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Le caratteristiche e le differenze tra le cellule procariote ed eucariote, nonché la struttura dei virus. Vengono analizzate le dimensioni, la presenza di organuli, la struttura della membrana plasmatica e della parete cellulare, la presenza di nucleo e la funzione dei vari organuli presenti nelle cellule eucariote. Vengono inoltre evidenziate le differenze tra i batteri e gli archei, e viene spiegato il ruolo del citoscheletro nella consistenza cellulare delle cellule eucariote.
Tipologia: Appunti
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Tutti gli organismi sono costituiti da unità elementari: le cellule. Esse in base alla loro organizzazione interna possono essere distinte in due grandi categorie: le cellule procariote (dal greco: προ, prima; καριον, nucleo) e le cellule eucariote (dal greco: ευ, bene; καριον, nucleo). Esse hanno in comune la capacità di nascere, crescere, riprodursi, trasformare l’energia, reagire agli stimoli ambientali, adattarsi, evolversi e così via. Proprio per questo è opportuno mettere in risalto maggiormente le differenze tra le due cellule e compararle. La cellula procariotica fu la prima a comparire sulla Terra circa tre miliardi e mezzo di anni fa, a differenza della cellula eucariotica che comparve in un secondo momento, come simbiosi tra batterio aerobio e anaerobio. Le cellule procariotiche sono possedute dai batteri (eubatteri), che possono essere fotosintetici, chemiosintetici o eterotrofi e dagli archei (archebatteri), che vivono in condizioni estreme come gli ambienti estremamente caldi o freddi (Pyrolobus fumarii riesce a vivere a 113°) e in ambienti estremamente acidi; mentre le cellule eucariotiche sono possedute da protisti, funghi, piante e animali. Proprio perché più semplici, i procarioti sono esseri unicellulari, anche se a volte possono presentarsi in forme di aggregazione o gruppi costituiti da centinaia di individui, mentre gli eucarioti sono esseri pluricellulari, fatta eccezione per le amebe, protozoi unicellulari. Le cellule procariotiche hanno dimensioni variabili tra 10 – 1 μm, anche se esistono organismi come i Mycoplasmi dal diametro di 0,2- 0,3 μm, essi sono infatti i batteri più piccoli; i batteri hanno forme varie (cocchi: sferici, bacilli: bastoncelli, spirilli, vibrioni, spirochete). Le cellule eucariotiche invece sono leggermente più grandi, con dimensioni che oscillano tra 10 - 100 μm. Date le loro dimensioni esse sono visibili sia al microscopio ottico ma in maniera migliore al microscopio elettronico a scansione, in cui è possibile osservare non solo la forma ma anche i vari componenti della cellula. Il citoplasma di entrambe le cellule è racchiuso da una membrana plasmatica (8-10 nm per i procarioti, 4-5 nm per gli eucarioti) che permette la separazione fisica tra interno ed esterno della cellula, regolando anche i sistemi di trasporto. Tuttavia le cellule procariotiche possiedono in aggiunta una parete cellulare che protegge la cellula e ne mantiene la forma, prevenendo anche un eccessivo ingresso di acqua. E’ composta di peptidoglicano, molecola complessa formata da polisaccaridi (NAG e NAM) legati con legami 1,4-β glicosidico e legami peptidici e sulla sua superficie sono ubicati alcuni importanti enzimi come quello della respirazione e della fosforilazione. Altri batteri presentano un ulteriore strato protettivo gelatinoso, la capsula, composta da polisaccaridi. Oltretutto la membrana plasmatica dei procarioti svolge funzioni che negli eucarioti sono appannaggio di organuli: prima che la cellula si divida, il materiale genetico procariotico, ovvero un’unica molecola di DNA circolare, si duplica; le due molecole che si formano si ancorano a punti diversi della membrana; in questo processo è coinvolto il mesosoma, un’invaginazione a forma di spirale della membrana. Essa è una caratteristica assente nella membrana plasmatica delle cellule eucariotiche, formata da un doppio strato fosfolipidico e da glicoproteine, ricoperta da una parete cellulare solo per le cellule vegetali e alcuni protozoi e funghi, dunque la consistenza cellulare è data da un supporto interno di natura proteica: il citoscheletro. Esso è composto da microfilamenti, filamenti intermedi e
