Biologia per infermieristica

I sistemi di classificazione dei viventi

I sistemi di classificazione dei viventi sono diversi; i principali sono:

• Quello di Linneo, presentato nel Systema Naturae, che si basa sul concetto di specie morfologica;
• Quello di Mayr, che si basa sul concetto di specie biologica.

Specie biologica

Gruppo di popolazioni naturalmente o potenzialmente feconde ed isolate da gruppi simili dal punto di vista riproduttivo.

Tassonomia

È il ramo della biologia che si occupa di classificare gli organismi, sia attuali che fossili.

Singola Specie => Genere => Famiglia => Ordine => Classe => Phylum => Regni => Domini

Nel 1996 fu completato il sequenziamento del genoma di un batterio e di un archebatterio, e fu osservato che quest’ultimo è più simile agli eucarioti che ai protisti.

L'oggetto di studio della biologia

Gli organismi e il loro funzionamento; le caratteristiche di un organismo sono le seguenti:

• È formato da cellule;
• Risponde agli stimoli;
• Cresce e si sviluppa;
• Possiede informazione genetica;
• Si riproduce.

Teoria cellulare

La cellula fu osservata per la prima volta da R. Hooke nel 1665, successivamente Schleiden e Schwann affermarono che un organismo vivente è composto da cellule; ulteriori scoperte furono fatte da Virchow, tali scoperte portarono all’enunciazione della teoria cellulare, che afferma:

• Tutti gli organismi sono composti da cellule;
• La cellula è l’unità morfologica e fisiologica fondamentale;
• Ogni cellula deriva da una preesistente;
• L’informazione risiede nel materiale genetico (RNA e DNA).

Le proprietà di una cellula

• Adattabilità: la capacità di interagire con l’ambiente esterno;
• Irritabilità (eccitabilità): la capacità di modificare le proprie reazioni in base alle reazioni dell’ambiente circostante (stimoli);
• Motilità: la capacità di spostarsi nell’ambiente;
• Assorbimento: è la capacità di assumere sostanze dall’ambiente esterno; questa è una caratteristica necessaria per formare nuova materia;
• Secrezione: consiste nell’emissione di sostanze nell’ambiente (diverse da quelle preesistenti);
• Catalisi: è la capacità di far avvenire reazioni chimiche, tramite i catalizzatori, che nel caso della biologia sono apposite molecole, gli enzimi, che aumentano la velocità di reazione;
• Generare fenomeni elettrici: le cellule generano d.d.p. e creano correnti elettriche;
• Possiedono la capacità di riprodursi: ovvero originano delle cellule simili a quelle originali.

Dal punto di vista chimico le cellule si somigliano perché sono composte dallo stesso tipo di molecole, che partecipano allo stesso tipo di reazione, dalle proteine, che sono rappresentate dagli amminoacidi e sono identici in tutte le cellule.

Le cellule si differenziano per le seguenti caratteristiche:

• Le dimensioni: che variano fra cellule diverse;
• La forma, che può essere sferica, cuboidale, appiattita, colonnare o poligonale;
• Per le funzioni che caratterizzano ogni cellula.

La cellula

La cellula è la più piccola unità vivente, ma a sua volta è costituita da ulteriori unità: Atomi => Molecole => Macromolecole => Aggregati Molecolari => Cellule.

Tutte le cellule sono formate da tre componenti, che sono la membrana, il citoplasma e il nucleo o il nucleoide.

Membrana plasmatica

La membrana plasmatica separa l’ambiente interno da quello esterno, inoltre regola lo scambio di materiali fra interno ed esterno della cellula. Questa è composta da un doppio strato fosfolipidico, formato da teste idrofile polari, solubili in acqua, e da code idrofobe apolari.

Nella membrana si trovano delle proteine, sparse nel doppio strato fosfolipidico e si distinguono in:

• Proteine estrinseche: sono proteine che non attraversano completamente la membrana, ma sporgono solo su una sua faccia;
• Proteine intrinseche: sono proteine che attraversano completamente la membrana e sono in possesso di una regione idrofobica, situata in corrispondenza delle code del doppio strato fosfolipidico; tali proteine sono dette proteine transmembrana.

Le proteine e i fosfolipidi si possono muovere liberamente sul piano laterale nella membrana e tale modello è definito modello del mosaico fluido.

Le funzioni della membrana cellulare sono tre:

• Svolge funzione morfologica/strutturale;
• Svolge un compito di tipo funzionale (regola gli scambi);
• Ha funzione di comunicazione e integrazione, infatti sono presenti delle proteine con funzione di recettori, a cui si legano dei messaggeri, che modificano il metabolismo cellulare.

