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. In 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 si 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

-6

hanno una grandezza di 0.1 – 10 µm (micron o micrometri = 10 metri), mentre quelle eucariotiche

-9

misurano 10 – 100 µm. Gli organuli, invece, sono nell’ordine dei nanometri (1 nm = 10 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

à à à à à

ATOMI MOLECOLE MACCHINE MOLECOLARI ORGANULI CELLULA

à à à à à

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 da 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 -9

Un nanometro corrisponde ad un miliardesimo di metro, cioè 1 nm = 10 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 “a

scissione” 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 Cellule

epiteliali di epiteliali

rivestimento, dell’esofago

disposte su un al

unico strato. microscopio

Microscopio ottico

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 Cellule

sangue al nervose al

microscopio microscopio

elettronico a elettronico a

scansione scansione

(falsi colori) (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 e