Teoria cellulare, DNA e macromolecole biologiche in Biologia

Teoria cellulare

I primi esperimenti che sono stati effettuati riguardo la teoria cellulare risalgono al 1630/1640 dal biologo Robert Hooke. Hooke costruì un microscopio molto rudimentale che aveva un potere di risoluzione 30X, ossia una risoluzione tanto potente da ingrandire gli oggetti. Osservando dissezioni di sughero notò piccoli compartimenti, e li associò alle celle degli alveari, quindi chiamò quello che riuscì a vedere "cellule". Chiaramente non erano cellule vere e proprie ma delle pareti di cellule vuote del tessuto morto della pianta.

Dopo 15/20 anni dopo, gli studi progredirono fino ad arrivare ad un commerciante e naturalista olandese Van Leeuwenhoek. Egli riuscì ad osservare delle cellule vive grazie all'utilizzo di lenti che egli stesso riuscì a costruire, con un potere di risoluzione di 300X. Osservò le cellule vive nel sangue, lo sperma e organismi unicellulari che vivevano negli stagni.

Verso il 1825 arriviamo al botanico inglese Brown, che iniziò a studiare le cellule vegetali in particolare quelle delle orchidee. Egli aveva notato all'interno di queste cellule una forma tonda che lui stesso chiamò nucleo.

Nel 1837 ci furono due scienziati: Schleiden era un botanico tedesco e Schwann uno zoologo tedesco che studiavano due tipi differenti di cellule (uno quelle vegetali e l'altro quelle animali), ma arrivarono comunque alle stesse conclusioni: tutti i tessuti delle piante e degli animali erano formati da cellule, e che una pianta e un essere embrionale derivassero da un'unica cellula.

Nel 1838 si arrivò ad enunciare quelli che erano i postulati della teoria cellulare:

1. Tutti gli organismi viventi sono composti da una o più cellule;

Dopo una quindicina di anni, gli studi successivi del fisiologo Virchow portarono alla conclusione che all'interno del citoplasma della cellula, sì la presenza del nucleo, ma anche la capacità di quest'ultimo di potersi dividere in due cellule figlie. Da qui venne enunciato l'altro postulato:

1. Ogni cellula deriva dalla divisione della cellula precedente.

Misure cellulari

Mitocondrio Globuli rossi Cloroplasto Uovo umano Proteina Virus Uovo di gallina Amino- acid Nucleo Atomo Ribosomi Piccoli batteri Cellula epiteliale Uovo di rana Uomo adulto Alcune cellule nervose 0.1 nm 1 nm 10 nm 100 nm 1 µım 10 um 100 um 1 mm 10 mm 100 mm 1 m 10 m Microscopio elettronico Microscopio ottico Misure 1 metro = 1000 millimetri (mm) 1 millimetro = 1000 micrometri (um) 1 micrometro = 1000 nanometri (nm)

La cellula

Le cellule, pur nella loro diversità, nello stesso organismo o in organismi diversi, si somigliano per alcuni aspetti sia sotto il punto di vista chimico che strutturale.

Punto di vista chimico

a. Tutte le cellule devono avere almeno una cellula di acido nucleico. Nei procarioti la cellula di DNA è una, ma nel caso degli eucarioti invece ne abbiamo più di una.

Occhio umano Batteri tipiciDNA negli eucarioti Il nostro cariotipo è composto da 23 coppie di cromosomi, quindi 46 cromosomi totali. Questi vengono classificati in 22 coppie di autosomi e 1 coppia di cromosomi sessuali (X nelle femmine e Y nei maschi). Questa coppia di cromosomi sessuali viene anche chiamata coppia di cromosomi omologhi: cromosomi morfologicamente identici, però portano l'informazione per gli stessi caratteri. Cioè che nel locus gene che è la posizione sul cromosoma dove è localizzata una sequenza genica, queste sequenze geniche codificano per lo stesso carattere. Se su un cromosoma omologo materno ho l'informazione in un determinato locus genico del colore dei capelli, sul cromosoma omologo che sarà quello paterno, nella stessa posizione, nel locus genico corrispondente, dovrà esserci la sequenza genica sempre del colore dei capelli. Ovviamente il colore dei capelli sarà quello che noi chiamiamo fenotipo.

All'interno di tutte le cellule troviamo quindi, anche un apparato enzimatico che serve non solo alla sua duplicazione, ma anche all'espressione genica. Con espressione genica noi intendiamo varie fasi: il processo di trascrizione e poi di sintesi proteica.

