Biologia e genetica

La cellula

Teoria cellulare

La teoria cellulare si basa su tre affermazioni:

• Le cellule sono le unità strutturali e funzionali di ogni organismo.
• Tutti gli organismi sono costituiti da cellule. Essi possono essere unicellulari o pluricellulari.
• Nuove cellule possono derivare solo da cellule preesistenti.

Osservazione delle cellule

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

Microscopio ottico

Il microscopio ottico (LM = light microscope) utilizza la luce che passa prima attraverso il campione biologico e poi attraverso un sistema di lenti per ingrandire le immagini. Ha una risoluzione di 0,2 micron e un ingrandimento fino a 1000x. Include metodi come la microscopia campo chiaro, la microscopia contrasto di fase e la 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.

Microscopio elettronico

Per vedere più nel dettaglio le strutture cellulari, fu introdotto negli anni ’50 il microscopio elettronico, che utilizza un fascio di elettroni anziché luce visibile per ottenere immagini a risoluzione più fine, fino a 2 nm.

• Microscopio elettronico a scansione - SEM (Scanning Electron Microscope): fornisce immagini tridimensionali della superficie del campione. Utilizzato per studi dettagliati della superficie di un campione.
• Microscopio elettronico a trasmissione - 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.

Frazionamento cellulare

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 le delimita e 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 H₂O, detta citoplasma o citosol, nel quale sono sospesi i componenti subcellulari.
• Tutte le cellule contengono cromosomi, che recano i geni sotto forma 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

La membrana plasmatica è costituita da un 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 transmembrana). Catene di carboidrati associate a proteine o lipidi si trovano solo sul versante esterno della membrana.

I procarioti

Curiosità sui procarioti

• 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.

Caratteristiche principali

• 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).

Principali morfologie cellulari

• Bacilli (forma a bastoncino)
• Cocchi (forma 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)

Struttura e funzioni

I procarioti consistono in un citoplasma circondato da una membrana plasmatica e sono incapsulati da una parete cellulare rigida con funzione di:

• Regolazione della pressione osmotica.
• Protezione della membrana plasmatica dall’ambiente esterno.
• 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, uno 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

• 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 responsabili della capacità del microorganismo di aderire alle superfici o formare pellicole sulla superficie di sostanze liquide.

Riproduzione nei batteri

La riproduzione è asessuata 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 con diversi meccanismi:

• 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 e 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.
• 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.
• 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.

Citoplasma

Il citoplasma è la parte interna della cellula. È una sostanza gelatinosa costituita da acqua, macromolecole, strutture non dotate di membrana e 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

Il nucleo è l'organo "direttivo" della cellula. Ha mediamente un diametro di 5 micron e rappresenta l’organello di dimensioni maggiori nella cellula. L’involucro nucleare delimita il contenuto del nucleo separandolo dal citosol ed è costituito da una doppia membrana perforata da una struttura a forma di poro (complesso del poro), che regola l’ingresso e la fuoriuscita di proteine e RNA. Nel nucleo è presente una struttura detta nucleolo, dove viene sintetizzato un particolare RNA detto rRNA (RNA ribosomale). I nucleoli hanno un ruolo anche nel controllo.