Appunti di biologia

Biologia

La biologia è lo studio della vita e in questo corso di laurea studieremo, nello specifico, la biologia cellulare, perché la cellula è l’unità fondamentale della vita, scoperta nel 1600 con l’invenzione dei microscopi ottici, che sfruttano l’interferenza della luce sulla materia. Hooke fu lo scienziato che con il microscopio osservò frammenti di sughero, parte della corteccia dell’albero formato da cellule morte, e notò in essi un reticolato di celle simili, che chiamò appunto cellule dal latino “Cella”. Alla fine del 1800 venne proposta la teoria cellulare, tutt’oggi valida, che prevede i seguenti punti:

• Tutti gli organismi viventi sono formati da una o più cellule.
• La cellula è la più piccola unità che presenta le proprietà tipiche della vita.
• Le cellule si moltiplicano solo in seguito alla crescita e alla divisione di cellule preesistenti.

Gli elementi più piccoli di una cellula non si possono considerare organismi viventi. L’occhio umano discrimina, ovvero riconosce come due punti separati, fino alla grandezza di 100 μm, e le cellule hanno una grandezza che varia da 1 a 100 μm e sono quindi visibili con il microscopio ottico. Le strutture e le componenti subcellulari, invece, possono essere osservate con il microscopio elettronico, che sfrutta l’interferenza di elettroni sulla materia, che può mostrare due tipi diversi di immagini: il microscopio con immagine a trasmissione mostra la sezione cellulare, mentre quello a scansione mostra la superficie.

Le dimensioni delle cellule

Le cellule sono così piccole per avere la maggior energia con la minima spesa e ciò è determinato dal rapporto superficie/volume. La cellula è in grado di assorbire i nutrienti dalla superficie. Aumentando il raggio, al quadrato della superficie corrisponde il cubo del volume e a un certo punto la superficie della cellula non è in grado di provvedere al nutrimento di tutto il volume. L’unica eccezione è rappresentata dai gameti femminili, le cellule uovo, che hanno dimensioni molto maggiori rispetto alle normali cellule somatiche, come le uova di gallina, poiché contengono al loro interno il nutrimento necessario al sostentamento della cellula.

Tipi di cellule

Esistono due tipi di cellule, gli eucarioti e i procarioti. In questa classe di cellule rientrano di solito i batteri che formano organismi unicellulari e sono la classe più presente nella biosfera. Gli eucarioti, invece, sono le cellule che formano animali, vegetali, funghi e protisti o protozoi, organismi unicellulari eucarioti. Le cellule eucariotiche e procariotiche presentano molte differenze, anche se sono accomunate dalla presenza di una membrana plasmatica che delimita lo spazio intracellulare e quello extracellulare, identica dal punto di vista chimico. In essa sono presenti lipidi, divisi in fosfolipidi e colesterolo, proteine e glucidi, presenti accoppiati sempre con un lipide (glicolipidi) o una proteina (glicoproteine).

La membrana plasmatica

I fosfolipidi sono molto importanti dal punto di vista strutturale. Le code possono essere sature, quando le molecole di carbonio creano solo quattro legami semplici e la coda presenta quindi una struttura lineare, o insature, quando il carbonio si lega a tre molecole formando un doppio legame con il carbonio successivo, creando quindi una piega nel punto in cui si crea il doppio legame. In ambiente acquoso, tanti fosfolipidi si disporranno spontaneamente in modo da tenere le teste idrofile a contatto con l’acqua e le code idrofobe lontane da essa, creando quindi una specie di doppio foglietto chiamato liposoma, sfera cava.

La membrana plasmatica che si forma però è fluida poiché non crea alcun tipo di legame tra i vari fosfolipidi, che quindi si potrà muovere nel foglietto in ogni modo, eccetto cambiare il foglietto. Le proteine di membrana rendono la membrana attiva e con funzioni specifiche. Prima di tutte è il trasporto di molecole, soprattutto di tipo polare, poiché altrimenti non potrebbero attraversare la membrana. Inoltre, regolano l’attività enzimatica, sono coinvolte nella trasduzione del segnale, ovvero il captare il segnale esterno e portarlo all’interno della cellula, adesione con le altre cellule limitrofe, riconoscimento tra cellule, per esempio nel riconoscimento da parte delle cellule della linea bianca del sangue tra organismi self e organismi no-self, adesione alla matrice extracellulare, come nel caso delle cellule epiteliali con la membrana basale.