microtubuli (assenti nei procarioti) che permettono il mantenimento della forma, vari movimenti intra ed extracellulari e la regolazione dell’accrescimento cellulare e del differenziamento. Nella cellula procariotica non sono presenti organuli delimitati da membrana, e quindi il DNA così come gli enzimi o i ribosomi sono liberi nel citoplasma e le reazioni metaboliche non sono compartimentalizzate; alcuni batteri sono anaerobi obbligati, altri facoltativi. Nella cellula eucariotica invece sono presenti molti più organuli con diverse funzioni: il reticolo endoplasmatico rugoso, chiamato così perché possiede dei ribosomi attaccati alla membrana, che si occupa della sintesi di membrane e proteine, processo noto come glicosilazione, e il reticolo endoplasmatico liscio, che prevede alla sintesi dei lipidi e alla detossificazione; l’apparato del Golgi (scoperto da Camillo Golgi nel 1896) formato da sacchi membranosi appiattiti e impilati che prevedono alla modificazione e all’imballaggio di macromolecole trasportate tramite vescicole; i lisosomi, vescicole che contengono enzimi idrolitici, le idrolasi acide, necessari per la digestione intracellulare e la degradazione di organuli invecchiati; i perossisomi, che contengono enzimi ossidativi (la catalasi) per eliminare il perossido di ossigeno (H₂O₂); il mitocondrio, formato da membrana interna ed esterna, con funzioni estremamente importanti (alcune svolte dal mesosoma nei procarioti), quali il metabolismo energetico aerobico, l'apoptosi e la regolazione del ciclo cellulare ecc. Tuttavia la grande differenza che sussiste tra procarioti ed eucarioti riguarda il nucleo. Se infatti per le cellule procariotiche l’acido nucleico, il DNA assieme all’RNA, non è racchiuso all’interno di un nucleo ma si trova libero nel citoplasma, in una zona definita nucleoide, nelle cellule eucariotiche esso è contenuto dentro il nucleo, immerso in un fluido simile al citoplasma, chiamato nucleoplasma, avvolto da membrane, la carioteca, in cui sono presenti dei pori, detti pori nucleari, che permettono la comunicazione tra l’interno e l’esterno della cellula. E’ dunque la sede dell’informazione genetica, della duplicazione del DNA, della sintesi di mRNA, rRNA, tRNA nel nucleolo (assente nei procarioti). E’ evidente dunque che processi fondamentali quali trascrizione e traduzione avvengono in maniera differente tra le due cellule e in comparti diversi: nelle cellule procariotiche trascrizione e traduzione avvengono contemporaneamente nel citoplasma, nelle cellule eucariotiche avvengono in zone diverse, la trascrizione nel nucleo, la traduzione nel citoplasma; ed inoltre cambia una componente fondamentale implicata in questi processi: i ribosomi (siti per la sintesi proteica) procariotici sono più piccoli di quelli eucariotici (70 S contro 80 S). Sia procarioti che eucarioti necessitano di sistemi per compattare il loro DNA perché sennò assumerebbe dimensioni notevolmente superiori alla stessa cellula; l’unico cromosoma batterico, che costituisce quindi un genoma aploide, non spiralizzato avrebbe una dimensione di 1,4 mm per una cellula come Escherichia coli di grandezza 2 μm, ma è addensato grazie a proteine simili agli istoni degli eucarioti: l’H- NS, l’HU ecc. Invece i 46 cromosomi eucariotici, che costituiscono un genoma diploide, sono spiralizzati prima in eucromatina (dove per cromatina si intende un insieme di fibrille nucleoistoniche) e poi in eterocromatina a formare nucleosomi. Vi è inoltre una differenza tra genoma procariotico, e quindi batterico, ed eucariotico: il primo possiede un numero di geni compreso tra 4.000-5.000 (con le dovute eccezioni, es. Mycoplasma 500-600 geni; Archea
