Biologia - Struttura della cellula e ereditarietà

Citoscheletro

Fitto intreccio di filamenti proteici che irrobustiscono la cellula conferendole resistenza, ne determinano la forma, controllano lo spostamento cromosomico e altre diverse macromolecole e permettono il movimento cellulare.

Struttura del citoscheletro

• Microtubuli: cilindro cavo formato da tredici filamenti di tubulina.
• Filamenti intermedi: formati da diversi tipi di proteine fibrose, permettono resistenza meccanica.
• Microfilamenti: filamenti di actina che permettono spostamenti degli organuli all'interno della cellula e la formazione di pseudopodi (estroflessioni che consentono la fagocitosi).
• I centrioli: organelli di forma cilindrica costituiti da nove gruppi di tre microtubuli. Le cellule vegetali ne sono prive, quelle animali ne possiedono soltanto due. Svolgono un ruolo determinante nel montaggio dei microtubuli.
• Centrosoma: regione dei centrioli.

Un esempio di microtubuli sono flagelli e ciglia.

Cellula vegetale

Formata da:

• Parete cellulare: involucro esterno rigido, protegge, sostiene e dà forma alla cellula; formata da fibre di cellulosa.
• Membrana cellulare
• Nucleo
• Mitocondri e ribosomi: sedi di respirazione cellulare / sedi della sintesi proteica.
• Plastidi: cromoplasti, gleucoplasti e cloroplasti.
• Vacuoli: vescicole contenenti acqua e sostanze di vario tipo; fungono da deposito per sostanze di riserva e di rifiuto. Nelle cellule animali i vacuoli sono detti vescicole.

Scambio di materiali tra interno/esterno della cellula

Trasporto passivo

• Secondo gradiente di concentrazione (una sostanza si sposta da una zona a maggiore concentrazione ad un'altra a minore concentrazione), non richiede energia.
• Diffusione semplice: processo di tipo passivo che comporta un movimento delle particelle da una zona ad alta concentrazione ad una a minore concentrazione.
• Osmosi: caso particolare di diffusione, che comporta un passaggio di acqua attraverso una membrana semipermeabile. L'acqua passa spontaneamente dalla soluzione più diluita (ipotonica) a quella più concentrata (ipertonica).

Trasporto attivo

• Contro gradiente di concentrazione (una sostanza si sposta da una zona in cui la concentrazione è minore ad una in cui la concentrazione è maggiore), richiede energia.

Trasporto attraverso proteine di membrana

• Diffusione facilitata: trasporto di sostanza secondo gradiente di concentrazione mediante proteine di trasporto (processo passivo).
• Trasporto attivo: le sostanze sono trasportate attraverso proteine di membrana dette pompe contro gradiente di concentrazione, utilizzando l'energia ottenuta dall'idrolisi dell'ATP.

Le molecole di glucosio entrano nei globuli rossi per diffusione facilitata; le cellule renali eliminano molte sostanze di rifiuto per trasporto attivo.

Proteine trasportatrici

• Proteine vettrici: legano la sostanza che trasportano e la rilasciano al lato opposto della membrana.
• Proteine canale: formano poli attraverso la membrana, specifici per uno o pochissimi ioni; la loro apertura avviene in seguito a segnali elettrici oppure al legame con una molecola specifica.

Trasporto mediante vescicole

• Le macromolecole che non possono attraversare la membrana per diffusione semplice o per mezzo di proteine di trasporto possono essere introdotte o espulse mediante vescicole:
• Endocitosi: formazione di invaginazioni della membrana che poi si chiudono verso l'interno; di questo processo fanno parte fagocitosi (la cellula ingloba particelle solide), pinocitosi (goccioline di liquido).
• Esocitosi: le vescicole endocellulari migrano fino alla membrana, si fondono con essa e riversano il loro contenuto all'esterno.

Comunicazione tra le cellule

La comunicazione tra cellule distanti avviene attraverso messaggi chimici, captati da recettori innescando modificazioni chimiche all'interno della cellula. Le cellule a stretto contatto possono comunicare attraverso plasmodesmi (canali che attraversano le pareti cellulari collegando direttamente il citoplasma delle cellule adiacenti) oppure attraverso giunzioni intercellulari.

