BIOLOGIA

La biologia è quella disciplina che si occupa di tutti i fenomeni comuni agli esseri viventi. Comprende varie branche:

• la sistematica, che si occupa della classificazione dei viventi e dei fossili, a sua volta divisa in zoologia (studia gli animali) e botanica (studia le piante);

• la biologia generale, divisa in citologia (studia le cellule), embriologia (da embrione), istologia (studia i tessuti), genetica (la discendenza);

• l'anatomia, che si occupa delle singole parti del corpo umano;

• la fisiologia, che si cura del funzionamento dell'organismo;

• l'ecologia, che studia le interazioni tra gli organismi che vivono nello stesso ambiente;

• l'etologia, che studia il comportamento animale.

In questo contesto si tratterà la biologia cellulare.

LA CELLULA E LA RIPRODUZIONE

Tutti gli organismi viventi sulla Terra sono divisi in particelle chiamate cellule. Le cellule hanno proprietà di scambiare materiale con l'esterno, di respirare e di riprodursi. Gli organismi si possono dividere in unicellulari, se formati da una sola cellula, e pluricellulari, formati da tante cellule. Tra gli unicellulari si annoverano alcuni batteri e i protozoi. Nei pluricellulari, le diverse cellule sono unite per formare un tessuto. Maggiori sono il numero delle cellule che formano un organismo, maggiore è il grado di differenziazione delle varie cellule. Le cellule di un organismo pluricellulare garantiscono la sopravvivenza dell'organismo in caso di morte di una sola cellula. Le cellule sono anche divise in cellule procariote ed eucariote. Nella procellula esiste una struttura esterna, denoninata plasmalemma, circondata da una parete rigida che le dà la forma. All'interno ci sono ribosomi, un'unica molecola di DNA chiusa ad anello, il tutto immerso nel citoplasma. Si parla pertanto di un nucleo primitivo, non ben differenziato. Funghi, piante ed animali sono costituiti da eucellule, con nucleo ben definito ed una struttura cellulare più varia. Le varie componenti di una cellula eucariota, sono:

• la membrana citoplasmatica, che costituisce il rivestimento della cellula, che regola gli scambi con l'esterno;

• il citoplasma, la sostanza gelatinosa dove sono immersi gli organelli:

• la membrana nucleare, il rivestimento del nucleo attraverso il quale passano le varie sostanze;

• il nucleo, dove avviene la riproduzione della cellula ed è contenuto il DNA.

L'involucro nucleare è composto da due doppie membrane fosfolipoproteiche concentriche, ciascuna di spessore di 8 nm. La membrana nucleare non è continua, ma presenta dei fori o pori nucleari, il cui scopo è quello di permettere il passaggio delle molecole. Le più piccole entrano per diffusione. Nei mitocondri ha sede la respirazione cellulare, processo necessario per produrre energia dall'ossigeno. Nei ribosomi, invece, avviene la produzione delle proteine. Nei vacuoli vengono immagazzinate sostanze nutritive di riserva e di scarto dell'organismo.  I vacuoli sono più voluminosi nelle cellule vegetali. Nei lisosomi sono contenute sostanze necessarie a demolire batteri e corpi estranei alla cellula. Attraverso il reticolo endoplasmatico le varie sostanze vengono trasportate da una parte all'altra della cellula. Il reticolo endoplasmatico è rugoso, in corrispondenza dei ribosomi, mentre è liscio, nella parte in cui vengono sintetizzati i grassi. L'apparato di Golgi consiste in varie vescicole in grado di trasportare all'esterno della cellula le varie sostanze prodotte dalla cellula. Un'organo presente soltanto nelle piante e nelle alghe è il cloroplasto, in cui si svolge il processo della fotosintesi necessario a ricavare energia a partire dalla luce solare. I cloroplasti contengono strutture chiamate grani, dove è contenuto il pigmento della clorofilla. Gli organismi con i cloroplasti sono definiti autotrofi, in quanto sintetizzano autonomamente sostanze organiche a partire da sostanze inorganiche. Si differenziano in questo dagli eterotrofi. Nei mitocondri avviene la respirazione cellulare aerobia, il processo attraverso il quale viene ricavata energia a partire dall'ossigeno. I prodotti di scarto della respirazione cellulare (come CO₂ o H₂O) vengono eliminati dalla cellula e, attraverso l'apparato polmonare ed urinario. Nel nucleo c'è il materiale genetico, costituito da molecole di DNA lunghe ed avvolte a bobina. Quando la cellula sta lavorando, le molecole di DNA appaiono srotolate, e si evidenzia la  cromatina. Prima di duplicarsi, invece, il materiale genetico viene avvolto e la cromatina appare condensata in bastoncini corti e tozzi, denominati cromosomi.

