Biologia generale - Appunti con Immagini corso I anno

Biologia 17-10

Tutto ciò che è vivente è formato da celle. I virus non sono in grado di replicarsi in modo autonomo perché non hanno un proprio metabolismo => non sono considerati viventi.

Componenti fondamentali della cellula

Una cellula possiede almeno tre componenti fondamentali:

• La membrana cellulare (membrana plasmatica)
• Il genoma
• Il citoplasma

Nel citoplasma si trovano i ribosomi.

La cellula

La cellula è l'unità strutturale e funzionale degli organismi viventi. È il più piccolo insieme di materia dotato di vita. Essa possiede almeno tre componenti fondamentali:

• Il materiale genetico (acido desossiribonucleico, o DNA),
• Circondato da una sostanza gelatinosa detta citoplasma,
• Il tutto racchiuso da una membrana plasmatica, un involucro che la separa dall'esterno.

Una cellula non è visibile a occhio nudo, per osservarla è necessario l’ausilio di microscopi.

Scala biologica

Atomi => molecole (parte inorganica) => cellula => tessuto => organo => organismo = individuo => popolazione => comunità => biosfera.

Dentro la cellula ci sono acidi nucleici, lipidi, proteine, carboidrati.

Organismi unicellulari

Protisti => eucarioti unicellulari. Una tipica cellula animale ha un diametro di 10-20 micron.

Le cellule sono piccole per ottimizzare il rapporto superficie/volume, ciò consente alla cellula di ottenere una superficie di scambio con l’esterno adeguata per il passaggio di nutrienti e scarti.

Il microscopio

Il primo strumento usato in biologia è il microscopio. Il potere risolutivo di uno strumento ottico è la minima distanza tra due punti distinti, al di sotto della quale essi vengono percepiti come un unico punto.

L’occhio umano ha un potere risolutivo di circa 0,1 mm che corrispondono a 100 μm. Il microscopio ottico ha un potere risolutivo di 200 nm = 0,2 μm. Dal rapporto tra potere risolutivo dell’occhio e quello del microscopio ottico si ottiene: 100 = 500 volte più grande.

Il microscopio ottico composto (LM) si avvale della luce e di un sistema di lenti per ingrandire le immagini. Il limite di risoluzione è di 0,2 μm.

Nel microscopio elettronico a trasmissione (TEM) il campione è investito da un fascio di elettroni (lunghezza d’onda minore della luce). Le immagini sono quindi a risoluzione più fine: il TEM più potente arriva a 0,2 nm.

Il microscopio elettronico a scansione (SEM) raccoglie e mette a fuoco gli elettroni che sono dispersi dalla superficie del campione, generando un’immagine tridimensionale. Il SEM più potente arriva a 10 nm.

Teoria cellulare

Una rivisitazione moderna della teoria cellulare include:

• La cellula è l'unità base della struttura di tutti gli organismi viventi.
• Tutti gli organismi consistono di una o più cellule.
• Tutte le cellule derivano da cellule preesistenti.
• Tutte le cellule sono simili nella loro composizione chimica.
• Le reazioni chimiche della vita avvengono all'interno della cellula.
• L'informazione genetica completa viene trasmessa con la divisione cellulare.

Storia del microscopio

Nel 1590, due olandesi costruttori di occhiali, Zacharias e Hans Janssen, misero a punto il primo microscopio ottico composto. Nel 1665, il fisico inglese R. Hooke utilizzò il termine "cellula" per indicare le cellette del sughero osservate con il suo microscopio.

Negli stessi anni, un commerciante olandese, naturalista per passione, Anton Van Leeuwenhoek osservò e descrisse gli "animalcules" (protozoi) in alcune gocce di acqua stagnante.

Nel 1830, il chirurgo scozzese, botanico per passione, Robert Brown scoprì che tutte le cellule delle piante avevano all'interno una struttura circolare che chiamò nucleo.

Nel 1838, il botanico tedesco Matthias Schleiden affermò che tutti i tessuti delle piante erano costituiti da cellule e che qualsiasi pianta nasceva da una singola cellula.