Tra i diversi tipi di giunzioni ci sono giunzioni ancoranti (desmosomi), giunzioni occludenti e le giunzioni comunicanti.

Metabolismo cellulare

Differenza tra catabolismo e anabolismo

• Catabolismo: insieme delle reazioni di degradazione delle molecole complesse in sostanze più semplici.
• Anabolismo: insieme delle reazioni di sintesi dei costituenti cellulari a partire da composti semplici.

Le reazioni cataboliche (esoergoniche) liberano l'energia necessaria alla cellula per mantenere le strutture e il livello di organizzazione che la caratterizzano. Le reazioni anaboliche sono reazioni di sintesi dei composti necessari alla cellula, come enzimi, fosfolipidi, proteine di membrana.

Gli enzimi

Le reazioni metaboliche avvengono grazie all'intervento di proteine, dette enzimi. Gli enzimi sono catalizzatori biologici, aumentano la velocità delle reazioni biologiche senza parteciparvi attivamente o esserne consumati. La/le sostanza/e che reagiscono legandosi ad un certo enzima sono dette substrati; il substrato si lega all'enzima in un punto, detto sito attivo, formando il complesso enzima-substrato. Le molecole dei substrati risultano così orientate in modo da favorire l'incontro dei gruppi reattivi e facilitare la formazione del prodotto. Ogni enzima è altamente specifico; gli enzimi richiedono la presenza di cofattori oppure coenzimi: alcuni coenzimi agiscono come accettori di elettroni. I nomi degli enzimi terminano solitamente in -asi e fanno riferimento alla loro funzione.

Catabolismo del glucosio

La principale fonte di energia per le cellule è la demolizione del glucosio, processo che coinvolge diverse fasi e può procedere fino all'ossidazione completa con produzione di CO₂.

Glicolisi

Processo che avviene nel citoplasma, demolisce il glucosio formando acido piruvico; una molecola di glucosio (C₆H₁₂O₆) viene trasformata in due molecole di acido piruvico (C₃H₄O₃), liberando energia. L'energia liberata viene sfruttata per produrre due molecole di ATP e due molecole di NaDH.

Respirazione cellulare

In presenza di ossigeno l'acido piruvico viene ossidato e demolito totalmente, con produzione di CO₂ e H₂O. Questo processo avviene nei mitocondri, suddiviso in tre fasi:

• Decarbossilazione dell'acido piruvico: l'acido piruvico, entrato nel mitocondrio, perde una molecola di CO₂ e allo stesso tempo viene ossidato. Il piruvato si trasforma quindi in gruppo acetile (a due atomi di carbonio), che si lega al coenzima A. Si forma così acetil-coenzima A e una molecola di NaDH.
• Ciclo di Krebs: il gruppo acetile (Acetil-CoA) si lega all'acido ossalacetico formando acido citrico. L'acido citrico subisce una serie di ossidazioni che portano alla formazione di due molecole di CO₂ e una di ATP e alla produzione di tre molecole di NaDH e una di FaDH₂. Ogni giro completo del ciclo di Krebs porta alla formazione di una molecola di ATP, tre molecole di NaDH e una di FADH₂.
• Catena respiratoria (richiede l'ossigeno): NaDH e FADH₂ vengono utilizzati per produrre ATP. Questi due coenzimi si ossidano cedendo elettroni alla catena respiratoria, passando ad un livello energetico più basso da un trasportatore all'altro. Questa energia viene sfruttata per produrre ATP. Dall' NaDH si producono 3 molecole di ATP, dall'FADH₂ due molecole.

Dall'ossidazione completa di una molecola di glucosio, si ottengono 38 molecole di ATP; di queste, solo due prodotte dalla glicolisi, contro le 36 prodotte dalla respirazione.

Fonti alternative di energia

La cellula può ottenere energia per produrre ATP anche da molecole diverse:

• Carboidrati: vengono convertiti in glucosio.
• Lipidi: vengono convertiti in glicerolo (convertito in fosfogliceraldeide) e acidi grassi (convertiti in acetil-CoA).
• Proteine: vengono idrolizzate ad aminoacidi (acido piruvico, acetil-CoA o composti intermedi C.Krebs).

Queste sostanze vengono convertite in glucosio o in altre molecole che entrano a diversi livelli nella glicolisi o nel ciclo di Krebs.

