Biologia della cellula

Biologia della cellula

Le macromolecole

Le macromolecole sono catene ripetitive di piccole unità semplici dette monomeri unite una all’altra a formare il polimero. Le macromolecole sono sintetizzate attraverso una reazione di condensazione, con perdita di molecole di acqua. L’inverso di una reazione di condensazione è una reazione di idrolisi, attraverso la quale i polimeri sono scomposti nei monomeri costitutivi. Tre tipi di macromolecole: polisaccaridi, proteine e acidi nucleici; a parte vanno considerati i lipidi.

Carboidrati (polisaccaridi)

• Principale fonte di energia, composti da una “capsula”. Sono zuccheri e si dividono in 3 categorie: monosaccaridi, ovvero singoli zuccheri; disaccaridi, due unità di monosaccaridi uniti; oligosaccaridi, più unità di monosaccaridi unite; polisaccaridi, centinaia/migliaia di unità di monosaccaridi unite.
• I diversi monosaccaridi sono uniti tra di loro da legami glicosidici. Gli zuccheri possono essere: Pentosi (5C) o Esosi (6C)
• Ribosio = Pentoso --> RNA
• Deossiribosio = Esoso --> DNA
• Glucosio e Fruttosio sono esosi e fonte di energia. Il glucosio nella cellula vegetale costituisce la parete cellulare in quanto la cellulosa è un polimero di glucosio.

Proteine

Le proteine sono macromolecole costituite da più unità di amminoacidi. Di questi in natura ne sono presenti circa 500, ma nei mammiferi ne compaiono solo 20. Dodici vengono prodotti anche dal nostro corpo in caso non venissero assunti tramite l’alimentazione, mentre gli altri 8 sono detti essenziali perché sono necessariamente da assumere in quanto il nostro organismo non è in grado di produrli.

Gli amminoacidi possono essere sia in forma D che in forma L, ma nelle proteine sono sempre in forma L (gruppo amminico a sinistra). Hanno diverse funzioni, tra cui una strutturale, di protezione o trasporto. Gli amminoacidi sono legati tra di loro da un legame peptidico, ottenuto in seguito a una reazione di condensazione, che ha come prodotto anche H₂O. Le proteine hanno 4 strutture:

• Struttura primaria: la sequenza amminoacidica di una proteina e i livelli superiori della struttura di una proteina derivano tutti dalla struttura primaria.
• Struttura secondaria: determina la conformazione, ovvero la disposizione nello spazio degli amminoacidi. Può essere di diversi tipi: elica (la proteina α ha forma ad elica); foglietto (la proteina si ripiega su se stessa a causa di attrazioni tra i diversi R). Queste conformazioni sono il risultato della presenza di legami idrogeno a intervalli regolari lungo lo scheletro della catena polipeptidica.
• Struttura terziaria: la proteina si ripiega ulteriormente in seguito al peculiare e spontaneo ripiegamento della catena polipeptidica. Attraverso la denaturalizzazione una proteina può perdere la sua struttura terziaria, perdendo anche la sua funzione. Potrà poi riprendere la sua struttura, ma non del tutto, per cui non funzionerà correttamente al 100%.
• Struttura quaternaria: alcune proteine sono formate da più catene polipeptidiche, ognuna delle quali è ripiegata in modo da assumere la propria peculiare struttura terziaria.

Acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono polimeri lineari specializzati nella trasmissione e l’utilizzazione dell’informazione genetica. Sono di due tipi: DNA (acido desossiribonucleico), a doppio filamento, e RNA (acido ribonucleico), a singolo filamento. Entrambi sono costituiti da unità più piccole chiamate nucleotidi. Un nucleotide è formato da uno zucchero pentoso legato a un gruppo fosfato e a basi azotate: adenina, guanina, citosina e timida, sostituita nell’RNA dall’uracile.

I nucleotidi sono uniti tra di loro grazie a legami fosfodiesteri, mentre tutte le basi sono complementari e si accostano così C - G e A - T / U. Possono essere purine (A - G) in quanto sono formate da 2 anelli fusi e sono quindi più complesse; oppure pirimidine, formate da un solo anello (C - T - U). Le basi sono tenute insieme da legami idrogeno.

