Modulo di citologia (1)

Il mondo della cellula

La scoperta delle cellule

Si scoprì solo molto tardi quale fosse l'origine delle cellule, ma la loro osservazione avvenne alcuni anni dopo l'invenzione del microscopio. Nel 1839, Theodor Schwann, uno zoologo tedesco, affermò la base cellulare della vita e avanzò i primi due principi della teoria cellulare:

• Tutti gli organismi sono composti da una o più cellule.
• La cellula è l'unità strutturale della vita.

Il terzo principio venne formulato nel 1855 da Rudolf Virchow, un patologo tedesco: le cellule possono avere origine solo per divisione di cellule preesistenti.

Le proprietà fondamentali delle cellule

La vita è la proprietà fondamentale delle cellule, che sono anche le più piccole unità a mostrare questa caratteristica. La vita di una cellula può continuare anche se essa viene rimossa dall'organismo in cui si trova e isolata, a patto che venga messa in coltura (cresciuta in vitro). La prima coltura di cellule umane risale al 1951: si trattava di cellule isolate da un tumore maligno e denominate Hela dal nome della donatrice Henrietta Lacks; questa coltura fu ottenuta da George e Martha Gey della Johns Hopkins University. Tutt'oggi, nel mondo, sono ancora coltivate nei laboratori di tutto il mondo delle cellule Hela, le quali sono le discendenti del primo espianto: questo è possibile in quanto le condizioni di queste cellule sono favorevoli a sostenerne la crescita e la divisione cellulare, mentre delle cellule normali avrebbero una durata limitata in coltura.

Ogni tipo di cellula ha un aspetto complesso, e ad ogni livello di osservazione presenta un alto grado di complessità: i suoi organelli, però, hanno la stessa forma e disposizione in tutti gli individui della stessa specie. Ciò significa, ad esempio, che nonostante un uomo e un gatto abbiano caratteristiche anatomiche molto differenti, le cellule che compongono i loro tessuti e gli organuli intracellulari sono molto simili.

Gli organismi sono costruiti seguendo l'informazione contenuta in un insieme di geni, condensata in un insieme di cromosomi che occupano il volume del nucleo cellulare. Le differenze tra gli individui sono dovute alle mutazioni, ovvero variazioni nelle informazioni genetiche permesse dalla struttura molecolare dei geni; questi processi sono la base dell'evoluzione biologica.

Le cellule sono in grado di riprodursi con processi di divisione cellulare, grazie ai quali il contenuto di una cellula madre si distribuisce in due cellule figlie dopo che il materiale genetico è stato fedelmente duplicato.

Ogni processo biologico avviene grazie a un contributo di energia: tutta l'energia usata nei processi vitali sulla Terra proviene dal sole sotto forma di radiazioni elettromagnetiche. Per quanto riguarda le piante, l'energia luminosa viene catturata dai pigmenti posti nelle membrane delle cellule fotosintetiche che assorbono la luce, negli organismi animali, invece, l'energia arriva solitamente sotto forma di glucosio.

All'interno delle cellule avvengono moltissime trasformazioni chimiche, e tutte richiedono enzimi, ovvero molecole che aumentano la velocità della reazione. L'insieme delle reazioni chimiche che avvengono in una cellula costituisce il metabolismo cellulare.

Le cellule sono anche in grado di rispondere agli stimoli, e lo possono fare in modo più o meno evidente. La maggioranza delle cellule è rivestita di recettori altamente specifici che si legano alle sostanze presenti nell'ambiente. Un recettore cellulare, quindi, è il mezzo attraverso il quale un agente esterno può suscitare una specifica risposta nelle cellule bersaglio.

All'interno delle cellule deve essere presente una costante regolazione: ogni tappa di un processo deve svolgersi in modo spontaneo e ordinato.

Per quanto riguarda la nascita delle cellule, come detto prima, non si hanno ancora informazioni certe. Si pensa derivino da alcuni tipi di forme di vita precellulari, a loro volta evolute da materiali organici non viventi presenti nei mari primordiali. È invece certo che le cellule si evolvono, e questa loro evoluzione può essere studiata esaminando gli organismi viventi ai nostri giorni.

Due classi di cellule fondamentalmente diverse

Esistono 2 classi fondamentali di cellule, procariotiche ed eucariotiche, che sono state studiate grazie alla disponibilità del microscopio ottico, il quale ha permesso ai biologi di esaminare le loro strutture interne. Oltre a differenze di forma e grandezza, queste 2 classi di cellule presentano differenze anche per quanto riguarda gli organuli, o strutture interne, in esse contenuti.

