Riassunti di Biologia cellulare

Atmosfera e batteri

Introduzione ai cinque regni

Monere: Procarioti unicellulari – autotrofi e eterotrofi.

Protisti: Eucarioti unicellulari o pluricellulari – autotrofi e eterotrofi.

Funghi: Eucarioti pluricellulari – eterotrofi.

Piante: Eucarioti pluricellulari – fotoautotrofi.

Animali: Eucarioti pluricellulari – eterotrofi.

Il modello a 5 regni è stato recentemente messo in discussione per via di una distinzione che è possibile fare nei procarioti: archebatteri o eubatteri.

I tre domini (nuovo modello)

Dominio = categoria superiore al regno:

• Dominio batteri: Comprende il regno degli eubatteri (batteri veri).
• Dominio archei: Comprende il regno degli archebatteri.
• Dominio eucarioti: Comprende i quattro regni degli eucarioti (protisti, funghi, piante, animali).

Organismi procariotici

Nello schema dei 5 regni, tutti sono classificati nel regno delle Monere. In base al tipo di metabolismo essi possono essere:

• Foto-autotrofi: Sintetizzano composti organici a partire da CO₂ (inorganico), ricavando energia dalla luce del Sole. Nutrizione autonoma.
• Chemio-autotrofi: Sintetizzano composti organici a partire da CO₂ (inorganico), ricavando energia dall'ossidazione di composti inorganici. Nutrizione autonoma.
• Eterotrofi: Sintetizzano composti inorganici a partire da composti organici assunti dall'ambiente, dai quali ricavano anche energia. La loro nutrizione dipende quindi da altre forme di vita.

Alcune differenze tra atmosfera e batteri

Nello schema a 3 domini i procarioti sono distinti in due grandi gruppi:

Archebatteri

Hanno una struttura cellulare procariotica (no membrana nucleare e organelli citoplasmatici), una parete priva di peptidoglicano e una diversa struttura chimica della membrana cellulare. Essi vivono in condizioni estreme, simili a quelle che si suppone esistessero nella Terra primordiale. In base all'habitat e al metabolismo si dividono in:

• Metanogeni: Organismi anaerobi (per loro l’ossigeno è veleno) che ricavano energia dalla riduzione dell’anidride carbonica a metano. Vivono in ambienti privi di ossigeno come il fondale marino, i fanghi o l’intestino dei ruminanti, e sono responsabili della produzione di tutto il metano (CH₄) presente nell’atmosfera.
• Alofiili estremi: Organismi eterotrofi aerobi (necessitano di ossigeno); vivono in condizioni di elevata salinità: Mar Morto, saline, pesce conservato sotto sale. Contengono il pigmento fotosintetico Batteriorodopsina, che gli fornisce una colorazione particolare. Possono sopportare livelli di pH basico molto elevato (fino a 11,5).
• Termoacidofili: Organismi autotrofi ed eterotrofi; vivono in ambienti molto caldi (60°-80°) e acidi (2-4) come le sorgenti sulfuree calde. I solfobatteri utilizzano l’acido solfidrico (H₂S) come fonte d’energia e liberano zolfo (S) come prodotto di rifiuto.

Batteri

Sono procarioti (no membrana nucleare e organelli citoplasmatici), possiedono invece un’unica molecola circolare di DNA. Si riproducono in modo asessuato con divisione per scissione binaria; possiedono una parete di peptidoglicani. Possono essere eterotrofi o autotrofi. Se sono autotrofi possono essere:

• Foto-autotrofi: Ricavano energia dalla luce solare per produrre sostanze organiche, però a differenza delle piante, gli atomi di idrogeno e gli elettroni necessari per convertire la CO₂ in glucosio sono forniti dall’acido solfidrico (H₂S) e non dall’acqua.
• Chemio-autotrofi: Ricavano energia dall’ossidazione di composti organici, che permette la riduzione della CO₂ in glucosio.

Tra i batteri alcuni sono parassiti patogeni, cioè si nutrono a spese di altri organismi viventi provocando gravi malattie; altri sono in grado di fissare l’azoto atmosferico; altri producono antibiotici che uccidono altri organismi; altri sono saprobi, cioè si nutrono di materiale organico morto e sono perciò innocui.