• DNA = esprime le caratteristiche somatiche (che si vedono) di un individuo. Ha una forma ad elica antiparallela infatti è composta da un doppio filamento e i due filamenti hanno direzione opposta. Lo zucchero pentoso che costituisce parte del DNA è il deossiribosio.
• RNA = può essere di 3 tipi: RNA messaggero (mRNA), necessario per la sintesi delle proteine; RNA ribosomale (rRNA), costituente del ribosoma, deputato alla sintesi delle proteine, e RNA di trasporto (tRNA) che si occupa di trasportare gli amminoacidi dal citoplasma ai ribosomi, dove avviene la sintesi proteica (traduzione dell’info genetica). Lo zucchero pentoso che costituisce parte dell’RNA è il ribosio.

Lipidi

I lipidi sono i costituenti della membrana plasmatica delle cellule. Anch’essi hanno diverse funzioni: riserva energetica (grassi e oli), funzione strutturale (fosfolipidi) e funzione di regolazione (steroidi). Si dividono in 2 gruppi: semplici e complessi.

• Lipidi semplici si dividono in trigliceridi e steroidi. I primi sono formati da una molecola di glicerolo e 3 di acido grasso, legati insieme da legami estere. Attraverso una reazione di esterificazione, con prodotto anche H₂O, si ottiene un trigliceride. L’acido grasso preso in considerazione può essere saturo se tutti i legami tra atomi di carbonio sono singoli, oppure insaturo se la catena carboniosa contiene uno o più doppi legami. Inoltre, trigliceridi solidi a 20°C sono i grassi (tipo burro), quelli liquidi a 20°C sono gli oli. Gli steroidi invece sono composti organici la cui molecola è basata su una struttura ad anelli aventi in comune atomi di carbonio. Possono essere costituenti delle membrane biologiche o ormoni.
• Lipidi complessi sono i fosfolipidi, associati a un gruppo fosfato. Essi costituiscono la membrana cellulare disponendosi su un doppio strato, rivolgendo le code idrofobe all’interno e le teste idrofile all’esterno per garantire maggior permeabilità alla membrana. Sono il prodotto di una reazione di condensazione tra un alcol e 2 molecole di acido grasso, unite a un gruppo fosfato.

La cellula

I requisiti minimi che servono a una cellula per definirsi tale:

• Presenza di una membrana cellulare
• Deve contenere DNA e RNA che permetta la sintesi di proteine e altri componenti
• Deve contenere macromolecole: carboidrati, proteine, acidi nucleici, vitamine
• Deve rispondere agli stimoli ambientali
• Deve riprodursi autonomamente
• Deve essere in grado di regolare il flusso di prodotti necessari e di scarto da dentro la membrana a fuori
• Necessita di una fonte di energia
• Respirazione anaerobia

Struttura di una cellula batterica/procariote

La cellula batterica è un organismo unicellulare molto piccolo. Essa pesa in media 1 picogrammo (1 grammo x 10^-12). Nel batterio si possono distinguere componenti diversi e ben definiti, alcuni dei quali sono sempre presenti (l’elemento nucleare o corpo nucleoide, la membrana cellulare e la parete cellulare, i ribosomi). Altre strutture invece si riscontrano in alcune specie e a volte solo in alcuni ceppi della stessa specie come: capsula, flagelli o ciglia, pili o fimbrie.

Membrana cellulare

La membrana cellulare separa la cellula da ciò che la circonda ed è costituita principalmente da fosfolipidi legati a proteine. È permeabile e ha diverse funzioni, tra cui il trasporto di sostanze nutritive e il compito di catturare energia sotto forma di ATP; inoltre, è sede di alcuni importanti processi, come per esempio la respirazione. Si può dire che la membrana cellulare si basi su un modello mosaico fluido, in quanto il doppio strato lipidico contiene una serie di proteine, che possono posizionarsi in maniera variabile poiché non sono fisse, ma bensì si possono muovere.

La membrana cellulare può aggregarsi ad altre membrane formando delle vescicole sferiche, che hanno diverse funzioni: per esempio nei cianobatteri esse contengono dei pigmenti utilizzati per captare la luce. È anche dotata di flagelli (che però non sono sempre presenti nei batteri), i quali permettono il movimento della cellula e sono formati da filamenti di natura proteica, come la flagellina. Sono ancorati in modo piuttosto labile alla cellula batterica grazie ad anelli. L'insieme di questa struttura è detto corpo basale. I batteri solitamente si muovono a caso, con cambiamenti continui di direzione dovuti alla rotazione del flagello, ma possono muoversi anche strisciando, spostandosi di circa 3 mm/s. Ma non sempre cambiano movimento a caso, spesso sono attirati da nutrienti, come zuccheri, o respinti da sostanze nocive, anche la luce li attira, così come i campi magnetici.