Le cellule procariotiche sono strutturalmente più semplici e sono rappresentate da tutte le diverse forme di batteri. Le cellule eucariotiche sono strutturalmente più complesse e sono le componenti di tutti gli altri tipi di organismi: protisti, funghi, piante e animali.

Caratteristiche comuni alle cellule procariotiche ed eucariotiche

• Possiedono entrambe una membrana plasmatica: essa forma una barriera a permeabilità selettiva.
• Entrambe possono essere circondate da una parete cellulare rigida, che protegge i delicati meccanismi vitali interni.
• Entrambe possiedono una regione nucleare, in cui risiede il materiale genetico, circondata dal citoplasma, ma nei procarioti questa regione si identifica nel nucleoide, che non presenta una membrana che lo separi dal citoplasma circostante, mentre le cellule eucariotiche possiedono un nucleo delimitato da una struttura membranosa detta involucro nucleare.
• Hanno cromosomi contenenti DNA.
• Entrambi contengono ribosomi, particelle non membranose che servono per la costruzione delle proteine.
• Possono presentare delle vie metaboliche condivise, come la glicolisi e il ciclo degli ATC.
• Hanno apparato simile per la conservazione dell'energia chimica sotto forma di ATP.
• Cianobatteri e piante verdi hanno meccanismi di fotosintesi simili.

Le cellule procariotiche

• Non c'è sicurezza sul momento in cui sono comparsi i primi organismi procarioti: le prime evidenze della loro vita sono state ottenute da rocce formatesi circa 2,7 miliardi di anni fa e, per quanto riguarda i cianobatteri, sono quasi certamente apparsi intorno ai 2,4 miliardi di anni fa.
• Contengono quantità di DNA relativamente piccole e il loro singolo cromosoma circolare è formato da DNA essenzialmente "nudo".
• Citoplasma fondamentalmente privo di strutture membranose.
• Citoscheletro molto più semplice, strutturalmente e funzionalmente, di quello degli eucarioti.
• Il loro cromosoma è presente in singola copia e non hanno processi analoghi alla mitosi degli eucarioti.
• Possiedono meccanismi di locomozione molto semplici, spesso rappresentati da singoli filamenti proteici detti flagelli, dotati di movimento rotatorio.
• Vivono in complessi, comunità multispecie, detti biofilm.
• Sono divisi in 2 grandi gruppi tassonomici, detti anche domini: gli Archaea e i Bacteria.

Gli Archaea più conosciuti sono specie che vivono in ambienti inospitali, per questo sono spesso chiamati "estremofili"; essi comprendono:

• Metanogeni (sono in grado di trasformare idrogeno e anidride carbonica in metano).
• Alofili (vivono in ambienti di elevata salinità).
• Acidofili (vivono ad un pH che può arrivare a 0).
• Termofili (vivono a temperature molto alte) che comprendono gli ipertermofili (vivono nelle sorgenti idrotermali dei fondi oceanici).

I Bacteria comprendono i micoplasmi, le più piccole cellule viventi, che sono gli unici procarioti privi di parete cellulare. I cianobatteri sono i procarioti più complessi e possiedono nel citoplasma elaborate strutture membranose, sede di attività fotosintetica. Molti cianobatteri, inoltre, sono in grado di fissare l'azoto e di trasformarlo in composti ridotti che possono essere usati dalla cellula per la sintesi di composti organici.