Altri organelli tipici di cellule animali o alghe, sono i flagelli (strutture lunghe) e le cilia (strutture corte), necessarie per il movimento della cellula.

Gli organelli, sospesi nel citoplasma, si muovono attraverso una fitta rete di fibrille proteiche denominata citoscheletro.

La riproduzione cellulare avviene per mitosi o per meiosi. La mitosi avviene nelle cellule somatiche dell'uomo e nelle cellule eucarioti. Il ciclo cellulare inizia con l'interfase (G1, S e G2), in cui la cellula si prepara alla divisione, per poi continuare con la mitosi vera e propria, in cui la cellula si divide, e si conclude col periodo detto G₀, in cui la cellula si specializza nella sua funzione e non è in grado di riprodursi. Nella sottofase G1 la cellula aumenta in modo graduale le dimensioni, duplica i suoi organelli e produce proteine, necessarie alla duplicazione del DNA. Nella fase S avviene la duplicazione del DNA. L’enzima DNA-polimerasi scinde i collegamenti tra le catene, il DNA si apre e la DNA-polimerasi unisce i nucleotidi in modo complementare.La duplicazione è semiconservativa perchè le due molecole ottenute hanno ciascuna un’elica della molecola madre. In questa fase si formano due cromatidi uniti in un punto detto centromero. In G2 sono sintetizzate le proteine necessarie alla spiralizzazione del DNA. La mitosi vera e propria presenta quattro fasi:

• profase, in cui avviene la spiralizzazione della cromatina, i cromosomi vengono evidenziati meglio, i centrioli si incominciano a dirigere verso i poli della cellula; 

• metafase, quando si forma il fuso mitodico con i centrioli  come punti di raccordo ed i cromosomi si fissano al fuso;

• anafase, dove si contrae il fuso, i cromosomi si rompono dal centromero, sono duplicati i centromeri e i cromatidi migrano verso i poli;

• telofase, dove le due cellule ci separano, i centrioli si dividono, si riforma la membrana nucleare e i cromosomi si srotolano, riformando la cromatina.

Nei procarioti si parla di scissione binaria, fenomeno in cui avviene la riproduzione asessuata in due cellule figlie. E' un processo di gran lunga più semplice rispetto alla mitosi.

Nella meiosi avviene, invece, la formazione di quattro cellule figlie a partire da una cellula madre. E' tipico delle cellule sessuali degli eucarioti. Ogni genitore fornisce un corredo cromosomico aploide (detto anche dimezzato), la cellula uovo nella femmina e lo spermatozoo nel maschio; la fusione, dei due corredi dimezzati (materno e paterno) e ricombinati riforma il corredo intero, e dà origine ad una singola nuova cellula, detta zigote che diverrà il nuovo individuo. Le fasi sono:

• interfase I, dove avviene la duplicazione del materiale genetico e si formano due cromatidi identici, uniti nei centromeri;

• profase I, in cui la  cromatina si condensa, i cromosomi formati si appaiano, per poi allontanarsi. Successivamente avviene lo scambio di materiale genetico tra i cromosomi omologhi (crossing over). Poi, si dissolve la membrana nucleare, i centrioli migrano ai poli e iniziano a formare il fuso;

• metafase I, in cui i centromeri si fissano al fuso e i cromosomi iniziano a dirigersi verso i poli della cellula;

• anafase I, in cui i cromosomi migrano verso i poli della cellula;

• telofase I, in cui si sono formate le due cellule aploidi;

• meiosi II, in cui avvengono fasi simili alla mitosi, ma si ottengono cellule con un corredo cromosomico dimezzato. L'altra differenza è che la profase della meiosi II è più rapida perché la cromatina è già spiralizzata. Alla fine dell'intero processo si formano quattro cellule figlie diverse e aploidi.

