Introduzione alla biologia, le molecole della vita, l'origine della vita, la biologia cellulare, il metabolismo energetico

LA CELLULA

Una cellula è la più piccola struttura che mantiene tutte le caratteristiche della vita: separazione esterna/interna, assorbimento, riproduzione, accrescimento, irritabilità, omeostasi.

Le cellule sono così piccole per un problema di rapporto superficie/volume. Infatti, se le cellule dovessero crescere troppo, la superficie che dovrebbe nutrire il volume non sarebbe sufficiente.

Le cellule misurano qualche µm. Esistono però, cellule un po' più grandi. Questo è possibile perché hanno la capacità di aumentare la superficie della membrana senza far aumentare il volume.

LA CELLULA PROCARIOTICA

Questo tipo di cellula non contiene nucleo, ha un cromosoma unico, che è una sorta di anello, sparso nel citoplasma, non ha organelli, ogni tanto presenta i tilacoidi che svolgono la fotosintesi, può avere degli organi locomotori chiamati flagelli che permettono il suo movimento e può avere dei pili di coniugazione.

Che sono dei tubetti rigidi che stanno sulla membrana e che permettono il passaggio di frammenti di DNA da una cellula all'altra (crossing-over). Grazie alla capacità di scambiarsi pezzi di DNA la variabilità negli organismi unicellulari è possibile. Spesso ci sono batteri che a forza di variare riescono a resistere agli antibiotici.

La cellula procariotica ha una membrana rivestita da una parete fatta di peptidoglicano, un polisaccaride costituito da N-acetil muramico (AAM) e da N-acetilglucosammina (NAG). La membrana ha il compito di proteggere la cellula rendendola anche più rigida.

Sia le cellule procariotiche che quelle eucariotiche presentano una membrana formata da un doppio strato di fosfolipidi che formano una struttura detta "mosaico fluido". Nella membrana sono presenti delle proteine che permettono all'interno della cellula di comunicare con l'esterno. Nelle proteine passano tutte quelle sostanze che non riescono a passare tra i fosfolipidi.

A seconda di come entra o esce il materiale dalla cellula abbiamo:

• Il trasporto passivo: abbiamo due tipi di diffusione:
  • Diffusione semplice: si tratta di molecole apolari o molecole polari piccole che riescono a passare nel doppio strato fosfolipidico;
  • Diffusione facilitata: si tratta di zuccheri semplici e diamminoacidi che non riescono a passare nel doppio strato fosfolipidico e che quindi si fanno aiutare dalle proteine. Il materiale trasportato deve essere chimicamente compatibile con la proteina. Infatti, ogni proteina trasporta una certa tipologia di materiale;
• Il trasporto attivo: si tratta del passaggio di alcune molecole cariche che devono però concentrarsi in una certa zona della cellula. Si tratta del trasporto contro gradiente ATP dipendente. Infatti, le proteine che si occupano di queste molecole, per far sì che si accumulino nel luogo giusto della cellula, hanno bisogno di energia.

Oltre al vario materiale, le cellule hanno bisogno anche dideterminatienzimi che, incastrandosi perfettamente a un recettore (una proteina che si trova sempre nella membrana), attivano dei meccanismi all'interno dellacellula. Ogni organismo ha delle sue proteine, dette marcatrici, che permettono alle proprie cellule di riconoscere ciò che appartiene all'organismo e di allontanare ciò che invece non gli appartiene. Questo meccanismo è alla base dell'immunità. Esempio 1: quando un organo viene trapiantato, le cellule non lo riconoscono e iniziano a emettere sostanze per danneggiarlo. Esempio 2: le proteine antigeniche che sono presenti sui globuli (proteine A e B) condizionano enormemente la necessità di un determinato tipo di sangue piuttosto che un altro. I BATTERI I batteri possono avere funzioni catastrofiche per l'umanità (esempio: epidemie) o possono invece aiutarla (esempio: microbiota intestinale). Possono essere utili anche per azioni esterne all'uomo. Esempio: il relitto del Titanic si

sta consumando grazie al lavoro di alcuni batteri che traggono energia dal metallo demolendolo. Esistono, inoltre, batteri che vivono più o meno in simbiosi con altri organismi. Esempio: nelle spugne c'è più biomassa di batteri che di cellule di spugna. Quindi la spugna è un organismo simbiotico perché vive in armonia con tutti i batteri che contiene.

I batteri possono essere:

• Autotrofi: producono sostanze organiche da sostanze inorganiche semplici prese dall'ambiente;
• Eterotrofi: si cibano di altri organismi autotrofi o eterotrofi.

Quando la vita sulla Terra era fatta solo da procarioti, i batteri autotrofi e eterotrofi si associavano nei più primitivi ecosistemi: gli stromatoliti.

LE CELLULE EUCARIOTICHE

Si tratta di una cellula più complessa e più grande di quella procariotica. Nel citoplasma sono contenuti vari organelli che consentono lo svolgimento delle attività cellulari. Ecco cosa costituisce una cellula.

eucariotica:

• Membrana cellulare: ci cui abbiamo già parlato nella cellula procariotica;
• Nucleo: è una grossa struttura al cui interno risiede la cromatina, che al momento della divisione cellulare inizia ad attorcigliarsi e a dare forma ai cromosomi.