Nucleo

Controlla la maggior parte delle attività cellulari e svolge un ruolo di primaria importanza nell’accrescimento, nella replicazione e differenziane della cellula; il nucleo è separato dal citoplasma dalla membrana nucleare, che è costellata di pori, così da consentire li scambi selettivi con il citoplasma.

Il nucleo contiene DNA, complessato sotto forma di proteine strutturali, gli istoni, che costituiscono la cromatina. Cromatina = DNA/RNA + Proteine. La cromatina si addensa, per effettuare la divisione cellulare e i cromosomi assumono un aspetto compatto e diventano visibili al microscopio ottico. Nel nucleo si trovano anche uno o più nucleoli, che stabilizzano l’rRNA e assemblano i ribosomi.

Nella cellula eucariote si parla di nucleo, mentre nella cellula procariote si parla di nucleoide.

Citoplasma

È il “corpo” della cellula in cui sono immersi tutti gli organuli cellulari; questo contiene dei composti chimici della cellula necessarie per svolgere le attività funzionali (elementi inorganici vari, acqua, zuccheri, lipidi, amminoacidi e proteine). Il citoplasma contiene delle strutture dei compartimenti specializzati, delimitati da membrane, che sono definiti organuli cellulari. I vari organuli cellulari sono ribosomi, reticolo endoplasmatico, apparato di golgi, lisosomi, microsomi, mitocondri e citoscheletro.

Ribosomi

Sono assemblati nei nucleoli, formati da due subunità con formate da RNA ribosomiale e proteine.

Reticolo endoplasmatico

È un insieme di tubuli e saculi, questo si suddivide in reticolo endoplasmatico liscio e il reticolo endoplasmatico rugoso. Il reticolo endoplasmatico liscio non è coperto da ribosomi e partecipa alla detossificazione di farmaci e veleni, mentre il reticolo endoplasmatico rugoso coperto di ribosomi sintetizza le proteine a destinazione non citoplasmatica che saranno poi trasferite nell’apparato di Golgi. Il reticolo endoplasmatico è coinvolto nel trasporto dei materiali attraverso la cellula.

Apparato di Golgi

È costituito da vescicole delimitate da membrana e definite cisterne; questo ha il compito di raccogliere e smistare i prodotti del reticolo endoplasmatico. L'apparato di Golgi si compone di due regioni, una rivolta verso l'interno della cellula definita cis ed una rivolta verso l'esterno e definita trans, e una regione mediale, posta in mezzo.

Lisosomi

I lisosomi sono piccole vescicole di enzimi litici disperse nel citoplasma, al loro interno vi sono 40 enzimi digestivi diversi; gli enzimi lisosomiali sono attivi in ambiente acido, per cui il pH dei lisosomi è di circa 5 (acido). I lisosomi primari si formano per gemmazione nell’apparato di Golgi e sono sintetizzati nel RER, dove attraversano il suo lume attaccandosi a delle molecole, che sono riconosciute dal complesso di Golgi come destinate ai lisosomi. Quando i lisosomi si fondono con delle vescicole contenenti il materiale da eliminare, ad esempio batteri prelevati dalle cellule “spazzino”, tramite vescicole endocitotiche, formano una vescicola più grande, il lisosoma secondario, in cui gli enzimi acidi entrano in contatto con il materiale estraneo, degradandolo.

Nella maggior parte delle cellule animali si trovano i lisosomi, mentre nelle cellule vegetali si trovano i vacuoli, che sono delle sacche membranose vuote; la membrana del vacuolo fa parte del sistema delle endomembrane ed è detta tonoplasto. I vacuoli sono formati dall’unione di più vescicole.

Perossisomi

Sono organuli rivestiti di membrana, contenenti enzimi che catalizzano le reazioni metaboliche, dove l’idrogeno viene trasferito nei composti dell’ossigeno; questi si formano per gemmazione nel REL, il loro nome deriva dalla formazione di perossido di idrogeno durante le reazioni, che viene utilizzato per detossificare determinati composti. Il perossido di idrogeno è tossico per le cellule, per cui all’interno dei perossisomi si trova l’enzima catalasi, che scinde il perossido di idrogeno in eccesso in acqua ed ossigeno, rendendolo innocuo.

Questi organuli si trovano nelle cellule che sintetizzano, immagazzinano e degradano lipidi; una delle loro funzioni principali è la degradazione degli acidi grassi, inoltre sintetizzano alcuni fosfolipidi, che hanno funzione di guaina isolante sulle cellule nervose.