GLI ACIDI NUCLEICI E LA REPLICAZIONE

Nelle cellule gli atomi sono uniti a formare molecole, tra cui esistono le macromolecole (zuccheri, grassi, proteine ed acidi nucleici). Molecole denominate nucleotidi, servono per l'edificazione degli acidi nucleici: il DNA (acido deossiribonucleico), e l'RNA (acido ribonucleico). I nucleotidi, invece, sono costituiti da uno zucchero con cinque atomi di carbonio (il deossiribosio nelo DNA, il ribosio nell'RNA), da una base azotata e da un gruppo fosfato. Le basi azotate si dividono in purine (strutture a due anelli condensati, come adenina e guanina), e pirimidine (strutture a singolo anello, come timina e citosina).

La struttura del DNA è formata da due catene di nucleotidi, avvolte a spirali, legate tra loro da deboli legami idrogeno tra le basi. Questi legami fanno si che l'adenina si unisca solo con la timina, e la guanina con la citosina. Per questo motivo a partire dalla sequenza nucleotidica di una catena si arriva alla costituzione dell'altra catena.

L'RNA presenta la base azotata uracile al posto della timina, ed ha una singola catena avvolta su se stessa, formata da molecole più piccole rispetto al DNA. Queste caratteristiche fanno si che l'RNA sia più mobile all'interno della cellula, rispetto al DNA. La  replicazione  del DNA richiede l'intervento di numerosi enzimi e di proteine iniziatrici. E' un processo semocinservativo, perchè il doppio filamento del DNA parentale funge da stampo per la sintesi dei due filamenti figli complementari. Il processo avviene ad opera dell'enzima DNA polimerasi. La replicazione avviene in un singolo sito cromosomico, la doppia elica si apre e la replicazione inizia su entrambi i filamenti, e procede in modo sequenziale lungo il DNA.  La replicazione consiste in diverse fasi.

Lo svolgimento della doppia elica, ad opera dell’elicasi, che necessita di una molecola di ATP per ogni giro dell’elica. La doppia elica viene aperta, rompendo i legami idrogeno tra le basi azotate. Si forma la forcella di replicazione, una struttura a forma di y. La DNA polimerasi collega, ad ognuno dei filamenti, dei nucleotidi complementari. Si formano due copie della doppia elica originaria, in modo che metà della molecola originaria possa sopravvivere. La replicazione, è pertanto un processo semiconservativo. La sintesi dei due nuovi filamenti avviene in direzioni opposte. Un filamento  (leading strand) viene sintetizzato in modo continuo, dal momento che la DNA-Polimerasi avanza nella stessa direzione dell’elicasi. L'altro filamento, invece, (lagging strand) viene sintetizzato in modo discontinuo, tramite la formazione di segmenti di DNA denominati frammenti di Okazaki, che vengono in un secondo tempo legati dall’enzima DNA-ligasi. Per sintetizzare il nuovo filamento occorre un innesco, cioè di una breve sequenza di RNA (l'RNA primer) da cui partire. La DNA-polimerasi possiede un secondo sito attivo in grado di controllare se l’attività di appaiamento delle basi sia avvenuta correttamente e di correggere eventuali errori. In caso di errori, la DNA-polimerasi torna indietro a correggerli. Il processo di replicazione avviene contemporaneamente in più punti della molecola, con le forcelle di replicazione che si allontanano in direzioni opposte formando bolle di replicazione; quando le bolle di replicazione stanno crescendo, i filamenti di DNA non ancora aperti tendono a manifestare forze di torsione, aumentando i numeri di avvolgimenti. Le topoisomerasi di classe I consente di ridurre tutti gli avvolgimenti in eccesso. Quando le forze di torsione si sono alleviate, la topoisomerasi ricollega il filamento rotto, ripristinando il DNA a doppia elica.
I frammenti di Okazaki vengono successivamente saldati dalla DNA ligasi, mentre i primers di RNA vengono rimossi e sostituiti da analoghi filamenti di DNA, tramite un enzima della famiglia delle DNA-polimerasi.

