Biologia e genetica

LA CELLULA

La teoria cellulare si basa su tre affermazioni:

1) Le cellule sono le unità strutturali e funzionali di ogni organismo

2) Tutti gli organismi sono costituiti da cellule. Essi possono essere UNICELLULARI o PLURICELLULARI

3) Nuove cellule possono derivare solo da cellule preesistenti

Lo strumento che ci consente di osservare le cellule più piccole di 0,1 mm è di microscopio.

MICROSCOPIO OTTICO (LM = light microscope), la luce passa prima

attraverso il campione biologico e poi attraverso un sistema di lenti per

ingrandire le immagini. Risoluzione 0,2 micron. Ingrandimento anche fino

a 1000x. (microscopia campo chiaro, microscopia contrasto di fase,

microscopia a fluorescenza (epifluorescenza e confocale))

Parametri:

- INGRANDIMENTO

- RISOLUZIONE = nitidezza dell’immagine

- CONTRASTO = differenza di luminosità tra le aree chiare e

scure

→

Vantaggi si può utilizzare per vedere cellule vive

Per vedere più nel dettaglio le strutture cellulari, fu introdotto negli anni

’50 il MICROSCOPIO ELETTRONICO, che anziché utilizzare luce visibile,

indirizza un fascio di elettroni attraverso il campione. Immagini a risoluzione più fine. Risoluzione 2 nm.

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- MICROSCOPIO ELETTRONICO A SCANSIONE - SEM (Scanning electron microscope). Immagine

tridimensionale della superficie del campione. Viene utilizzato

per studi dettagliati della superficie di un campione.

- MICROSCOPIO ELETTRONICO ATRASMISSIONE - TEM

(Transmission electron microscope) Utilizzato per lo studio della

struttura interna delle cellule.

→

Vantaggi alta risoluzione dettagliata

→

Svantaggi i metodi di preparazione del campione uccidono le cellule e

possono creare artefatti

Una tecnica utile per lo studio e la funzione cellulare è il FRAZIONAMENTO

CELLULARE, che isola i principali organelli in base alla loro dimensione e

densità. Tutte le cellule condividono delle caratteristiche basilari:

- Presentano una struttura che la delimita e che funziona da

barriera (la MEMBRANA CITOPLASMATICA o membrana

cellulare), che consente lo scambio di ossigeno e nutrienti, nonché l’eliminazione di molecole di

scarto.

- All’interno di tutte le cellule è presente una

sostanza gelatinosa semifluida, costituita dal

70% di H O detta CITOPLASMA o CITOSOL nel

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quale sono sospesi i componenti subcellulari.

- Tutte le cellule contengono cromosomi, che

recano i geni sottoforma di DNA e ribosomi,

complessi che operano la sintesi proteica seguendo le istruzioni del messaggio codificato dal

gene.

- La differenza principale fra le cellule procariotiche e le cellule eucariotiche sta nella

localizzazione del DNA e nella presenza di organelli

LA MEMBRANA PLASMATICA

DOPPIO STRATO FOSFOLIPIDICO con i gruppi idrofobici rivolti all’interno e i gruppi idrofilici rivolti all’esterno

dove si associano con l’acqua. Nella matrice sono inglobate proteine con elevato potere idrofobico. Le

proteine possono essere associate a uno o due versanti della membrana immerse nel doppio strato

(proteine trasnmembrana). Catene di carboidrati associate a proteine o lipidi si trovano solo sul versante

esterno della membrana.

I PROCARIOTI => CURIOSITÀ

- Tutti gli esseri viventi hanno un rapporto molto stretto con i microorganismi.

- Più del 90% delle cellule del nostro corpo è rappresentato da batteri.

- I batteri presenti nell’intestino pesano circa 1 kg e un individuo adulto elimina in un anno una

quantità di batteri fecali pari al suo peso corporeo.

