Biologia animale

Esame di biologia animale

La cellula

Le cellule si dividono in due categorie:

• Cellule procariotiche: costituiscono batteri e archeobatteri.
• Cellule eucariotiche: costituiscono funghi, protisti, animali e piante.

Caratteristiche comuni

• Membrana citoplasmatica: struttura che le delimita, funge da barriera selettiva.
• Citosol: sostanza semifluida e gelatinosa nella quale sono sospesi i componenti subcellulari.
• Cromosomi: recano i geni sotto forma di DNA.
• Ribosomi: complessi che operano la sintesi delle proteine.

Differenze

• Locazione del DNA: nella cellula eucariotica si trova nel nucleo, un organulo delimitato da una doppia membrana. Nelle cellule procariotiche si trova in una regione del citoplasma chiamata nucleoide.
• Citoplasma: è la regione interna di entrambi i tipi di cellule. Nella cellula eucariotica è la zona che si trova tra il nucleo e la membrana citoplasmatica; nel citoplasma di una cellula eucariotica, sospesi nel citosol, ci sono numerosi organelli delimitati da una membrana e contraddistinti da forme e funzioni diverse. Nella cellula procariotica queste strutture sono assenti.
• Dimensioni: la cellula eucariotica ha in genere dimensioni maggiori. La dimensione di una cellula è correlata alla sua funzione. Il modo in cui si realizza il metabolismo di una cellula impone dimensioni che non possono essere superate.

La cellula eucariotica in generale

Possiede un sistema di membrane interne, che suddividono la cellula in vari compartimenti: gli organelli. I diversi ambienti cellulari formano ambienti differenti in ognuno dei quali si svolgono specifiche attività metaboliche, la cellula può così svolgere simultaneamente processi tra di loro incompatibili.

Ai processi metabolici partecipano attivamente anche la membrana citoplasmatica e le membrane degli organelli. Le membrane sono costituite da un doppio strato, costituito da fosfolipidi ed altri tipi di lipidi; sulle superfici sono numerose proteine. Ogni membrana presenta una specifica composizione di lipidi e proteine adibiti allo svolgimento di specifiche funzioni.

Le informazioni geniche nella cellula eucariotica

All’interno della cellula eucariotica coinvolti nel processo genetico: il nucleo contiene la maggior parte del DNA e i ribosomi che utilizzano le informazioni geniche codificate dal DNA per la sintesi delle proteine.

Il nucleo

È l’organello di dimensioni maggiori, contiene la maggior parte dei geni presenti nella cellula eucariotica. È separato dal citoplasma dall’involucro nucleare. È costituito da una doppia membrana, ognuna delle quali è composta da un doppio strato lipidico al quale sono associate delle proteine. L’involucro è perforato da pori, a ciascun poro è associata una struttura proteica: complesso del poro, il quale regola l’ingresso e la fuoriuscita di proteine, molecole di RNA e di grossi complessi macromolecolari.

La parte di involucro rivolta verso il nucleo è delimitata da una lamina nucleare, che gli fornisce il supporto meccanico. All’interno del nucleo il DNA è organizzato in cromosomi: strutture che recano l’informazione genica; ciascun cromosoma contiene una lunga molecola di DNA associata a delle proteine. L’insieme del DNA e delle proteine che compongono i cromosomi è chiamato cromatina. All’interno del nucleo è presente il nucleolo, all’interno del quale si trova l’RNA ribosomiale. Le proteine provenienti dal citoplasma si uniscono all’RNA ribosomiale e costituiscono le subunità dei ribosomi. Queste subunità vanno dal nucleo al citoplasma dove si formano i ribosomi veri e propri.

I ribosomi

Sono costituiti da RNA ribosomiale e proteine. La loro funzione è di sintetizzare le proteine. I ribosomi producono proteine in due diverse zone del citoplasma, in particolare si distinguono: i cromosomi liberi che si trovano sospesi nel citosol e producono proteine che vengono usate all’interno della cellula; i cromosomi legati che si trovano sulla parete esterna del reticolo endoplasmatico o sull’involucro nucleare, i quali producono proteine che vengono utilizzate in ambiente extracellulare.

Il sistema di endomembrane

Le membrane che appartengono a questo sistema sono correlate attraverso un sistema di vescicole.

Il reticolo endoplasmatico

È costituito da un intreccio di strutture membranose, è un sistema di strutture tubulari e di ampie cavità. Le membrane separano la parte interna del reticolo dal citosol; lo spazio compreso tra le due membrane è in continuità con il lume del reticolo endoplasmatico.