La sintesi proteica è il processo che porta alla creazione delle proteine, mediante vari organelli cellulari (rRNA, tRNA, mRNA, ribosomi). Il DNA, un vero e proprio nastro-memoria, contiene i progetti di sintesi delle proteine. I polipeptidi sono montati ad opera dei ribosomi, all'interno del citoplasma. In questi organelli vengono lette le istruzioni. Il DNA è però troppo prezioso per portare le informazioni ai ribosomi; per evitare l'usura, la cellula copia le informazioni sull'RNA che invia nel citoplasma come messaggero. La sintesi dell'RNA avviene a partire dal DNA, in modo simile alla replicazione del DNA. La doppia elica del DNA viene aperta, e l'RNA polimerasi mette in successione i vari nucleotidi dell'RNA, usando come stampo uno dei due filamenti del DNA. L'RNA messaggero, appena costruito, viene condotto nel nucleo cellulare dove viene letto dai ribosomi. In questi organelli esiste una molecola, denominata RNA ribosomiale, costituita da due subunità, di cui una serve da attacco  all'mRNA.

A partire dal codice genetico, dunque, si ricava la sequenza di aminoacidi di una proteina, traducendo la sequenza di nucleotidi della porzione del DNA che ne dirige la sintesi (il gene). La sequenza dei nucleotidi viene letta per tripletta o codoni. Si capisce che quattro nucleotidi possono dare 64 codoni differenti, abbastanza per codificare venti aminoacidi. Alcune triplette indicano il punto di inizio e quello di fine della trascrizione.

Entra in gioco un altra molecola di RNA, il tRNA (trasportatore), che svolge la funzione di portare gli aminoacidi ai ribosomi. Con una parte della sua molecola, riesce a leggere un determinato aminoacidi, mentre con un'altra parte, riconosce il codone dell'mRNA specifica per quell'aminoacido. L'individuazione del codone dell'mRNA avviene tramite la molecola del tRNA, detta anticodone.

Durante la sintesi proteica, il ribosoma scorre velocissimo sul nastro dell'mRNA, in modo da montare gli aminoacidi durante la lettura, espellendo la proteina risultando, al termine del processo. Il ribosoma intrappola l'mRNA durante il processo, e lo fa scorrere in una direzione precisa.

GLICOLISI, ATP, CICLO DI KREEBS, RESPIRAZIONE CELLULARE E FERMENTAZIONE

La glicolisi è un'importante processo metabolico attraverso il quale il glucosio viene scisso in due molecole di piruvato, per generare molecole ad alta energia quali ATP E NADH. Avviene sia in presenza di ossigeno, che in assenza. In quest'ultimo caso si produce energia in quantità minore. In situazioni aerobie, l'acido piruvico, tramite il ciclo di Krebs, subisce una serie di reazioni chimiche che portano alla completa degradazione ad anidride carbonica e acqua. In situazioni anaerobie, invece, l'acido piruvico è trasformato in altri composti organici, come l'acido lattico o l'acido acetico, mediante il processo della fermentazione.  