Cianobatteri (o alghe azzurre)

Sono procarioti foto-autotrofi che effettuano la fotosintesi con un meccanismo simile a quello delle piante: utilizzano acqua come donatore di elettroni e producono ossigeno. Possiedono sistemi di membrane che attuano la fotosintesi e la clorofilla come pigmento per assorbimento della luce. Alcuni cianobatteri possono fissare l’azoto atmosferico, vivono sia isolati che in colonie.

La fissazione dell'azoto atmosferico (N₂)

La fissazione dell’azoto è un processo essenziale per trasformare l'azoto atmosferico in composti organici, fondamentale per la crescita delle piante.

Alterazioni ambientali e inquinamento

Perché le piante ricavano l’ossigeno, utile per compiere la fotosintesi, dall’acqua del suolo e non direttamente dall’atmosfera? Questo comportamento ha una spiegazione nell’evoluzione: si ritiene infatti che l'ossigeno non fosse presente allo stato libero nell'atmosfera primitiva della Terra e che vi si sia accumulato nel corso del tempo geologico in seguito a processi di decomposizione fotochimica dell'acqua e di fotosintesi.

• Effetto serra: Riscaldamento dell’atmosfera terrestre dovuto all’assorbimento di radiazioni infrarosse emesse dall’anidride carbonica prodotta dall’uomo.
• Buco nell’ozono: Rarefazione dello strato di ozono che circonda la Terra e funge da schermo per i raggi UV. La riduzione sembra essere determinata dalle emissioni di composti organici gassosi contenenti fluoro e cloro.
• Piogge acide: Abbassamento del pH naturale delle precipitazioni a causa dell’emissione nell’atmosfera di ossidi di zolfo e azoto; questi a contatto con il vapore acqueo si trasformano negli acidi forti solforico e nitrico che acidificano le piogge provocando gravi danni ad ogni cosa.
• Pesticidi: Sostanze chimiche utilizzate per eliminare i parassiti di varia natura; l’uso di queste sostanze deve essere controllato e limitato essendo composti molto tossici e non biodegradabili.

Biologia cellulare vegetale

Cellula vegetale

La cellula vegetale è un tipo di cellula eucariotica, con diverse caratteristiche che la differenziano dalle cellule animali:

• La presenza della parete cellulare costituita da cellulosa (un polimero la cui unità elementare è il glucosio), proteine e, a seguito di modificazioni, da lignina, suberina... e i relativi plasmodesmi, canali nella parete cellulare grazie ai quali le cellule della pianta sono in comunicazione fra loro.
• I plastidi, e specialmente i cloroplasti che, grazie alla clorofilla, permettono alle cellule vegetali di produrre zucchero (glucosio) e ossigeno a partire dalla CO₂ sfruttando l'energia solare, processo definito come fotosintesi clorofilliana.
• Numerosi vacuoli (non organuli ma cavità endocellulari, avvolti da una membrana) che occupano gran parte della cellula e la cui funzione principale è quella di mantenere il turgore cellulare. Sono implicati nel controllo del passaggio di molecole dalla linfa al citosol, nel mantenimento del pH ottimale del citosol, e svolgono funzioni di riserva di varie sostanze.
• L'assenza dei centrioli tipici delle cellule animali.

Parete cellulare

Funzioni

• Conferisce rigidità e forma alla cellula.
• È una barriera fisica e chimica agli agenti patogeni.
• Previene lo scoppio di cellule poste in una soluzione ipotonica e determina la genesi della pressione di turgore.

La parete protegge la cellula vegetale dall’ambiente ipotonico e ipertonico e le consente di sopportare situazioni che sarebbero letali per una cellula priva di parete (es. cellula animale). Perché l’evoluzione ha premiato questa soluzione? Essendosi le piante evolute in ambienti dove è presente anche la pioggia, esse hanno sviluppato sistemi di protezione all’acqua, perciò staranno meglio in condizioni con più acqua rispetto a meno.

Struttura

La parete cellulare è formata da fibre di cellulosa immerse in una matrice composta da:

• Glicoproteine (idrossiprolina).
• Polisaccaridi (pectine ed emicellulosa).
• Lignina (polimeri fenolici).

La parete cellulare vegetale può presentare tre strati successivi diversi tra loro:

• Lamella mediana: È lo strato più esterno e si forma durante il processo di mitosi cellulare; è costituita da materiale pectico ed unisce cellule adiacenti. È attraversata da filamenti di citoplasma e prolungamenti del reticolo endoplasmatico (desmotubuli) che insieme formano i plasmodesmi.
• Parete primaria: Molto elastica e ricca d’acqua, ha una funzione strutturale.
• Parete secondaria: Composta principalmente da fibre di cellulosa ma povera di acqua e proteine, per questo è poco flessibile e svolge soprattutto funzioni di supporto. La parete secondaria può contenere lignina, suberina, cutina e cere.

