all'assenza di ossigeno e quindi niente ozono.

2,5 miliardi di anni fa → evoluzione della fotosintesi, la quale è un processo biochimico in cui dall'energia solare si ottiene energia chimica. Si svilupparono infatti cellule fotosintetiche simili agli odierni cianobatteri (cellule procariote). Tali organismi diventarono così abbondanti che nell'atmosfera cominciò ad accumularsi grandi quantità di ossigeno (O₂), un sottoprodotto della fotosintesi. L'ossigeno era velenoso per alcuni procarioti, mentre gli altri che lo tolleravano poterono proliferare e, essendo il metabolismo basato sull'O₂ (metabolismo aerobico) più efficiente rispetto a quello anaerobico che caratterizzava i primi organismi, le cellule poterono crescere in dimensioni e svilupparsi.

In seguito → Il grande quantitativo di ossigeno accumulato nell'atmosfera formò uno strato di ozono, il quale intercettava i raggi ultravioletti, permettendo in seguito agli organismi di abbandonare la protezione dell'oceano e di colonizzare la terraferma.

Comparsa delle cellule eucariote

Un altro passo importante fu la comparsa di cellule dotate di organelli, capaci di svolgere funzioni cellulari specializzate. Uno di questi organelli è il nucleo, il quale racchiude l'informazione genetica della cellula; le cellule che svilupparono questo tipo di organello vennero chiamate eucarioti (eu -> vero; karyon -> nocciolo), che si distinguevano da quelle procarioti (pro -> prima). Le cellule eucariote derivano quindi da quelle procariote.

Si ipotizza poi che certi organelli derivino dall'inglobamento di cellule più piccole in cellule più grandi (esempio: l'organello che svolge la funzione di fotosintesi, il cloroplasto, derivi da un procariote fotosintetico che venne ingerito da un procariote più grande), in quanto rappresentavano il cibo, ma la conseguente incapacità nel demolirla portarono alla formazione di una collaborazione tra il procariote più piccolo inglobato in quello più grande.

Comparsa di cellule pluricellulari

Un altro passo evolutivo venne compiuto quando alcuni eucarioti non riuscirono a separarsi durante la divisione cellulare, rimanendo attaccati gli uni con gli altri. L'associazione di più cellule portò alla loro specializzazione in determinate funzioni, come ad esempio: la riproduzione, assorbimento dei nutrienti e la distribuzione a cellule vicine, ecc. Questa specializzazione permise agli eucarioti pluricellulari di crescere di dimensioni, di divenire più efficienti nell' accumulo di sostanze nutritive e di adattarsi meglio agli specifici ambienti.

Tutti gli organismi derivano da un antenato comune, una cellula unicellulare, la quale poi attraverso diversi eventi ha portato alla nascita di diverse specie di organismi che oggi popolano la Terra. Tale diversità è dovuta ad un processo di speciazione che è avvenuto nel corso degli anni e che ha portato alla nascita di specie di organismi diversi, i quali vengono classificati principalmente in 3 domini: Archaea, Bacteria ed Eukarya. Gli organismi appartenenti ad ogni dominio si sono poi evoluti separatamente nell'arco di miliardi di anni, da quelli appartenenti ad altri domini. Gli organismi capaci di autoalimentarsi attraverso la fotosintesi, come ad esempio: batteri, alcuni archei, protisti e la maggior parte delle piante, vengono definiti autotrofi. Le molecole biologiche che producono sono importanti per la sopravvivenza di tutti gli altri organismi viventi, come i funghi, i quali vengono definiti eterotrofi in quanto si alimentano “da qualcos'altro”, cioè richiedono una fonte di molecole complesse sintetizzate da altri organismi che essi demoliscono per ottenere energia per i processi metabolici. Vengono definiti eterotrofi anche gli animali, i quali però si differiscono dai funghi perché ingeriscono il cibo per demolirlo nel tratto digestivo.

L'evoluzione secondo Darwin: la selezione naturale

La teoria di Charles Darwin prevedeva che l'evoluzione dell'uomo dipendesse da un meccanismo di selezione naturale. Infatti, ogni organismo discende da organismi comuni. Tali organismi sono in grado di accoppiarsi per riprodurre nuovi organismi che avranno caratteristiche simili ai loro genitori. Questo meccanismo naturale che ha determinato l'evoluzione di ogni organismo è caratterizzato da un processo di controllo che regola la capacità riproduttiva di animali e piante, in maniera tale che non avvenga in maniera illimitata. Tale processo è basato sulla probabilità di sopravvivenza, solo una piccola percentuale della prole deve sopravvivere e riprodursi.

La selezione naturale determina quindi un adattamento della specie all'ambiente in maniera tale da poter sopravvivere e riprodursi nel proprio ambiente. L'informazione che determina le caratteristiche di un nuovo organismo è racchiusa nel DNA, il quale rappresenta l'istruzione della cellula. La somma di tutte le molecole di DNA determina il genoma.

Informazione genetica

L'informazione genetica è determinata dalla sequenza di nucleotidi che compongono la catena nucleotidica. Particolari segmenti di DNA chiamati geni (corrisponde ad una sequenza di acidi nucleici), contengono l'informazione che serve a sintetizzare le proteine, le quali costituiscono gran parte della struttura di un organismo e sono le molecole che governano le reazioni chimiche entro le cellule.

