Appunti di Biologia – 1: la cellula
1
Appunti di Biologia
Prof. Pier Giulio Cantara
COMPOSIZIONE CHIMICA DELLA MATERIA VIVENTE
La materia vivente, quella che forma gli esseri viventi è formata da atomi, i quali, a loro volta,
sono formati da protoni, neutroni ed elettroni.
Gli atomi si uniscono per costituire le molecole. Nella materia vivente ci sono due tipi di molecole:
quelle organiche e quelle inorganiche. Le molecole organiche sono quelle tipiche degli
organismi viventi (organico deriva da organismo). Le molecole inorganiche sono le altre, quelle
che si trovano anche nell’ambiente non vivente, come il suolo, l’atmosfera, il mare ecc.
Sostanze inorganiche
Sono l’acqua e i sali minerali.
L’acqua (H2O) è fondamentale per la vita, tant’è che viene ricercata su altri corpi celesti, perché
essa può indicare l'eventuale presenza di vita.
Il 60% del peso di un uomo adulto è costituito dall’acqua, nei neonati la quantità arriva all’80%, in
alcuni animali come le meduse al 98%. L'acqua è importante perché: (a) tutte le altre sostanze,
inorganiche ed organiche sono disciolte in essa; (b) le reazioni chimiche che caratterizzano la vita
avvengono in ambiente acquoso; (c) l’acqua stessa partecipa ad alcune di esse come le reazioni di
idrolisi e quelle di condensazione.
Fig.1 Molecole d’acqua
I sali minerali sono fondamentali poiché sono utilizzati per lo svolgimento di compiti
importantissimi, o sono costituenti strutturali, come nel tessuto osseo, la cui sostanza intercellulare è
impregnata di sali di calcio.
Sostanze organiche
Sono i Carboidrati, i Lipidi, le Proteine, gli Acidi Nucleici e le Vitamine.
Carboidrati
I Carboidrati, detti anche Glucidi o Idrati di carbonio o Zuccheri, sono sostanze ternarie, cioè
formate da tre elementi: carbonio (C), idrogeno (H) e ossigeno (O), si chiamano carboidrati o
idrati di carbonio perché quando si fece per la prima volta l’analisi di queste sostanze si trovò che
ad ogni C corrispondono 2 H e 1 O e, dato che 2 H ed 1 O formano una molecola d’acqua, si pensò
Appunti di Biologia – 1: la cellula
2
che queste sostanze fossero formate da atomi di C a ciascuno dei quali era legata una molecola
d’acqua. In seguito si è scoperto che in realtà, nei carboidrati H e O non formano acqua.
Si chiamano anche Glucidi o Zuccheri perché hanno un sapore dolce.
Si distinguono zuccheri semplici (monosaccaridi) e zuccheri complessi ( disaccaridi e
polisaccaridi).
I monosaccaridi hanno la molecola formata da un certo numero di atomi di C (p. es. 5 o 6 o 7, e
allora si avranno rispettivamente dei pentosi, degli esosi, degli eptosi), ai quali sono legati atomi di
H e gruppi OH (ossidrili). Caratteristico dei monosaccaridi è anche il gruppo funzionale carbonile
(C==O), tipico delle aldeidi e dei chetoni. Si distinguono perciò due tipi di monosaccaridi: aldosi e
i chetosi (a seconda che il gruppo carbonilico sia aldeidico o chetonico). Per esempio il glucosio
e il fruttosio sono ambedue degli esosi, ma il primo è un aldoso, mentre il secondo è un chetoso.
Un altro aldo-esoso è il galattosio.
Altri due monosaccaridi importantissimi sono il ribosio (del RNA) e il desossiribosio (del DNA),
essi sono dei pentosi.
Alcuni monosaccaridi sono: il glucosio che è lo zucchero più comune (si trova, oltre che da solo,
anche nei di- e poli-saccaridi), il fruttosio che si trova nella frutta, il galattosio che si trova nello
zucchero del latte (che è un disaccaride), il ribosio e il desossiribosio che si trovano negli acidi
nucleici.
Fig.2 formule cicliche di monosaccaridi
I disaccaridi hanno la molecola formata dall’unione di 2 monosaccaridi, esempi sono: il
saccarosio o invertosio o levulosio, che è quello che chiamiamo semplicemente zucchero, formato
da glucosio + fruttosio; il lattosio (zucchero del latte), formato da glucosio + galattosio; il
maltosio (zucchero del malto) formato da glucosio + glucosio.
Fig.3 sintesi di un disaccaride
I polisaccaridi hanno la molecola formata da molti monosaccaridi, sono delle macromolecole
(grandi molecole), polimeri naturali; i più comuni sono l’amido, la cellulosa e il glicogeno, essi
sono formati da molecole di glucosio unite fra loro.
L’amido si trova nelle piante, che lo producono e lo accumulano come sostanza di riserva
energetica.
3
Appunti di Biologia – 1: la cellula
La cellulosa si trova anch’essa nelle piante verdi, è un costituente strutturale della parete cellulare.
Il glicogeno si trova negli animali e nei funghi, i quali lo utilizzano come sostanza di riserva
energetica.
I carboidrati sono molto importanti da un punto di
vista alimentare: la dieta mediterranea è basata su
alimenti amilacei (pasta, pane, pizza)
Lipidi
I lipidi o grassi sono anch’essi sostanze ternarie,
formate da C, H e O, ma in rapporti diversi che negli
zuccheri.
Si distinguono lipidi semplici e lipidi complessi.
I lipidi semplici sono i trigliceridi, la cui molecola è
formata da glicerolo (o glicerina): un polialcol al
quale sono unite 3 molecole di acidi grassi.
