Biologia cellulare

LUCIA GIULINI BIOLOGIA CELLULARE

BIOLOGIA CELLULARE

Parole chiave:

o Vita: è un meccanismo in grado di auto-mantenersi;

o Biologia: è una scienza complessa che studia come si organizzano le cellule;

o Ecologia: e lo studio di come gli organismi interagiscono tra loro e con l'ambiente;

o Zoologia e botanica: è lo studio degli organismi superiori, rispettivamente animali e piante;

o Microbiologia: e lo studio della cellula procariote dei virus;

o Anatomia e fisiologia: sono allo studio delle funzioni e delle strutture di tessuti e organi;

o Biologia dello sviluppo: studio di come le cellule formano tessuti e organi organismi;

o Biochimica e biofisica: e lo studio della struttura e del funzionamento delle molecole;

o Biologia cellulare: e lo studio della struttura e delle funzioni della cellula eucariota;

La cellula

Tutti gli esseri viventi sono costituiti da cellule, le più piccole unità strutturali della materia capaci di

esistenza indipendente racchiuse da una membrana e piene di una soluzione acquosa concentrata di

reazioni chimiche, che avvengono in determinate strutture.

Gli organismi superiori sono comunità di cellule derivate per crescita e divisione da una singola cellula

fondatrice.

Tutte le cellule sono simili dal punto di vista chimico, poiché composte dagli stessi tipi di molecole

che partecipano agli stessi tipi di reazioni chimiche. In tutti gli organismi viventi le istruzioni

genetiche, i geni, sono contenute in molecole di DNA, queste informazioni sono scritte con lo stesso

codice chimico, costruite con unità chimiche identiche, interpretati dagli stessi dispositivi chimici e

replicate con uguali procedimenti al momento della riproduzione di un organismo. Inoltre le proteine

sono costituite da aminoacidi e tutti gli organismi dispongono dello stesso insieme di 20 aminoacidi.

Le cellule attuali hanno caratteristiche di base molto simili tra loro perché hanno ereditato tutte le

istruzioni genetiche dallo stesso progenitore comune.

La varietà di caratteri deriva perciò dal modo in cui ogni cellula utilizza le sue istruzioni genetiche

utilizzando i propri geni per produrre certe proteine e non altre.

Il primo a parlare di cellula fu Robert Hooke che esaminò, attraverso un sistema di lenti, un pezzo di

sughero. Riferì come fosse formato da un insieme di concamerazioni minuscole, a cui diede il nome

di “cellule”. Ciò che osservò erano in realtà non erano cellule, ma contenitori vuoti di cellule morte.

Hooke e Leeuwenhoek furono i primi in seguito a osservare cellule vive.

Due affermazioni importanti sono alla base della biologia:

o Schleiden: il mondo vegetale è fatto completamente di cellule;

o Schwann: tutti i tessuti animali sono fatti di cellule.

Queste affermazioni hanno portato ad una teoria cellulare:

o ;

TUTTA LA MATERIA VIVENTE È FATTA DI CELLULE

o ;

TUTTE LE CELLULE DERIVANO DA ALTRE CELLULE

o ' ;

L INFORMAZIONE GENETICA È TRASMESSA IN GENERAZIONI 1

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o '

LE REAZIONI CHIMICHE CHE COSTITUISCONO METABOLISMO AVVENGONO ALL INTERNO DELLA

.

CELLULA

Le cellule si possono osservare attraverso due tipi di strumenti:

o Microscopio ottico: il campione da osservare viene illuminato con luce visibile, situazione tale

da porre un limite alla finestra dei particolari che possono rivelare;

o Microscopio elettronico: supera questo limite utilizzando come fonte di illuminazione raggi

di elettroni anziché di luce, estendendo notevolmente la nostra capacità di distinguere i

dettagli fini delle cellule.

Esistono poi dei particolari microscopi a fluorescenza che grazie a sistemi raffinati di illuminazione

ed elaborazione d'immagine permettono di rendere visibile particolari molto più piccoli.

Figura 1: Adipociti al microscopio elettronico Figura 2: Epidermide di cipolla al microscopio ottico

Le dimensioni della cellula:

Una cellula comune può essere grande dai 20 ai 30 milionesimi di metro (micron) anche se alcune

cellule, come il nervo sciatico (1m), possono essere notevolmente più grandi.

Le dimensioni delle cellule sono strettamente legate alla quantità di reazioni che avvengono in essa.

Tali reazioni occupano spazio e una cellula piccola potrebbe ospitare un numero inferiore di reazioni,

al contrario una cellula troppo grande aumenterebbe i tempi necessari per il metabolismo. Le

dimensioni della cellula sono quindi tali da ottimizzare la tempistica metabolica.

