Biologia Generale e Cellulare I, Crimi

Laura Tomellini: Biologia generale e cellulare I

Università degli Studi di Verona
CdL Biotecnologie (L-2)
a.a. 2019-2020

La cellula

Le prime osservazioni cellulari risalgono al periodo in cui sono stati sviluppati i primi strumenti ottici, intorno alla fine del Seicento. Le prime cellule furono osservate da parte del fisico e biologo inglese Robert Hooke: egli scoprì delle cavità all'interno del sughero separate da pareti, che chiamò cells, di qui il termine "cellule".

Le tre leggi della teoria cellulare

• Tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o più cellule;
• La cellula è la più piccola unità organizzata di materia;
• Tutte le cellule derivano da cellule pre-esistenti.

Altre caratteristiche fondamentali delle cellule

• Sono notevolmente complesse e organizzate. L'universo va verso il disordine, l'equilibrio (entropia), mentre la vita va verso l'ordine, mantenendo un sistema lontano dall'equilibrio spontaneo. Con la morte, il sistema è libero di andare verso l'equilibrio; essa si verifica quindi nel momento in cui non vi è più tendenza del sistema ad allontanarsi dall'equilibrio. L'organismo muore, in quanto ogni reazione andrà verso l'equilibrio e, raggiungendo il punto energicamente più stabile, si fermerà. L'energia serve per mantenere organizzato un sistema che non è spontaneamente organizzato;
• Possiedono un programma genetico e i mezzi per utilizzarlo (per esempio, i virus possiedono le informazioni ma non il sistema per utilizzarle; per questo non sono esseri viventi, bensì parassiti, utilizzando il sistema di lettura dell'informazione di una cellula ospite);
• Sono capaci di riprodursi;
• Sono in grado di acquisire energia e di utilizzarla;
• Svolgono reazioni chimiche (metabolismo cellulare);
• Sono capaci di rispondere a stimoli e hanno auto-regolazione. La vita, infatti, è basata sullo scambio continuo di informazioni attraverso stimoli e risposte;
• Evolvono; non sono stabili, hanno la possibilità di cambiare il loro programma in modo casuale oppure indotto, in base agli stimoli che ricevono dall'ambiente in cui sono immerse.

Nonostante la divisione delle cellule tra animali, vegetali e batteriche, la chimica delle cellule è globalmente la stessa per tutte le forme di vita.

I movimenti delle cellule sono molto rapidi (alcuni tipi di cellule possono muoversi molto attivamente); anche l'interno della cellula è in continuo movimento.

Proprietà generali degli organismi viventi

Esistono più di 100 milioni di specie viventi, divise tra eucarioti e procarioti. Le cellule eucariotiche sono più evolute e possiedono un nucleo, mentre le cellule procariotiche sono prive di nucleo; sono comunemente chiamate "batteri", sono di dimensioni più ridotte e possiedono una struttura più semplice. Nelle cellule procariotiche il DNA è quindi libero all'interno del citoplasma.

La teoria riguardo l'origine delle cellule è che esse abbiano un'origine comune: è stato realizzato un albero filogenetico basandosi sulla comparazione e correlazione tra sequenze di rRNA presente in tutti i viventi, definendo così tre domini: Bacteria (eubatteri), Archaea (archeobatteri) ed Eukarya (eucarioti). Gli eucarioti hanno origine da cellule procariotiche, probabilmente dagli archeobatteri, e non viceversa.

La biomassa sulla terra, ovvero il materiale organico biologico, è costituita per il 99,7% dalle piante.

La specie biologica è l'insieme di individui che, incrociandosi, generano prole feconda. Esistono anche fenomeni di ibridazione nel caso di individui appartenenti alla stessa specie ma di sottospecie diversa; questo permette al patrimonio genetico di mescolarsi, cosa che è successa per l'essere umano: il DNA umano contiene infatti del DNA di Neanderthal (ci ha permesso, per esempio, di resistere al freddo più di altri Homo).

