La cellula

Introduzione alla Cellula

• La Terra si è formata tra 4,6 e 4,5 miliardi di anni fa.
• È plausibile che siano trascorsi 500 milioni - 1 miliardo di anni dalla formazione della Terra prima che comparissero le prime cellule.
• La vita è probabilmente comparsa sulla Terra tra i 3,8 e i 4 miliardi di anni fa.
• Esistono due teorie principali sull'origine della vita:
  • La vita giunse dall'esterno della Terra.
  • La vita si è originata sulla Terra tramite evoluzione chimica.

La vita giunse dall'esterno della Terra

• Nel 1969 furono trovati frammenti di un meteorite contenenti molecole uniche per la vita come purine, pirimidine, zuccheri e dieci amminoacidi.
• Gli studi su altri meteoriti suggeriscono che la vita potrebbe essere arrivata sulla Terra all'interno di un meteorite.

L'evoluzione chimica della vita

• Le molecole biologiche complesse sono probabilmente derivate da casuali associazioni fisiche di componenti chimiche.
• Le condizioni sulla Terra primordiale condussero alla formazione di semplici molecole organiche che poi portarono alla formazione di forme di vita.
• Miller e Urey (anni '50) organizzarono esperimenti con gas ritenuti presenti nell'atmosfera primordiale della Terra (es. metano, ammoniaca, idrogeno e vapore acqueo).
• Osservarono che dopo una settimana si formarono amminoacidi ed altri costituenti biologici.
• Esperimenti successivi confermarono la possibilità di formare molecole complesse nelle condizioni primordiali.
• Acqua fredda nel ghiaccio dell'antica Terra o in altri pianeti potrebbe aver permesso la sintesi pre-biotica di molecole organiche.
• I vulcani potrebbero aver contribuito all'atmosfera primordiale aggiungendo CO2, N2, H2S e SO2.
• I semplici monomeri si sarebbero concentrati in pozze di acqua calda grazie all'evaporazione favorendo la polimerizzazione.
• L'idea di un “brodo primordiale” emerge come possibile scenario per la formazione di queste prime molecole.
• Sorgenti idrotermali sul fondo degli oceani (senza ossigeno) potrebbero aver fornito i metalli necessari per catalizzare le reazioni.

Un mondo a RNA

• Le forme 3-D di alcune molecole di RNA (ribozimi) hanno strutture simili agli enzimi.
• L'RNA potrebbe avere agito da catalizzatore per la sua replicazione e per la sintesi di proteine.
• Il DNA si sarebbe evoluto dall'RNA.
• I legami peptidici sono oggi catalizzati dai ribozimi.
• Nei retrovirus un enzima, detto trascrittasi inversa, catalizza la sintesi di DNA a partire dall'RNA.
• In condizioni sperimentali, brevi molecole di RNA in natura possono catalizzare la polimerizzazione di nucleotidi in modo molto più veloce.

Le reazioni chimiche metaboliche e la replicazione

• Le reazioni chimiche metaboliche e la replicazione non potrebbero avvenire in un ambiente acquoso diluito.
• I composti coinvolti devono essere stati concentrati in un compartimento.
• Le cellule viventi sono separate dal loro ambiente attraverso una membrana.

Le protocellule

• In acqua, gli acidi grassi formano un doppio strato lipidico ("bilayer") che forma un compartimento.
• Questi protocellule permettono il passaggio di piccole molecole come zuccheri e nucleotidi.
• Brevi filamenti di acido nucleico auto-replicanti all'interno delle protocellule permettono ai nucleotidi di entrare e essere incorporati in catene polinucleotidiche.

I primi organismi viventi

• Tracce di cellule, probabilmente cianobatteri, sono state scoperte in rocce di 3,5 miliardi di anni fa in Australia.
• I cianobatteri, batteri blu-verdi, potevano svolgere la fotosintesi.
• La fotosintesi utilizza CO₂ e lascia un rapporto specifico di isotopi di carbonio (13C:12C) che è stato ritrovato nei fossili.

La teoria cellulare

• Le cellule sono le unità fondamentali della vita.
• Tutti gli organismi sono composti da cellule.
• Tutte le cellule provengono da cellule preesistenti.
• Le cellule discendono da un antenato comune.