Le macromolecole

Alla base dell'origine della vita c’è la necessità di replicare le macromolecole, che sono:

o proteine

o acidi nucleici

o carboidrati

o lipidi

Le macromolecole possono essere definite come grandi strutture (polimero) in cui riconosciamo

componenti di base (monomero).

La formazione delle macromolecole avviene attraverso la condensazione dei monomeri, che vengono

1 2

legati attraverso un legame covalente che può essere spezzato con una reazione di idrolisi .

1 Un legame covalente è un legame chimico in cui due atomi mettono in comune delle coppie di elettroni.

2 Qualunque reazione di scissione prodotta dall’acqua 2

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I carboidrati:

Sono zuccheri e polimeri di zuccheri ed hanno funzione di deposito di energia. In questa

macromolecola il carbonio si associa all'idrogeno e all'ossigeno.

Gli zuccheri più semplici sono i monosaccaridi, che si possono unire tra loro in carboidrati più grandi

tramite legami covalenti, detti legami glicosidici, dando vita a un disaccaride.

I polimeri più grandi vanno dagli oligosaccaridi fino ai più grandi polisaccaridi, costituiti da centinaia

o migliaia di monosaccaridi.

Gli zuccheri si formano tramite condensazione, un gruppo OH di uno zucchero si lega con un gruppo

OH di un altro e nel contempo viene liberata una molecola di acqua. Dato che ogni monosaccaride

presenta parecchi gruppi ossidrilici liberi i polimeri degli zuccheri possono essere ramificati.

Il glucosio è il monosaccaride più importante tra le fonti di energia della cellula, la cellula infatti

accumula glicogeno (polisaccaride contenente solo glucosio), come riserva di energia.

Gli zuccheri vengono usati non solo come riserva di energia ma anche per costruire strutture di

supporto, come la cellulosa delle piante, polisaccaride del glucosio.

I lipidi: Sono divisi in grassi ed oli, sono composti idrocarburici. Il gruppo dei lipidi è un insieme caratterizzato

da molecole insolubili in acqua, ma solubili nei grassi. Gli acidi grassi di norma contengono lunghe

catene idrocarburiche e il loro impiego più importante nella cellula è come materiale strutturale per

il doppio strato lipidico, ovvero la struttura base di tutte le membrane cellulari, sottili pellicole

composte gran parte da fosfolipidi. La gran parte dei fosfolipidi è composta da acidi grassi e glicerolo,

hanno una coda idrofoba formata da due catene di acido grasso è una testa idrofila, che contiene il

fosfato.

Le proteine:

Sono polimeri di amminoacidi, uniti testa-coda in una lunga catena che poi si ripiega. Il legame

covalente tra due amminoacidi adiacenti nella proteina si chiama legame peptidico e quindi la catena

di amminoacidi viene chiamata anche polipeptide, anche essi si formano per reazione di

condensazione. In ogni polipeptide si individuano un gruppo amminico a un'estremità e un gruppo

carbossilico all'altra. Nelle proteine si trovano comunemente 20 tipi di amminoacidi.

Le proteine hanno:

o Ruolo strutturale

o Trasporto di sostanze attraverso la membrana

o Difesa immunitaria

o Funzione di catalizzatore

o Deposito

o Trasmettono segnali

o Sintesi DNA e RNA

o Interazione tra membrane

La struttura della proteina si divide in:

o Struttura primaria: sequenza di amminoacidi

o Struttura secondaria: disposizione nello spazio di amminoacidi

o Struttura terziaria: conformazione tridimensionale

o Struttura quaternaria: interazione con altre proteine

3

Queste organizzazioni permettono il folding delle proteine.

3 Corretto ripiegamento delle proteine. 3

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Gli acidi nucleici:

I nucleotidi sono molecole formate

da un composto contenente un

anello azotato legato a uno

zucchero a 5 atomi di carbonio e da

un gruppo fosfato. Gli anelli con

azoto vengono solitamente Figura 3: Struttura di un acido nucleico

chiamate basi azotate e si legano ad

un nucleotide che può essere ribonucleotide se contenente zucchero ribosio, oppure

desossiribonucleotide se contenenti zucchero desossiribosio. Queste strutture vengono chiamate

acidi nucleici, i principali acidi nucleici presenti nella cellula sono il DNA o acido desossiribonucleico

ed RNA o acido ribonucleico. Oltre al tipo di zucchero DNA e RNA differiscono per una base azotata:

nel DNA sono presenti adenina, timina, guanina e citosina mentre nel RNA al posto della timina è

presente l’uracile.

