Biologia

Biologia: lezione 2

Tutte le cellule, pur essendo molto diverse fra di loro dal punto di vista morfologico, condividono molte cose. Una caratteristica comune a tutte le cellule è che sono microscopiche e bisogna osservarle con i microscopi, tranne alcune che fanno eccezione, come le cellule uova che possiamo vedere ad occhio nudo. Queste hanno una funzione fondamentale, quella di contenere tutte le sostanze nutritive necessarie ad un embrione per svilupparsi.

Le cellule sono microscopiche

Per vedere e osservare delle cellule dobbiamo utilizzare degli strumenti chiamati microscopi. Per questo si dice che le cellule sono tutte microscopiche, cioè non osservabili ad occhio nudo. Microscopio è un termine molto generale, ce ne sono di moltissimi tipi e una classificazione più importante è quella che li divide in: ottico ed elettronico. L’antenato del microscopio ottico è forse quello utilizzato da Hooke per vedere le prime cellule di sughero. In questa scala con il microscopio ottico si possono osservare le cellule e, all’interno di esse, si possono vedere anche gli organelli più grandi, quindi il nucleo, e a volte anche i mitocondri o i cloroplasti. Tutto quello che è più piccolo, quindi tutti gli organelli più piccoli all’interno della cellula, possono essere osservati solo attraverso il microscopio elettronico. Fra le altre cose che possono essere osservate al microscopio elettronico, ci sono le molecole e i virus (aggregato di molecole).

Microscopio ottico

La caratteristica principale del microscopio ottico è che possiamo osservare delle cellule morte, quindi fissate e colorate. Si possono colorare in modo specifico le varie parti della cellula. Con esso si possono osservare anche delle cellule vive, quindi è uno strumento fondamentale per lo studio della biologia.

Microscopio elettronico

Il microscopio elettronico è uno strumento ancora più sofisticato e che raggiunge degli ingrandimenti 1000 volte più grandi. Ha un potere di risoluzione di 0,2 nm, quindi si parla di milliardesimi di metro e anche il potere di risoluzione è 1000 volte più basso rispetto al microscopio ottico. Il microscopio elettronico funziona in modo completamente diverso rispetto al microscopio ottico: non utilizzerà lenti di vetro ma elettromagneti per focalizzare l’immagine e non utilizza la luce per illuminare il campione ma utilizzerà un fascio di elettroni per attraversare il campione, e dalla loro rifrazione si potrà vedere un’immagine su uno schermo. Il microscopio elettronico è stato inventato nel 1903. Con il microscopio elettronico si possono studiare cellule e tessuti ormai morti, quindi trattati, fissati, inclusi in resine, tagliati in fette sottilissime per poter permettere il passaggio di elettroni attraverso queste sottilissime fettine, in modo da andare a vedere cosa c’è dentro la cellula.

In questo caso, il microscopio che viene usato per vedere l’interno della cellula si chiama microscopio elettronico a trasmissione o TEM. Ci sono microscopi elettronici che permettono di osservare la superficie di una cellula o di un tessuto e questi si chiamano microscopi elettronici a scansione o SEM. Le immagini che si ottengono con questo microscopio ci permettono di vedere la superficie della cellula, strutture che fuoriescono dalla cellula stessa o strutture appariscenti. Gli ingrandimenti che si possono ottenere sono però più bassi rispetto a quelli che si ottengono con un microscopio elettronico a trasmissione.

Domanda: con quale tipologia di microscopio posso vedere i virus?

Con il microscopio elettronico. Ad esempio, un fago è un virus che attacca i batteri. I virus che attaccano i batteri sono molto particolari per la loro morfologia e vengono anche chiamati fagi. I virus non sono né batteri né cellule, ma li possiamo definire come agglomerati di macromolecole. Invece, i batteri sono visibili in un microscopio ottico perché sono delle cellule.