• Periferiche, quando le proteine aderiscono alla membrana plasmatica ma non la penetrano.
• Integrali, quando le penetrano in una parte o completamente, prendendo il nome in questo caso di proteine Trans membrana, e possono essere monopasso, se la penetrano una volta, o multipasso, se la penetrano più volte.

Le proteine integrali devono avere particolari composizioni amminoacidi che, caratterizzate dal gruppo R apolare. Queste proteine sono sintetizzate direttamente dalla membrana plasmatica e non si possono inserire in essa in un secondo momento.

Glucidi

Non esistono da soli nella membrana plasmatica, ma legati a proteine o lipidi. Si trovano inoltre solo nel foglietto extracellulare, cioè nell’ambiente esterno. Tutti i carboidrati presenti sulla membrana formano il glicocalice. Essi servono a lubrificare la membrana, poiché essendo idroscopici attirano l’acqua e si trasformano in una specie di gel gonfiandosi, proteggendo quindi la cellula da danno fisico. Inoltre, svolgono, come le proteine, un ruolo di adesione e di riconoscimento tra cellule. La fluidità della membrana è regolata da diversi meccanismi che consentono alla cellula di vivere a diversi tipi di temperatura:

• Lunghezza delle molecole degli acidi grassi del fosfolipide. Ha un effetto inversamente proporzionale alla fluidità, ovvero quanto più lunghe sono, tanto più la membrana è fluida.
• Numero dei doppi legami. Aumentando il loro numero, aumenta anche la fluidità. Ciò è determinato dall’inclinazione delle code, che presentando maggiori inclinazioni si disturbano a vicenda, rimanendo distanti e rendendo più deboli le forza di repulsione.
• Quantità di colesterolo. Si comporta da tampone, poiché a temperatura elevata riduce la fluidità, mentre la aumenta a basse temperature. Il colesterolo è un lipide a base steroica, e anch’esso ha comportamenti anfipatici, infatti si dispone parallelo agli acidi grassi, con il gruppo ossidrilico rivolto verso le teste e l’acqua e il gruppo steroideo rivolto verso le code, lontano dall’acqua.

Una cellula può ricorrere all’uso di vescicole per espellere materiale all’esterno o per inglobare dentro di sé nutrimento. Una vescicola riversa il suo contenuto all’esterno della cellula mediante l’esocitosi, meccanismo che serve anche per accrescere la membrana plasmatica. Per impedire che la membrana aumenti a dismisura, c’è il meccanismo dell’endocitosi, che ingloba materiale extracellulare rivestito da porzioni di membrana, materiale che può essere specifico o semplice acqua. L’endocitosi si divide in tre tipi:

• Fagocitosi, tipica della parte bianca del sangue, in cui si ha ingestione di materiale solido, mediante la produzione di pseudopodi.
• Pinocitosi, in cui si ha ingestione di materiale liquido casuale, e serve tipicamente per controbilanciare gli effetti dell’esocitosi.
• Endocitosi mediata da recettori, che avviene velocemente verso una particolare sostanza. Sulla cellula si formano recettori e quando la sostanza specifica si lega ad essi, avviene l’endocitosi.

La cellula eucariotica

Essa presenta la membrana plasmatica che delimita l’esterno dal citoplasma, formato da organuli subcellulari delimitati da membrana identiche a quella plasmatica, e dal citosol, la parte liquida. Il nucleo è un organulo esclusivo della cellula eucariote, che contiene il DNA, cioè il materiale genetico. È formato da una doppia membrana, una esterna e una interna, che sono separate da uno spazio intermembrana e insieme formano l’involucro nucleare. Esso si interrompe in più punti a causa della fusione delle due membrane, e forma in quei punti i pori nucleari che consentono la comunicazione tra interno del nucleo e citoplasma.

I mitocondri sono organuli costituiti da due membrane, quella esterna liscia e quella interna ripiegata su se stessa a formare creste mitocondriali. Nella membrana interna c’è la matrice mitocondriale e su essa ci sono complessi enzimatici che servono a favorire la catena del trasporto degli elettroni, numerosi per favorire la produzione di ATP. Essi sono adibiti alla produzione della maggior parte dell’energia per la cellula. Molto probabilmente il mitocondrio era un batterio ancestrale che è stato fagocitato da una cellula e sono entrati in un meccanismo di simbiosi, infatti la membrana esterna ricorda il vacuolo autofagico. Essi sono entrati in simbiosi proprio perché esso è l’organulo che produce maggior energia alla cellula e inoltre possiede un DNA proprio, che deriva dalla madre, e sono in grado di riprodursi autonomamente per scissione binaria.

