Biologia - Cellule, virus e DNA

La cellula: unità fondamentale degli organismi viventi

Il termine “cellula” deriva dal latino “cella”: Robert Hooke la definì tale poiché osservando al microscopio una sezione di sughero la paragonò alle celle di un alveare. Robert Hooke non era consapevole di star osservando, invece, le pareti cellulari delle cellule vegetali.

Teoria cellulare

La teoria cellulare è il principio unificante della biologia fondato su 3 capisaldi validi ancora oggi:

• Le cellule sono le unità fondamentali della vita poiché la nascita, la vita e la morte sono processi che avvengono all’interno delle cellule.
• Tutti gli organismi sono costituiti da cellule; “omnis cellula e cellula” (Virkow, 1855).
• Tutte le cellule derivano da cellule preesistenti: “ogni cellula deriva da una cellula”.

Le conoscenze e la teoria cellulare si sono sviluppate di pari passo con l’avanzamento delle tecnologie. Leeuwenhoek, a fine 1600, costruì una serie di microscopi che gli consentirono di osservare per la prima volta i microorganismi (organismi unicellulari).

Progetto "Genoma"

Craig Venter è stato uno dei promotori del progetto “Genoma”. Nel 2010, un esperimento condotto da Venter e Smith ha dimostrato in laboratorio i requisiti minimi per la creazione di una cellula sintetica. Venne creato un genoma sintetico (la copia pedissequa di un genoma già esistente in natura, quella del Mycoplasma mycoides e trasferito poi nella cellula batterica del Mycoplasma capricorum) e venne determinata al computer la sequenza di DNA minima sufficiente per dare vita ad una cellula batterica controllata (organismo vivente unicellulare).

Dimensioni cellulari e scala microscopica

1 nm a quanti micrometri corrisponde? 1 micrometro a quanti nanometri corrisponde?

• 1 nanometro corrisponde a 0,001 micrometri (1 nm = 10^-3 µm).
• 1 micrometro corrisponde a 1000 nanometri (1 µm = 10³ nm).

Le cellule sono minuscole: il volume di una cellula varia da 1 µm a 1000 µm³. Le dimensioni ridotte dipendono dalla necessità di mantenere un adeguato rapporto tra superficie e volume. Il volume, infatti, determina la quantità di attività chimica svolta dalla cellula nell’unità di tempo, mentre la superficie determina la quantità di sostanze che la cellula può scambiare con l’esterno (cioè con i nutrienti prelevati dall’ambiente e i prodotti di scarto riversati all’esterno).

Caratteristiche dei virus e batteri

I virus sono propriamente definiti entità cellulari dal momento che sono parassiti: per potersi replicare necessitano di entrare in contatto con una cellula ospite. I batteri, in genere, presentano dimensioni maggiori rispetto ai virus che variano tra 5-10 µm. Le cellule vegetali risultano essere molto più grandi delle cellule batteriche e hanno delle dimensioni variabili fino a 100 µm.

Microscopia e ingrandimento

Più sono piccole le cellule che si vanno ad osservare, più il potere di ingrandimento di un microscopio dovrà essere maggiore: è come se il potere di ingrandimento sia inversamente proporzionale alla dimensione delle cellule (cellule animali e vegetali ingrandimento 10/20 x; cellule batteriche ingrandimento 100 x).

Il corpo umano e i tessuti

Il corpo umano contiene 10¹⁴ cellule (100 mila miliardi di cellule differenziate dal punto di vista funzionale, calcolo su uomo giovane di media altezza e di peso intorno ai 70 Kg). Gruppi di cellule che adempiono ad una medesima funzione costituiscono i tessuti (epiteliale, connettivo, muscolare, nervoso). Tessuti uniti strutturalmente e coordinati nella loro attività costituiscono gli organi. Organi diversi che collaborano ad una stessa funzione costituiscono gli apparati. Le cellule differenziate che costituiscono un organismo pluricellulare non sono solo cellule eucariotiche. Batteri, virus e lieviti vivono in simbiosi con le cellule umane:

• Batteri intestinali come Escherichia coli, bifidobatteri, lattobacilli.
• Virus intestinali (gastroenteriti) come rotavirus, adenovirus enterico che alterano il normale equilibrio della flora intestinale (disbiosi intestinale).
• Lieviti (cellule eucariotiche) come Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces boulardii (funzione probiotica: contribuisce in maniera benefica alla funzionalità del microbioma), Candida albicans (lievito patogeno).

