Appunti sulla Cellula, Esame di Fondamenti di Biologia

La cellula

Tutti gli organismi viventi sono composti di cellule.

• Tutte le cellule derivano da cellule precedenti.
• Unità fondamentale degli organismi viventi.
• Dimensioni: 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.

La cellula procariotica

I procarioti, ovvero i Batteri e gli Archea, sono forme di vita relativamente semplici, costituite da un'unica cellula di tipo procariote. Le cellule procariotiche hanno un diametro circa dieci volte minore rispetto alle cellule eucariotiche. Il nucleo manca in una cellula procariotica, il suo DNA è concentrato in una regione detta nucleoide che, a differenza di un vero e proprio nucleo, non è divisa dal resto della cellula mediante una membrana nucleare. Sono presenti i ribosomi, strutture che provvedono alla biosintesi delle proteine legando assieme gli amminoacidi in sequenze programmate dal DNA.

Strutture

Capsula: è uno strato di materiale viscoso di scarto tenacemente aderente all'involucro cellulare che circonda la parete cellulare che presenta notevole variabilità di spessore. Ha diverse funzioni:

• Aderenza: capacità di aderire alle superfici solide acquatiche o a quelle dei tessuti delle piante o degli animali.
• Protezione: difende da improvvisi cambiamenti di temperatura all'essiccamento essendo ricca di acqua, evita l'attacco di virus batterici e di numerose sostanze tossiche idrofobe.
• Virulenza: Nelle specie patogene è un fattore di virulenza in quanto protegge la cellula dalla fagocitosi.

Appendici della cellula

Alcuni procarioti sono in grado di sintetizzare appendici che si proiettano al di fuori della superficie della cellula:

• I flagelli: prolungamenti citoplasmatici filiformi formati da flagellina, una proteina elastica. Strutturalmente i flagelli sono costituiti da tre porzioni distinte:
  • Il filamento esterno alla cellula, che si proietta dalla superficie cellulare fino all'apice, formato da unità proteiche di flagellina.
  • Corpo basale, che è immerso nella cellula. Il corpo basale presenta una struttura complessa diversa nei Gram positivi e nei Gram negativi. Nei Gram negativi presenta 4 anelli, due coppie, connessi ad un bastoncino centrale: gli anelli L e P più esterni sono legati al lipopolisaccaride (LPS) della membrana esterna e al peptidoglicano, rispettivamente, mentre gli anelli S e M sono connessi alla membrana citoplasmatica. Nei Gram positivi sono presenti solo gli anelli S e M uno legato al peptidoglicano, l'altro alla membrana. Questa differenza dimostra che solo gli anelli S e M sono essenziali per la funzione flagellare.
  • L’uncino, organo di ancoraggio del filamento al corpo basale costituito da una corta struttura centrale a bastoncino inserita in un sistema di anelli.
• I pili: Molti batteri Gram- presentano alcune appendici filiformi brevi e sottili, più sottili dei flagelli e non coinvolte nella motilità cellulare (3-10 nm). Strutture tubulari costituite da subunità proteiche di pilina disposte ad elica che si formano a livello della membrana cellulare. Funzioni:
  • Appendici di adesione (superfici e tessuti).
  • Possono essere coinvolti nel trasferimento di DNA tra due batteri (coniugazione batterica).

Le fimbrie

Variabili in numero e distribuite su tutta la superficie cellulare. Costituite da una sola proteina idrofoba organizzata in struttura tubulare. Conferiscono capacità adesive: cellula/cellula, cellula/substrato. Presentano proprietà antigeniche e possono essere coinvolte nei processi di patogenicità.

Coniugazione batterica

La coniugazione batterica è un meccanismo di trasferimento di materiale genetico attraverso contatto diretto tra una cellula batterica donatrice (F+) ad una cellula ricevente (F-), mediato da plasmidi trasmissibili. I plasmidi sono piccole molecole di DNA circolare a doppio filamento, presenti in natura nei batteri, di origine citoplasmatica e capaci di autoreplicarsi. Questi elementi extracromosomici non sono essenziali per la vita del batterio, ma in particolari condizioni, gli possono conferire vantaggi selettivi (resistenza agli antibiotici e metalli pesanti, luminescenza, degradazione di composti organici).

