Appunti di Biologia e genetica

Biogenetica

L'origine della cellula

La teoria dell'endosimbiosi, spiegata dalla dottoressa Lynn Margulis, illustra come la cellula abbia origine da una cellula ospite procariota. Questa fu "attaccata" da numerosi batteri aerobici che invasero la membrana plasmatica creando invaginazioni. Una volta entrati e stabilitisi, iniziarono il loro processo di stabilizzazione diventando poi mitocondri. Il reticolo endoplasmatico e il nucleo si formano, probabilmente, da invaginazioni interne alla cellula. Nei batteri fotosintetici, invece dei mitocondri, ci sono i cloroplasti.

La cellula procariota, contenendo del DNA, passa dai geni ai genomi, poi si evolve diventando una cellula eucariotica che, moltiplicandosi per mitosi, costituisce tessuti che, raggruppati e organizzati, finiscono per costituire organi e apparati. La cellula è l'unità funzionale e strutturale degli organismi viventi; manifesta le proprietà elettive degli esseri viventi, programma l'adattamento all'evoluzione, la morte, la divisione cellulare, mantiene l'omeostasi e trasforma l'energia e materia per quanto riguarda il metabolismo cellulare. La cellula è un sistema aperto con il microambiente esterno che rappresenta l'insieme delle risorse indispensabili a garantire la vita. Alcune funzioni cellulari come il metabolismo, la proliferazione, e il differenziamento dipendono anche dall'interazione tra cellule, matrice extracellulare oltre che con il microambiente.

Studio delle cellule

La cellula è un'unità molto piccola che si può studiare soltanto con microscopi specifici: il microscopio ottico, che ha un potere di risoluzione fino a 200 nm, e il microscopio elettronico, che ha un potere di risoluzione fino a 2 nm.

Classificazione delle cellule

Le cellule si dividono in due classi:

• Procariota: significa "prima del nocciolo (nucleo)". I procarioti sono tipici di archeobatteri, che vivono in condizioni ambientali estreme, ed eubatteri, batteri più presenti in numero che possono essere patogeni e autotrofi/eterotrofi. La loro membrana plasmatica è costituita da 30/40% di lipidi e 60/70% proteine. Ha la funzione di produrre ATP attraverso la respirazione cellulare e la fosforilazione ossidativa. Nei batteri fotosintetici, permette la fotosintesi attraverso pigmenti (clorofilla e fotosistemi) ed enzimi (pompa protonica). Sintetizza lipidi e parete cellulare attraverso enzimi e la replicazione del DNA. Inoltre, recepisce stimoli esterni.

DNA nei procarioti

Nei procarioti è presente del DNA libero, in quanto non è presente il nucleo, e del DNA circolare che prende il nome di plasmide, contenuto in un cromosoma batterico situato in una regione chiamata nucleoide. I plasmidi possono riprodursi autonomamente, favorendo l'acquisizione di resistenza agli antibiotici tramite una porzione di plasmide denominato fattore resistenza. I batteri possono anche riprodursi tra loro tramite il processo di coniugazione, nel quale diversi tratti genici prendono il nome di fattori, uno di questi è quello della fertilità che permette di accettare una porzione di DNA di una cellula donatrice tramite un contatto cellula-cellula (ponte che viene originato da un pilo sessuale). Il filamento donato dalla cellula donatrice F- passa quindi alla cellula ricevente F, il DNA si replica in entrambe le cellule ed entrambi i batteri sono denominati F+.

Parete cellulare nei batteri

In alcuni batteri è presente la parete cellulare che ha la funzione di proteggere la cellula, ed è composta da peptidoglicani (catene polisaccaridiche collegate trasversalmente da segmenti polipeptidici). La parete cellulare dei batteri ha due tipologie:

• Gram-positiva: spesso strato di peptidoglicani con una sola membrana plasmatica interna.
• Gram-negativa: sottile strato di peptidoglicani interposto tra due membrane plasmatiche, una interna ed una esterna.

Strutture specializzate dei batteri

Una struttura specializzata dei batteri è il glicocalice o capsula, un involucro mucoso/saccaridico che offre protezione, adesione e riconoscimento. Questo aumenta la difesa dall'ospite ostacolando la fagocitosi e facilitando la penetrazione tissutale dei patogeni.

Cellula eucariotica

Le cellule eucariotiche sono presenti nel corpo umano, e si differenziano tra loro in base al tessuto di appartenenza. In tutte si trovano dei compartimenti diversi, specializzati e integrati che consentono l'azione localizzata di complessi multi enzimatici che si agganciano alle membrane, fungendo da superficie di lavoro (aumento di velocità di reazione con formazione dei reagenti, consentono la contestualità tra reazioni diverse, mantengono separati reagenti che a contatto sarebbero pericolosi). Tutti gli organelli cellulari, a parte il nucleo, sono situati nel citoplasma, immersi nel citosol, una sostanza gelatinosa (citoplasma = comprende citosol e organelli).