Nel corpo umano vi sono più di 200 tipi di cellule che differiscono per funzione nei diversi tessuti. Ogni giorno si formano nuove cellule più o meno autonome (in base al contesto ambientale e cellulare) in grado di nascere, nutrirsi, crescere, riprodursi e morire. I casi di proliferazione cellulare incontrollata possono degenerare in condizioni patologiche come nel caso dei tumori. Se, invece, il ciclo cellulare è deficitario (le cellule che dovrebbero dividersi, non si dividono ma iniziano piuttosto a morire), si verifica l’insorgere di patologie neurodegenerative (morbo di Parkinson, morbo di Alzheimer, SLA).

Studio dei tessuti

Tradizionalmente, lo studio dei tessuti richiede la loro osservazione al microscopio (tecniche istologiche). Per allestire un vetrino, i campioni devono subire una serie di passaggi:

• Fissazione per impedirne l’alterazione.
• Inclusione in paraffina o in una resina per indurire e stabilizzare il campione per ulteriori manipolazioni.
• Microtomia per ottenere “fette” sottili di qualche micron.
• Colorazione attraverso coloranti istochimici che presentano affinità determinate per componenti della cellula. La colorazione dei preparati istologici aiuta a osservare particolari morfologici e fornisce informazioni su composizione e proprietà chimiche.

Il microtomo è uno strumento per mezzo del quale vengono realizzate sezioni istologiche (sezioni trasversali o sezioni longitudinali) di campioni di tessuto che subiscono un processo di colorazione per essere poi osservate al microscopio.

Tipi di tessuti umani

Il tessuto epiteliale è costituito da cellule di forma regolare e geometrica (cilindrica o cubica), che aderiscono le une alle altre strettamente. Non c’è spazio tra di loro e sono attaccate tramite desmosomi. Le cellule che costituiscono il tessuto epiteliale svolgono funzioni di rivestimento, di secrezione, di trasporto e di assorbimento. Questo tessuto costituisce il rivestimento interno (mucosa) ed esterno della maggior parte delle superfici corporee.

Il tessuto connettivo (tessuto osseo: osteociti; tessuto adiposo: adipociti; tessuto cartilagineo: condrociti; sangue: eritrociti e piastrine) è formato da cellule che collegano, sostengono e uniscono gli altri tessuti dei vari organi. Le cellule non sono strettamente legate le une alle altre ma sono immerse in una matrice extracellulare da loro prodotta. Le cellule che costituiscono il tessuto connettivo svolgono funzioni meccaniche, di sostegno, trofiche.

Il tessuto muscolare è formato da cellule che contengono proteine elastiche (actina, miosina) le quali conferiscono alle cellule stesse la capacità di contrarsi. Le cellule che costituiscono il tessuto muscolare svolgono funzione di contrazione volontaria e involontaria.

Il tessuto nervoso è formato da cellule altamente specializzate che presentano una precisa architettura e la capacità di poter essere eccitate: i neuroni. Il neurone è coadiuvato nella sua funzione da altri tipi cellulari che nel loro insieme prendono il nome di neuroglia o semplicemente glia. Le cellule che costituiscono il tessuto nervoso svolgono funzioni ricettive, di elaborazione e trasmissione degli impulsi.

Microscopia elettronica

Per osservare i componenti subcellulari si ricorre all’utilizzo del microscopio elettronico. I mitocondri presentano dimensioni variabili tra 1-5 µm paragonabili a quelle di una cellula procariotica (cellula batterica) e ai cloroplasti delle cellule vegetali.

Le dimensioni di una cellula (0-200 µm) non possono essere più piccole perché le molecole costitutive che formano la loro sostanza organica hanno dimensioni ben definite e determinate dalla grandezza degli atomi di C, H, O, N poiché un certo numero di diverse biomolecole sono necessarie per la vita. Le cellule non possono essere più grandi perché la velocità del loro metabolismo verrebbe limitata dalla velocità di diffusione delle molecole di nutrienti/metaboliti.

Le funzioni cellulari sono dettate dal rapporto tra superficie/volume. La superficie determina la quantità di sostanze che la cellula può scambiare con l’ambiente esterno. Il volume determina la quantità di attività metabolica svolta per unità di tempo. Il rapporto s/v deve essere abbastanza elevato per garantire le funzioni cellulari e diminuisce per dimensioni maggiori.

L’incremento in superficie (quadrato) è inferiore rispetto all’incremento in volume (cubo). Il rapporto superficie/volume deve essere equilibrato. Per aumentare l’attività metabolica non sono necessarie cellule più grandi ma più cellule.