La dimensione delle cellule

Perché noi, che siamo degli organismi pluricellulari, non siamo costituiti da un’unica cellula gigante? Non ci sono cellule gigantesche, quindi il limite per le dimensioni cellulari è rappresentato dal rapporto tra l’area della superficie di una cellula e il volume della cellula stessa. Se noi prendiamo un cubo, la sua superficie, mano a mano che il cubo diventa sempre più grande, aumenta. Il volume aumenta molto di più. Perché questo rapporto tra superficie e volume non deve essere molto basso? Perché il volume di una cellula rappresenta il metabolismo della cellula, tutte le reazioni chimiche avvengono all’interno di questo volume della cellula. Però, tutte queste reazioni chimiche che, a mano a mano, aumentano il volume aumenteranno, determinano un aumento di produzione di riserve e sostanze di rifiuto e un aumento di necessità di nutrienti che devono venire dall’esterno. Quindi, la superficie della cellula è quella che determina la quantità di sostanze che può assumere e sostanze di rifiuto che devono essere eliminate. Se la cellula aumentasse moltissimo, mentre la sua superficie non aumentasse allo stesso modo, la sua attività chimica porterebbe a una produzione di rifiuti che non possono essere eliminati, oppure ad un certo punto verrebbero a mancare delle sostanze necessarie per il suo metabolismo. Questo è il motivo per cui una cellula molto grande morirebbe.

Ci sono delle cellule che sono molto grandi, ma queste cellule si sono specializzate in modo da aumentare moltissimo la superficie esterna e quindi la possibilità di comunicazione e di contatto con l’esterno. Per esempio, le cellule dell’epitelio intestinale sono delle cellule molto grandi che però aumentano moltissimo la superficie esterna grazie alla presenza dei microvilli, che sono queste protuberanze circondate da membrana, e quindi aumentano la capacità di assorbimento. Un’altra cellula molto grande è il neurone. Il neurone è sì grandissimo, ma è caratterizzato da questa struttura ramificata che aumenta moltissimo la superficie esterna, la superficie di contatto della cellula con l’esterno.

Rappresenta i batteri che sono questi cilindretti sulla punta di uno spillo

I procarioti (microbioma) sono la forma di vita dominante nella biosfera. Ci sono 2500 specie diverse di procarioti, sono tutti organismi unicellulari e la loro massa biologica supera di 10 volte la massa di tutti gli eucarioti.

Risposta: apparato di Golgi

Perché una differenza sostanziale tra organismi procarioti e eucarioti è proprio il fatto che i batteri non presentano organelli al loro interno, non presentano una compartimentalizzazione che è tipica invece degli eucarioti.

Vantaggi evolutivi dei procarioti

I procarioti sono organismi viventi, a differenza dei virus, sono unicellulari ma ridotti all’essenziale. Qual è il vantaggio evolutivo che ha permesso a questi organismi di sopravvivere (perché sono i primi che si sono evoluti nella storia evolutiva), ma anche di essere ancora presenti in modo così massiccio e importante sulla Terra? I vantaggi evolutivi sono:

• Ridotti all’essenziale: quello che fanno molto bene è dividersi e crescere, in 11 ore possono raggiungere 5 miliardi; quindi colonizzano velocemente l’ambiente in cui si trovano.
• Sono anche molto versatili, cioè sono in grado di utilizzare come nutrienti per sopravvivere, per crescere e per dividersi, sostanze chimiche che, invece, organismi e cellule più evolute come le cellule eucariote, non riescono ad utilizzare.
• Riescono a sopravvivere in ambienti caldissimi, in mancanza di ossigeno, quindi nelle situazioni più difficili e complesse. Quindi riescono a colonizzare tutti gli habitat che non sono utilizzabili e adatti agli organismi superiori.
• Sono capaci di evolversi, perché riescono a scambiare del materiale genetico e questo grazie alla presenza di piccole molecole di DNA circolare che sono i plasmidi. Quindi possono scambiarsi caratteristiche tra di loro.

Se noi andiamo a vedere la morfologia, sono molto semplici, non hanno questa diversità di forme che è tipica delle cellule eucariote. Possono essere sferici, e quindi si parla di cocchi, oppure avere una struttura a bastoncello, oppure spiraliforme. Tutti questi sono osservabili al microscopio ottico, alcuni sono molto piccoli. Il micoplasma per esempio è un batterio molto piccolo e anche molto pericoloso perché un’infezione da micoplasma può passare inosservata proprio perché non è facile osservarlo al microscopio ottico. Il microscopio ottico è il più utilizzato per osservare dei batteri, delle infezioni o delle contaminazioni batteriche.