Tipi cellulari

Sono due le categorie principali:

o Procarioti: più semplici e piccole, il materiale genetico è conservato nel corpo nucleare;

o Eucarioti: più grandi, il materiale genetico è nel nucleo.

Le cellule eucarioti si dividono ulteriormente in cellule vegetali e animali.

L'insieme dei procarioti si divide in due domini: batteri e archeobatteri. Appartiene ai batteri la

maggior parte dei procarioti che si incontrano nella vita di ogni giorno, mentre gli archeobatteri si

trovano anche in ambienti troppo stili per quasi tutte le altre cellule (salamoia, sorgenti vulcaniche o

addirittura lo stomaco dei ruminanti, ambiente acido e privo di ossigeno).

La cellula eucariote

La cellula eucariotica è quella più sviluppata, alcune conducono vita indipendente come organismi

unicellulari, ad esempio le amebe e i lieviti, altre fanno parte gli aggregati pluricellulari.

Tutte le cellule eucariotiche sono provviste di nucleo e hanno in dotazione molti altri organelli, molti

dei quali sono racchiusi in una

membrana e comuni a tutti gli

organismi eucariotici.

Ci sono alcuni principali organelli

all'interno della cellula:

La membrana cellulare:

Una cellula è un sistema di molecole

capaci di riprodursi autonomamente,

delimitato dalla membrana

plasmatica, una pellicola grassa

costellata di proteine. Tutte le cellule

utilizzano una membrana per Figura 4: Cellula eucariote

separare e proteggere i propri

componenti chimici dell'ambiente esterno, regolando il trasporto interno-esterno della cellula e ne

permette il riconoscimento.

Il citoplasma è la parte interna della cellula e si divide in:

Citosol (parte acquatica) e organelli. 4

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Il nucleo:

E’ l’organello più grande e contiene il DNA che dirige il funzionamento della cellula. E’ la sede della

duplicazione ed è separato dal citoplasma dall'involucro nucleare che consiste di diversi componenti

ben distinti: membrana nucleare interna e membrana nucleare esterna, separati tra loro da uno

spazio perinucleare. I pori nucleari sono siti nei quali le membrane nucleari interna ed esterna si

fondono a formare un'apertura.

Il nucleolo:

E’ il sito di sintesi dei ribosomi che vengono trasportati nel citosol per produrre proteine. Non è

delimitato da membrane ed è costituito da proteine e RNA.

I ribosomi:

Sono complessi di RNA ribosomiale e proteine che sintetizzano le proteine e traducono l’RNA

messaggero. Sono formati da due subunità.

Il reticolo endoplasmatico e l’apparato di Golgi:

All'interno della cellula esistono due differenti tipi di reticolo endoplasmatic0:

o Reticolo endoplasmatico ruvido

o Reticolo endoplasmatico liscio

Il RER ha molti ribosomi adesi alla membrana (rought), la sua funzione principale è sintetizzare le

proteine.

Il REL o SER è privo di ribosomi (smooth), al suo interno vengono sintetizzate altre biomolecole come

fosfolipidi e gli ormoni steroidei, riceve le proteine e permette l'accumulo di calcio.

Una volta sintetizzate, le proteine

vengono impacchettate in

vescicole di trasporto che si

staccano dal reticolo

endoplasmatico per uscire dalla

cellula o per raggiungere

l'apparato di Golgi, dove

terminerà la loro lavorazione, è in

questo organulo che le proteine

assumono la loro forma

tridimensionale (folding).

L'apparato di Golgi è un organulo

formato da sacchetti appiattiti e

impilati che ha il compito di

modificare le molecole prodotte Figura 5: Circuito RE-Golgi

dal reticolo endoplasmatico per

poi smistarle nei vari

compartimenti cellulari. Ciascuna pila del Golgi ha due facce cis di entrata e trans di uscita.

I lisosomi:

Sono organi specializzati nella digestione enzimatica in ambiente acido di macromolecole in

monomeri. Sono vescicole che si originano dal lato trans del Golgi, più grandi delle vescicole di

trasporto.

Smontano le macromolecole in componenti cellulari che vengono rimessi a disposizione della cellula.

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Alcuni materiali che non possono essere riutilizzati si conservano all'interno del lisosoma, che poi li

4

scarica all’esterno della cellula. E’ anche responsabile dei fenomeni di autofagia .

Se il lisosoma non funziona e assimila troppi rifiuti indigeriti senza riuscire a scaricarli la cellula muore.

I perossisomi:

Svolgono attività di detossificazione e contengono proteine che tamponano le reazioni tossiche

tramite perossido di idrogeno (reazioni di ossidazione).

