Biologia per infermieri

Biologia

La cellula è la più piccola unità che possiede la complessa organizzazione, l’attività metabolica, la capacità riproduttiva e altre caratteristiche proprie della vita. La teoria cellulare si basa su 3 principi:

• Le cellule sono unità fondamentali della vita
• Tutti gli organismi viventi sono costituiti da cellule
• Tutte le cellule derivano da cellule preesistenti

I primi due principi furono introdotti da Theodor Schwann nel 1839, mentre il terzo e ultimo principio fu aggiunto da Rudolf Virchow nel 1852. La comparsa della prima forma vivente viene fatta risalire a 3,5 miliardi di anni fa, circa 1 miliardo di anni dopo la formazione della Terra.

Principali ipotesi sull'origine della vita

• Formazione di molecole organiche semplici nell’atmosfera primordiale. La dimostrazione a ciò fu verificata da un certo Stanley Miller in laboratorio. Egli riuscì a creare un’atmosfera primordiale in presenza di H₂O e, attraverso una scarica elettrica, riuscì ad ottenere le molecole organiche, come gli amminoacidi.
• Successivamente si formarono le macromolecole. Queste dovevano potersi però replicare per poter parlare di vera e propria vita.
• Si viene a originare l’RNA (si parla infatti in questo periodo di mondo a RNA).
• Si forma poi la membrana fosfolipidica e, con l’acido nucleico, diventa possibile la sintesi proteica. Adesso si parla di vera e propria cellula.

Questa, tuttavia, presentava due grandi handicaps: dipendeva strettamente dall’ambiente per l’approvvigionamento dell’energia e del cibo. La membrana fosfolipidica era formata da fosfolipidi, costituiti da una testa idrofila e da una coda idrofobica. Questi si andavano a disporre coda a coda, a formare la membrana. Le teste comunicavano verso l’ambiente esterno, mentre le code stavano all’interno. Le membrane erano così impermeabili all’acqua. Per scambiare sostanze polari (come l’acqua) erano presenti degli appositi canali membranali.

Evoluzione metabolica

• Glicolisi = C₆H₁₂O₆ → 2C₃H₆O₃ + 2 ATP (Anaerobico)

La glicolisi era un processo anaerobico (che avviene in assenza di ossigeno) e che produceva acido lattico a partire dal glucosio. Essa forma solamente 2 ATP.

• Fotosintesi = 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Avviene nei cloroplasti. Con la comparsa della fotosintesi, l’atmosfera primordiale comincia a riempirsi di ossigeno, grazie al quale è possibile dare inizio al metabolismo ossidativo, che produce molta più energia (ATP) della glicolisi.

• Metabolismo ossidativo = C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 38 ATP (Aerobico)

Avviene nei mitocondri. Come è possibile notare, questo processo produceva molta più energia che con la glicolisi.

Cloroplasti e mitocondri

I cloroplasti e i mitocondri sembrano essersi formati secondo un modello chiamato endosimbiotico. Secondo questa teoria, essi deriverebbero da antichi procarioti che si sono introdotti in cellule più grandi. Qui i procarioti avrebbero dato origine a un rapporto di simbiosi, cioè uno scambio reciproco di favori: la cellula più grande avrebbe fornito biomolecole e sali minerali, mentre i procarioti avrebbero fornito energia. Così la cellula ospite avrebbe acquisito batteri con capacità aerobie e fotosintetiche, che sono diventati poi i mitocondri e i cloroplasti tipici di una cellula animale e di una cellula vegetale. La teoria è supportata dal fatto che sia nei cloroplasti che nei mitocondri sono stati ritrovati parti del vecchio DNA batterico.

La cellula come unità fondamentale e funzionale

La cellula è l’unità fondamentale e funzionale, cioè capace di compiere da sola tutte le funzioni tipiche della vita. Nel 1951 furono coltivate in vitro le prime cellule, chiamate cellule HeLa, dalle iniziali del nome e cognome della donatrice. Queste erano cellule tumorali.

