Biologia generale

Teoria cellulare 1839

1. Tutti gli organismi sono composti da una o più cellule.

2. Le cellule sono viventi e costituiscono l'unità fondamentale di funzione e di organizzazione di tutti gli organismi.

3. Tutte le cellule derivano da altre cellule.

Aspetto della cellula

Le cellule possono essere di dimensioni completamente diverse: cellule estremamente piccole o estremamente grandi, organismi costituiti da singole cellule (unicellulare) e organismi costituiti da una moltitudine di cellule, come l'organismo umano. Ma, andando ad esaminare tutti i tipi di cellule presenti sulla faccia della terra, ci accorgiamo che tutte le cellule hanno in comune questo: sono costituite da una struttura membranosa che divide un ambiente esterno da un ambiente interno, cioè le cellule per essere tali devono essere organizzate all'interno di una struttura membranosa che noi definiamo membrana plasmatica. Tutte le cellule procariotiche ed eucariotiche possiedono una struttura membranosa. Una cellula, per essere definita tale, deve avere una struttura membranosa che determina un ambiente interno chimicamente e fisicamente diverso da un ambiente esterno, detto extraellulare. Nella sua forma minima è costituita da una soluzione acquosa, detta citoplasma, delimitata da una sottilissima membrana e contenente almeno una molecola di DNA e tutto il materiale e il corredo di enzimi necessari alla sua moltiplicazione.

• Tutti gli organismi sono costituiti da una o più cellule
• Ogni cellula deriva dalla divisione di una cellula preesistente
• Tutte le cellule si dividono per divisione binaria
• Ciascuna cellula può svolgere vita autonoma

Le cellule procarioti

I procarioti sono i più semplici organismi. Sono tutti esseri unicellulari, anche se a volte possono presentarsi in forme di aggregazione o gruppi costituiti da centinaia di individui. Sono cellule procariotiche:

• I batteri propriamente detti (in maggior parte), i batteri possono essere aerobi, cioè che necessitano dell'ossigeno per ossidare le molecole degli alimenti, e anaerobi obbligati, cioè che muoiono prima dell'esposizione all'ossigeno.
• Le alghe blue-verdi
• I cianobatteri
• Archei, cioè il comune antenato dei procarioti, in grado di vivere in condizioni estreme come un ambiente acido o privo di ossigeno, pozze coperte di ghiaccio dell'Antartide

Le cellule procariotiche sono di ridotte dimensioni (da 0,25 x 1,2 μm a 1,5 x 4 μm) e possono avere forme diverse:

• A sfere
• A bastoncelli
• A spirali
• A virgola

Struttura (molto semplice):

• Parete cellulare
• Membrana plasmatica
• Citoplasma
• Appendici cellulari (flagelli per il movimento e pili per aderire le une alle altre o a superfici esterne)

Caratteristiche:

• Assenza di endomembrane
• Assenza di zone altamente specializzate che svolgono certe funzioni
• Assenza del nucleo; il DNA materiale genetico è sparso nel citoplasma
• Presentano il citoplasma circondato da una membrana plasmatica e, nella maggior parte dei casi, racchiuso da una parete cellulare rigida

Se osserviamo una micrografia elettronica di una cellula procariotica potremmo rimanere stupiti dalla estrema semplicità di organizzazione; infatti l'interno della cellula si presenta come una matrice a granulosità variabile, priva di qualsiasi organizzazione e senza alcun compartimento interno. L'intero citoplasma di una cellula procariotica rappresenta l'unità dove si svolgono tutte le funzioni vitali; esso è composto principalmente da acqua e ioni, piccole molecole in soluzione e macromolecole. Pur essendo presenti strutture complesse, quali i ribosomi, in genere non sono presenti organuli delimitati da membrane e se presenti, sono estremamente ridotti per cui le molecole e i complessi macromolecolari, incluso il materiale genetico, sono liberi. Le reazioni metaboliche, quindi, non sono compartimentalizzate e l'intera cellula opera come unità singola. Mancando una struttura nucleare delimitata, si identifica una zona del citoplasma, detta nucleoide, in cui è presente il DNA sotto forma di un singolo cromosoma circolare. La regione del nucleoide, osservata al microscopio elettronico a trasmissione, appare come una struttura filiforme aggrovigliata, dai contorni irregolari di media densità agli elettroni, mentre il citoplasma spesso si presenta più opaco soprattutto per la presenza di numerosi ribosomi liberi.

