Scarica La nuova biologia.blu PLUS: le cellule e i viventi e più Sintesi del corso in PDF di Biologia solo su Docsity! LA CELLULA Le cellule che compongono gli esseri viventi sono minuscole: il diametro di una cellula varia infatti da 1 a 100 micrometri. Tuttavia vi sono delle eccezioni, ad esempio le uova degli uccelli che sono molto grandi e alcuni tipi di alga unicellulari che possono essere visti ad occhio nudo. La dimensione delle cellule è limitata dal rapporto tra superficie e volume. Il volume determina la quantità di attività chimica svolta dalla cellula in un’unità di tempo, mentre la superficie determina la quantità di sostanze che la cellula può scambiare con l’esterno. Il rapporto superficie/volume di un oggetto cambia se questo aumenta le sue dimensioni: al crescere delle dimensioni il volume aumenta più rapidamente della superficie. Quindi se una cellula cresce e diventa più grande, la sua attività chimica aumenta più velocemente rispetto alla superficie, e, se le cellule devono distribuire le sostanze da un punto all’altro, ciò avviene più facilmente se la cellula è piccola. Esistono due tipi di cellule: le cellule procariotiche e quelle eucariotiche. Gli organismi procarioti, e quindi composti da cellule procariote, sono gli archei e i batteri e condividono le stesse caratteristiche fondamentali. Tutte le cellule procariotiche possiedono la stessa struttura di base: -sono delimitate da una membrana, detta membrana plasmatica, composta da un doppio strato di molecole di fosfolipidi. Questa permette alla cellula di mantenere costanti le caratteristiche chimico-fisiche del loro ambiente interno e agisce da barriera semipermeabile, impedendo ad alcune sostanze di attraversarla e permettendo ad altre di entrare ed uscire dalla cellula; -All’interno di questa membrana vi è il citoplasma, un materiale semifluido in cui avvengono tutte le reazioni cellulari. È composta da: il citosol, che è la parte più fluida, e da particelle insolubili. Tutte le molecole all’interno del citoplasma sono in continuo movimento e mantengono così la cellula in vita; -Una zona nel citoplasma, detta nucleoide, contiene il DNA che si trova sotto forma di un’unica molecola circolare. Questo fornisce le informazioni per costruire tutte le proteine dell’organismo; -Nel citoplasma sono presenti i ribosomi, ovvero le strutture dove le informazioni del DNA sono usate per assemblare gli amminoacidi e formare polipeptidi. Alcuni procarioti hanno sviluppato strutture specializzate che danno un vantaggio agli organismi che le possiedono. Tali strutture sono: -Molti procarioti possiedono una parete cellulare situata esternamente alla membrana plasmatica. Questa serve da sostegno alla cellula e ne determina la forma. Attorno alla parete cellulare, alcuni batteri presentano un altro rivestimento chiamato capsula. In alcune specie la capsula serve a proteggere i batteri dagli attacchi del sistema immunitario degli organismi infettati, in altri casi contribuisce ad evitare l’essiccamento della cellula e può aiutare il batterio ad aderire ad altre cellule: -Alcuni gruppi di batteri, chiamati cianobatteri, sono in grado di svolgere la fotosintesi. In questi batteri la membrana plasmatica si ripiega all’interno del citoplasma formando un sistema di membrane interne che contiene le molecole responsabili della fotosintesi; -Numerosi procarioti sono in grado di nuotare grazie a dei filamenti chiamati flagelli, senza i quali la cellula non è in grado di spostarsi. Altri procarioti presentano filamenti più corti e più numerosi chiamati pili, che servono a far aderire un batterio ad un altro durante uno scambio di materiale genetico; -Altri possiedono il citoscheletro, ovvero un nome collettivo per definire vari tipi di filamenti proteici che hanno un ruolo nella divisione cellulare o nel mantenimento della forma delle cellule. Le cellule eucariotiche, invece, sono tipiche di vegetali, funghi e animali, sono fino 10 volte più grandi rispetto alle cellule procariotiche e hanno una struttura interna più complessa. Esse infatti presentano dei compartimenti interni delimitati da membrane, gli organuli, che contengono specifici enzimi, grazie ai quali ogni tipo di organulo può svolgere determinate reazioni chimiche. Vi sono inoltre organuli caratteristici solo delle cellule vegetali o di quelle animali. Tutti gli organuli sono avvolti da una membrana costituita da fosfolipidi e proteine e svolge due funzioni in particolare: tiene separate le biomolecole dell’organulo dalle altre molecole presenti nella