La cellula procariotica

I procarioti presentano determinate caratteristiche:

• Sono organismi unicellulari;
• Hanno una struttura relativamente semplice, ma comunque ben organizzata;
• Non possiedono un nucleo, ma è presente un nucleoide; il DNA libero nel citoplasma è organizzato in unico filamento circolare (si definisce "nudo", poiché non presenta proteine stabilmente legate);
• Possiedono una parete cellulare esterna (caratteristica delle cellule procariotiche) e, come tutte le cellule, una membrana plasmatica (nel caso dei Gram-, sono due: una esterna alla parete e una interna); possono possedere anche una capsula. In realtà, anche alcune cellule eucariotiche sono dotate di parete, ovvero quelle vegetali, però la parete dei procarioti è completamente diversa da quella delle cellule eucariotiche: è infatti formata da peptidoglicano (o mureina), polimero costituito da zuccheri e peptidi (molecole costituite da amminoacidi uniti tra di loro attraverso un legame peptidico o carboamidico); sono strutture particolarmente resistenti. A seconda della struttura della parete cellulare, i procarioti si distinguono in Gram+ (unica parete ma più spessa e resistente) e Gram- (doppia membrana che racchiude una parete più sottile);
• Presentano altre strutture come ribosomi, mesosomi, corpi d'inclusione, vacuoli gassosi e strati mucosi;
• Possono formare spore, ovvero strutture molto resistenti che possono durare per tempi molto lunghi, in quanto l'organismo si pone in una situazione di quiescenza, diventando impermeabile all'esterno e in grado di sopportare condizioni estreme di temperatura e umidità;
• Possono essere dotati di strutture motorie come flagelli, che permettono, attraverso la propulsione di un motore circolare, di muoversi in un mezzo liquido, al fine di trovare un ambiente in cui sopravvivere, ovvero dove possano trovare energia. I motori molecolari dei flagelli spesso utilizzano un gradiente chimico (pompano protoni verso l'esterno, quindi il motore sarà spinto a muoversi). Si tratta di un esempio di come allontanarsi dall'equilibrio significa ricavare energia utilizzabile.

Gli archeobatteri

Sono caratterizzati da metabolismo estremo; sono infatti chiamati estremofili, in quanto vivono in condizioni molto simili a quelle che vi erano all'origine della vita sulla Terra (4 miliardi di anni fa). Ne esistono tre gruppi:

1. Metanogeni, che sono batteri anaerobi (si trovano per esempio nel tratto intestinale degli animali; un altro esempio è quello delle termiti, all'interno delle quali i batteri metanogeni digeriscono la cellulosa e forniscono loro zuccheri); producono metano e usano energia partendo da CO₂; hanno inoltre la caratteristica di essere in grado di utilizzare idrogeno molecolare (H₂) come fonte di energia;
2. Alofili, che vivono in ambienti salini (fortemente basici), come ad esempio nel Mar Morto, e che sono quindi in grado di sopportare valori di pH fino a 11,5; utilizzano la luce solare come fonte di energia, sintetizzata da un pigmento fotosintetico (batteriorodopsina); hanno strategie molecolari per catturare l'acqua anche in ambienti con così alta concentrazione di sale, che normalmente legherebbe tutta l'acqua;
3. Termoacidofili, che vivono in ambienti molto acidi (pH 2-4), come ad esempio nell'acido cloridrico (HCl), e a temperature elevate (60-80 °C); per questo, si trovano tipicamente a Yellowstone; geneticamente, sono stati trovati dei batteri termoacidofili che potrebbero essere i più vicini a quella che potrebbe essere stata la prima cellula eucariotica.

I batteri

I batteri fotosintetici (come i cianobatteri, i batteri purpurei,…) sono molto importanti perché considerati pionieri dell'uso della luce: possono infatti usare la luce come fonte di energia. I batteri fotosintetici possiedono un intricato sistema di membrane ripiegate che generano dalla membrana plasmatica, che si sono specializzate e che accolgono le proteine fotosintetiche capaci di interagire con i fotoni: permettono quindi alle cellule di catturare fotoni, di utilizzare questa energia per creare un gradiente elettrico-chimico e di trasformarlo in energia chimica. La membrana diventa quindi una struttura specializzata, non più solo una struttura che isoli l'interno della cellula dall'esterno, ma diventa addirittura un organo fotosintetico (non sono organuli come negli eucarioti, ma sono strutture già specializzate).

Un'altra caratteristica interessante dei batteri è la loro capacità di avere metabolismi molto diversi e di poter essere autotrofi, ovvero in grado di sintetizzare le proprie molecole organiche a partire da sostanze inorganiche (utilizzano cioè energia non derivante da fonti metaboliche). L'eterotrofia, invece, è la condizione nutrizionale di un organismo che non è in grado di sintetizzare il proprio nutrimento autonomamente a partire da molecole semplici (CO₂, H₂O, N₂, ecc.); per la sopravvivenza esso deve quindi far riferimento a composti organici pre-sintetizzati da altri organismi.