Gli acidi grassi possono essere saturi (hanno solo
legami semplici) o insaturi (hanno dei doppi
legami).
Se i trigliceridi contengono solo acidi grassi saturi
sono solidi a temperatura ambiente (burro, strutto,
burro cacao), se contengono acidi grassi insaturi
sono liquidi a temperatura ambiente (olio d’oliva,
olio di semi, olio di fegato di merluzzo).
La margarina deriva da oli che vengono solidificati
mediante un processo industriale consistente nel
trasformare i doppi legami in legami semplici (ciò si
ottiene addizionando H).
Fig.4 acidi grassi
Esempio di lipidi complessi sono le ammine e i fosfolipidi. Questi ultimi sono formati da
glicerolo più 2 molecole di acidi grassi più 1 molecola di acido fosforico. Essi sono costituenti
strutturali della membrana cellulare.
Sono lipidi anche gli steroidi, come il colesterolo o gli ormoni sessuali.
Fig. trigliceridi
4
Appunti di Biologia – 1: la cellula
Proteine
Le proteine o protidi sono sostanze quaternarie, formate cioè da quattro elementi: C, H, O e N.
Sono delle macromolecole, dei polimeri formati dall’unione di molti monomeri (unità di
struttura). I monomeri delle proteine si chiamano amminoacidi.
Gli amminoacidi sono delle molecole organiche
particolari, che posseggono contemporaneamente
un gruppo acido (-COOH) o gruppo carbossilico
e un gruppo basico (-NH2) o gruppo amminico,
da cui il nome ammino-acidi.
Fig.5 amminoacido
Due amminoacidi si uniscono mediante un legame che si forma fra il gruppo carbossilico del
primo amminoacido e il gruppo amminico del secondo:
Nella formazione di questo legame si libera una molecola d’acqua.
(I due amminoacidi differiscono per il radicale R (R1 e R2) (il radicale è un frammento di
molecola organica).
Il legame che unisce due amminoacidi si chiama legame peptidico. Due amminoacidi formano un
dipeptide.
Al secondo amminoacido se ne può legare un terzo, si forma così un tripeptide, poi un quarto, un
quinto e così via. Molti amminoacidi formano un polipeptide (poli = molti). Una proteina è
praticamente un polipeptide.
In natura ci sono 20 aminoacidi e tutte le proteine di un organismo e quelle di tutti gli organismi
viventi sono formate dai 20 amminoacidi.
Due proteine differiscono sostanzialmente nella sequenza degli amminoacidi, così come due
collanine di perline colorate differiscono nella successione dei colori.
Fig.6 sintesi di un dipeptide
In una proteina si riconoscono quattro livelli strutturali:
1. Struttura primaria (sequenza degli amminoacidi)
2. Struttura secondaria (il filamento formato dagli amminoacidi può avvolgersi a formare
un’elica: alfa-elica)
3. Struttura terziaria (l’alfa-elica può formare un gomitolo)
4. Struttura quaternaria (formata dall’unione di due o più unità proteiche)
Appunti di Biologia – 1: la cellula
5
Fig.7 i livelli strutturali delle proteine
Ci sono due tipi di proteine:
• Proteine strutturali
• Proteine funzionali
Le proteine strutturali formano le strutture delle cellule.
Le proteine funzionali regolano le funzioni delle cellule, sono i cosiddetti enzimi.
Gli enzimi sono dei catalizzatori biologici: essi regolano le reazioni chimiche che avvengono
negli esseri viventi.
Un enzima è formato da una proteina e da una parte non proteica il cosiddetto coenzima.
Gli enzimi prendono nome dalle reazioni chimiche che catalizzano con la desinenza asi, p.es.
idrolasi, transaminasi, perossidasi ecc.; prendono anche nome dalle sostanze che costituiscono il
substrato su cui agiscono: p.es. le proteasi digeriscono le proteine, le amilasi l’amido, le lipasi i
lipidi, la lattasi il lattosio ecc.
Acidi nucleici
Si chiamano così perché sono acidi in quanto nelle loro molecola c’è acido fosforico e nucleici
poiché si trovano nel nucleo delle cellule.
Gli acidi nucleici sono il DNA e l’ RNA, il DNA si trova solo nel nucleo, l’RNA anche nel
citoplasma.
Il DNA in italiano si dovrebbe chiamare ADN perché il suo nome significa Acido Desossiribo
Nucleico; il nome deriva dal fatto che contiene uno zucchero a 5 atomi di carbonio, il
Desossiribosio.
E’ una macromolecola, un polimero formato da unità di struttura che si chiamano nucleotidi.
Ciascun nucleotide a sua volta è formato da 3 tipi di molecole:
• acido fosforico
• uno zucchero (il desossiribosio)
• una base azotata.
Ci sono nel DNA 4 basi azotate: Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C) e Timina (T).
Il modello del DNA è stato formulato da Wattson e Krick, che per i loro studi hanno avuto il
premio Nobel per la Medicina nel 1962.
6
Appunti di Biologia – 1: la cellula
La molecola del DNA in realtà è formata da due filamenti e ciascun filamento è costituito da una
sequenza di nucleotidi.
Fig.8 un nucleotide
Fig.9 le cinque basi azotate
I due filamenti sono uniti mediante legami chimici che si formano fra le basi azotate, che perciò
si dice che sono appaiate. L’appaiamento delle basi non avviene a caso, ma quando sul primo
filamento si trova l’ A, sul secondo filamento, in corrispondenza, ci sarà la T, se sul primo
filamento c’è la G, sul secondo, in corrispondenza, ci sarà la C. E viceversa.