- Sono importanti nell’ecologia degli organismi viventi: alcuni raccolgono la luce attraverso la

fotosintesi, altri decompongono gli organismi morti e ne riciclano i componenti, altri causano

malattie… 12

- Organismi unicellulari di dimensioni ridotte (0,5-1 micron di diametro; 1-5 micron di lunghezza)

- Si suddividono in due regni Archea e Bacteria

- Composizione chimica: ACQUA per 80%, componenti INORGANICI (Na, K, Mg, Zn, Ca, Fe, P, S),

componenti ORGANICI (macromolecole e polimeri)

PROCARIOTI

PRINCIPALI MORFOLOGIE CELLULARI:

- BACILLI (forma a bastoncino)

- COCCHI (forma a sferica)

- SPIRILLI (spiraliformi)

- VIBRIONI (a forma di virgola)

- SPIROCHETE (a forma di spirale)

Tutti possono trovarsi come singola cellula o aggregati:

- DIPLOCOCCHI (aggregati di cocchi)

- STAFILOCOCCHI (gruppi di più cocchi disposti a grappolo)

- STREPTOCOCCHI (aggregati di più cocchi disposti a catena)

- STREPTOBACILLI (aggregati di bacilli disposti a catena)

I procarioti consistono in un citoplasma circondato da una MEMBRANA

PLASMATICA e sono incapsulate da una PARETE CELLULARE rigida con funzione di:

1) Regolazione della pressione osmotica

2) Protezione della membrana plasmatica dall’ambiente esterno

3) Regolazione dell’ingresso delle varie sostanze

La parete è costituita da PEPTIDOGLICANI (matrice di carboidrati interconnessi da polipeptidi). La parete è

bersaglio di molti antibiotici (penicilline e cefalosporine) che ne inibiscono la sintesi e quindi impediscono la

crescita batterica. Il DNA non è racchiuso da membrana ed è concentrato in una regione detta NUCLEOIDE,

il cromosoma è un unico filamento con struttura circolare. Il cromosoma batterico è il depositario

dell’informazione genetica. Possono esserci PLASMIDI costituiti da DNA a struttura circolare di dimensioni

minori rispetto al cromosoma batterico, dotati

di autonomia replicativa, non essenziale per la

sopravvivenza della cellula, ma codificanti geni

che rendono migliore la vita del batterio ad

esempio geni che sono in grado di

condizionare l’azione patogena del batterio.

Sono presenti ribosomi per la sintesi proteica.

Non hanno compartimenti interni (organelli

avvolti da membrana). Alcuni batteri hanno la

CAPSULA, o GLICOCALICE = strato mucoso di

struttura non compatta, di natura glicosidica, che aumenta la loro invasività. La presenza di capsula è

riconducibile a fattori genetici e ambientali. Funzione della capsula:

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- Evita l’essicamento (gli zuccheri che la compongono sono idrofili e quindi trattengono l’acqua

- Favorisce l’adesione cellula-cellula

- Riserva (contiene polisaccaridi in caso di necessità)

- Virulenza (elusione dei meccanismi di difesa dell’ospite)

Possono muoversi grazie ai flagelli. I flagelli sono appendici cellulari lunghe e

sottili, libere ad una estremità, solitamente di forma elicoidale, deputati al

movimento cellulare. Sono formati da una proteina che li compone nella loro

interezza: la FLAGELLINA. Presenza di PILI, che dal punto di vista strutturale

sono simili ai flagelli, ma non sono coinvolti nel movimento cellulare. Sono

formati di proteine. Non tutti sono dotati di pili. La funzione del pilo non è del

tutto chiara: sembrano responsabile della capacità del microorganismo di

aderire alle superfici o formare pellicole sulla superficie di sostanze liquide.

