Tipi di Cellule: Procariote e Eucariote, Appunti di Scienze della Terra

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ISTITUTO TECNICO PER IL TURISMO “ MARCO POLO”

“DALLA CELLULA AL DNA”

RELATORI GLI ALLIEVI DEL CORSO SERALE

ANNO SCOLASTICO 2014- 2015

LA CELLULA

Nel 1665, l’inglese Robert Hooke, utilizzando il microscopio osservò una sottile sezione di sughero e vide tante piccole cavità uguali, che chiamò cellule.

La cellula si basa su 3 assunzioni fondamentali:

• La cellula è l’unità morfologica e funzionale più piccola di tutti gli esseri viventi, possiede le caratteristiche della vita: si nutre, respira, si riproduce ecc….
• (^) Tutti gli esseri viventi sono formati da una o più cellule;
• Ogni cellula si origina da una cellula preesistente. Esistono 2 tipi di cellule: Procariote ed Eucariote.

La cellula procariote, è organizzata per garantire la sopravvivenza di un organismo semplice, quale un batterio o un cianobatterio. La separazione dell’ambiente esterno è garantita dalla membrana cellulare che a volte è ricoperta da una struttura rigida detta parete cellulare. Il volume cellulare è occupato dal citoplasma, sostanza di consistenza gelatinosa, in cui ci sono immersi i ribosomi, importanti per la sintesi delle proteine. Al centro, in una zona detta nucleoide, troviamo il materiale genetico, il DNA (acido deossiribonucleico) o l’RNA (acido ribonucleico). Alcuni procarioti hanno inoltre un rivestimento detto capsula. Sull’involucro più esterno possono essere presenti i flagelli, sono lunghi filamenti proteici, si muovono a frusta, consentendo lo spostamento della cellula, oppure possono esservi i pili, più corti, utilizzati per aderire sulle superfici o su altre cellule.

Cellula procariote

Cellula vegetale troviamo, oltre alle componenti della cellula animale, la parete cellulare, che riveste la membrana plasmatica con funzione di sostegno e protettiva, costituita da cellulosa, polisaccaridi e proteine; il vacuolo, un’ampia cisterna che si gonfia per accumulo di acqua fino ad occupare gran parte del volume cellulare, contiene proteine, zuccheri, e sali ed infine i cloroplasti, organuli caratterizzati dalla presenza di membrane interne, dette tilacoidi, contenenti la clorofilla e gli enzimi necessari alla fotosintesi

LA MEMBRANA CELLULARE

La membrana media ogni relazione della cellula con il mondo esterno. Sulla membrana arrivano i segnali che permettono alla cellula di modulare molte delle sue funzioni vitali ed è sempre questa che regola il passaggio di molecole dentro e fuori la cellula. La membrana è una struttura dinamica: vescicolazioni dirette verso l'esterno (esocitosi) o verso l'interno (endocitosi) ne modificano frequentemente la composizione. Ogni cellula eredita dalla cellula madre, durante la mitosi, tutta l’informazione genetica. La membrana è costituita da lipidi, proteine e glucidi organizzati con un piano strutturale che è il medesimo in tutte le cellule, ma con varianti, qualitative per i lipidi e qualitative e quantitative per le proteine e i glucidi, che rendono specifiche le caratteristiche di una cellula rispetto a un'altra. Il controllo degli scambi, attraverso la membrana, è molto importante perché consente alla cellula di mantenere costante la concentrazione degli ioni e il pH. La capacità di ogni molecola di attraversare la membrana cellulare dipende dal tipo di sostanza. Una sostanza

Cellula vegetale

polare e quindi di conseguenza idrofila trova molta difficoltà a superare il doppio strato fosfolipidico, al contrario le sostanze apolari, i cui componenti sono molto simili a quelli della membrana lo superano facilmente. Sia anidride carbonica sia ossigeno essendo piccole molecole non polari ed essendo quindi idrofobe possono essere sciolte nei composti non polari, quindi attraversano facilmente la membrana. Il passaggio dell'acqua, pur essendo questa costituita da molecole polari, avviene facilmente attraverso le membrane, utilizzando delle aperture temporanee prodotte dagli spostamenti laterali compiuti dai lipidi. Questo passaggio è favorito dal gradiente di concentrazione che rappresenta la variazione graduale della concentrazione di una data sostanza tra lo spazio extracellulare e quello intracellulare. Il movimento secondo gradiente di concentrazione , ovvero dall'ambiente in cui una sostanza è più concentrata all'ambiente in cui lo è di meno, è un fenomeno spontaneo, mentre il movimento opposto , contro gradiente di concentrazione , non è un processo spontaneo e per avvenire richiede energia.

