Biologia Cellulare

La vita come proprietà emergente

Possiamo definire la vita come una proprietà risultante dalle interazioni tra varie componenti. Dunque, la vita è autodefinita da tali componenti, che sono:

• Ordine o organizzazione _ Gli organismi seguono un piano strutturale dato dal patrimonio genetico. Questa informazione genetica deve poi essere interpretata nei minimi dettagli. L’organizzazione, quindi, corrisponde ad un’informazione che tende a rendere efficiente l’organismo.
• Riproduzione _ Si lega al concetto di teoria della cellula, per cui ogni cellula nasce da una cellula precedente e ogni organismo nasce da un organismo precedente.
• Crescita e sviluppo _ Della cellula o dell’organismo sul piano corporeo. Tali crescita e sviluppo fanno parte dell’organizzazione dettata dal genoma (così come invecchiamento e morte).
• Utilizzazione dell’energia _ Tutti gli organismi rispondono alla seconda legge della termodinamica, per cui l’entropia di un sistema isolato tende a salire nel tempo finché non raggiunge l’equilibrio termico (entropia = disordine presente in un sistema fisico). Il metabolismo, infatti, è il consumo costante di energia: se l’organismo mantiene la sua organizzazione interna, questa va ad aumentare l’entropia esterna (ad esempio espelle energia sotto forma di rifiuti). Crescendo il disordine nell’ambiente, sta alla comunità di organismi il mantenimento dell’ordine; l’entropia quindi sale nell’ambiente terra nel suo complesso.
• Adattamento evolutivo _ Nell’ambito della crescita si tiene conto dell’adattamento evolutivo: tutte le molecole e organismi si sono evoluti tendendo all’ottimizzazione e lasciando tracce di questa evoluzione.
• Risposta all’ambiente _ È una caratteristica di quasi tutti i viventi, anche se gli animali l’hanno sviluppata maggiormente grazie al sistema nervoso.
• Omeostasi _ È la capacità di tenere costante il proprio ambiente interno a spese dell’energia.
• Metabolismo _ È l’equivalenza tra energia e informazione, organizzata da molecole informazionali come DNA, RNA e proteine. Per questo, informazione e ordine sono strettamente collegati.

Controllo genetico del metabolismo

Possiamo definire il metabolismo come il complesso delle reazioni cataboliche (di degradazione) e anaboliche (di ricostruzione) dell’organismo.

Poiché ogni reazione della cellula è controllata da un enzima, la biochimica spiega queste reazioni di metabolismo.

Inoltre, ogni enzima è un prodotto genetico e l’azione degli enzimi è coordinata.

Infine, le vie metaboliche sono evolutivamente conservate (la vita è unitaria).

Unità nella diversità

Ciò che testimonia l’unità della vita nella sua diversità è il fatto che tutti gli organismi hanno le stesse molecole fondamentali, che sono caratteristiche di tutti gli organismi; dunque, tutti questi compiono gli stessi processi metabolici (soprattutto per quanto riguarda il flusso metabolico e di informazioni).

L’ambiente, inoltre, influisce sull’utilizzo dell’informazione genetica.

Il fatto che, ad esempio, tutte le cellule utilizzino l’energia sotto forma di ATP e la immagazzinino come glucosio è un’altra prova di unità nella diversità. La teoria cellulare, che vedremo in seguito, sta alla base di questa unitarietà.

Ereditarietà dell’informazione biologica

I viventi hanno evoluto la capacità di mantenere le informazioni relative alla loro struttura e alle loro reazioni metaboliche e di trasmetterle alle generazioni successive. Questo ci consente di mantenere il nostro livello di evoluzione, ovvero tutto ciò che si è formato nel tempo per arrivare al massimo livello di perfezione possibile in quel momento. Il meccanismo di duplicazione del DNA 1 Giorgia Palladino (molto perfezionato, perché si verifica un errore ogni miliardo di duplicazioni) permette di trasmettere questa informazione. L’insieme di forma, struttura, abitudini, ecc. è quindi codificato dal genoma e si può suddividere in due sottogruppi:

• Fenotipo _ Tutto ciò che osserviamo. Forma, struttura e proprietà di un vivente costituiscono il fenotipo e dipendono essenzialmente dalle sue proteine che, di norma, devono essere continuamente rinnovate. Il fenotipo, dunque, è il frutto dell’interazione tra genotipo e ambiente.
• Genotipo _ Tutte le informazioni che trasmettiamo. Il fenotipo si mantiene e si trasmette grazie al genotipo, che conserva le informazioni in maniera stabile e che è materialmente costituito dagli acidi nucleici DNA e RNA. Dato che il DNA viene copiato in RNA nella parte che deve essere letta e, a sua volta, l’RNA viene tradotto in proteine, il genotipo si identifica con le proteine, che sono il prodotto genico finale.