Le fasi del processo di glicolisi sono:

• fosforilazione del glucosio, in cui alla molecola di glucosio si aggiungono due gruppi fosfato, forniti da due molecole di ATP che a loro volta diventano ADP. In questa fase ha origine il glucosio 1,6-difosfato;

• trasformazione in fruttosio 1,6-difosfato del glucosio 1,6-difosfato, il quale viene a sua volta scisso in due composti più semplici, il diidrossiacetone fosfato e la gliceraldeide 3-fosfato (entrambi a tre atomi di carbonio). Il diidrossiacetone fosfato viene convertito in un'altra molecola di gliceraldeide 3-fosfato;

• formazione di acido piruvico, passando dall' acido 1,3-difosfoglicerato, dal  fosfoglicerato e dal fosfoenolpiruvato. Vengono sintetizzate quattro molecole di ATP e 2 di NADH.

Il bilancio della glicolisi è di due molecole prodotte di ATP e due di NADH (nicotinamide adenin dinucleotide).

In assenza di ossigeno, alcuni organismi viventi (funghi, lieviti ...) attuano il processo chiamato fermentazione, che segue la glicolisi appena citata. Dopo la glicolisi, la cellula provvede alla rigenerazione del NADH₂. Il NAD, nella sua forma ridotta, rappresenta una grossa fonte di energia che per essere utilizzata richiede però la presenza di ossigeno. In assenza di ossigeno, il NAD ridotto deve essere liberato del suo prezioso carico senza ricavarne energia. Le varie fermentazioni differiscono per il modo in cui il NAD viene rigenerato.

In mancanza di ossigeno il piruvato viene  trasformato in due molecole di acido lattico con la liberazione di energia sottoforma di due molecole di ATP. E' un processo che non può persistere per più di 1 o 2 minuti perché l'accumulo di acido lattico produce la sensazione di fatica  muscolare e contrazione muscolare. E' il processo della fermentazione lattica.

Invece, in presenza di ossigeno, l'acido lattico viene trasformato in acido piruvico, per poi essere metabolizzato col ciclo di Krebs. Sia la fermentazione che la glicolisi portano alla produzione di un scarso prodotto energetico; sono le sole attività che si possono verificare in assenza di ossigeno.

La respirazione cellulare aerobia è quel processo che avviene all'interno dei mitocondri, che si compone del ciclo di Krebs durante il quale il carbonio viene legato all'ossigeno e produce anidride carbonica, acqua ed ATP. Questo processo, favorito da sette enzimi, è detto anche ciclo degli acidi tricarbossilici o dell'acido citrico. Il ciclo di Krebs è compiuto in tutti gli animali, gran parte delle piante e dei batteri. Nelle cellule eucarioti il ciclo avviene in un organulo cellulare denominato mitocondrio. Al termine della glicolisi si formano due molecole di piruvato, che all'interno dei mitocondri sono trasformate in gruppi acetilici. Ognuno di questi gruppi acetilici, con due atomi di carbonio, si lega ad un coenzima, formando un composto denominato acetilcoenzima A. L'acetilcoenzima A si combina con una molecola a quattro atomi di carbonio, l'ossalacetato, per formare un composto a sei atomi di carbonio, l'acido citrico. Successivamente, la molecola di acido citrico viene rielaborata in varie fasi, fino a perdere due atomi di carbonio che vengono eliminati sotto forma di anidride carbonica. In questi passaggi vengono, inoltre, liberati quattro elettroni che verranno utilizzati per l'ultimo passaggio della respirazione cellulare, la fosforilazione ossidativa. In questa fase gli elettroni dell'idrogeno del NADH sono trasferiti ad una catena di trasporto, formata da citocromi, fino all'ossigeno, che rappresenta l'accettore finale degli elettroni. Il passaggio degli elettroni determina la liberazione di energia che è immagazzinata nei legami di 36 molecole di adenosin difosfato (ADP) tramite il legame di gruppi fosfato e che porta alla sintesi di 36 molecole di ATP. Dalla riduzione dell'ossigeno e dagli ioni H+ che si formano dopo il trasferimento degli elettroni dal NADH e dal FADH, si producono anche delle molecole di acqua. I protoni passano attraverso la membrana del mitocondrio in un processo di diffusione facilitata. L'enzima ATP sintetasi ottiene l'energia sufficiente per produrre molecole di ATP, trasferendo un gruppo fosfato all'ADP. Il processo è facilitato da alcuni enzimi (deidrogenasi), che sottragono l'idrogeno alle molecole donatrici (FADH e NADH), per produrre ioni H+ ed elettroni. Sono indispensabili, anche, alcune vitamine.

