eucarioti, procarioti e virus

Eucarioti, procarioti e virus

Le cellule sono l’unità morfologico-funzionale degli organismi viventi nonché le più piccole

strutture ad essere classificabili come viventi in quanto possiedono un proprio genoma e la

capacità di esprimerlo autonomamente. Vi sono alcune peculiarità comuni a tutte le cellule:

Tutte le cellule conservano la loro informazione ereditaria nello stesso codice chimico

(DNA);

Tutte le cellule replicano la loro informazione ereditaria mediante polimerizzazione su uno

stampo;

Tutte le cellule trascrivono porzioni della loro informazione ereditaria nella stessa forma

intermedia (RNA);

Tutte le cellule usano proteine come catalizzatori;

Tutte Ie cellule traducono l’RNA in proteine mediante lo stesso processo;

Tutte le cellule funzionano da fabbriche biochimiche che utilizzano le stesse unità

molecolari di base;

Tutte le cellule necessitano di energia per poter svolgere le loro funzioni;

Tutte le cellule sono racchiuse da una membrana plasmatica che definisce i confini cellulari

ed è responsabile dell’interazione con l’ambiente extracellulare e della comunicazione tra

cellule. Attraverso la membrana plasmatica è regolato il flusso di nutrienti e materiali di

rifiuto.

Le cellule differiscono per dimensioni, forma, sostanze chimiche utilizzate e prodotte e funzioni

svolte.

Il primo scienziato a parlare di cellule fu l’inglese Robert Hooke che le osservò per la prima volta

nel 1665. Osservando al microscopio dei campioni di midollo di sambuco, Hooke identificò delle

piccole strutture distinte, apparentemente vuote, simili a tante piccole celle, da qui appunto il

nome cellule. In realtà egli aveva osservato solo le pareti di cellule morte, non aveva infatti

descritto né il nucleo né gli organuli cellulari.

Numerosi studi successivi, resi possibili anche da un perfezionamento dei microscopi nonché delle

tecniche di dissezione, colorazione, preparazione e marcatura dei campioni, hanno portato nel

diciannovesimo secolo alla formulazione della teoria cellulare.

Ad oggi, in seguito ad ulteriori scoperte e approfondimenti la teoria cellulare afferma che:

Tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o più cellule;

Le reazioni chimiche di un organismo hanno luogo all'interno della cellula;

Le cellule hanno origine da altre cellule mediante la riproduzione;

Le cellule contengono le informazioni ereditarie, e tali informazioni passano dalla cellula

madre alla cellula figlia.

Una prima classificazione delle cellule è la divisione tra cellule eucariotiche e procariotiche. Esse

condividono alcuni elementi, quali il citoplasma, la membrana plasmatica e la presenza di

materiale genetico all’interno di ogni cellula, ma differiscono per forma, dimensioni,

organizzazione interna, per la presenza di un genoma organizzato in maniera differente e per le

modalità di riproduzione. Cellule eucariotiche e procariotiche hanno raggiunto gradi di complessità

differenti, ma ciò non significa che le prime siano più evolute delle seconde. Entrambe hanno

raggiunto un grado evolutivo compatibile con la vita anche in relazione all’ambiente in cui si sono

inserite.