L’ambiente influisce sull’espressione del genotipo, e dunque sul fenotipo degli organismi, in quanto questi si adattano ai suoi cambiamenti, diversificandosi (ad esempio Biston betularia).

Alcune caratteristiche della vita

Prima di introdurre la teoria cellulare, possiamo riassumere quanto detto.

La vita è unitaria in quanto gli organismi si compongono delle stesse molecole base del metabolismo (molecole fondamentali) e compiono gli stessi processi fondamentali nel flusso metabolico e in quello di informazioni (e che sono ereditari).

Inoltre, la vita si evolve perché l’ambiente cambia e i viventi si adattano e si diversificano.

La teoria cellulare

• La cellula è la più piccola unità del vivente.
• Tutti gli organismi sono costituiti da cellule.
• Ogni cellula deriva da una cellula pre-esistente.
• In base a caratteristiche quali la presenza di un nucleo e di strutture intracellulari (organuli), classifichiamo le cellule in due categorie: procariotiche (più semplici) ed eucariotiche (più complesse).

La cellula batterica è procariotica. I batteri vengono divisi in due categorie: archeobatteri, o estremofili, in grado di vivere in ambienti estremi e chemioautotrofi, ovvero sfruttano le reazioni chimiche per ottenere nutrimento; eubatteri, che si sono sviluppati successivamente. Nonostante gli archeobatteri si siano sviluppati prima, in alcuni aspetti sono molto più simili agli eucarioti rispetto agli eubatteri.

Ogni cellula ha una sua organizzazione interna per mantenere bassa l’entropia.

Nonostante le dimensioni ridotte, la cellula batterica è molto complessa ed evoluta; tuttavia, le cellule più complesse sono quelle eucariotiche, che vivono più a lungo e costituiscono organismi pluricellulari (sono quindi specializzate).

La cellula procariotica

Questa cellula è caratterizzata dalla presenza di due o tre pareti e, a volte, da dei pili. La membrana più interna è quella plasmatica, simile a quella che avvolge le cellule eucariotiche. In queste cellule il DNA non è avvolto da membrana e la doppia elica è in gran parte priva di strutture tridimensionali (ovvero organizzazione del filamento su proteine dette istoni), al contrario delle cellule eucariotiche. Il DNA, dunque, è a contatto con il citoplasma: l’RNA messaggero entra, dunque, subito in contatto con i ribosomi.

La cellula eucariotica

Questa cellula presenta vari organuli separati dal citoplasma da un sistema di membrane interne, tra cui l’involucro nucleare, simili tra loro. Questo fa sì che i processi interni della cellula siano separati: questo permette di abbassare l’entropia della cellula (ad esempio, se gli enzimi intermembrana sono già orientati nel verso giusto, non occorre aspettare che si orientino 2 Giorgia Palladino casualmente in modo da combinarsi con la proteina di cui catalizzano la reazione. Informazione = ordine).

Le dimensioni delle cellule procariotiche e eucariotiche sono molto diverse. Le cellule batteriche hanno una grandezza di 0.1 – 10 µm (micron o micrometri = 10^-6 metri), mentre quelle eucariotiche misurano 10 – 100 µm. Gli organuli, invece, sono nell’ordine dei nanometri (1 nm = 10^-9 m).

In un organismo pluricellulare le cellule sono specializzate per svolgere funzioni diverse e la loro morfologia dipende dalla funzione che svolgono. Gli organuli primari sono, tuttavia, presenti in tutte le cellule: specializzazione cellulare = differenziamento.

I livelli di organizzazione

ATOMI → MOLECOLE → MACCHINE MOLECOLARI → ORGANULI → CELLULA

TESSUTI → ORGANI → ORGANISMI → SOCIETÀ → BIOMI → BIOSFERA 3 Giorgia Palladino

Le dimensioni in biologia

4 Giorgia Palladino A dimensioni diverse corrispondono modalità diverse di visualizzazione e discipline diverse: anatomia e fisiologia, istologia, biologia cellulare, embriologia, genetica, microbiologia, virologia, biochimica e biologia molecolare, chimica, fisica…

Il mondo del micrometro

Con il microscopio elettronico ho una risoluzione maggiore che con quello ottico, è cioè più nitido. 5 Giorgia Palladino Spessore della sezione: 1,5 µm 0,03 µm.

