Biologia applicata

Gli organismi viventi: lezione 1 dell'8/10

Cosa è la vita?

La biologia è la scienza che studia gli organismi viventi ed i loro rapporti con l'ambiente circostante. Tutti gli organismi viventi, per essere considerati tali, devono soddisfare le seguenti 4 caratteristiche:

1. Complessità

• Biodiversità
• Batteri - Il DNA non è contenuto nel nucleo
• Protisti - Organismi unicellulari
• Funghi - Organismi pluricellulari più semplici
• Piante
• Animali - Crescono e si sviluppano

2. Capacità di accrescimento

Gli organismi viventi si differenziano. Oltre a crescere, le cellule di un organismo vivente vanno a costituire tessuti specifici. Le cellule degli organismi non viventi, invece, non si differenziano.

3. Capacità di riproduzione

Esistono 2 tipi differenti di riproduzione:

• Riproduzione asessuata - Scissione binaria. In questo caso la variabilità è lentissima o addirittura inesistente
• Riproduzione sessuata - In questo caso, invece, la variabilità è maggiore

4. Adattamento all'ambiente

Nell'800 sono nate due teorie contrapposte: la teoria di Lamarck e la teoria di Darwin. Il primo affermò che l'ambiente induce modifiche che vengono trasmesse. Darwin, invece, affermò che l'evoluzione è frutto di modifiche casuali nel DNA, le quali vengono trasmesse ed ereditate.

La cellula

Essa è la più piccola unità capace di vita indipendente. Anton Von Leeuwenhoek, verso la fine del 1600, fu il primo microbiologo della storia. Robert Hooke, osservando le fettine di sughero, fu il primo a coniare il termine "cellula" (1665). Nel 1800, il botanico Schleiden e lo zoologo Schwann formularono la teoria cellulare, che si basa su 2 punti chiave:

• Tutti gli organismi viventi sono costituiti da cellule
• Le cellule sono le unità autonome e funzionali degli organismi

Nel 1858, Virchow completò la teoria affermando che tutte le cellule si originano per divisione da cellule preesistenti. Abbiamo 2 tipi di cellule, procariotiche ed eucariotiche, e 2 tipi di organismi, monocellulari e pluricellulari. I primi possono essere costituiti sia da una cellula procariotica che eucariotica e tale cellula svolge tutte le funzioni. Gli organismi pluricellulari, invece, sono costituiti sempre da cellule eucariotiche e vi è un differenziamento cellulare (le cellule si specializzano in particolari funzioni). Più la cellula è specializzata, minore è la sua capacità di replicarsi. Es. i neuroni non si replicano.

In generale, tutte le cellule presentano le seguenti caratteristiche:

• Accrescimento e divisione
• Trasformazione dell'energia da una forma all'altra per utilizzarla per il lavoro
• Sede dell'informazione genetica
• Permettono scambi con l'ambiente

Una qualsiasi cellula eucariotica è costituita da organelli, nucleo e membrana. I principali organelli sono i seguenti:

Lisosomi

Sono responsabili della degradazione di macromolecole (proteine, grassi, polisaccaridi e acidi nucleici) ad opera di enzimi idrolitici che operano in condizioni acide a pH 5. Sono costituiti da una membrana che permette di mantenere una determinata regione della cellula in ambiente acido. Svolgono una funzione di endocitosi (nutrimento), fagocitosi (difesa) e autofagia (rinnovamento cellulare).

Perossisomi

È la sede di molte reazioni chimiche che producono acqua ossigenata (H₂O₂) catalizzate da enzimi chiamati perossidasi e catalasi. Essendo molto tossica, l'acqua ossigenata viene ritrasformata in H₂O tramite l'enzima catalasi.

Mitocondri

Nel citoplasma di tutte le cellule eucariotiche sono presenti centinaia di mitocondri, organelli citoplasmatici in cui avviene la respirazione cellulare, processo che produce ATP. Esiste una stretta relazione tra il numero di mitocondri presenti in una cellula e il suo fabbisogno energetico: cellule che necessitano di elevate quantità di energia per funzionare dispongono di un maggior numero di mitocondri. Le cellule muscolari, ad esempio, hanno numerosi mitocondri. I mitocondri sono delimitati da due membrane di natura fosfolipidica, la membrana esterna e la membrana interna, divise da uno spazio intermembrana. La membrana interna è caratterizzata dalle creste mitocondriali, introflessioni che aumentano la superficie. È presente anche una matrice mitocondriale, sede in cui avviene il ciclo di Krebs. I mitocondri originariamente erano unità capaci di vita indipendente grazie alla presenza di un proprio DNA. Il DNA mitocondriale è circolare a doppia elica e contiene solamente 37 geni, 13 dei quali codificano per proteine mitocondriali, 22 codificano per tRNA e 2 codificano per rRNA.

