BIOLOGIA APPLICATA - Cellule PDF
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Università degli Studi di Padova
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Questo documento presenta un'introduzione alla biologia cellulare, discutendo le prime forme di vita e le teorie sull'origine della vita sulla Terra. Vengono analizzati i processi di evoluzione chimica e l'esperimento di Miller-Urey. Il documento si concentra sulle cellule e sulla loro struttura fondamentale.
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LA CELLULA (06/11/24) e prime forme di vita sono comparse circa 3,5 miliardi di anni fa. Ci sono varie L teorie sucomepossaessersioriginatalavitasullaTerra,mapossiamodistinguerle principalmentetraquellechecredonochelavita...
LA CELLULA (06/11/24) e prime forme di vita sono comparse circa 3,5 miliardi di anni fa. Ci sono varie L teorie sucomepossaessersioriginatalavitasullaTerra,mapossiamodistinguerle principalmentetraquellechecredonochelavitaprovengadall’esternodellaTerra,e quelle che credono si originò sulla Terra tramite evoluzione chimica. 1) Vita esterna alla Terra: nel ‘69 furono trovati dei frammenti di meteorite in Australia che contenevano molecole organiche che si pensava esistessero solo sulla Terra, e anche in altri meteoriti vennero ritrovate molecole biologiche. Si esclude l’ipotesi della contaminazione con gli esseri umani, e un’altraprovaafavoreècheattraversodellesondeinviatesuMartesiscoprì che nel terreno c’erano degli organismi che usavano le molecole biologiche ed emettevano come prodotto di scarto CO2. 2) Evoluzionechimica:attraversodellecombinazionicasualidiatomisisono formate le molecolebiologichecomplesse;l’esperimentodiMillereUreyè una prova a favore, ricrea in una situazione sperimentale i gas che probabilmenteeranopresentisullaTerra,apartiredaiqualisisonoformatigli amminoacidi ed altri componenti biologici; inoltre, Miller in un altro esperimento tenne congelati per 27 anni a -78°C l’acido cianidrico, l’ammoniaca,l’acqua,quandoaprìcontenevanoancheessiamminoacidie basinucleotidiche(ciòsignificacheprobabilmentenelghiacciodellaTerrasi formavano delle bolle di acqua fredda in cui poi si formavano le molecole; un’altra ipotesi è che i vulcani potrebbero aver aggiunto all’atmosferaCO2, N2,H2SeSO2chepermettevanolaformazionedelle5basiazotate,dialcuni zuccheri, di amminoacidi. Fino ad ora abbiamo parlato di monomeri, ma i primi polimeri probabilmente si sono assemblati o nelle pozze di acqua calda, dove l’evaporazione concentrava i monomeri, oppure sul fondo oceanico in assenza di ossigeno, dove i metalli facevanoda “catalizzatori”. Probabilmente le prime macromolecole erano filamenti di RNA, quindi filamenti lineari in grado di replicarsi e di sintetizzare le prime proteine, e di conseguenza anche il DNA: si suppone quindi che il DNA si sia evoluto dall’RNA; inoltre, le forme3DdialcunemolecolediRNAsomiglianoaglienzimi,sichiamanoribozimie favoriscono l’unione degli amminoacidi in proteine. I retrovirus, che hanno l’enzima trascrittasi inversa,sonoingradodisintetizzareDNAapartiredall’RNA; l’RNA inoltreaccelera la polimerizzazione tra amminoacidi. Queste reazioni chimiche e metaboliche non sarebbero potute avvenire in un ambiente acquoso diluito, ma era necessaria una compartimentazione, cioè uno spaziochiuso,einfattileattualicelluledegliorganismiviventisonoseparatedailoro ambienti grazie alla doppia membrana fosfolipidica, la quale è selettivamente permeabile e permette l’ingresso di zuccheri e nucleotidi, i quali vanno poi a comporre brevi filamentidiRNAingradodireplicarsi.Neglianni‘90furonoritrovati dei fossili dei primi microrganismi viventi, probabilmente cianobatteri. Le cellule vennero osservate per la prima volta da Hooke, perché notò che nel sughero erano presenti delle cellette, che poi chiamò cellule. Teoria cellulare: le ellule sono le unità fondamentali della vita, tutte derivano da cellule c preesistenti,tuttelespecielehannoediscendonotuttedaunantenatocomune (LUCA). Esse sono piccole perché è importante il rapporto che c’è tra la superficie esterna e il volume interno: dal momento che per sopravvivere la cellula ha bisogno di fare scambi dimaterialeconl’esterno,secifosseunvolume eccessivo non ci sarebbe la possibilità di far uscire/entrare sostanze, perché è l’area