Esistono due classi di metabolismi: la fototrofia (energia dalla luce) e la chemiotrofia (energia da composti chimici). Gli organismi fototrofi si distinguono in autotrofi (come i cianobatteri e le piante), che ricavano carbonio dalla CO₂ (composto inorganico), ed eterotrofi (come batteri purpurei e verdi), che ricavano il carbonio da composti organici. Gli organismi chemiotrofi, invece, sono unicamente eterotrofi; si distinguono in litotrofi (come batteri sulfurei e batteri a idrogeno), che ricavano energia da composti inorganici (per esempio l'acido solfidrico), e organotrofi (come la maggior parte dei procarioti e tutti gli eucarioti non fototrofi, tra cui l'essere umano), che ricavano energia da composti organici. I batteri sono quindi gli unici organismi che possiedono tutti i possibili tipi di metabolismo.

I batteri sono forme di vita unicellulari, ma in realtà alcuni (come i cianobatteri) possono formare colonie. Per esempio, gli Anabaena cylindrica formano filamenti pluricellulari dove sono presenti cellule che si specializzano solo quando sono in colonia: si scambiano segnali e inducono in alcune cellule della colonia dei cambiamenti genetici; modificando l'espressione genica cambiano anche il fenotipo e il metabolismo, così si specializzano (le cellule H diventano quasi prive di ossigeno e si specializzano nella fissazione dell'azoto per la formazione di proteine o DNA; le cellule V si specializzano invece nella fissazione della CO₂, ne ricavano carbonio e lo fissano all'interno di zuccheri; le cellule S producono spore). Non si formano però organismi pluricellulari, si tratta solo di colonie specializzate, in cui ogni individuo si specializza a vantaggio degli altri.

Altri batteri formano biofilm, comunità strutturate di cellule batteriche racchiuse in una matrice polimerica autoprodotta e adesa a una superficie inerte o vivente (quorum sensing). Il vantaggio di avere questa matrice è di difesa e resistenza a composti tossici (i batteri superiori, morendo, forniscono un segnale a quelli inferiori che diventano più resistenti). Anche queste non sono strutture pluricellulari, ma sono in grado di comportarsi come tali. Alcuni batteri che hanno la capacità di creare biofilm sono associati a infezioni o malattie nell'uomo (carie dentali, periodontite, otite media, infezioni muscolo-scheletriche, nascite necrotica, infezioni del tratto biliare, osteomielite, endocardite, polmonite associata a fibrosi cistica).

I batteri sono in grado di evolvere rapidamente dal punto di vista genetico, grazie al fatto che sono molto abbondanti e che la loro generazione è esponenziale, quindi molto rapida; un altro vantaggio è quello di mutare molto rapidamente (sono infatti alterati da mutazioni casuali frequenti e non correggono il DNA quando si danneggia, poiché, essendo molto abbondanti, un gran numero di batteri presenterà comunque una mutazione favorevole o silente); infine, sono in grado di scambiarsi materiale genetico (via coniugazione, processo con il quale una cellula batterica trasferisce porzioni di DNA ad un'altra tramite un contatto cellula-cellula, o per mezzo di virus).

Gli organismi modello

Nella ricerca, si utilizzano degli organismi modello per studiare i viventi, poiché possiedono un sistema che utilizzano molti organismi; inoltre, questi organismi sono stati scelti in modo da essere utilizzati da tutti, in modo da poter scambiare facilmente le informazioni e ridurre i costi.

• Escherichia coli - batteri
• Saccharomyces cerevisiae - lievito
• Chlamydomonas reinhardtii e Arabidopsis thaliana - alga verde e pianta
• Caenorhabditis elegans - nematode
• Drosophila melanogaster - insetti (moscerino)
• Mus musculus - mammiferi
• Danio rerio (Zebrafish)

Per studiare le piante sono stati scelti ad esempio:

• Arabidopsis thaliana, il cui genoma fu sequenziato nel 2001, tipica dicotiledone;
• Zea mays, il mais, monocotiledone;
• Medicago truncatula, organismo modello delle leguminose;
• Solanum lycopersicum, il pomodoro, organismo modello per le piante da frutto.