Microscopi ottici ed elettronici

I microscopi presentano delle peculiari proprietà:

• Ingrandimento: dimensione dell’immagine/dimensione effettiva dell’oggetto.
• Risoluzione: distanza minima tra due punti alla quale essi possono essere distinti.

Il potere risolutivo e il potere di ingrandimento dei microscopi elettronici risultano essere molto più alti di quello dei microscopi ottici. Il microscopio ottico sfrutta la luce visibile e un sistema di lenti, ha un potere di ingrandimento fino a 1500 volte e una risoluzione di 0,2 µm. Il microscopio elettronico, invece, sfrutta fasci di elettroni concentrati. Ha un potere di ingrandimento fino a 1.000.000 volte e una risoluzione di 2 nm. La risoluzione dell’occhio umano è pari a 0,2 mm.

Il microscopio ottico è composto da diverse lenti attraverso le quali passa la luce incidente e il campione. Il limite è imposto dalla risoluzione che a sua volta dipende dalla sorgente dei raggi. La lunghezza d’onda dei raggi di luce visibile è tra 400 nm (violetto)-700 nm (rosso). Se due punti sono a distanza minore, i raggi di luce si sovrappongono. Se, invece, la luce incidente è fluorescente e dunque possiede una lunghezza d’onda di eccitazione che va sul campione e una lunghezza d’onda di emissione, si parla di microscopi a fluorescenza.

Vi sono vari tipi di microscopio ottico:

• In campo chiaro: la luce attraversa il campione, determinandone contorni più o meno netti a seconda della pigmentazione naturale.
• In campo scuro: la luce è diretta di lato e si evidenzia il chiaroscuro delle varie regioni cellulari.
• A contrasto di fase o di interferenza (DIC, Differential interference contrast): le onde luminose sono scomposte (fuori fase o polarizzate). Questo tipo di microscopio ottico esalta le differenze di densità e genera un aumento del contrasto. Le cellule sembrano in rilievo.
• A fluorescenza: consiste nella marcatura del campione con fluorocromi. Le onde luminose emesse hanno una lunghezza d’onda maggiore della luce incidente.
• Confocale: è una tipologia di microscopio a fluorescenza. Luce incidente + luce emessa danno un’immagine bidimensionale più nitida (prediletto dagli anatomo patologi).

Con i microscopi è possibile osservare anche i vari componenti subcellulari. È possibile osservare la membrana plasmatica di una cellula di Saccharomyces cerevisiae marcandola con il fluorocromo GFP, una proteina che quando eccitata emette una fluorescenza nel verde. Il DAPI è un fluorocromo molto utilizzato per osservare nelle cellule eucariotiche unicellulari e pluricellulari il DNA. I mitocondri, nella cellula di Saccharomyces cerevisiae e in cellule animali, sono organizzati a formare un network tubulare evidenziabile grazie al fluorocromo MitoTracker Red.

Il microscopio elettronico a trasmissione sfrutta la lunghezza d’onda di fasci di elettroni, anziché di fotoni che determina un aumento di risoluzione e quindi di ingrandimento. Gli elettroni vengono focalizzati sul campione tramite magneti. Le parti che appaiono più scure assorbono gli elettroni. È possibile l’osservazione delle singole componenti della cellula. Con il microscopio elettronico a scansione l’oggetto da esaminare viene esplorato da una finissima sonda che ne scansiona la superficie. La struttura tridimensionale dell’oggetto viene poi ricostruita tramite elaborazioni computerizzate. Gli elettroni non attraversano il campione ma sono riflessi (elettroni secondari) consentendo l’osservazione della superficie della cellula in 3D. Con il microscopio elettronico è possibile osservare batteri, lieviti e globuli rossi. Inoltre, le lenti sono sostituite da elettromagneti per la messa a fuoco del raggio elettronico sul campione.

Osservazione dei componenti cellulari

Con i microscopi è possibile osservare anche i cosiddetti “micro monsters” tra cui la D. melanogaster (organismo modello utilizzato nella genetica per lo studio della trasmissione dei caratteri), l’acaro della scabbia.