Le cellule eucariotiche

• Il loro periodo di comparsa è poco noto: degli organismi pluricellulari complessi sono apparsi improvvisamente nei reperti fossili di circa 600 milioni di anni fa, ma gli organismi eucariotici semplici potevano essere presenti già circa 1 miliardo di anni prima.
• Al loro interno queste cellule sono molto più complesse rispetto a quelle procariotiche.
• I cromosomi sono molto numerosi e contengono una molecola lineare di DNA strettamente associato a proteine a formare la cromatina.
• Il citoplasma è pieno di strutture molto diverse. Contengono una serie di strutture membranose e organuli delimitati da membrane: mitocondri, reticolo endoplasmatico, complessi del Golgi e, nelle cellule vegetali, cloroplasti e vacuolo. Gli spazi fra queste strutture sono riempiti con una fase solubile chiamata citosol.
• Contengono numerose strutture non delimitate da membrane, tra cui i tubuli e i filamenti del citoscheletro, impegnati nella contrattilità, nel movimento e nel supporto meccanico della cellula.
• Si dividono per mitosi: i cromosomi, duplicatosi, si condensano in strutture compatte che vengono separate tramite il fuso mitotico, che permette a ciascuna cellula figlia di ricevere un insieme equivalente di materiale genetico.
• Possono contenere flagelli, molto più complessi dei semplici filamenti proteici delle cellule procariotiche e che impiegano meccanismi diversi per generare il movimento.
• Le cellule più complesse non si trovano nelle piante o negli animali, ma nei protisti unicellulari.
• Le cellule specializzate si formano con un processo chiamato differenziamento. Come risultato di tale processo, tipi diversi di cellule acquistano forme differenti e contengono materiali particolari.
• I mitocondri si trovano praticamente in tutte le cellule, in alcune hanno forma tondeggiante, in altre sono molto allungati e filiformi.

Gli organismi modello

Visto che gli organismi viventi sono altamente diversificati, l'attività di ricerca dei biologi si concentra su un piccolo numero di organismi "rappresentativi", denominati organismi modello. Si tratta di 6 organismi, 1 procariote e 5 eucarioti:

• E. coli - Un batterio.
• Saccharomyces cerevisiae - Un lievito gemmante.
• Arabidopsis thaliana - Una pianta delle crocifere.
• Caenorhabditis elegans - Un nematode.
• Drosophila melanogaster - Un moscerino della frutta.
• Mus musculus - Un topo.

Le dimensioni delle cellule e delle loro componenti

• Le unità di misura lineare maggiormente usate per descrivere le strutture all'interno della cellula sono: il micrometro (1 µm = 10^-6 m) e il nanometro (1 nm = 10^-9 m). Dai biologi molecolari, per descrivere dimensioni atomiche, viene usato anche l'angstrom (1 Å = 1/10 di nm, diametro dell'atomo di idrogeno).
• La cellula, in un certo intervallo di tempo, può produrre solo un limitato numero di RNA messaggeri, perciò, maggiore è il volume del citoplasma della cellula, più tempo sarà necessario per sintetizzare il numero richiesto di messaggi nucleari.
• La capacità di una cellula di scambiare sostanze con l'ambiente è proporzionale alla sua superficie.
• La cellula dipende in larga misura dalla diffusione (movimento casuale delle molecole): il tempo necessario per la diffusione è proporzionale al quadrato della distanza che deve essere percorsa.

Biologia di sintesi

Il campo della ricerca biologica comprende la biologia di sintesi, la quale ha come traguardo quello di creare una cellula vivente in laboratorio, essenzialmente dal "nulla". Con questo i biologi cellulari dimostrerebbero che la vita a livello cellulare emerge spontaneamente quando i giusti costituenti sono forniti da materiali chimici sintetici. Anche se al momento non si sono ancora raggiunti traguardi di questo tipo, si è però riusciti a sviluppare nuove forme di vita partendo da organismi esistenti. Nel 2007 il genoma di un batterio è stato sostituito con il genoma di una specie relativamente correlata, trasformando effettivamente una specie nell'altra. Nel 2008 si è riportato un altro importante successo con la sintesi chimica di un intero genoma del batterio Mycoplasma genitalium: al momento non è ancora stato introdotto in una cellula batterica vivente, ma quando questo progetto sarà portato a termine, si saranno prodotte delle cellule contenenti uno "scheletro genetico" a cui si potranno aggiungere nuovi geni portati da altri organismi. Queste tecnologie potrebbero avere molti risvolti e prospettive per quanto riguarda l'uomo, arrivando a sviluppare delle vere e proprie terapie di sostituzione cellulare.

I virus

Alla fine del XIX secolo, grazie all'opera di Louis Pasteur, la comunità scientifica si era convinta che le malattie infettive di piante e animali fossero causate da batteri, ma, grazie alle ricerche fatte sulla malattia del mosaico nelle piante di tabacco, si scoprì che le cose stavano diversamente. Dmitri Ivanovsky, un biologo russo, arrivò alla conclusione che alcune malattie delle piante erano dovute a dei patogeni più piccoli, e forse più elementari, dei più piccoli batteri, e a questi si diede il nome di virus.