Microsomi

Sono simili ai lisosomi, ma più piccoli; i microsomi più importanti sono i perossisomi, che contengono la catalasi, un enzima in grado di degradare il perossido di idrogeno, che è tossico per le membrane e per le macromolecole biologiche.

Mitocondri

Quando una cellula assume energia dall’ambiente circostante questa necessita di essere convertita in forme utilizzabili dalle cellule; questo processo avviene parzialmente nel citosol e parzialmente nei mitocondri e nei cloroplasti; l’energia prodotta è conservata sotto forma di ATP. I mitocondri e i cloroplasti si accrescono e riproducono autonomamente, per questo motivo contengono piccole quantità di DNA, che codifica le loro proteine; inoltre contengono ribosomi simili a quelli dei cloroplasti.

Quindi l’esistenza di ribosomi e DNA separato simile a quello dei batteri supporta la teoria endosimbiotica, che secondo questa teoria i mitocondri e i cloroplasti si sono evoluti a partire da organismi procariotici che si sono stabili all’interno di cellule eucariotiche più grande, perdendo quindi la capacità di funzionare come organismi autonomi.

I mitocondri sono sede della respirazione aerobica, un processo che richiede ossigeno e consiste in varie reazioni che trasformano l’energia del cibo in ATP; durante questo processo gli atomi di ossigeno e di carbonio sono rimossi dalle molecole di cibo e sono convertiti in anidride carbonica e in acqua.

Ogni mitocondrio è circondato da una doppia membrana, che dà origine a due compartimenti diversi, lo spazio intermembrana e la matrice; lo spazio intermembrana si trova fra le membrane esterna ed interna, mentre la matrice è il compartimento contenente gli enzimi e circondato dalla membrana interna. La membrana esterna è liscia e permette il passaggio di molecole di piccole dimensioni, mentre quella interna è selettivamente permeabile e ripiegata su sé stessa, così da aumentare la sua superficie, fornendo un’area in cui far avvenire le reazioni di trasformazione dell’energia chimica in ATP. Le estroflessioni della membrana interna, che si estendono alla matrice, sono dette creste mitocondriali.

I mitocondri svolgono un ruolo fondamentale anche nella morte cellulare programmata, o apoptosi, che si differenzia dalla necrosi, la morte cellulare non programmata, che porta alla morte cellulare non controllata e causa la morte delle altre cellule e infiammazione. La morte programmata può avvenire in diversi modi nei mitocondri; questi la possono indurre interferendo con il metabolismo energetico o attivando enzimi che mediano la distruzione cellulare.

Quando un mitocondrio viene danneggiato si aprono nella sua membrana grossi pori, che causano il rilascio di citocromo c nel citoplasma, che attiva l’apoptosi, attivando gli enzimi del gruppo caspasi.

Citoscheletro

È un intreccio di microfilamenti che irrobustiscono la cellula e gli conferiscono resistenza meccanica; questo è formato da tre elementi: i microtubuli, i filamenti intermedi e i microfilamenti.

• I microtubuli sono formati da 13 filamenti della proteina tubulina; questi si organizzano a formare un cilindro cavo e sono i componenti del fuso mitotico, dei centrioli e delle appendici cellulari.
• I filamenti intermedi sono formati da proteine fibrose, che sono importanti per garantire resistenza meccanica alla cellula.

I centrioli sono composti da nove gruppi di tre microtubuli, di questi ne sono prima le cellule vegetali ma non quelle animali, che ne possiedono due disposti ad angolo retto in una regione della cellula detta centrosoma, che è il centro di organizzazione dei microtubuli cellulari.

Microfilamenti

Detti anche filamenti di actina, sono fibre flessibili e solide. Ogni filamento di actina è costituito da stringhe intrecciate che sono costituite da molecole di actina simili a perle. I microfilamenti si trovano subito sotto una regione della membrana plasmatica detta cortex cellulare, che ha una consistenza più gelatinosa del citosol interno, che è più fluido. Questi filamenti si possono generare movimento tramite un rapido assemblaggio e disassemblaggio.

La matrice extracellulare o MEC è costituita da glicoproteine, proteoglicani e acido ialuronico; la sua proteina strutturale è il collagene, che forma una rete di fibre molto fitte.

Cellula procariotica e cellula eucariotica

Cellula procariotica

È il tipo di cellula degli organismi più semplici, quindi di quelli unicellulari (batteri). Le sue dimensioni sono molto ridotte (1*2 µm), inoltre non possiedono un vero e proprio nucleo, ma possiedono una struttura identificata come nucleoide, dove il cromosoma vi è collocato come cromosoma circolare.