Le cellule eucariotiche

Le cellule eucariotiche sono più strutturate e complesse delle cellule procariotiche e di solito sono di dimensioni maggiori (a volte persino circa dieci volte).

• Membrana plasmatica
• Citoplasma, molto strutturato (citosol, struttura amorfa citoscheletro, l'impalcatura delle cellule, mitocondri, ribosomi, reticolo endoplasmico, apparato di Golgi, lisosomi, perossisomi, vacuoli di vario tipo)
• Nucleo delimitato da una duplice membrana
• DNA, (cromosomi)
• Proteine e apparato enzimatico

La membrana plasmatica, che circonda e protegge la cellula delimitando i confini, non è rivestita da una parete (tranne nelle cellule vegetali, alcuni protozoi e funghi), per cui la consistenza cellulare è determinata, oltre che da un più o meno esteso sistema di reticoli membranosi, da un "supporto" interno, di natura proteica, che proprio per la sua basilare funzione viene denominato citoscheletro. Tutti gli organismi multicellulari, compresi i vegetali, i funghi, gli animali sono costituiti da cellule eucariotiche, ma gli eucarioti possono essere anche unicellulari; in questo caso tutti i processi funzionali dell'organismo sono raccolti all'interno di un'unica cellula, come nei protozoi (Protisti), nelle amebe e nei lieviti.

La compartimentalizzazione dovuta alla presenza di un sistema membranoso estremamente complesso (reticolo endoplasmatico, apparato di Golgi, il sistema di endomembrane nucleari, un'enorme quantità di informazione genetica) entro cui i processi biochimici possono avvenire simultaneamente ma indipendentemente; ciò nonostante, tra i vari territori cellulari si stabiliscono continue interrelazioni fisiche e molecolari. Dunque, nelle cellule eucariotiche, i processi funzionali, quali la biosintesi di macromolecole, la degradazione molecolare, la produzione di energia avvengono in regioni separate. I compartimenti subcellulari, denominati organuli (o organelli), sono specializzati per funzioni specifiche e sono identificabili sia morfologicamente che biochimicamente. Il numero o la dimensione di un compartimento subcellulare varia tra i differenti tipi di cellule di un organismo multicellulare, dal momento che ciascun tipo di cellula si è differenziato per manifestare una specifica e distinta funzione. È come se ciascuna categoria di cellule possedesse il "monopolio" nelle attività relative ad un determinato scopo funzionale. Questa divisione del lavoro, se da un lato presenta certamente molti vantaggi che hanno influito nei processi evolutivi, dall'altro comporta anche molti "impegni" in termini di coordinamento delle attività cellulari.

Vantaggi della compartimentalizzazione:

Un organulo citoplasmatico circondato da una membrana semipermeabile stabilisce un microambiente nel quale enzimi, cofattori e substrati possono essere concentrati, aumentando così i ritmi delle interazioni tra le macromolecole. Inoltre, gli ambienti chimici su entrambi i lati della membrana possono essere controllati per stabilire l'appropriato mezzo ionico. La presenza di trasportatori, canali e pompe specifiche per i singoli organuli consente la realizzazione, anche se parziale, del tipico microambiente di ciascun organulo. In questo modo, con sicuro vantaggio, alcune reazioni chimiche possono svolgersi in maniera più efficace perché viene ridotta la distribuzione dei substrati mentre questi, con i relativi prodotti, sono tenuti lontani da molecole di H₂O. Inoltre, la compartimentalizzazione consente che alcune attività, come quelle degradative, potenzialmente rischiose per l'integrità e la funzione cellulare, siano sequestrate in organuli adeguati, quali i lisosomi, così come gli enzimi ossidativi siano presenti solo nei perossisomi.

Rischi associati alla compartimentalizzazione:

La compartimentalizzazione e la conseguente divisione dei compiti all'interno della cellula hanno tuttavia determinato, per gli eucarioti, alcuni problemi di "adattamento" evolutivo. Infatti, poiché i compartimenti sono autonomi, le loro attività devono essere integrate per dare un beneficio a tutta la cellula e quindi sono necessari vari e specifici meccanismi per trasportare il materiale tra i diversi compartimenti. Alcuni organuli sono connessi in serie, funzionalmente, lungo particolari percorsi di attività (ormai definiti, appropriatamente, con il termine anglosassone di pathway) e ciò permette al materiale di muoversi da un comparto all'altro in maniera vettoriale. Ad esempio, il pathway secretorio coordina la biosintesi di organuli e la secrezione, mentre il pathway endocitotico regola le interazioni della cellula con l'ambiente. I due pathway operano in maniera coordinata nel turnover delle proteine e dei lipidi. La compartimentalizzazione fa sì che le proteine di membrana e le molecole contenute nel lume degli organuli siano spazialmente separate dal citoplasma; conseguentemente esse devono essere trasportate in apposite vescicole, i "carrier". Inoltre, pochi meccanismi consentono il mantenimento dell'identità degli organuli, nonostante l'esteso flusso di materiale attraverso le membrane. Nelle cellule eucariotiche la presenza di un nucleo ben definito permette di distinguere un nucleoplasma dal citoplasma. Quest'ultimo è occupato da organuli quali il reticolo endoplasmatico, l'apparato del Golgi, i mitocondri, i ribosomi, i lisosomi, i perossisomi. Tutti gli organuli sono immersi nel citosol, una sostanza semifluida che occupa quasi la metà dello spazio totale interno e delimitata da una membrana intracellulare. Alcune attività cellulari si svolgono nel citosol, altre iniziano in esso per poi essere completate in adeguati compartimenti. La fase acquosa del citosol contiene un'ampia varietà di soluti, tra cui ioni inorganici, i componenti elementari e i precursori delle maggiori molecole organiche, i carboidrati, i lipidi e un'alta concentrazione di proteine.

Struttura amorfa citoscheletro

Un sistema composto da tre tipi di filamenti proteici:

• Filamenti di actina, più sottili presenti in tutte le cellule eucariote e presenti in grandi quantità nelle cellule muscolari, in quanto parte integrante dell'apparato responsabile della contrazione muscolare.
• I microtubuli, filamenti più spessi dalla forma cava.
• Filamenti intermedi, di spessore intermedio tra filamenti di actina e microtubuli. Conferiscono resistenza meccanica alla cellula.

Mitocondri: organuli tra i più voluminosi del citoplasma, sono presenti in quasi tutte le cellule eucariote. Essi generano energia chimica per la cellula, infatti ossidano le molecole derivate dagli zuccheri e dai grassi che mangiamo, e usano l'energia estratta per produrre l'ATP (adenosina trifosfato), combustibile chimico che alimenta gran parte delle attività cellulari. L'intero processo viene chiamato respirazione cellulare, visto che durante tale processo viene consumato ossigeno liberando CO₂. I mitocondri contengono il DNA proprio e si riproducono dividendosi in due.

Reticolo Endoplasmatico: si presenta come una sorta di labirinto di spazi interconnessi circondati da una membrana ed è la sede di produzione di quasi tutti i componenti delle membrane cellulari e dei materiali destinati ad essere espulsi dalla cellula.

Apparato del Golgi: si presenta come sacche appiattite e circondate da membrana e la sua funzione è quella di “impacchettare” le molecole prodotte dal R.E., destinate ad esser eliminate dalla cellula.

Lisosomi: sono dei piccoli organuli di forma irregolare in cui avviene la digestione intracellulare, processo grazie al quale si rilasciano le sostanze nutritive derivate dalle particelle ingerite e si demoliscono le molecole indesiderate.

Perossisomi: sono vescicole racchiuse da una membrana che crea un ambiente adatto per una serie di reazioni in cui il perossido di idrogeno viene utilizzato per inattivare molecole tossiche.

Vescicole di trasporto: sono di vario tipo e vengono formate dalle membrane. La loro funzione è il trasferimento di materiali da un organulo membranoso ad un altro.

Composizione chimica della cellula

I grandi ricercatori si accorsero che la cellula e la crosta terrestre erano composte dagli stessi elementi chimici. Idrogeno, ossigeno, silicio, calcio, sodio, potassio, cloro, magnesio e così via. L'elemento che si trova in maggior quantità sulla cellula e che non troviamo ben rappresentato nella crosta terrestre è il carbonio. Caratteristica fondamentale del carbonio, che distingue le sue capacità da quelle di altri elementi, è la sua struttura, in grado di legarsi con altri atomi di carbonio formando catene con legami covalenti stabili fino a dar luogo a grandi molecole complesse, le molecole organiche. Il carbonio è l'elemento più abbondante nelle cellule, quasi tutti i composti presenti nelle cellule contengono il carbonio.

