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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
Lezione 3: La cellula: dalle origini alla teoria cellulare
Biologia e Genetica
aa 2014/2015
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
Cellula epiteliale ca 15-20 µm
Neurone può essere lungo anche m
Adipocita ca 100-150 µm
Globulo rosso ca 7 µm
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)
Neurone al SEM
Microscopia elettronica a trasmissione (TEM)
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