Fig.9 un filamento del DNA
Fig.10 la doppia elica
Appunti di Biologia – 1: la cellula
7
Il DNA è la molecola da cui dipendono i caratteri ereditari di un individuo; i caratteri di un essere
vivente sono legati alle proteine che esso possiede, perciò c’è una corrispondenza fra la struttura
del DNA e quella delle proteine.
La molecola del DNA ha la capacità di autoduplicarsi, cioè di formare molecole identiche (a meno
di errori) a sé stessa, ciò avviene in un particolare momento della vita della cellula. In questo modo
quando la cellula si divide, le due cellule figlie ereditano lo stesso DNA della cellula madre.
L’RNA (o ARN, Acido Ribo Nucleico) presenta alcune differenze rispetto al DNA: innanzi tutto
esso è costituito da un solo filamento, inoltre lo zucchero che si trova nei nuleotidi è il ribosio,
infine le basi azotate sono quattro come nel DNA, Adenina, Guanina, Citosina, ma al posto della
Timina c’è l’Uracile.
L’RNA si trova nel nucleo delle cellule, dove viene sintetizzato e dove si accumula nei nucleoli, e
nel citoplasma, dove svolge la sua funzione che è quella di fare da intermediario tra la molecola
del DNA e la sintesi delle proteine, che avviene in particolari strutture citoplasmatiche che si
chiamano ribosomi.
Le vitamine.
Vitamina significa amina della vita, in quanto molte di queste sostanze sono delle particolari
molecole organiche (le amine), e sono indispensabili per gli esseri viventi, molti coenzimi sono
delle vitamine o derivano da esse.
Ci sono due tipi di vitamine:
• Liposolubili
• Idrosolubili
Le prime sono solubili nei grassi e negli oli, come le vitamina A, E, D e K (per questa ragione è
importante non eliminare completamente i lipidi dalla dieta, poiché essi veicolano, trasportano le
vitamine liposolubili).
Le seconde sono solubili nell’acqua, come la vitamina C, e quelle del gruppo B.
L’uomo è in grado di produrre da se stesso solo una vitamina, la vit. D, che viene sintetizzata nella
pelle sotto l’azione dei raggi UV, ma la maggior parte delle vitamine devono essere assunte con
l’alimentazione.
Una mancanza (avitaminosi) o anche una carenza (ipovitaminosi) di vitamine nella dieta
provocano delle malattie; p.es. la carenza di vit. C provoca lo scorbuto (perciò la vitamina C si
chiama anche acido ascorbico), la carenza di vitamina PP (del gruppo B) provoca la pellagra (PP
= Pellagra Preventing), la carenza di vit. B1 provoca il beri-beri (beri=debilitazione in senegalese).
Prendere alcune vitamine in eccesso (ipervitaminosi) può essere ugualmente dannoso, fa male
mangiare troppe carote, che contengono vit. A.
LA CELLULA
La cellula è l’unità strutturale e funzionale degli esseri viventi. Tutti gli organismi, ad eccezione
dei virus sono formati da una (organismi unicellulari) o più (organismi pluricellulari) cellule.
La cellula è la più piccola parte di un organismo in grado di vivere autonomamente: anche negli
organismi pluricellulari è possibile separare le cellule e queste, in opportune condizioni nutritizie
possono continuare a vivere.
Forma e dimensioni delle cellule.
Una cellula isolata tende ad assumere la forma sferica, quando essa si trova unita ad altre cellule,
come succede nei tessuti epiteliali, assume un aspetto poliedrico. La forma delle cellule dipende
anche dalle funzioni che esse svolgono; per es. una cellula muscolare ha una forma allungata
poiché la sua funzione principale è quelle di contrarsi, una cellula nervosa ha dei prolungamenti
Appunti di Biologia – 1: la cellula
8
citoplasmatici allungati come dei fili poiché la sua funzione è quella di trasmettere un impulso
nervoso verso il sistema nervoso centrale e da questo agli organi effettori.
Le dimensioni delle cellule sono in genere dell’ordine del micrometro (un micrometro = 1/1000 di
mm),fanno eccezione alcune cellule particolari, come le uova degli uccelli o dei rettili (nell’uovo di
gallina in realtà la cellula è il tuorlo, che è così grande poiché contiene molte sostanze nutritizie
che vengono utilizzate dal pulcino nel suo sviluppo).
Le cellule, in genere, sono talmente piccole che non si possono osservare ad occhio nudo; perciò è
necessario usare uno strumento: il microscopio.
Esistono diversi tipi di microscopio, il microscopio ottico usa per illuminare gli oggetti da
osservare (fettine di tessuti) la luce; esso è costituito sostanzialmente da un obiettivo, che permette
un certo numero di ingrandimenti (p. es. 10X, 40X, 100X) e da un oculare, che ingrandisce
anch’esso l’oggetto di un certo numero di volte (p. es.5X o 10X). Se si usa un obiettivo da 10X e
un oculare da 10X l’oggetto risulta ingrandito 100 volte (=10X*10X) se si usa un obiettivo da 40X
e un oculare da 10X l’oggetto risulta ingrandito di 400 volte (=40X*10X). Il microscopio ottico ha
però dei limiti per quanto riguarda il potere di ingrandimento (dell’ordine di migliaia di volte),
poiché, anche se si usassero obiettivi e oculari molto potenti, si otterrebbero immagini “sfocate”
ciò dipende dalla natura ondulatoria della luce (si parla di potere di risoluzione del
microscopio).