Procarioti ed eucarioti

Le cellule sono divise in due grandi classi: procarioti ed eucarioti. Le cellule procariotiche sono strutturalmente più semplici e rappresentano tutte le forme di batteri. Tutti gli altri tipi di organismi sono eucarioti (protisti, funghi, piante, animali).

Si suppone che evolutivamente le cellule eucariotiche si siano originate da procarioti per questo motivo conservano alcune caratteristiche basilari:

• La struttura del DNA e RNA (adenina, guanina, citosina e timina come basi azotate nel DNA, uracile al posto di timina nel RNA).
• Il codice genetico.
• La presenza di ribosomi.
• Simile meccanismo di trascrizione e traduzione dell'informazione genetica.
• Alcune vie metaboliche (es. glicolisi).
• Uso dell'ATP come fonte di energia.
• La struttura della membrana plasmatica.

Caratteristiche delle cellule procariotiche ed eucariotiche

Negli eucarioti ci sono anche gli introni = non codificanti, mentre procarioti solo esoni = regioni codificanti. Le regioni non codificanti permettono una migliore evoluzione.

Procarioti non hanno introni => si ottiene subito RNA maturo => ribosomi sparsi in giro e, man mano che RNA viene trascritto, viene immediatamente tradotto.

La cellula procariotica

Si differenzia da quella eucariotica essenzialmente per:

• Organismi semplici di piccole dimensioni (diametro: 0,1-2 μm, lunghezza: 0,1-10 μm), al fine di permettere un elevato rapporto superficie/volume, metabolismo veloce ed elevata velocità di crescita.
• Struttura cromosomica è circolare ed è immersa direttamente nel citoplasma.
• Il citoplasma si presenta privo di organelli rivestiti di membrane.
• I ribosomi sono costituiti da RNA (60%) e proteine (40%), con coefficiente di 70S (sintesi proteiche).
• È presente la membrana citoplasmatica senza recettori.
• Hanno una caratteristica parete cellulare.
• Alcuni batteri sono delimitati da una capsula.
• Presenza di pili e/o flagelli.
• Formano organismi unicellulari e si classificano in base alla loro forma.

Flagelli e pili

Flagelli per muovere la cellula, ciglia per muovere l’ambiente esterno.

La cellula eucariotica

Si differenzia da quella procariotica essenzialmente per:

• Organismi complessi di maggiori dimensioni (10-50 μm) con un buon rapporto superficie/volume.
• Struttura cromosomica è lineare ed è circondata da una membrana citoplasmatica (nucleo).
• Il citoplasma presenta molti organelli rivestiti di membrane e un citoscheletro.
• I ribosomi aderenti alle membrane interne e più grandi 80S (sintesi proteiche).
• È presente la membrana citoplasmatica con recettori.
• La parete cellulare è presente in piante (cellulosa) e funghi (chitina).
• Presenza di ciglia e flagelli.
• Formano organismi sia unicellulari (protisti) che pluricellulari (funghi, vegetali, animali).

Batteri

Il cromosoma batterico

La struttura nucleare del batterio consiste in una singola molecola di DNA raggomitolata e immersa nel citoplasma; il cromosoma è costituito da un unico e lunghissimo filamento con struttura circolare. Il cromosoma batterico è il depositario dell’informazione genetica cellulare, non vi sono introni.

Plasmidi

DNA a struttura circolare, di dimensioni minori rispetto al cromosoma batterico; sono dotati di autonomia replicativa e sono in grado di condizionare diversi caratteri come l’azione patogena dei batteri.

La parete cellulare

Caratteristiche:

• Involucro rigido ma permeabile presente in tutte le cellule batteriche (eccetto micoplasmi e alcuni archebatteri).
• Porosa, elastica, resistente alla pressione osmotica.
• Costituita da peptidoglicano (o mureina).

La sua struttura permette di dividere i batteri in due gruppi: Gram+ e Gram-.

Funzioni:

• Protezione da lisi.
• Definizione della forma.
• Determina caratteri antigenici e sensibilità verso agenti esterni.
• Bersaglio di alcuni antibiotici e batteriofagi.

