Biologia cellulare e atlante istologico - Guida completa per l'esame

BIOLOGIA CELLULARE

1 - L’origine della vita

La nascita dell'universo risale a circa 10-20 miliardi di anni fa con il Big Bang, mentre il sistema solare è nato 4,5 miliardi di

anni fa probabilmente in seguito all'esplosione di una supernova. La Terra rimase bombardata da meteoriti e ricca di

eruzioni vulcaniche che la mantennero fluida per molti milioni di anni: elementi pesanti come il ferro e il nichel formarono il

nucleo mentre elementi leggeri come l'alluminio e il silicio rimasero sulla superficie. Gli elementi gassosi leggeri fuggirono

dall’atmosfera mentre rimasero intrappolati quelli più pesanti come l'anidride carbonica, l'ammoniaca ecc. Non vi era

ossigeno libero in quanto è molto reattivo e dunque formava composti con il silicio (silicati) e ossidi di ferro. 3,9 miliardi di

anni fa la Terra diventa abitabile e 3,8 miliardi di anni fa inizia il ciclo dell'acqua con la formazione di un'idrosfera, cioè la

presenza di acqua in forma liquida. La storia biologica e quella geologica sono strettamente associate in quanto una ha

influenzato l'altra e viceversa: basti pensare ai movimenti tettonici o alla comparsa di organismi fotosintetici che hanno

portato ossigeno libero nell'atmosfera. Si ritiene che la vita sulla Terra abbia avuto inizio con la comparsa dell'idrosfera e i

primi fossili noti risalgono a 3,5 miliardi di anni fa. Possiamo dividere la storia della terra in due eoni:

• Precambriano: è il periodo che va da 4,5 miliardi a 550 milioni di anni fa ed è caratterizzato dalla vita microscopica

che si evolve molto lentamente con cambiamenti principalmente biochimici; si evolvono i processi metabolici come

la glicolisi, il ciclo di Krebs ecc.

• Fanerozoico: è il periodo che va da 550 milioni di anni fa ad oggi ed è caratterizzato dalla vita macroscopica e

l'evoluzione è morfologica e veloce, basata sulla competizione e sulla selezione naturale.

Si definisce essere vivente qualsiasi essere che presenti le seguenti caratteristiche: è originato da un altro essere vivente, ha

una forma determinata, si accresce a spese dell'ambiente circostante, scambia materia ed energia con l'ambiente, reagisce

agli stimoli ambientali ed è in grado di nascere, crescere, riprodursi e morire. La vita è nata sulla Terra e non in altri pianeti

simili come Venere e Marte grazie ai seguenti fattori:

• Temperatura: dipende dalla distanza dal Sole e deve mantenersi tra i -10°C e i 100 °C;

• Dimensioni del pianeta: deve essere abbastanza grande per avere un atmosfera ma non troppo affinché questa non

aumenti temperatura e pressione a livelli insostenibili per la vita;

• Presenza di acqua liquida che è importante grazie alle sue proprietà: è una molecola polare che presenta legami a

idrogeno, allo stato solido aumenta di volume, ha una certa conduttività termica, un elevato calore specifico e

calore di vaporizzazione, ha una certa conducibilità elettrica, presenta forze di adesione e di coesione (capillarità),

caratteristica tensione superficiale, è il solvente universale e ha proprietà colligative nelle soluzioni come

l'innalzamento ebullioscopico, l'abbassamento crioscopico, la diffusione e l'osmosi.

• Presenza di un satellite relativamente grande: ha permesso alla Terra di stabilizzare il proprio asse di rotazione e ha

rallentato la rotazione terrestre grazie all’attrito generato dall'attrazione dell’acqua.

La vita è basata sul carbonio, nonostante questo non sia un elemento molto

abbondante sulla Terra: questo perché ha quattro elettroni nell’orbitale esterno e

può fare una grande varietà di legami; inoltre non viene ossidato dall'ossigeno

come avviene ad esempio con il silicio. La nascita delle macromolecole organiche

avviene grazie all’atmosfera riducente primordiale (anaerobica, priva di ossigeno):

non essendo presente l'ozono a schermare i raggi UV, questi raggiungevano la

superficie terrestre donando l’energia necessaria per far avvenire le reazioni. La

dimostrazione della teoria del brodo primordiale di Oparin (proposta nel 1923,

ma già pensata anche da Darwin) arriva nel 1953 con l’esperimento di Miller:

vennero inseriti in un contenitore i principali componenti dell'atmosfera

primordiale ossia N , NH , CO , CH , vapore acqueo e venne fornita energia sotto

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forma di scintille elettriche; ciò che si osservò fu la formazione di dozzine di

monomeri organici. In aggiunta a questa teoria, c'è la teoria della Panspermia che

prevede che la vita sulla Terra sia partita da macromolecole organiche presenti

nei meteoriti che la colpivano, essendo questi molto ricchi. Ciò che probabilmente

è accaduto è una combinazione delle due teorie.