Per ingrandire ulteriormente l’oggetto si usa un altro tipo di strumento: il microscopio elettronico.
In questo microscopio si usa come fonte di illuminazione un fascio di elettroni e per poter
osservare l’oggetto uno schermo o una lastra fotografica.
Struttura della cellula
Ci sono diversi tipi di cellule:
• Cellula procariota
• Cellula eucariota
La prima non ha un nucleo (carion) evidente; essa è tipica di organismi unicellulari primitivi,
come i batteri e le alghe azzurre.
Fig.11 cellule batteriche
La seconda ha il nucleo ben evidente, si trova in tutti gli altri organismi.
La cellula eucariotica può essere di due tipi:
• cellula animale
• cellula vegetale
9
Appunti di Biologia – 1: la cellula
La cellula animale.
La cellula animale è costituita da: una membrana che la avvolge; il protoplasma che si trova al
suo interno, il quale è suddiviso in una parte periferica, il citoplasma, e una struttura centrale, il
nucleo.
Il citoplasma, osservato al microscopio ottico appare otticamente vuoto, ma se lo si osserva al
microscopio elettronico si possono notare delle strutture particolari: gli organuli citoplasmatici.
Gli organuli (o organelli = piccoli organi) della cellula animale sono:
•
•
•
•
•
•
•
•
Mitocondri
Lisosomi
Ribosomi
Reticolo endoplasmatico
Apparato del Golgi
Centrioli
Citoscheletro
Ciglia e flagelli
Fig.13 un mitocondrio
Organuli citoplasmatici
I mitocondri sono gli organuli nei quali avviene la respirazione cellulare, sono le centrali
energetiche della cellula, in essi viene prodotta la maggior parte dell’ATP (Adenosin Tri
Phosfato).
Appunti di Biologia – 1: la cellula
10
I Lisosomi sono gli organuli che operano la digestione delle sostanze estranee che entrano nella
cellula.
I Ribosomi sono gli organuli al livello dei quali avviene la sintesi delle proteine.
Il Reticolo endoplasmatico è costituito da una serie di sacculi, tubuli e vescicole che nelle sezioni
delle cellule appaiono come un reticolo. E’ formato da due tipi di membrane: lisce e rugose. Le
seconde appaiono così al microscopio elettronico poiché ad esse aderiscono molti ribosomi, ciò
significa che sono sede di intensa sintesi di proteine.
Collegato al reticolo endoplasmatico è l’Apparato del Golgi, formato anch’esso da sacculi, tubuli
e cisterne e nel quale vengono elaborate le sostanze prodotte nel reticolo endoplasmatico, vengono
inoltre fabbricate strutture della cellula, come i lisosomi e le membrane cellulari.
I Centrioli svolgono una funzione nella divisione della cellula e nei suoi movimenti, sono legati
alle ciglia e ai flagelli delle cellule che hanno questi organi di locomozione.
Il Citoscheletro è costituito da microtubuli e microfilamenti, che forniscono una struttura alla
cellula e le permettono di muoversi.
Le Ciglia e i Flagelli sono strutture superficiali presenti in alcune cellule e permettono loro il
movimento. Nell’uomo l’unica cellula con flagello è lo spermatozoo, cellule con ciglia si trovano
invece a nell’epitelio che riveste i bronchi e nelle tube di Fallopio nella donna.
Cellula vegetale
Nella cellula vegetale mancano i centrioli, ma sono presenti:
• Plastidi
• Vacuoli
.
11
Appunti di Biologia – 1: la cellula
Fig.14 un cloroplasto
I Plastidi nelle cellule vegetali sono di tre tipi:
• Cloroplasti
• Cromoplasti
• Leucoplasti
I Cloroplasti ( verdi) contengono la clorofilla. I Cromoplasti
(colorati) contengono carotenoidi. I Leucoplasti (bianchi)
contengono amido.
I Vacuoli sono delle vesciche all'interno della cellula, circondate da una membrana, che contengono
acqua, sali e altre sostanze.
All’esterno della membrana cellulare c’è la Parete Cellulare che forma una specie di guscio che
protegge la cellula e le fornisce sostegno, la parete cellulare contiene cellulosa.
Il nucleo
Si trova in genere nella parte centrale delle cellule eucariote. E’ circondato da una doppia
membrana attraversata da dei pori (pori nucleari) che mettono in comunicazione l’interno del
nucleo con il citoplasma.
Al suo interno c’è una sostanza fondamentale,il succo nucleare, nella quale sono immersi i
cromosomi, formati da DNA e proteine strutturali, non visibili perché il DNA è despiralizzato, si
vedono solo “zolle” di cromatina, corrispondenti a tratti non despiralizzati. Un’altra struttura del
nucleo sono i nucleoli, depositi di RNA.
La membrana cellulare
E’ formata da un doppio strato
fosfolipidico, nel quale sono immerse delle
proteine, alcune di esse hanno una
funzione strutturale, altre sono dei
trasportatori (carriers).
Ad alcune proteine sono associati dei
glucidi.
Fig.15 parte di membrana cellulare
Si parla per le cellule di unità di membrana: tutte le membrane hanno la stessa struttura.
Funzioni della membrana cellulare
La membrana regola il passaggio delle sostanze dall’esterno verso l’interno e viceversa.
Le sostanze passano attraversare la membrana in due modi:
• trasporto passivo
• trasporto attivo
Il trasporto passivo avviene per dei semplici fenomeni fisico chimici, essi sono: la diffusione e
l’osmosi.