Struttura: unità ripetute, alternate e legate in lunghe file affiancate le une alle altre, costituite da:

• Acido N-acetilmuramico (NAM)
• N-acetilglucosammina (NAG)

Gram+: Mattoncino di base del peptidoglicano, parete spessa, formata da strati di dimeri NAG e NAM compatti tra loro, colorante entra ma non esce.

Gram-: Parete sottile formata da due membrane => strato di peptidoglicano è poroso quindi il colorante usciva. Questa differenza dipende dalla disposizione di NAM e NAG = componenti della parete per classificare il tipo di batterio.

Le strutture esterne alla parete cellulare

Glicocalice

Rivestimento glucidico che ricopre la superficie di molti procarioti. Può essere di due tipi:

• Capsula, con struttura organizzata, trama consistente, aderente alla parete.
• Strato mucoso, con consistenza meno densa e adesione inferiore alla parete.

Proprietà conferite dalla presenza di capsula:

• Adesione batterica a substrati (biofilm).
• Resistenza alla fagocitosi.
• Resistenza alla disidratazione.
• Resistenza agli antibiotici.

Flagelli e pili

Appendici filamentose, lunghe 3-12 μm e con diametro di 12-30 nm. Movimenti da e verso stimoli luminosi (fototassi) o chimici (chemiotassi). La composizione della flagellina è diversa da batterio a batterio (antigene H). Si ancora alla parete batterica in diversi modi a seconda del Gram+ o -.

Pili o fimbrie sono strutture tipiche dei Gram negativi, lunghe circa 1 μm e con diametro di 3-5 nm. Simili ai flagelli, ma:

• Più corti
• Più rigidi
• Distribuiti uniformemente sulla superficie
• Costituiti da pilina

Funzioni:

• Pilo = comunicazione (coniugazione batterica)
• Fimbrie = adesione agli epiteli e alle mucose
• NON hanno funzioni di movimento

Cellula eucariotica

Struttura interna complessa, con organelli interni:

• Membranosi: nucleo, reticolo endoplasmatico, apparato del Golgi, mitocondri, lisosomi, perossisomi, mitocondri, cloroplasti.
• Non-membranosi: ribosomi, centrioli, flagelli e citoscheletro.

La membrana plasmatica

È una barriera selettiva, interviene in molti processi essenziali per la cellula (es. riconoscimento di segnali, trasporto di sostanze,...). Il modello a mosaico fluido si modifica continuamente in modo dinamico; il colesterolo è immerso nel doppio strato fosfolipidico, è fluido; fosfolipidi si muovono, hanno la capacità di interscambiarsi e quindi si muove anche il colesterolo, il quale conferisce rigidità.

Proteine rivolte o verso il citosol o verso l’esterno. Proteine trans membrana => scambi tra esterno e interno. È in continuità con il sistema di membrane interne, dove possono cambiare in tipi di componenti (proteine, lipidi saturi/insaturi):

• Dal punto di vista morfologico le membrane cellulari sono pressoché identiche.
• La loro struttura molecolare invece è varia pur mantenendo una certa similitudine di acidi grassi.

Fosfolipidi: code idrofobe => apolari, interagiscono tra loro. Teste idrofiliche cariche o polari che interagiscono con l’acqua, anch’essa polare.

Tutte le cellule eucariotiche sono circondate da una membrana detta membrana plasmatica, che separa il citoplasma (interno) e gli organuli cellulari in esso contenuti dall'ambiente esterno.

Oltre alla membrana plasmatica le cellule sono fornite di altre membrane, dette membrane interne o membrane endocellulari, che circondano gli organuli cellulari (mitocondri, nucleo, lisosomi, vacuoli ecc.).

Il fine principale delle membrane cellulari è quello di isolare l'ambiente interno da quello esterno. In tal modo, le reazioni metaboliche sono possibili in compartimenti cellulari perfettamente isolati non solo dall'ambiente extracellulare, ma anche dall'ambiente intracellulare.

Si parla in questi casi di compartimentalizzazione.