Gli epatociti del fegato contengono molti perossisomi che svolgono attività di detossificazione.

I mitocondri:

Sono organelli molto grandi, secondi al nucleo. Sono le centrali energetiche

della cellula in cui avvien la respirazione cellulare, viene bruciato il glucosio

e prodotto ATP. Contengono un po’ di DNA (DNA mitocondriale),

fondamentale per la loro attività.

E’ formato da due membrane, la membrana mitocondriale esterna e

interna, quest’ultima è ripiegata e contiene le reazioni e il DNA. Questo

DNA è circolare e codifica le proteine che vengono prodotte dai ribosomi

(ribosomi mitocondriali). I mitocondri hanno struttura e funzioni molto

simili a quelle dei batteri, si pensa perciò che i mitocondri siano antichi Figura 6: Mitocondrio

batteri che vengono ospitati dalla cellula (teoria endosimbiotica).

Il citoscheletro:

E’ lo scheletro di ogni nostra cellula che le dà forma ed è composto da proteine. E’ una struttura

dinamica perché viene continuamente smontato e rimontato.

Sono tre i tipi di filamenti presenti nel citoscheletro:

o Filamenti di actina, sono i più piccoli e sono disposti nelle estremità della cellula,

contraendosi ne aumentano la superficie. (In rosso nella foto)

o Filamenti intermedi, variano a seconda del sistema in cui si trovano e aiutano a posizionare

gli organelli nel citosol.

o Microtubuli, sono i più grandi, si diramano a raggiera e servono a trasportare materiali dal

nucleo all'estremità, avvicinano gli organuli da degradare al lisosoma, spostano gli organuli

per permettere la mitosi. (In verde nella foto)

Figura 8: Citoscheletro al microscopio Figura 7: Strutture del citoscheletro

4 La cellula degrada gli organelli inutilizzabili e li sostituisce, il lisosoma li ingloba e poi li espelle. 6

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La membrana cellulare:

Le membrane sono formate da tre grandi macromolecole: 50% lipidi, 30/40% proteine e 10/20%

zuccheri. Funge da barriera che impedisce al contenuto cellulare di sfuggire e di mescolarsi e

consente di lasciare entrare e uscire nutrienti e sostanze di scarto. Ciò è possibile perché la

membrana è attraversata da canali altamente selettivi e da proteine di trasporto che permettono

l'importazione e l'esportazione di piccole molecole e ioni.

La membrana può estendersi senza perdere la propria continuità, per l'aggiunta di nuova membrana,

e può deformarsi senza strapparsi, inoltre se si fora si richiude rapidamente.

Il doppio strato lipidico costituisce la struttura fondamentale di tutte le membrane cellulari. I lipidi

delle membrane cellulari combinano in una stessa molecola due proprietà molto diverse: essi

possiedono una testa idrofila e una coda idrofoba. I lipidi più abbondanti nella membrana sono i

fosfolipidi, acidi grassi la cui testa idrofila contenente fosfato è collegata alle due code idrofobe. Le

molecole dotate sia di proprietà idrofile sia di proprietà idrofobe sono dette anfipatiche. La presenza

di una componente idrofila e di una componente idrofoba è

determinante per l'associazione di tali lipidi in doppi strati negli

ambienti acquosi, poiché le molecole anfipatiche come i lipidi

sono soggette a due forze opposte: la testa idrofila è attratta

dall'acqua, mentre la coda idrofoba viene respinta dall'acqua e

cerca altre molecole idrofobe con le quali aggregarsi. Questo

determina la formazione di un doppio strato in cui le teste

idrofile dei lipidi di entrambi i foglietti del doppio strato si

affacciano sull'acqua., le code idrofobe sono invece al riparo

dall'acqua, trovandosi una vicino all'altra nella regione interna.

Uno dei più importanti componenti delle membrane è la

fosfatidilcolina, più abbondante soprattutto sul foglietto

esterno della membrana plasmatica, ed è formata da una Figura 9: Fosfatidilcolina

piccola molecola, la colina, legata a un gruppo fosfato.

L'ambiente acquoso interno ed esterno alla cellula impedisce

ai lipidi di membrana di sfuggire dal doppio strato, ma nulla impedisce loro di spostarsi e scambiarsi

di posto entro il piano del doppio strato lipidico. La membrana si comporta quindi come un fluido

bidimensionale, da qui il nome di mosaico fluido, poiché le molecole lipidiche si scambiano

continuamente di posto con le loro vicine all'interno del monostrato al quale appartengono.

Il grado di fluidità di un doppio strato lip