Il passaggio da monomeri organici a polimeri, che nelle cellule avviene grazie al complesse reazioni catalizzate da enzimi,

nella Terra primordiale può essere avvenuto per:

• Essiccazione improvvisa di amminoacidi, fenomeno che crea polimeri simili alle proteine (proteinoidi);

• Partecipazione di argille e le superfici cristalline dei metalli che avrebbero fornito protezione ai monomeri organici

favorendo e catalizzando la sintesi di molecole più complesse come aminoacidi e nucleotidi;

• Presenza di condensanti prebiotici come cianogeno C N , cianammide, ecc;

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• 2+

Catalizzazione delle reazioni di polimerizzazione abiotica da parte del ferro ridotto (Fe ).

Un organismo vivente si definisce tale se:

• È basato su cellule organizzate e collegate;

• È omeostatico, mantiene cioè ordinate le proprie strutture contro l'entropia dell'universo; è un sistema aperto e

capace di trasformare la materia e trasformare l'energia in lavoro o di disperderla sotto forma di calore.

• Si accresce, si sviluppa e muore;

• Si riproduce ereditando i caratteri ed evolvendosi per selezione naturale; tutti hanno un progenitore comune

basato su l'unità fondamentale della cellula;

• Obbedisce alle leggi della termodinamica e della chimica;

• È capace di produrre complesse molecole organiche a partire da molecole inorganiche semplici;

• Risponde a stimoli esterni adattandosi in risposta alle modificazioni ambientali in una lotta o competizione per la

sopravvivenza.

Nella storia ci sono stati molti dibattiti riguardanti l'origine della vita. Fino al 1700 si credeva che la vita potesse originare

dalla materia inanimata, nonostante i numerosi esperimenti che dimostravano il contrario come quello dell'italiano

Francesco Redi e di Spallanzani. La smentita definitiva giunse da Louis Pasteur, che a metà dell'Ottocento dimostra che un

brodo contenuto in un recipiente a collo di cigno rimane sterile fino a quando questo non viene aperto, riempiendosi di

batteri. Da ciò deriva la teoria della biogenesi, che afferma che tutti gli esseri viventi possono essere originati solo da altri

esseri viventi. A ciò si affianca la teoria cellulare, in cui padri sono Schwann, Schleiden e Vircow. Si basa su queste regole:

• Tutti gli organismi sono composti da una o più cellule;

• La cellula è la più piccola unità strutturale capace di svolgere tutte le funzioni vitali quali nutrirsi, crescere e

riprodursi;

• Le cellule si originano per divisione cellulare di cellule preesistenti.

Le cellule in quanto esseri viventi sono sistemi attraversati da materia, energia e informazioni con l'obiettivo di

sopravvivere e riprodursi: il concetto di fitness contiene al suo interno quello di tasso di sopravvivenza in età fertile e di

tasso di produttività. Un altro obiettivo della cellula è quello di mantenere costanti le proprie caratteristiche interne

contrastando l'ambiente: ciò viene detto omeostasi. Inoltre le cellule sono complesse e organizzate con diversi livelli di

organizzazione, possiedono un programma genetico e i mezzi per utilizzarlo, sono capaci di riprodursi e acquistano energia

sotto forma di ATP. Le cellule portano a termine delle reazioni chimiche collegate che nel loro complesso formano il

metabolismo, oltre ad essere impegnate in molte attività meccaniche quali movimento, trasporto ecc; sono in grado di

rispondere agli stimoli grazie alla presenza di recesso recettori e messaggeri chimici e sono in grado di autoregolarsi

attraverso un processo di feedback negativo. Le cellule ospitano le basi biochimiche della vita quali i cromosomi (che

portano i geni), le proteine enzimatiche e gli apparati metabolici. Gli organismi viventi pur essendo diversificati a livello

chimico e metabolico sono identici sotto un aspetto: producono l'energia necessaria alla vita in pochi modi, simili e

collegati. L'uniformità dei viventi sotto questo punto di vista dimostra la loro comune origine da una singola linea cellulare

primordiale. Si ritiene che le prime cellule dovessero essere molto più semplici anche del più semplice batterio oggi

conosciuto, in quanto questo è comunque composto da molte molecole coordinate tra loro. Il passaggio da materia

organica ad organismo vivente ci pensa sia avvenuto in tre tappe:

• Evoluzione di molecole capaci di dividersi in due parti uguali, riproducendo sé stesse. Si pensa che queste molecole

fossero geni primordiali nudi simili a ribozimi, cioè piccole molecole di RNA capaci di svolgere attività enzimatica e

replicare parzialmente sé stessi. L’RNA sarebbe quindi più antico del DNA, che lo avrebbe poi sostituito come

deposito di informazioni in quanto è meno facilmente degradabile dai raggi UV e più facilmente replicabile in modo

controllato. Le proteine avrebbero poi sostituito l'RNA in quanto migliori catalizzatori delle reazioni.

• Evoluzione delle protocellule. Si sa che proteine e polisaccaridi posti in acqua tendono a formare coacervati, cioè

goccioline stabili se di piccole dimensioni. Anche i fosfolipidi possono separarsi dall’ambiente acquoso formando

delle micelle, a doppio strato a causa delle loro proprietà anfotere. Le prime protocellule dovevano quindi essere

liposomi, cioè vescicole di fosfolipidi disposti in doppio strato, in quanto queste si formano spontaneamente in

acqua; dovevano contenere acidi nucleici e coacervati. Non sono ancora cellule perché non rispettano le tre regole

della teoria cellulare.

• Evoluzione del metabolismo, che passa da semplice a complesso attraverso modifiche graduali dei meccanismi

esistenti.

Ciò che non rispetta i punti della teoria cellulare non può essere considerato un organismo vivente: per questo non sono

organismi viventi i virus, i viroidi e i prioni.

I virus sono entità parassite cellulari obbligate, nel senso che non sono in grado di riprodursi da soli. Sono agglomerati

proteici e l'informazione genetica può essere contenuta nel DNA o nell’RNA. Quando il virus si trova in forma libera prende

il nome di virione. Sull'origine dei virus si è ancora incerti ma sicuramente non sono organismi primitivi in quanto basano il

loro ciclo vitale su altre cellule, dunque la loro origine deve essere sicuramente successiva alla nascita della cellula. Non è

possibile che si siano evoluti indipendentemente in quanto condividono lo stesso linguaggio genetico delle cellule; si pensa

dunque che siano forme degenerate derivanti da porzioni di cromosomi con qualche tipo di esistenza autonoma e che poi

si siano evoluti. Hanno un capside proteico che forma una testa, un colletto e una coda che sia ancora all'ospite. L'infezione

può avvenire seguendo due cicli:

• Litico: il virus trasferisce i suoi acidi nucleici sotto forma di plasmide nella cellula infetta e ne monopolizza i

meccanismi di replicazione per formare nuovi virus; questi poi escono lisando la cellula o per esocitosi, in modo da

essere ricoperti da un doppio strato di fosfolipidi in più che funge da protezione;

• Lisogeno: il virus inietta gli acidi nucleici sotto forma di episoma, che si integra nel cromosoma batterico e rimane

silente fino a quando non si verificano delle condizioni ambientali favorevoli; a questo punto si stacca ed entra nel

ciclo litico. Quando l'episodio ma si stacca dal cromosoma batterico può staccare anche una parte di quest'ultimo e

trasferirlo al nuovo ospite, portando delle modificazioni che possono essere vantaggiose o svantaggiose: questo

meccanismo è detto trasduzione virale. Alcuni virus sono detti retrovirus (HIV, coronavirus) in quanto i loro acidi

nucleici (RNA virale) vengono copiati in DNA da degli enzimi detti trascrittasi inverse in modo da poter essere

inseriti nel cromosoma.

I viroidi sono agenti infettanti ad RNA circolare privi di un rivestimento proteico. I prioni invece sono agenti infettanti

composti esclusivamente da proteine mutate (proteine scrapie) che si diffondono in quanto sono proteine con un

ripiegamento non corretto e se poste vicino ad altre proteine normali ne modificano il ripiegamento. Si pensa che siano

state mantenute poiché in passato portavano un vantaggio rispetto alla forma normale. Un esempio di malattie dovute a

queste forme sono il morbo della mucca pazza o la malattia di Creutzfeldt-Jacob nell'uomo.

Si ritiene che la vita sia nata nelle bocche idrotermali di catene sottomarine, ricche di molecole organiche e di calore

necessario per far avvenire le reazioni. I primi organismi dovevano essere procarioti eterotrofi anaerobi ed il primo

meccanismo metabolico deve essere stato la glicoli: è il modo più semplice per ottenere energia e non può essersi

+

sviluppata indipendentemente poiché richiede 10 enzimi diversi e la riduzione anaerobica del NAD a NADH; inoltre avviene

+

nel citoplasma, quindi senza la necessità di organelli specializzati. Per rigenerare il NAD viene usata la fermentazione

lattica o alcolica: il risultato della glicolisi e della fermentazione è di 2 molecole di ATP.