APPUNTO: differenza tra DNA (acido desossiribonucleico) e RNA (acido ribonucleico). Sono entrambi degli acidi nucleici e la differenza tra i due sta in una delle quattro basi azotate. Infatti, se nel DNA c'è la timina, nell'RNA c'è l'uracile. All'interno del nucleo c'è anche il nucleolo, una struttura subsferica in cui viene creato l'RNA.

Il nucleo è caratterizzato da dei pori, i quali sono connessi con una serie di membrane (si parla sempre di un doppio strato fosfolipidico) ripiegate all'interno del citoplasma che formano il reticolo endoplasmatico.

• Reticolo endoplasmatico: una grossa parte di esso è ricoperta da piccole strutture subsferiche,

dette ribosomi, che conferiscono al reticolo un aspetto rugoso.

• Ribosomi: sono costituiti dall'RNA ribosomiale.
• Apparato di Golgi: è una parte del reticolo endoplasmatico che è staccata da esso ed è formata da una serie di vescicole impilate (ricordano una pila di pancakes). L'apparato di Golgi ha una funzione importante soprattutto per le proteine che devono essere emesse all'esterno della cellula. Una volta che la proteina viene creata, viene racchiusa in una vescicola che dal reticolo endoplasmatico si trasferisce nell'apparato di Golgi. Le proteine, una volta all'interno dell'apparato di Golgi, si arricchiscono grazie a degli enzimi, dopodiché vengono di nuovo racchiuse in vescicole e lasciano l'apparato di Golgi. Queste vescicole si attaccano poi alla membrana e rilasciano le proteine all'esterno della cellula.
• Vacuolo: esistono moltissimi tipi di vacuoli ma i più importanti sono i vacuoli

che conferisce una struttura alla cellula vegetale (scheletro idraulico) e i vacuoli fagocitici nella cellula animale. Fagocitosi: è una forma di alimentazione in cui un microrganismo viene inglobato da un altro. La preda finisce in un vacuolo fagocitico e viene digerito con degli enzimi. La parte che non può essere digerita viene rilasciata all'esterno. Si ipotizza che due organelli della cellula fossero in realtà dei batteri che sono stati fagocitati da una cellula ma che non sono mai stati digeriti. Sono quindi rimasti nella cellula e continuavano a svolgere il loro lavoro. Si sta parlando dei cloroplasti e dei mitocondri. Citoscheletro: è un sistema di filamenti proteici che oltre a dare una struttura alla cellula animale, aiuta anche il movimento di alcune molecole che devono spostarsi da una parte all'altra della cellula (come una rete stradale). Le proteine principali sono la tubulina e l'actina. Esempio: lo spermatozoo ha una testa.

(nucleo aploide) e una coda.Sezionando trasversalmente la coda si può vedere che è formata da coppie di filamenti proteici. L'ondulazione del flagello dello spermatozoo è permessa dai filamenti proteici che scorrono l'uno sull'altro (stesso meccanismo riguarda la contrazione dei muscoli).

• Cloroplasti: sono delle strutture che si trovano solo nelle cellule vegetali e che hanno una membrana e al cui interno ci sono delle cisterne appiattite chiamate tilacoidi che contengono la clorofilla. Studiando i batteri fotosintetici si è scoperto che anche loro hanno i tilacoidi messi però a spirale. Questi batteri sono presenti sulla Terra da moltissimi anni e si pensa che sia grazie al loro processo di fotosintesi se si è accumulato tanto ossigeno nell'atmosfera da permettere la vita che conosciamo noi oggi.
• Mitocondri: sono costituiti da due membrane: una esterna e una interna ripiegata su sé stessa producendo delle creste.

è specificato dal codice genetico) per formare la catena polipeptidica della proteina. Questo processo è chiamato traduzione. Una volta completata la catena polipeptidica, la proteina può subire ulteriori modificazioni per assumere la sua forma e funzione corrette. Nel mitocondrio, la produzione di ATP avviene attraverso un processo chiamato respirazione cellulare. Durante questo processo, le molecole di glucosio vengono scomposte in presenza di ossigeno per produrre energia sotto forma di ATP. Questa energia viene utilizzata per alimentare le varie attività cellulari. I cloroplasti, invece, sono responsabili della fotosintesi nelle cellule vegetali. Durante la fotosintesi, i cloroplasti catturano l'energia solare e la utilizzano per convertire l'anidride carbonica e l'acqua in glucosio e ossigeno. Questo processo fornisce energia e materia prima per la pianta. In sintesi, mitocondri e cloroplasti sono organelli cellulari che svolgono ruoli cruciali nella produzione di energia e nella sintesi di sostanze vitali per la cellula. La loro struttura e il loro DNA simili a quelli dei batteri suggeriscono che siano il risultato di una simbiosi tra una cellula e un batterio primitivo.

viene preso dal citoplasma), formando così la proteina.

ORGANISMI PLURICELLULARI

Considerata l'enorme quantità di cellule che compone un organismo pluricellulare, è chiaro che ogni cellula ha un rigido posto in cui deve rimanere. Questo avviene grazie alle giunzioni che sono mediate dalle proteine. Esistono vari tipi di giunzione:

• Occludenti: svolgono una funzione sigillante unendo le due cellule adiacenti senza lasciare alcun passaggio (esempio: epidermide o endoderma dell'apparato digerente);
• Gap: in questo caso le proteine delle giunzioni possiedono canali proteici detti connessioni che si aprono in risposta a determinati segnali chimici consentendo il passaggio di materiale tra due cellule;
• Desmosomi: sono giunzioni meccaniche che funzionano come una