Nucleo

Il nucleo è un organulo che controlla la sintesi delle proteine e, di conseguenza, coordina le attività cellulari. È il depositario dell'informazione genetica, responsabile della replicazione del DNA e sede della sintesi dei ribosomi (complessi sovramolecolari). Il nucleo fu descritto per la prima volta nel 1830 e presenta una doppia membrana. La membrana esterna è in continuità con il RE; la membrana interna si aggancia internamente con la lamina nucleare composta dalle proteine lamine che fungono da supporto al nucleo.

Nell'involucro nucleare si possono notare dei pori nucleari, complessi proteici attraverso cui passano, in entrambi i sensi, delle sostanze per il trasporto selettivo (RNA e proteine per le funzioni nucleari). Il complesso del poro ha una struttura asimmetrica proteica con un canale centrale ottagonale con un diametro che va dai 9 ai 30-40 nm. Nel nucleo è contenuta la maggior parte del DNA (una piccolissima parte nei mitocondri/cloroplasti), che è protetto, contenuto (quindi non lasciato libero per il citosol) e organizzato in processi quali trascrizione, replicazione e riparo da eventuali danni.

Cromatina

La cromatina è un complesso sovramolecolare formato da DNA che si associa a RNA e proteine. Se togliessi l'acqua, il peso della cromatina sarebbe diviso in: 40% DNA, 3% RNA, 57% proteine di cui il 44% istoni (proteine strutturali) e 13% altre proteine. Gli istoni sono piccole proteine basiche formate da ricchi AA basici (lisina e arginina) che hanno un'alta affinità per l'acido desossiribonucleico. Gli istoni sono di cinque tipi e si organizzano in un core centrale a cui attorno è avvolto del DNA. Questo complesso, legato da interazioni elettrostatiche, forma il nucleosoma e determina l'unità strutturale e funzionale della cromatina che, nella fase di divisione cellulare, si compatta diventando un cromosoma.

• Eucromatina: meno colorata, meno abbondante, meno compatta ma trascrivibile, che si esprime (totipotente).
• Eterocromatina: scura, compatta e più abbondante nella cromatina, ma non trascrivibile. Si suddivide in: costitutiva (mai trascritta, ripetuta), facoltativa (in specifiche cellule o in specifiche condizioni viene trascritto il DNA).

Il DNA viene letto tramite la trascrizione che lo legge tramite sequenze specifiche. Una volta letto, tramite i pori nucleari, le sequenze vengono tradotte nel linguaggio proteico dai ribosomi. Tutto il DNA del nucleo viene replicato, sia eucromatina che eterocromatina.

La zona centrale più scura si chiama nucleolo, un dominio nucleare dove si formano i ribosomi. Precisamente si trascrive l'rRNA che poi viene assemblato con le proteine per formare le due sub unità dei ribosomi.

Ribosomi

I ribosomi, formati da rRNA e proteine, permettono la formazione dei polimeri di amminoacidi. Ci sono i ribosomi liberi del citosol organizzati in polisomi e i ribosomi legati alla membrana esterna del reticolo endoplasmatico, il quale prende il nome di rugoso RER. Questi ultimi sono destinati ad essere modificati nel Golgi, ai lisosomi e poi alla membrana plasmatica o secreti all'esterno. È un sistema di membrane interne che sono collegati tra loro in modo integrato, anche tramite vescicole; lavorano insieme per la sintesi e lo smistamento di molecole. Queste molecole possono essere sintetizzate e immagazzinate e al momento del bisogno distribuite.

Reticolo endoplasmatico

Il reticolo endoplasmatico è una rete interconnessa in continuità col nucleo, formata da tubuli e sacche membranose appiattite: cisterne. Nonostante i tubuli siano in continuità tra le due membrane del nucleo, si forma il lume dove sono presenti degli insiemi unici di enzimi. Si distinguono in REL (reticolo endoplasmatico liscio) e RER (reticolo endoplasmatico rugoso).

RER ha ribosomi sulla membrana e per questo motivo si allunga e termina la sintesi delle proteine destinate alla secrezione o a rimanere nella membrana plasmatica. Vengono aggiunti degli oligosaccaridi alle proteine, quindi viene aggiunto dello zucchero alla catena polipeptidica, prendendo il nome di glicoproteine (modificazione co-traduzionale). Inoltre, ci sono dei controlli che avvengono per gli eventuali errori o denaturazione delle proteine, ciò ha un'importante funzione nella prevenzione di malattie. Nel RER c'è una minima parte che sintetizza i fosfolipidi.

REL è coinvolto nella sintesi di lipidi, fosfolipidi, colesterolo, trigliceridi e ormoni steroidei (testosterone). Nel REL c'è un'importante funzione di detossificazione e idrossilazione dei farmaci grazie ad enzimi che aggiungono gruppi OH che rendono più solubili i farmaci. Inoltre, vengono degradati i polisaccaridi come il glicogeno per ricavarne energia. Sequestro e deposito di calcio.

Le proteine che hanno l'obiettivo di essere spedite alla membrana o secrete all'esterno vengono spedite prima all'apparato di Golgi. Questo è composto da numerose cisterne appiattite impilate una sull'altra (da 3 a 8) e diverse vescicole. La parte più vicina al RE è la faccia cis.