Lezione 3: La cellula: dalle origini alla teoria cellulare Biologia e Genetica aa 2014/2015

LA CELLULA: dalle origini alla teoria cellulare

Le prime forme di vita comparvero sulla Terra circa 3.5 miliardi di anni fa, quando il nostro pianeta aveva appena compiuto 750 milioni di anni.

Fossile di 3,5 miliardi di anni proveniente dall’Australia. La forma ricorda quella degli attuali cianobatteri filamentosi

La comparsa delle prime cellule (protocellule)

La vita (per come la conosciamo) è separata dall’ambiente in unità strutturalmente definite, le cellule Il contenuto interno della cellula è separata dall’esterno da una barriera, detta membrana

Le prime cellule che «videro» il mondo: i Procarioti

Dalle prime protocellule si evolvettero verosimilmente i primi Procarioti

Nelle prime cellule il materiale genetico era disperso nel citoplasma, senza l’esistenza di una membrana che lo separasse a formare il nucleo

La definizione di Procariote deriva dalle osservazioni microscopiche del XX secolo, quando i biologi furono in grado di descrivere due tipi fondamentali di organizzazione cellulare. Una più semplice, tipica delle cellule batteriche, e una più complessa che caratterizzava le cellule di tutti gli altri organismi (animali, piante, funghi, alghe e protozoi). Vennero così distinti Procarioti (dal greco pro- = “precedente” e Karion = “nucleo”) Eucarioti. (dal greco eu- = “autentico” e Karion = “nucleo”).

La cellula procariotica

I Procarioti oggi: Batteri e Archei

Oggi, grazie all’avvento delle tecniche di biologia molecolare (comparazione delle sequenze di DNA, RNA e proteine), i Procarioti, che comprendono tutti i vari tipi di batteri, sono suddivisi in due grandi gruppi, gli Archaebacteria e gli Eubacteria (Carl Woese).

Il gruppo Bacteria comprende la maggior parte degli

organismi a singola cellula, privi di nucleo. Sono le forme che

si incontrano più comunemente, i batteri.

- Importantissimi per gli equilibri ecologici

- Funzioni sia positive che negative per l’uomo

Esempi:

- Escherichia coli è un batterio che vive nell’intestino e che è

essenziale per la corretta digestione del cibo; la sua

presenza nelle acque superficiali (fiumi, laghi, mari) o nelle

acque potabili, indica la presenza di un inquinamento di

tipo fecale.

- Streptococcus pneumoniae è il principale responsabile

dell’insorgenza delle polmoniti

L’ agente eziologico della meningite meningococcica è un batterio, Neisseria meningitidis

Gli Archaea sono un gruppo di organismi a noi meno famigliari. Vivono in genere in ambienti estremi - i termoacidofili vivono nelle sorgenti sulfuree calde, con temperature fino a 100°C e gradi di acidità fino a pH 2; - i metanogeni convertono l’anidride carbonica in metano; - gli alofili possono crescere in condizioni saline estremamente

Un particolare termoacidofilo, Thermus aquaticus, ha consentito la scoperta della PCR (Polimerase Chain Reaction), che consente di amplificare i frammenti di DNA. T. aquaticus contiene un enzima specifico (una DNA polimerasi) capace di lavorare a temperature estremamente alte. Questo enzima oggi utilizzato in tutti i laboratori di biologia molecolare è la Taq polimerasi.

Forme e strutture delle cellule di Batteri e Archeobatteri

I procarioti presentano diverse forme

Le cellule procariotiche sono prive di organelli circondati da membrana

La superficie è rivestita da una parete cellulare

Alcuni batteri formano endospore Molti batteri sono mobili

Origine delle cellule eucariotiche e teoria dell’endosimbiosi

Nel 1905 il botanico russo Constantin Mereschkowsky ipotizzò l’origine endosimbiotica del nucleo e dei cloroplasti delle cellule vegetali. Nei decenni successivi tuttavia questa teoria non trovò più seguito. Solo negli anni ’60 riprese vigore con la pubblicazione del lavoro scientifico “On the origin of mitosing cells” della biologa americana Lynn Margulis, che riproponeva la teoria endosimbiotoca per spiegare la formazione degli organuli della cellula eucariote. Prima di essere pubblicato sul Journal of Theoretical Biology nel 1967, questo lavoro venne rifiutato da ben 15 riviste scientifiche. Come disse Richard Dawkins, uno dei più grandi studiosi di evoluzione del XX secolo, Lynn Margulis, con la teoria per cui una cellula eucariote è il risultato dell’unione simbiotica tra cellule procarioti primitive, trasformò un concetto totalmente rifiutato dagli scienziati del tempo in un’idea ortodossa per i contemporanei, contribuendo alla biologia evoluzionistica con una delle più grandi conquiste del XX secolo.