• Reticolo endoplasmatico liscio: è chiamato così perché la parte esterna delle membrane che lo rivestono è priva di ribosomi. Sintetizza vari tipi di lipidi: grassi, steroidi e fosfolipidi. Altri enzimi dell’ER liscio partecipano alla detossificazione dei farmaci e delle sostanze nocive.
• Reticolo endoplasmatico rugoso: la sua superficie esterna è ricca di cromosomi. Secerne principalmente glicoproteine: proteine unite a carboidrati tramite legami covalenti. Le proteine secrete si allontanano dal reticolo endoplasmatico attraverso le vescicole di trasporto, che transitano da una parte all’altra della cellula.

L'apparato del Golgi

È costituito da una serie di sacche appiattite poste una sopra l’altra. Ogni cisterna ha una propria struttura e funzione: le membrane delle cisterne situate su versanti opposti differiscono per spessore e composizione molecolare: faccia cis deputata alla ricezione, faccia trans deputata al rilascio del materiale prodotto dal Golgi. Le vescicole di trasporto trasferiscono il materiale dal reticolo endoplasmatico all’apparato del Golgi. I prodotti una volta arrivati verranno modificati nel tratto tra il versante cis ed il versante trans. È in grado di sintetizzare macromolecole; la sintetizzazione si articola in diverse fasi, ognuna delle quali si realizza in una particolare cisterna.

I lisosomi

Vescicole delimitate da membrana che contiene enzimi idrolitici deputati alla degradazione di macromolecole (digestione cellulare). Sia gli enzimi idrolitici che i lisosomi vengono prima prodotti dal reticolo endoplasmatico e trasferiti all’apparato del Golgi per ulteriore elaborazione. Gli organismi eucarioti unicellulari si nutrono attraverso fagocitosi di piccoli organismi o di particelle di cibo. Dopo tale processo il vacuolo alimentare che si forma si fonde con un lisosoma, i cui enzimi aggrediscono e degradano il materiale alimentare. Ciò che viene prodotto dalla digestione finisce poi nel citosol e diventa cibo per la cellula. Attraverso un processo definito autofagia i lisosomi permettono il riutilizzo di materiali organici intracellulari; grazie a questo processo la cellula può rinnovarsi continuamente.

I vacuoli

Sono grandi vescicole derivate dal reticolo endoplasmatico e dall’apparato del Golgi. La membrana vacuolare è selettiva nel trasporto dei soluti, quindi la composizione interna del vacuolo è differente da quella del citosol. I vacuoli eseguono funzioni diverse in diverse tipologie cellulari.

• Vacuoli alimentari: si formano in seguito alla fagocitosi.
• Vacuoli contrattili: espellono dalla cellula l’acqua in eccesso.

Le cellule mature contengono inoltre un vacuolo centrale.

La conversione di energia

Gli organismi viventi sono in grado di trasformare l’energia proveniente dall’ambiente circostante. Lo fanno attraverso i mitocondri e i cloroplasti. Secondo la teoria endosimbiontica un antenato primordiale della cellula eucariotica ha inglobato una cellula procariotica creando un endosimbionte (una cellula vivente dentro un’altra cellula). Le cellule procariotiche primitive possedevano due membrane esterne, le quali divennero le membrane di mitocondri e cloroplasti.

I mitocondri

Il numero di tali organelli è correlato al livello di attività metabolica della cellula. Il mitocondrio è racchiuso da due membrane, formate da un doppio strato fosfolipidico unito a specifiche proteine. La membrana esterna è liscia, quella interna si ripiega formando delle creste. La membrana interna divide in mitocondrio in due parti: il primo compartimento è lo spazio intermembrana (tra la membrana esterna e la membrana interna), il secondo compartimento è la matrice mitocondriale: contiene enzimi, DNA mitocondriale, ribosomi. Gli enzimi della matrice mitocondriale intervengono nel processo di respirazione cellulare.

I cloroplasti

Contengono clorofilla, enzimi e altre molecole coinvolte nella fotosintesi. Il loro contenuto è separato dal citoplasma da due membrane. All’interno dei cloroplasti si sviluppa un altro sistema di membrane collegate tra loro definite tilacoidi. Al di fuori dei tilacoidi è presente un fluido, lo stroma, che contiene il DNA del cloroplasto, ribosomi e vari enzimi. Le membrane del cloroplasto dividono lo spazio interno in 3 parti: lo spazio intermembrana, lo stroma e lo spazio all’interno dei tilacoidi. Questa organizzazione consente ai cloroplasti di convertire l’energia luminosa in energia chimica durante la fotosintesi. Il cloroplasto è un membro specializzato di una famiglia di organelli vegetali chiamati plastidi.