Dimensioni e relazione area/volume delle cellule

• La maggior parte delle cellule ha dimensioni inferiori a 200 μm.
• Le cellule piccole hanno un alto rapporto tra area superficiale e volume.
• Il volume determina la quantità di attività chimica nella cellula per unità di tempo.
• L'area della superficie limita la quantità di risorse che possono entrare nella cellula e la quantità di scarti che possono uscire.

Classificazione delle cellule

• Esistono due tipi di cellule: procariotiche ed eucariotiche.
• Batteri e Archaea sono procarioti.
• I procarioti non hanno compartimenti interni delimitati da membrana e non hanno un nucleo distinto.
• Le prime cellule erano probabilmente procariotiche.

Caratteristiche delle membrane plasmatiche

• Le membrane plasmatiche sono la superficie esterna di ogni cellula e hanno strutture simili in tutte le cellule.
• Sono costituite da un doppio strato fosfolipidico con proteine ed altre molecole immerse.
• Sono barriere selettivamente permeabili.
• Permettono alle cellule di mantenere un ambiente interno costante.
• Sono importanti nella comunicazione e nel ricevimento dei segnali.

Cellule procariotiche

• Dimensioni: 1-10 μm.
• Racchiuse da membrana plasmatica.
• II DNA è in una regione detta nucleoide.
• II citoplasma consiste di citosol (acqua con ioni e molecole solubili).
• Possiedono ribosomi (complessi di RNA e proteine), siti di sintesi proteica.

Pared Cellulari Procariotiche

• La maggior parte dei procarioti ha una parete cellulare rigida all'esterno della membrana plasmatica.
• Le pareti cellulari batteriche hanno una composizione polisaccaridica e proteica (peptidoglicani).
• Alcuni batteri hanno una capsula mucosa di polisaccaridi (protezione, resistenza all'essiccamento, riserva).

Altre strutture procariotiche

• Alcuni procarioti nuotano tramite flagelli, costituiti dalla proteina flagellina, ancorati alla membrana plasmatica.
• Alcuni batteri hanno pili: strutture proteiche che sporgono dalla superficie e aiutano l'adesione alle altre cellule.
• I batteri fotosintetici hanno un sistema di membrane interne che contiene le molecole necessarie per la fotosintesi.
• Citoscheletro: sistema di filamenti proteici che mantengono la forma cellulare e giocano un ruolo nella divisione cellulare.

Cellule eucariotiche

• Dimensioni: 10-100 μm
• Hanno compartimenti delimitati da membrana chiamati organelli.
• Ogni organello ha un ruolo specifico nelle funzioni cellulari.
• La compartimentazione ha permesso alle cellule eucariotiche di specializzarsi e formare tessuti e organi negli organismi pluricellulari.
• Possiedono un nucleo.
• Hanno organelli come i mitocondri, reticolo endoplasmatico, apparato di Golgi, e lisosomi.

Nucleo

• Il nucleo è l'organello più grande, tipicamente.
• È circondato da una doppia membrana nucleare con pori che controllano il movimento delle molecole attraverso la membrana.
• Contiene il DNA, e il sito dove avviene la trascrizione genica.

Ribosomi

• I ribosomi sono siti di sintesi proteica entrambi nelle cellule procariotiche e eucariotiche.
• Sono composti da RNA ribosomale e diverse molecole proteiche.
• Negli eucarioti, possono essere liberi nel citoplasma o attaccati al reticolo endoplasmatico o all'interno di mitocondri e cloroplasti.

Il sistema di endomembrane

• Il sistema di endomembrane consiste in compartimenti delimitati da membrana.
• Include la membrana plasmatica, la membrana nucleare, il reticolo endoplasmatico, l'apparato di Golgi, i lisosomi e le vescicole.

Reticolo Endoplasmatico

• Il reticolo endoplasmatico (RE) è un sistema di membrane interconnesse nel citoplasma.
• Il RER ha ribosomi attaccati ed elabora le proteine.
• Il SER è privo di ribosomi e modifica chimicamente piccole molecole tossiche.
• Si trova nel sito di degradazione del glicogeno nelle cellule animali.
• Partecipa alla sintesi di lipidi e steroidi.