Componenti

Cellulosa

È la componente fibrillare della parete ed è un polimero del glucosio. L’unità base della cellulosa è costituita da due molecole di beta glucosio unite da legami a idrogeno a formare catene. L’allineamento parallelo di singole catene di cellulosa porta alla formazione di microfibrille. La cellulosa presenta straordinaria resistenza alla trazione ed agli attacchi enzimatici.

Sintesi della cellulosa

La sintesi della cellulosa avviene ad opera di un enzima presente nella membrana plasmatica: la cellulosa sintasi. L'associazione di più enzimi di sintesi della cellulosa è denominata formazione a rosetta. Durante la biosintesi i complessi, che si muovono nel piano della membrana, espellono dal foro centrale le microfibrille sulla superficie esterna della membrana, dove vengono integrate nella parete. Il movimento delle rosette è direzionato dalla posizione dei microtubuli (come fossero dei binari). Sistema di movimento delle rosette: 2 ipotesi:

• Ipotesi del respingente: L’enzima si trova in mezzo ai binari dei microtubuli, ma non spiega come farebbe a muoversi.
• Ipotesi della monorotaia: Il sistema è in equilibrio su delle proteine motrici posizionate su un microtubulo.

Al momento non è spiegato da dove arriva il segnale per il movimento della sintesi della cellulosa, ciò che è certo è che dipende dai microtubuli (che sono l’ultimo effettore).

Proteine

Nella parete sono presenti:

• Proteine strutturali: In generale glicoproteine, contribuiscono alla formazione e all’organizzazione delle strutture. Sono idrofile e possono formare legami H, conferendo maggiore rigidità alla parete.
• Proteine enzimatiche: Fungono da catalizzatori per le reazioni biochimiche.

Lignina

È un polimero complesso di natura fenolica, che conferisce rigidità e resistenza alla compressione. La lignina idrofoba si sostituisce all’acqua nella parete e stabilizza i ponti idrogeno, rendendo la struttura molto rigida e impermeabile all’acqua. Perché l’evoluzione ha scelto il fenolo? Perché è una molecola a 6 centri ed è in grado di inserirsi molto bene all’interno della struttura della parete primaria lignificandola.

Plasmodesmi

Le pareti cellulari sono interrotte dai plasmodesmi, canali circondati da plasmalemma che mettono in comunicazione cellule adiacenti. Sono attraversati da un tubulo di RER o desmotubulo. Sono strutture dinamiche, controllando i movimenti intercellulari di molecole (zuccheri, amminoacidi, molecole segnale). Per la presenza dei plasmodesmi, i citoplasmi di tutte le cellule del corpo della pianta sono interconnessi in un’unica entità funzionale, il simplasto. La “nota dolente” di questa struttura è che, essendo aperta e collegando tutte le cellule, ha una scarsa resistenza ad eventuali attacchi di agenti aggressivi.

Vacuoli

I vacuoli sono organuli molto versatili delimitati da una membrana che occupano la maggior parte del volume della cellula.

Funzioni

• Aumento delle dimensioni cellulari con scarso aumento del citoplasma.
• Deposito di sostanze utili e di rifiuto.
• Regolazione osmotica (deposito di polimeri) e mantenimento della pressione di turgore.
• Regolazione del pH cellulare.
• Conservazione dell’acido malico nelle piante CAM.

Divisione cellulare vegetale

Nella cellula vegetale il processo mitotico è uguale a quello animale, cambia solamente nella citodieresi (fase finale della telofase, in cui la cellula si divide nelle due cellule figlie). Nella cellula animale la membrana plasmatica si introflette a livello della zona equatoriale in modo tale da formare un solco intorno alla cellula. Questo circonda progressivamente la cellula, strozzandola finché questa non si divide in due cellule figlie. Un anello di microfilamenti (actina) è presente appena sotto il solco di divisione e si ritiene che la citodieresi avvenga per la contrazione di questo anello. Nella cellula vegetale l’apparato di Golgi produce una serie di vescicole contenenti polisaccaridi. Queste si vanno a depositare sulla linea mediana, si fondono insieme e formano una parete chiamata piastra cellulare. Quando questa lamella è completata, ogni cellula costruisce la sua membrana cellulare utilizzando le membrane delle vescicole che si sono fuse.