La cellula può essere pentrica se è tutta ricoperta di flagelli; lofotrica se sono in un solo polo; monotrica se c’è un solo flagello in un solo polo; anfitrica se c’è un flagello in ogni polo.

Trasporto di sostanze nutritive

Il trasporto di sostanze nutritive può avvenire in diversi modi:

• Diffusione: modo di attraversare la membrana citoplasmatica. Può essere facilitata o passiva, in quanto viene coinvolta una proteina trasportatrice (o carrier), ma non richiede energia perché vi è un gradiente di concentrazione (si passa da un luogo con più concentrazione a uno con meno).
• Si apre un canale e la molecola, attaccata ad una proteina, passa dall’esterno all’interno e viceversa.
• La diffusione può essere anche attiva, ovvero richiede l’utilizzo di energia e questa si può prendere dall’idrolisi dell’ATP. Con questo processo si va controgradiente, ovvero la proteina necessita di energia per trasportare un elemento da dove c’è meno concentrazione a dove ce n’è di più. L’energia però può essere ricavata anche dalla forza protomotrice liberata in base a 3 casi:
• Si trasporta una sola molecola
• Si trasportano due molecole da dentro a fuori e viceversa
• Si trasportano due molecole una da dentro a fuori e l’altra da fuori a dentro
• Vi è un ulteriore metodo di trasporto: traslocazione di gruppo = la molecola che deve essere trasportata dall’esterno all’interno della cellula, subisce una trasformazione chimica; per esempio, il glucosio per essere trasportato deve essere fosforilato, gli si deve aggiungere un gruppo fosfato che viene portato da un enzima, che l’ha preso a sua volta da un altro e così via.

Parete cellulare

La parete cellulare è una struttura semirigida, presente in quasi tutti i batteri e dà forma, protegge e sostiene la cellula. Svolge due importanti funzioni: conferisce struttura ai batteri e controbilancia la pressione osmotica. I batteri in base alla differente risposta alla colorazione, che dipende dalla struttura della parete, si dividono in batteri Gram-positivi e batteri Gram-negativi. Questi si differenziano tra di loro anche in base alla percentuale di peptidoglicano, il principale componente della parete cellulare. Esso è composto da una serie di catene lineari in cui si alternano: N-acetilglucosamina (NAG) e N-acetilmuramico (NAM) —> amminozuccheri legati da legami glucosidici. Il lisozima agisce su questo legame rompendolo, disintegrando così la parete cellulare batterica. Se queste due catene non fossero stabilizzate, la parete cellulare non avrebbe più la sua funzione. Le catene parallele sono legate tra di loro da legami peptidici, ad ogni NAM vi sono legati 4 amminoacidi D e L alternati: gli ultimi due sono sempre uguali, quello che fa la differenza è l’amminoacido n°3 (lisina/acido diominopimelico).

Nei Gram-positivi lo strato di peptidoglicano è molto ampio; qui i legami crociati, che uniscono tutti gli ultimi amminoacidi, non sono diretti, ma bensì sono mediati da un ponte di pentaglicina. L’entrata nella cellula di elementi esterni è più difficoltosa in quanto la membrana esterna è presente solo in questo tipo di Gram. Nei Gram-negativi lo strato è più sottile; inoltre in questi ultimi il legame tra gli ultimi amminoacidi è diretto. La membrana esterna è tipica dei Gram-negativi dove vi è il LPS = liposaccaride. È composto dal lipide A, costituito a sua volta da acidi grassi, un disaccaride, un nucleo polisaccaridico e catene laterali che differenziano il batterio. Nella cellula Gram-negativa vi è anche il periplasma, tutto ciò che si trova tra la membrana cellulare e quella esterna, ovvero proteine che hanno funzioni diverse: enzimi idrolitici, alcune proteine sono coinvolte nel movimento cellulare, altre sono in grado di legare sostanze che devono essere portate all’interno della cellula.

