Biologia cellulare - introduzione al corso e macromolecole

BIOLOGIA CELLULARE

INTRODUZIONE

Lo studio degli organismi viventi è un'impresa complessa che può essere affrontata attraverso molteplici livelli di indagine, ciascuno dei quali si avvale di discipline e

metodologie specifiche. Un approccio gerarchico permette di scomporre la complessità di un organismo nella sua totalità, come un essere umano, in sistemi

progressivamente più semplici. Si parte dall'analisi di apparati e organi, per poi scendere al livello dei tessuti e, infine, giungere all'unità fondamentale della

vita: la cellula. La cellula, infatti, rappresenta la più elementare forma di vita conosciuta. Tuttavia, l'analisi non si arresta a questo livello. È possibile approfondire

ulteriormente lo studio esaminando le strutture interne della cellula, gli organelli, per poi passare alle macromolecole che li compongono e, in ultima analisi, alla

struttura atomica degli elementi chimici che costituiscono la materia vivente. Questa stratificazione dimostra come i sistemi biologici siano intrinsecamente complessi

e richiedano un approccio multidisciplinare per essere compresi appieno. Per orientarsi nella straordinaria diversità del mondo vivente, la biologia utilizza un sistema

di classificazione gerarchico. Questo sistema organizza gli organismi in categorie tassonomiche viavia più ampie, partendo dalla specie e risalendo attraverso genere,

famiglia, ordine, classe, phylum e regno, fino a raggiungere il raggruppamento più inclusivo, il dominio. La classificazione moderna riconosce tre domini principali:

Eubatteri:

1. Comprende la maggior parte dei batteri comunemente noti.

Archea:

2. Raggruppa organismi procarioti spesso adattati a condizioni ambientali estreme.

Eucarioti:

3. Include un'ampia varietà di organismi, che spaziano dai protisti unicellulari ai funghi, alle piante e agli animali pluricellulari.

Mentre i primi due domini sono costituiti da organismi procarioti, il terzo è definito dalla presenza di cellule eucariotiche.

TEORIA CELLULARE

La scoperta della cellula segna l'inizio della biologia cellulare come disciplina scientifica. Le prime osservazioni risalgono

al 1665, quando lo scienziato inglese Robert Hooke, utilizzando un microscopio rudimentale, analizzò sottili fettine di

sughero. Hooke notò che il materiale era composto da una serie di piccole cavità regolari e adiacenti, che gli ricordavano

le celle di un monastero. Per questo motivo, le battezzò "cellule", termine che significa "piccole stanze". Questa

osservazione, sebbene riguardasse le pareti cellulari vuote di cellule vegetali morte, fu il punto di partenza per secoli di

ricerche successive. L'insieme degli studi microscopici e sperimentali condotti nei secoli successivi portò alla

cellulare”,

formulazione della “teoria un pilastro della biologia moderna. Questa teoria si fonda su tre principi cardine:

1. Tutti gli esseri viventi sono composti da una o più cellule. Esistono organismi unicellulari, come i batteri, e organismi

pluricellulari complessi, come piante e animali.

2. La cellula è l'unità fondamentale della struttura e della funzione di ogni organismo vivente. Essa rappresenta la più

piccola entità in grado di manifestare tutte le proprietà della vita.

3. Ogni cellula deriva da una cellula preesistente. Questo principio, riassunto nella massima latina omnis cellula e cellula,

implica che le cellule non si originano spontaneamente, ma si formano attraverso processi di divisione cellulare.

CARATTERISTICHE UNIVERSALI DELLE CELLULE

Nonostante l'enorme diversità di forme e funzioni, tutte le cellule, indipendentemente dall'organismo di appartenenza,

condividono una serie di caratteristiche strutturali e funzionali fondamentali che ne testimoniano un'origine evolutiva

comune:

- Membrana Cellulare (o Plasmatica): Ogni cellula è avvolta da una membrana che la separa fisicamente dall'ambiente

esterno, definendo uno spazio interno distinto. Questa barriera non è statica, ma svolge un ruolo attivo e cruciale.

Regola il flusso di sostanze in entrata (nutrienti) e in uscita (cataboliti), mantenendo l'omeostasi interna. Inoltre, la

membrana plasmatica è il punto di contatto primario della cellula con il suo microambiente, che può includere altre

cellule o la matrice extracellulare. Attraverso proteine presenti sulla sua superficie, la cellula è in grado di captare

segnali chimici (come ormoni o fattori di crescita) provenienti dall'esterno e di tradurli in risposte interne specifiche,

attraverso un complesso processo noto come “trasduzione del segnale”.