Oltre agli organuli, all’interno della cellula, esiste il citoscheletro, sistema che dà una forma alla cellula e posizione agli organuli all’interno. Esso è costituito dalle proteine filamentose presenti nel Citosol e consente il movimento della cellula, che può essere di tre tipi:

• Ameboide, che prende il nome proprio del protozoo chiamato “Ameba”, movimento che prevede, da parte della cellula, la formazione di pseudopodi, prolungamenti, come fanno le cellule bianche del sangue in presenza di un organismo no-self.
• Movimento attraverso ciglia o flagelli. Le ciglia, attraverso il battito ciliare, spostano il liquido sulla cellula, mentre i flagelli, presente nelle cellule eucarioti solo nei gameti maschili, consente alla cellula stessa di muoversi, anche per grandi distanze.
• Contrazione muscolare, che determina prima un movimento della cellula e poi dell’organismo.

Il sistema endomembranoso

Il sistema endomembranoso è un insieme di varie strutture, che non possono essere considerate come singole e quindi staccate le une dalle altre, e vengono viste come una struttura unica ed è formato da numerosi organuli. Lo spazio intermembrana nel nucleo continua nel RER, reticolo endoplasmatico ruvido, e prende questo aggettivo dal fatto che su di esso sono depositati i ribosomi, complessi riboproteici, che sintetizzano alcuni tipi di proteina. Esso continua integro strutturalmente nel REL, reticolo endoplasmatico liscio, poiché non presenta i ribosomi. Il RER è ordinato e regolare, mentre il REL è formato da tubuli disposti in maniera più casuale.

Nel REL avvengono eventi diversi, come la detossificazione da farmaci, ovvero la degradazione di essi per renderli inattivi, importante per il metabolismo del glicogeno, e in esso avviene la produzione di ormoni steroidei e immagazzinamento del calcio soprattutto nelle cellule muscolari. Nel RER vengono sintetizzate le proteine prodotte dai ribosomi, perché talvolta esse devono essere modificate per poter funzionare correttamente, come accade nelle glicoproteine di membrana, che vanno incontro a glicosilazione. Talvolta le proteine vengono aiutate anche con il folding per poter definire la struttura terziaria e anche la eventuale quaternaria. Alcune proteine però non vanno nel RER ma nei ribosomi liberi nel citosol.

Il RER accoglie solo proteine destinate al sistema endomembranoso, che comprende anche lisosomi, membrana plasmatica e vescicole di secrezione. Le altre proteine destinate ad altri organuli sono sintetizzate nel citoplasma, come quelle che sono destinate al nucleo e ai mitocondri. I ribosomi all’inizio sono liberi nel citoplasma e si legano alle molecole di mRNA e la sequenza della proteina nella zona amminoterminale indica al ribosoma se deve rimanere libero nel citoplasma o andare direttamente nel RER: in questo caso il ribosoma ferma la traduzione e si lega ai recettori del RER, terminando quindi la traduzione, e liberando la proteina, man mano che la traduzione procede, nei canali del RER, tra le due membrane. Si possono verificare due eventi differenti. Se la proteina non contiene grossi domini idrofobici, la proteina entra e finisce nel lume della membrana, mentre se contiene grossi domini idrofobici, la proteina si blocca nella membrana diventando una proteina di membrana.

L’apparato del Golgi si presenta vicino al RER e in esso continua il processo di glicosilazione. È formato da membrane appiattite, chiamate cisterne, che prendono il nome di cisterna cis se è rivolta verso il RER, trans se è rivolta verso la membrana plasmatica. Le proteine che arrivano dal RER sotto forma di vescicole espulse per gemmazione, arrivano alla cisterna cis dell’apparato del Golgi, fondendosi con le cisterne centrali liberando il contenuto dentro e staccandosi per gemmazione fino ad arrivare alla cisterna trans, che smista nella cellula, ed è per questo non si può considerare completamente staccato dal RER. Il passaggio da RER a apparato di Golgi può essere Anterogrado, quando le vescicole procedono dal RER al Golgi, o Retrogrado, quando le vescicole devono tornare indietro tutto ciò che non deve essere smistato.