Struttura interna

• Citoplasma: sostanza semifluida, che si trova all’interno della membrana cellulare. Vi avvengono molte reazioni chimiche, anaboliche e cataboliche.
• Ribosomi: raggruppati in lunghe catene (poliribosomi), sede della sintesi proteica.
• Nucleo: nei batteri vi è il nucleoide, costituito essenzialmente da DNA con alcune molecole di RNA e proteine. Vi possono essere anche dei plasmidi: molecole circolari di DNA a doppia elica, che conferiscono resistenza ad antibiotici, capacità di sintetizzare antibiotici, capacità di degradare composti nocivi. Quando, in seguito alla coniugazione, essi vengono portati da una cellula ad un’altra, che non li possiede, la ricevente acquisterà nuove caratteristiche fenotipiche.
• Inclusioni: granuli di sostanza sia organica, che inorganica. Per esempio: glicogeno (polimero di glucosio), carbossisomi (presente nei cianobatteri), funzionano da riserva del rubisco e fissano la CO₂.
• Fimbrie (non è sempre presente): la loro funzione è quella di favorire l'adesione, cioè aiutare a venire a contatto con la cellula del sangue. Una delle funzioni dei pili (nome con cui si chiamano alcune fimbrie) è quella di trasferire il DNA da una cellula donatrice ad una ricevente, in un processo che prende il nome di “coniugazione” e richiede il contatto diretto tra le due cellule attraverso il “pilo sessuale”.
• Esistono anche la trasformazione e la trasduzione. La prima prevede che degli enzimi degradativi del DNA vengano incorporati, portando alla morte della cellula, che rilascia il suo contenuto, tra cui anche filamenti di DNA. La seconda invece prevede l'intervento di un vettore (per esempio, un virus) che possa trasportare il DNA dalla cellula donatrice a una ricevente.
• Capsula (è esterna alla parete cellulare): principalmente costituita da polisaccaridi e ha diverse funzioni:
  • Proteggere la cellula qualora si trovi in carenza di acqua
  • Proteggere la cellula da altri virus che tendono ad attaccare le cellule batteriche
  • Proteggere la cellula dall’inglobamento di altre, come per esempio di macrofagi

Forme principali delle cellule batteriche

• Il cocco
• Il bacillo (ne esistono di vari tipi)
• Il coccobacillo
• I vibrioni
• Lo spirillo
• La spirochetta

Diversi tipi di cellule batteriche

• Micobatteri: hanno parete cellulare, che però è totalmente diversa da quella delle cellule Gram-positive e negative, necessitano di una colorazione diversa a causa di acidi micolici = acidi grassi tipici dei micobatteri.
• Micobacterium tubercolosis: questo batterio resiste a quasi tutti gli antibiotici, proprio grazie agli acidi micolici.
• Archea batteri hanno delle caratteristiche simili a quelle dei batteri, ma anche delle cellule procarioti. In questo gruppo non vi è peptidoglicano, ma vi sono dei componenti simili a quest’ultimo. Gli archea contengono specie che sono in grado di adattarsi agli ambienti esterni:
• Metanogeni: gruppo che è in grado di produrre metano a partire da CO₂ e H; sono anche anaerobi stretti, si moltiplicano solo in ambienti in cui è assente l’ossigeno.
• Alofili: si sviluppano in ambienti in cui la concentrazione salina è molto alta, per esempio, saline, mar morto.
• Termoacidofili: si trovano in ambienti in cui le temperature sono molto elevate, per esempio, nelle solfatare (per esempio, 80°C), ambienti estremi.
• Streptomiceti: batteri produttori di antibiotici.
• Micoplasmi: batteri privi di parete cellulare.
• Microtubuli: composti da tubulina, hanno una forma cellulare e consentono il movimento dei cromosomi e degli organelli.

DNA delle cellule batteriche

I batteri hanno un solo cromosoma circolare, a doppia elica e la lunghezza varia da batterio a batterio. Il DNA è organizzato in superavvolgimenti. Nei batteri non vi sono istoni. Oltre al nucleoide possono essere presenti dei plasmidi, sopra i quali vi sono dei geni che hanno diverse funzioni: metaboliche, di resistenza, di virulenza, batteriocine.

Differenziamento cellulare: sporificazione

Solo due generi Gram-positivi sono in grado di sporificare: bacillus e clostridium. La cellula perde le sue caratteristiche tipiche per diventare una spora, che è caratterizzata dal core = citoplasma andato incontro all’essiccazione. La cellula sporificata attraverso il processo di germinazione può tornare ad essere una cellula normale, per esempio se si trova in un luogo privo di nutrienti. Sono 7 i passaggi che portano alla produzione di una spora.

Principali meccanismi di trasferimento di materiale genetico da una cellula batterica ad una ricevente

• Trasformazione: una cellula batterica donatrice va incontro alla morte cellulare e tutto ciò che vi è nel citoplasma viene secreto nell’ambiente.