Le tipiche dimensioni di una cellula umana, in media, si aggirano attorno ai 10 μm (1000 mm) o qualche decina di μm. Per i batteri, invece, siamo sulle frazioni di μm. Infine, i costituenti cellulari sono frazioni piccolissime di μm o anche nm.

Principali differenze fra procarioti e eucarioti

Caratteristiche comuni a procarioti e eucarioti

Sia i procarioti che gli eucarioti presentano però alcuni caratteristiche comuni:

• La membrana plasmatica
• Presenza di DNA
• Meccanismi di trascrizione e traduzione simili
• Le vie metaboliche sono spesso simili, come la glicolisi, presente sia nei procarioti che negli eucarioti
• L’energia viene immagazzinata sotto forma di ATP
• Meccanismi simili di fotosintesi, tra procarioti e eucarioti vegetali

Organismi autotrofi e eterotrofi

Organismi autotrofi: Gli organismi autotrofi sono quegli organismi capaci di assumere le sostanze inorganiche dall’ambiente e trasformarle in sostanze organiche (esempio possono essere le piante).

Organismi eterotrofi: Gli organismi eterotrofi sono quegli organismi incapaci di sintetizzare autonomamente sostanze organiche e che, quindi, si trovano costretti a nutrirsi di sostanze organiche prodotte dagli organismi autotrofi: è tipico il caso degli animali che si alimentano direttamente (erbivori) o indirettamente (carnivori) di vegetali.

Organismi unicellulari e pluricellulari

Organismi unicellulari: Organismi costituiti da un’unica cellula.

Organismi pluricellulari: Organismi composti da più cellule, che si uniscono a formare tessuti, i quali costituiscono gli organi, che a loro volta compongono gli apparati.

L'importanza del differenziamento cellulare

La complessità e la diversità delle varie cellule eucariotiche si realizzano attraverso il cosiddetto differenziamento, che ha luogo durante l’embriogenesi. Le cellule degli organismi pluricellulari sono costituite da organuli simili fra loro. Tuttavia, il numero, la posizione e l’aspetto di questi organuli variano col tipo di attività cellulare e col compito che la cellula si trova a svolgere. Per esempio, nell’intestino le cellule epiteliali che guardano verso il lume intestinale, possiedono alcune estroflessioni, chiamate microvilli. Questi derivano da un differenziamento, con lo scopo di aumentare l’estensione dell’intestino e, dunque, migliorare la capacità di assorbimento delle sostanze nutritive. Ogni cellula, quindi, si differenzia e si specializza nella direzione del compito e della funzione che andrà a svolgere.

Le molecole biologiche

Le principali molecole biologiche sono:

• Le proteine
• I carboidrati
• I lipidi
• Gli acidi nucleici (DNA e RNA)

In composizione chimica, una cellula eucariotica è composta principalmente d’acqua (circa il 70%). Il resto sono ioni, zuccheri, amminoacidi, acidi grassi e altre macromolecole. La molecola dell’acqua, essendo fortemente asimmetrica, perché polare, tende a formare legami idrogeno sia con altre molecole d’acqua presenti nella cellula, sia con altre molecole polari. Le sostanze che interagiscono con l’acqua prendono il nome di idrofiliche, mentre quelle che rifuggono l’acqua si chiamano idrofobiche.

I carboidrati

I carboidrati si distinguono in monosaccaridi (CH₂O) e polisaccaridi. I monosaccaridi con 5 o più atomi di carbonio possono ciclizzare e formare anelli (risulterà un anello a pentagono, se il monosaccaride possiede 5 carboni; un esagono se ne ha 6, ecc…).

• 5 Carboni C₅H₁₀O₅ Zucchero pentoso Ribosio
• 6 Carboni C₆H₁₂O₆ Zucchero esoso Glucosio

I polisaccaridi derivano dall’unione di molti monosaccaridi.