Biologia animale

Biologia animale

Cellula: unità animale e vegetale

La cellula è l'unità elementare in grado di esprimere la fenomenologia vivente. La teoria cellulare afferma che gli organismi sono composti da una o più cellule. L'evoluzionismo si interroga sul problema della cellula primitiva; da materia inorganica è nata quella organica. Le cellule possono essere procariotiche ed eucariotiche. Queste due architetture cellulari comprendono tutti i viventi.

Procariotica vs. eucariotica

La cellula procariotica è più semplice e antica, da cui è derivata, grazie a simbiosi, l'architettura più evoluta. È tipica dei batteri del regno delle monere e delle alghe azzurre.

La cellula eucariotica è più complessa, tipica degli organismi pluricellulari animali e vegetali, ma anche organismi monocellulari come paramecio e euglena.

Differenze funzionali e strutturali

Scambi tra cellula e ambiente

Gli organismi, composti da cellule di dimensioni molto piccole, sono per necessità isolati dall'ambiente circostante ma devono mantenere degli scambi con esso:

• Diffusione: sostanze attraversano la membrana, entrano nella cellula e si diffondono.

La cellula è un volume circondato da una superficie, per cui il sostentamento dell'uno deriva dalla dimensione dell'altra. Il volume non può essere troppo grande, altrimenti la superficie non sarà in grado di garantire scambi con l'esterno. Esiste un equilibrio tra superficie e volume, infatti le cellule piccole hanno un miglior rapporto superficie-volume. Una struttura pluricellulare è più vantaggiosa rispetto a quella cellulare poiché costituita da più cellule piccole con un buon rapporto superficie-volume.

Struttura procariotica

Il citosol e la membrana delimitano uno spazio interno acquoso nel quale si trova la molecola di DNA circolare (nucleoide), plasmidi e ribosomi (RNA e proteine). La membrana può essere delimitata da una parete e permette ai batteri di mantenere la struttura. Strutture accessorie come flagelli, lunghi, e ciglia, corte, permettono il movimento. NB: la struttura della membrana è la stessa per ogni organismo, un marker genetico.

Struttura eucariotica

La membrana separa l'interno dall'esterno della cellula. È costituita da organuli delimitati da membrane (tranne i ribosomi) come il nucleo, il mitocondrio, il reticolo endoplasmatico, l'apparato di Golgi, i lisosomi e i vacuoli. In questo modo sono presenti ambienti ottimali per le diverse vie metaboliche.

Membrana biologica

La membrana biologica delimita la cellula e ne permette scambi con l'esterno, definisce la forma e ne conferisce la turgidità. È parte costitutiva di tutti gli organuli tranne che dei ribosomi. Le funzioni principali includono la regolazione degli scambi con l'esterno tramite meccanismi di trasporto, permettono processi di esocitosi ed endocitosi, sono in grado di ricevere e veicolare segnali e consentono lo sviluppo cellulare e la formazione di aggregati più complessi come sistemi, tessuti e organi.

Il modello a mosaico fluido descrive la struttura formata da differenti composti organici che rendono possibili le funzioni vitali della cellula.

• Fosfolipidi: formano un doppio strato disposti in base a caratteristiche idrofile e idrofobiche. Sono costituiti da una testa idrofila verso l'ambiente acquatico esterno alla membrana e una coda idrofoba verso l'interno. Sono molecole dal carattere anfipatico con testa con carica positiva (colina e gruppo fosfato) e coda con carica negativa (due catene di acidi grassi, idrocarburiche).
• Proteine: integrate nel doppio strato o appoggiate ad esso; svolgono varie funzioni in base alla composizione e alla posizione.
• Colesterolo: dona fluidità alla membrana, è una molecola anfipatica che interagisce con le code idrocarburiche e regola la fluidità in base alla temperatura.

Proteine di membrana

Attraversano il doppio strato e possono essere intrinseche o estrinseche. A causa della natura doppia del mosaico, coesistono sia con lo strato idrofobo che con quello idrofilo. La differenziazione chimica delle proteine intrinseche è data dai gruppi R, che dispongono le proteine offrendo alla membrana parti adatte: R idrofili alle teste, R idrofobici alle code. Le membrane con più proteine sono più fluide e meno isolate, tipiche di strutture che vengono spesso attraversate, come la membrana mitocondriale. Più lipidi rendono le membrane più rigide e ben isolate, come la membrana guaina mielinica degli assoni. Queste membrane sono fondamentali per il funzionamento della cellula, svolgendo funzioni di trasporto, enzimatiche e di trasduzione del segnale.

Zattere lipidiche

Lungo la membrana si osservano ispessimenti corrispondenti alle zattere lipidiche: sono regioni che presentano un accumulo di proteine e lipidi (colesterolo). Queste unità funzionali forniscono substrati più stabili dal punto di vista strutturale e favoriscono la concentrazione o l'azione sinergica di differenti proteine nella trasduzione del segnale. Senza le zattere, le proteine non potrebbero svolgere il loro compito mancando il substrato adeguato.