Punto di vista strutturale

a) Presenza di una membrana plasmatica: permette la comunicazione tra ambiente extracellulare e ambiente intracellulare; delimita la cellula separando il citoplasma. b) Citoplasma: che è una matrice semifluida composta da acqua, varie macromolecole e organelli che sono ribonucleoproteici, ossia formati da proteine e acidi ribonucleici cioè i ribosomi. I ribosomi svolgono la funzione di sintesi proteica, la quale parte a livello del citoplasma e poi in base alla destinazione delle proteine, queste verranno smistate negli altri organelli (RER). c) Nucleo o Nucleoide: il primo se parliamo di cellule eucariotiche, il secondo se parliamo di cellule procariotiche.

DNA nella cellula procariote

Per potersi duplicare originando molecole identiche a se stessa, la molecola di DNA deve separare i due filamenti polinucleotidici che compongono la molecola. La denaturazione della doppia elica permette ai due filamenti di DNA di fungere da stampo per la sintesi di nuovi filamenti. Queste molecole di DNA saranno dotate della stessa informazione poiché le basi azotate sono complementari.

Domanda: che vuol dire complementarità delle basi azotate? Risposta: perché è vero che una purina si lega sempre a una pirimidina, ma avremo sempre appaiamenti tra adenina e timina e citosina e guanina. A-T si legano con due legami ad idrogeno e C-G con tre legami ad H.

sintesi del DNA (replicazione) ) DNA 5' 3 3' 5' sintesi dell'RNA (trascrizione) RNA 5' 3' sintesi delle proteine (traduzione) PROTEINE H2N- COOH amminoacidi Uno dei due filamenti può essere utilizzato per il processo di trascrizione. Questo processo di trascrizione porta alla formazione di molecole di RNA: rRNA (ribosomiale); mRNA (messaggero); tRNA (transfer). Negli eucarioti la trascrizione avviene nel nucleo, nei procarioti avviene nel citoplasma. L'mRNA fuoriesce dal nucleo e prenderà contatti col ribosoma. L'mRNA contiene un'informazione genetica che viene letta attraverso il codice genetico. Ci sono 64 codoni totali, tra cui 61 di inizio che codificano su 20 aminoacidi (in natura esistono solo 20 aminoacidi), e una tripletta di codoni di stop che non codificano per nessun aminoacido. Il primo aminoacido che viene sempre codificato è la metionina. Quindi ci sono più codoni che codificano per un solo aminoacido, quindi il codice genetico si dice degenerato. Una volta letto il messaggio all'interno dell'mRNA tramite la lettura in codoni, si potrà ottenere una proteina. La sequenza degli aminoacidi che va a costituire una proteina si dice che è geneticamente determinata, perché dipende dalla sequenza dei nucleotidi presenti nel filamento stampo del DNA.

Domanda: come è composto un aminoacido?Risposta: da monomeri che hanno un carbonio centrale al quale sono legati gruppo amminico, gruppo carbossilico, un idrogeno e una catena R, la quale darà la singola caratteristica a un determinato aminoacido. Tra loro gli aminoacidi sono legati attraverso legami: del primo aminoacido il legame è quello del gruppo carbossilico, poi il gruppo amminico del secondo perché la polarità della proteina parte da un gruppo amminico e termina con un gruppo carbossilico, quindi è sempre il gruppo amminico del primo e un gruppo carbossilico del secondo monomero.

La forma delle cellule

Le cellule possono avere forme diverse, ad esempio forma allungata come i neuroni o disco biconcavo come quella dei globuli rossi, ma c'è una caratteristica presente in tutti i tipi di cellule: le dimensioni della cellula. Cioè ci deve essere un rapporto superficie volume che deve essere a favore della superficie. Questo è importante perché se андiamo ad aumentare le dimensioni della cellula, e quindi aumenta la superficie, il volume aumenta al cubo (la superficie aumenta al quadrato). È necessario che la cellula sia piccola perché poiché la cellula attua scambi con l'ambiente esterno, essa deve garantire la possibilità di fare questi scambi e di avere un rapporto ottimale con l'ambiente, che possa dare efficienza. Ma se ho una cellula con un grande volume, di conseguenza si avrà un aumento delle molecole da produrre ma anche il tempo da impiegare per raggiungere i vari organelli sarà maggiore. Quindi si verrà a creare quello che viene chiamato squilibrio nutrizionale. Fondamentalmente le dimensioni delle cellule devono rimanere piccole. Per questo facciamo riferimento a delle misure: il mm, che è visto anche a occhio nudo, il micron u, che è mille volte più piccolo del mm.

Col micron possiamo vedere i batteri (1-4 um) o il nucleo intorno ai 5 um. Con questa grandezza abbiamo bisogno del microscopio ottico.

10 um ESUN Nuclei Vacuolo Mitocondri Cloroplasto Cellula vegetale (20 × 30 pm) Cellula animale (20 pm) Batterio (1 x2 um) Figura 1A-1

Al di sotto del micron troviamo il nanometro nm, e con questa grandezza abbiamo bisogno del microscopio elettronico.