- Materiale Genetico (DNA): Tutte le cellule utilizzano l'acido desossiribonucleico (DNA) come depositario

dell'informazione genetica. Questa molecola contiene le istruzioni per la sintesi di tutte le altre componenti cellulari e

per la regolazione di ogni processo vitale. L'unica eccezione rilevante a questa regola si trova nei “virus”, i quali

possono utilizzare anche l'RNA come materiale genetico. Tuttavia, i virus non sono considerati cellule vere e proprie, in

quanto sono parassiti intracellulari obbligati, privi di un metabolismo autonomo e della capacità di riprodursi senza

sfruttare l'apparato biosintetico della cellula ospite.

- Macromolecole Biologiche e Chimica di Base Comune: Oltre al DNA, tutte le cellule contengono le altre classi di

macromolecole biologiche essenziali: RNA, proteine, carboidrati e lipidi. La chimica di base è sorprendentemente

simile in tutti gli organismi viventi. La maggior parte della massa cellulare (esclusa l'acqua) è costituita da pochi

elementi chimici, principalmente carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto. Sono inoltre presenti sali minerali e altre piccole

molecole indispensabili per le diverse funzioni cellulari.

- Metabolismo Energetico e ATP: La vita è un processo che richiede un costante dispendio di energia per mantenere

l'ordine, sintetizzare nuove molecole e svolgere lavoro. Le cellule acquisiscono e trasformano energia attraverso il

metabolismo. La valuta energetica universale della cellula è una piccola molecola chiamata “adenosina trifosfato

(ATP)”. La rottura dei legami fosfato ad alta energia dell'ATP libera l'energia necessaria per alimentare innumerevoli

processi cellulari che non avverrebbero spontaneamente. Nelle cellule eucariotiche, la maggior parte dell'ATP viene

prodotta attraverso la respirazione cellulare, un processo che avviene in gran parte nei mitocondri. Il "consumo di

energia" da parte di una cellula è, nella maggior parte dei casi, sinonimo di "consumo di ATP". Questa molecola può

essere prodotta sia in presenza che in assenza di ossigeno con due processi biochimici differenti quali la fosforilazione

ossidativa e la glicolisi.

- Divisione Cellulare: Come sancito dalla teoria cellulare, le cellule si riproducono dividendosi. Questo processo

assicura la crescita, la riparazione dei tessuti e la riproduzione degli organismi. Le modalità di divisione differiscono

notevolmente tra i principali tipi cellulari: i procarioti si dividono per scissione binaria, mentre gli eucarioti utilizzano

processi più complessi noti come mitosi e meiosi.

I DUE MODELLI DI ORGANIZZAZIONE CELLULARE: PROCARIOTI ED EUCARIOTI

Sulla base della loro organizzazione interna, le cellule si classificano in due grandi categorie: procariotiche ed eucariotiche. Si ritiene che la cellula eucariotica

rappresenti un'evoluzione di quella procariotica, originatasi attraverso processi come l'invaginazione della membrana plasmatica per creare compartimenti interni

e fenomeni di endosimbiosi, ovvero l'inglobamento

di un batterio da parte di un altro a beneficio reciproco. Il nome stesso delle due categorie rivela la differenza più macroscopica: “pro-carion” significa "prima del

nucleo", mentre “eu-carion” significa "vero nucleo". La presenza di un nucleo delimitato da membrana negli eucarioti, e la sua assenza nei procarioti, è tuttavia

solo l'aspetto più evidente di una divergenza organizzativa molto più profonda e complessa.

Compartimentazione e Localizzazione dei Processi Molecolari: La caratteristica distintiva della cellula eucariotica è la “compartimentazione”, ovvero la

suddivisione dello spazio interno in organelli delimitati da membrana, ciascuno specializzato per una funzione specifica. Questa organizzazione non esiste nei

procarioti. La presenza del nucleo negli eucarioti crea una separazione fisica e temporale tra i processi di trascrizione (sintesi di RNA a partire da uno stampo di

DNA) e traduzione (sintesi di proteine a partire da uno stampo di RNA). La trascrizione avviene nel nucleo, mentre la traduzione avviene nel citoplasma, sui

ribosomi. Nei procarioti, in assenza di un nucleo, DNA, RNA e ribosomi coesistono nel citoplasma, e i processi di trascrizione e traduzione possono avvenire

simultaneamente.