La risoluzione si misura in unità di lunghezza (è quindi una distanza) ed è la distanza minima alla quale due punti vengono percepiti come distinti.

Nella microscopia ottica il mezzo che utilizziamo per vedere un oggetto è la luce visibile. Poiché mezza lunghezza d’onda ci dà la risoluzione per quella lunghezza d’onda e poiché la lunghezza d’onda della luce visibile va da 300 (luce blu) a 800 (luce rossa) nanometri (nm), la risoluzione con la luce visibile è 200 nm.

A occhio nudo, invece, riusciamo ad avere una risoluzione di 0,2 mm, ovvero 200 µm.

Nella microscopia elettronica, invece, uso un fascio di elettroni. Poiché gli elettroni hanno una lunghezza d’onda di 1/1000 della luce visibile, la risoluzione sarà mille volte superiore a quella del microscopio ottico. Con il microscopio elettronico, infatti, ho una risoluzione di 0,2 nm.

Confronto tra cellula vegetale e cellula animale

Gli eucarioti si dividono in tre regni principali: funghi, vegetali e animali.

Le cellule vegetali possiedono una parete di cellulosa esterna che ricopre la membrana plasmatica. All’interno troviamo un vacuolo che costituisce il luogo di eliminazione delle scorie e da dove la cellula attinge acqua da scambiare col citoplasma. Nelle parti verdi si trovano i cloroplasti per la fotosintesi (che si sono evoluti da batteri fotoautotrofi).

Nelle cellule animali, invece, troviamo solo una membrana plasmatica all’esterno e la struttura più grande è il nucleo, delimitato da due membrane. Nel citoplasma troviamo organuli come, ad esempio, il reticolo endoplasmatico o i mitocondri. 6 Giorgia Palladino

Immagini ottenute con il microscopio elettronico

Esistono due tipi di microscopio elettronico.

Nel microscopio elettronico a trasmissione, i raggi X attraversano il preparato tagliato molto sottile. Le strutture che devono essere osservate vengono prima colorate, in modo da trattenere i raggi X che le attraversano. Tali coloranti sono metalli pesanti come sali di piombo, sali d’oro o di uranio in grado di trattenere i raggi.

Nel microscopio elettronico a scansione, invece, gli oggetti appaiono tridimensionali. Questo perché sul preparato viene passato un pennello di elettroni che intercetti i rilievi della superficie. Anche in questo caso il preparato viene prima colorato con sali di metalli pesanti che vengano intercettati dal pennello ma la risoluzione è più bassa rispetto al microscopio a trasmissione. 7 Giorgia Palladino

Una galleria di cellule procariotiche

Un’altra galleria di cellule procariotiche, alcune in divisione 8 Giorgia Palladino

Il mondo del nanometro

Un nanometro corrisponde ad un miliardesimo di metro, cioè 1 nm = 10^-9 m. Vediamo alcune dimensioni della biologia cellulare:

• Elica di DNA _ Ha uno spessore, cioè un diametro, di 2 nm; quella umana ha una lunghezza di circa 198 cm.
• Microtubulo _ È una struttura cava all’interno con diametro di circa 25 nm.
• Microfilamento _ Ha un diametro di 7 nm.
• Ribosoma batterico _ Ha un diametro di 25 nm.
• Membrana plasmatica _ Ha uno spessore di 7-8 nm.

I virus appartengono al mondo del nanometro (sono stati scoperti in quanto elementi infettivi filtrabili). Ad esempio, il virus dell’HIV ha un diametro di circa 100 nm. 9 Giorgia Palladino

Scala delle dimensioni

Un globulo rosso umano, ad esempio, ha un diametro di circa 7 µm. Le cellule più piccole umane, quelle del cervelletto, misurano 2-3 µm, mentre quelle più grandi arrivano a 30-50 µm (o anche ai millimetri per quelle muscolari).