FOTOSINTESI

Attraverso questo processo le piante verdi producono sostanze organiche a partire da CO₂ e dall’acqua, in presenza di luce. Il pigmento denominato clorofilla, consente la trasformazione della luce in glucosio, fondamentale per la sua vita. Inoltre, la pianta produce sei atomi di ossigeno atmosferico che libera sulla Terra. La fotosintesi viene svolta nei cloroplasti, dai tilacoidi, un sistema di membrane che formano pile di sacchetti appiattiti. Nei tilacoidi sono raggruppate le molecole della clorofilla, necessarie per la sintesi. Per la precisione, si parla di due fotosistemi, il fotosistema I, formato da da circa 70 molecole di clorofilla a e b e da 13 diversi tipi di catene polipeptidiche, e il Il fotosistema II, formato da circa 200 molecole di clorofilla a e b, nonché da diverse catene polipeptidiche. L'energia luminosa è catturata da ognuna di queste molecole, anche se è la clorofilla a a passare ad uno stato eccitato che attiva la reazione fotosintetica.

A livello delle membrane tilacoidali all’interno dei cloroplasti, i pigmenti del fotosistema II captano la radiazione luminosa, coadiuvati dai pigmenti accessori; l’energia assorbita determina un’eccitazione delle molecole del "centro di reazione del fotosistema", dove avviene la fotolisi dell’acqua (scissione in ossigeno e idrogeno) per mezzo della luce.

L’eccitazione delle molecole di pigmento determina la formazione di un flusso di elettroni che, passando sul fotosistema I, attraversano particolari molecole e forniscono l’energia necessaria alla sintesi di ATP.. L’eccitazione del fotosistema I determina la formazione di una molecola, il NADPH, che ha un potere riducente e verrà usata, con l’ATP, nella fase oscura. L’ossigeno viene così rilasciato nell'atmosfera.

Il ciclo di Calvin è la seconda fase del processo di fotosintesi. Avviene in modo indipendente dalla luce e comporta l'organicazione della CO₂, ossia la sua incorporazione in composti organici, con la riduzione del composto ottenuto grazie al ATP ricavato dalla fase luminosa.

In questo ciclo è presente un composto organico fisso, il ribulosio-bifosfato, o RuBP, che viene trasformato durante la reazione fino a ritornare al suo stato iniziale. Le dodici molecole di ribulosio bifosfato reagiscono con l'acqua e l'anidride carbonica, subendo una serie di trasformazioni per mezzo dell'enzima ribulosio-bifosfato carbossilasi. Alla fine del processo, oltre alle dodici molecole di RuBP nuovamente sintetizzate, si originano due molecole di gliceraldeide 3-fosfato, espulse dal ciclo come prodotto netto della fissazione. Per essere attivato, il ciclo di Calvin necessita di energia chimica e supporto mediante l'idrolisi di diciotto ATP in ADP e dell'ossidazione di dodici NADPH in NADP⁺ e ioni idrogeno H⁺. L'ATP e la NADPH consumate durante il ciclo di Calvin sono prelevate da quelle prodotte durante la fase luminosa, e, una volta ossidate, tornano a far parte del procedimento della riduzione. Nel ciclo di Calvin sono consumate sei molecole di CO₂, sei di acqua, diciotto di ATP e dodici  di NADPH per formare 2 gliceraldeide 3-fosfato (G3P), diciotto  gruppi liberi di fosfato, diciotto  ADP, dodici protoni e dodici  NADP⁺. Le due molecole di gliceraldeide 3-fosfato formatesi durante il processo di Calvin, sono utilizzate per sintetizzare glucosio o per formare lipidi oppure amminoacidi. I prodotti finali della fotosintesi, quindi, svolgono un ruolo fondamentale nei processi dell'anabolismo degli organismi autotrofi.