L’anatomopatologo, in ambito biomedico, si occupa dell’osservazione di un tessuto subito dopo il prelievo con microscopio a contrasto di fase eventualmente accoppiato a microscopia a interferenza per determinare misura, forma e diffusione delle cellule. Il campione di tessuto è trattato con un colorante ed osservato al microscopio in campo chiaro per evidenziare la forma dei nuclei o le caratteristiche della divisione cellulare. Un’altra applicazione della microscopia in biomedicina consiste nell’osservazione del tessuto al microscopio elettronico per evidenziare strutture subcellulari, come mitocondri o la cromatina. Il tessuto viene trattato con un colorante specifico e osservato al microscopio per evidenziare strutture o l’eventuale presenza di marker tumorali (proteine specifiche). Il lavoro dei ricercatori si concentra sullo studio delle putative proteine che possono essere coinvolte nell’eziopatogenesi delle malattie. Ad esempio, le proteine HER2 vengono sovraespresse in alcune tipologie di tumore mammario.

Frazionamento cellulare

Il frazionamento cellulare serve per separare le varie componenti di una cellula. Un campione di tessuto viene omogeneizzato in un frullatore. L’omogenato cellulare contiene strutture cellulari di dimensioni variabili. Si usa una centrifuga per separare le strutture cellulari in base alla loro grandezza e densità: si ricorre a delle centrifugazioni ripetute a velocità differenziali che consentono di sedimentare i componenti subcellulari di interesse. L’omogeneizzazione consiste nella rottura dei tessuti e delle membrane cellulari. La centrifugazione differenziale consente la separazione delle strutture cellulari in base a grandezza e densità con una velocità massima di 100.000 rpm e una forza centrifuga fino a 500,000 G. Si distinguono centrifughe da banco (con cui si possono centrifugare provette), centrifughe preparative (con cui è possibile preparare delle sospensioni di mitocondri) e ultracentrifughe (con cui è possibile preparare dei campioni di ribosomi). Le strutture cellulari possono precipitare (pellet) o rimanere in soluzione (surnatante). I fattori che influenzano la sedimentazione di un campione sono la forza centrifuga e il tempo di centrifugazione. I nuclei sedimentano a delle velocità di centrifugazione molto basse poiché risultano essere pesanti.

Centrifugazione su gradiente di concentrazione

Vi è anche una tipologia di centrifugazione su gradiente di concentrazione (cloruro di cesio, sorbitolo). Si distinguono:

• Gradienti discontinui se la densità del mezzo cresce dall’alto verso il basso in maniera discontinua attraverso una serie discreta di soluzioni di diversa densità che vengono stratificate l’una sull’altra.
• Gradienti continui quando la densità del mezzo cresce continuamente lungo il tubo da centrifuga.

Le soluzioni stesse hanno un gradiente di densità. Le soluzioni più concentrate del gradiente si trovano nella parte più bassa del tubo poiché risultano essere più pesanti (componenti ad alta densità). Le strutture cellulari si fermano ad una certa altezza del gradiente a seconda della loro densità. Se si utilizza un’ultracentrifuga per una provetta contenente gradiente di saccarosio, sul fondo della stessa sedimenta il RE essendo un componente ad alta densità. In una posizione intermedia sedimenta l’Apparato di Golgi. Nella parte alta della provetta sedimenta la membrana plasmatica, in quanto componente a bassa densità.

Microscopia ottica ed elettronica avanzata

La microscopia ottica, che si basa sull’utilizzo dei microscopi ottici, consente di osservare qualunque tipologia cellulare (cellula animale, cellula vegetale, cellula batterica, virus). Il microscopio elettronico consente addirittura l’osservazione delle macromolecole biologiche. Atomi e molecole sono osservabili tramite la diffrazione a raggi X. Si tratta di un metodo di indagine particolarmente risolutivo insieme alla risonanza magnetica nucleare.

Caratteristiche dei virus

I virus sono entità cellulari nonché parassiti obbligati dalle dimensioni di 15-300 nm (più piccoli dei batteri). Sono incapaci di condurre un ciclo vitale in assenza di una cellula ospite (batteri, cellule vegetali e animali) che disponga di una capacità autonoma di replicarsi, di vivere e di morire. Risultano essere osservabili al microscopio a trasmissione elettronica. Sono caratterizzati da morfologia variabile (poliedrici, bastoncellari, cilindrici), presentano un proprio genoma (DNA e RNA a doppio o singolo filamento). I retrovirus (virus a RNA) non possono replicare il proprio genoma utilizzando la DNA-polimerasi, ma si avvalgono della trascrittasi inversa.

Procarioti

Il termine procariota (dal greco “karyon”, nocciolo, nucleo) significa “prima del nucleo”. I procarioti sono cellule mancanti di membrana nucleare. Dal punto di vista tassonomico, comprendono i batteri (organismi unicellulari) nell’ambito dei quali si distinguono gli archea e gli eubatteri. I procarioti sono le cellule più semplici e più piccole.