cellula e regola gli scambi lasciando entrare nell’organulo le materie prime e liberando i prodotti nel citoplasma Il nucleo è una struttura esclusiva delle cellule eucariotiche, ha forma pressoché sferica e svolge varie funzioni: è il luogo in cui avviene la duplicazione del DNA, è la sede del controllo genetico dell’attività cellulare e contiene una zona, il nucleolo, dove vengono assemblati i ribosomi a partire dall’RNA. Il nucleo è avvolto da una doppia membrana che costituisce l’involucro nucleare. Queste due membrane sono perforate da circa 3500 pori nucleari, che mettono in comunicazione l’interno del nucleo con il citoplasma. Gli ioni e le molecole più piccole possono transitare liberamente attraverso questi pori. Tra le molecole più grandi invece solo alcune proteine sono in grado di passare dal citoplasma al nucleo, perché presentano delle “sequenze” fatte di amminoacidi che funzionano come un’etichetta di riconoscimento per il poro nucleare, che si dilata e le lascia passare. All’interno del nucleo sono presenti diverse molecole di DNA, che sono associate a proteine con cui formano un complesso fibroso, detto cromatina. Questa poco, prima della divisione cellulare, si addensa in strutture compatte dette cromosomi. I ribosomi eucariotici sono complessi enormi, composti da un tipo speciale di RNA, detto RNA ribosomiale (rRNA), al quale sono legate oltre 50 molecole proteiche diverse. Questi possono trovarsi liberi nel citoplasma, fissati alla superficie del reticolo endoplasmatico, oppure all’interno dei mitocondri e dei cloroplasti. I ribosomi hanno il compito di sintetizzare le proteine in base alle informazioni codificate nel DNA. Questo processo, chiamato traduzione, è possibile grazie ad un messaggero, chiamato RNA messaggero o mRNA, che trasporta l’informazione dal nucleo al citoplasma, dove vi sono i ribosomi. Durante la traduzione i ribosomi si legano all’mRNA e costruiscono le proteine. Nelle cellule eucariotiche è presente un vasto sistema di membrane interne che delimitano compartimenti separati dal citoplasma. I due compartimenti principali di questo sistema sono il reticolo endoplasmatico e l’apparato di Golgi. Il reticolo endoplasmatico è un sistema di membrane unite tra loro, situato nel citoplasma, ed il suo spazio interno prende il nome di lume. Alcune regioni del reticolo sono costellate di ribosomi che aderiscono temporaneamente alla faccia esterna delle sue membrane. A causa dell’aspetto che assume al microscopio, questa parte del reticolo è detta reticolo endoplasmatico ruvido. Altre sono prive di ribosomi e prendono il nome di reticolo endoplasmatico liscio. Il reticolo endoplasmatico ruvido sintetizza membrane e proteine, inoltre tiene separate dal citoplasma le proteine appena sintetizzate e le modifica dal punto di vista chimico. All’interno del reticolo le proteine possono anche subire cambiamenti chimici che ne modificano la funzione e la destinazione finale. Le cellule che sintetizzano proteine da esportare in grandi quantità hanno solitamente un RER molto sviluppato, al contrario, le cellule meno impegnate nella sintesi proteica hanno un RER meno esteso. Il reticolo endoplasmatico liscio è privo di ribosomi e ha una struttura più allungata del RER, con il quale comunica. Il REL svolge quattro importanti funzioni: è la sede della sintesi dei lipidi; è responsabile della trasformazione chimica di sostanze tossiche, farmaci e pesticidi; nelle cellule animali è la sede in cui avviene l’idrolisi del glicogeno per produrre glucosio; ha il compito di immagazzinare ioni calcio. Nel tessuto muscolare questi ioni sono necessari per la contrazione: quando un impulso nervoso stimola una cellula muscolare, gli ioni calcio passano dal REL nel citoplasma, dove determinano la contrazione della cellula. L’apparato di Golgi, che prende il nome dal suo scopritore Camillo Golgi, è un compartimento cellulare presente negli eucarioti. È formato da una serie di membrane chiuse che costituiscono delle cisterne appiattite e impilate l’una sull’altra. Svolge varie funzioni: riceve proteine dal RER e le elabora ulteriormente; concentra e smista le proteine prima che vengano inviate alle loro destinazioni finali; sintetizza i polisaccaridi per la parete delle cellule vegetali. Le cisterne dell’apparato di Golgi possiedono tre zone: una zona di “ingresso” più vicina al nucleo e al RER, una zona intermedia ed una zona di “uscita” che si trova vicino alla membrana plasmatica. I lisosomi sono un altro componente del sistema di membrane. La formazione