consentendo così una diffusione facilitata. Poiché si deve realizzare un legame tra il trasportatore e la molecola da trasportare, questo meccanismo di trasporto appare estremamente specifico, nel senso che ogni proteina vettrice è specifica per una sola sostanza (o, comunque, un gruppo ristretto di sostanze). Esistono, quindi, vettori diversi per sostanze diverse. Il trasporto attivo è un processo di diffusione che richiede un consumo di energia, perché avviene in direzione opposta a quella prevista dalle leggi fisiche naturali. Come l’acqua di un fiume tende a scendere verso il basso, così le sostanze tendono naturalmente a diffondere verso zone a minor concentrazione; per portare l’acqua verso l’alto dobbiamo usare una pompa, che consuma energia; allo stesso modo, per portare una sostanza da una zona in cui è poco concentrata verso una zona in cui la sua concentrazione è maggiore, occorre una pompa, un trasportatore proteico, che, consumando energia (ATP), trasporta “a viva forza” la sostanza attraverso la membrana. I meccanismi di diffusione passiva, di osmosi e di trasporto attivo operano nelle due opposte direzioni determinando il passaggio di sostanze dalla cellula all’esterno o viceversa.

L’endocitosi è un processo di inglobamento di materiale determinato dall’intervento attivo della membrana, che modifica la sua forma, circondando il materiale da introdurre, per poi racchiuderlo in una vescicola che si libera all’interno del citoplasma; richiede un notevole consumo di energia e consente l’assunzione di materiale che non potrebbe essere assorbito in altri modi. Se il materiale è solido, si parla di fagocitosi; se è liquido, di pinocitosi. Per assumere

Meccanismi di trasporto

questi materiali, la cellula modifica la sua forma, emettendo dei prolungamenti citoplasmatici, detti pseudopodi, che circondano il materiale e lo racchiudono in una vescicola, costituita da una porzione della membrana, che si libera poi all’interno della cellula. L’esocitosi è il processo inverso, attraverso il quale delle vescicole contenute nel citoplasma si fondono con la membrana cellulare, liberando così all’esterno della cellula il loro contenuto.

DNA RNA: struttura e storia

La molecola di DNA, che si trova nel nucleo di ogni cellula, contiene il patrimonio genetico di un organismo.

Il DNA fu isolato per la prima volta nel 1869 da Friedrich Miescher dal pus contenuto in bende chirurgiche. Nel 1919 Phoebus Levene, ha scoperto la struttura del nucleotide in cui si osservò l’esistenza di due filamenti legati fra di loro attraverso gruppi fosfato, tra il 1937 e il 1944 si notò che i filamenti non sono costanti e che le basi azotate non sono regolari e stabili all’interno di una persona ma differenti da individuo ad individuo. Nel 1943 attraverso lo studio dei batteri si dimostrò che il DNA contiene proprio il materiale genetico che connota ogni essere vivente. Nel 1963 Franklin e Watson dimostrarono il modello a doppia elica del DNA, nel 1957 furono evidenziate le relazioni esistenti tra DNA, RNA e le proteine. Nel 1968 Crick dimostrò che il codice genetico è basato su triplette di basi non sovrapposte. Nel 1961 Ochoa scoprì che ogni tripletta è un codice per un aminoacido.

la maggior parte dei virus la sostanza che forma il gene è la molecola di DNA. È invece la molecola di RNA per alcuni virus, come quello dell'influenza e dell'HIV (AIDS). In entrambi i casi, si tratta di un'unità di informazione biologica scritta in molecole di nucleotidi (DNA e RNA). Quelli che controllano un medesimo carattere (per esempio, il colore dei capelli) sono disposti sui cromosomi in loci (plurale di locus-luoghi) identici. Così l'allele (più forme alternative dello stesso gene) materno che porta al biondo i capelli del figlio e l'allele paterno che invece porta al nero formeranno insieme il gene per il colore dei capelli, situato sullo stesso locus. Tutti i geni degli organismi diploidi (cioè, con doppia serie di cromosomi) sono presenti in coppia. Le due parti della coppia sono gli alleli "altri": infatti derivano da due individui diversi (il padre e la madre) e, pur esercitando la stessa funzione (colore dei capelli), lo fanno in modo diverso (biondo l'uno, nero l'altro). Un gene, che contiene l'informazione completa per una funzione, utilizza come lettere i nucleotidi del suo DNA. I nucleotidi vengono denominati con i nomi adenina, timina, citosina, guanina e vengono indicati rispettivamente con le lettere maiuscole A, T, C, G. Un esempio di sequenza potrebbe pertanto essere ATC-TCC-CAG-TTA-GCT. A ogni tripletta di nucleotidi corrisponde una determinata informazione per la sintesi delle proteine, i macchinari che eseguono tutte le funzioni fondamentali delle cellule.