Ogni essere vivente è un sistema che attinge energia dall'ambiente e la converte in altre forme: l'energia chimica derivate

dal cibo viene convertita in energia meccanica (lavoro), energia termica (calore) ed energia elettrica (potenziale d'azione). Il

1° principio della termodinamica afferma che la somma algebrica di Q (calore) e W (lavoro) dipende unicamente dagli stati

iniziali e finali del sistema e non dalla particolare trasformazione. La conseguenza di ciò è il principio di conservazione

dell'energia: l'energia non può essere né creata né distrutta. Il 2° principio della termodinamica afferma che in ogni lavoro

una parte dell'energia potenziale iniziale è sempre dissipata sotto forma di calore: come conseguenza i sistemi fisici e

chimici evolvono spontaneamente verso stati più stabili (ad energia potenziale minore) ed uniformi (aumento di entropia).

Si possono dividere i processi chimici in due:

• Processi chimici che liberano energia: ogni reazione ha una determinata energia di attivazione, il superamento della

quale permette alla reazione di procedere verso prodotti più stabili e libera energia. Un esempio è la combustione,

cioè una rapida e spontanea ossidazione, oppure la respirazione cellulare, cioè una combustione graduale in cui gli

enzimi abbassano l'energia di attivazione per permettere alle reazioni di avvenire a temperature vitali; la quantità

di energia liberata nei due processi è tuttavia identica. La differenza tra fenomeni fisici e biologici è la destinazione

dell’energia liberata: nei fenomeni fisici l'energia viene dissipata sotto forma di calore, mentre nei fenomeni

biologici questa viene convertita in legami chimici. Anche l'idrolisi, cioè la scissione dei legami chimici, è una

reazione che libera energia e nei sistemi biologici è permessa grazie all'intervento di enzimi specializzati.

• Processi chimici che richiedono energia: è possibile far evolvere certi processi in senso opposto a quello spontaneo

fornendo energia. Tra questi processi chimici troviamo le reazioni di biosintesi, cioè quelle che portano alla

formazione di molecole complesse partendo da molecole semplici: un esempio sono la riduzione e la formazione di

nuovi legami (condensazione), la chemiosintesi e la fotosintesi, cioè tutti i processi non spontanei. Tra i processi

chimici che richiedono energia troviamo anche l'accumulo di quest'ultima sotto forma di ATP o sotto forma di

materiali di riserva che vengono demoliti per idrolisi all'occorrenza (glicogeno e amido).

Le versioni primitive del metabolismo si svilupparono in assenza di ossigeno (3,5 miliardi di anni fa) e dunque esistevano

solo gli eterotrofi anaerobi e gli autotrofi anaerobi, che attuavano la fotosintesi anossigenica. Solo più recentemente si

svilupparono versioni progredite del metabolismo, che prevedevano il consumo o la produzione di ossigeno (fotosintesi

ossigenica e respirazione cellulare aerobica). Tuttavia i procarioti autotrofi anaerobi esistono ancora e vivono infossati in

ambienti privi di ossigeno. Alcuni organismi primitivi iniziarono a produrre glucosio in quanto iniziava a scarseggiare come

fonte di energia; scelsero il glucosio in quanto è più stabile degli altri zuccheri e più resistente ai cambiamenti di

temperatura. Inizialmente venne prodotto per chemiosintesi, invertendo le 10 tappe della glicolisi: solo 7 enzimi sono

comuni, mentre gli enzimi che catalizzavano le reazioni di produzione di energia vennero sostituiti. Ciò è avvenuto

probabilmente perché un gene è stato duplicato più volte e una copia ha sviluppato modifiche che hanno per portato alla

comparsa di enzimi leggermente diversi capaci di catalizzare le reazioni inverse. Un esempio di organismi chemioautotrofi

sono i solfobatteri (6 CO + 6 H O = C H O + 6 S ) e gli archea metanogeni. Apparvero poi organismi fotoautotrofi, che

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svilupparono la primitiva fotosintesi anossigenica: grazie a dei pigmenti fotosensibili (la batterioclorofilla) ricavavano

energia dalla luce solare e grazie ad un donatore di elettroni (H S, acido solfidrico) e un accettore di elettroni (CO , anidride

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carbonica) erano in grado di produrre glucosio e zolfo come