Esempio per analogia con un libro: i nucleotidi del DNA sono come le lettere dell'alfabeto. Le molecole proteiche sono le frasi del discorso. Le combinazioni di proteine che costituiscono le strutture e controllano i processi biochimici sono i paragrafi. Le strutture e i processi organizzati in sistemi diversi con specifici compiti (digestione) sono i capitoli e il libro completo è l'organismo. La selezione naturale è l'autore e l'editore di tutti i libri nella biblioteca della vita. Tutte le cellule di un organismo pluricellulare contengono lo stesso genoma (corredo di cromosomi), eppure cellule diverse svolgono funzioni diverse e formano strutture diverse.

Il genoma di un organismo consiste in migliaia di geni. Se la sequenza nucleotidica di un gene viene alterata, è probabile che la proteina sintetizzata sia alterata (le alterazioni dei geni sono chiamate mutazioni). Le mutazioni avvengono spontaneamente, o possono essere indotte da fattori esterni (sostanze chimiche, radiazioni). La maggior parte delle mutazioni è deleteria (provoca gravi danni), ma occasionalmente il cambiamento delle proprietà delle proteine altera le funzioni in modo tale da migliorare il funzionamento dell'organismo nelle condizioni ambientali in cui l'organismo è immerso. Tali mutazioni benefiche sono il materiale grezzo su cui opera l'evoluzione.

Nutrienti per procurare energia

Gli organismi viventi acquisiscono nutrienti dall'ambiente esterno, dai quali poi ricavano il materiale per costruire strutture biologiche e l'energia necessaria per compiere lavoro meccanico (spostamento cellule da una zona all'altra (contrazione muscolare)) e per costruire molecole complesse a partire da unità chimiche più piccole (esempio: carboidrati che vengono scomposti in monosaccaridi per poi essere depositati sotto forma di lipidi). Le cellule assorbono le molecole dei nutrienti e le demoliscono in subunità chimiche più piccole. Nel far ciò, le cellule catturano energia dai legami chimici della molecola contenuta nei nutrienti.

Costituzione chimica degli organismi viventi

• Gli organismi viventi, sono composti principalmente da: C-O-H-N. Questi 4 elementi, insieme poi a fosforo e zolfo (S) costituiscono circa il 95% della sostanza vivente. Altri elementi, presenti in concentrazioni ridotte ma comunque essenziali per garantire le funzionalità dell'organismo sono: il Na e il potassio, importanti per le funzioni nervose, il Ca può agire da messaggero biologico, lo iodio che è un componente di un ormone vitale, Mg, Cl e Fe.

Gli organismi viventi sono comunque costituiti da un gran numero di composti chimici che sono in grado di utilizzare, trasformare e sintetizzare moltissime sostanze. In tal senso, i composti più importanti sono quelli organici e sono: proteine, carboidrati, lipidi e acidi nucleici.

Componenti chimici della cellula

Possono essere classificati in:

• Composti inorganici: acqua, sali minerali.
• Composti organici: glucidi, lipidi, proteine, acidi nucleici, precursori e prodotti metabolici.
• Altri componenti organici: vitamine e ormoni.

Il protoplasma delle cellule animali e vegetali è costituito da:

• 75-85 % di acqua
• 10-20 % di proteine
• 2-3 % di lipidi
• 1-1.5 % di acidi nucleici
• 1.0 % di glucidi
• 1.0 % di sali minerali

Cellula procariota e eucariota

I biologi classificano tutti gli esseri viventi in 3 domini: Archaea, Bacteria ed Eukarya. Gli organismi che fanno parte degli Archaea e Bacteria sono chiamati procarioti, in quanto accomunati da un'organizzazione cellulare procariotica. Mentre al dominio Eukarya appartengono: protisti, piante, funghi e animali. Tali organismi sono accomunati da un'organizzazione cellulare di tipo eucariota.

Caratteristiche in comune delle cellule procariote

Le cellule procariote sono in genere più piccole di quelle eucariotiche. Gli organismi procarioti sono sempre unicellulari, al massimo si aggregano a formare catenelle, piccoli grappoli o anche raggruppamenti contenenti centinaia di individui. Tutte le cellule procariote hanno la stessa struttura fondamentale:

• Membrana plasmatica: delimita la cellula separandola dall'ambiente esterno e regola il passaggio di varie sostanze verso l'interno e l'esterno della cellula. All'interno della membrana plasmatica, troviamo il citoplasma.
• Citoplasma: composto da citosol, una soluzione acquosa che contiene ioni disciolti, piccole molecole e macromolecole solubili come le proteine. Il citoplasma non è una regione statica, al contrario, le sostanze in esso contenute sono in costante movimento. All'interno del citoplasma, sono presenti i ribosomi.
• Ribosomi: complessi di RNA e proteine, che svolgono la funzione di sintesi proteica.
• Nucleoide: all'interno della cellula, è presente una zona detta appunto nucleoide in cui è situato il materiale genetico che consiste in una singola molecola di DNA circolare.

Componenti specializzati di alcune cellule procariote

Durante l'evoluzione, alcuni procarioti svilupparono strutture specializzate che li conferirono un vantaggio selettivo. Tali strutture sono:

• Parete cellulare: la maggior parte dei procarioti ha una parete cellulare localizzata all'esterno della membrana plasmatica, è costituita da peptidoglicani (tranne che negli archeobatteri), un polimero di amminozuccheri uniti da legami covalenti che determinano una singola molecola gigante attorno all'intera cellula. Tale parete ha la capacità di conferire rigidità e forma alla cellula. In alcuni batteri è anche presente una membrana esterna alla parete cellulare, ricca di fosfolipidi e carboidrati, non ha funzioni protettive ma può per esempio contenere tossine responsabili di processi patogeni.
• Membrane interne: alcuni gruppi di batteri eseguono la fotosintesi (esemp. cianobatteri). Per consentire la realizzazione del processo fotosintetico all'interno di questi batteri, l'evoluzione ha...