Fermentazione

Avviene in assenza di ossigeno. Nessuna ulteriore produzione di ATP rispetto alla glicolisi. L'acido piruvico prodotto dalla glicolisi viene ridotto dall'NaDH e convertito:

• Fermentazione alcolica (alcool etilico e CO₂).
• Fermentazione lattica (acido lattico).

Regolazione del metabolismo

Grazie alle diverse reazioni metaboliche, i composti organici vengono smontati e rimontati incessantemente. Tale coordinazione è garantita dalla presenza degli enzimi allosterici, che oltre a riconoscere il proprio substrato, sono in grado di legare in siti specifici diversi dal sito attivo molecole diverse dai substrati che fungono da attivatori o inibitori.

Fotosintesi clorofilliana

Processo compiuto dai vegetali e da alcuni procarioti, permette di catturare l'energia solare e convertirla in energia chimica sotto forma di glucosio. Trasformare la CO₂ in glucosio.

Anidride carbonica + acqua + energia = glucosio & ossigeno

Negli eucarioti la fotosintesi avviene nei cloroplasti, l'energia luminosa viene catturata da pigmenti (la clorofilla) e carotenoidi. Questi pigmenti sono inseriti nelle membrane dei tilacoidi del cloroplasto.

Fasi del processo fotosintetico

• Fase luminosa: avviene nei tilacoidi e per progredire richiede luce che, catturata dalla clorofilla, viene trasformata in energia chimica sotto forma di ATP e NaDPH.
• Fase oscura: serie ciclica di reazioni, detta ciclo di Calvin, che si svolge nello stroma, indipendentemente dalla luce; l'energia dell'ATP e il potere riducente del NaDPH sono utilizzati per ridurre la CO₂ e produrre glucosio.

Il ciclo di Calvin comprende una serie di reazioni che permettono la sintesi di glucosio a partire da molecole di CO₂.

Divisione cellulare

Processo che permette ad una cellula di dare origine a due cellule figlie. Ogni cellula contiene DNA e prima di ogni divisione cellulare il DNA si duplica, ed ognuna delle due cellule che si originano dalla divisione riceve una dotazione di informazioni uguale a quella della cellula madre.

Divisione cellulare nei procarioti

Le cellule procariotiche hanno un'unica molecola di DNA, libera nel citoplasma, che si trova associata alla membrana cellulare, in corrispondenza di una piega detta mesosoma. I procarioti si dividono per scissione binaria. All'inizio del processo la molecola del DNA si duplica e la cellula si accresce; successivamente, a partire dal mesosoma, si forma un setto trasverso che divide la cellula madre in due cellule figlie.

Ciclo cellulare degli eucarioti

Il ciclo vitale di una cellula eucariotica, definito ciclo cellulare, è suddiviso in quattro fasi:

• G1: momento di intensa attività biosintetica e di crescita; la cellula raddoppia le proprie dimensioni e produce nuovi organelli + enzimi necessari alla duplicazione del DNA.
• Fase S: replicazione DNA.
• Fase G2: la cellula continua a crescere e a formare nuovi organelli.
• Fase M (mitosi): processo tramite il quale il nucleo di una cellula eucariote si divide, dando origine a due nuclei figli, ciascuno dotato di una serie completa di cromosomi. Alla divisione del nucleo segue generalmente la citodieresi.

Mitosi (due cellule diploidi)

Dato che il DNA si è duplicato nella fase S, ogni cromosoma che entra in mitosi è costituito da due filamenti di DNA identici, chiamati cromatidi fratelli. I cromatidi sono uniti in una regione chiamata centromero, mentre le estremità dei cromosomi sono indicate come telomeri. La mitosi viene divisa in quattro fasi:

• Profase: Il DNA si spiralizza, si condensa e comincia ad essere visibile al microscopio. La membrana nucleare si dissolve e i nucleoli diventano poco visibili o scompaiono. Contemporaneamente nel citoplasma i due centrosomi iniziano a migrare verso i due poli opposti della cellula, dando origine al fuso mitotico (insieme di fibre costituite da microtubuli che attraversa tutta la cellula e collega le due coppie).
• Metafase: I cromosomi (in questa fase massimo grado di condensazione) si allineano sul piano equatoriale, dando origine alla piastra metafisica, dopo aver aderito alle fibre del fuso per mezzo dei cinetecori.
• Anafase: I centromeri si dividono in due e i due cromatidi fratelli di ogni cromosoma si separano, migrando verso i poli opposti della cellula grazie all'accorciamento delle fibre del fuso.
• Telofase: Il fuso gradualmente scompare; i cromatidi, ormai divenuti i nuovi cromosomi delle due cellule figlie, gradualmente si despiralizzano. Attorno ad essi si riforma la membrana nucleare e ricompare il nucleolo.