12
Appunti di Biologia – 1: la cellula
Nella diffusione la membrana si comporta da membrana permeabile, le sostanze la attraversano
facilmente nei due sensi, muovendosi semplicemente secondo un gradiente di concentrazione,
cioè da una zona dove la concentrazione è maggiore verso una zona dove la concentrazione è
minore.
Fig.16 la diffusione
Nell’osmosi la membrana si comporta da
membrana semipermeabile, viene attraversata da
una sostanza, per es. l’acqua, e non da un’altra, per
es. un sale minerale. In questo caso è l’acqua che si
sposta dalla zona dove la concentrazione del sale è
minore, verso la zona dove è maggiore.
La tendenza che ha l’acqua a passare attraverso la
membrana semipermeabile si indica con la pressione
Fig.17 l’osmosi
osmotica. Se due soluzioni hanno la
stessa pressione osmotica si dicono
isotoniche, se hanno diversa pressione
osmotica una delle due sarà ipertonica
mentre l’altra si dirà ipotonica. I liquidi
dell’organismo hanno tutti la stessa
pressione osmotica, equivalente a quella
di una soluzione di cloruro di sodio allo
0,9% (soluzione fisiologica).
Se si immergono dei globuli rossi in una
soluzione ipertonica, p.es. al 5% di NaCl,
le cellule perdono l’acqua che contengono
e si raggrinziscono (plasmolisi). Se i
globuli rossi sono immersi in una
Fig.18 osmosi
soluzione ipotonica, p.es. allo 0,2% di NaCl, o addirittura in acqua pura, essi si gonfiano di acqua, e
la pressione al loro interno è talmente elevata che la loro membrana si rompe (citolisi).
Il trasporto attivo avviene con dispendio di energia da parte della cellula (l’energia è fornita
dall’ATP), esso può avvenire contro un gradiente di concentrazione: una sostanza è trasportata
da una zona dove la concentrazione è minore verso una zona dove la concentrazione è maggiore.
Appunti di Biologia – 1: la cellula
13
Il trasporto avviene per opera di particolari proteine della membrana cellulare che si chiamano
carriers (= trasportatori).
Esempi di trasporto attivo attraverso la membrana cellulare
sono la fagocitosi e la pinocitosi.
La prima riguarda il passaggio di particelle solide, che vengono
inglobate all’interno della cellula, la seconda riguarda il
passaggio di liquidi.
Per ambedue si parla di endocitosi.
Fig.19 fagocitosi
L’esocitosi è il passaggio dall’interno della cellula verso
l’esterno di sostanze prodotte dalla cellula stessa.
ENERGIA PER LA CELLULA
L’insieme delle reazioni chimiche che avvengono nella cellula costituisce il metabolismo
cellulare. Il metabolismo si suddivide in: anabolismo e catabolismo.
L’anabolismo è quella parte del metabolismo nella quale si sintetizzano molecole complesse
partendo da molecole più semplici. I prodotti dell’anabolismo si chiamano anaboliti, ne sono un
esempio le proteine, esso richiede energia.
Nel catabolismo la cellula scinde molecole complesse in molecole più semplici. I prodotti del
catabolismo sono i cataboliti, sono esempi di cataboliti l’anidride carbonica e l’acqua, nel
catabolismo si libera energia.
Le reazioni chimiche possono essere endoergoniche o esoergoniche. Le prime, per poter avvenire
hanno necessità di energia, le seconde viceversa liberano energia.
Nelle cellule l’energia viene accumulata in una particolare molecola, l’ATP o Adenosin Tri
Phosfato (fosfato), che si forma nei luoghi della cellula nei quali l’energia viene prodotta, l'ATP
viene sintetizzato a partire da ADP (Adenosin Di Phosfato) e fosforo inorganico.
L'ATP libera energia quando la cellula ne ha necessità ritrasformandosi in ADP e P inorganico:
ADP + P <==> ATP
Per ciò che riguarda il metabolismo energetico si distinguono due tipi di organismi:
• Autotrofi
• Eterotrofi
I primi utilizzano come fonte di energia la luce mediante la fotosintesi clorofilliana (autotrofi
fotosintetici), essi sono le piante verdi; alcuni utilizzano reazioni chimiche (autotrofi
chemiosintetici), come alcuni batteri. Autotrofo letteralmente significa che si nutre da sé, poiché
questi organismi utilizzano sostanze relativamente semplici come l’anidride carbonica e l’acqua e le
trasformano nelle sostanze che formano la materia vivente.
Gli organismi eterotrofi utilizzano le sostanze organiche prodotte da altri organismi, dalle quali
ricavano l’energia necessaria.
I processi mediante i quali gli eterotrofi producono l’energia sono la respirazione e le
fermentazioni.
Appunti di Biologia – 1: la cellula
14
RESPIRAZIONE CELLULARE
Consta di due fasi:
• Glicolisi anaerobica
• Ciclo di Krebs
La prima avviene nel citoplasma e in essa il glucosio viene trasformato in piruvato, con
produzione di 2 molecole di ATP.
Il piruvato passa quindi nei mitocondri, nei quali entra nel ciclo di Krebs, nel quale viene ossidato
e trasformato in anidride carbonica ed acqua.
Nel ciclo di Krebs vengono prodotte per ciascuna molecola di glucosio un grande numero di
molecole di ATP (il bilancio complessivo è di 36 ATP).
Le fermentazioni
Fermentazione lattica. Avviene nel citoplasma ed è caratteristica di alcuni batteri (come quelli
dello yogurt), ma si verifica anche nelle cellule muscolari dell’uomo.
La differenza rispetto alla respirazione è che il piruvato viene ossidato ad acido lattico, una
sostanza organica che contiene ancora una certa quantità di energia, che perciò non viene liberata
completamente, come succede nella respirazione.