dei lisosomi avviene ad opera del RE e dell’apparato di Golgi: prima il RE assembla gli enzimi e le membrane, poi l’apparato di Golgi rifinisce gli enzimi dal punto di vista chimico e libera i lisosomi completati. Una cellula può contenere dozzine di lisosomi a seconda delle proprie necessità. Se la cellula fosse priva di lisosomi potrebbe correre il rischio di digerire sé stessa, in quanto la membrana lisosomiale racchiude uno specifico compartimento in cui gli enzimi digestivi vengono mantenuti isolati dal resto del citoplasma. Nei lisosomi avviene l’idrolisi del materiale assunto dalla cellula per fagocitosi. Durante la fagocitosi, nella membrana citoplasmatica si forma un ripiegamento interno che diventa sempre più profondo fino a circondare le sostanze nutritive che si trovano all’esterno. Questa diventa poi una vescicola, detta vacuolo alimentare, che si stacca dalla membrana plasmatica e si sposta nel citoplasma fino a raggiungere il lisosoma, con il quale si fonde per formare un lisosoma secondario, all’interno del quale avviene la digestione. I lisosomi sono anche il luogo in cui la cellula digerisce i propri materiali per autofagia, che ha luogo durante il processo di riciclaggio degli organuli vecchi o danneggiati. Le cellule vegetali non sono provviste di lisosomi, ma hanno un vacuolo centrale con le stesse proprietà, che potrebbe svolgere lo stesso ruolo. tra tutte le membrane presenti, che sono strutture estremamente dinamiche, ed esistono, inoltre, importanti differenze tra tutte loro, comprese le membrane di una stessa cellula. I processi che permettono alle cellule di aggregarsi in tessuti sono due: -il riconoscimento cellulare, con cui una cellula si lega esclusivamente a cellule di un determinato tipo; -l’adesione fra cellule, con la quale si rafforzano le connessioni tra una cellula e l’altra. Questi due processi dipendono dalle proteine della membrana plasmatica. Le proteine responsabili del riconoscimento cellulare permettono alle cellule di unirsi ad altre cellule dello stesso tipo. Spesso entrambe le cellule forniscono materiali per la formazione di ulteriori strutture della membrana che le tengono unite, le quali prendono il nome di giunzioni cellulari. Ve ne sono di tre tipi: le giunzioni strette, i desmosomi e le giunzioni comunicanti. -Le giunzioni strette (o occludenti) sono il risultato di un legame fra proteine specifiche delle membrane plasmatiche, che formano una sorta di “cintura” continua attorno alla cellula. Queste giunzioni sono numerose nei tessuti di rivestimento e svolgono due funzioni: impediscono alle sostanze di penetrare negli spazi tra una cellula e l’altra e delimitano zone della membrana che svolgono funzioni diverse. -I desmosomi connettono due membrane plasmatiche adiacenti, tenendole fermamente unite. Ciascun desmosoma presenta una struttura densa, detta placca, a cui sono legate specifiche proteine che attraversano la membrana plasmatica e sporgono all’esterno. La presenza di desmosomi tra le cellule conferisce ai tessuti una grande resistenza meccanica. -Le giunzioni comunicanti facilitano la comunicazione fra cellule. Sono composte da speciali canali proteici che attraversano le membrane plasmatiche di due cellule adiacenti. Tramite queste giunzioni, ioni e micromolecole in soluzione possono spostarsi da una cellula all’altra. Le membrane biologiche si lasciano attraversare da alcune sostanze, ma non da altre, per questo motivo si parla di permeabilità selettiva o semipermeabilità delle membrane. Le sostanze che non possono attraversare la membrana rimangono confinate all’interno di compartimenti separati, pertanto la loro concentrazione ai due lati della membrana può essere diversa. Le sostanze alle quali la membrana è permeabile, si dispongono da un compartimento all’altro finché non raggiungono una stessa concentrazione sui due lati della membrana, a questo punto è stato raggiunto l’equilibrio. Per raggiungere tale equilibrio ci basiamo sul concetto di diffusione. La diffusione è il movimento casuale e spontaneo delle molecole verso uno stato di equilibrio, cioè verso una distribuzione pressocché uniforme. Anche se il moto di ogni singola particella è assolutamente casuale, il movimento netto delle particelle appare direzionale finché non si raggiunge l’equilibrio. La diffusione dunque è un movimento netto dalle zone a concentrazione più alta verso le zone a concentrazione più bassa. I fattori da cui dipende la velocità di diffusione di una sostanza sono: -il diametro delle molecole e degli ioni; -la