Organizzazione del genoma: Il DNA procariotico è tipicamente una singola molecola circolare. Il DNA eucariotico, invece, è suddiviso in più molecole lineari, i

“cromosomi”. Ad esempio, ogni cellula somatica umana contiene 46 cromosomi, che corrispondono a 46 distinte molecole di DNA. Data l'enorme lunghezza di

queste molecole, il DNA eucariotico deve essere compattato per poter essere contenuto nel volume ridotto del nucleo. Questo avviene grazie all'associazione con

specifiche proteine, principalmente istoni, a formare una struttura complessa chiamata “cromatina”

Dinamiche intracellulari e citoscheletro: Il citoplasma eucariotico è pervaso da una fitta rete di filamenti proteici che costituisce il “citoscheletro”. Questa

struttura dinamica non solo fornisce supporto meccanico e determina la forma della cellula, ma agisce anche come un sistema di "binari" per il trasporto di

organelli e vescicole. Il continuo flusso di ”vescicole intracellulari”, che gemmano da uncompartimento e si fondono con un altro per trasportare materiali, è un

meccanismo fondamentale dell'organizzazione eucariotica, reso possibile dal citoscheletro e assente nei procarioti.

Complessità della divisione e sviluppo: La divisione cellulare eucariotica (mitosi e meiosi) richiede un macchinario molecolare sofisticato per assicurare che

ogni cellula figlia riceva una copia completa e corretta del genoma. Un elemento chiave di questo processo è il fuso mitotico, una struttura composta da

microtubuli (uno dei componenti del citoscheletro) che si aggancia ai cromosomi e ne orchestra la separazione. Tale struttura non esiste nei procarioti, che si

affidano a un meccanismo più semplice di scissione binaria. Inoltre, l'organizzazione multicellulare degli eucarioti introduce un processo biologico cruciale: il

differenziamento cellulare. Durante lo sviluppo embrionale, a partire da una singola cellula (lo zigote), si generano popolazioni di cellule che si specializzano per

svolgere funzioni diverse (es. cellule nervose, muscolari, epiteliali). Questo processo, basato su una regolazione finemente controllata dell'espressione genica,

non ha un equivalente nel mondo procariotico, dove una singola cellula deve essere in grado di compiere tutte le funzioni vitali.

Per visualizzare la complessa architettura interna della cellula eucariotica, l'occhio umano non è sufficiente, poiché il suo potere risolutivo si ferma a circa 100

micron. Anche il microscopio ottico (o a luce), pur permettendo di osservare la cellula nel suo insieme e talvolta il nucleo, non riesce a distinguere la maggior

parte delle strutture subcellulari. È solo con l'avvento del “microscopio elettronico”, dotato di un potere di risoluzione molto più elevato, che è stato possibile

svelare l'ultrastruttura degli organelli cellulari.

La cellula eucariotica si divide in cellula vegetale e animale:

cellula vegetale

• la

• la cellula animale, principali organelli e strutture subcellulari:

Il Nucleo: Considerato il "centro di controllo" della cellula, il nucleo è l'organello più prominente. È delimitato da un "involucro nucleare", una doppia membrana

(una membrana interna e una esterna) che lo separa dal citoplasma. All'interno del nucleo è contenuta la cromatina, l'insieme di DNA e proteine associate. Una

regione particolarmente densa all'interno del nucleo è il nucleolo, che non è delimitato da membrana. Il nucleolo è il sito di intensa attività biosintetica: qui avviene

la trascrizione dei geni che codificano per gli RNA ribosomiali (rRNA) e l'assemblaggio di questi rRNA con le proteine ribosomiali per formare le subunità dei

ribosomi.

I Mitocondri: Questi organelli sono le "centrali energetiche" della cellula. Sono la sede della fase aerobica della “respirazione cellulare” e del processo di

fosforilazione ossidativa, che insieme producono la stragrande maggioranza dell'ATP cellulare. La loro struttura è caratteristica: sono avvolti da una doppia

membrana. La membrana esterna è relativamente permeabile, mentre quella interna è molto selettiva e ripiegata in creste, che aumentano la superficie disponibile

per le reazioni chimiche.

La Teoria Endosimbiontica: I mitocondri possiedono una serie di caratteristiche peculiari che hanno portato alla formulazione della “teoria endosimbiontica”.