Si formano perciò un minor numero di molecole di ATP (2).
La fermentazione lattica avviene in assenza di ossigeno (anaerobiosi), in questo modo i muscoli
producono energia dal glucosio anche quando la quantità di ossigeno che ricevono non è sufficiente,
durante un attività troppo intensa.
L’acido lattico è però tossico per i muscoli e perciò si sente dolore finché esso non viene eliminato.
Altri tipi di fermentazioni sono: la fermentazione alcolica, nella quale lo zucchero viene
trasformato in alcol etilico, è tipica dei saccaromiceti, come il saccaromices cerevisiae (il lievito di
birra) che si usa per fare la birra; la fermentazione acetica, nella quale l’alcol etilico viene
trasformato in acido acetico; la fermentazione butirrica, nelle quale si produce acido butirrico,
si utilizza nella produzione dei crauti.
Fotosintesi clorofilliana
E’ il processo mediante il quale le piante verdi trasformano l'energia luminosa in energia chimica.
Il nome deriva proprio dal fatto che come sorgente di energia viene usata la luce ed avviene grazie a
pigmenti contenuti nelle piante: le clorofille.
Il processo si divide in due fasi:
• fase luminosa
• fase oscura
La prima si chiama così perché affinché essa possa avvenire è necessaria la presenza della luce.
In questa fase si ha la fotolisi dell’acqua: la molecola dell’acqua viene spezzata utilizzando
l’energia luminosa, grazie alla presenza delle clorofille (a e b + i carotenoidi) con formazione di
ioni H e O. L’ossigeno viene liberato nell’aria (o nell’acqua per le piante acquatiche e le alghe), in
realtà esso è un sottoprodotto della fotosintesi.
L’idrogeno viene utilizzato per produrre ATP dai trasportatori di idrogeno (NAD, FAD) e, quindi,
entra nella seconda fase.
Questa si chiama oscura perché, per poter avvenire non è necessaria la luce.
In essa avviene l’organicazione del carbonio: l’anidride carbonica, che è una sostanza
inorganica, entra in un processo (serie di reazioni) che si chiama ciclo di Calvin e viene trasformata
in una sostanza organica, il glucosio.
15
Appunti di Biologia – 1: la cellula
Il glucosio è la prima sostanza organica che viene prodotta, in seguito esso viene trasformato nelle
altre sostanze: i monosaccaridi; di- e i poli-saccaridi; i lipidi; gli amminoacidi che formano le
proteine ecc.
Ciclo cellulare e mitosi
Le cellule si dividono, alcune frequentemente, (p.es. i
batteri si dividono ogni 20 minuti), altre più
lentamente, alcune perdono, ad un certo punto della
loro esistenza la capacità di dividersi.
La divisione cellulare rappresenta per gli organismi
unicellulari un modo per riprodursi, negli
organismi pluricellulari permette la crescita
dell’organismo o la sostituzione di cellule logore.
La parte della vita della cellula compresa fra 2
divisioni successive si chiama interfase.
Perciò la vita di una cellula si origina con una prima
divisione, a questa succede l’interfase, la quale a sua
volta è formata da tre parti: fase G1, fase S, fase G2.
Si ha poi la divisione cellulare nella quale dalla
cellula si originano 2 cellule figlie.
Fig.20 il ciclo cellulare
Nelle fasi G1 e G2 dell’interfase avviene un accrescimento della cellula. Nella fase S c’è la
duplicazione del DNA cromosomico.
La divisione cellulare può avvenire in 2 modi:
• divisione diretta o per amitosi
• divisione indiretta o per mitosi
La divisione diretta si verifica nei batteri, in essa non si possono distinguere fenomeni particolari.
La divisione indiretta o mitosi e tipica delle cellule eucariote.
La mitosi
La mitosi è caratterizzata da 4 fasi che possono essere osservate facilmente col microscopio ottico,
esse sono:
1. Profase
2. Metafase
3. Anafase
4. Telofase
Nella cellula animale, all’inizio della mitosi, nella profase, scompare la membrana nucleare e si
rendono evidenti i cromosomi, mentre i due centrioli si portano ai poli opposti della cellula, fra di
essi si forma una struttura tipica formata da microtubuli: il fuso mitotico.
I cromosomi nella cellula in interfase non sono visibili a causa del fatto che i lunghi filamenti di
DNA che li costituiscono sono despiralizzati, ed essendo molto sottili non si possono osservare al
microscopio ottico. In realtà essi restano parzialmente spiralizzati solo in alcuni tratti, che
Appunti di Biologia – 1: la cellula
16
formano dei blocchi, facilmente colorabili e che costituiscono una struttura del nucleo in interfase
detta cromatina.
All’inizio della mitosi il DNA dei cromosomi si spiralizza in modo che essi si rendono visibili ed
assumono forme caratteristiche.
Un cromosoma è formato da 2 bastoncelli, detti cromatidi o cromosomi figli, uniti in un punto
detto centromero. Essi si classificano in base alla posizione del centromero in: metacentrici (col
centromero che si trova all’incirca a metà dei cromatidi) , acrocentrici (col centromero che si trova
ad un’estremità), submetacentrici (col centromero in una
posizione intermedia fra il centro e l’estremità).
In questa fase, la metafase, e possibile bloccare la mitosi
mediante una sostanza tossica (colchicina), si possono
fotografare i cromosomi. In seguito si ritagliano le
immagini dei singoli cromosomi e si dispongono
secondo la grandezza decrescente. Si ottiene così il
cariotipo o mappa cromosomica di un individuo.