Come si è arrivati alla formulazione della teoria cellulare? … un principio unificante della biologia Nel 1590 due olandesi costruttori di occhiali, Zacharias e Hans Janssen, misero a punto il primo microscopio ottico composto Nel 1665 il fisico inglese R. Hooke utilizzò il termine «cellulae» per indicare le cellette del sughero osservate con il suo microscopio Negli stessi anni un commerciante olandese – naturalista per passione – Anton Van Leeuwenhoek osservò con il suo microscopio e descrisse gli animalcules (verosimilmente protozoi) in alcune gocce di acqua stagnante Nel 1830 il chirurgo scozzese, botanico per passione, Robert Brown scoprì che tutte le cellule delle piante avevano all’interno una struttura circolare che chiamò nucleus (diminutivo del latino nux= noce). Scoprì quindi il nucleo Nel 1838 il botanico tedesco Matthias Schleiden affermò che tutti i tessuti delle piante erano costituiti da cellule e che qualsiasi pianta nasceva da una singola cellula

Contemporaneamente, studiando i tessuti animali, lo zoologo tedesco Theodor Schwann giunse alle stesse conclusioni di Schleiden e formulò i principi basilari della teoria cellulare:

1. La cellula è l’unità base della struttura di tutti gli organismi

(ovvero è l’unità fondamentale della vita)

2. Tutti gli organismi consistono di una o più cellule Tuttavia ai tempi di Schleiden e Schwann vigeva ancora la teoria della generazione spontanea della vita. Non compresero quindi l’origine delle cellule. Nel 1855 il medico tedesco Rudolf Virchow affermò «omnis cellula e cellula». Da qui il terzo principio della teoria cellulare: 3. Tutte le cellule originano da cellule preesistenti.

Una rivisitazione moderna della teoria cellulare

• La cellula è l’unità strutturale e funzionale di base di tutti i viventi

• Le cellule costituiscono i mattoni di cui sono costruiti tutti gli organismi

• Tutte le cellule derivano da cellule preesistenti

• Tutte le cellule sono simili nella loro composizione chimica

• Le reazioni chimiche della vita avvengono all’interno della cellula

• L’informazione genetica completa viene trasmessa con la divisione cellulare

Le dimensioni delle cellule

La dimensiona ridotta delle cellule è una necessità pratica per ottimizzare il rapporto superficie/volume

Dimensione e forma delle cellule sono collegate alla loro funzione

Globulo rosso ca 7 µm

Adipocita ca 100-150 µm Cellula epiteliale ca 15-20 µm

Neurone può essere lungo anche m

Gli strumenti e le tecniche per lo studio delle cellule

Microscopia ottica in campo chiaro Microscopia in epifluorescenza e confocale

Microscopia elettronica a scansione (SEM) Microscopia elettronica a trasmissione (TEM)

Neurone al SEM Neurone al TEM

Il frazionamento cellulare

La cellula animale La cellula vegetale

La compartimentalizzazione della cellula eucariotica (animale) è funzionale al lavoro che deve svolgere

Che tipo di lavoro fa una cellula?

- ottiene materiali e energia dall’ambiente

- i converte in prodotti utili per la costruzione delle proprie strutture

- Dopo aver replicato le strutture necessarie, si divide in due cellule figlie

- ad esaurimento della energia disponibile, va incontro a morte e successiva

degradazione dei suoi costituenti molecolari.

A dirigere le operazioni tramite segnali codificati è il nucleo cellulare, grazie

alla presenza al suo interno del DNA.

Come è organizzato il lavoro in una cellula eucariote? - Le istruzioni di lavoro (informazione genetica), codificate sul DNA, vengono trascritte sull’RNA, L’RNA esce dal nucleo e, grazie ai ribosomi, converte questo messaggio nei mattoni della vita: le proteine (sintesi proteica) - Il linguaggio utilizzato dalla cellula per definire in modo univoco i messaggi è definito codice genetico. - Le proteine costituiscono i mattoni che compongono le strutture della cellula, ma anche gli operai che svolgono i diversi lavori (enzimi etc…) - Questo meccanismo è alla base di tutti i fenomeni cellulari: dalla sintesi di tutte le macromolecole organiche, ai movimenti cellulari, agli scambi di materia con l’ambiente, alla produzione di energia.

Il lavoro più delicato della cellula è quindi capire e rendere

operativo il programma codificato nel DNA, interpretare i

segnali che giungono dall’esterno e modulare questo

importante lavoro per adeguarsi alle condizioni ambientali