Secondo questa teoria, i mitocondri deriverebbero da antichi batteri aerobi che furono fagocitati da una cellula ospite ancestrale. Invece di essere digerito, il

batterio internalizzato stabilì una relazione di simbiosi con la cellula ospite. Il beneficio era reciproco: la cellula ospite otteneva un'enorme efficienza nella

produzione di energia (da circa 2 molecole di ATP per glucosio a circa 38), mentre il batterio trovava un ambiente protetto e ricco di nutrienti. Le prove a sostegno

di questa teoria sono numerose:

1. I mitocondri possiedono un proprio “DNA circolare”, simile a quello batterico.

2. Sono dotati di propri “ribosomi”, anch'essi più simili a quelli procariotici che a quelli eucariotici citoplasmatici, e sono in grado di sintetizzare autonomamente

alcune delle proprie proteine.

3. La presenza di una “doppia membrana” è coerente con un evento di fagocitosi: la membrana interna corrisponderebbe alla membrana originale del batterio,

mentre quella esterna deriverebbe dalla membrana della cellula ospite che lo ha inglobato.

4. La membrana interna mitocondriale contiene un lipide, la “cardiolipina”, che è tipico delle membrane batteriche ma assente nelle altre membrane della cellula

eucariotica.

I Ribosomi: Sono complessi macromolecolari composti da RNA e proteine, responsabili della sintesi proteica (traduzione). Non essendo delimitati da membrana,

non sono considerati organelli in senso stretto, ma piuttosto strutture subcellulari. Per questo motivo, si trovano sia nelle cellule eucariotiche (liberi nel citoplasma o

legati al RER) sia in quelle procariotiche.

Il Reticolo Endoplasmatico (RE): È una vasta rete di membrane interconnesse (cisterne e tubuli) che si estende in tutto il citoplasma. Si distingue in due regioni

funzionalmente diverse:

“Reticolo Endoplasmatico Rugoso (RER)”: È chiamato così per la presenza di ribosomi adesi alla sua superficie citoplasmatica. È la sede della sintesi delle proteine

destinate a essere secrete dalla cellula, inserite nelle membrane o dirette ad altri organelli.

“Reticolo Endoplasmatico Liscio (REL)”: È privo di ribosomi ed è coinvolto nella sintesi di lipidi e steroidi, nel metabolismo dei carboidrati e nella detossificazione

da farmaci e veleni.

virus

I rappresentano un'entità biologica a sé stante, distinta dalle cellule. Non sono considerati organismi viventi nel senso pieno del termine, ma “parassiti

intracellulari obbligati”. La loro struttura è relativamente semplice: un genoma, che può essere a DNA o a RNA, a singolo o a doppio filamento, racchiuso in un

rivestimento proteico detto “capside”. I virus mancano degli apparati enzimatici necessari per la replicazione del proprio materiale genetico e per la sintesi

proteica. Per potersi moltiplicare, devono infettare una cellula ospite (batterica, vegetale o animale) e sfruttarne i macchinari biosintetici. Una volta all'interno, il

genoma virale "dirotta" la cellula, costringendola a produrre nuove copie del genoma e delle proteine virali. Questi componenti si auto-assemblano in nuove

particelle virali (virioni), che vengono infine rilasciate, spesso causando la lisi (rottura) della cellula ospite, pronte a infettare altre cellule. Un caso particolare è

rappresentato dai virus a RNA, come il virus dell'HIV o i coronavirus. Poiché l'RNA non può essere replicato direttamente nelle cellule ospiti, questi virus

devono prima convertire la loro informazione genetica in DNA. Questo processo, noto come “trascrizione inversa”, è catalizzato da un enzima virale chiamato

“trascrittasi inversa”. L'enzima sintetizza una molecola di DNA utilizzando l'RNA virale come stampo, un flusso di informazione opposto a quello della

trascrizione cellulare (da DNA a RNA). Il DNA così prodotto può poi essere integrato nel genoma della cellula ospite e utilizzato per produrre nuovi genomi virali

a RNA e le proteine necessarie.

LE BASI CHIMICHE DELLA VITA - acqua e macromolecole

• L'ambiente acquoso e gli elementi fondamentali

idrofilicità e idrofobicità

• Interazioni nel contesto acquoso:

• LEGAMI CHIMICI

• le macromolecole biologiche i polimeri della vita

LE BASI CHIMICHE DELLA VITA - acqua e macromolecole

L'ambiente acquoso e gli elementi fondamentali

Tutte le forme di vita conosciute condividono una chimica di base comune, che si svolge in un contesto prevalentemente acquoso. Gli organismi viventi sono

costituiti per il 70-90% del loro peso da acqua (H₂O).

La parte rimanente, il "peso secco", è composta principalmente da macromolecole e ioni. Sorprendentemente, oltre il 90% della massa degli organismi è

costituita da soli quattro elementi chimici: carbonio (C), idrogeno (H), ossigeno (O) e azoto (N). Il carbonio è l