I batteri possono unirsi insieme a costituire delle colonie come questi cocchi, però tutte le cellule che costituiscono queste colonie sono uguali e separate fra di loro, cioè non si specializzano mai, quindi non si può parlare ancora di organismi pluricellulari. Gli organismi pluricellulari sono gli organismi in cui le cellule oltre ad unirsi insieme, si differenziano sia morfologicamente che come funzioni.

Tutti i batteri hanno dei caratteri condivisi:

• La membrana plasmatica
• Citoplasma (cioè quello che è dentro la membrana plasmatica, quindi tutto il fluido biologico che è all’interno di queste cellule)
• Nucleoide, che non è altro che la molecola di DNA, il materiale genetico di questi organismi viventi. In questo caso non si parla di nucleo perché non esiste, ma di nucleoide che è la zona della cellula all’interno della quale si va a disporre il DNA.

Oltre ai caratteri condivisi, hanno anche delle strutture specializzate che possono essere in alcuni casi presenti, oppure no. Tra le strutture specializzate quella più importante è:

• La parete cellulare, anche con forme diverse, è presente in tutti i batteri e ha funzione di sostegno e protezione;
• Membrana esterna, che può esistere o meno. È al di sopra della parete cellulare;
• Strutture di protezione più esterne, come le capsule;
• Membrane all’interno della cellula, che si chiamano Mesosomi o Membrane fotosintetiche, che non sono altro che un’introflessione della membrana plasmatica;
• Flagelli o pili, strutture che escono dalla parete cellulare, quindi dalla superficie della cellula stessa, che si allungano verso l’esterno.

Tutte queste strutture li potete trovare nell’immagine al microscopio elettronico del batterio. All’interno della cellula c’è il citoplasma, e all’interno del citoplasma ci sono i ribosomi che sono delle strutture costituite da RNA e proteine che hanno la funzione di fare la sintesi proteica. I ribosomi non sono organelli perché non sono circondati da membrana. I ribosomi si trovano sia negli eucarioti che nei procarioti anche se sono più piccoli quelli che si trovano nei procarioti. Sono presenti anche nei batteri perché la sintesi proteica è indispensabile. La funzione della parete batterica è quella di sostegno e di protezione, è costituita da peptidoglicani.

Peptido sta per catena peptidica, quindi una catena di amminoacidi; Glicani sta per zuccheri; Quindi è composta da zuccheri e peptidi. Gli zuccheri sono di due tipi e si alternano a costituire delle lunghe catene: N-acetilglucosammina e l’acido N-acetilmuramico. Quindi è costituita da queste lunghe catene di zuccheri tenuti insieme da delle corte catene di peptidi. È una rete, e più reti di questo tipo si sovrappongono a costituire una struttura più o meno spessa che dà consistenza, permette la difesa dagli attacchi esterni, e dà sostegno.

Una delle differenze più importanti tra eucarioti e procarioti è proprio questa: gli eucarioti, in particolar modo, le cellule animali, non presentano una parete esterna, però nel loro interno hanno una serie di molecole, di strutture, di filamenti che costituiscono il citoscheletro, che hanno la funzione importante di sostenere la cellula. Quindi diciamo che la cellula batterica non ha il citoscheletro, ma non ne ha bisogno perché la funzione di sostegno è adottata dalla parete esterna. Del resto, la cellula batterica è molto più piccola rispetto a quella degli eucarioti.

Antibiotici

Gli antibiotici sono dei farmaci importantissimi che hanno salvato e salveranno la vita di tantissime persone. Ci sono tanti batteri che hanno delle funzioni benefiche nei nostri confronti come la flora intestinale, o i batteri dello yogurt, ma ci sono anche batteri che causano diverse patologie e infezioni. Quindi la scoperta della penicillina, degli antibiotici, è stata una scoperta che ha rivoluzionato la nostra vita. La penicillina è uno degli antibiotici più importanti, il primo ad essere stato trovato e anche adesso il più utilizzato. La muffa è l’organismo vivente che produce la penicillina. Come agisce questa sostanza che è la penicillina? Perché è un antibiotico importante? Agisce perché inibisce proprio la sintesi della parete cellulare, della parete batterica, quando sta crescendo, quindi quando la cellula è in fase di divisione, e lo fa interagendo con un enzima che è la transpeptidasi, che è la responsabile della formazione del reticolo.