Nel citoplasma delle cellule procariotiche vi sono strutture complesse (es. i ribosomi), anche se solitamente questi organuli non sono rivestiti da membrane. In queste cellule la membrana cellulare è composta da peptidoglicani, che sono catene di polisaccaridi alternati ad un amminozucchero. La parete cellulare ha il compito di proteggere la cellula ed ha spessore variabile; in base al suo spessore i batteri sono classificati tramite la colorazione di Gram, che mise a punto tale tecnica per rivelare la presenza di batteri patogeni.

I batteri che assorbono e trattengono la colorazione di gram, o colorazione al violetto di genziana, appaiono + di colore rosso porpora e sono definiti Gram Positivi (Gram +), la cui parete è monostrato spesso di peptidoglicani. Nel caso di batteri che perdono tale colorazione al microscopio appaiono di colore rosa e sono detti Gram Negativi (Gram -). La loro parete cellulare è più complessa perché è compresa fra due membrane di natura fosfolipidica.

La differenza sostanziale fra batteri gram negativi e gram positivi sta nella suscettibilità di tali batteri agli antibiotici, ad esempio la penicillina è efficace contro i gram positivi perché interferisce con la sintesi dei legami amminoacidici, di conseguenza indebolisce la parete cellulare del batterio.

Talvolta i batteri possono presentare un ulteriore strato protettivo gelatinoso, la capsula, che è composta di polisaccaridi. In queste cellule la membrana cellulare separa l’interno della cellula dall’ambiente esterno, ma svolge ulteriori compiti, come il controllo che la molecola di DNA si duplichi correttamente e si leghi alla membrana in un punto detto mesosoma, un’invaginazione a forma di spirale.

I batteri utilizzano i flagelli, costituiti da flagellina e lunghi fino a 12 µm, questi flagelli si possono muovere con velocità fino a 20 volte superiori al diametro della cellula; quindi i flagelli si comportano come un’elica e sono costituiti da un corpo basale, un uncino e un filamento. Il corpo basale è formato da anelli proteici, che hanno funzione di motore e sfruttano l’energia accumulata dai protoni presenti sulla membrana.

Un’altra appendice sono i pili, che sono fondamentali nello scambio di materiale genetico tra cellule.

I procarioti sono classificati in due sottoregni principali, i Bacteria e gli Archea. Gli archea sono organismi insoliti perché sono capaci sia di vivere in habitat comuni che in habitat estremi, in quest’ultimo caso sono definiti estremofili (un esempio sono i batteri che vivono in sorgenti vulcaniche in ebollizioni, con t = 113° e mai < 90°, o quelli alofili, che vivono in acque molto salate, come quelle del Mar Nero). Questi batteri sono considerati le prime forme di vita (Archea = antico, in greco) e sono a loro volta suddivisi in diversi gruppi, fra cui si ricordano:

• Metanogeni: sono batteri che producono metano (CH₄) a partire da CO₂ e H₂; questi batteri sono capaci di vivere in ambienti anaerobi.

Negli archebatteri si trova una molecola di DNA, una membrana cellulare lipidica ed una parete cellulare priva di peptidoglicani, inoltre il loro metabolismo utilizza ATP come trasportatore di energia.

I Bacteria costituiscono il gruppo principale dei procarioti, detti anche Eubatteri, di cui fanno parte le più piccole cellule viventi prive di parete cellulare, che sono i micoplasmi. Questi batteri si sono diffusi in tutti gli habitat della Terra e vi appartengono anche i batteri capaci di catturare l’energia luminosa, per poi trasformarla in energia chimica. Questi organismi sono detti fotosintetici, cioè che durante la loro attività producono ossigeno e fra questi ricordiamo i cianobatteri o alghe azzurre (blu-verdi). Per questo motivo le cellule procariotiche sono fondamentali nell’ecosistema, poiché oltre a svolgere attività fotosintetica decompongono organismi morti, riciclando i componenti strutturali di questi organismi e fissano l’azoto rilasciato da tali organismi; quindi sintetizzano le molecole organiche di cui necessitano a partire da composti semplici e inorganici.

Cellula eucariotica

Questa cellula è più strutturata di quella precedente, infatti presenta dimensioni maggiori, con al suo interno una compartimentalizzazione delle strutture, che sono delimitate da membrane. Tali strutture sono definite organelli o organuli citoplasmatici, che sono specializzati in specifiche funzioni.