I virus sono la causa di molte malattie anche dell'uomo, come AIDS, poliomielite, influenza, herpes, morbillo. I virus hanno forma, struttura e grandezze varie, ma hanno in comune alcune proprietà: sono parassiti intracellulari obbligati. Al di fuori della cellula vivente il virus esiste sotto forma di particella virale, detta virione, che contiene una piccola quantità di materiale genetico, che può essere RNA o DNA, avvolto da un involucro proteico detto capside. I virioni sono aggregati macromolecolari, particelle inanimate incapaci di riprodursi, metabolizzare o svolgere qualsiasi altra attività associata alla vita in maniera autonoma. I virus batterici, o batteriofagi, sono tra i più complessi, e sono anche le più abbondanti entità biologiche sulla Terra. Ogni virus ha delle proteine di superficie che si legano ai componenti della superficie della sua cellula ospite: l'interazione fra le proteine virali e quelle dell'ospite determina la specificità del virus, cioè il tipo di cellula ospite in cui il virus può entrare, infettandola.

Le infezioni virali sono di 2 tipi: infezione litica o provirus. In caso di infezione litica il virus blocca le normali attività sintetiche dell'ospite e alla fine del processo la cellula infettata si rompe e si libera una nuova generazione di virioni capaci di infettare le cellule vicine. Nell'altro caso il virus infettante non porta alla morte della cellula ospite, ma integra il suo DNA in quello dei cromosomi dell'ospite; il DNA virale integrato si chiama provirus e può avere molti diversi effetti in funzione del tipo di virus e della cellula ospite.

Visto che i geni virali mimano le attività dei geni dell'ospite, molto spesso i virus sono stati usati come modello sperimentale per capire la replicazione del DNA e l'espressione genica nei loro ospiti molto più complessi.

Nel 1971 si scoprì che i virus non erano le forme di agenti infettanti più semplici, si vide che la malattia dell'affusolamento del tubero di patata era causata da un piccolo agente infettante costituito da una piccola molecola di RNA circolare priva di rivestimento proteico, che prese il nome di viroide. Si pensa che l'azione patogena dei viroidi sia legata alla loro interferenza con il normale processo di espressione dei geni cellulari.

Struttura e funzione delle macromolecole

La natura delle molecole biologiche

Gli organismi sono composti principalmente da acqua, se questa viene fatta evaporare si ottiene il peso secco dell'organismo, la maggior parte del quale è rappresentata da molecole contenenti atomi di carbonio. Inizialmente queste molecole, presenti negli organismi viventi, vennero chiamate molecole organiche, per distinguerle da quelle inorganiche, ma quando si riuscì a sintetizzare anche le molecole organiche in laboratorio, i composti prodotti dagli organismi viventi presero il nome di composti biochimici. La chimica della vita ruota intorno al carbonio, la cui proprietà fondamentale è quella di avere la possibilità di formare moltissime molecole in quanto, avendo 4 elettroni nel livello esterno, può legare fino ad altri 4 atomi. Inoltre ogni atomo di carbonio è in grado di legare altri atomi di carbonio, in questo modo si formano molecole il cui scheletro è costituito da lunghe catene carboniose: si possono così avere scheletri carboniosi lineari, ramificati o ciclici.

Gli idrocarburi sono il gruppo più semplice di molecole organiche, in quanto contengono solo atomi di carbonio e idrogeno, ma non si trovano in grande quantità nelle cellule viventi. Molte delle molecole organiche di importanza biologica, infatti, contengono atomi di carbonio come gli idrocarburi, ma con alcuni atomi di idrogeno sostituiti da gruppi funzionali: particolari insiemi di atomi che si comportano come un'unità, conferendo alle molecole organiche le loro proprietà fisiche, la loro reattività chimica e la loro solubilità in acqua. I legami più frequenti fra gruppi funzionali sono i legami esterici, fra alcoli e acidi carbossilici, e i legami ammidici, fra acidi carbossilici e ammine.

In base alla loro funzione all'interno del metabolismo di un organismo, le molecole organiche presenti nelle cellule viventi possono essere suddivise in:

• Macromolecole: sono le molecole che formano la struttura delle cellule, sono alla base delle loro attività cellulari e possono svolgere compiti anche molto complessi. Possono essere divise in 4 categorie: proteine, acidi nucleici, polisaccaridi, lipidi. Le prime 3 classi sono costruite grazie al processo di polimerizzazione, che a partire dai monomeri porta alla formazione delle macromolecole.