I perossisomi

È un compartimento metabolico specializzato. È circondato da una singola membrana. Gli enzimi interni ai perossisomi formano perossido di idrogeno trasferendo ioni idrogeno all’ossigeno. L’ossigeno viene utilizzato per scindere gli acidi grassi in molecole di dimensioni inferiori e quindi più facilmente trasportabili. I perossisomi hanno inoltre una funzione detossificante nei confronti di alcol ed altre sostanze nocive. Sono presenti anche i glisossisomi che si trovano nei semi delle piante e costituiscono una sede di stoccaggio di sostanze lipidiche; questi organelli contengono enzimi in grado di sintetizzare carboidrati utili come fonte di energia per la pianta.

Citoscheletro

Reticolo di fibre distribuite nell’intero citoplasma. Ha un ruolo fondamentale nell’organizzazione strutturale e funzionale delle diverse attività cellulari. Funge da supporto meccanico alla cellula, conferendole una forma che può essere mantenuta nel tempo, questa è una funzione di notevole importanza dato che le cellule animali sono sprovviste di parete. Fornisce un punto di ancoraggio agli organelli e alle molecole enzimatiche del citosol. Può essere rapidamente smantellato in una regione della cellula per poi essere ricostruito in un’altra. È coinvolto nella motilità di diversi tipi cellulari, infatti insieme alle proteine motrice funge da binario per i vari organelli della cellula. È composto da microtubuli, microfilamenti e filamenti intermedi.

I microtubuli

Sono strutture cilindriche cave costituite di tubulina: dimero formato da due subunità strutturali, a-tubulina e b-tubulina, aggiunta alle estremità aumenta la lunghezza del microtubulo. Una delle due estremità è chiamata estremità positiva, e rilascia o accumula grandi quantità di tubulina, accrescendo o riducendo facilmente la propria dimensione durante le attività cellulari. Nelle cellule animali i microtubuli si formano da un centrosoma, localizzato in prossimità del nucleo, hanno la capacità di opporsi alle forze di compressione. All’interno dei centrosomi ci sono i centrioli, costituiti da tre microtubuli disposti ad anello. La parte di microtubuli responsabile del movimento cellulare è costituito da ciglia e flagelli, estensioni contenenti microtubuli. Questi sono alla base del movimento di tanti organismi eucarioti unicellulari, fungendo da appendice di locomozione. Possono anche determinare lo spostamento di un materiale fluido lungo la superficie del tessuto. La struttura dei microtubuli di ciglia e flanelli è ancorata alla cellula mediante un corpo basale.

I microfilamenti

Sono strutture cilindriche compatte e sottili. Sono costituiti da molecole di actina. Il loro ruolo strutturale consiste nella resistenza alla tensione, cioè alle forze di trazione, inoltre contribuiscono al mantenimento della forma cellulare. Il reticolo tridimensionale dei microfilamenti forma lo strato citoplasmatico più esterno della cellula, il cortex. I microfilamenti hanno un ruolo importante per la motilità cellulare. Sono costituiti da filamenti di actina e di miosina i quali interagiscono per determinare la contrazione delle cellule muscolari. La cellula striscia lungo una superficie distendendo estensioni cellulari chiamate pseudopodi.

I filamenti intermedi

Prendono il nome dalla loro dimensione rispetto a quella di microtubuli e microfilamenti. Si trovano solo nelle cellule di alcuni animali, la loro funzione è di resistenza alla tensione. Ciascuna tipologia di filamento intermedio è costituita da diverse subunità molecolari. Il reticolo formato dai filamenti intermedi resiste anche dopo la morte della cellula, svolgono infatti un ruolo fondamentale anche nel mantenimento della forma cellulare.

I componenti extracellulari

La maggior parte delle cellule sintetizza e secerne sostanze all’esterno del plasmalemma.

La parete cellulare

La troviamo solo nelle cellule vegetali. Protegge la cellula mantenendo la sua tipica forma e impedendo un eccessivo ingresso di acqua. Aiuta la pianta a mantenere la propria forma e posizione ed a resistere alla forza di gravità. È costituita da una parete primaria, in cui si trova la lamella mediana, che consente l’adesione tra le cellule adiacenti; e successivamente da una parete secondaria che si trova tra la membrana citoplasmatica e la parete primaria.