della superficie a limitare questa attività; inoltre il volume determina la quantitàdiattivitàchimicadiunacellulanell’unitàditempo(piùègrandepiùha attività chimica). La maggior parte delle cellule è più piccola di 200 micrometri, infattisonovisibilisoloconilmicroscopio(cheaumentalagrandezzaapparenteela risoluzione e quindi la nitidezza, cioè la capacità di distinguere due oggetti). Esistonodue tipidi cellule: 1. procarioti: hanno una dimensione tra 1 e 10 micrometri, sono strutturalmente più semplici, perché non hanno un nucleo che contenga il DNA (sparso nella cellula) né compartimenti interni; le protocellule erano probabilmente molto simili alle cellule procariote. Ha, come le eucarioti,una membrana plasmatica selettivamente permeabile (fa passare solo determinate sostanze) e ciò permette di mantenere un ambiente interno dalle condizioni costanti, questa membrana serve inoltre alla comunicazioneealricevimentodialcunisegnalidapartedellacellula(peril riconoscimentotracellule),eserveancheagarantirel’adesioneconcellule adiacenti, anche se le singole cellule non possono costituireunorganismo, possono solo formare catene. Il DNA è contenuto in una regione detta nucleoide, il citoplasma è costituito da citosol, possiede i ribosomi, fondamentali nella sintesi delle proteine. La maggior parte delle cellule procariote al di fuori della membrana plasmatica possiedeancheunarigida parete cellulare (polisaccaridi e proteine), che dà alla cellula supporto e protezione; altri batteri possiedono anche una barriera fosfolipidica, altri ancora oltre a questa possiedono anche una capsula mucosa costituitada polisaccaridi che serve a evitare la disidratazione. Le cellule procariote possono muoversi o grazie alla presenza di flagelli (fatti di flagellina, una proteina)ancoratiallamembranaplasmatica,oppuregrazieaipili(piùcortie costituiti da pilina)cheaiutanoadaderireadaltrecellule.Alcunibatterisono in grado di svolgere la fotosintesi perché presentano dei ripiegamenti all’internodeiqualisonocontenutideipigmentisimiliallaclorofilla.Ibatteri possiedono anche un citoscheletro, cioè un’impalcatura costituita da filamenti proteici che ha funzione strutturale. 2. eucarioti: hanno una dimensione tra i 10 e i 100 micrometri, all’interno contengono degli organelli, cioè dellestrutturedelimitateognunadellequali svolge una funzionespecifica,inmodotalechelacellulariesceasvolgere più funzioni in parallelo; la compartimentazione inoltre ha permesso alle cellule di specializzarsi e formare organi e tessuti negli organismi pluricellulari. Questi organelli sono: 1. r ibosomi: costituiti da due subunità fatte da proteine ed RNA; hanno la funzione di sintetizzare le proteine; nelle cellule eucariote possono essere liberi nel citoplasma, attaccati al reticolo endoplasmatico o all’interno dei mitocondri; 2. nucleo: di solito l’organello più grande, al suo interno contiene il DNA, è circondato da una doppia membrana, la quale presenta pori nucleari per permettere gli scambi di molecole;alsuointernoilDNAsireplica,iniziala trascrizione genica, mentre l’assemblaggio deiribosomiavvieneinuna regione chiamatanucleolo.NelnucleoilDNAèdivisoinmolecole,lequali si arrotolano intorno a delle proteine chiamate istoni e forma lacromatina, che è ancorata alle pareti interne del nucleo grazie allalaminanucleare (rete proteica che mantiene la forma del nucleo); 3. sistema di endomembrane: ogni organello ha la sua membrana. Abbiamo quindi: - reticolo endoplasmatico: la membrana nucleare si estende nel citoplasma e forma questo reticolo, cioè un sistema di membrane interconnesse che comunicano attraverso dei tubuli. Esistonoduetipologie di reticolo endoplasmatico: quello rugoso, una serie di vescicole appiattite immediatamente fuori dalla membrana nucleare, sulla sua superficie esterna ci sono i ribosomi, e la proteina che si sta formando esce dal ribosoma ed entra nel reticolo, dove si realizza la sua struttura terziaria/quaternaria, e viene poi trasportata in altre regioni; quello liscio, non ha ribosomi, qui vengono sintetizzati gli steroidi e i lipidi, vengono scompostelemolecoletossicheevienescissopiùfacilmenteilglicogeno; cellule diversehannounaquantitàdiversadiquesteduetipologiedireticolo, ad esempio lecelluleepatichehannounamaggiorequantitàdireticololiscio perché devono