Le vescicole possono essere lisosomi, contenenti enzimi litici, o vescicole di secrezione. La secrezione può essere costitutiva, quando non ha bisogno di particolari regolazioni e avviene in maniera passiva, o regolativa, quando ha bisogno di stimoli esterni per avvenire. I lisosomi sono vescicole che digeriscono il materiale interno alla cellula che deve essere demolito in molecole più semplici e vengono prodotti dall’apparato del Golgi. Gli enzimi sono attivi solo a pH acido, minore di 5, perché si attivano solo se c’è bisogno, e serve anche per una forma di protezione: se infatti si rompessero per sbaglio, il pH nel citoplasma è neutro, rendendo quindi gli enzimi inattivi.

I lisosomi vanno a fondersi con le vescicole di endocitosi e sulla superficie della nuova membrana ci sono pompe idrogeno che portano dentro idrogenioni abbassando il pH e attivando quindi gli enzimi che digeriscono il contenuto. Quando esce dall’apparato del Golgi il lisosoma è detto primario, quando si fonde con l’endosoma si chiama secondario. Una volta digerito il materiale della vescicola endocitata, alcuni elementi digeriti vengono riusati dalla cellula, altri rimangono nel lisosoma secondario per anni. I lisosomi oltre alla funzione nutrizionale hanno funzione di difesa, nelle cellule bianche del sangue, e di riciclo del materiale intracellulare, quando alcuni organuli non sono più funzionanti, venendo quindi degradati con l’autofagia. Quest’ultimo evento per avvenire ha bisogno che il materiale sia isolato e racchiuso in vescicole di RE che creano il vacuolo autofagico. In alcuni casi, i lisosomi sono usati fuori dalla cellula e trattati come vescicole di secrezione, come l’acrosoma e gli eosinofili, che creano un ambiente ostile all’esterno soprattutto a parassiti e protozoi.

Differenze tra eucarioti e procarioti

Gli eucarioti animali presentano la sola membrana, uguale dal punto di vista chimico con quella dei procarioti, mentre i procarioti presentano anche strutture accessorie. Quella sempre presente è la parete, esterna alla membrana, formata da glicoproteine e prendendo il nome di peptidoglicano. Essa è formata da un polimero lineare di due monosaccaridi, l’n-acetilglucosamminica e l’acido muranico, alternati e messi in file ordinate, componendo una parete molto fitta tenuta insieme da ponti proteici tra un polisaccaride e quello adiacente. Questa parete conferisce forma alla cellula e la protegge, poiché in questo caso la cellula è l’organismo stesso, disperso nell’ambiente. Inoltre, se il batterio si trova in un ambiente ipotonico, cioè la concentrazione del soluto all’esterno è inferiore rispetto a quella della cellula, la parete cellulare ne impedisce la lisi, poiché la cellula si gonfia ma non troppo. L’opposto però non è possibile, poiché se il batterio è in ambiente ipertonico, l’acqua esce dalla cellula, la membrana si stacca dalla parete e la cellula muore.

La capsula è un accessorio facoltativo del batterio, e quando si presenta è esterna alla parete. Si trova in alcuni batteri ambientali, che spesso è condivisa da più batteri che collaborano tra loro, in un tentativo di pluricellularità, o nei batteri patogeni, ed è l’elemento che conferisce virulenza al batterio e al tempo stesso lo rende invisibile al sistema immunitario, poiché non viene riconosciuto. Nelle cellule eucarioti, sono presenti all’interno della cellula gli organuli cellulari, mentre nella cellula procariote non c’è la compartimentalizzazione, e oltre agli organuli è assente anche il nucleo, che non è racchiuso da una membrana ma il materiale genetico è disperso nel citoplasma. I mesosomi sono delle pieghe della membrana plasmatica e sono un tentativo di compartimentalizzazione, poiché un po’ di citoplasma viene raccolto in una nicchia comunicante con il resto della cellula poiché non è delimitata completamente, e in quella nicchia si svolgono alcune attività enzimatiche.

Procarioti e Eucarioti presentano inoltre una diversa organizzazione del materiale genetico. Nella cellula eucariote, esso è formato da più molecole di DNA lineari, mentre nella cellula procariote, c’è solo una molecola di DNA circolare. Nei batteri sono inoltre presenti i plasmidi, cioè piccole molecole accessorie di DNA circolare assenti negli eucarioti, che donano elementi in più ai batteri, come per esempio la capsula. I plasmidi si possono trasmettere sì in modo attivo.