La matrice extracellulare

Si trova nella cellula animale. È costituita da glicoproteine e da altre molecole contenenti carboidrati. La proteina presente in maggior quantità nella matrice è il collagene, il quale forma fibre molto resistenti al di fuori delle cellule. Le fibre di collagene sono immerse in un reticolo formato da proteoglicani: pareti proteiche alle quali sono legate numerose catene glucidiche.

Le giunzioni cellulari

Spesso le cellule vicine aderiscono, interagiscono e comunicano tra loro attraverso siti di contatto diretto. I plasmodesmi attraversano le pareti cellulari collegando tra di loro le cellule. Attraverso i plasmodesmi le membrane citoplasmatiche di cellule adiacenti risultano connesse creando una successione di unità in comunicazione tra di loro. Le giunzioni occludenti, i desmosomi e le giunzioni comunicanti sono comuni nei tessuti epiteliali che rivestono le superfici interne ed esterne del corpo.

Struttura e funzione delle membrane

La membrana citoplasmatica rappresenta il confine che separa ogni cellula dall’ambiente circostante. È caratterizzata da una permeabilità selettiva, che consente ad alcune sostanze di attraversarla più facilmente di altre.

Modello a mosaico fluido

I costituenti fondamentali delle membrane sono lipidi, proteine e carboidrati. I lipidi presenti in maggior quantità sono i fosfolipidi: molecole anfipatiche costituite da una regione idrofila ed una idrofoba. Nel modello a mosaico fluido la membrana è un mosaico di molecole proteiche immerse in un doppio strato fluido di fosfolipidi.

Fluidità delle membrane

La stabilità delle membrane è dovuta principalmente alle interazioni idrofobe. Al diminuire della temperatura la membrana rimane fluida fino a quando i fosfolipidi non formano uno stretto impaccamento e la membrana va incontro a solidificazione. Se la membrana è ricca di fosfolipidi a elevato contenuto di code idrocarburiche insature rimane fluida a temperature più basse. Lo steroide colesterolo, causa effetti differenti sulla fluidità della membrana alle diverse temperature. A temperature relativamente alte riduce la fluidità limitando il movimento dei fosfolipidi. Il colesterolo è anche in grado di ridurre la temperatura di solidificazione della membrana, infatti è considerato un “modulatore della fluidità di membrana”. La fluidità della membrana è fondamentale affinché questa possa svolgere le proprie funzioni.

Le proteine di membrana

Questo modello è definito a mosaico per il collage di proteine diverse che sono raggruppate insieme ed immerse nella matrice fluida del doppio strato lipidico. I fosfolipidi sono la struttura principale della membrana, ma i responsabili della maggior parte delle funzioni svolte dalla membrana sono proprio le proteine.

I differenti tipi cellulari contengono proteine diverse: ci sono le proteine integrali le quali penetrano nella regione idrofoba interna al doppio strato lipidico, fungendo da proteine transmembrana attraversando tutto lo spessore della membrana; le proteine periferiche sono invece appendici attaccate debolmente alla superficie della membrana, ancorate alle regioni esposte delle proteine integrali. Nel lato citoplasmatico (interno) le proteine rimangono nella loro posizione grazie a legami con il citoscheletro, sul lato esterno sono ancorate alla matrice extracellulare.

I carboidrati di membrana

Permettono alla cellula di riconoscere i diversi tipi di cellule adiacenti. Sono spesso brevi catene ramificate con massimo 15 unità di zucchero. Alcuni carboidrati sono glicolipidi, legati a lipidi; la maggior parte però si legano alle proteine formando le glicoproteine.

Asimmetria della membrana

Le membrane mostrano due facce distinte: interna ed esterna. L’asimmetria della membrana, disposizione asimmetrica di lipidi proteine e carboidrati, è determinata dal processo di sintesi della membrana stessa a partire dal reticolo endoplasmatico e dall’apparato del Golgi.

Permeabilità selettiva della membrana

Il passaggio di piccole molecole e ioni attraverso la membrana citoplasmatica avviene costantemente in entrambe le direzioni. Zuccheri, amminoacidi e altri nutrienti penetrano all’interno della cellula, mentre i rifiuti metabolici si muovono in senso opposto. La cellula assorbe l’ossigeno utile per la respirazione cellulare ed espelle il biossido di carbonio.