Incrocio F+ x F-

Alcuni plasmidi sono trasmissibili (plasmidi F), cioè in grado di promuovere il loro trasferimento in quanto essi contengono tutte le informazioni genetiche per il loro trasferimento. Il meccanismo di trasferimento del plasmide F da un batterio donatore (F+) a uno ricevente (F-) prevede le seguenti fasi:

• Taglio in uno dei due filamenti del DNA plasmidico del batterio F+ (origine del trasferimento oriT).
• Formazione di un ponte formato da un pilus sessuale F che unisce il citoplasma delle due cellule.
• Replicazione del fattore F mediante il meccanismo del cerchio rotante durante il quale l’estremità 5’ della molecola viene trasferita nella cellula F-.
• Il batterio F- riceve una sola copia a singolo filamento del plasmide.
• Il donatore risintetizza il filamento mancante mediante il meccanismo di replicazione a cerchio rotante.
• Le cellule si separano ognuna contenendo un plasmide F.

Coniugazione Hfr x F-

Essendo il plasmide F un episoma in grado di integrarsi nel cromosoma batterico, dare origine a cellule ad alta frequenza di ricombinazione (Hfr) e promuovere il trasferimento di geni cromosomici. Tale fenomeno prevede le seguenti fasi:

• Sintesi del pilus sessuale.
• Taglio sul filamento singolo del plasmide F integrato in corrispondenza dell’OriT (origine del trasferimento).
• Replicazione a cerchio rotante e trasferimento del filamento plasmidico e di alcuni geni cromosomici in direzione 5’-3’.

L'interazione fra donatore e ricevente non è poi così forte e la quantità di DNA trasferito è direttamente proporzionale alla durata del contatto fra le cellule. La cellula ricevente riceve, generalmente, solo una piccola parte del cromosoma del donatore, contenente solo una parte del plasmide F, ed è quindi incapace di comportarsi da donatore a sua volta nei confronti di un'altra cellula. Nel caso in cui venga trasferito l'intero cromosoma del donatore al ricevente, esso diventa Hfr e quindi in grado di trasferire il suo DNA.

Metabolismo dei batteri

Per quanto riguarda il metabolismo i batteri possono essere organismi autotrofi (fotosintetici se catturano l'energia luminosa per costruire molecole organiche, chemiosintetici se utilizzano per lo stesso scopo le molecole inorganiche) o eterotrofi, come gran parte dei batteri patogeni. Il metabolismo con meccanismo ossidativo è detto aerobico; usano l'ossigeno per ossidare le loro molecole nutrienti. Esistono anche batteri anaerobi che vivono solo in completa assenza di ossigeno.

Gli archea sono organismi in grado di vivere in una grande varietà di ambienti, anche quelli più inospitali ed estremi come le saline (alofili), ambienti acidi (acidofili) e ambienti con alte temperature (termofili).

La cellula eucariotica

Le cellule eucariotiche si presentano di solito più grandi e complesse rispetto ai batteri e gli archea. Alcune conducono vita indipendente come organismi unicellulari, le amebe o i lieviti per esempio, altre fanno parte di aggregati pluricellulari. Tutti gli organismi pluricellulari complessi, comprese le piante, gli animali e i funghi, sono formate da cellule eucariotiche. Per definizione tutte le cellule eucariotiche sono provviste di nucleo.

Membrana citoplasmatica

La membrana citoplasmatica è costituita soprattutto da lipidi e proteine. I lipidi appartengono a una particolare classe, quella dei fosfolipidi. Un fosfolipide al posto del terzo acido grasso ha un gruppo fosfato. Il gruppo fosfato è carico elettricamente e pertanto risulta idrofilo mentre la restante parte è idrofoba in quanto costituita da molecole di acidi grassi. Quindi i fosfolipidi hanno una specie di ambivalenza chimica nei confronti dell'acqua. Nel gruppo fosfato, la testa ha affinità per l'acqua, mentre le code (gli acidi grassi) la rifuggono. Questa caratteristica trasforma i fosfolipidi in ottimi materiali per la costituzione di membrane cellulari. Infatti formano una membrana a due strati, il doppio strato fosfolipidico, le parti idrofobe delle molecole rimangono lontane dall'acqua, mentre le parti idrofile interagiscono con questa. La membrana si comporta come un mosaico fluido, perché i suoi fosfolipidi e molte delle sue differenti proteine si muovono all'interno della membrana.