I legami chimici

• Il legame covalente, è il legame più forte dove gli elettroni sono perfettamente condivisi tra un atomo e l'altro. È uno dei legami più stabili.
• Il legame ad idrogeno, è un legame tra un idrogeno e un ossigeno di un'altra molecola. Non è un legame molto forte perché l'ossigeno attira verso di sé gli elettroni, quindi è un legame debole.
• Il legame ionico, la distribuzione degli elettroni non è equa quindi è molto debole.

I vari elementi si possono unire formando dei legami chimici che avvengono grazie al fatto che questi elementi mettono a disposizione degli elettroni che possono formare legami.

70% acqua + 30% composti chimici:

• 4% ioni piccole molecole (sodio e potassio)
• 2% fosfolipidi
• 1% DNA
• 6% RNA
• 15% proteine, sono le più abbondanti e sono le molecole che hanno il compito di far funzionare la cellula e di permettere alla cellula di svolgere il suo metabolismo
• 2% polisaccaridi

Le molecole biologiche

Le molecole biologiche comprendono:

• Lipidi: Sono polimeri che derivano da associazioni più semplici, cioè i monomeri.
• Carboidrati (glucidi): Digestione (idrolisi) è il processo nel quale un legame viene rotto aggiungendo di seguito una molecola di acqua.
• Proteine
• Acidi nucleici (DNA, RNA): Condensazione, processo nel quale un legame viene rotto eliminando una molecola di acqua.

I lipidi

La caratteristica che identifica i lipidi è la loro solubilità in solventi apolari ed il fatto di contenere, per grammo, una quantità di energia chimica notevole, maggiore delle altre molecole di importanza biologica. Svolgono funzioni diverse:

a) I trigliceridi

Hanno funzioni di riserva e vengono definiti lipidi di deposito, ma la loro funzione primaria è quella di fornire energia. I trigliceridi possono trovarsi allo stato solido o liquido. L'olio a 20° è liquido, il burro (un grasso che si accumula nel tessuto adiposo) a 20° è solido. Essi producono energia più del doppio di zuccheri e proteine e occupano meno spazio, quindi sono facilmente accumulabili.

Struttura: è formata da due molecole:

• Un trigliceride è formato da un alcool, il glicerolo, che è in grado di legare-3 molecole di acido grasso, costituite da un gruppo carbossilico (COOH) a cui si lega una catena idrocarburica (altamente idrofobica).

Esistono 3 tipi di acidi grassi:

• Saturi, dove le molecole di trigliceridi si dispongono in modo ordinato.
• Insaturi, dove le molecole di trigliceridi si dispongono in modo disordinato.
• Polinsaturi, dove è presente più di un legame doppio nella loro catena.

Una "testa" polare e da una "coda" apolare, formata dalle catene idrocarburiche. In ambiente acquoso, i sistemi formati da lipidi complessi si dispongono spontaneamente in modo che le teste polari interagiscano con la soluzione acquosa e le code apolari interagiscano fra di loro, formando un doppio strato di molecole, caratteristico delle membrane cellulari.

b) I carotenoidi

Sono lipidi in grado di assorbire la luce e che svolgono varie funzioni.

• Antiossidante, cioè ossidare i radicali liberi che sono delle specie chimiche che si formano durante la fase di ossidazione e sono caratterizzate dall'essere costituite da un anione super ossido (hanno numero di elettroni spaiato e la tendenza a cedere ossigeno), l'acqua ossigenata è praticamente anche esso un radicale libero e lo ione idrossidrilico.
• Funzione di foto pigmento
• Responsabili della colorazione di animali e piante.

Queste molecole, data la loro struttura e la loro funzione elettronica, reagiscono immediatamente con le molecole nelle circostanze e sono in grado di modificare in modo irreversibile le proteine, i lipidi e gli acidi nucleici ed è il primo motivo per cui insorgono patologie gravi e alle volte anche mortali. Pertanto, se si ha una buona riserva di molecole antiossidanti, un buon sistema tampone in grado di bloccare l'azione cattiva di queste molecole, il nostro organismo e le nostre cellule sono protette da queste molecole che potrebbero causare problemi all'organismo.

c) Gli steroidi

Hanno tutti una struttura comune, che è rappresentata dal ciclopentanoperidrofenantrene. Il precursore degli steroidi è il colesterolo, uno dei costituenti delle membrane cellulari, che è presente anche nel torrente sanguigno. Dal colesterolo derivano numerose sostanze che agiscono sia da bioregolatori endocrini che da bioregolatori locali (gli steroidi sessuali, come androgeni, estrogeni e progestinici, ed i corticoidi, prodotti dalla corteccia surrenale).