Durante questa fase i cromosomi si dispongono nella
parte centrale della cellula a formare una struttura
compatta detta piastra equatoriale.
Nell’anafase i filamenti del fuso mitotico si attaccano ad
una struttura che si trova in corrispondenza del
centromero (il cinetocore) e, contraendosi, separano e
allontanano i due cromatidi, perciò detti anche
cromosomi figli.
Durante la telofase si formano le membrane dei nuclei
figli e i cromosomi scompaiono. Scompaiono altresì le
fibre del fuso mitotico.
Alla mitosi succede la citodieresi, cioè la divisione del
citoplasma, nella cellula animale essa avviene per
invaginazione della membrana cellulare, che forma un
solco sempre più profondo, finché la cellula non risulta
divisa nelle due cellule figlie.
Nella divisione delle cellule vegetali ci sono alcune
differenze: innanzi tutto le cellule vegetali non hanno i
centrioli, il fuso mitotico si forma comunque, anche in
assenza di questi organuli.
La divisione del citoplasma successiva alla telofase avviene per formazione di una membrana detta
fragmoplasto che divide la cellula in due parti uguali e costituisce la struttura su cui si formerà in
seguito la parete cellulare.
Cariotipo umano
Ogni specie vivente è caratterizzata da un certo numero di cromosomi.
Nelle cellule umane ci sono 46 cromosomi: 44 cromosomi somatici o autosomi che sono disposti
in 22 coppie + 2 cromosomi sessuali. I cromosomi sessuali sono uguali nella donna, tutti e due
del tipo X, detti così a causa della forma. L’uomo possiede un solo cromosoma sessuale del tipo X
+ un altro cromosoma di forma differente detto Y.
Il numero corrispondente a 46 cromosomi nella specie umana si dice diploide e si indica con 2n ed
è tipico delle cellule somatiche, quelle che formano il corpo. Il numero corrispondente alla metà
Appunti di Biologia – 1: la cellula
17
(=23) si dice apolide, si indica con n ed è tipico delle cellule sessuali o gameti (spermatozoo
nell’uomo e ovulo nella donna). Un multiplo del numero apolide si dice poliploide. Un numero
diverso dal numero diploide, p.es. 45 o 47, o 48 nella specie umana, si dice aneuploide.
I cromosomi del cariotipo umano sono raggrupati in 23 coppie numerate suddivise in gruppi
indicati con lettre maiuscole.
Ci sono diversi casi di aneuploidismo nell’uomo: il più comune è la sindrome di Down, dovuta alla
presenza di un cromosoma in più nella coppia G21 (trisomia G21). Altri casi di aneuploidismo sono
la sindrome di Klinefelter (trisomia sessuale XXY), la sindrome del supermaschio (trisomia
sessuale XYY), la sindrome di Turner o della superfemmina (trisomia XXX).
Meiosi
I gameti, spermatozoi maschili e oociti femminili, contengono un numero aploide di cromosomi,
nell’uomo 23, questo perché la fecondazione consiste sostanzialmente nell’unione dei cromosomi
paterni con quelli materni. Se i gameti contenessero un numero diploide di cromosomi (46), come le
cellule somatiche, ad ogni generazione il numero di cromosomi si raddoppierebbe.
Le cellule gametiche derivano da cellule somatiche, perciò c’è un meccanismo che determina la
riduzione del numero dei cromosomi alla metà. Questo meccanismo è la meiosi.
La meiosi consiste nella successione di due mitosi particolari:
• mitosi 1 detta riduzionale, poiché è in questa fase che avviene la riduzione dei cromosomi
alla metà (da 46 a 23)
• mitosi 2 detta equazionale, poiché in questa fase il numero di cromosomi non cambia (23).
Le due mitosi si succedono una all’altra senza una interfase vera, senza cioè che vi sia duplicazione
del DNA.
La mitosi 1 è caratterizzata da una profase particolarmente lunga che si suddivide in 5 periodi
differenti.
Durante la profase, i cromosomi di una coppia si appaiano, unendosi in corrispondenza del
centromero e formando cromosomi particolari costituiti da 4 cromatidi, detti perciò tetradi.
In seguito, i cromatidi delle tetradi si incrociano formando i chiasmi (incroci), in corrispondenza
dei quali si scambiano tratti di cromosomi corrispondenti, il fenomeno si chiama crossino-over.
Alla profase segue la metafase, con la formazione della piastra equatoriale; poi l’anafase, in questa
fase le tetradi si separano in due cromosomi figli che, a differenza della mitosi normale, risultano
costituiti da 2 cromatidi. Segue la telofase, con la formazione dei due nuclei figli, i quali
conterranno non più 46 cromosomi, ma 23.
Appunti di Biologia – 1: la cellula
18
Segue immediatamente la mitosi 2, del tutto simile alla mitosi normale, alla fine della quale si
formeranno 2 cellule contenenti 23 cromosomi formati da 1 cromatidio ciascuno.
Nell’uomo, partendo da una cellula progenitrice, spermatogonio, si
otterranno alla fine della meiosi, 4 spermatozoi.
Nel caso della donna, dalla cellula progenitrice, oogonio, si
formerà un solo oocita, nel quale sarà concentrato tutto il
citoplasma con le sostanze nutritizie, più 3 cellule abortive, dette
globuli polari.
La sintesi proteica
Dogma centrale
La seguente espressione si chiama dogma centrale:
DNA  RNA  PROTEINA
Essa significa che il DNA ha la capacità di autoduplicarsi, funge da stampo per l’RNA, che
determina la sintesi delle proteine.