RIPRODUZIONE NEI BATTERI

La riproduzione è ASSESUATA ed avviene spesso per un processo di SCISSIONE BINARIA (divisione di una

cellula in due cellule figlie identiche, che possono nuovamente dividersi e generare una popolazione di

cellule identiche (1 clone) in tempi rapidi molto rapidi. Alcuni batteri si riproducono ogni 20-40 min. (da una

singola cellula dopo 15 h si possono ottenere circa 1 miliardo di nuove cellule, formanti colonie visibili ad

occhio nudo. Altre modalità di riproduzione sono la GEMMAZIONE e la FRAMMENTAZIONE.

TRASFERIMENTO DI MATERIALE GENETICO

È possibile un trasferimento genetico ORIZZONTALE, tra cellule che non sono discendenti una dall’altra e

con diversi meccanismi: →

1) TRASFORMAZIONE (acquisizione di DNA esogeno) Consiste nel cambiamento delle

caratteristiche di una cellula mediante inserimento di uno o più geni provenienti da un’altra cellula.

Ad esempio un batterio muore rilascia DNA che viene captato da un altro batterio e lo incorpora nel

proprio cromosoma o lo mantiene sotto forma di plasmide. Per

TRASFORMAZIONE BATTERICA si intende l’assunzione di

materiale genetico (DNA), dall’ambiente circostante (PLASMIDI)

da parte di cellule «COMPETENTI» (cioè in grado di riceverlo). La

competenza di un batterio indica la sua capacità di ricevere DNA

esogene. Può essere naturale o indotta chimicamente. PLASMIDI: elementi extracromosomici, DNA

circolare a doppia elica, in grado di replicarsi autonomamente. Possono essere presenti in forma

libera nel citoplasma o integrarsi nel genoma. Producono fattori di virulenza come tossine.

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2) TRASDUZIONE (trasferimento di acido nucleico (DNA o RNA) da un virus detto batteriofago a un

batterio):

➢ Il batteriofago o virus aderisce a una cellula batterica

➢ Il batteriofago inietta il suo genoma nel citoplasma del batterio

infettato

➢ Incorporazione del DNA del batteriofago in quello batterico e

formazione di nuovi virus che contengono sia materiale

genetico infettante (virus) che quello proveniente dal genoma

batterico. →

3) CONIUGAZIONE (trasferimento di materiale genetico tra due batteri) Due batteri entrano in

contatto diretto attraverso i pili del batterio donatore. Il pilo è prodotto da batteri che contengono

un plasmide che codifica per il fattore F. Il pilo è un sottile ponte citoplasmatico definito ponte di

coniugazione nel quale è introdotto dal batterio F+ il proprio DNA neoreplicato. Il contatto è di

solito breve e non permette il trasferimento di tutto il cromosoma, ma solo di parti di esso.

Attraverso questo processo i batteri possono scambiarsi geni che offrono resistenza a particolari

condizioni avverse, ad esempio agli antibiotici.

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CITOPLASMA

Il CITOPLASMA è la parte interna della cellula. È una sostanza gelatinosa costituita da acqua, da

macromolecole, da strutture non dotate di membrana e da compartimenti delimitati da membrana detti

ORGANELLI.

- strutture NON delimitate da membrana:

▪ Ribosomi

▪ Citoscheletro

▪ Matrice extracellulare

- strutture delimitate da membrana:

▪ Nucleo

▪ Mitocondri

▪ Reticolo endoplasmatico

▪ Apparato del Golgi

▪ Lisosoma

▪ Cloroplasti (nelle cellule vegetali)

NUCLEO

- Organo «direttivo» della cellula;

- Ha mediamente diametro di 5 micron e rappresenta l’organello di

dimensioni > nella cellula;

- L’INVOLUCRO NUCLEARE delimita il contenuto del nucleo

separandolo dal citosol ed è costituito da una doppia membrana

perforata da struttura a forma di poro (COMPLESSO DEL PORO),

che regola l’ingresso e la fuoriuscita di proteine e RNA;

- presenza nel nucleo di una struttura detta NUCLEOLO, dove viene sintetizzato un particolare RNA

detto rRNA (RNA ribosomale). I nucleoli hanno un ruolo anche nel controllo