Apparato di Golgi

È costituito da una serie di cisterne appiattite delimitate da membrana, impilate, ma separate le une dalle altre. È suddiviso in 3 regioni:

• Cis - Questa regione si trova all'interno della cellula, è in continuità con il reticolo endoplasmatico rugoso ed è all'interno della cellula rivolta verso il nucleo. Nella regione cis le proteine arrivano dal reticolo endoplasmatico e vanno verso la regione trans.
• Medial - È la regione "mediana".
• Trans - È la regione esterna che si trova più vicino alla membrana cellulare.

Reticolo endoplasmatico

Nella maggior parte delle cellule eucariotiche sono presenti 2 tipi di reticolo endoplasmatico:

• Reticolo endoplasmatico rugoso (RER) - È associato ai ribosomi ed è coinvolto nella sintesi di proteine secretorie, di proteine di membrana e di proteine lisosomali. È in continuità con la membrana nucleare.
• Reticolo endoplasmatico liscio (REL) - Non è associato ai ribosomi e svolge le funzioni di sintesi dei lipidi, di immagazzinamento ioni Ca⁺⁺, di detossificazione e di metabolismo dei carboidrati.

Cloroplasti

La componente base di tutte le cellule è il nucleo. Il nucleo cellulare è la sede fisica del DNA, in cui avviene la sua replicazione e la sua trascrizione in molecole di RNA. Il nucleo, tuttavia, è quasi interamente occupato dalla cromatina, la quale è costituita da DNA associato a proteine basiche, chiamate istoni. La cromatina, a sua volta, può condensarsi ulteriormente formando i cromosomi, strutture molto compatte in cui il DNA è altamente spiralizzato. Il nucleo è delimitato da una membrana esterna, in continuità con la membrana del reticolo endoplasmatico rugoso, e da una membrana interna. La membrana esterna si unisce a quella interna nei siti occupati dai pori nucleari, canali acquosi che permettono l'uscita di RNA messaggero e l'ingresso di proteine necessarie al nucleo. Generalmente, le cellule sono costituite da un solo nucleo, ad eccezione, ad esempio, della cellula muscolare che contiene più nuclei.

Il citoscheletro

Il citoscheletro è una struttura reticolare costituita da proteine interconnesse tra loro che permette di organizzare le diverse strutture cellulari e di mantenere la forma caratteristica di ogni cellula. Nelle cellule animali si distinguono 3 diversi elementi citoscheletrici:

• Microtubuli - Sono costituiti dalla polimerizzazione della α e della β tubulina e hanno un diametro di 25 nm. Svolgono un ruolo importante per quanto riguarda l'ancoraggio dei vari organelli e vanno a costituire le fibre del fuso durante la mitosi.
• Microfilamenti - Sono costituiti da monomeri di actina globulare e costituiscono una struttura chiamata actina filamentosa con diametro di 6 nm. L'actina svolge un ruolo importante nella contrazione muscolare.
• Filamenti intermedi - Sono costituiti da diverse proteine, a seconda del tipo cellulare interessato; cheratina nel tessuto epiteliale, vimentina nel tessuto connettivo, neurofilamenti nel tessuto nervoso. Hanno un diametro di 8-10 nm. Hanno un ruolo strutturale e di resistenza agli stress meccanici.

Le membrane biologiche

I procarioti sono costituiti da una membrana plasmatica che delimita la cellula. Gli eucarioti, invece, oltre a questa membrana plasmatica, presentano una membrana degli organelli che delimita gli organuli intracellulari. La membrana biologica ha diverse funzioni:

• Delimita la cellula rispetto all'ambiente esterno e alle cellule vicine
• Sono selettivamente permeabili, dunque permettono il passaggio di alcune sostanze
• Assicurano la corretta composizione dei liquidi intracellulari
• Ricevono e trasmettono "segnali"
• Assicurano l'adesione della cellula alle superfici extracellulari

Al microscopio, la membrana assume una struttura a 3 bande; una scura, una chiara e una scura. Le 3 bande hanno uno spessore di 25 Å, per un totale di 75 Å. La membrana è costituita da un doppio strato fosfolipidico. I fosfolipidi presentano una testa polare idrofilica e 2 code di acidi grassi apolari idrofobiche; le teste polari si dispongono all'interno e all'esterno del doppio strato, le code apolari si dispongono all'interno. La membrana plasmatica presenta 2 caratteristiche fondamentali:

1. Fluidità

La membrana deve mantenersi fluida, quindi non deve diventare rigida alle basse temperature, né disgregarsi completamente alle alte temperature. Questa caratteristica dipende dalla percentuale di acidi grassi insaturi presenti e dalla presenza del colesterolo.