La replicazione dei geni si verifica sia durante la mitosi che durante la meiosi, e si tratta di un meccanismo semi-conservativo in cui i filamenti di una doppia elica di DNA si separano. Un nuovo filamento, sempre di DNA, complementare a quello parentale, viene sintetizzato su ciascuno dei due filamenti stampo. Questo meccanismo garantisce la copiatura fedele dell’informazione genetica in occasione di ogni divisione cellulare.

Affinché possa verificarsi l’espressione genica, uno dei filamenti, noto come filamento di DNA codificante, deve essere copiato per formare l’RNA messaggero attraverso il processo di trascrizione, che ha un certo parallelismo con quello della replicazione del DNA. Normalmente viene copiato solo il filamento codificante. Mentre nella replicazione vengono replicati tutti quanti i geni della cellula, durante la trascrizione vengono trascritti solo i geni che sono attivi o che debbono essere espressi.

I CROMOSOMI

I cromosomi (corpi colorati, dal greco chroma: colore, e soma: corpo) rappresentano il modo in cui si presenta il DNA all’interno della cellula. La struttura base è costituita da un filamento a doppia elica di DNA avvolto intorno agli istoni (proteine basiche). Nella sequenza di basi del DNA è scritta tutta l’informazione genetica di una cellula. Quando il DNA si duplica durante l’interfase del ciclo cellulare l’informazione genetica viene riprodotta e trasmessa alle cellule figlie. Al momento della mitosi il DNA è già duplicato e il cromosoma appare diviso in 2 elementi: i cromatidi, uniti a livello del centromero, sono costituiti da un’unica molecola di DNA a doppia elica molto spiralizzata; si realizza mediante stretti avvolgimenti intorno alle proteine istoniche in strutture fondamentali chiamate nucleosomi. Durante la metafase mitotica, i cromosomi appaiono al microscopio ben divisi nei 2 cromatidi ed è possibile studiare e individuare ogni singolo cromosoma in base ad alcuni parametri:

• Lunghezza relativa dei cromosomi
• Presenza di una costrizione, situata sempre nella stessa posizione (costrizione primaria o centromero) a seconda della posizione del centromero che è considerato il centro cinetico del cromosoma, si attacca alle fibre del fuso durante l’anafase si distinguono: cromosomi metacentrici con centromero in posizione mediana e submediana. Cromosomi acrocentrici con centromero subterminale. Cromosomi telocentrici in cui il centromero è terminale.
• Presenza di costrizioni secondarie, studi citologici e biochimici hanno rilevato che la costrizione secondarie dei cromosomi è il sito dove sono localizzati i geni che codificano per l’RNA ribosomale, questo RNA, appena prodotto, si addensa a formare insieme ad una componente

3. in quale direzione procedere

I promotori stabiliscono la sequenza di lettura. Il processo inizia con l’azione di un enzima (RNA polimerasi) che si attacca in un punto preciso (il promotore) del filamento di DNA e lo apre, man mano che l’enzima si sposta lungo la molecola del DNA, prosegue la separazione dei due filamenti e comincia l’allungamento della molecola di RNA messaggero (mRNA), soltanto uno dei due filamenti di DNA funziona da stampo per la molecola RNA. Mentre continua ad allungarsi, il filamento RNA appena formato si stacca dal suo stampo, ciò permette ai due filamenti di DNA, che si erano precedentemente separati, di appaiarsi e di avvolgersi nuovamente, il processo termina quando l’RNA polimerasi incontra particolari sequenze di basi, che determinano l’arresto, l’enzima si stacca dal DNA e anche dal filamento di RNA assemblato. Quando la trascrizione è completata l’mRNA attraversa la membrana cellulare e si sposta nel citoplasma per “dettare” la sequenza di amminoacidi necessaria per formare le diverse proteine.