Meccanismi di trasporto

La membrana è caratterizzata da una permeabilità selettiva, consentendo il passaggio solo ad alcune molecole. Zuccheri, amminoacidi, ATP e molecole polari attraversano la membrana grazie a trasportatori con meccanismi di trasporto.

• Passivi: non richiedono dispendio energetico, le sostanze attraversano la membrana grazie a caratteristiche chimico-fisiche.
• Attivi: richiedono consumo di energia sotto forma di ATP, lavorano contro il gradiente di concentrazione.

Esistono tre sistemi di trasporto che non riguardano il dispendio energetico:

• Uniporto: movimento di una molecola unidirezionale.
• Simporto: movimento di due molecole nella stessa direzione.
• Antiporto: movimento di due molecole in direzione opposta.

Diffusione (trasporto passivo)

La membrana divide ambienti a differente concentrazione, inizialmente con velocità di diffusione elevata, raggiungendo l'equilibrio dinamico. La velocità di diffusione dipende da diametro molecole, temperatura, carica elettrica e gradiente di concentrazione.

• Semplice: avviene secondo gradiente di concentrazione utilizzando energia immagazzinata dal gradiente. Processo spontaneo e prosegue fintanto esista un gradiente ai due lati della membrana.
• Facilitata: la membrana è permeabile alle sostanze idrofile grazie all'azione di proteine canale e carrier, che cambiano conformazione per consentire il passaggio. Il trasporto è sempre secondo gradiente, ma va a saturazione.

Osmosi

Caso specifico di diffusione dell'acqua: due comparti a pressione osmotica regolati da una membrana semipermeabile, che fa passare solo l'acqua. L'acqua passa da comparto ipotonico a quello ipertonico per diluire il soluto e stabilire equilibrio di pressione osmotica. L'equilibrio idrico è un problema più grande della vita fuori dall'ambiente acquatico.

Trasporto attivo

Richiede consumo di ATP poiché funziona contro il gradiente di concentrazione. Accanto a questo, la cellula crea un trasporto secondario che sfrutta il trasporto attivo per ottenerne uno passivo.

• Pompe protoniche: uniporto che utilizza ATP, trasferimento di cariche da un comparto a bassa concentrazione a uno ad alta concentrazione.
• Pompa sodio-potassio: antiporto che controlla il volume cellulare. Contribuisce al mantenimento del potenziale di membrana per gli impulsi nervosi e consente il cotrasporto di amminoacidi e glucidi. Prende sodio [Na] da interno cellula e lo trasferisce all'esterno e contemporaneamente preleva potassio dall'esterno e lo porta all'interno [K].

La energizzazione del sistema è condizionata da 3 Na⁺ da interno a esterno, per operare necessita di ATP quindi presenta dei siti in cui può essere fosforilato: ATP cede energia grazie a rottura legame del terzo gruppo fosfato e il sistema viene attivato. Il cotrasporto secondario vede l'accumulo di Na⁺ all'esterno della cellula, che tenderebbe a rientrare ma non può attraversare liberamente la membrana, quindi utilizza delle proteine canale. Nel compiere questo movimento crea un potenziale di membrana che è sfruttato dal glucosio per legarsi al sodio ed entrare nella cellula senza consumo di energia. Questo meccanismo non utilizza direttamente ATP ma sfrutta il gradiente di concentrazione potenziale di membrana, conseguente un trasporto attivo così vengono co-trasportati glucosio, amminoacidi, metaboliti e vari ioni. Il simporto fa entrare sodio e glucosio nella cellula, il Na⁺ in eccesso all'interno viene espulso con la pompa sodio-potassio; l'eccesso di glucosio è controllato da canali proteici specializzati.

Canali proteici specializzati

• Acquaporine: canali proteici che facilitano il flusso di acqua in entrata e in uscita dalle cellule.
• Canali ionici regolati: la proteina ha un sito attivo differente da quello della molecola che deve passare attraverso la membrana. Quando arriva una molecola segnale, l'interazione tra proteina e ligando cambia la conformazione della proteina e consente il passaggio della molecola polare.

Il glucosio-permeasi regola il livello di glucosio dentro la cellula. Il gradiente di concentrazione viene mantenuto elevato grazie alla conversione intracellulare del glucosio in glucosio-6P che essendo polare non può riattraversare la membrana. Questa fosforilazione permette l'accumulo di glucosio all'interno della cellula sotto forma di glicogeno, mantenendo bassa la concentrazione di glucosio.

Endocitosi ed esocitosi

Definizione: nell'endocitosi, la cellula ingloba materiale esterno tramite un vacuolo alimentare; nell'esocitosi, la cellula estrude un vacuolo contenente materiale di scarto.