Interazione pianta-batterio dannosa

Batteri che infettano la pianta e causano un tumore perché trasferiscono il loro DNA plasmidico nel genoma della cellula vegetale. In tal modo, la cellula vegetale infettata è costretta a crescere producendo sostanze nutritive stimolanti per il batterio e la sua progenie.

Plastidi

• Proplastidi (plastidi immaturi).
• Plasmidi pigmentati:
  • Fotosintetizzanti cloroplastidi (clorofilla e carotenoidi).
  • Non fotosintetizzanti cromoplastidi (danno colore ai petali, foglie, radici, frutti).
• Plastidi non pigmentati (leucoplasti):
  • Amiloplasti.
  • Elaioplasti.
  • Proteoplasti.
  • Lipidoplasti.
• Ezioplasti (plastidi anomali).

Cloroplasto

Appartiene alla famiglia dei plastidi. È un organello semi-autonomo (perché contiene DNA circolare doppia elica), fa sintesi proteica e si riproduce per duplicazione (come i mitocondri) indipendentemente dal ciclo cellulare. Nei cloroplasti può essere accumulato amido (polimero del maltosio, disaccaride di Glucosio alfa e beta).

Struttura

3 membrane:

• Membrana esterna permeabile.
• Membrana interna impermeabile.
• Membrana del tilacoide: tilacoidi stromali (lamella) o granali (grana).

3 compartimenti:

• Spazio intermembranale (sembra che non serva a nulla perché è praticamente vuoto).
• Stroma fluido interno contenente enzimi, amido, DNA circolare e ribosomi.
• Lume del tilacoide: svolge la stessa funzione dello spazio intermembrana del mitocondrio; contiene i protoni per creare un gradiente protonico (che serve per attivare ATP sintetasi) per fotofosforilazione (fosforilazione di ADP in ATP grazie alla luce).

Meccanismo

La fotofosforilazione serve per rendere organica l’anidride carbonica. A livello dei tilacoidi vengono prodotte ATP e NADPH, tramite enzimi ATP sintetasi che sfruttano lo spostamento dei protoni producendo elevate quantità di ATP, che viene subito consumata e poi ricreata. Il NADPH viene ridotto grazie alla catena di trasporto di elettroni facendo spostare protoni contro gradiente e permettendo la riduzione.

Fotosintesi

La fotosintesi consiste nella conversione dell’energia luminosa in energia chimica, che viene poi utilizzata per sintetizzare molecole organiche. Gli organismi fotoautotrofi utilizzano energia solare per produrre energia chimica sotto forma di ATP e del coenzima ridotto NADPH (trasportatore di elettroni e protoni); questa energia viene usata poi per produrre molecole organiche a partire da materiali inorganici: CO₂ e H₂O. La fotosintesi può avvenire in due processi:

• Fase luminosa (dipendente dalla luce): trasformazione dell’energia.
  • Cattura della luce dalla clorofilla.
  • Trasporto degli elettroni al NADPH e pompaggio protoni.
  • Sintesi dell’ATP.
• Fase oscura (indipendente dalla luce): assimilazione del carbonio.
  • Ciclo di Calvin.
  • Biosintesi dell’amido nello stroma del cloroplasto.
  • Biosintesi del saccarosio nel citosol.

Cattura dell'energia luminosa proveniente dal Sole

La luce è una radiazione elettromagnetica che ha proprietà sia ondulatorie (lunghezze d’onda) sia corpuscolari (fascio di particelle chiamate fotoni, che trasportano quanti di energia).

• Un fotone è assorbito da un pigmento, e la sua energia viene trasferita ad un elettrone.
• Avviene a questo punto una fotoeccitazione, dove l’elettrone passa dal suo stato basale di un orbitale a bassa energia a uno stato eccitato di un orbitale ad alta energia.
• Nello stato eccitato l’elettrone non è però stabile, perciò ha due possibilità: o tornare a un livello più basso perdendo energia sotto forma di calore o luce; oppure può trasferire l’energia assorbita ad un elettrone di un’altra molecola di pigmento adiacente (trasferimento di energia per risonanza).

Clorofilla

La clorofilla è il principale pigmento capace di trasformare energia. Esiste la clorofilla a e la clorofilla b, che assorbono diverse lunghezze d’onda. Poiché le clorofille assorbono soprattutto lunghezze d’onda di luce blu e rossa esse ci appaiono verdi.