Batteri Gram positivi e batteri Gram negativi

Una distinzione importante che viene fatta tra i batteri è: batteri Gram-positivi e batteri Gram-negativi. Di solito quelli Gram-negativi sono più pericolosi dal punto di vista patologico. La caratteristica dei batteri Gram-positivi è di avere una parete di peptidoglicani molto spessa. I batteri Gram-negativi hanno addossati esternamente alla parete una membrana esterna, che è diversa dalla membrana cellulare. Essa va a disporsi sopra la parete. In questo caso i batteri, oltre ad avere addossati esternamente alla parete un’altra membrana che è costituita da lipopolisaccaridi, quindi da lipidi, grassi e zuccheri, presentano anche una parete molto sottile rispetto a quella dei batteri Gram-positivi. Queste caratteristiche determinano la capacità o meno di questi batteri di essere colorati con del colorante di Gram. Alla fine della colorazione, i batteri che assumono un colore violetto scuro, vengono detti Gram-positivi, quelli che si colorano meno e comunque hanno una colorazione più rossiccia vengono chiamati Gram-negativi.

Si colorano diversamente perché questo colorante va a colorare i peptidoglicani della parete cellulare. I batteri Gram-positivi che hanno una parete esterna e molto spessa, quindi, si coloreranno intensamente. I Gram-negativi sono quelli che hanno una parete meno spessa e esternamente una membrana esterna, che in qualche modo filtra il colorante e quindi impedisce a queste cellule di colorarsi così intensamente. Esternamente a questa membrana esterna, ci possono essere altre strutture di protezione come le capsule. Le capsule sono costituite soprattutto da zuccheri, da sostanze gelatinose. Hanno una funzione di protezione dall’essiccamento, o dall’attacco anche degli anticorpi e del sistema immunitario degli animali. Pili e flagelli non sempre sono presenti. Sono delle strutture allungate. I flagelli (cellule flagellate), sono ad esempio gli spermatozoi che sono le cellule con flagello. Gli spermatozoi però sono cellule eucariote quindi completamente diverse dalle cellule batteriche.

I flagelli dei batteri sono delle strutture allungate che servono per il movimento della cellula stessa, quindi hanno la stessa funzione dei flagelli o delle ciglia che si trovano nelle cellule eucariote, però hanno una composizione chimica molto semplice sono costituiti da poche proteine. I pili o peli sono delle piccole strutture filiformi allungate che si dipartono dalla superficie della cellula batterica. Servono per il trasferimento di materiale genetico da un batterio all’altro. Sono praticamente dei piccoli canali. Le cellule batteriche possono tendere contatto (attaccarsi) grazie ai pili, e in questo modo, trasferirsi il materiale genetico. Sempre nei procarioti, all’interno di queste cellule, ci sono anche delle membrane interne che sono i tilacoidi e mesosomi.

I tilacoidi sono figure molto organizzate, presentano degli strati sovrapposti in modo preciso; I mesosomi sono delle membrane che si trovano all’interno di alcune cellule batteriche, però hanno una struttura meno ordinata rispetto ai tilacoidi. Sia i tilacoidi che i mesosomi sono degli organelli dati da introflessioni della membrana cellulare. Quindi essa si allunga dentro la cellula a costituire queste strutture. La funzione dei mesosomi è di respirazione cellulare. Possono essere considerati gli antenati dei mitocondri. Sulla superficie dei tilacoidi andranno a disporsi gli enzimi e le proteine che fanno la fotosintesi, tutte le reazioni fotosintetiche; possono essere considerati gli antenati dei cloroplasti.

Il DNA batterico è un’unica molecola di DNA circolare. Quindi l’informazione genetica dei batteri è racchiusa all’interno di un’unica molecola circolare di DNA. Il DNA batterico non è lineare come negli eucarioti che andranno poi a costituire i cromosomi. Durante la divisione cellulare, quindi durante la crescita batterica, questa molecola di DNA si duplicherà con una modalità più semplificata rispetto al DNA degli eucarioti. Da una sola molecola di DNA circolare se ne formeranno 2 identiche. Queste molecole di DNA sono legate alla membrana della cellula e questo permette alle molecole di distribuirsi in una posizione ben precisa all’interno della cellula. Durante la divisione cellulare questa cellula si allungherà, e durante questo processo le 2 molecole di DNA che si sono formate si se...