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Le cellule sono l’unità morfologico-funzionale degli organismi viventi nonché le più piccole strutture ad essere classificabili come viventi in quanto possiedono un proprio genoma e la capacità di esprimerlo autonomamente. Vi sono alcune peculiarità comuni a tutte le cellule:  Tutte le cellule conservano la loro informazione ereditaria nello stesso codice chimico (DNA);  Tutte le cellule replicano la loro informazione ereditaria mediante polimerizzazione su uno stampo;  Tutte le cellule trascrivono porzioni della loro informazione ereditaria nella stessa forma intermedia (RNA);  Tutte le cellule usano proteine come catalizzatori;  Tutte Ie cellule traducono l’RNA in proteine mediante lo stesso processo;  Tutte le cellule funzionano da fabbriche biochimiche che utilizzano le stesse unità molecolari di base;  Tutte le cellule necessitano di energia per poter svolgere le loro funzioni;  Tutte le cellule sono racchiuse da una membrana plasmatica che definisce i confini cellulari ed è responsabile dell’interazione con l’ambiente extracellulare e della comunicazione tra cellule. Attraverso la membrana plasmatica è regolato il flusso di nutrienti e materiali di rifiuto. Le cellule differiscono per dimensioni, forma, sostanze chimiche utilizzate e prodotte e funzioni svolte. Il primo scienziato a parlare di cellule fu l’inglese Robert Hooke che le osservò per la prima volta nel 1665. Osservando al microscopio dei campioni di midollo di sambuco, Hooke identificò delle piccole strutture distinte, apparentemente vuote, simili a tante piccole celle, da qui appunto il nome cellule. In realtà egli aveva osservato solo le pareti di cellule morte, non aveva infatti descritto né il nucleo né gli organuli cellulari. Numerosi studi successivi, resi possibili anche da un perfezionamento dei microscopi nonché delle tecniche di dissezione, colorazione, preparazione e marcatura dei campioni, hanno portato nel diciannovesimo secolo alla formulazione della teoria cellulare. Ad oggi, in seguito ad ulteriori scoperte e approfondimenti la teoria cellulare afferma che:  Tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o più cellule;  Le reazioni chimiche di un organismo hanno luogo all'interno della cellula;  Le cellule hanno origine da altre cellule mediante la riproduzione;  Le cellule contengono le informazioni ereditarie, e tali informazioni passano dalla cellula madre alla cellula figlia. Una prima classificazione delle cellule è la divisione tra cellule eucariotiche e procariotiche. Esse condividono alcuni elementi, quali il citoplasma, la membrana plasmatica e la presenza di materiale genetico all’interno di ogni cellula, ma differiscono per forma, dimensioni, organizzazione interna, per la presenza di un genoma organizzato in maniera differente e per le modalità di riproduzione. Cellule eucariotiche e procariotiche hanno raggiunto gradi di complessità differenti, ma ciò non significa che le prime siano più evolute delle seconde. Entrambe hanno raggiunto un grado evolutivo compatibile con la vita anche in relazione all’ambiente in cui si sono inserite.

Cellule eucariotiche

Le cellule eucariotiche presentano un’organizzazione complessa funzionale alle dimensioni maggiori. Peculiarità di queste cellule è la compartimentalizzazione e la conseguente suddivisione delle funzioni necessarie alla vita tra i vari organuli. Tale divisione risulta necessaria in quanto la velocità di diffusione all’interno di una cellula eucariotica è insufficiente a garantire lo svolgimento ottimale delle attività vitali. È dunque evidente lo stretto rapporto esistente tra funzionalità e struttura delle cellule. Le cellule eucariotiche sono rivestite da una membrana esterna semipermeabile formata da un doppio strato fosfolipidico che permette di determinare l’individualità delle singole cellule e regolare il passaggio di sostanze tra l’interno e l’esterno della cellula. Regolando la composizione chimico-fisica della cellula, la membrana controlla l’attività cellulare. All’interno del doppio strato lipidico troviamo delle proteine integrali di membrana, che fungono da trasportatori per molecole e ioni, colesterolo, strumento di controllo della fluidità della membrana stessa, e glucidi, di fondamentale importanza nel riconoscimento cellulare tramite la struttura di rivestimento chiamata glicocalice. All’interno della cellula troviamo il citoplasma , costituito da una matrice liquida, il citosol, e contenente i vari organuli circondati da membrane fosfolipidiche e per lo più autonomi, e il nucleo, centro della cellula contenente il DNA. Una precisa parte del nucleo, il nucleoplasma contiene il DNA e l’RNA in fase di maturazione. Una particolare regione all’interno del nucleoplasma è il nucleolo , una regione sferica più condensata costituita da alcuni tratti dei geni 13,14,15,21,22 codificanti rRNA, esso risulta visibile solo durante l’interfase. Il nucleo è protetto a sua volta da una membrana a doppio strato fosfolipidico, la membrana nucleare. La membrana esterna e quella interna sono separate da uno spazio perinucleare. I punti in cui le due membrane si fondono determinano uno spazio libero che assume la forma di canale: il poro nucleare. Attraverso i pori nucleari avviene il passaggio di molecole dall’interno del nucleo al citoplasma e viceversa. Il complesso del poro nucleare è costituito da una struttura altamente organizzata e complessa di natura proteica costituita da 8 proteine che appaino granulari disposte a formare un ottagono. Le cellule eucariotiche sono le uniche capaci di eseguire i processi di endocitosi ed esocitosi in quanto le vescicole deputate al trasporto si originano dall’apparato di Golgi assente nei procarioti. Le cellule eucariotiche subiscono due diversi tipi di divisione cellulare. La mitosi , anche detta divisione equazionale , garantisce il mantenimento del corredo cromosomico diploide identico a quello della cellula madre, la meiosi , o divisione riduzionale , porta invece alla formazione delle cellule germinali, caratterizzate da un corredo cromosomico aploide differente da quello della cellula madre. Le cellule eucariotiche possono a loro volta essere suddivise in cellule animali e vegetali. Queste due classi di cellule presentano delle analogie, quali la presenza di un nucleo formalmente definito da una doppia membrana fosfolipidica e di un citoplasma molto strutturato contenente numerosi organuli. Le cellule animali sono tendenzialmente più piccole. Esse non sono capaci di svolgere la fotosintesi e sono pertanto eterotrofe. Una peculiarità delle cellule animali è la presenza all’interno del citoplasma di due centrioli , fondamentali guide durante la divisione cellulare. Tra gli organuli delle cellule animali troviamo anche i lisosomi , delimitati da una membrana fosfolipidica e contenenti idrolasi acide (proteasi, nucleasi, glicosidasi, lipasi). Questi organelli sono coinvolti nell’eliminazione di sostanze di scarto, nella protezione da agenti patogeni e svolgono un ruolo fondamentale durante la morte programmata della cellula. La loro funzionalità è garantita da un pH acido al loro interno, mantenuto grazie a una pompa protonica ATP-dipendente che trasferisce