temperatura della soluzione; -il gradiente di concentrazione, ovvero il rapporto tra la differenza di concentrazione e la distanza che le molecole devono percorrere per annullare tale differenza. Quanto maggiore è il gradiente di concentrazione, tanto più rapidamente una sostanza si diffonde. In una cellula, dove le distanze sono limitate, la diffusione è assai rapida. Inoltre non è sufficiente per distribuire materiali da una parte all’altra del nostro corpo, ma è efficiente per il trasporto di piccole molecole e di ioni all’interno della cellula. Una volta raggiunto l’equilibrio, le singole molecole continuano ad attraversare la membrana. Il flusso in uscita è uguale a quello in entrata, perciò non vi è una variazione netta della concentrazione. Nella cellula ci sono tre meccanismi di diffusione: diffusione semplice, osmosi e diffusione facilitata. Tutti questi meccanismi avvengono secondo gradiente, cioè dalla zona a concentrazione maggiore verso quella minore, e sono meccanismi di trasporto passivo, cioè non richiedono energia. -La diffusione semplice è il passaggio secondo gradiente di piccole molecole attraverso il doppio strato fosfolipidico di una membrana. Una molecola che abbia carattere idrofobico, e quindi sia solubile nei lipidi, attraversa facilmente la membrana e riesce ad entrare nella cellula. Al contrario, le particelle di grandi dimensioni polari o dotate di carica elettrica come amminoacidi, zuccheri e ioni, non attraversano facilmente le membrane per due ragioni: perché le cellule sono fatte per gran parte di acqua, le molecole polari dunque tendono a formare molti legami a idrogeno con l’acqua che ostacolano il passaggio attraverso la membrana; perché le molecole polari o cariche non sono molto solubili nella regione idrofobica interna del doppio strato. -Un altro particolare meccanismo di diffusione è l’osmosi, un processo completamente passivo, in quanto non consuma energia. Questo è il movimento spontaneo di un solvente dalla soluzione in cui i soluti sono più diluiti, ovvero soluzione ipotonica, a quelli in cui sono più concentrati, ovvero soluzione ipertonica. Questo passaggio continua fino al raggiungimento di una situazione di equilibrio. La concentrazione dei soluti è inversamente proporzionale alla concentrazione dell’acqua e, al contrario dell’acqua, la maggior parte dei soluti non diffonde liberamente attraverso la membrana. La direzione dell’osmosi è determinata solo dalla differenza di concentrazione totale dei soluti e non dalla loro natura. Al contrario, se la concentrazione totale di soluto è la stessa sui due lati della membrana, in questo caso dette soluzioni isotoniche, le molecole d’acqua si muovono in entrambe le direzioni alla stessa velocità. - Il passaggio di una sostanza secondo gradiente per mezzo di specifiche proteine di membrana si chiama diffusione facilitata. Infatti le grandi molecole polari (amminoacidi e zuccheri) e le sostanze dotate di carica (ioni) non diffondono facilmente attraverso il doppio strato fosfolipidico, eppure attraversano la membrana in due modi: le molecole polari si legano ad una proteina di trasporto che ne accelera la diffusione, mentre gli ioni utilizzano canali formati da proteine integrali di membrana. Questi canali proteici sono proteine che presentano un poro centrale, che si può aprire consentendo il passaggio delle molecole polari idrofile. I canali proteici più conosciuti sono i canali ionici, il cui flusso di ioni in entrata e in uscita dalle cellule è importante per molti fenomeni biologici. Esistono inoltre canali proteici chiamati acquaporine, che controllano il passaggio dell’acqua attraverso le membrane. Infatti le cellule di alcuni organi hanno bisogno di generare rapidamente flussi molto intensi di acqua in entrata o in uscita, in queste condizioni si attivano le acquaporine, che si aprono rendendo la membrana plasmatica più permeabile all’acqua. Un altro tipo di diffusione facilitata implica un vero e proprio legame tra le sostanze trasportate e le proteine di membrana. Queste molecole sono dette proteine di trasporto e consentono la diffusione di molecole polari come gli zuccheri e gli amminoacidi. Un carattere distintivo degli esseri viventi è la possibilità di mantenere una composizione chimica diversa da quella dell’ambiente in cui vivono. Per fare questo, è necessario che uno ione o una macromolecola attraversino una membrana passando da una zona a concentrazione minore verso una zona a concentrazione maggiore, dunque contro gradiente. Il trasferimento di una sostanza