depurare. - apparato di Golgi: composto da veschichette membranose e sacculi appiattiti; ha una regione più interna (cis), addosso al reticolo, la quale ricevedaquestolevescicolechevengonoinglobateomodificateesmista le proteine, e una regione più esterna (trans), dalla cui sistaccanodelle vescicole che contengono i prodotti finali che vanno poi smistati nelle varie regioni della cellula; -lisosomi:sonoenzimidigestivipresentinellaregionetransdell’apparato di Golgi, hanno un pH più acido del restodell’ambientecellulare,vengono detti primari quelli che idrolizzano le macromolecole in monomeri; si uniscono ai fagosomi, che permettono di inglobare le molecole di cibo nella cellula, formando così i lisosomi secondari, i quali smaltiscono gli elementinociviodiscarto(anchecomponentidellacellulachenonservono più=autofagia)eliportanoall’esternodellacellula=esocitosi(seilisosomi non funzionano, la cellula smette di funzionare e l’individuo sviluppa gravi patologie, come lasindrome di Tay-Sachs); - mitocondri: hanno una doppia membrana e servono alla respirazione cellulare:produconoATPperchéapartiredalglucosiotramitelaglicolisisi ttiene il piruvato, poi vienescissoancoraesiottengonoacqua,anidride o carbonica ed energia; la membrana esterna è liscia e ha funzione protettiva, la membrana interna èripiegataaformarecreste,garantendo così una grande superficie per la respirazione cellulare; all’interno dei mitocondri è presente una matrice, che contiene un DNA tutto suo, ribosomi ed enzimi vari (si ritiene che i mitocondri fossero inizialmente un batterio indipendente, fagocitato poi da un'altra cellula e mantenutoinvita per endosimbiosi: infatti i mitocondri possono sintetizzare proteine, la loro membrana esterna assomiglia a una membrana eucariote, mentre quella interna a una procariote); - perossisomi: sferette che raccolgono e demoliscono le sostanze di scarto, come i perossidi; - citoscheletro: filamenti di natura proteica, sostiene la struttura della cellula, mantiene o muove gli organelli, è coinvolto nelle correnti citoplasmatiche.E’formatodatrecomponenti:imicrofilamenti(diametrodi 7 nanometri), hanno una struttura a spirale, sono costituitidamonomeridi actina che nel polimerizzarsi formano catene conpolarità,unapositivadi allungamento e una negativa di accorciamento, sono dinamici perché si modificano in base alle esigenze della cellula, infatti ne determinano la forma e sono coinvolti nelle correnti citoplasmatiche, permettono alle celluledimuoversi(neimuscolil’actinasiassociaallamiosina,ilmuscolosi contraeperchélatestadellamiosinasiattaccaall’actinaelatrasporta),sono presentisubitosottolamembranacellulareperpermettereilmovimento dellacellula(imicrofilamentisiallunganodaunlatoesicontraggononellato opposto, e ciò provoca una spinta), e per dare struttura alle cellule (nelle cellule intestinali aumentano la capacità digestiva perché aumentano la superficie); i filamenti intermedi (diametro di 8-12 nanometri), sono cilindri pieni di unità costituite da due filamenti proteici arrotolati su se stessi (dimero), ne esistono 50 tipi diversi in base alla sequenza di amminoacidi, sonopiùstabili,restanougualiehannofunzionedisupporto,ancoranole strutturenellaloroposizione,formanolalaminanuclearechesupportala membrana nucleare, si agganciano dall’interno ai desmosomi (tengono unite due cellule adiacenti); i microtubuli (diametro di 25 nanometri), sono cilindri cavicostituitidadimeridellatubulina(imonomerisonoalfaebeta), sono molto dinamici perché anche questi hanno le polarità da cui si accrescono/accorciano,nelmomentoincuiabbiamo13filamentiditubulina essi iniziano ad arrotolarsi su loro stessi, nella divisione cellulare costituiscono il fuso mitoticoedèquichesiaggancianoicromosomi,sono strade all’internodellacellulaperlevescicolecomelachinesina(da-a +) o ladineina(da + a -), checamminano lungo ilmicrotubulo. La compartimentazione degli eucarioti esiste grazie a tutto il sistema di endomembrane;senonfunzionaanchesolouncompartimento,cisonogravi problemi.Levariestruttureinternedipendonodallafagocitazionedialtre celluleautonome(unaprovasarebbeilfattocheimitocondrihannounDNA tutto loro), oppure dall’invaginazione della membrana plasmatica nelle celluleprocariote(unaprovasarebbechelamembrananucleareècontinua con il reticolo endoplasmatico).