Citodieresi → Divisione del citoplasma che segue quasi sempre la mitosi.

Differenze tra cellula animale e vegetale

• Cellula animale: All'equatore della cellula si forma un solco che diventa sempre più profondo fino a dividere la cellula in due.
• Cellula vegetale: Poiché la rigidità della parete cellulare impedisce la formazione di strozzature, il citoplasma viene diviso dalla piastra cellulare, che si estende fino a raggiungere la membrana.

Riproduzione asessuata

La mitosi è alla base della riproduzione asessuata. La prole ha origine da un solo individuo. Può avvenire tramite:

• Scissione binaria (dopo la mitosi, la cellula si divide semplicemente in due parti)
• Gemmazione (mitosi seguita da divisione ineguale del citoplasma)
• Sporulazione (produzione di spore per generare un nuovo individuo)
• Partenogenesi (sviluppo di un individuo da una cellula uovo non fecondata, avviata da stimoli meccanici e fisici)

Riproduzione sessuata (meiosi + fecondazione)

Prevede la partecipazione di cellule specializzate per questa funzione, i gameti, prodotti generalmente da due individui di sesso diverso, ognuno dei quali con i propri cromosomi contribuisce alla formazione del corredo genetico della progenie. La riproduzione ha luogo quando il gamete maschile si fonde con quello femminile; dalla fusione dei due gameti, detta fecondazione, ha origine lo zigote, che rappresenta la prima cellula del nuovo organismo (a differenza della riproduzione asessuata, quella sessuata consente un aumento della variabilità genetica).

Cellule aploidi vs cellule diploidi

• Diploidi: possiedono una doppia serie di cromosomi (cellule somatiche).
• Aploidi: possiedono un'unica serie di cromosomi (gameti).

I gameti contengono quindi un numero di cromosomi pari alla metà di quello delle cellule somatiche. Il meccanismo che permette la riduzione del numero di cromosomi è la meiosi, che ha luogo nelle gonadi.

La meiosi (quattro cellule aploidi da una diploide)

Nelle gonadi sono contenute cellule specializzate diploidi, chiamate gametociti, che nella meiosi danno origine a gameti aploidi. Il processo consiste in due divisioni, che a partire dalla cellula diploide, ne formano quattro aploidi. La meiosi si divide in meiosi I e meiosi II: nella meiosi I la divisione è riduzionale (dimezzamento del numero di cromosomi) avviene la duplicazione del DNA e la formazione di due cellule aploidi; nella meiosi II il processo di divisione continua, formando, oltre alle due precedenti, altre due cellule figlie, per un totale di quattro; si tratta di una divisione equazionale, poiché non comporta nessuna variazione del numero dei cromosomi); la meiosi I si divide in:

• Profase I: la cromatina si condensa e i cromosomi diventano corpuscoli distinti; si forma l'apparato del fuso e scompaiono la membrana nucleare e i nucleoli. I due cromosomi omologhi di ogni coppia si avvicinano e si appaiono. Ogni coppia di omologhi risulta formata da quattro cromatidi ed è perciò chiamate tetrade. Si divide in cinque stadi:
  • Leptotene: il materiale genetico si condensa.
  • Zigotene: i cromosomi omologhi si appaiano a formare le tetradi.
  • Pachitene: avviene il crossing-over (permette il rimescolamento tra parti di cromosoma, quindi crea nuove combinazioni tra alleli [varianti possibili di uno stesso gene]).
  • Diplotene: i cromosomi iniziano a separarsi.
  • Diacinesi: la membrana nucleare e il nucleolo si dissolvono.
• Metafase I: le tetradi si allineano sul piano equatoriale della cellula e ogni coppia di cromosomi omologhi si attacca ad una fibra del fuso.
• Anafase I: i due cromosomi di ogni coppia si separano, migrando verso i poli opposti della cellula.