La cellula eucariotica

Le cellule eucariotiche formano organismi uni- o multicellulari, sono strutturalmente più complesse (presentano nucleo, citoscheletro, numerosi organelli), costituiscono il dominio più complesso e includono cinque regni: animali, funghi, piante, protisti e cromisti. Alcuni organelli all'interno della cellula sono visibili anche a microscopio senza colorazione.

I virus

I virus sono considerati forme parassitiche della vita che non sono in grado di riprodursi autonomamente; un virus, infatti, infetta una cellula adatta e utilizza gli apparati della cellula ospite per produrre nuovi virus. Il termine "virus" deriva dal latino vīrus, che significa "tossina", "veleno".

I virus sono stati scoperti verso la fine dell'Ottocento grazie a esperimenti sulle piante, in particolare circa l'infettività di estratti di foglie di tabacco malate, che si pensava fosse causata da batteri. Nel 1892, il botanico e biologo russo Dmitrij Iosifovič Ivanovskij dimostrò che la malattia del mosaico del tabacco poteva essere trasmessa da estratti di piante malate passati attraverso un filtro capace di trattenere i batteri.

I virus presentano delle caratteristiche comuni, come quella di possedere un capside proteico che racchiude il materiale genetico; alcuni hanno anche una membrana, un rivestimento lipidico esterno al capside (come HIV); inoltre, non hanno organuli. All'esterno presentano proteine recettoriali che riconoscono le cellule con cui vengono a contatto: i virus, infatti, hanno specificità per l'ospite.

L'origine della vita

Secondo gli studi, l'Universo ha circa 13 miliardi di anni, ma il pianeta Terra si è formato circa 4,5 miliardi di anni fa; la vita, infine, può aver avuto origine circa 3,8 miliardi di anni fa. Se ci limitiamo alla nostra Galassia, la Via Lattea, si ipotizza che ci siano circa 10 miliardi di pianeti simili alla Terra (anche se non sono ancora stati trovati), perciò è plausibile pensare che esistano altre forme di vita oltre a quelle esistenti sul nostro pianeta.

Il naturalista e biologo inglese Charles Darwin (1809-1882), in una lettera del 1 febbraio 1871, scrisse all'amico Joseph Dalton Hooker: "It is often said that all the conditions for the first production of a living organism are now present, which could ever have been present. But if (and Oh! what a big if!) we could conceive in some warm little pond with all sorts of ammonia and phosphoric salts—light, heat, electricity &c. present, that a proteine compound was chemically formed, ready to undergo still more complex changes, at the present day such matter would be instantly devoured, or absorbed, which would not have been the case before living creatures were formed". Inoltre, nella sua opera L'origine della specie (1859), ribadisce che "probably all organic beings which have ever lived on this earth have descended from some one primordial form, into which life was first breathed". Secondo Darwin, quindi, tutti gli organismi ora presenti sulla Terra probabilmente discendono da una forma primordiale in cui per la prima volta si è manifestato il "soffio della vita", intuendo che la vita avesse un'origine comune. Egli aveva anche cercato di capire come studiare questo fenomeno, dal momento che non sarebbe stato possibile ricreare un ambiente simile a quello in cui è avvenuta l'evoluzione della prima forma di vita; inoltre, qualsiasi organismo ottenuto sarebbe stato distrutto da qualche altro essere vivente, poiché il nostro ambiente è completamente colonizzato e sarebbe impossible trovarne uno del tutto privo di organismi viventi che non interferiscano con l'esperimento.

Le due teorie più accreditate riguardo l'origine della vita

1. Extraterrestrial, secondo cui la vita si è originata da materiale organico proveniente dall'esterno della Terra. Sono, infatti, stati analizzati i residui dei meteoriti che negli anni hanno colpito il pianeta (come quello caduto ad Allende, Messico, nel 1969), scoprendo che contenevano materiale organico proveniente dallo spazio, tra cui importanti amminoacidi (per esempio, Alanina, Acido Glutammico, Acido Aspartico e, in eccesso, gli amminoacidi della serie L, gli stessi che si ritrovano in tutte le forme di vita sulla Terra) e altri composti organici fondamentali per la vita. Nel 2011, analisi più accurate su un meteorite hanno permesso di estrarre, seppur in piccolissime quantità, anche delle basi nucleotidiche, le stesse che formano il DNA.
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