• Endocitosi mediata da recettori: clatrine, proteine recettoriali situate sul lato citoplasmatico della membrana, captano informazioni grazie a siti esterni corrispondenti alle clatrine che rilevano in modo specifico il segnale e inducono la formazione del vacuolo alimentare che sarà circondato da clatrine.
• Pinocitosi: endocitosi che riguarda sostanze liquide.
• Fagocitosi: endocitosi che riguarda sostanze solide.

Nucleo cellulare

Il nucleo cellulare è l'organello principale della cellula poiché contiene l'informazione genetica, il DNA. Caratterizza la cellula eucariotica ed è l'organulo più grande che essa contenga, delimitato dal resto dell'ambiente cellulare da una doppia membrana plasmatica. La membrana interna costituisce la lamina nucleare, una struttura di sostegno che mantiene la forma sferica ed impedisce il collasso. Il doppio strato è attraversato dai pori nucleari, canali che mettono in comunicazione l'ambiente intranucleare con ambiente extranucleare. Sono fondamentali perché il DNA viene tradotto all'esterno del nucleo. I pori nucleari funzionano come un meccanismo di controllo, regolando l'entrata e l'uscita delle molecole.

Ribosoma

Il ribosoma compie la sintesi proteica ma non è un organulo poiché non è delimitato da una membrana. È semplicemente costituito da proteine ed RNA (aggregati proteici e di acidi nucleici). Vengono prodotti all'interno del nucleo in una zona ad elevata presenza di RNA ribosomiale, nel nucleolo, dove avviene l'assemblaggio dei ribosomi. Si presenta composto da due subunità, una maggiore e una minore. È tipico sia dei procarioti che degli eucarioti, dove lo si trova sia in forma libera che associata al reticolo endoplasmatico. La differenza tra questi due ribosomi è il destino delle proteine prodotte:

• Liberi: sintetizzano composti proteici destinati all'uso interno della cellula.
• Associati al RER: sintetizzano proteine che vengono veicolate all'esterno della cellula.

Reticolo endoplasmatico

Il reticolo endoplasmatico rappresenta la struttura più estesa all'interno della cellula, è un sistema di membrane che parte dal nucleo e si sviluppa in tutta la cellula.

• Rugoso: ha ribosomi associati, costituito da un insieme di sacculi schiacciati collegati tra loro, elabora composti proteici i quali vengono impacchettati all'interno di vescicole secretorie che si staccano dal RER grazie al processo di gemmazione e vengono trasportate all'apparato di Golgi per la sintesi di proteine secretorie.
• Liscio: struttura tubulare e sottile, funge da detossificante per le sostanze che entrano nella cellula e interviene in processi di metabolismo catabolico.

Apparato di Golgi

Il sistema di membrane dell'apparato di Golgi presenta una funzionalità polare:

• Cis: lato che guarda l'interno della cellula, destinato ad accogliere vescicole secretorie il cui contenuto viene elaborato fino ad arrivare dall'altra parte del Golgi.
• Trans: lato che guarda la membrana cellulare e forma altre vescicole. Queste possono riversare il loro contenuto all'esterno della cellula fondendo la loro membrana con quella biologica oppure rimanere nella cellula diventando lisosomi, vescicole digestive della cellula.

La gemmazione dei prodotti finali rielaborati ha una funzione digestiva o esocitosi.

Lisosomi

I lisosomi hanno una funzione digestiva poiché contengono enzimi proteolitici. Il lisosoma primario riversa nel vacuolo alimentare e avviene la digestione dei prodotti accumulati nel fagosoma, eliminando i prodotti di rifiuto grazie all'esocitosi. L'autofagia cellulare permette l'eliminazione e il riciclo degli scarti. In alcuni casi, si possono verificare malattie da accumulo lisosomiale.

Mitocondrio

Il mitocondrio è la centrale energetica della cellula, a forma di rene, delimitato da un doppio sistema di membrane: una esterna e una interna. Lo spazio interno è compartimentato grazie a ripiegamenti delle creste, dove viene prodotta energia. Al suo interno avviene la respirazione cellulare, una via metabolica che consente agli organismi aerobi di poter bruciare, in presenza di ossigeno, il glucosio e riestrarre tutta l'energia. Diverso dagli altri organuli, il mitocondrio è dotato di DNA circolare proprio, costituito da una quindicina di geni. La respirazione ha consentito alla cellula di superare i limiti del bilancio energetico legati alla glicolisi, che estrae solo parzialmente energia contenuta nel glucosio. La condizione metabolica che ha permesso la respirazione è stata la fotosintesi clorofilliana, il cui prodotto di rifiuto è l'ossigeno.

Cloroplasto

Il cloroplasto è molto strutturato per la funzionalità energetica e la sintesi di composti. Tuttavia, la parte finale del testo relativo al cloroplasto sembra essere stata troncata e non permette una trattazione completa sull'argomento.