Nucleolo

L’involucro nucleare è costituito da una membrana nucleare esterna e una interna che sono in continuità l’una con l’altra e con la membrana del RE. Contiene la cromatina DNA+proteine (istoni). Indispensabile per la replicazione del DNA, per la trascrizione e maturazione dell’RNA. Le molecole di RNA, che sono prodotte nel nucleo, e le subunità ribosomiali, che sono assemblate nel nucleo, sono esportate nel citosol. Le proteine assemblate nel citosol vengono importate nel nucleo.

Traffico di materiali

Il traffico intenso di materiale fra il nucleo e il citosol avviene attraverso i complessi dei pori nucleari (NPC), che forniscono una via diretta di passaggio attraverso l’involucro nucleare; le grandi macromolecole devono essere trasportate attivamente.

Poiché i segnali di localizzazione nucleare non vengono rimossi, le proteine nucleari possono essere importate ripetutamente, il che è necessario ogni volta che il nucleo si riassembla dopo la mitosi.

Si formano i pori di forma ottagonale grazie alla proteina nucleosina => funzione di IN e OUT => IN: nucleotidi, proteine per comporre la struttura del ribosomi, zuccheri (per formare RNA), istoni. OUT: mRNA.

Per formare proteine e istoni è uscito l’mRNA. IN: fattori di trascrizione che inducono la trascrizione del messaggero. Poi ci sono altri piccoli addensamenti (eterocromatina) e regioni lasse (eucromatina).

Eterocromatina => condensata => inattiva => costitutiva e facoltativa: regioni telomeriche e centromeriche che non codificano (e non vengono lette). Eucromatina => trascrivendo. Istoni compongono 4 subunità => complesso istonico attorno al quale si avvolge DNA: H2a, H3, H2b, H4. La cromatina si addensa grazie all’istone H1 => per avvicinare le 4 subunità (“gancio”). Per avvicinarli ancora di più, compatto ancora di più => centro: altra proteina = coesina.

Reticolo endoplasmatico

Tutte le cellule eucariotiche hanno un reticolo endoplasmatico (RE). La sua membrana costituisce in genere più di metà delle membrane totali di una cellula animale di medie dimensioni. Il RE è organizzato in un labirinto reticolare di tubuli ramificati e di sacchi appiattiti che si estende per tutto il citosol.

Nelle cellule di mammifero l’importazione di proteine nel RE inizia prima che la catena polipeptidica sia completamente sintetizzata, cioè, l’importazione è un processo co-traduzionale. L’importazione delle proteine nei mitocondri, nei cloroplasti, nei nuclei e nei perossisomi è invece un processo post-traduzionale.

Nel trasporto co-traduzionale, il ribosoma che sta sintetizzando la proteina è attaccato direttamente alla membrana del RE, permettendo a un’estremità della proteina di essere traslocata nel RE mentre il resto della catena polipeptidica è in fase di sintesi. Questi ribosomi attaccati alla membrana rivestono la superficie del RE, creando regioni chiamate reticolo endoplasmatico ruvido, o RER; le regioni del RE prive di ribosomi attaccati sono chiamate reticolo endoplasmatico liscio, o REL.

Le aree di RE liscio da cui gemmano vescicole di trasporto che portano proteine e lipidi di nuova sintesi indirizzate all’apparato del Golgi sono chiamate RE di transizione. Il RE liscio è abbondante nelle cellule specializzate nel metabolismo dei lipidi, come le cellule che sintetizzano ormoni steroidei a partire dal colesterolo.

Apparato di Golgi

Organello formato da una serie di singoli foglietti membranosi compattati e impilati, deputato allo smistamento delle proteine. L’apparato di Golgi è dotato di polarità: una faccia cis o di formazione, associata alla porzione liscia del reticolo endoplasmatico, e una faccia trans o di maturazione rivolta verso la membrana plasmatica e alla quale sono associate le vescicole di secrezione. Le proteine, modificate all’interno del reticolo endoplasmatico, vengono trasferite alle membrane della faccia cis dell’apparato di Golgi. Qui subiscono ulteriori e differenti modifiche dei loro legami covalenti e assumono la forma matura e definitiva che ne indicherà il destino cellulare. Infine, le proteine modificate vengono allontanate dalla faccia trans dell’apparato di Golgi.