che intervengono durante la geminazione dei semi nella conversione degli acidi grassi per la sintesi di carboidrati da utilizzare come riserva energetica. I mitocondri sono il centro della respirazione cellulare e insieme ai cloroplasti costituiscono i compartimenti specializzati nella produzione di energia immediatamente utilizzabile per il metabolismo. Sono deputati alla sintesi di ATP, la moneta energetica principale ottenuta per ossidazione di lipidi e carboidrati. Essi sono costituiti da una doppia membrana fosfolipidica e da una matrice interna ricca di enzimi, DNA mitocondriale, ribosomi mitocondriali e tRNA. La membrana interna presenta delle creste, sede della catena di trasporto degli elettroni, la membrana esterna possiede degli enzimi deputati alla sintesi dei lipidi e alla conversione dei substrati lipidici in forme metabolizzabili nella matrice. I mitocondri svolgono anche un ruolo fondamentale durante il processo di apoptosi. Secondo la teoria dell’endosimbiosi le cellule eucariotiche ancestrali erano molto più semplici. Si pensa che le cellule eucariotiche più sviluppate siano frutto della fagocitosi di cellule procariotiche più semplici, in grado di svolgere da sole alcune funzioni peculiari, all’interno di cellule più grandi e dalla conseguente instaurazione di un rapporto simbiotico. La teoria viene detta endosimbiontica appunto perché prevede una simbiosi, ossia un rapporto vantaggioso, tra due organismi che vivono l’uno all’interno dell’altro. Questa teoria spiega l’origine di organuli come i mitocondri e i cloroplasti all’interno della cellula eucariotica. Oggigiorno è ritenuta attendibile anche grazie a importanti conferme sperimentali riguardanti i due organuli quali:  la presenza di materiale genetico proprio al loro interno, in forme circolari di DNA (tipiche dei procarioti) in grado di autoreplicarsi;  la presenza di ribosomi di tipo procariotico (70S) con sequenze di RNA specifiche di alcuni batteri;  la capacità di riprodursi indipendentemente dalla cellula per scissione;  la presenza di una doppia membrana fosfolipidica, la più interna delle quali possiede una composizione simile a quella di una membrana cellulare procariotica;  l’inibizione delle loro funzioni se trattati con gli stessi antibiotici che inibiscono la funzionalità dei batteri.

Cellule procariotiche

Le cellule procariotiche sono tipiche dei batteri, presentano un’organizzazione più semplice e dimensioni ridotte. Numerosi studi hanno dimostrato come nel corso dell’evoluzione tali cellule siano state sottoposte a dei cicli di semplificazione, acquisendo una semplicità sempre maggiore ma comunque compatibile con la vita. Nelle cellule procariotiche il nucleo risulta assente e il materiale genetico si trova all’interno del citoplasma sotto forma di un unico cromosoma circolare in una regione che prende il nome di nucleoide. All’interno delle cellule procariote troviamo inoltre alcuni frammenti di DNA, i plasmidi , che aumentano il contenuto di informazioni all’interno della cellula e influiscono sulla variabilità genetica. Questi frammenti possono essere scambiati tra le cellule durante il processo di coniugazione. Il genoma dei procarioti non presenta introni nei geni codificanti proteine, dunque durante i processi di trascrizione e traduzione l’mRNA non subisce processi di maturazione, ma viene subito utilizzato come filamento stampo una volta terminata la sua trascrizione (non si tratta di due fenomeni contemporanei). Altri tipi di RNA vengono invece rielaborati nel citoplasma in quanto la loro presenza non interferisce con il metabolismo cellulare. I procarioti sono caratterizzati da una rapida capacità di riproduzione. Essa avviene in maniera differente rispetto agli eucarioti: i procarioti si riproducono infatti per scissione binaria.