Colesterolo:

• È un componente essenziale della membrana cellulare di tutte le cellule animali: aumenta la stabilità meccanica delle cellule ma diminuisce la permeabilità a piccole molecole idrosolubili.
• Si aggrega con alcune proteine della membrana cellulare formando vescicole in grado di trasportare il loro contenuto ai vari organuli cellulari.
• Assieme a molecole proteiche, regola lo scambio di sostanze messaggere tramite la membrana cellulare.
• È coinvolto nella crescita e nella divisione cellulare.
• È la sostanza base per la sintesi degli ormoni steroidei come aldosterone, cortisone, testosterone, estradiolo.
• È essenziale per lo sviluppo embrionale.
• Il colesterolo prodotto nel fegato viene impiegato in buona parte per la produzione di bile.

2. Asimmetria

Modello a "mosaico fluido": È stato proposto da Singer e Nicholson nel 1972. Prevede un doppio strato lipidico nel quale sono inserite le proteine. Le proteine della membrana possono essere:

• Estrinseche - Situate sulla superficie esterna o interna della membrana
• Intrinseche - Attraversano il doppio strato lipidico

Le proteine di membrana hanno diverse funzioni:

• Trasporto
• Giunzioni intercellulari
• Enzimi
• Recettori
• Riconoscimento tra cellule
• Ancoraggio

Il trasporto può essere passivo o attivo. Il primo avviene secondo gradiente di concentrazione, non richiede energia e si suddivide in 2 tipi:

• Diffusione semplice - Avviene senza nessun aiuto
• Diffusione facilitata - Avviene mediante proteine canale

Il secondo, invece, avviene contro gradiente di concentrazione, richiede energia ed avviene attraverso la presenza di pompe cellulari (pompa sodio-potassio Na⁺-K⁺). Il simporto e l'antiporto sono due modalità di trasporto attivo. Il primo presuppone il trasporto di 2 sostanze nella stessa direzione, il secondo in direzioni opposte. L'uniporto, infine, è il trasporto di una sola sostanza.

Comunicazione tra cellule

Affinché la comunicazione cellulare avvenga, sono necessari i seguenti elementi:

• Messaggio
• Ricezione - Il messaggio viene inviato o dall'esterno dell'organismo o dall'interno
• Trasduzione - Il meccanismo di trasduzione deve indurre una risposta da parte delle cellule bersaglio. Spesso il segnale inviato è un segnale di crescita o differenziamento, fatto che comporta la necessità di sintetizzare nuove proteine. In molti casi, il meccanismo di trasduzione del segnale agisce sul nucleo, aumentandone la trascrizione di geni specifici
• Risposta

Sulla superficie della cellula, sono collocati dei recettori che permettono di ricevere l'informazione e, successivamente, di trasmetterla. Esistono diversi tipi di recettori che svolgono funzioni differenti. Alcuni esempi sono i recettori olfattivi, i recettori della luce, i recettori per l'adrenalina, il glucagone, la serotonina, il TSH, l'acetilcolina.

La cellula muscolare

La contrazione muscolare permette ai vertebrati di muoversi e di mantenere la posizione eretta o seduta, grazie alla capacità dei muscoli scheletrici di accorciarsi e cambiare la posizione delle ossa. La muscolatura scheletrica compie dei movimenti volontari ed è controllata dal sistema nervoso centrale. Esistono però altre tipologie di muscolatura nel corpo che compiono movimenti involontari come il muscolo cardiaco che permette al cuore di pompare ed i muscoli lisci che inducono per esempio la peristalsi intestinale.

Il tessuto muscolare è un tessuto peculiare, presenta cellule allungate, capaci di accorciarsi grazie alla presenza di proteine contrattili che scorrendo le une sulle altre permettono al muscolo di accorciarsi. Essendo diverse dalle cellule "tipiche", il citoplasma di una cellula è chiamato sarcoplasma e la membrana cellulare è detta sarcolemma. Il sarcolemma permette di accoppiare l'impulso nervoso alla contrazione della fibra in punti specifici dove si formano delle invaginazioni, i tubuli T. Come tutte le membrane biologiche, è caratterizzato dalla presenza di molte proteine che ne determinano le funzioni tra cui quella di recettori. Esiste, ad esempio, un recettore per l'insulina e per l'acetilcolina.

Il recettore per l'insulina, dopo aver ricevuto il segnale, promuove l'esposizione sul sarcolemma di un numero maggiore di trasportatori per il glucosio GLUT4, che normalmente sono inattivi perché immagazzinati in vescicole nel citoplasma. Per quanto riguarda il recettore dell'acetilcolina, il sarcolemma delle cellule muscolari scheletriche espone sulla sua superficie i recettori nicotinici per l'acetilcolina che sono tipici delle giunzioni neuromuscolari (sinapsi chimica tra nervo e muscolo). La placca neuromuscolare consente la trasmissione dell'impulso nervoso tra la terminazione del nervo motorio ed il muscolo. In risposta a questo stimolo avviene la contrazione muscolare.

I mitocondri di queste cellule si dispongono lungo le miofibrille in modo da rendere immediatamente disponibile l'ATP ai sarcomeri.