Superficie cellulare

La maggior parte delle cellule secerne diversi tipi di materiale destinato a formare un qualche tipo di rivestimento che circonda la membrana citoplasmatica. Questi rivestimenti esterni aiutano a proteggere e a sostenere le cellule e, inoltre, a facilitare alcune interazioni tra cellule vicine in alcuni tessuti. Ad esempio, le cellule vegetali hanno una parete cellulare esterna alla membrana. Tale parete protegge la cellula, ne mantiene la forma e impedisce alla cellula di assorbire troppa acqua che la farebbe scoppiare. Le pareti cellulari delle cellule vegetali sono molto più spesse e robuste delle membrane citoplasmatiche, sono costituite da fibrille di cellulosa immerse in una matrice costituita da altre molecole. Le cellule vegetali sono connesse le une alle altre mediante canali che passano attraverso le pareti cellulari che mettono in connessione il citoplasma di ogni cellula con quello delle cellule vicine. Le cellule animali mancano della parete cellulare tuttavia secernono un rivestimento adesivo, detto matrice extracellulare, che aiuta a tenerle vicine le une alle altre e che può avere funzioni protettive e di sostegno. Le cellule sono spesso legate alla matrice extracellulare mediante le proteine di superficie della membrana. Inoltre, la maggior parte delle cellule animali presenta delle giunzioni cellulari, ulteriori formazioni di connessione e funzionamento coordinato fra le unità di uno stesso tessuto.

Tecnica del freeze-fracture

Una membrana cellulare può essere separata in due metà rivelando l'ultrastruttura della regione interna. Una cellula viene congelata e incisa con una lama. Il piano di frattura segue spesso la regione idrofoba interna della membrana, separando longitudinalmente il doppio strato fosfolipidico in due strati distinti. Le proteine di membrana non si frammentano ma aderiscono a uno dei due strati.

Funzioni delle proteine di membrana

• Trasporto
• Ancoraggio al citoscheletro e alla matrice cellulare
• Giunzione intercellulare
• Riconoscimento cellulare
• Segnalazione cellulare
• Attività enzimatica

Nucleo

Il nucleo è racchiuso da una doppia membrana detta membrana nucleare. Pori presenti sulla superficie della membrana nucleare permettono il passaggio di materiale tra il nucleo e il citoplasma. All'interno del nucleo, le molecole di DNA sono associate con certe proteine per formare lunghe fibre chiamate cromatina. Ogni fibra costituisce un cromosoma. Il numero di cromosomi presenti in una cellula dipende dalla specie di appartenenza: ogni cellula del corpo umano contiene 46 cromosomi, le cellule del riso 24 e quelle di porcospino 34. In associazione con cromatina, il nucleo contiene una struttura sferoidale di fibre e granuli chiamata nucleolo, responsabile della produzione di componenti costitutivi dei ribosomi.

Ribosomi

Le piccole masse puntiformi osservabili dentro la cellula e presenti sulla superficie esterna del nucleo sono i ribosomi. I ribosomi non iniziano la loro attività fino a che le componenti che li formano non passano attraverso i pori del nucleo e arrivano nel citoplasma. I ribosomi sono i responsabili della sintesi di tutte le proteine della cellula.

Come il DNA controlla la cellula

• Replicazione: Quando una cellula oppure un intero organismo si riproducono, deve essere trasferita una serie completa di informazioni genetiche da una generazione a quella successiva. Il modello strutturale di DNA proposto da Watson e Crick suggerì ai due scienziati che la replicazione del DNA potesse avvenire con un meccanismo a stampo, in cui ciascun filamento di DNA funzionava come modello o stampo, per guidare la riproduzione dell'altra elica. Il principio del modello di riproduzione di DNA proposto da Watson e Crick è molto semplice: se si conosce la sequenza di basi di uno dei filamenti della doppia elica è possibile determinare facilmente anche la sequenza di basi dell'altro filamento applicando le regole dell'appaiamento tra basi. Le due eliche complementari del DNA parentale si separano e ognuna diventa lo stampo per la nuova elica.