La sintesi proteica inizia con la TRADUZIONE; questo processo avviene nei ribosomi, soprattutto durante le fasi G1 e G2 del ciclo cellulare. Nei ribosomi sono presenti 2 siti (sito P e sito A), dove le molecole di RNA di trasferimento (tRNA) possono legarsi all’ mRNA. La traduzione procede attraverso l’aggiunta successiva di amminoacidi e si svolge in 3 fasi: INIZIO, ALLUNGAMENTO e ARRESTO. Nella fase d’inizio una molecola di mRNA si lega a un ribosoma, uno speciale tRNA di partenza si posiziona nel ribosoma, legandosi all’mRNA e

dando vita alla traduzione. Completata la fase d’inizio, al primo amminoacido se ne aggiungono altri, uno alla volta, durante la fase di allungamento, questa avviene in 3 tappe:

1. il riconoscimento tra tRNA ed mRNA
2. la formazione del legame peptidico (cioè quel legame formato nella condensazione di due o più amminoacidi con eliminazione di acqua)
3. lo scorrimento del ribosoma. Il processo si ripete anche migliaia di volte fino a quando nel sito A non viene a trovarsi una delle tre triplette che indicano la fine della proteina (codone di arresto). Nella fase di terminazione poiché al codone di arresto non corrisponde alcun amminoacido, la catena polipeptidica si stacca dal tRNA ed esso lascia a sua volta il ribosoma e anche il complesso ribosoma-mRNA si separa.

In questo processo le informazioni vengono riportate da un linguaggio ad un altro cioè da quello degli acidi nucleici a quello delle proteine. Per tradurre queste sequenze, le cellule utilizzano il CODICE GENETICO che è universale per tutti gli organismi ed è rappresentato da 64 triplette di basi azotate. Nel DNA le basi azotate si accoppiano secondo lo schema AT e GC cioè Adenina-Timina e Guanina –Citosina. Mentre nel RNA le basi azotate si accoppiano secondo lo schema AU-GC, cioè Adenina-Uracile –Guanina –Citosina. L’Uracile è presente solo nel RNA nel quale è assente la Timina. Le triplette dette codoni, corrispondono a diversi amminoacidi e vanno letti in successione senza pause, il numero 64 deriva dalle possibili combinazioni delle 4 basi azotate prese 3 alla volta.

IL CICLO CELLULARE

Il ciclo cellulare è costituito da quattro fasi differenti che si ripetono, serve a regolare la crescita e la divisione di una cellula. Il sistema di controllo del ciclo cellulare è costituito da una famiglia di proteine che regolano l’entrata della cellula nei vari stadi del ciclo cellulare, se la cellula ha completato tutte le sue funzioni correttamente passa alla fase successiva, se la cellula non ha completato correttamente le sue funzioni durante il ciclo cellulare ritarda rientrare. La fase fondamentale è la fase S (di sintesi) in cui avviene la duplicazione del DNA. La fase G1 è la fase in cui la cellula svolge le sue funzioni vitali. La fase G2 è la fase in cui avviene la preparazione alla mitosi. La fase M è la fase della mitosi è suddivisa in cinque fasi:

• Profase la cromatina si addensa e forma i cromosomi, e i centrioli in doppia copia cominciano ad allontanarsi per poi posizionarsi ai poli della cellula creando un fuso mitotico, la membrana nucleare si rompe e i cromosomi vengono legati dai microtubuli che compongono il fuso mitotico.
• Metafase i cromosomi si posizionano all’equatore della cellula in modo che i centrioli siano tutti allineati.
• Anafase i cromosomi di dividono e i cromatidi fratelli si posizionano ai poli opposti della cellula grazie ai microtubuli che si accorciano trascinandoli.
• Telofase, fase finale, si creano due membrane nucleari identiche, con due nuclei uguali e distinti, seguita dalla divisione del citoplasma della cellula,

si ottengono così due cellule figlie. Le cellule somatiche sono tutte quelle cellule che costituiscono il corpo, mentre quelle germinali sono i gameti maschili e femminili. Il corredo cromosomico della specie umana è costituito da 46 elementi, distribuiti in 22 coppie di autosomi e una coppia di cromosomi sessuali, XY nell’uomo, XX nella donna. La diploidia è la condizione in cui nelle cellule somatiche di un organismo vivente i cromosomi sono presenti in doppia copia, mentre nell’aploidia sono presenti in un unico set cromosomico, ovvero un solo cromosoma per ogni tipo. La divisione cellulare è un processo importante per la vita, questa permette ad una cellula madre di dividersi in una o più cellule figlie, la divisione può avvenire in due modi.