extracellulare e media la penetrazione del virus nella cellula bersaglio. I virus si possono distinguere in quattro tipologie morfologiche: elicoidale, icosaedrica, nudi, a involucro. I primi sono composti da un unico tipo di capsomero accatastato intorno ad un asse centrale, formando una struttura elicoidale; questa disposizione comporta virioni a forma di bastoncello o filamentosi: questi possono essere brevi ed estremamente rigidi (TMV, batteriofago M13) o lunghi e molto flessibili (virus influenzali). I secondi sono costituiti da due tipi di capsomero (pentone-esone) disposti a formare un icosaedro; il numero minimo di capsomeri identici richiesto è dodici, ciascuno composto da cinque subunità identiche. Molti virus, come il rotavirus, possiedono più di dodici capsomeri e sembrano sferici pur mantenendo questa simmetria. I capsomeri agli apici sono circondati da altri cinque capsomeri e sono i pentoni. I capsomeri sulle facce triangolari sono circondati da altri sei e sono gli esoni. I virus nudi sono quelli privi di membrana come l’adenovirus mentre gli ultimi sono provvisti di un ulteriore rivestimento di natura lipoproteica definito peplos o pericapside (envelope), in cui sono inserite glicoproteine proiettate all’esterno (spikes, con proprietà antigeniche); se il peplos viene rimosso il virus perde la sua infettività. E’ proprio grazie al pericapside che il virus riesce a penetrare all’interno della cellula ospite, fondendosi con la membrana cellulare provvista di recettori. Si forma poi una vescicola endosomiale che si sposta nel citoplasma e durante l’uncoating o fase di spoliazione il virus si libera della membrana che lo circonda e rilascia il DNA o RNA virale. Poi si genera mRNA e grazie all’RNA polimerasi si vengono a creare nuovi genomi virali, costruendo così nuovi virus, liberati poi per gemmazione o lisi. I virus hanno due modalità con cui riprodursi: possono effettuare un ciclo lisogeno oppure un ciclo litico. Durante il primo ciclo il DNA fagico si integra nel cromosoma batterico divenendo un profago; il batterio si riproduce normalmente, copiando il profago e trasmettendolo alle cellule figlie; divisioni cellulari ripetute producono una larga popolazione di batteri infetti. Durante il secondo ciclo il DNA fagico e le proteine vengono sintetizzati ed assemblati in virus fagici; la cellula va incontro a lisi e rilascia i virus. In base all’acido nucleico posseduto i virus si dividono in virus a RNA (virus dell’influenza, virus della rabbia, rotavirus, HIV ecc.) o virus a DNA (poxvirus, herpesvirus, virus della verruca ecc.) il virus dell’HIV (Human Immunodeficiency Virus) che causa l’AIDS (Acquired Immuno Deficiency Syndrome) è un esempio di retrovirus, scoperto dal professore Montagnier presso l'Istituto Pasteur di Parigi nel 1983. Fa parte della famiglia dei retroviridae e genere Oncornavirus; è ad RNA ma dotato di una trascriptasi inversa: dall’RNA virale sintetizzerà il DNA virale da integrare nel DNA della cellula ospite (tropismo per le cellule del sistema immunitario, linfociti CD4 Helper). Secondo il dogma centrale della biologia molecolare le proteine non producono proteine cioè l’informazione non può tornare indietro, è un ciclo unidirezionale che parte dal DNA, transita all’RNA e infine si producono polipeptidi, ma ciò avviene in tutti gli organismi ad eccezione dei retrovirus che hanno la trascrittasi inversa, per cui l’RNA è in grado di sintetizzare DNA, ovvero dall’mRNA attraverso l’enzima trascrittasi inversa si genera il cDNA ad un singolo filamento, successivamente completato in doppio filamento. Il virus dell’HIV contiene almeno 9 geni tra cui gag (codificante per le proteine del core p17 e p24, la più infettante), pol (codificante per
gli enzimi transcriptasi inversa, proteasi ed integrasi) ed env (codificante per la proteina dell’envelope gp 120). Esso distrugge le cellule del sistema immunitario, determinando uno stato di immunodeficienza; i soggetti moriranno a seguito di infezioni da germi opportunisti (Pneumocisticarini, Citomegalovirus, batteri, miceti ecc). L’infezione si trasmette per via ematica o durante rapporti sessuali non protetti. Oltretutto alcuni virus sono causa di tumori nell’uomo, ma sono solamente pochi i tumori provocati da oncogeni virali, sebbene questi ultimi possano indurre altre patologie. In particolare il virus del sarcoma di Rous è capace di indurre il sarcoma nel pollo. Esso è dovuto ad un oncogene (v-src) acquisito dalle cellule animali durante l’infezione: durante lo splicing degli introni e la saldatura degli esoni del protooncogene cellulare c-src, alcuni di questi si sono inseriti nel genoma del retrovirus provocando il sarcoma. E’ chiaro dunque che quasi tutti gli oncogeni virali sono omologhi a sequenze presenti nel DNA delle cellule animali.