contro il gradiente di concentrazione prende il nome di trasporto attivo, il quale richiede una spesa energetica. Le proteine di trasporto, che realizzano il trasporto attivo, hanno il compito di spostare un determinato soluto nella direzione contraria a quella della diffusione. Le modalità di trasporto attivo tramite una membrana sono tre: -uniporto, se la proteina di trasporto trasferisce una sola sostanza in un’unica direzione; -simporto, se la proteina di trasporto trasferisce due sostanze nella stessa direzione; -antiporto, se la proteina di trasporto trasferisce due sostanze in direzioni opposte, una verso l’interno ed una verso l’esterno della cellula. Simporto e antiporto sono due esempi di cotrasporto, perché vengono spostate due sostanze alla volta. Macromolecole come le proteine, i polisaccaridi e gli acidi nucleici sono troppo grandi per passare attraverso le membrane biologiche. Però una cellula talvolta deve poter ingerire macromolecole o particelle. Questo può avvenire per mezzo di vescicole che si formano dalla membrana plasmatica e poi penetrano nella cellula (endocitosi), oppure si fondono con essa per liberare all’esterno il loro contenuto (esocitosi). Con il termine generale di endocitosi si intende un insieme di processi che introducono nella cellula eucariotica macromolecole, grosse particelle o piccole cellule. Durante questo processo la membrana plasmatica si introflette (ripiega all’interno) attorno alle sostanze da assumere formando una fossetta. Questa diventa sempre più grande, avvolge il materiale da trasportare e si richiude all’interno della cellula generando una vescicola, il vacuolo alimentare. Questo poi si stacca dalla membrana e migra verso le zone più interne della cellula. Si conoscono tre tipi di endocitosi chiamati fagocitosi, pinocitosi ed endocitosi mediata da recettori. -Nella fagocitosi una parte della membrana plasmatica ingloba grosse particelle solide o anche cellule intere. Il vacuolo alimentare così generato, detto fagosoma, si fonde con un lisosoma, dove avviene la digestione del suo contenuto; -Nella pinocitosi si formano vescicole, che però sono più piccole; questo meccanismo serve a importare nella cellula soprattutto sostanze liquide. Un’attività costante di pinocitosi è svolta dall’endotelio, il tessuto che riveste i capillari sanguigni e che permette alle cellule dei tessuti circostanti di prelevare liquidi dal sangue; -L’endocitosi mediata da recettori viene utilizzata per prelevare in modo selettivo sostanze presenti nell’ambiente extracellulare. Questo processo dipende dalla presenza di particolari proteine di membrana chiamate recettori, i quali sono capaci di riconoscere e legarsi a un fattore specifico detto ligando. All’inizio del processo si forma un legame fra le molecole da importare e i recettori localizzati in determinati punti, detti fossette rivestite, poiché formano piccole depressioni nella membrana plasmatica, rivestite da proteine. Quando un recettore riconosce il proprio ligando e lo lega formando un complesso recettore-ligando, la fossetta rivestita si introflette e forma una vescicola rivestita, che trasporta il materiale all’interno della cellula. Una volta all’interno, la vescicola perde il suo rivestimento e può fondersi con un lisosoma, dove il materiale inglobato viene poi liberato nel citoplasma. L’esocitosi è il processo in cui una vescicola formatasi all’interno della cellula si fonde con la membrana plasmatica, liberando all’esterno le sostanze che contiene. Questo processo è dovuto alla formazione di un legame tra due proteine di membrana: una che sporge sul lato della vescicola rivolto verso il citoplasma e una situata nel sito bersaglio della membrana. Il doppio strato fosfolipido delle due membrane (quella della vescicola e la membrana plasmatica) si fonde formando un’apertura verso l’esterno della cellula. Il contenuto della vescicola si riversa nell’ambiente mentre la membrana della vescicola si fonde completamente con la membrana plasmatica. IL METABOLISMO ENERGETICO Il metabolismo energetico è l’insieme delle reazioni chimiche che le cellule impiegano per sintetizzare ATP. Si divide in due diverse categorie di processi: quelli catabolici, che ricavano energia dai nutrienti, e quelli anabolici, che producono biomolecole ad alto contenuto energetico. Le cellule hanno bisogno di “bruciare” sostanze ricche di energia per formare ATP. Nel mondo dei viventi esistono due strategie differenti per procurarsi il “combustibile”: gli organismi autotrofi usane l’energia solare