Da un punto di vista organizzativo e strutturale le cellule procariote differiscono dalle cellule eucariotiche per l’assenza dei numerosi organuli e per la presenza di una parete cellulare rigida costituita da peptidoglicani , che garantisce maggiore protezione alla cellula e le consente di comunicare con le altre, e in alcuni casi di una capsula composta da zuccheri o amminoacidi. In base alla struttura della parete cellulare le cellule procariote possono essere classificate in GRAM +, se possiedono un’unica parete molto spessa con molti strati di peptidoglicani o GRAM – se dotati di una parete costituita da due membrane fosfolipidiche che racchiudono un sottile strato di peptidoglicani. Questa distinzione è attribuita in base alla loro risposta se sottoposti alla colorazione di Gram. La distinzione tra GRAM+ e GRAM- risulta fondamentale in ambito clinico in quanto la loro risposta agli antibiotici risulta differente. La motilità nei procarioti è affidata alla presenza di flagelli, strutture costituite da flagellina che si comportano come delle eliche. Altre strutture filamentose sono i pili che svolgono un ruolo fondamentale durante la coniugazione. Data l’assenza di cloroplasti e mitocondri i processi metabolici avvengono sulla membrana plasmatica. Gli enzimi tipici della respirazione aerobica e quelli fotosintetici sono contenuti nei mesosomi , delle invaginazioni della membrana. I mesosomi hanno anche un ruolo fondamentale durante il processo di divisione cellulare in quanto facilitano la separazione dei due filamenti di DNA. I ribosomi procariotici sono di tipo 70S e sono costituiti da una subunità maggiore 50S e da una subunità minore 30S. I procarioti non sono inoltre capaci di attuare i processi di endocitosi ed esocitosi. Una peculiarità delle cellule procariote è la presenza degli operoni. Le sequenze geniche codificanti per proteine correlate possono essere contenute all’interno di un operone e dunque la loro trascrizione è attivata da un unico promotore, una sequenza di DNA che, legandosi all'RNA polimerasi, permette l'inizio della trascrizione. In questo modo il processo risulta più veloce. Gli operoni costituiscono un elemento fondamentale nella regolazione dell’espressione genica. Un operone comprende sempre un promotore, un operatore – che svolgono la funzione di siti di legame e non vengono trascritti – e due o più geni strutturali. L'operone può anche contenere un gene regolatore, che codifica appunto per una proteina regolatrice. La regolazione dell’espressione genica è determinata dall’interazione dell’operatore con una proteina repressore o una proteina attivatore. L’interazione tra l’operatore e il repressore impedisce alla RNA polimerasi di effettuare la trascrizione dell’mRNA. In alcuni operoni, il repressore blocca stabilmente l’operatore e viene rimosso solo quando giunge un segnale esterno, che ne causa il distacco. Questo segnale è una molecola specifica chiamata induttore. In altri casi, il repressore entra in funzione solo in presenza di una molecola esterna, chiamata corepressore, che lo rende capace di legarsi all’operatore. Quando il repressore non è legato all’operatore, la sintesi di mRNA procede regolarmente e i geni possono esprimersi.

Virus

Pur contenendo un proprio genoma, i virus non possono essere considerati organismi viventi in quanto non sono capaci di esprimerlo autonomamente. Non essendo dunque capaci di svolgere funzioni metaboliche e di riprodursi autonomamente i virus sono denominati parassiti intracellulari obbligati. Essi si sviluppano e si riproducono solo all’interno di una cellula ospite utilizzandone gli apparati e di solito distruggendola. I virus trasportano una molecola di acido nucleico, DNA o RNA, che iniettata nella cellula ospite ne riprogramma e gestisce gli enzimi coinvolti nei processi trascrizionali e traduzionali, per produrre

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