• Divisione asessuata, che avviene per scissione binaria, tipica degli di organismi procarioti, attraverso questo processo la cellula si divide in due parti, generando due cellule identiche.
• La divisione sessuata, avviene per mitosi e per meiosi, riguarda le cellule germinali, queste riducono il numero di cromosomi da diploide ad aploide. Grazie alla meiosi ogni individuo è geneticamente diverso sia dalle cellule genitrici. La variabilità genetica che si ottiene con la meiosi è dovuta al fatto che il DNA è metà di origine paterno e metà materno, ogni cellula dividendosi per meiosi dà origine a cellule aploidi diverse, un altro fattore che permette variabilità genetica è il crossing-over in cui i cromosomi uguali vengono a contatto e si scambiano alcuni segmenti in modo del tutto casuale. Un altro tipo di variabilità è quella causata dalle mutazioni genetiche.

CONFRONTO FRA MITOSI E MEIOSI: PRINCIPALI DIFFERENZE

MITOSI MEIOSI

Avviene nelle cellule somatiche Avviene nelle cellule germinali (gameti maschili- spermatozoi - e femminili- cellule uovo )

Implica una sola replicazione del DNA cromosomico (durante la fase S dell’interfase del ciclo cellulare) seguita da una singola divisione del nucleo e del citoplasma.

Implica una sola replicazione del DNA cromosomico (durante la fase S dell’interfase del ciclo cellulare) seguita da due divisioni nucleari e citoplasmatiche.

D ivisione conservativa con produzione di due cellule figlie identiche alla cellula parentale (corredo cromosomico diploide 2n).

D ivisione riduzionale con produzione di quattro cellule figlie diverse (con corredo cromosomico aploide n ) a causa della distribuzione casuale (segregazione) dei cromosomi e dei geni durante il crossing-over della profase I; ciò favorisce la ricombinazione e la variabilità genetica alla base della riproduzione sessuata e dell’evoluzione biologica.

Di norma non si verifica il crossing-over e l’appaiamento dei cromosomi omologhi.

Nel corso della profase I si verificano processi di crossing-over per ogni coppia di cromosomi omologhi appaiati mediante sinapsi con tetradi (presentano almeno 2-3 chiasmi implicanti scambi di tratti cromosomici, con i relativi geni; il numero e la posizione di tali chiasmi è casuale e variabile di volta in volta e da cromosoma a cromosoma). Ciò contribuisce ad aumentare ulteriormente la ricombinazione e la variabilità genetica. I centromeri si dividono durante la metafase determinando la migrazione dei cromatidi fratelli verso i poli della cellula.

Nella meiosi c’è la segregazione dei cromosomi omologhi durante la I divisione senza implicare la divisione dei centromeri che avviene tardivamente nel corso della II divisione meiotica (simile alla mitosi). Funzione di sviluppo e crescita degli organismi viventi, di sostituzione e ricambio cellulare e di riproduzione asessuata.

Ciclo biologico (riproduzione sessuata e fecondazione).

SVILUPPO EMBRIONALE

Nei due/tre giorni che seguono l’ovulazione, l’uovo può essere fecondato. Quando è maturo si trova nell’ovidotto ed è qui che viene raggiunto dagli spermatozoi risaliti tramite la vagina e l’utero. Dei tanti spermatozoi solo uno avrà

possibilità di penetrare nell’ovulo. Questo, una volta fecondato rende la sua membrana impenetrabile.

Con la penetrazione dello spermatozoo nell’ovulo si ha la fecondazione da cui si origina una prima cellula, lo zigote che inizia subito a dividersi per mitosi e nell’arco di tre/quattro giorni si presenta come un piccolo ammasso formato da numerose cellule, che prende il nome di morula.

La morula assume dopo pochi giorni la forma di una sfera cava detta blastula o blastocisti, che al sesto giorno circa raggiunge l’utero e si annida nella mucosa.

Dalle cellule interne della blastula si forma l’embrione che penetra nella mucosa uterina e vi si annida. Dopo questa fase ha inizio la gravidanza, un periodo di circa 38 settimane.

Alla fine del secondo mese l’embrione assume sembianze umane con tutti gli organi principali quasi formati e viene chiamato feto. Durante il suo annidamento nell’utero si formano i suoi annessi embrionali: il corion permette

Embriogenesi