Dimensioni del genoma

Il gamete aploide umano possiede 3,2 miliardi di basi, ossia 10⁹ basi azotate. Anfibi e piante hanno un genoma molto più grande, per cui le dimensioni del genoma non definiscono il livello di complessità. 10 Giorgia Palladino

Gran parte del nostro DNA è ripetuto e non utilizzato: solo il 2-5% codifica per le proteine, l’80% viene usato per scopi di regolazione e il 20% ha funzione strutturale o è frutto di inserimento di altri genomi, per cui non viene mai letto.

La biologia cellulare

La biologia cellulare nasce dall’intersezione di tre filoni:

• Citologia _ Studio e descrizione della cellula; nasce nel ‘600, quando si osservarono le cellule per la prima volta.
• Biochimica _ Studio dei composti del carbonio; nasce verso il 1825, quando fu sintetizzata la prima molecola organica, l’urea.
• Genetica _ È lo studio della trasmissione dei caratteri ereditari; nasce grazie all’attività di Mendel, tra gli anni ’50 e ’70 dell’800.

11 Giorgia Palladino 12 Giorgia Palladino

Galleria di cellule eucariotiche al microscopio ottico

Lievito gemmante (Saccharo-myces cerevisiae), o lievito della birra e del pane. È un eucariote unicellulare.

Colonie di lievito in una piastra Petri.

Un altro lievito utilizzato per la birra, un altro eucariote unicellulare: questo lievito è detto “ascissione” perché si riproduce per scissione semplice (Schizosacharomyces pombe).

Diatomee Ameba eucarioti eucariote unicellulari unicellulare 13 Giorgia Palladino.

Due protozoi ciliati (eucarioti unicellulari), Tetrahymena a sinistra e Paramecium a destra.

Cellule epiteliali di rivestimento, disposte su un unico strato. Microscopio ottico.

Cellule epiteliali dell’esofago al microscopio ottico.

Cellule epiteliali dell’intestino tenue, la cui superficie presenta microvilli.

Cellule epiteliali striate, microscopia a fluorescenza.

Cellule di muscolo striato: microscopio ottico (sx), microscopio elettronico a falsi colori (dx) 14 Giorgia Palladino.

Cellule del sangue al microscopio elettronico a scansione (falsi colori).

Cellule nervose al microscopio elettronico a scansione (falsi colori).

Un neurone motorio del midollo spinale al microscopio ottico.

Cellula uovo fecondata da spermatozoi al microscopio elettronico a scansione.

Cenni sull’origine delle cellule

L’evoluzione riguarda tutto lo scibile della biologia; per questo diciamo che l’ontogenesi (sviluppo embrionale) ricapitola la filogenesi (sviluppo dell’evoluzione), secondo la teoria dell’”evo-devo”, ovvero “evolution development”. 15 Giorgia Palladino

Vediamo ora velocemente come si è evoluto lo sviluppo della vita sulla Terra, immaginando di ridurre 4500 milioni di anni in un calendario di un mese. Le prime tracce di vita, risalenti a 3450 milioni di anni fa, furono alghe unicellulari procariotiche: queste hanno lasciato tracce molto lievi perché utilizzavano enzimi che necessitavano di ferro.

L’atmosfera terrestre al tempo in cui si evolsero i primi organismi era composta da metano, ammoniaca, azoto, anidride carbonica e vapore acqueo; non c’era ossigeno perché questo si costituì grazie alle fotosintesi dei primi organismi autotrofi come prodotto di scarto.

Inoltre, dato che la catena alimentare non era ancora completa, gli organismi morti non venivano completamente degradati, quindi cominciarono ad accumularsi i primi combustibili fossili.

Durante gli anni 50 del ‘900 si compirono i primi esperimenti riguardo all’origine della vita nell’atmosfera primordiale.

Nel 1951, Muller ricreò il brodo primordiale con l’aggiunta di acqua, aumentando la temperatura e ricreando le scariche elettriche che potessero simulare i temporali: così, vide che spontaneamente si erano formati nell’ambiente prodotti organici. 16 Giorgia Palladino

Inoltre, molte strutture cellulari come virus, ribosomi e RNA presentavano la capacità di auto-assemblarsi, grazie alla tendenza delle molecole ad unirsi.

Così, si ebbe la transizione da una chimica delle forme pre-biotiche a quella dei viventi.

È stato ipotizzato da Rich, Woese e Gilbert un mondo a RNA, sviluppatosi circa 4 miliardi di anni fa, sulla base della capacità di tale molecola di fungere da enzima e di autoreplicarsi. Infatti, non solo l’RNA è in grado di trasmettere il genoma (genotipo), ma ha anche funzioni