Le proteine sono di 2 tipi: strutturali e funzionali. Le prime sono quelle che costituiscono le
strutture delle cellule, le seconde sono, per esempio, gli enzimi, sostanze che regolano le reazioni
chimiche che avvengono in un organismo.
Dalle proteine dipendono perciò i caratteri di un individuo.
La composizione proteica di un organismo dipende dal suo DNA, c’è infatti una stretta
correlazione fra essa ed il DNA che si trova nei nuclei delle cellule che formano il suo corpo.
Il DNA si trova nel nucleo delle cellule. La sintesi delle proteine avviene invece nel citoplasma, al
livello dei ribosomi. Alla sintesi delle proteine concorre perciò l’RNA, che fa da tramite fra il DNA
del nucleo e la produzione delle proteine stesse.
Appunti di Biologia – 1: la cellula
19
Ci sono tre tipi di RNA:
• mRNA (RNA messaggero)
• rRNA (RNA ribosomiale, componente dei Ribosomi)
• tRNA (RNA di trasferimento)
Codice genetico
Abbiamo visto che le proteine sono caratterizzate sostanzialmente dalla sequenza di amminoacidi,
dalla quale dipendono, in definitiva, le loro caratteristiche.
Il DNA, a sua volta, è formato da due filamenti appaiati, caratterizzati ciascuno dalla sequenza dei
nucleotidi, contraddistinto ciascuno da una base azotata, ci sono, nel DNA, 4 basi azotate
(adenina, guanina, citosina, timina), il filamento contiene perciò 4 tipi di nucleotidi.
Ci deve essere perciò una relazione fra la sequenza di nucleotidi nel filamento di DNA e la
sequenza di amminoacidi nel filamento proteico.
Furono due scienziati americani, J.D. Watson e F. Crick, che scoprirono tale relazione, e, grazie alle
loro scoperte ebbero il Premio Nobel per la medicina nel 1962.
I nucleotidi del DNA sono di 4 tipi, caratterizzato ciascuno dalla base azotata (A,G,C,T).
Le proteine sono formate da 20 tipi di amminoacidi.
Non ci può essere una semplice corrispondenza del tipo:
1 Nucleotide  1 Amminoacido
Infatti, in questo caso, il DNA potrebbe codificare solo proteine formate da 4 tipi di amminoacidi.
Si può escludere altresì la corrispondenza fra unità formate dall’unione di 2 nucleotidi del DNA e
1 amminoacido della proteina.
In questo modo infatti si otterrebbero proteine formate da soli 16 amminoacidi: 42, dove 4
corrisponde al numero totale di nucleotidi, mentre l’esponente 2 corrisponde al numero di nucleotidi
combinati fra loro.
Le combinazioni di Nucleotidi sarebbero:
AA, AT, AG, AC, TT, TA, TG, TC, GG, GA, GT, GC, CC, CA, CT, CG
Se si considerano unità sul filamento di DNA formate da 3 nucleotidi uniti fra loro, si hanno 64 (=
43) combinazioni differenti.
Siccome il numero delle combinazioni (64) supera il numero di amminoacidi che formano le
proteine (20), tale relazione può essere considerata accettabile.
In teoria le unità presenti nel DNA di potrebbero essere formate da 4 nucleotidi, con 256 (44)
possibili combinazioni, o anche più, ma ciò è stato escluso poiché in natura vige il principio
dell’economia, si tende a consumare meno energia possibile.
Oramai si conoscono anche le corrispondenze fra le unità formate dai 3 nucleotidi, dette
triplette o codoni, e i 20 amminoacidi, ad alcuni amminoacidi possono corrispondere diversi
codoni; vi sono inoltre codoni che svolgono nel filamento di DNA funzioni particolari.
Appunti di Biologia – 1: la cellula
20
Trascrizione del codice
Il DNA si trova nel nucleo delle cellule eucariote, mentre la sintesi delle proteine avviene nel
citoplasma al livello dei ribosomi, i quali contengono rRNA.
Il messaggio genetico formato dalla successione delle triplette del DNA viene trasportato dal
nucleo ai ribosomi del citoplasma dal mRNA (RNA messaggero), che viene sintetizzato sullo
stampo del filamento del DNA (in questa occasione i due filamenti da cui è costituita la molecola
del DNA si separano provvisoriamente), passa attraverso i pori della membrana nucleare, si porta
nel citoplasma, dove viene “letto” dai ribosomi, che scorrono su di esso, riconoscendo un codone
dopo l’altro.
A questo punto interviene il terzo RNA, il tRNA (RNA di trasporto).
Ci sono almeno 20 tipi di tRNA, corrispondenti ai 20 diversi amminoacidi, ai quali queste
molecole si legano e li trascinano in corrispondenza dei ribosomi.
Quando un ribosoma legge una tripletta sul filamento di mRNA arriva il tRNA corrispondente,
che trasporta un amminoacido.
Il ribosoma si sposta, legge una seconda tripletta sul filamento di mRNA, richiama un altro tRNA a
cui è legato un secondo amminoacido, il quale si unisce al primo con legame peptidico, formando
un dipeptide, con lo stesso meccanismo si ha l’unione di un terzo amminoacido, con formazione di
un tripeptide, e così via fino al completamento della catena proteica.
Il meccanismo di lettura e trascrizione del codice portato dal mRNA per opera dei ribosomi può
essere paragonato a ciò che avviene in un registratore a nastro magnetico, nel quale il nastro
(mRNA) viene letto dalla testina (ribosoma) ed il messaggio viene trasformato in suoni (proteine).
Il tratto di DNA che corrisponde ad una proteina si chiama gene.