Apparato di Golgi

• L'apparato di Golgi modifica, concentra e smista le proteine provenienti dal RE, le proteine vengono spedite verso la membrana plasmatica o a formare i lisosomi.
• Produce polisaccaridi nelle cellule vegetali per la parete cellulare.

Lisosomi

• I lisosomi primari si originano dall'apparato di Golgi.
• Contengono enzimi digestivi che idrolizzano le macromolecole in monomeri.
• Le molecole di cibo entrano nella cellula tramite fagocitosi e si fondono con i lisosomi primari per formare i lisosomi secondari che idrolizzano le sostanze ed i prodotti vengono rilasciati tramite esocitosi.
• I lisosomi possono anche digerire i materiali cellulari (autofagia).
• Sono coinvolti in patologie come le sindromi da accumulo lisosomiale.

Mitocondri

• L'energia delle molecole alimentari viene trasformata in ATP nelle reazioni di respirazione cellulare nei mitocondri.
• Le cellule che richiedono molta energia (come quelle muscolari) hanno molti mitocondri.
• I mitocondri sono organelli membranosi che hanno due membrane: una esterna liscia e una interna ripiegata in creste per aumentare la superficie per le proteine coinvolte nelle reazioni di respirazione cellulare.
• La matrice mitocondriale contiene enzimi, DNA e ribosomi.

Perossisomi

• I perossisomi raccolgono e demoliscono gli scarti tossici del metabolismo, come l'H₂O₂.
• Sono presenti in abbondanza negli epatociti.

Citoscheletro

• Il citoscheletro è una struttura proteica che sostiene e mantiene la forma della cellula, mantiene gli organelli in posizione, muove gli organelli e partecipa alle correnti citoplasmatiche, e alle interazioni con le strutture extra cellulari.
• Si compone di tre tipi principali di filamenti: microfilamenti, filamenti intermedi e microtubuli.

Microfilamenti

• Diametro: 7nm
• Costituiti da monomeri di actina (proteina).
• Determinano la forma della cellula e sono coinvolti nei movimenti del citoplasma.
• Permettono il movimento della cellula o di parti della cellula stesse.
• Nelle cellule muscolari, i filamenti di actina sono associati alla proteina motrice miosina, e le interazioni tra di loro causano il processo di contrazione muscolare
• Si formano le pseudopodi ("falsi piedi") in alcune cellule.
• Formas supporto strutturale nei microvilli.

Filamenti Intermedi

• Diametro: 8-12nm
• Aggregazioni di proteine lunghe e ritorte su se stesse.
• Numerosi tipi di filamenti intermedi.
• Conferiscono resistenza strutturale alla cellula.
• Sono coinvolti nella formazione della lamina nucleare.
• Interagiscono con i desmosomi.

Microtubuli

• Diametro: 25nm
• Lunghi cilindri cavi (13 tubuli).
• Costituiti da dimeri di tubulina (α-tubulina + β-tubulina).
• Hanno estremità + e -.
• Possono cambiare rapidamente di lunghezza aggiungendo o perdendo dimeri.
• Formano il fuso mitotico durante il processo di divisione cellulare (mitosi e meiosi).
• Servono da binario per le proteine motrici (chinesina e dineina).

La compartimentazione degli eucarioti

• Le cellule eucariotiche apparvero inizialmente circa 1,5 miliardi di anni fa.
• L'avvento della compartimentazione fu uno degli eventi più importanti nella storia della vita.
• Il sistema di endomembrane e il nucleo potrebbero essersi originati da ripiegamenti interni della membrana plasmatica nelle cellule procariotiche.
• I compartimenti chiusi avrebbero permesso ai composti di concentrarsi e per le reazioni chimiche di avvenire più efficientemente.

Teoria Endosimbiontica

• Alcuni organelli potrebbero essersi originati per simbiosi ("vivere insieme").
• I mitocondri e i plastidi potrebbero essersi originati quando una cellula ha inglobato un'altra cellula.

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