T 7-8 nm Subunità maggiore 1 Subunità minore Tipica membrana 25 nm Ribosoma batterico 25 nm Microtubulo Elica di DNA 7 nm Microfilamento Figura 1A-2 Poi abbiamo i ribosomi che generano dal nucleolo e sono composti da una subunità maggiore e una minore, le quali contengono rRNA e proteine ribosomiali. La molecola di DNA ha un diametro costante di 2nm; la membrana plasmatica ha uno spessore di 7-8 nm; poi abbiamo il microtubulo, una struttura cilindrica cava e altamente dinamica, che funge da binario per gli spostamenti all'interno della cellula perché fa parte del citoscheletro e, infatti, per questo, sorregge la cellula dandole sostegno. Il microtubulo è importante anche per quanto riguarda la mitosi e la meiosi. Può andare incontro alla fase di polimerizzazione, si ha un allungamento del microtubulo, oppure la fase di depolarizzazione, cioè un accorciamento dello stesso. Queste fasi sono importanti per i movimenti dei cromosomi all'interno della cellula durante il processo della divisione cellulare. H 2 nm1,0 pm 3,0 pm 2,0 pm a FIGURA 2.8 I batteri hanno forme e dimensioni diverse. Vari tipi di cellule batteriche viste al microscopio elettronico a scansione (SEM): cocchi, sferici; bacilli, a forma di bastoncelli; spirilli, batteri a spirale provvisti di flagelli alla estremità.

I batteri

2 um (A) cellule sferiche (per esempio Streptococcus) (B) cellule bastoncellari (per esempio Escherichia coli, Salmonella) (C) cellule spirali (per esempio Treponema pallidum) Possono avere forme diverse, per esempio i cocchi hanno una forma sferica, oppure i bacilli a forma bastoncellare e gli spirilli a forma di spirale. Tutti e tre i tipi di procariote, nonostante siano organismi unicellulari, possono vivere in colonie.

Cellula procariote

Nucleoide Pili Ribosomi Granulo di cibo Flagello Capsula Parete Plasmide Citosol Membrana plasmatica · Non presenta l'involucro nucleare, quindi il materiale genetico si trova nel citoplasma e va a costituire una regione chiamata nucleoide. . Manca di una compartimentazione e cioè che non ci sono organelli citoplasmatici delimitati da membrane e che ognuno dei quali possa svolgere ruoli ben definiti, in questo caso gran parte dell'attività cellulare viene svolta dal citoplasma e dalla membrana. · Ha una membrana plasmatica ed è un organismo unicellulare. La membrana è sede di molte funzioni perché su di essa poggiano dei recettori e delle proteine di trasporto che permettono la comunicazione dei due ambienti (lec e lic). . Mancano i mitocondri e quindi, tutti i processi svolti nell'eucariote a livello mitocondriale, nei procarioti avvengono in parte nel citoplasma tipo il ciclo di Krebs, mentre a livello della MP troviamo strutture che prendono parte alla fosforilazione ossidativa. · Ci sono i ribosomi e servono per la sintesi delle proteine. . Non abbiamo il citoscheletro ma vi è la presenza, sopra la membrana plasmatica, della parete cellulare. La parete cellulare permette alla cellula di mantenere una struttura e una forma. Essa è composta da peptidoglicani: una catena polisaccaridica suddivisa in polimeri formati dall'alternanza di due zuccheri, gli zuccheri sono legati tra loro attraverso legami glicosidici. Nel caso del peptidoglicano, esso va a proteggere la cellula e fa sì che la parete presenti due spessori diversi: uno spessore minore facente parte dei gram-negativi e uno spessore maggiore presente a livello dei gram-positivi, questa variazione di spessore dipende dai legami tra i polimeri. · Vi è una capsula polisaccaridica, non presente in tutti i procarioti, ma quando è presente costituisce un fattore di virulenza. · Troviamo un flagello composto da un corpo basale che è inserito all'interno della membrana plasmatica, da un uncino e da un filamento. Il filamento è formato da una proteina chiamata flagellina. Il ruolo del flagello serve a permettere il movimento della cellula e ce ne possono essere anche più di uno. · Altra struttura è rappresentata dai pili che sono più numerosi e più piccoli dei flagelli, e sono formati da una proteina chiamata pilina. Alla loro base troviamo una proteina che è l'adesina, che permette a questi batteri di poter aderire sulla cellula ospite.

Divisione di una cellula procariotica

Avviene per scissione binaria come se fosse una mitosi. Prima che si divida, deve duplicarsi il materiale genetico in fase S. Questo genoma nei procarioti assume forma circolare e aderisce al mesosoma, ossia una invaginazione della membrana plasmatica. Dopo la duplicazione del DNA la cellula inizia ad allungarsi e separa in maniera netta le molecole di DNA. Dopodiché